Заземляющее устройство подстанции: конструкция, нормы сопротивления и измерения
Заземляющее устройство (ЗУ) подстанции обеспечивает безопасность персонала, защиту оборудования от перенапряжений и корректную работу релейной защиты. От его состояния напрямую зависит, насколько опасно находиться рядом с оборудованием при коротком замыкании на землю и выдержит ли изоляция грозовые перенапряжения. При этом ЗУ — элемент, который чаще всего «забывают»: он скрыт в земле, и его состояние оценивают только при плановых измерениях.
Разберём, из чего состоит заземляющее устройство подстанции, какие нормы сопротивления действуют, как выполняются измерения и какие дефекты типичны для ЗУ.
Назначение заземляющего устройства
Заземляющее устройство подстанции решает несколько задач одновременно:
- Безопасность персонала. Ограничение напряжения прикосновения и шагового напряжения до безопасных значений при КЗ на землю.
- Защита изоляции. Отвод токов молнии и ограничение перенапряжений.
- Работа релейной защиты. Создание пути для тока КЗ на землю, по которому защиты определяют повреждённый участок.
- Работа аппаратов компенсации. Дугогасящие реакторы и другие устройства требуют качественного контура заземления.
Конструкция заземляющего устройства
Заземлитель
Заземлитель — проводящая часть, находящаяся в земле. На подстанциях применяются:
- Вертикальные электроды — стальные трубы, уголки или стержни длиной 2,5–3 м, заглубляемые в землю. Устанавливаются рядами по периметру и внутри подстанции.
- Горизонтальные электроды — стальная полоса сечением 40×4 мм или круглый прокат, укладываемый в траншеи на глубине 0,5–0,8 м.
- Комбинированные контуры — сочетание вертикальных и горизонтальных электродов, образующих замкнутый контур по периметру подстанции.
Заземляющие проводники
От заземлителя к оборудованию проложены заземляющие проводники: главная заземляющая шина (ГЗШ) в помещении РУ и ответвления к каждому аппарату, трансформатору, шкафу. Все металлические части оборудования, корпуса, экраны кабелей и молниеприёмники подключаются к общему контуру.
Выносное и глубинное заземление
На подстанциях с высоким удельным сопротивлением грунта применяются выносные заземлители — электроды, укладываемые за пределами площадки, или глубинные заземлители — электроды, заглубляемые до водоносных слоёв с низким сопротивлением. Глубинные заземлители эффективны, но сложны в изготовлении и обследовании.
Нормы сопротивления заземляющего устройства
Главный параметр ЗУ — сопротивление растеканию. Его нормирование зависит от класса напряжения подстанции, режима нейтрали и конструкции сети.
Подстанции 110 кВ и выше
Для подстанций с эффективно заземлённой нейтралью сопротивление ЗУ нормируется исходя из условий работы защиты и допустимых напряжений при КЗ — типовые значения не превышают нескольких десятых долей ома. Точное требование определяется расчётом с учётом тока КЗ на землю и допустимого напряжения прикосновения.
Подстанции 6–35 кВ
При изолированной или компенсированной нейтрали нормы определяются допустимым напряжением прикосновения. Типовое требование для сетей 6–10 кВ — сопротивление ЗУ не более 4 Ом, для 35 кВ — не более 1 Ом, однако конкретные значения зависят от тока КЗ и конструкции ЗУ.
Как учитывается сезонность
Сопротивление грунта резко возрастает зимой и в период просыхания. Измерения выполняются в период максимального сопротивления — в зимне-весенний период. Полученное значение сравнивается с нормой без поправок, что обеспечивает запас в летний период.
Измерение сопротивления ЗУ
Метод амперметра-вольтметра
Классический метод: через испытуемый заземлитель пропускается ток от источника, измеряется ток и напряжение на вспомогательном электроде. По результатам рассчитывается сопротивление. Метод трудоёмок, но не требует дорогостоящего оборудования.
Измерение измерителем сопротивления заземления
Современные измерители (типа МРУ, Fluke и аналоги) упрощают процедуру: прибор формирует ток, измеряет напряжение и рассчитывает сопротивление с учётом компенсации помех. Требуется вспомогательный электрод и измерительный щуп.
Измерение отдельных элементов
При диагностике ЗУ важно измерять не только общее сопротивление, но и сопротивление отдельных элементов — вертикальных электродов и участков контура. Повышенное сопротивление отдельного элемента указывает на коррозию или обрыв соединения.
Типичные дефекты заземляющих устройств
- Коррозия электродов. Особенно в агрессивных грунтах и при контакте разнородных металлов. Вертикальные электроды разрушаются снизу, горизонтальные — в местах соединений.
- Обрыв соединений. Плохая сварка или болтовые соединения, разрушенные коррозией. Элемент контура теряет электрическую связь с общим ЗУ.
- Повреждение при строительстве. Земляные работы на территории подстанции могут пересечь или вскрыть контур заземления.
- Высокое сопротивление грунта. При нерасчётном удельном сопротивлении контур не обеспечивает норму — требуется доработка дополнительными электродами.
- Отсутствие соединения оборудования с ЗУ. Отсоединённые заземляющие проводники при ремонтах и модернизации.
Обслуживание и диагностика
Плановое обследование ЗУ включает:
- осмотр доступных элементов контура — состояние сварных и болтовых соединений, отсутствие коррозии;
- измерение сопротивления ЗУ в период максимального сопротивления грунта;
- измерение сопротивления отдельных элементов при подозрении на дефекты;
- проверку проводимости заземляющих проводников от оборудования до ГЗШ;
- контроль напряжения прикосновения при КЗ (расчётный).
Результаты заносятся в паспорт заземляющего устройства, который ведётся на протяжении всего срока службы подстанции. Сравнение результатов во времени позволяет выявить тенденцию деградации и запланировать ремонт до выхода параметров за норму.
Заземление и молниезащита
ЗУ подстанции работает совместно с молниезащитой: опоры, тросы и ограничители перенапряжений подключаются к общему контуру. Единый контур снижает разность потенциалов между элементами при ударе молнии и предотвращает обратные перекрытия на линейную изоляцию.
Заключение
Заземляющее устройство подстанции — невидимый, но критичный элемент электроустановки. Его состояние определяется качеством изготовления, условиями грунта и дисциплиной обследования. Регулярные измерения сопротивления, контроль соединений и ведение паспорта ЗУ позволяют поддерживать параметры в норме и обеспечивать безопасность персонала на протяжении десятилетий эксплуатации.
