книги из ГПНТБ / Мельников, Н. А. Проектирование электрической части воздушных линий электропередачи 330-500 кВ

Заземляющее устройство состоит из заземлителей, представ­ ляющих собой, как правило, группу металлических проводников, находящихся в непосредственном соприкосновении с землей, и за­ земляющих спусков, предназначенных для присоединения за­ землителей к опоре. Заземляющее устройство должно выпол­ няться таким образом, чтобы был обеспечен надежный метал­ лический контакт стоек опор и тросов с землей.

Общее сопротивление заземляющего устройства складывает­ ся из сопротивлений металлических проводников, заземляющих спусков и сопротивления, которое земля оказывает растеканию электрического тока. Активное сопротивление металлических проводников и заземляющих спусков настолько мало по сравне­ нию с сопротивлением растеканию, что им, как правило, прене­ брегают. Поэтому термин «сопротивление заземляющего устрой­ ства» означает не что иное, как сопротивление, которое оказы­ вает прохождению электрического тока земля, окружающая металлические проводники. В процессе стекания тока в землю заземлитель приобретает по отношению к удаленным точкам зем­ ли потенциал, равный по своей величине падению напряжения, которое вызывается проходящим в земле током. Отношение по­ тенциала заземлителя Ua к проходящему току /3 называется сопротивлением растеканию заземлителя

(9-1)

'3

Величина, обратная сопротивлению растекания, называется проводимостью растекания.

Ток в земле расходится во все стороны от заземлителя. В рас­ текании тока всегда участвует ограниченный объем земли. Вбли­ зи заземлителей в месте ввода плотность тока в земле наиболь­ шая. По мере удаления от заземлителя плотность тока умень­ шается, и на некотором расстоянии от заземлителя ток начинает растекаться по такому большому объему земли, что его плот­ ность практически равняется нулю. Поэтому сопротивление, ко­ торое оказывает земля растеканию тока, не является постоян­ ным. Когда ток проходит по малому сечению около заземлите­ лей, сопротивление земли велико, по мере удаления сечение увеличивается, а сопротивление уменьшается. На расстоянии нескольких десятков метров от заземлителя потенциал становится равным нулю. Таким образом, сопротивление за­ землителя прямо пропорционально удельному сопротивлению

тока в земле, и обратно пропорционально его линейным раз­ мерам.

В качестве примера ниже приводится методика расчета со­ противления R при токах промышленной частоты для одиночного полушарового заземлителя, имеющего наиболее простую кон­

фигурацию электрического поля. Сопротивление dR элементар­ ного участка грунта полусферической формы между эквипотен­ циальными поверхностями, расположенными от центра заземлителя на расстоянии г0 и rQ-\-dr0, равно:

dR = р dr0

2лгі

Общее сопротивление, оказываемое всей массой земли, нахо­ дящейся вокруг полушарового заземлителя с радиусом г, будет равно:

со со

Го

Аналогичным образом могут быть рассчитаны единичные заземлители более сложной конфигурации.

Втабл. 9-1 приведены формулы для расчета одиночных ис­ кусственных заземлителей, выполненных в виде горизонтальных лучей, опускаемых в скважину вертикальных стержневых элек­ тродов или трубчатых электродов.

Вслучае применения угловой стали вместо труб сопротив­

ление заземлителя определяется также по приведенной в

П р и м е ч а н и е , d — диаметр заземлителя.

226

Т а б л и ц а 9-2

табл. 9-1 формуле для трубчатого электрода. Для угловой стали d = 0,956, где b — ширина стороны уголка.

Измеренное приборами сопротивление заземляющих устройств опор линий электропередачи при токах промышлен­

труднениями и удорожанием строительства. В то же время за­ траты на сооружение заземляющих устройств в плохо проводя­ щих грунтах заметно возрастают, а при р ^ Ы О 5 Ом-м практи­ чески невозможно обеспечить низкое значение сопротивления при импульсных токах. Одновременно учитывается, что в гор­ ных и других районах с высоким удельным сопротивлением грун­ тов, как правило, регистрируются токи молнии с относительно небольшой амплитудой.

Изложенные выше соображения, а также наличие АПВ и ре­ зервирования в современных сетях позволили увеличить допу­ стимые значения сопротивления заземлителей в плохо проводя­ щих грунтах.

