Заземление

Заземление — преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством.

Что нужно знать про заземление объектов энергетики, из каких составляющих оно складывается, с какой целью создаётся и какие нормируемые параметры определяют его качество — эти и другие вопросы затронуты в настоящей статье.

1. Назначение и конструкции заземления

По своему назначению заземление подразделяют на следующие основные группы:

• защитное;
• рабочее;
• грозозащитное;
• заземление для снижения уровня электромагнитных помех.

Целью защитного заземления является электробезопасность, то есть защита людей и животных от поражения электрическим током.

Рабочее заземление — это заземление, предназначенное для создания нормальных условий работы аппарата или электроустановки.

При грозозащитном заземлении оборудование присоединяется к заземлителям для защиты от повреждения ударом молнии.

Заземление для снижения уровня электромагнитных помех, в первую очередь, необходимо для защиты современного микропроцессорного оборудования.

Для выполнения заземления могут быть использованы естественные и искусственные заземлители.

В качестве естественных заземлителей применяют водопроводные трубы, металлические трубопроводы, проложенные в земле, обсадные трубы скважин, фундаментные конструкции и пр. В качестве искусственных заземлителей используют специальные металлические конструкции, погружаемые в землю.

Заземление объектов энергетики выполняется с помощью естественных и искусственных заземлителей, соединённых в единое заземляющее устройство (ЗУ), заземляющих проводников, проводников уравнивания и выравнивания потенциалов, главной заземляющей шины, экранирующих проводников.

Рассмотрим каждую из составляющих подробнее.

2. Заземляющее устройство

Заземляющее устройство открытой части подстанций и электростанций должно состоять из горизонтальных и вертикальных заземлителей. Для выравнивания электрического потенциала и возможности присоединения электрооборудования к любой точке ЗУ горизонтальный заземлитель выполняется в виде сетки из продольных и поперечных составляющих, образуя замкнутый контур.

Сечение горизонтальных заземлителей и заземляющих проводников выбирается по условиям термической и коррозионной стойкости, а сечение вертикальных заземлителей — по коррозионной стойкости и механической прочности с учётом технологии погружения.

Минимальные размеры заземлителей отражены в таблицах нескольких нормативных документов⎘. Они имеют небольшие расхождения: ПУЭ и технический циркуляр допускают использование чёрной стали без антикоррозионного покрытия, современные ГОСТ — нет. Допустимость использования только оцинкованной или нержавеющей стали, меди и подобных, стойких к коррозии материалов, при прокладке в земле, считаем обоснованным — это позволяет в разы продлить срок их службы. Чёрная сталь может использоваться только для заглубления в бетон. А бетонные фундаменты, в свою очередь, лучше использовать в качестве заземлителей лишь в агрессивной среде при большой концентрации ионов хлора или сульфат-ионов.

Горизонтальные заземлители прокладываются на глубине 0,3-0,7 м от поверхности земли, в скальных грунтах глубина может быть уменьшена до 0,15 м. Продольные горизонтальные заземлители рекомендуется размещать вдоль осей электрооборудования со стороны обслуживания на расстоянии 0,8-1,0 м от фундаментов. Допускается увеличение расстояний от фундаментов оборудования до 1,5 м с прокладкой одного заземлителя для двух рядов оборудования, если стороны обслуживания обращены одна к другой, а расстояние между основаниями или фундаментами двух рядов не превышает 3,0 м. Поперечные заземлители следует прокладывать в любых удобных местах между оборудованием. Расстояния между продольными и расстояния между поперечными горизонтальными искусственными заземлителями не должны превышать 30 м.

Размеры ячеек заземляющей сетки, примыкающих к местам присоединения нейтралей силовых трансформаторов и короткозамыкателей к ЗУ, не должны превышать 6×6 м.

Траншеи для горизонтальных заземлителей должны заполняться однородным грунтом, не содержащим щебня и строительного мусора. Горизонтальные заземлители из полосовой стали следует укладывать на дно траншеи на ребро, а в местах пересечения с подземными сооружениями, железнодорожными путями, дорогами и в прочих местах возможных механических повреждений следует защищать металлическими или асбоцементными трубами.

