Заземляющие устройства (ЗУ) являются частью большинства электроустановок и служат для выполнения защитных и рабочих функций, к которым относятся: обеспечение необходимого уровня электробезопасности в зоне обслуживания электроустановки и за ее пределами; отвод в землю импульсных токов с молниеотводов и разрядников; создание цепи тока при работе защиты от замыканий на землю; заземление нейтрали трансформаторов, шунтирующих и дугогасящих реакторов и других аппаратов высокого и низкого напряжений; обеспечение защиты подземных конструкций от повреждения токами замыкания на землю.
Надежность выполнения перечисленных функций обеспечивается нормированием электрических характеристик ЗУ, а также требованиями к его конструктивному выполнению.
Наиболее жесткие требования предъявляются к ЗУ условиями обеспечения безопасности, так как для изоляции электрооборудования опасные разности потенциалов во всех случаях значительно превышают напряжения, опасные для человеческого организма.
Для заземлений электроустановок различных назначений и различных напряжений на ПС, как правило, применяется одно общее ЗУ (рис. 6.8).
Заземлению подлежат корпуса электрических машин, трансформаторов, аппаратов, приводы электрических аппаратов, каркасы распределительных щитов, щитов управления, ящиков и шкафов, а также вторичные обмотки измерительных трансформаторов.
Конструкция ЗУ должна при минимальных затратах на ее сооружение в любое время года обеспечить нормируемые значения электрических характеристик ЗУ в течение нормативного срока службы электроустановки.
В общем случае ЗУ содержит естественные заземлители, искусственный заземлитель, сооружаемый вблизи расположения электроустановки, и при необходимости - скважинный и выносной заземлители. Искусственный заземлитель ОРУ 110-1150 кВ ПС состоит из продольных и поперечных горизонтальных заземлителей, соединенных между собой (заземляющая сетка), вертикальных заземлителей и заземляющих проводников.
Сечение горизонтальных заземлителей и заземляющих проводников выбирается по условиям термической и коррозионной стойкости, а сечение вертикальных заземлителей - по коррозийной стойкости с учетом технологии их погружения.
Общее выравнивание потенциала и удобство присоединения оборудования обеспечиваются тем, что продольные элементы заземляющей сетки прокладываются вблизи оборудования, а поперечные способствуют выравниванию электрического потенциала.
Рис. 6.8. Заземляющее устройство ПС 110 кВ
Продольные элементы целесообразно прокладывать вдоль рядов оборудования cо стороны обслуживания. При проектировании ЗУ по сопротивлению растекания это мероприятие выполняется во всех случаях, при проектировании по напряжению прикосновения - у рабочих мест. При наличии на ПС ОРУ разных напряжений искусственные заземлители каждого ОРУ должны соединяться между собой не менее чем двумя связями. В случае, если между ОРУ располагаются здания с аппаратурой релейной защиты и автоматики, количество связей должно быть не менее четырех. При этом две связи должны проходить вблизи стен здания. Если искусственный заземлитель ОРУ с присоединенными естественными заземлителями не обеспечивает нормированного значения напряжения на ЗУ, то выполняются специальные мероприятия по уменьшению значения сопротивлению ЗУ, к которым относятся: дополнение вертикальными заземлителями, выполнение внешней части искусственного заземлителя с установкой или без установки вертикальных заземлителей, устройство скважинных и выносных заземлителей.
Если оборудование установлено на лежневых фундаментах и требуются дополнительные вертикальные заземлители, то рекомендуется устанавливать их на рабочих местах.
Скважинные и выносные заземлители сооружаются в случаях: если напряжение на ЗУ выше 10 кВ и оказываются неэффективными меры по исключению выноса потенциала; если напряжение на ЗУ от 5 до 10 кВ и оказываются неэффективными меры по снижению выносимого потенциала до безопасного значения и меры по защите изоляции отходящих от электроустановки кабелей и тепломеханики.
На территории электроустановки и в местах возможного выноса потенциала выполняются специальные мероприятия по снижению напряжения прикосновения, к которым относятся местное выравнивание потенциала и использование изоляционных покрытий.
