Оборудование станций для испытания трансформаторов - Заземление

а) Общие изложения

Заземление является основным мероприятием ιπο защите от поражения электрическим током.
Прежде чем перейти к вопросам устройства заземлений на испытательных станциях, рассмотрим некоторые определения и основные положения в части норм и расчета заземляющих устройств [Л. 43].

1 Термин «зануление» применялся ранее (до 1957 г.) в «Правилах устройства электроустановок».

Рис. 12-1. Заземление электрооборудования в сети изолированной нейтралью.
r1 и r2 — сопротивления изоляции фаз относительно земли; C1 и С2 — емкости проводов фаз относительно земли; Ir и Ir — токи утечки; IС1 и IС2 — емкостные токи на землю.

Различают три вида заземляющих устройств:

1. защитное заземление;
2. рабочее заземление;
3. защитное зануление.

Защитное заземление применяется в сетях с напряжением свыше 1 000 в независимо от режима нейтрали источников питания и в сетях до 1 000 в с изолированной нейтралью (рис. 12-4).
Защитное заземление служит для создания между металлическими конструкциями или корпусом защищаемого электрооборудования и землей электрического соединения столь большой проводимости, при которой параллельное соединение с той же цепью при замыкании находящихся под напряжением проводников на заземленные части не могло бы вызвать ток через тело человека, опасный для его жизни.
Как видно из рис. 42-1, ток замыкания на землю при повреждении изоляции одной фазы зависит от сопротивления изоляции и величины емкости двух других фаз по отношению к земле.

Рабочее заземление применяется для надлежащей работы установки в нормальных или аварийных условиях. На рис. 12-2 приведена схема рабочего заземления при испытании изоляции обмоток трансформатора приложенным напряжением. Для правильного проведения испытаний и надлежащей работы заземляются: нейтральный ввод ВН и бак испытательного трансформатора Т, шаровой разрядник Ш, вводы неиспытываемой обмотки и бак трансформатора ИТ.

Рис. 12-2. Рабочее заземление при испытании изоляции обмоток трансформатора приложенным напряжением.

Защитное зануление применяется в сетях напряжением до 1 000 в (380/220 в, 220/127 в) с заземленной нейтралью трансформаторов или генераторов (рис. 12-3). Защитное зануление имеет основную цель превратить замыкание токоведущих частей на заземленные части установки в однофазное короткое замыкание и вызвать быстрое отключение поврежденного участка автоматом или предохранителем.
Сравнительно безопасными в смысле электрического удара могут быть токи длительностью менее 0,1 сек. Поэтому ПУЭ предусматривается, что полное время отключения защитного аппарата с момента возникновения однофазного замыкания должно быть не более 0,2 сек.
Заводские цеховые трансформаторы, как правило, устанавливаются с заземленной нейтралью па напряжение 380/220 в. Для цехового электрооборудования принимается система защитного зануления.
Электрооборудование испытательных станций (синхронные генераторы, промежуточные трансформаторы), а также некоторые цеховые установки выполняются с изолированной нейтралью, и для них нужно осуществить защитное заземление.
Разделять сети заземления и зануления практически невозможно, так как они все равно оказались бы соединенными через всякого рода металлоконструкции и т. п. Поэтому нецелесообразно разделять сети зануления и заземления и усложнять и удорожать установку. На рис. 12-4 показаны совмещенные сети заземления установки А и зануления установки Б.

Рис. 12-3. Заземление электрооборудования в сети с заземленной нейтралью (зануление).

Правила устройств электроустановок (ПУЭ) рекомендуют выполнять общими заземления различных назначений и напряжений, а также широко использовать в качестве дополнительного заземления металлические части здания, надежно заземленные трубопроводы и т. п.
Части оборудования, подлежащие заземлению:

1. Корпуса электрических машин, трансформаторов, аппаратов и т. п.
2. Приводы электрических аппаратов.
3. Вторичные обмотки измерительных трансформаторов.
4. Каркасы распределительных щитков, шкафов и т. п.
5. Металлические конструкции распределительных устройств, металлические кабельные конструкции, металлические корпусы кабельных муфт, металлические оболочки и брони кабелей и проводов, стальные трубы электропроводки и другие металлические конструкции, связанные с установкой электрооборудования.
6. Металлические корпуса передвижных электроприемников.