Длина вертикальных электродов определяется проектом, но не должна быть менее 1 м. Верхний конец вертикальных заземлителей должен быть заглублён, как правило, на 0,5-0,7 м. Расстояния между вертикальными заземлителями должны быть больше их длины — в противном случае экономическая эффективность заземления снижается.

Для обеспечения надёжной работы охранной сигнализации (видеонаблюдения, охранного освещения и пр.), установленных по периметру ограждения ПС, и обеспечения безопасности людей и животных контур заземляющего устройства должен выходить за пределы ограждения и располагаться в 1 м от него. Горизонтальные заземлители, находящиеся вне территории ПС, следует прокладывать на глубине не менее 1 м. Внешний контур заземляющего устройства в этом случае рекомендуется выполнять в виде многоугольника с тупыми или скруглёнными углами.

Допускается не выполнять внешний контур за пределами ограждения у ПС напряжением 110 кВ и ниже при отсутствии электроприёмников на ограждении, пропускных пунктов и других электрифицированных сооружений, встроенных или соприкасающихся с ограждением ПС. В этом случае ограждение ПС не должно подсоединяться к внутреннему ЗУ ПС, а располагается от него на расстоянии не менее 2 м.

3. Заземляющее устройство зданий и сооружений

В качестве заземляющего устройства зданий и сооружений должен создаваться контурный заземлитель. Контурный заземлитель может быть расположен как внутри здания (сооружения), так и за его пределами на расстоянии 1 м от стен. Внешний заземлитель соединяется с заземляющим устройством открытой части объекта, образуя единое с ним ЗУ. Все внутренние конструкции здания (сооружения) должны быть многократно соединены между собой и не менее чем в четырёх местах присоединены к контурному горизонтальному заземлителю.

Ряды рамных конструкций оборудования (шкафов, панелей) соединяют между собой проводниками с шагом не более чем 2 м. Каждый ряд рамной конструкции присоединяют к магистралям заземления не менее чем в 4-х местах.

Более подробно см. далее в п.8.

4. Объём проектирования заземляющего устройства

Проектирование ЗУ на стадии ПД рекомендуется проводить, когда проработаны решения:

• по строительной части;
• по схемам, составу и компоновкам первичного оборудования;
• по составу и расположению вторичного оборудования и оборудования связи;
• по трассам прокладки кабелей всех напряжений и назначений;
• по трассам прокладки трубопроводов всех назначений, включая воздуховоды.

Схема заземления подстанции наносится на план фундаментов. Схема внутреннего заземления здания отображается на планировке здания.

На схеме заземления должно быть отражено:

• вертикальные заземлители (в виде окружностей диаметром 3-5 мм);
• горизонтальные заземлители (в виде пунктирной или штрих-пунктирной линии);
• заземляющие проводники, проложенные по кратчайшему расстоянию от оборудования или сооружений (в виде пунктирной или штрих-пунктирной линии);
• условные обозначения элементов ЗУ;
• спецификация элементов ЗУ;
• в примечаниях указываются ссылки на нормативные документы, в соответствии с которыми выполнены расчёты, допустимое сопротивление заземляющего устройства, глубина прокладки в земле горизонтального заземлителя и заземляющих проводников, требование к выполнению соединений (сваркой «внахлёст») и их защита от коррозии, требование дополнительной защиты заземляющих проводников от коррозии в местах вывода из земли, материал для засыпки траншеи и необходимость трамбования.

Заземляющее устройство наносится на план жирной линией, здания и фундаменты — тонкой.

На стадии РД выполняются рабочие чертежи деталей ЗУ (присоединение к оборудованию, присоединение естественных заземлителей, разрез траншеи и способы соединения заземлителей и заземляющих спусков между собой, заземление экранов и оболочек кабелей с проверкой их термической стойкости, конструкция сварных соединений, уточнение прокладки заземляющих проводников внутри помещений и т.п.). Допускается проведение проверочных расчётов и местные изменения конструкции ЗУ, не приводящие к изменению её стоимости в сторону увеличения.

5. Нормируемые параметры заземляющего устройства

6. Расчёт заземления

Формулы для ручного расчёта заземления можно найти в документах на страницах НТД⎘ и ТИПОВЫЕ⎘ сайта, добавив расчёт заземления в окно Требование.