Специальные мероприятия по снижению напряжения прикосновения на территории электроустановки выполняются около оборудования, оград, стен зданий и сооружений, расположенных вне территории базовой конструкции, входов и въездов на территорию искусственного заземлителя (при проектировании ЗУ по норме на сопротивление растекания). Специальные мероприятия по снижению напряжения прикосновения в местах возможного выноса потенциала выполняются вокруг электроустановок, ЗУ которых соединены с ЗУ электроустановок напряжением 110 кВ и выше.
При проектировании ЗУ по напряжению прикосновения местное выравнивание потенциала выполняется у мест непосредственного контакта человека с оборудованием во время оперативных, ремонтных и наладочных работ. Для этого на расстоянии 1 м от фундаментов или оснований оборудования прокладывается горизонтальный заземлитель или непосредственно у оборудования укладывается заземляющая квадратная решетка размером 1 м с ячейками 0,5 м из стали круглого сечения диаметром не менее 6 мм. Заземлитель и решетка укладываются на глубину 0,1-0,3 м и присоединяются к искусственному заземлители) в одном-двух местах.
Для закрытых ПС в качестве элементов искусственного заземлителя в пределах здания в первую очередь должны быть использованы металлоконструкции, а также элементы кабельных конструкций. Дополнительные горизонтальные заземлители прокладываются только со стороны обслуживания оборудования, расположенного на первом этаже при наличии набивных и бетонных полов. При этом заземлители должны быть проложены в бетоне при укладке полов.
Все элементы искусственного заземлителя закрытой ПС должны быть многократно соединены между собой и не менее чем в четырех местах присоединены между собой и не менее чем в четырех местах присоединены к контурному горизонтальному заземлителю, который прокладывается по периметру здания. Контурный заземлитель может быть расположен как внутри здания, так и за его пределами на расстоянии 1 м от стен здания. В качестве контурного заземлителя рекомендуется использовать арматуру фундамента здания.
Специальные мероприятия по выравниванию потенциала в пределах зданий не выполняются.
Заземление оборудования, расположенного на этажах выше первого, осуществляется с помощью магистралей заземления, прокладываемых по стенам с учетом удобства присоединения оборудования. Концы магистралей заземления должны присоединяться к ЗУ вертикальными спусками, которые одновременно могут быть использованы для заземления молниезащитных устройств здания. Исключение составляет заземление установленного на этаже (выше первого) короткозамыкателя, осуществляемое отдельным проводником, присоединяемым к ЗУ по кратчайшему пути. Использование этого проводника для заземления другого оборудования не допускается.
Основные рекомендации о конструктивном выполнении скважинных и выносных заземлителей можно свести к следующим положениям.
Скважинный заземлитель сооружается на территории электроустановки или вблизи от нее.
Выносной заземлитель сооружается в местах с низким удельным сопротивлением грунтов и недоступных для частого пребывания людей и животных (заболоченные места, заброшенные участки лугов, поймы рек и др.) и представляет собой горизонтальный контур с вертикальными заземлителями или без них, который выполняется в виде многоугольника с тупыми или скругленными углами и прокладывается на глубине не менее 1 м. Для ПС напряжением 3-35 кВ выносной заземлитель может выполняться также в виде лучевых заземлителей, прокладываемых на глубине не менее 0,5 м.
Соединение выносного заземлителя ЗУ ПС осуществляется с помощью горизонтальных заземлителей, а также воздушными или кабельными линиями. Удаленность выносного заземлителя от искусственного при их соединении горизонтальными заземлителями не должна превышать 0,5 км, а при соединении воздушными или кабельными линиями - 2 км.
Количество горизонтальных заземлителей должно быть не менее двух. Прокладка их осуществляется на глубине не менее 1 м. Число и сечение проводов или кабеля выбирается так, чтобы продольное сопротивление линии было меньше сопротивления выносного заземлителя.
При установке выносного заземлителя должны быть предусмотрены меры по защите людей и животных от поражения электрическим током в результате прикосновения к его токопроводящим неизолированным частям. Для этого необходимо, чтобы линия была изолирована от земли на напряжение не менее напряжения на ЗУ и была исключена возможность прикосновения к проводнику, соединяющему линию с выносным заземлителем.