Рис. 12-4. Совмещение сетей заземления и зануления.
А —  система защитного заземления; Б — то же защитного зануления; r1 и r2 — сопротивление изоляции фаз.

Заземлению не подлежат:

1. оборудование, установленное на заземленных металлических конструкциях, если его анкерные поверхности зачищены и незакрашены, так что обеспечен их электрический контакт с опорой;
2. корпуса электроизмерительных приборов и реле;
3. рельсовые пути, выходящие за территорию предприятия;
4. съемные или открывающиеся части на металлических заземленных каркасах и камеpax распределительных устройств, ограждений, шкафов и т. п.

Защитное заземляющее устройство в случае повреждения изоляции токоведущих частей должно обеспечить такие напряжения прикосновения и шаговые напряжения [Л. 52], которые не были 'бы опасны для обслуживающего персонала.
На рис. 12-5 показана цепь тока при прикосновении человека к проводу, находящемуся под напряжением. Та часть напряжения, которая приходится в этой цепи на тело человека, называется напряжением прикосновения Uпр. Во всех случаях

где Ih — ток в цепи тела человека;
R — электрическое сопротивление человека.
На рис. 12-6 показаны три электродвигателя, корпуса которых присоединены к заземлителю r3. Распределение потенциалов около заземлителя в случае пробоя на корпус изоляции любого из электродвигателей представится кривой I.
Заземлитель и металлически связанные с ним корпуса электродвигателей получат по отношению к земле напряжение


Рис. 12-5. Прикосновение к одному проводу работающей линии переменного тока при
r1=r2= ∞.
R — электрическое сопротивление тела человека; Ih — ток в цепи человека; rр — сопротивление растеканию в почве; С1 и С2 — емкости приводов по отношению к земле.

Рис. 12-6. Напряжение прикосновения

Руки человека, касаясь корпуса любого из электродвигателей с исправной или пробитой изоляцией, приобретают потенциал заземлителя Uз, а ноги человека, касаясь точек почвы, приобретают потенциал этих точек (Uз-Uн). В результате человек подвергается воздействию разности потенциалов (Uз-Uн).
Если не учитывать падения напряжения в сопротивлении растеканию поверхностного слоя земли (или пола), на котором стоит человек, можно принять, что эта разность потенциалов и является напряжением прикосновения

Как видно из кривой II на рис. 12-6, напряжение прикосновения увеличивается по мере удаления от заземлителя и достигает примерно через 20 м величины, близкой Uз. Прикасаясь к электродвигателю 1, руки человека приобретут полный потенциал заземлителя Uз, но и ноги его получают тот же потенциал Uз. Следовательно, напряжение прикосновения в этом случае будет равно нулю (Uз-Uз= 0).
Прикасаясь к электродвигателю 3, человек попадает под наибольшее напряжение прикосновения, так как потенциал его ног в этом месте практически равен нулю, а разность потенциалов между ногами и рукой  т. е. равна напряжению на заземлителе.

Рис. 12-7. Напряжение шага.

Разность потенциалов или напряжение, под которым могут оказаться ноги человека на поверхности с разными потенциалами, обусловленными током замыкания на землю, называют шаговым напряжением Uш. Кривая 1 на рис. 12.7 представляет собой величины потенциалов земли по мере удаления от заземлителя или от места замыкания на землю одного из проводов сети. Величина шага а для расчетов принимается равной 0,8 м.

б) Выбор величины сопротивления заземляющего устройства

По существующим правилам (ПУЭ) нет необходимости производить расчеты заземляющих устройств на определенную величину напряжения прикосновения и шага, так как эти расчеты были основаны на параметрах в значительной мере спорных и условных.
Накопленный опыт дал возможность заменить эти расчеты выбором определенной величины сопротивлений заземляющих устройств, которые при самых неблагоприятных условиях дают удовлетворительные результаты.

Нормы рекомендуют следующие значения сопротивления заземляющего устройства.