Значения, приведенные в табл. 9-2, также удовлетворяют тре­ бованиям обеспечения надежной работы релейной защиты. По условию чувствительности релейной защиты линий при замы­ каниях на землю на опоре или с участием троса сопротивление заземляющих устройств с учетом присоединенных тросов не должно превышать 50—70 Ом. По условию эффективности ОАПВ при однофазных коротких замыканиях на опоре или с уча­ стием троса сопротивление заземляющих устройств не должно превышать 20—80 Ом.

Сопротивление заземляющих устройств нормируется также в зависимости от высоты опоры. При высоте опоры более 35 м величина сопротивления должна быть в 2 раза меньше значений, приведенных в табл. 9-2.

Удельное сопротивление грунта. Удельное сопротивление грунта находится в непосредственной зависимости от его хими­ ческого состава, влажности и температуры. Содержащиеся в зем­ ле различные соли и кислоты при наличии влаги образуют элек-

тролиты, создающие ту или иную степень электропроводности грунта. Влажность земли определяется количеством выпавших осадков, наличием подземных вод и размерами частиц грунта, с уменьшением которых водонасыщение увеличивается. Измене­ ние температуры и влажности в наибольшей степени влияют на удельное сопротивление верхних слоев земли. Поэтому на боль­ шей глубине сопротивление заземлителя в значительно меньшей степени подвержено сезонным колебаниям, чем на поверхности. Наибольшая величина сопротивления растеканию наблюдается в зимнее время или в засушливый период летом.

При проектировании заземляющих устройств в качестве рас­ четного удельного сопротивления грунта следует принимать его возможное максимальное значение в течение грозового периода. Эта величина может быть выражена зависимостью

где р' — удельное сопротивление грунта, полученное в результа­ те измерений или принятое на основании результатов геологиче­ ских изысканий; ф — коэффициент, учитывающий увеличение

для различных конструкций заземлителей.

Вдоль трассы линии электропередачи встречаются разнооб­ разные грунты, которые при проектировании заземляющих устройств целесообразно подразделить на несколько групп с об­ щим для каждой группы средним значением удельного сопро­ тивления.

Чернозем, глина, суглинки, торф и грунты, удельные со­ противления которых в летних условиях изменяются в пределах до М О2 Ом-м, при проектировании заземляющих устройств зачисляются в первую группу с расчетным удельным сопротив­ лением I - ІО2 Ом-м. Ко второй группе грунтов с расчетным удельным сопротивлением в диапазоне 1-102—3-102 Ом-м при­ надлежат суглинок, глина с содержанием до 40% гальки и т. п.

Т а б л и ц а 9-3

228

К третьей группе грунтов с расчетным удельным сопротивлени­ ем 3-102—5 -ІО2 Ом-м отнесены лёсс, супеси, влажные пески. Четвертую группу грунтов с расчетным удельным сопротивлени­ ем 5 -ІО2—10-ІО2 Ом-м составляют пески с незначительным со­ держанием влаги, пески с галькой и валунами.

Основным преимуществом приведенной классификации яв­ ляется возможность унификации проектных решений. В связи с тем что расходы на заземление составляют менее 1 % полной стоимости линии, допустимо объединение в одну группу грун­ тов с большим диапазоном удельных сопротивлений. Такое ре­ шение позволяет не уточнять требований к заземляющим устрой­ ствам каждой опоры и ограничиться применением небольшого количества типовых конструкций.

На основании материалов инженерно-геологических изыска­ ний или по литературным данным могут быть выбраны, удель­ ные сопротивления грунтов с точностью, достаточной для приме­ нения типовых заземляющих устройств.

Подразделение удельных сопротивлений грунтов на большое число групп не увеличит эксплуатационную надежность линии

тем, что сопротивление заземляющих устройств в течение года, как уже отмечалось, значительно изменяется. Кроме того, кри­ вые сезонных колебаний сопротивления заземления каждый год отличаются друг от друга в зависимости от количества выпав­ ших осадков. Поэтому предварительные измерения удельного со­ противления грунта, которые практически могут быть произведе­ ны только во время изысканий трассы, носят случайный характер и могут помочь установить только ориентировочные значения со­ противления заземления.

К числу плохо проводящих грунтов, для которых необходимо измерение удельных сопротивлений, относятся:

1) степные пески при мощности пласта 10 м и более и глу­ боком стоянии подпочвенных вод;

2) мягкие грунты (суглинки, супеси, пески и т. д.) при малой мощности слоя (менее 1,5 м) на скальном основании;

3) скальные грунты.

