Новосибирский государственный технический университет Заземляющие устройства как элемент молниезащиты. Вопросы, требующие решения Целебровский Юрий Викторович профессор Новосибирского государственного технического университета IV Международная конференция по молниезащите г. Санкт-Петербург, мая 2014 г.

Новосибирский государственный технический университет ОПРЕДЕЛЕНИЕ Заземляющее устройство – это конструкция, обеспечивающая кондуктивную связь какой-либо точки электроустановки с грунтом. Недостатки определения с позиций молниезащиты: - устройства молниезащиты могут не всегда являться частью электроустановки; - в устройствах молниезащиты необходимо учитывать и ёмкостную связь с грунтом; - при анализе грозовой деятельности возможно придётся рассматривать земную кору до весьма больших глубин. 1

Новосибирский государственный технический университет Земля наряду с грозовым облаком является равноправным участником грозовой деятельности 2

Новосибирский государственный технический университет D [Кл/м 2 ] =ε 0 εЕ [В/м] На этапе формирования заряда параметры заземляющего устройства не существенны. 3

Новосибирский государственный технический университет Параметры заземляющего устройства (ЗУ) важны при молниевом разряде, если ЗУ является элементом разрядной цепи. 4

Новосибирский государственный технический университет Назначение заземления в электроэнергетике 1. Обеспечение работы электроустановки (рабочее или функциональное заземление, ). С землёй соединяется какая-либо точка(и) токоведущей части электроустановки, например: - нейтраль трёхфазной электрической сети. - один из полюсов установки постоянного тока для передачи тока через землю. 2. Обеспечение электробезопасности при обслуживании (защитное заземление, ). С землёй соединяется открытая проводящая часть электрооборудования. 3. Отвод в землю токов молнии, ОПН и разрядников (защита от перенапряжений). С землёй соединяются молниеотводы и защитные аппараты. 4. Обеспечение электромагнитной совместимости оборудования электроустановок Проектируется рациональная конструкция заземляющего устройства. 5

Новосибирский государственный технический университет 3. Отвод в землю токов молнии, ОПН и разрядников (защита от перенапряжений). 4. Обеспечение электромагнитной совместимости оборудования электроустановок Обсуждаемые вопросы: - Нормирование заземляющих устройств. - Расчёты и проектирование заземляющих устройств. - Эксплуатационный контроль заземляющих устройств. 6

Новосибирский государственный технический университет Нормативные требования к ЗУ ВЛ Параграф ПУЭ Формулировка требования Сопротивление заземляющих опор ВЛ 1)Опоры, имеющие грозозащитный трос или другие устройства грозозащиты. Опоры ВЛ 3-20 кВ, проходящие в населённой местности, а также опоры всех ВЛ 35 кВ 2) Железобетонные и металлические опоры ВЛ 3-20 кВ в ненаселённой местности: -в грунтах с эквивалентным удельным сопротивлением ρ до 100 Ом·м в грунтах с ρ выше 100 Ом·м ) Опоры ВЛ 3-35 кВ, на которых установлены силовые или измерительные трансформаторы, разъединители, предохранители и другие аппараты Требуемые сопротивления заземляющих устройств опор ВЛ 35 кВ должны обеспечиваться применением искусственных заземлителей, а естественная проводимость фундаментов … при расчётах не должна учитываться. Выполнение заземляющих проводников на деревянных опорах: -число заземляющих проводников диаметр заземляющих проводников.... -Сопротивление заземления опор на подходе к подстанции -1) на ВЛ 35, питающих ПС с трансформаторами мощностью выше 1,6 МВ·А ) на ВЛ 35 кВ без троса, на длине не менее 0,5 км ) ближайшие к ОРУ опоры ВЛ напряжением 35 кВ Значение В зависимости от удельного сопротивления грунта ρ: ρ. Омм Rопоры, Ом до более 100 до более 500 до более 1000 до более ·10-3 ρ 30 Ом 0,3 ρ Ом 30 Ом 2 10 мм В зависимости от удельного сопротивления грунта ρ: ρ. Омм Rопоры, Ом до более 100 до более 500 до Ом ) Опоры с трубчатыми разрядниками: - при удельном сопротивлении земли до 1000 Ом·м при удельном сопротивлении земли выше 1000 Ом·м ) Металлические и железобетонные опоры на протяжении м от ПС ) Опоры с кВ с трубчатыми разрядниками на ответвлениях от ВЛ и коротких (150 м) заходах при удельном сопротивлении земли более 1000 Ом·м При этом ЗУ опоры с разрядником у ПС должно быть соединено с ЗУ ПС. Укладка противовесов Рекомендуется соединение концевых опор ВЛ с ЗУ ПС. Установка заземляющих спусков (ЗП, токоотводов)1) при выполнении ВЛ 35 кВ на деревянных опорах без троса от крепления изоляторов до заземлителя на длине ВЛ … Ом 15 Ом ρ. Омм Rопоры, Ом до более 100 до более 500 до более 1000 до более ·10-3 ρ 30 Ом Если выполнение заземлителей с требуемыми сопротивлениями заземления оказывается невозможным 0,5 км 7