Кабельная линия должна подключаться к локальному заземлителю под землей; место соединения конца кабеля с заземлителем в целях защиты от коррозии должно изолироваться.
Некоторые особенности имеют ЗУ ПС напряжением 110 кВ и выше, питающие нефтеперекачивающие и компрессорные станции магистральных нефтепроводов и газопроводов. ПС 110 кВ и выше и промплощадки таких станций с технологическими РУ 6-10 кВ должны иметь единую заземляющую систему.
Напряжение на объединенной заземляющей системе при замыкании на землю в сети 110 кВ и выше не должно превышать 5 кВ. Если после объединения ЗУ не выполняется это требование, то необходимо использовать скважинные или выносные заземлители.
Соединение ЗУ ПС и ЗУ технологического РУ 6-10 кВ должно осуществляться двумя связями. В первую очередь в качестве таких связей рекомендуется использовать тросовые молниеотводы токопроводов 6-10 кВ, которые должны удовлетворять требованиям термической стойкости. В случае, если тросовые молниеотводы не могут быть использованы для этих целей, связи должны выполняться горизонтальными заземлителями или воздушными линиями на изоляторах класса 10 кВ.
Горизонтальные заземлители прокладываются на глубине 1 м с расстоянием между ними более 10 м. Их сечение должно быть не менее сечения горизонтальных элементов ЗУ ПС.
С целью снижения электромагнитных влияний горизонтальных заземлителей, объединяющих ЗУ ПС и РУ 6-10 кВ на кабели релейной защиты, автоматики, связи их следует прокладывать на расстоянии не ближе 3 м. При этом кабели релейной защиты и других прокладываемых связей между ПС и РУ 6- 10 кВ должны быть экранированными или с металлической оболочкой и броней.
Сопротивление ЗУ, используемого для заземления электроустановок различных назначений и различных напряжений, должно удовлетворять требованиям к заземлению того оборудования, для которого необходимо наименьшее сопротивление ЗУ.
Заземление электроустановок напряжением до 1000 В в сетях с глухозаземленной нейтралью осуществляется при помощи ЗУ с сопротивлением, которое в любое время года должно быть не более 2,4 и 8 Ом соответственно при линейном напряжении 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока или 380, 220 и 127 В источника однофазного тока. К этому устройству присоединяются нейтрали генераторов и трансформаторов. Для обеспечения автоматического отключения поврежденных участков сети с наименьшим временем отключения необходимо обеспечить металлическую связь корпусов электрооборудования с заземленной нейтралью электроустановки.
Заземление электроустановок напряжением выше 1000 В в сетях с изолированной нейтралью осуществляется при помощи заземляющего устройства, сопротивление которого составляет
если оно используется одновременно и для электроустановок до 1000 В, и
если оно используется только для электроустановок напряжением выше 1000 В, где I - расчетный ток замыкания на землю.
В сетях с компенсацией емкостных токов за расчетный ток замыкания на землю принимается для ЗУ, к которым присоединены компенсирующие аппараты, ток, равный 125% номинального тока этих аппаратов, для остальных ЗУ - остаточный ток замыкания на землю. Во всех случаях сопротивление заземляющего устройства не должно превышать 10 Ом.
Заземление электроустановок выше 1000 В, установленных в сети с эффективно заземленной нейтралью, осуществляется при помощи ЗУ, выполненного с соблюдением требований либо к их сопротивлению, либо к напряжению прикосновения.
Заземляющее устройство ПС, которое выполняется с соблюдением требований, предъявляемых к его сопротивлению растекания, должно иметь сопротивление в любое время года не более 0,5 Ом.
Заземляющее устройство, которое выполняется с соблюдением требований, предъявляемых к напряжению прикосновения, должно обеспечивать в любое время года в режиме однофазного КЗ значения напряжений прикосновения на территории ПС, не превышающие указанных ниже:
Сопротивление заземляющего устройства при этом не нормируется, а размеры ячейки заземляющей сетки не должны превышать 30 м.
