Задача 1 Расчет защитного заземления

Исходные данные. При появлении напряжения на токопроводящих частях (пробой фазы на корпус и т.д.) необходимо снизить потенциал напряжения до безопасных значений [16]. Фактически потенциал на оборудовании (напряжение прикосновения) будет определяться мощностью, необходимой для возврата тока на нейтраль трансформатора. Мощность определяется произведением напряжения и силы тока, величины которых связаны с сопротивлением КЗЗ.

Необходимо иметь сопротивление заземляющего устройства в пределах требований безопасности (таблица А1 приложения А) [30].

Рассчитать заземляющее устройство трансформаторной подстанции, исходные данные приведены в таблице 3. Подстанция понижающая размещена в отдельном кирпичном здании, имеет два трансформатора с изолированной нейтралью на высокой стороне и с глухозаземленной нейтралью на низкой стороне (0,4 кВ). Предполагаемый контур искусственного заземлителя вокруг здания имеет форму прямоугольника. Исходные данные для решения задачи приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Исходные данные к решению задачи №1

№ вар.	U, кВ	Размеры контура заземлителя, м	Re, Ом	lкл , км	lвл, км	lв , м	Lг, м	t0, м	Ом м	Ом м
длина	ширина

							3,5		0,5
									0,8
							3,5		0,5
									0,8
							3,5		0,5
									0,8
							3,5		0,5
									0,8
							3,5		0,5
									0,8
							3,5		0,5
									0,8
							3,5		0,5
									0,8
							3,5		0,5
									0,8
							3,5		0,5
									0,8
							3,5		0,5
									0,8

В качестве естественного заземлителя будет использована металлическая технологическая конструкция, частично погруженная в землю; ее расчетное сопротивление растеканию принято равным R_е с учетом сезонных изменений.

Заземляющее устройство предполагается выполнить из вертикальных стержневых электродов длиной l_в = 5 м, диаметром d = 12 мм, верхние концы которых соединяются с помощью горизонтального электрода – стальной полосы длиной L_г = 50 м, сечением 4 х 40мм, уложенной в землюна глубине t₀ = 0,8 м.

Решение:

Проводим расчет заземляющего устройства в однородной земле методом коэффициентов использования по допустимому сопротивлению заземлителя растеканию тока [34].

Расчетные удельные сопротивления грунта, полученные в результате измерений и расчета, равны:

- для вертикального электрода длиной 5 м r_рв = 120 Ом∙м;

- для горизонтального электрода сечением 4х40мм r_рг = 176 Ом∙м.

Ток замыкания на землю неизвестен (сеть работает в нормальном режиме), поэтому определяем ток утечки с подходящей линии. По известной протяженности подходящих линий 6 кВ – кабельных l_кл = 70 км, воздушных l_вл = 65 км определяем расчетный ток утечки на землю:

(1)

где U – напряжение подходящих линий, кВ; l_кл , l_вл - протяженность подходящих кабельных и воздушных линий соответственно, км.

Требуемое сопротивление растеканию заземляющего устройства, которое принимаем общим для установок 6 и 0,4 кВ (приложение А, таблица А1):

(4)

(3)

(2)

где I_з - расчетный ток утечки на землю, А.

Требуемое сопротивление искусственного заземлителя:

где R_з – требуемое сопротивление растеканию тока искусственного заземлителя, Ом; R_е –расчетное сопротивление растеканию тока естественного заземлителя, Ом.

Тип заземлителя выбираем контурный, размещенный по периметру прямоугольника длиной 15м и шириной 10м вокруг здания подстанции. Вертикальные электроды размещаем на расстоянии а = 5 м один от другого.

Из предварительной схемы следует, что в принятом нами заземлителе суммарная длина горизонтального электрода L_г = 50м, а количество вертикальных электродов n = L_г /а = 50/5 = 10шт. (рисунок 1а).

Уточняем параметры заземлителя путем проверочного расчета.

Определяем расчетное сопротивление растеканию вертикального электрода:

где d – диаметр электрода d = 12 мм = 0,012 м, t – глубина заложения электрода t = t₀+0,5*l_в=0,8+0,5*5=3,3 м.

Определяем расчетное сопротивление растеканию горизонтального электрода:

(5)

,

где В – ширина полки уголка, В = 40 мм = 0,04 м, t – глубина заложения электрода, t = t₀ = 0,8 м.

Определяем коэффициенты использования электродов заземлителя для принятого нами контурного заземлителя при отношении а/l_в= 5/5=1 и n=10шт. по таблице А.3 приложения А: = 0,56 – коэффициент использования вертикальных электродов, = 0,34 – коэффициент использования горизонтального электрода.

Находим сопротивление растеканию принятого нами группового заземлителя:

(6)

Это сопротивление R = 3,9 Ом больше, чем требуемое Rи = 3,6 Ом, поэтому принимаем решение увеличить в контуре заземлителя количество вертикальных электродов до n = 13 шт.

Затем для прежнего отношения а/l_в = 1 и вновь принятого количества вертикальных электродов n = 13 шт. по таблице А.3 приложения А находим новые значения коэффициентов использования электродов заземлителя: вертикальных = 0,53 и горизонтального= 0,32.

Находим новое значение сопротивления растеканию тока группового заземлителя:

(7)

Это сопротивление R = 3,32 Ом меньше требуемого R_и = 3,6 Ом, но так как разница между ними невелика R_и – R = 0,28 Ом и она повышает условия безопасности, принимаем этот результат как окончательный.

а) предварительная (n = 10 шт., а = 5 м, L_Г = 50 м);

б) окончательная (n = 13 шт., а = 5 м, L_Г = 70 м)

Рисунок 1 – Схемы контурных искусственных заземлителей подстанции

Итак, окончательная схема контурного группового заземлителя состоит из 13 вертикальных стержневых электродов длиной 5 м, диаметром 12 мм, с расстоянием между ними равным 5 м, и горизонтального электрода в виде стальной полосы длиной 70 м, сечением 4 х 40 мм, заглубленных в землю на 0,8 м (рисунок 1б).