1. Электроустановки напряжением до 1 000 в с изолированной или глухо заземленной нейтралью должны иметь сопротивление заземляющего устройства не более 4 ом. Исключение составляют заземляющие устройства генераторов и трансформаторов мощностью 100 кча и менее или при суммарной мощности параллельно работающих единиц не более 100 кВА. В этих случаях заземляющие устройства могут иметь сопротивление не более 10 ом.
2. На электроустановках напряжением выше 1 000 в с малыми токами (меньше 500 а) замыкания на землю и без компенсации емкостных токов сопротивление заземляющего устройства при прохождении расчетного тока короткого замыкания в любое время года должно быть не более:

Расчетным током является полный ток замыкания на землю; сопротивление заземляющего устройства для этих сетей должно быть не более 10 ом.
В сетях с компенсацией емкостных токов сопротивление заземляющего устройства рассчитывается по этим же формулам. При этом в качестве расчетного тока следует принимать:

1. для заземляющих устройств, к которым присоединены компенсирующие аппараты, ток, равный 125% номинального тока этих аппаратов;
2. для заземляющих устройств, к которым не присоединены аппараты, компенсирующие емкостный ток, остаточный ток замыкания на землю при отключении наиболее мощного из компенсирующих аппаратов, но не менее 30 а.

С целью облегчения устройства заземлений Правила допускают принимать в качестве расчетного ток срабатывания релейной защиты от междуфазных замыканий или номинальный ток плавких вставок предохранителей, если ток замыкания на землю имеет величину не менее 1,5-кратного тока уставки релейной защиты и трехкратного номинального тока предохранителей.

1. Электроустановки напряжением выше 1 000 в с большими токами замыкания на землю (более 500 а) должны иметь сопротивление заземляющего устройства не более 0,5 ом.

Расчетным током для заземляющих проводников является наибольший из токов однофазного замыкания (установившееся значение), протекающий через заземляющее устройство при замыкании на это устройство или при замыкании на землю вне ее.
Расчет заземляющего устройства сводится к определению тока замыкания на землю и в соответствии с ним расчета количества заземлителей по полученному или выбранному сопротивлению.

При испытании трансформаторов возможны следующие случаи появления токов замыкания на землю.

1. Емкостные токи, проходящие через изоляцию обмоток на заземленный бак испытываемого трансформатора (рис. 12-2). Эти токи незначительны по величине. Так, например, при испытании индуктированным напряжением трансформатора предельной мощности с испытательным напряжением 700 кВ и емкостью испытываемой обмотки 20 000 пф емкостный ток не превышает 1,5 а.
2. Ток однофазного короткого замыкания, проходящий по корпусу (баку) испытываемого трансформатора на заземлитель в случае пробоя изоляции его обмоток при испытании приложенным или индуктированным напряжением. В этом случае величина тока определяется по мощности короткого замыкания испытательной установки.
3. Ток однофазного короткого замыкания, проходящий через шаровой разрядник на заземлитель при пробое, например при градуировке испытательного напряжения.
4. Импульсные токи при типовых испытаниях импульсным напряжением.

Испытательные генераторы и первичные обмотки промежуточных испытательных трансформаторов обычно имеют изолированную нейтраль, поэтому при заземлении фазы расчетным током является емкостный ток замыкания на землю, который может быть определен по формуле

Как видно из этой формулы, I0 может иметь большие значения в системах электроснабжения с большой разветвленностью и длиной воздушной и кабельной сетей, доходящие в крупных промышленных центрах до 100 а.
Для испытательных станций с короткими кабельными коммуникациями от генератора к испытываемому трансформатору величина тока I0 значительно меньше, так, например, максимальная протяженность кабельной линии (генератор — испытываемый трансформатор) может быть в пределах 0,05—0,2 км. Тогда при генераторном напряжении 111 кВ максимальный емкостный ток замыкания на землю в поврежденной фазе генераторной обмотки испытываемого трансформатора составит:

Таким образом, емкостные токи на испытательных станциях имеют небольшие значения. В рассмотренном случае при допускаемой по нормам максимальной величине сопротивления заземления 10 ом напряжение на корпусе генератора при нарушении изоляции составит 0,38· 10 = 3,8 в.
На основании приведенных расчетов можно сделать вывод, что значения токов однополюсного замыкания на землю в условиях испытательных станций по сравнению с заводскими системами электроснабжения малы и для них нет смысла выполнять отдельно защитные заземляющие устройства, так как заводские заземляющие устройства с запасом удовлетворяют требования техники безопасности на испытательных станциях.
Что касается рабочих заземлений для испытания приложенным и особенно индуктированным напряжениями (см. гл. 7), то они должны быть рассчитаны исходя из наибольшей мощности короткого замыкания испытательной установки, а величина сопротивления заземлителя выбрана по формулам, приведенным в § 12-4,б.
В ряде случаев такой расчет отпадает, так как для испытательных станций, на которых производятся импульсные испытания, заземляющее устройство выполняется на основании данных практического опыта, изложенных ниже. Это заземляющее устройство является достаточным как рабочее заземление и для прочих режимов испытательных установок.
Для удобства подключения испытываемого трансформатора к заземлению на испытательных станциях устраивают специальные колодцы, к которым выводится заводское заземление.
На испытательном поле устраивают несколько таких заглублений для более удобного заземления испытываемых трансформаторов (рис. 12-8).
На испытательных станциях при типовых испытаниях импульсным напряжением импульсные токи могут создавать в слоях земли, непосредственно прилегающих к заземляющему (трубчатому) электроду, градиенты потенциала, превосходящие во многих случаях пробивной градиент земли.