Но лучшим способом создания правильной конфигурации ЗУ является использование специализированного ПО (например, ОРУ-М и Parsiz).

Если при конструктивном выполнении заземляющего устройства не обеспечивается какой-либо из нормируемых параметров, указанных в таблице, должны быть разработаны дополнительные мероприятия.

При напряжении на заземляющем устройстве выше допустимого значения должны быть приняты мероприятия по снижению сопротивления заземляющего устройства:

• добавление вертикальных заземлителей;
• расширение внешней части заземляющего контура с установкой или без установки вертикальных заземлителей;
• устройство скважинных и выносных заземлителей.

Для снижения напряжения прикосновения до допустимых значений на территории подстанции рекомендуются следующие мероприятия:

• уменьшение шага ячеек заземляющей сетки;
• местное выравнивание потенциала на рабочих местах;
• использование высокоомных (гравий, щебень) или изоляционных (асфальт) покрытий.

Напряжение между какой-либо точкой заземления силового оборудования (при КЗ на землю) и точками ЗУ в месте расположения вторичного оборудования (ЗРУ, ОПУ и др.), к которому приходят контрольные кабели от силового оборудования, может быть снижено до допустимых значений за счёт:

• уменьшения шага ячеек заземляющей сетки;
• прокладки дополнительных связей между ОРУ и зданием ЗРУ (ОПУ);
• прокладки дополнительных связей между РУ различных напряжений.

Для снижения импульсного потенциала на заземляющем устройстве при коммутациях силового оборудования и КЗ на землю должно быть выполнено выравнивание потенциалов путём прокладки дополнительных заземляющих проводников и увеличения плотности сетки заземлителей в месте расположения оборудования.

7. Заземляющие проводники

Заземление оборудования следует производить при помощи двух заземляющих проводников, с присоединением их, по возможности, к разным магистральным заземлителям в грунте. Прокладывать заземляющие проводники следует в земле на глубине не менее 0,3 м.

Минимальное сечение заземляющих проводников по термической стойкости определяется выражением

где B_к — тепловой импульс расчётного тока короткого замыкания, кА²*с,

C_т — параметр, значение которого зависит от материала проводника и выбранного условия по нагреву (например, для стальных шин, допускающих нагрев до 400°С, как не имеющих непосредственного соединения с аппаратами, C_т=70 — см. табл. 7-9 ГОСТ Р 52736-2007⎘).

В соответствии с требованиями НТД⎘ для прокладки в земле можно использовать стальную оцинкованную полосу толщиной не менее 3 мм.

Для исключения усиленного разрушения заземляющих проводников на участке «воздух-грунт» (как и в местах пересечения грунтов с различной воздухопроницаемостью) рекомендуется гидроизолировать их специальным составом.

8. Проводники уравнивания потенциалов, главная заземляющая шина и экранирующие проводники

Заземляющее устройство в виде сетки, смонтированной на ОРУ, помимо основного своего предназначения, следующего из названия, выполняет ещё как минимум две функции: уравнивания и выравнивания потенциалов.

Уравнивание потенциалов — это электрическое соединение проводящих частей для достижения равенства их потенциалов.

Дополнительных мер уравнивания потенциалов на открытой части электроустановки, помимо ЗУ, не требуется.

Для заземления корпусов оборудования, экранов кабелей внутри зданий и сооружений следует использовать собственную систему уравнивания потенциалов. В роли главной заземляющей шины чаще всего выступает магистраль заземления, проложенная по стене здания (сооружения) на высоте 0,4-0,5 м и соединённая с внешним контурным заземлителем (см. п.3).

Присоединения заземляющих и нулевых защитных проводников и проводников уравнивания потенциалов к открытым проводящим частям должны быть надёжными и обеспечивать непрерывность электрической цепи, выполнены при помощи болтовых соединений или сварки. Для болтовых соединений должны быть предусмотрены меры против ослабления контакта. Соединения должны быть доступны для осмотра и выполнения испытаний, за исключением находящихся в земле, защищены от коррозии и механических повреждений. Окраску выполняют в виде чередующихся продольных или поперечных полос жёлтого и зелёного цветов.