Новосибирский государственный технический университет Таблица ПУЭ Наибольшее сопротивление заземляющих устройств опор ВЛ Удельное эквивалентное сопротивление грунта ρ, Омм До 100 Более 100 до 500 Более 500 до 1000 Более 1000 до 5000 Более 5000 Наибольшее сопротивление заземляющего устройства, Ом 10 (1,0…0,1) ρ 15 (0,03…0,15) ρ 20 (0,04…0,02) ρ 30 (0,03…0,006) ρ ρ Допускается превышение сопротивлений заземления части опор по сравнению с нормируемыми значениями, если имеются опоры с пониженными значениями сопротивлений заземления, а ожидаемое число грозовых отключений не превышает значений, получаемых при выполнении требований табл для всех опор ВЛ. Для опор горных ВЛ, расположенных на высоте более 700 м над уровнем моря, указанные в табл значения сопротивлений заземления могут быть увеличены в 2 раза. Нормативные требования к ЗУ ВЛ 8

Новосибирский государственный технический университет Изменение эквивалентного удельного сопротивления грунта по трассам ВЛ ВЛ 110 кВ, Северный Казахстан ВЛ 6 кВ, Ямал Трасса трубопровода, Тюменская область Предпочтительным нормированием должно стать нормирование числа грозовых отключений ВЛ, которое регулируется подбором параметров всех молниезащитных устройств. 9

Новосибирский государственный технический университет

Нормативные требования к ЗУ ВЛ на подходах к ПС Защита ВЛ 35 кВ и выше от прямых ударов молнии на подходах к РУ (ПС) должна быть выполнена тросовыми молниеотводами в соответствии с табл (10…20 Ом) … Если выполнение заземлителей с требуемыми сопротивлениями заземления оказывается невозможным, должны быть применены горизонтальные заземлители, прокладываемые вдоль оси ВЛ от опоры к опоре (заземлители-противовесы) и соединяемые с заземлителями опор В районах с удельным сопротивлением земли 1000 Ом·м и более сопротивление заземления разрядников РТ1 и РТ кВ, устанавливаемых для защиты ПС, которые присоединяются к действующим ВЛ на ответвления или с помощью коротких заходов, должно быть не более 30 Ом. При этом заземлитель РТ2 должен быть соединен с заземляющим устройством ПС. 11

Новосибирский государственный технический университет Защита оборудования ПС от набегающих по ВЛ грозовых волн ЗРУ 10 кВ 1212

Новосибирский государственный технический университет Требования к ЗУ подстанций, определяемые грозовой деятельностью Требования, изложенные в … сводятся к следующим положениям: -нормируется конструкция ЗУ вблизи молниеотвода; - определяются условия расположения молниеотводов на конструкциях ПС (площадь ЗУ, удельное сопротивление грунта, сопротивление ЗУ; - нормируется расстояние по цепям заземления между молниеотводом и оборудованием подстанции; - нормируется сопротивление отдельно стоящего молниеотвода. 1313

Новосибирский государственный технический университет Требования к ЗУ подстанций, определяемые грозовой деятельностью В нормативной документации отсутствуют требования: - к заземлению ограничителей перенапряжений на подстанциях; - к условиям установки оборудования на мачтах молниеотводов; - к импульсным сопротивлениям заземления молниеотводов. В стандартах организаций существуют определённые требования к ЗУ по обеспечению ЭМС, но они охватывают не весь спектр проблем, определяющих ЭМО 14