Во втором случае удельное сопротивление определяют для поверхностного слоя грунта, так как применение вертикальных заземлителей в этих случаях нецелесообразно. Измерения осу­ ществляются выборочно в летнее время, причем точки измере­ ний намечают в соответствии с данными произведенных ранее инженерно-геологических изысканий.

Использование железобетонных фундаментов в качестве ес­ тественных заземлителей. Фундаменты для металлических опор линий электропередачи выполняют из сборных железобетонных конструкций, обеспечивающих возможность применения индуст­ риальных методов строительства. Наибольшее распространение

229

получили фундаменты, состоящие из грибовидных железобетон­ ных подножников или свай.

Арматурные каркасыжелезобетонных фундаментов выполня­ ют в виде сетки из стальных стержней, соединенных при помощи контактной сварки. Таким образом, современный железобетон­ ный фундамент характеризуется наличием стальной арматурной решетки, покрытой защитным бетонным слоем. При толщине за­ щитного слоя 30 мм и более обмазку подножников битумом в не­ агрессивных грунтах разрешается не производить.

Опыт сооружения и эксплуатации линий электропередачи и результаты экспериментальных исследований показали техни­ ческую возможность и практическую целесообразность исполь­ зования естественной проводимости растеканию арматуры желе­ зобетонных фундаментов.

9-2 КОНСТРУКЦИИ

ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ

УСТРОЙСТВ

Необходимо сформулировать исходные положения для про­ ектирования заземляющих устройств линий электропередачи.

1. Железобетонные фундаменты опор следует рассматривать как естественные заземлители. Проводимость железобетонных фундаментов, даже в грунтах с удельным сопротивлением р =

=5- ІО2 Ом-м, составляет до 50% нормированной величины.

2.Искусственные заземлители применяют в тех случаях, ког­ да железобетонные фундаменты не обеспечивают требуемую нормами величину сопротивления. Расположение и линейные размеры искусственных заземлителей должны быть согласованы

свеличиной удельного сопротивления и с расположением стоек опоры. Для создания многочисленных путей току молнии, сте­ кающему с опоры в землю, и обеспечения достаточно полного использования проводимости растеканию единичных поверхност­ ных заземлителей искусственное заземляющее устройство ре­ комендуется выполнять в виде групп единичных заземлителей, расположенных около каждой стойки опоры.

3.На участках трассы с высоким удельным сопротивлением грунта целесообразно применение глубинных заземлителей, если их можно расположить в хорошо проводящем слое грунта, на­ ходящемся под воздействием подземных вод.

Конструктивные решения, принимаемые при проектировании заземляющих устройств, зависят от выбранного типа фундамен­ та. В проектах заземляющих устройств для сокращения объема земляных работ часто предусматривается укладка заземлителей из круглой стали на дно котлована до установки железобетон­ ных подножников или погружение в грунт вместе со сваей зазем-

230

лителя в виде стального электрода. В тех случаях, когда это не­ обходимо для достижения требуемой нормами величины сопро­ тивления заземления, дополнительно прокладывают поверхност­ ные протяженные или глубинные заземлители. Заземлители, как правило, изготовляют из круглой стали диаметром 10—16 мм. В некоторых случаях в качестве вертикальных электродов ис­ пользуют также трубы или угловое железо. Горизонтальные за­ землители должны быть уложены на глубине не менее 0,5 м, а в пахотных землях — на глубине не менее 1 м. В случае установки опор в скальных грунтах допускается прокладка горизонтальных заземлителей над скальными породами при толщине поверхност­ ного слоя не менее 0,1 м. Размеры глубинных заземлителей могут достигать 20—30 м.

Контурные заземлители. В грунтах с удельным сопротивле­ нием, превышающим Ы О 2 Ом-м, часто нельзя обеспечить тре­ буемую нормами величину сопротивления заземления при помо­ щи одних только естественных заземлителей. Следовательно, в этих случаях необходимо сооружать дополнительные искусст­ венные заземлители. В связи с этим необходимо учесть, что для установки фундаментов опор обычно вырывают котлованы глу­ биной примерно 2,5 м и конфигурацией, соответствующей схеме установки подножников: для одностоечных металлических опор на четырех подножниках дно общего котлована представляет собой прямоугольник площадью примерно 5X4,5—7X5,5 м2,

вслучае свободностоящей опоры портального типа вырывают два котлована площадью 5X5 м2 и т. д. При наличии такого кот­ лована целесообразно уложить на его дне у стен горизонтальный заземлитель в виде прямоугольника с несколькими вертикальны­ ми выводами вдоль стен котлована на поверхность земли, обес­ печивающими электрическую связь со стойкой опоры.