С целью обеспечения снижения импульсных помех, транслируемых вдоль кабелей, прокладываемых по ОРУ, следует обеспечить эффективное экранирование вторичных цепей кабельной канализацией. Для этого в железобетонных кабельных лотках со вторичными цепями достаточно проложить по две шины уравнивания потенциалов (ШУП), внутри или снаружи, выполненных из стали сечением 5×40 мм. ШУП соединяется с контуром заземления в начале и конце кабельной трассы, а также через каждые 10 м лотка.

9. Проводники выравнивания потенциалов

Выравнивание потенциалов — это снижение разности потенциалов (шагового напряжения) на поверхности земли или пола.

Помимо основного заземляющего устройства, обеспечивающего выравнивание потенциалов на ОРУ, на рабочих местах у оборудования может быть выполнено местное выравнивание (показания к этому см. в п.6). Для местного выравнивания потенциалов рекомендуется выполнить квадратную решётку размером не менее 1 м с ячейками не более 0,5 м из стали круглого сечения диаметром не менее 6 мм. Решётка должна быть присоединена к оборудованию в одном или двух местах. Данные технические решения рекомендуется дополнять (и допускается заменять) покрытиями из асфальта толщиной не менее 5 см, щебня толщиной не менее 10 см или изоляционного бетона. Площадь покрытия должна выступать за устройства выравнивания потенциала не менее чем на 0,2 м.

В помещениях распределительных устройств с элегазовым оборудованием прокладывают непрерывную стальную (медную) высокочастотную (ВЧ) сетку с шагом не более 2×2 м, залитую бетоном, или металлические пластины, расположенные на одном или нескольких уровнях. В качестве сетки может применяться арматура железобетонной конструкции пола. ВЧ сетка присоединяется к закладным металлоконструкциям, на которых устанавливается оборудование. Закладные металлоконструкций, оборудование КРУЭ и ВЧ сетку присоединяют к магистрали заземления (шине уравнивания потенциалов — см. п.8). Указанные мероприятия также способствуют снижению шагового напряжения.

Для выравнивания потенциалов в камерах трансформаторов на полу трансформаторной камеры должна быть выполнена сетка из стальной полосы с шагом не более 6х6 м.

10. Особенности заземления оборудования

Каждая часть электроустановки, подлежащая заземлению, должна быть присоединена к сети заземления при помощи отдельного ответвления к местам, обозначенным заводом-изготовителем знаком по ГОСТ 21130-75. Разъёмные соединения должны быть защищены от атмосферной коррозии нейтральной смазкой.

У силового трансформатора с заземлённой нейтралью вторичной обмотки напряжением до 1000 В заземляться должны и нейтраль, и корпус.

Заземляющие проводники не должны образовывать вокруг токоограничивающих реакторов замкнутых контуров.

У трансформаторов тока должны быть заземлены корпус, каждая закороченная (неиспользуемая вторичная) обмотка, а также все остальные вторичные обмотки, если это предусмотрено проектом.

ОПН, за исключением подключаемого к нейтрали трансформатора, чаще всего устанавливается на изолированные основания, а в рассечку заземляющего проводника монтируется счётчик срабатываний.

У молниеотводов должно быть обеспечено растекание тока молнии от стойки по трём-четырём направлениям с углом не менее 90° между ними, а на каждом направлении, на расстоянии 3-5 м, должно быть установлено по одному вертикальному электроду длиной 5 м.

Экраны вторичных кабелей следует заземлять с обоих концов. Для заземления экранов рекомендуется использовать специальные зажимы или разъёмы. Заземление экранов (брони) кабелей должно обеспечиваться по всему периметру с помощью металлических хомутов, пайки или сварки. Допускается выполнять заземление экранов кабелей при помощи проводника: медным неизолированным проводом, сечением не менее 4 мм2 минимальной длины без петель. Не допускается заземление экранов кабелей навитым проводом («косичка»), так как создаваемая в этом случае индуктивность будет препятствовать растеканию импульсных токов с оболочек кабелей.

ССЫЛОЧНАЯ ЛИТЕРАТУРА

Более подробную информацию можно найти в ГОСТах, стандартах организаций и справочниках. Все указанные нормативно-технические документы, в актуальных редакциях, отфильтрованы на страницах НТД⎘ и ТИПОВЫЕ⎘ сайта.

РЕКОМЕНДУЕМ К ПРОЧТЕНИЮ