Применяемые на ПС устройства релейной защиты и автоматики (РЗА), содержащие интегральные микросхемы и ЭВМ подвержены мешающему и опасному влиянию электромагнитных полей. Необходимость обеспечения работоспособности подобных устройств накладывает дополнительные требования на конструкцию заземляющей сетки ПС.
Заземление измерительных трансформаторов (тока и напряжения), шкафов управления и коммутационных аппаратов следует выполнять присоединением их кратчайшим путем к горизонтальным заземлителям заземляющего устройства (ЗУ).
Продольные заземлители вдоль рядов указанного оборудования следует прокладывать на расстоянии не более 0,5-0,8 м от фундаментов или оснований оборудования. Места присоединения заземляющих проводников от измерительных трансформаторов к горизонтальным заземлителям должны располагаться возможно ближе к точкам пересечения продольных и поперечных заземлителей. Размеры ячеек сетки, примыкающих к местам заземления измерительных трансформаторов, не должны превышать 6x6 м.
Для заземления измерительных трансформаторов, шкафов управления и коммутационных аппаратов необходимо максимально использовать проводящие элементы конструкций, на которых они установлены (рамные конструкции, арматура железобетонных стоек и др.) для чего эти элементы должны присоединяться к ЗУ ЛС.
При прокладке контрольных кабелей, среди которых имеются неэкранированные, в каналах и лотках на дно траншеи канала или непосредственно под лотками прокладываются 2-3 проводника, равномерно расположенных по ширине канала (лотка). Указанные проводники через 50-60 м присоединяются к ЗУ ПС, но не менее чем в двух местах, включая начало и конец кабельной трассы. Сечение проводников должно быть не меньше сечения горизонтальных заземлителей ЗУ ПС.
Расчет заземляющего устройства по напряжению прикосновения выполняется на ЭВМ по специальным программам.
Во всех случаях напряжение на заземляющем устройстве при стекании с него тока замыканий на землю не должно превышать 10 кВ:
где Iрасч - расчетный ток замыкания на землю, стекающий с заземляющего устройства и равный наибольшему значению тока, стекающего с заземлителя при однофазных КЗ внутри заземлителя или вне его; ТС - сопротивление заземляющего устройства.
Сопротивление заземляющего устройства зависит от сопротивлений естественного Re и искусственного Rи заземлителей и определяется по формуле 
Сечение элементов заземлителя и заземляющих проводников выбирается исходя из требований, предъявляемых к механической прочности, термической и коррозионной стойкости.
Заземлители и заземляющие проводники выполняются из стали и соединяются сваркой.
Размеры заземлителей и заземляющих проводников по механической прочности должны быть не менее приведенных ниже:
На термическую стойкость проверяются горизонтальные элементы заземлителя и заземляющие проводники ПС 110 кВ и выше. При этом предполагается, что через заземляющие проводники протекает весь ток однофазного КЗ, а через горизонтальные элементы заземлителя - его половина. В этом случае для предельной температуры, равной 400° С, наименьшее допустимое сечение проводника, мм2, определяется по формулам:
для заземляющих проводников
где IР - расчетный ток однофазного КЗ, А; Тк - время протекания тока КЗ, равное сумме времени срабатывания основной защиты и полного времени отключения выключателя, с.
Минимальное допустимое сечение проводника, мм2, по условиям коррозийной стойкости определяется по формуле
где Sкор - уменьшение сечения проводника в процессе коррозии, мм2,
Уменьшение сечения, мм2, за расчетный срок службы для круглого проводника определяется по формуле
где dn - наружный диаметр проводника;
δср - средняя глубина коррозии, мм, по сечению проводника, определяется по формуле
где Т - расчетный срок службы заземлителя, мес; ак, bк, ск, dк - коэффициенты, зависящие от грунтовых условий, приведенных в табл. П6.1.
Таблица П6.1. Связь параметров грунта с коэффициентом уравнения для прогноза коррозии элементов заземлителей
Продолжение табл. П6. 1.