Врасчетах выводы учитываются как отдельные элементы за­ земляющего устройства. Контурные заземлители выполняются из круглой стали, которая в отличие от полосовой стали эквива­ лентного сечения в меньшей степени подвергается коррозии. Указанный диаметр обеспечивает хорошее использование ме­ талла, его достаточную прочность и термическую устойчивость. Контуры укладывают на дно котлована до установки поднож­ ников, которые располагают соответственно размещению стоек опоры. Стоимость такого заземления, не требующего земляных работ, будет очень мала и полностью оправдана создаваемой им

всистеме общего заземления проводимостью растекания, мало меняющейся под действием атмосферных условий.

Укладка контура заземлителей на дно открытого котлована является простой операцией, не требующей дополнительных зем­ ляных работ. Применение контурных заземлителей особенно це­ лесообразно в тех случаях, когда удельное сопротивление грунта

вместе их укладки значительно ниже, чем у слоев, расположен­ ных ближе к поверхности земли. Только в тех случаях, когда

231

верхние слои грунта значительной толщины 1,5—2 м имеют низ­ кое удельное сопротивление и опираются на плохо проводящие нижние слои, использование углубленных заземлителей нерацио­ нально. Для расширения области применения контурных зазем­ лителей в случаях, когда это возможно по условиям производст­ ва строительных работ, рекомендуются вертикальные стержне­ вые или трубчатые заземлители, забиваемые в дно котлована.

Горизонтальные заземлители. В тех случаях, когда проводи­ мость поверхностных слоев грунта достаточно высока, при не­ обходимости можно также применять горизонтальные протяжен­ ные заземлители, размещенные в виде лучей.

Для рационального использования горизонтальных поверх­ ностных заземлителей ввод в заземлитель импульсных токов сле­ дует предусматривать не в начале заземлителя, а в его середине. Каждый из двух образующихся при этом лучей сокращается по длине вдвое и поэтому используется наиболее эффективно.

При прямом ударе молнии в опору импульсный ток проходит через каждую стойку и оттяжки. С целью создания многочис­ ленных путей для растекания импульсных токов и обеспечения достаточного использования проводимости растеканию единич­ ных заземлителей лучевые заземлители рекомендуется выпол­ нять в виде групп единичных заземлителей, расположенных у каждой стойки опоры. Горизонтальные заземлители должны иметь надежную электрическую связь с естественными и контур­ ными заземлителями. Длина лучей и их количество выбираются в соответствии с удельным сопротивлением грунта.

На участках линий с очень низкой электропроводностью зем­ ли (р ^4 -1 0 3 Ом-м) эффективно применение непрерывных гори­ зонтальных заземлителей, соединяющих несколько опор. Такое заземляющее устройство обеспечивает достаточный уровень гро­ зоупорности линии и нормальную работу релейной защиты при

однофазных замыканиях на землю.

Глубинные заземлители. В случаях, когда проводимость нижних слоев грунта значительно выше, чем на отметке разме­ щения железобетонных фундаментов, рекомендуется установка вертикальных электродов, находящихся на большой глубине и поэтому называемых глубинными заземлителями. В этом слу­ чае могут рассматриваться два конструктивных решения.

1. Относительно короткие электроды, выполненные из труб, которые полностью опускаются в хорошо проводящие слои грун­ та и присоединяются к заземляющему устройству опоры.

В случае необходимости погружения электродов на глубину больше чем 15—20 м используются составные конструкции.

При токах промышленной частоты эффект, получаемый в слу­ чае применения глубинных заземлителей, достигается преиму­

232

щественно за счет нижних частей, расположенных в хорошо про­ водящих слоях грунта.

В суглинистых и супесчаных грунтах увеличение длины элек­ трода с 2,5 до 6 м приводит к снижению сопротивления в 1,8— 6 раз в зависимости от проводимости грунта. Наиболее эффек­ тивно используются вертикальные электроды, погружаемые в пески. В этих условиях увеличение длины заземлителя с 2,5 до б м снижает сопротивление в 10—15 раз, а до 12 м — в 20— 30 раз.