Новосибирский государственный технический университет О расчёте заземляющих устройств 1. ОРУ-М. Российское агентство по патентам и товарным знакам. Свидетельство о регистрации от г. Правообладатели: ООО «НПФ ЭЛНАП», РАО «ЕЭС России», МЭИ. Авторы: Борисов Р.К., Петров С.Р. 2. Parsiz. Правообладатели: НГТУ. Авторы: Целебровский Ю.В., Нестеров С.В. 3. KWIK GRID, «Расчет заземляющих устройств» фирмы Safe Engineering Services & technologies ltd. - Interferences, EMTP-RV, PisPice. MicroCAP. MagPole, ELMAGLEP, EMFWorkstation 2.5, Interferences, MagPole…. 1. Точный расчёт электромагнитного поля ЗУ в неоднородном грунте (с вертикальной и горизонтальной неоднородностью), с учётом нелинейных продольных сопротивлений горизонтальных элементов и т.д. – это в общем случае не решаемая в настоящее время проблема даже с учётом всех возможностей вычислительной техники. 2. Оценку возможностей той или иной программы и адекватности расчётов по ней для заданных условий необходимо производить коллегиально, созданным экспертным сообществом из разработчиков и проектировщиков. 1515

Новосибирский государственный технический университет Измерения ЗУ 1Схемы измерений 2. Приборы для измерений 16

Новосибирский государственный технический университет ЗУ Измерение сопротивления ЗУ Т ~ А B φ 0 φ UзUз П В однородном грунте: r зп = 0,618 r зт r зп r зт 1717

Новосибирский государственный технический университет Влияние токовой линии ~ 22,5 Гц Плотность тока T 18

Новосибирский государственный технический университет Требования к приборам 1. Измерительный ток прибора должен выбираться по условиям соответствия индуктивного сопротивления заземлителей при измерениях и при реальных токах. 2. Результаты измерений не должны включать в себя погрешность от влияния токовой линии на потенциальную 3. Прибор должен быть защищён от помех, присутствующих на заземляющем устройстве Экспертное сообщество могло бы организовать сравнительные тестовые испытания всех типов измерителей на нескольких реальных заземляющих устройствах. 1919

Новосибирский государственный технический университет Заключение Заземляющее устройство электроустановки как элемент молниезащиты призвано обеспечить защиту оборудования от первичных и вторичных проявлений молнии. Выполнение этих функций должно реализовываться последовательно на этапах нормирования, проектирования и расчёта, эксплуатации и модернизации заземляющих устройств. Повышение надёжности работы ЗУ и систем молниезащиты в целом требует решения целого ряда научных и прикладных задач, основными из которых являются: 20

Новосибирский государственный технический университет Заключение 1. Разработка и широкое тестирование алгоритмов и программ расчёта высокочастотных и импульсных электромагнитных полей в неоднородном грунте, с помощью которых можно было бы рассчитывать: - электромагнитные поля от источников сложной конфигурации (многоэлементные ЗУ любых размеров, включающие естественные заземлители и заземляющие проводники); - токи и напряжения в элементах наземных и подземных электропроводящих конструкций сложной конфигурации, наводимые током молнии. 21

Новосибирский государственный технический университет Заключение 2. Совершенствование методов предпроектных изысканий грунтов под заземляющие устройства. Разработка методов, позволяющих оценивать высокочастотные параметры грунта в соответствии с задачами, определяемыми методами расчёта. 22

Новосибирский государственный технический университет Заключение 3. Разработка Технического регламента и системы Государственных стандартов с требованиями к заземляющим устройствам, как электроустановок, так и установок другого назначения, требующих обеспечения электромагнитной совместимости оборудования. В стандартах для электроустановок необходимо: - для заземляющих устройств подстанций регламентировать требования к значениям импульсных сопротивлений заземления молниеотводов и к параметрам системы заземления на подходах ВЛ для защиты от набегающих волн; - для заземляющих устройств опор ВЛ исключить обязательность соответствия сопротивления заземления каждой опоры нормативному значению и проектировать ЗУ опор ВЛ по условиям обеспечения заданного нормами числа грозовых отключений. 23