Pиc. 12-8. Приямок для заземления испытываемых трансформаторов.
1 — крышка 260Χ260Χ15; 2 — вставка 0 10X50; 3 — основание 160X100X10; 4 — контактная пластина 460X70X10; 5 — заземлитель трубчатый.

Без надлежаще принятых мер возможно замыкание импульсного тока через два пространственно удаленных заземления с образованием электромагнитных волн в земле. При этом энергия, занесенная в землю, будет находить выходы из других заземлений, образуя в зоне испытания и смежных помещениях разности потенциалов между установками, присоединенными к пространственно удаленным заземлениям.
Так как испытательные станции размещаются в цеховых пролетах большой длины, то указанную экранировку стен необходимо продлить в зоне 20—25 м вдоль пролета от испытательной станции. Неправильно выполненное заземление, кроме указанного, вызывает искажения электромагнитных полей на испытываемом объекте и приводит к ошибочным результатам обмеров и испытаний.
Сейчас нет достаточно надежных методов расчета заземляющих устройств при импульсных испытаниях. Кроме заземления, при этих испытаниях необходимо создать систему экранирования от радиопомех.
Практикой установлена следующая система заземления и экранировки при импульсных испытаниях.
На пол укладывается металлическая решетка из полосовой стали с размером клетки 0,5X0,5 м. Примерно через каждые 5 м в углах клетки забиваются газовые трубы-заземлители, к которым привариваются решетки. Стены и кровлю, где размещен импульсный генератор и испытываемый трансформатор, экранируют мелкой сеткой (Рабица). На эту сетку накладывается металлическая решетка с клеткой размером 2X2 м, выполненная из полосовой стали, которая сваривается с сеткой Рабица.
Решетки, уложенные на полу и на стенах, свариваются между собой, а также со всеми металлическими частями здания. К этой системе следует присоединить все заходящие в здание металлические трубы, оболочки кабелей и т. д.
Эти мероприятия дают следующий эффект:

1. Снимают опасность искрения между деталями здания и трубопроводами.
2. Сглаживают распределение потенциала в смежных помещениях.
3. Уменьшают возможность распространения импульсного потенциала за пределы испытательного участка.
4. Облегчают задачу получения четкой записи процессов на катодном осциллографе.
5. Снижают абсолютные потенциалы на каркасе здания.
6. Ликвидируют радиопомехи.

в) Контурные заземления

Условия безопасности в случае пробоя изоляции на корпус и прохождения тока через заземлитель в землю зависят от напряжений прикосновения и шага, величины которых не должны превосходить некоторых предельных, безопасных для человека значений.
Как видно из рис. 12-6, напряжение прикосновения тем меньше, чем ближе к заземлителю находится человек, и, наоборот, напряжение шага тем меньше, чем дальше он находится от заземлителя. Устранение этого противоречия, т. е. одновременного уменьшения напряжения прикосновения и напряжения шага, возможно лишь путем так называемого контурного размещения заземлителей.
Для этой цели создается несколько контуров (рис. 12-9,б) заземлений. Например, контур располагается по краю ограждения поля и в несколько рядов внутри поля в зависимости от его размеров.


Рис. 12-9. Контурное заземление (а, б, в).

Заземлители в контурах состоят из забитых в землю стальных труб или уголков, соединенных стальной полосой. На рис. 12-9,в в плоскости разреза А—А пунктирными линиями показаны потенциалы поверхности земли в случае замыкания на землю, а сплошными линиями — результирующие потенциалы. На рис. 12-9,а показаны также напряжения прикосновения шага внутри контура и вне его. Эти напряжения в пределах контура резко снижены.
Для уменьшения крутого спада напряжения за пределами контура (сетчатого ограждения) закладываются стальные полосы, не связанные с контуром заземления (рис. 12-10). При этом кривая спада потенциала получается достаточно пологой.