Искрообразование при прохождении импульсных токов при­ водит к тому, что импульсная проводимость растеканию создает­ ся всем вертикальным электродом, включая и его части, нахо­ дящиеся в плохо проводящих грунтах. Поэтому процесс стекания с глубинных заземлителей импульсных токов происходит так же, как и у протяженных заземлителей. Разница состоит только в том, что концевая часть глубинного заземлителя имеет более высокую проводимость растеканию.

Во всех случаях глубинные заземлители являются составны­ ми элементами заземляющего устройства, расположенного вбли­ зи поверхности земли. Наиболее рационально располагать глу­ бинные заземлители вдоль внешнего контура заземляющего устройства.

При проектировании глубинных заземлителей особенно важ­ но правильно выбрать расчетное значение удельного сопротивле­ ния грунта с учетом его неоднородности, а также определить оп­ тимальную длину единичного электрода.

Коэффициенты использования. Чтобы обеспечить требуемые нормами значения сопротивлений растеканию, заземляющее устройство, как правило, выполняется в виде многократного за­ землителя, состоящего из нескольких электродов различной формы. В процессе растекания электрического тока с многократ­ ного заземлителя происходит наложение электрических полей, вследствие чего плотность тока вокруг каждого электрода стано­ вится неравномерной. При этом уменьшается участвующий в растекании тока объем земли вокруг многократного заземли­ теля II увеличивается его сопротивление. Взаимное влияние еди­ ничных заземлителей возрастает по мере их приближения друг

Врасчетах заземляющих устройств взаимное влияние еди­ ничных заземлителей учитывается так называемые коэффициен­ том использования т], который преимущественно зависит от рас­ стояния между электродами и от их размеров. Коэффициент ис­ пользования всегда будет меньше единицы.

ВПриложении IV приведены значения коэффициентов ис­

пользования заземляющих устройств различных конструк­ ций.

9-3 РАСЧЕТ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Сопротивление заземляющего устройства R , состоящего из п единичных

однотипных заземлителей, может быть определено по формуле

Яі

(9-3)

тіп '

где R 1 — сопротивление каждого однотипного заземлителя; 1] — коэффициент

использования.

Общее сопротивление заземляющего устройства, состоящего из п і единич­

ных заземлителей одного типа и из п2 единичных заземлителей другого типа:

где R i и R i — сопротивление одного заземлителя первого и второго типа.

При большем количестве заземлителей разных типов общее сопротивление заземляющего устройства определяется по формуле аналогичной структуры. Расчет заземляющего устройства рекомендуется начинать с определения со­ противления естественных заземлителей. При этом необходимо учитывать, что в грунтах с относительно низкой удельной проводимостью суммарное со­ противление естественных заземлителей может оказаться недостаточным. В этом случае необходимо спроектировать дополнительное искусственное за­ земляющее устройство, которое вместе с естественными заземлителями долж­ но удовлетворять нормативным требованиям.

Расчет сопротивлений железобетонных фундаментов, используемых в каче­ стве естественных заземляющих устройств. Сопротивление растеканию естест­ венных заземлителей при переменном токе определяется по формулам для вертикальных заземлителей с учетом некоторых особенностей, состоящих в том, что длину и диаметр сваи, а также диаметр плиты подножннка прини­ мают по размерам арматурного каркаса, который считается сплошным телом. Защитный бетонный слой, рассматриваемый как добавочное переходное со­ противление, находящееся между арматурным каркасом и грунтом, учитыва­ ется тем, что арматурный каркас условно принимают находящимся в одно­ родной среде с эквивалентным удельным сопротивлением ракп = І,1р.

В соответствующие формулы вводится коэффициент ß= 1,05, учитываю­ щий, что заземлитель представляет собой не сплошную металлическую поверх­ ность, а в действительности выполняется в виде сетки, состоящей из близко расположенных друг к другу стальных стержней, образующих арматурный каркас.

В табл. 9-4 приведены формулы для расчета железобетонных фундамен­ тов опор линии электропередачи, используемых в качестве естественных за­ земляющих устройств.

Рассматривая типовые железобетонные фундаменты опор 330—500 кВ, можно оценить величину их естественного сопротивления в условиях различ­ ных грунтов (табл. 9-5).

Даже относительно несложные железобетонные фундаменты обеспечивают требуемую нормами величину сопротивления при промышленной частоте для

вгрунтах с удельным сопротивлением 3-102 Ом-м.

Вгрунтах с р = 5 -1 0 2 Ом-м естественная проводимость железобетонных фундаментов составляет до 50% требуемой величины.

234