Новосибирский государственный технический университет Заключение 4. В области проектирования ЗУ - разработка и создание серии упрощенных алгоритмов и программ расчёта ЗУ конкретных объектов и конфигураций, для применения при массовом проектировании и в САПР. 5. Для эксплуатационного контроля ЗУ подстанций - проведение широкого тестирования имеющихся на рынке измерителей сопротивления заземления (включая импульсные) в эксплуатационных условиях. Для импульсных измерителей - разработка теории и практических рекомендаций по выбору формы импульса и расположению измерительных линий и электродов. 24

Новосибирский государственный технический университет Заземляющие устройства как элемент молниезащиты. Вопросы, требующие решения Целебровский Юрий Викторович профессор Новосибирского государственного технического университета IV Международная конференция по молниезащите г. Санкт-Петербург, мая 2014 г.

Новосибирский государственный технический университет Требования к ЗУ подстанций, определяемые грозовой деятельностью Защита ОРУ 35 кВ и выше от прямых ударов молнии должна быть выполнена отдельно стоящими или установленными на конструкциях стержневыми молниеотводами. Рекомендуется использовать защитное действие высоких объектов, которые являются молниеприемниками (опоры ВЛ, прожекторные мачты, радиомачты и т.п.). На конструкциях ОРУ 110 кВ и выше стержневые молниеотводы могут устанавливаться при эквивалентном удельном сопротивлении земли в грозовой сезон: до 1000 Ом·м - независимо от площади заземляющего устройства ПС; более 1000 до 2000 Ом·м - при площади заземляющего устройства ПС м 2 и более. Установка молниеотводов на конструкциях ОРУ 35 кВ допускается при эквивалентном удельном сопротивлении земли в грозовой сезон: до 500 Ом·м - независимо от площади заземляющего контура ПС, более 500 Ом·м - при площади заземляющего контура ПС м 2 и более. От стоек конструкций ОРУ 35 кВ и выше с молниеотводами должно быть обеспечено растекание тока молнии по магистралям заземления не менее чем в двух направлениях с углом не менее 90° между соседними. Кроме того, должно быть установлено не менее одного вертикального электрода длиной 3-5 м на каждом направлении, на расстоянии не менее длины электрода от места присоединения к магистрали заземления стойки молниеотводом. ……. Место присоединения конструкции со стержневым или тросовым молниеотводом к заземляющему устройству ПС должно быть расположено на расстоянии не менее 15 м по магистралям заземления от места присоединения к нему трансформаторов (реакторов) и конструкций КРУН 6-10 кВ. Расстояние в земле между точкой заземления молниеотвода и точкой заземления нейтрали или бака трансформатора должно быть не менее 3 м..

Новосибирский государственный технический университет Требования к ЗУ подстанций, определяемые грозовой деятельностью На трансформаторных порталах, порталах шунтирующих реакторов и конструкциях ОРУ, удаленных от трансформаторов или реакторов по магистралям заземления на расстоянии менее 15 м, молниеотводы могут устанавливаться при эквивалентном удельном сопротивлении земли в грозовой сезон не более 350 Ом·м и при соблюдении следующих условий: 1) непосредственно на всех выводах обмоток 3-35 кВ трансформаторов или на расстоянии не более 5 м от них по ошиновке, включая ответвления к защитным аппаратам, должны быть установлены соответствующие ОПН 3-35 кВ или РВ; 2) должно быть обеспечено растекание тока молнии от стойки конструкции с молниеотводом по трем-четырем направлениям с углом не менее 90° между ними; 3) на каждом направлении, на расстоянии 3-5 м от стойки с молниеотводом, должно быть установлено по одному вертикальному электроду длиной 5 м; 4) на ПС с высшим напряжением 20 и 35 кВ при установке молниеотвода на трансформаторном портале сопротивление заземляющего устройства не должно превышать 4 Ом без учета заземлителей, расположенных вне контура заземления ОРУ; 5) заземляющие проводники РВ или ОПН и силовых трансформаторов рекомендуется присоединять к заземляющему устройству ПС поблизости один от другого или выполнять их так, чтобы место присоединения РВ или ОПН к заземляющему устройству находилось между точками присоединения заземляющих проводников портала с молниеотводом и трансформатора. Заземляющие проводники измерительных трансформаторов тока необходимо присоединить к заземляющему устройству РУ в наиболее удаленных от заземления РВ или ОПН местах.