Устройство заземления

При устройстве заземлений широко используются естественные заземлители: водопроводные трубы, металлические конструкции зданий, оболочки проложенных в земле кабелей и т. п.
При невозможности обеспечить достаточно низкое сопротивление растеканию при помощи естественных заземлителей применяют искусственные заземлители в виде стальных труб длиной 2—3 м, диаметром 35—50 мм, уголков, стержней или стальных лент.

Рис. 12-10. Выравнивание потенциалов вблизи контура.
а — спад потенциала в земле; б — спад потенциала вдоль шин.

Горизонтально проложенные ленточные заземлители применяются для связи вертикальных заземлителей и как самостоятельные заземлители в некоторых специальных случаях.
Наиболее пригодными из них являются трубы и стержни, с помощью которых можно достигнуть глубоких слоев при меньшем объеме земляных работ.
Глубинная закладка заземлителей вызвана стремлением создать контакт с точками почвы, не подверженными промерзанию и высыханию.
На рис. 12-11 приведено устройство трубчатых заземлителей. Обычно заводские заземления сводятся к забиванию труб 1 по периметру защищаемой территории или внутри и связи их с магистралью заземления лентой 2. Магистрали заземления прокладываются вне здания на глубине 0,5—0,6 м, а внутри здания — в каналах или на стенах для удобного контроля за их состоянием.
Заземляемые части оборудования присоединяются к магистралям заземления круглой сталью или шинами, привариваемыми к магистрали и прибалчиваемыми к заземляемому оборудованию. 

Рис. 12-11. Устройство трубчатых заземлителей.
Заземление может быть приварено к оборудованию, если в перемещении его нет необходимости. Каждый заземленный элемент установки присоединяется к магистрали с помощью отдельного ответвления. Последовательное включение не допускается.
Количество закладываемых в грунт трубчатых или стержневых заземлителей определяется из следующего выражения:

Сопротивление, оказываемое почвой току, проходящему через заземлитель в землю, называется сопротивлением растекания. Оно состоит из сопротивления пути прохождения тока в землю и переходного сопротивления от заземлителя к почве.
Переходное сопротивление от заземлителя к почве обычно ничтожно, и, таким образом, основным сопротивлением для тока является путь растекания его в земле, т. е. сопротивление самой почвы.
Сопротивление растекания в сумме с сопротивлением заземляющих приводов и шин составляет так называемое «сопротивление заземления».
Сопротивление растеканию одиночных заземлителей определяется по формуле

Как было сказано ранее, длина труб выбирается в пределах 2—3 м. Увеличение диаметра трубы не дает значительного уменьшения сопротивления растекания и величина его выбирается по соображениям механической прочности в пределах 35—50 мм. Толщина стенок трубы должна быть не менее 2,5 мм. Чтобы снизить сопротивление растеканию, трубы относят друг от друга на определенное расстояние и соединяют их заземляющей шиной.


Рис. 12-12. Коэффициент использования заземлителей (n — число труб).
а — для ряда параллельно соединенных трубчатых заземлителей; б — для трубчатых заземлителей, расположенных контуром; в — для соединительных полос у трубчатых заземлителей, расположенных в ряд; 2 — для соединительных полос у трубчатых заземлителей, расположенных контуром.

Предположим, что несколько одиночных заземлителей заложены в однородный грунт на расстояние 40 м друг от друга. В этом случае поле тока каждого заземлителя не будет подвержено воздействию полей смежных заземлителей, так как на расстоянии 20 м от каждого заземлителя потенциалы близки к нулю.
Если трубы забить ближе друг к другу, то каждый заземлитель, внося свое поле в поле тока других заземлителей, тем самым мешает растеканию и снижает их проводимость.
Однако расстановка труб на такое расстояние, при котором не было бы влияния полей на сопротивление растекания, практически не нашла применения, особенно в контурном заземлении, где по самой идее защиты необходимо накладывать поле тока одного электрода на поле другого. Поэтому заземлители располагают на небольшом расстоянии, обычно равном длине заземлителя (3—5 м). С развитием механизации погружения электродов находят широкое применение заземлители в виде стержней с диаметром 10—42 мм большой длины (5—6 м). Это позволяет значительно снизить сопротивление заземлителя.