Заземление электроустановок

Электроустановки являются важнейшим элементом электроэнергетических систем. Первичным фактором их безопасного функционирования является наличие грамотно спроектированной и выполненной системы заземления.

Каким образом качественное заземление повышает надежность электроустановки?

Хорошее заземление ‒ низкоомная цепь, от которой зависит своевременное срабатывание быстродействующих защит от коротких замыканий (КЗ). Длительное воздействие КЗ может привести к разбалансированию параметров системы (выпадению её из синхронизма), что может привести к аварийным режимам и частичным отключениям.

При коротком замыкании на землю электрический потенциал на металлических корпусах электроустановок существенно возрастает относительно его величины в рабочем режиме. Если заземление оборудования выполнено ненадлежащим образом, то величина аварийного потенциала может существенно превышать допустимое значение, это также может вызвать задержки защитного отключения (например, из-за неправильно выполненной цепи протекания аварийного тока к измерительной аппаратуре).

Данные несоответствия чрезвычайно опасны, поскольку корпуса электрооборудования доступны для прикосновения персоналом, обслуживающим электроустановки.

Правильное заземление электроустановок

Надежное и безопасное заземление позволит выполнить контроль следующих факторов:

1. Соответствие сечения проводников расчетным токам КЗ
2. Надежные контактные соединения
3. Выбор заземлителей
4. Подготовка грунта
5. Шаговое напряжение и напряжение прикосновения
6. Заземление с использованием фундаментов
7. Заземление заградительных конструкций
8. Специальные меры для рабочих мест
9. Правильное заземление разрядников
10. Заземление кабельных лотков
11. Временное заземление токоведущих частей

1. Соответствие сечения проводников расчетным токам КЗ

Сечение проводников должно быть рассчитано таким образом, чтобы выдерживать без расплавления токи всех возможных режимов короткого замыкания.

Протекание аварийных токов, на порядок или два превышающих номинальные, может привести к расплавлению проводника. Главными критериями при выборе сечения проводника являются: ток, протекающий по проводнику при коротком замыкании и время воздействия данного тока.

Величина тока короткого замыкания зависит от сопротивления цепи замыкания на землю. Интервал времени воздействия тока КЗ определяется уставками аппаратуры защитного отключения (реле тока, автоматические выключатели).

Уставка выдержки времени варьируется в зависимости от особенностей электрооборудования и электрической системы в целом.

2. Надежные контактные соединения

Качественные контактные соединения между проводниками, заземлителями и сеткой уравнивания потенциала являются очень важным фактором надежности

Наибольшее распространение получили обжимные соединительные элементы (прижимное усилие контактных поверхностей обеспечивается болтовым соединением или опрессовкой) и сварное соединение
Обжимные соединительные элементы обеспечивают надежное электрическое соединение при помощи болтового соединения или опрессовкой гидравлическим или механическим прессом. Данный тип соединения обеспечивается за счет плотного прижатия контактных поверхностей проводника/электрода.

При сваривании элементов надежный контакт обеспечивается за счет их сплавления, с образованием надежной молекулярной связи.

При выборе соединений различного типа следует принять во внимание диапазон рабочих температур

3. Выбор заземлителей

В некоторых случаях, при питании электроустановки от воздушной линии (ВЛЭП), отсутствует металлический контур для протекания аварийного тока. При этом ток КЗ протекает в земле (грунте). Это означает, что аварийный ток потечет через заземлители электроустановок, находящихся на концах данной ВЛЭП.

Заземляющее устройство/система заземляющих электродов должна обладать достаточной проводимостью на землю и способностью выдерживать аварийный ток

Сопротивление растекания тока на землю определяется длиной, количеством и расположением заземлителей. Например, при увеличении в два раза глубины заземляющих электродов, электрическое сопротивление растеканию снижается на 45% (при однородном грунте). Обычно, удельное сопротивление грунта распределяется неоднородно, поэтому более точные показатели определяют с помощью измерительного оборудования.

Максимальная эффективность достигается при расстоянии между заземлителями не превышающем глубины электродов. Обычно используются вертикальные заземлители длиной около 3 метров. Каждый электрод образует вокруг себя электромагнитное поле, которое при близком расположении электродов начинает оказывать взаимное противодействие.

Следует отметить, что увеличение количества электродов не вызывает прямо пропорционального снижения их совокупного сопротивления. Зависимость величины сопротивления от количества заземлителей определяется законом параллельного соединения.

4. Подготовка грунта

Удельная проводимость почвы ‒ важный критерий, определяющий качественные характеристики системы заземления электроустановки. Чем ниже эта величина, тем легче добиться хороших показателей.

Регионы с высокой удельной проводимостью грунта или многолетней мерзлотой нуждаются в особом рассмотрении. При расчетах систем заземления также следует учитывать климатические особенности: при сезонной засухе удельное сопротивление может значительно возрастать, в то время, как при продолжительных осадках ‒ существенно снижаться.

В данном случае следует рассмотреть возможность увеличения глубины залегания электродов. При достаточном заглублении электродов климатические изменения извне мало влияют на показатели заземляющего устройства.

Также возможно обработать грунт специальными химическими составами, позволяющими повысить удельную проводимость или изолировать заземлители от воздействия влаги.

5. Шаговое напряжение и напряжение прикосновения

Ограничение величины шагового напряжения и напряжения прикосновения относятся к мерам безопасности в электроустановках.

Шаговое напряжение ‒ разница электрического потенциала между ногами человека, возникающая при неравномерном распределении потенциала в грунте от места КЗ на землю. Величина шагового напряжения снижается по мере удаления от места аварии ‒ через каждые 75 см значение напряжения снижается вдвое.

Напряжение прикосновения ‒ в данном случае для человека опасна разность потенциалов между рукой и поверхностью земли, на которой стоит человек. Угроза поражения возникает в случае, когда стоящий на земле человек прикасается к конструкциям, через которые протекает ток КЗ на землю.

Напряжение прикосновения является наиболее опасным для человека по сравнению с шаговым, поскольку в этом случае путь протекания тока через тело человека проходит через жизненно важные органы: сердце, легкие, спинной мозг (может вызвать паралич органов дыхания и сердечной мышцы). По этой причине, меры по ограничению напряжения прикосновения всегда превалируют.

В обоих случаях разница потенциалов может быть существенно снижена при установке в поверхностном слое грунта сетки уравнивания потенциалов

Сетку уравнивания потенциалов предусматривают вблизи всех электроустановок, которых может прикоснуться обслуживающий персонал.