Новосибирский государственный технический университет Требования к ЗУ подстанций, определяемые грозовой деятельностью Защиту от прямых ударов молнии ОРУ, на конструкциях которых установка молниеотводов не допускается или нецелесообразна по конструктивным соображениям, следует выполнять отдельно стоящими молниеотводами, имеющими обособленные заземлители с сопротивлением не более 80 Ом при импульсном токе 60 кА. Расстояние, S з м, между обособленным заземлителем молниеотвода и заземляющим устройством ОРУ (ПС) должно быть равным (но не менее 3 м): S з,>0,2R и, где R и - импульсное сопротивление заземления, Ом, отдельно стоящего молниеотвода. Расстояние по воздуху, S во,м, от отдельно стоящего молниеотвода с обособленным заземлителем до токоведущих частей, заземленных конструкций и оборудования ОРУ (ПС) должно быть равным (но не менее 5 м): S во,>0,12R и +0,1Н, где Н- высота рассматриваемой точки на токоведущей части или оборудовании над уровнем земли, м. Заземлители отдельно стоящих молниеотводов в ОРУ могут быть присоединены к заземляющему устройству ОРУ (ПС) при соблюдении указанных в условий установки молниеотводов на конструкциях ОРУ. Место присоединения заземлителя отдельно стоящего молниеотвода к заземляющему устройству ПС должно быть удалено по магистралям заземления на расстояние не менее 15 м от места присоединения к нему трансформатора (реактора). В месте присоединения заземлителя отдельно стоящего молниеотвода к заземляющему устройству ОРУ кВ магистрали заземления должны быть выполнены по двум-трем направлениям с углом не менее 90° между ними. Заземлители молниеотводов, установленных на прожекторных мачтах, должны быть присоединены к заземляющему устройству ПС. В случае несоблюдения условий, указанных в , дополнительно к общим требованиям присоединения заземлителей отдельно стоящих молниеотводов должны быть соблюдены следующие требования: 1) в радиусе 5 м от молниеотвода следует установить три вертикальных электрода длиной 3-5 м; 2) если расстояние по магистрали заземления от места присоединения заземлителя молниеотвода к заземляющему устройству до места присоединения к нему трансформатора (реактора) превышает 15 м, но менее 40 м, то на выводах обмоток напряжением до 35 кВ трансформатора должны быть установлены РВ или ОПН. Расстояние по воздуху S вс от отдельно стоящего молниеотвода, заземлитель которого соединен с заземляющим устройством ОРУ (ПС), до токоведущих частей должно составлять: S вс,>0,1Н+m, где m - высота токоведущих частей над уровнем земли, м; - длина гирлянды изоляторов, м

Новосибирский государственный технический университет Требования к ЗУ подстанций, определяемые грозовой деятельностью Тросовые молниеотводы ВЛ 110 кВ и выше, как правило, следует присоединять к заземленным конструкциям ОРУ (ПС). От стоек конструкций ОРУ кВ, к которым присоединены тросовые молниеотводы, должны быть выполнены магистрали заземления не менее чем по двум-трем направлениям с углом не менее 90° между ними. Тросовые молниеотводы, защищающие подходы ВЛ 35 кВ, разрешается присоединять к заземленным конструкциям ОРУ при эквивалентном удельном сопротивлении земли в грозовой сезон: до 750 Ом·м - независимо от площади заземляющего контура ПС; более 750 Ом·м - при площади заземляющего контура ПС м и более. От стоек конструкций ОРУ 35 кВ, к которым присоединены тросовые молниеотводы, магистрали заземления должны быть выполнены не менее чем по двум-трем направлениям с углом не менее 90° между ними. Кроме того, на каждом направлении должно быть установлено по одному вертикальному электроду длиной 3-5 м на расстоянии не менее 5 м. Сопротивление заземлителей ближайших к ОРУ опор ВЛ напряжением 35 кВ не должно превышать 10 Ом. Тросовые молниеотводы на подходах ВЛ 35 кВ к тем ОРУ, к которым не допускается их присоединение, должно заканчиваться на ближайшей к ОРУ опоре. Первый от ОРУ бестросовый пролет этих ВЛ должен быть защищен стержневыми молниеотводами, устанавливаемыми на ПС, опорах ВЛ или около ВЛ