Обеспечение электромагнитной совместимости при проектировании заземляющих устройств энергообъектов

Введение

Проектирование заземляющих уст­ройств (ЗУ) энергообъектов (электри­ческих станций и подстанций) в настоящее время осуществляется в соответствии с основным для энергетиков нормативным документом /1/. В новом издании гл. 1.7 ПУЭ раздел, относящийся к электроустановкам выше 1кВ, остался практически таким же, как и в ПУЭ 1986 года. Во времена СССР ведущими проектными организациями (ЭСП, ТЭП и Тяжпром­энергопроект) были разработаны и утверждены в качестве нормативных документов Методические указания по проектированию заземляющих устройств энергообъектов /2-4/, которые применяются в практике проектирования и в настоящее время. К сожалению, проект заземляющего устройства современного энергообъекта, выполненный в полном соответствии с требованиями указанных нормативных документов, не обеспечит выполнение даже условий электробезопасности. Выполнение условий электромагнитной совместимости (ЭМС) в таком проекте не предусмотрено. В 1993 году был введен в действие первый  в России нормативный документ /5/, направленный на решение проблемы обеспечения ЭМС на энергообъектах. Указания по выполнению ЗУ в этом документе не помогли проектировщикам в решении проблем ЭМС. В нормах технологического проектирования /6/, введенных в 2006 году, достаточно четко формулируются требования по обеспечению ЭМС, включая проектирование ЗУ. Однако технология такого проектирования не была разработана. По заданию ОАО «ФСК ЕЭС» в 2007 году был разработан проект стандарта организации «Методичес­кие указания по обеспечению ЭМС вторичного оборудования и систем связи при проектировании электросетевых объектов ЕНЭС». Предполагается ввести в действие этот стандарт в 2008 году. В предлагаемом докладе изложены основные положения данного документа в части проектирования ЗУ электросетевых объектов с учетом требований ЭМС.  

Общие положения

Заземляющие устройства выполняют по условиям электробезопасности и ЭМС. Электробезопасность, характеризуемая предельно допустимыми значениями напряжения прикосновения, обеспечивают в первую очередь при любых условиях эксплуатации энергообъекта. В общем случае для обеспечения электробезопасности применяют систему выравнивания и уравнивания потенциалов с помощью заземлителей, заземляющих проводников и проводников уравнивания потенциалов.

Мероприятия по обеспечению ЭМС при проектировании ЗУ различаются для энергообъектов:

- вновь строящегося;

- при полной реконструкции (техперевооружение) с заменой первичного и вторичного оборудования;

- при поэтапной реконструкции (техперевооружение) подстанции с заменой части первичного и вторичного оборудования;

- при частичной реконструкции (техперевооружение) подстанции с заменой отдельных систем;

- при замене или оборудовании новых отдельных систем; замены или установки новых устройств АСТУ, связи и других систем.

Кроме того, существуют особые требования к ЗУ подстанций с КРУЭ.

Во всех случаях при проектировании ЗУ должны проводиться предпроектные изыскания.

Для вновь строящегося объекта  при полной реконструкции в объем предпроектных изысканий входит измерение удельного сопротивления грунта методом вертикального электрического зондирования (ВЭЗ). Эквивалентное удельное сопротивление грунта принимают для наиболее неблагоприятных климатических условий.

При поэтапной реконструкции и при частичной реконструкции проводят обследование ЗУ в соответствии с требованиями /7/.

При замене или оборудовании новых отдельных систем, замены или установки новых устройств проводят обследование ЗУ только в части, относящейся к этим устройствам (включая места прокладки вторичных цепей этих устройств)  или системам.

При проектировании ЗУ токи КЗ и их составляющие (токи нейтралей, потенциалоповышающие токи и т.д.) рассчитывают с учетом развития энергосистемы. Выбор токов КЗ меньших по значению должен быть обоснован. Время отключения КЗ на землю принимается с учетом работы УРОВ и времени работы выключателя.

Заземляющее устройство электросетевых объектов  с открытыми распределительными устройствами

В сетях с эффективно заземленной нейтралью наибольший ток промышленной частоты протекает по ЗУ при однофазном (двухфазном на землю) КЗ. Потенциал на ЗУ при этом распределяется неравномерно. Если значение разности потенциалов на ЗУ превысит испытательное напряжение для кабелей, подходящих к оборудованию, возможно обратное перекрытие изоляции кабелей или вторичного оборудования. Ток короткого замыкания, распределяясь  по заземленным оболочкам, броне и экранам кабелей, вызовет повреждение кабелей, если будут превышены допустимые по термической стойкости токовые нагрузки.

Нормируемыми параметрами по условиям обеспечения ЭМС для токов и напряжений промышленной частоты являются:

- напряжение на ЗУ (относительно зоны нулевого потенциала);

- напряжение между ЗУ силового оборудования (при КЗ на землю)   и ЗУ в месте расположения вторичного оборудования, к которому приходят кабели от силового оборудования;

- токи по экранам, броне, оболочкам и проводникам.

Напряжение на ЗУ воздействует на изоляцию кабелей (связи, телемеханики и др.), отходящих от электросетевого объекта. Значение напряжения на ЗУ не должно превышать 5кВ /1/. Если напряжение на ЗУ выше 5кВ, то необходимо принимать меры по защите отходящих кабелей.

Разность потенциалов на ЗУ между точкой КЗ (или местом заземления нейтрали АТ/Т) и мес­том расположения вторичного оборудования, к которому приходят кабели с РУ, воздействует на изоляцию кабелей и вторичного оборудования. Наибольшее значение  разности  потенциалов на ЗУ не должно превышать 2кВ.

Токи по экранам, броне, оболочкам и проводникам не должны вызывать их термического повреждения. Допустимое значение токов зависит от сечения и материала экрана, брони, оболочки и проводника и определяется расчетом.

При проведении расчетов (с помощью специальной компьютерной программы /8/) рассмат­ривают следующие режимы, различающиеся растеканием тока по ЗУ:

- однофазного (двухфазного) короткого замыкания на землю;

- ближнего внешнего короткого замыкания на землю;

- замыкания на землю двух фаз в сети с изолированной нейтралью.

В расчетной схеме учитывают искусственные (заземлители и заземляющие проводники) и естественные (трубопроводы, оболочки, броня и экраны кабелей, металлоконструкции, железобетонные фундаменты, грозотросы) элементы заземляющего устройства.

В результате расчетов определяют наибольшие значения напряжения на ЗУ, напряжения, воздействующего на изоляцию кабелей и вторичного оборудования, и значения токов в экранах, оболочках или броне кабелей. Проводят также расчет напряжений прикосновения для проверки выполнения условий электробезопасности.

Если полученное при расчете значение напряжения на ЗУ превышает 5кВ, то применяют решения по уменьшению сопротивления ЗУ. Уменьшение сопротивления ЗУ может быть достигнуто установкой вертикальных заземлителей по периметру ЗУ, глубинных заземлителей или обсадных труб скважин.  Применение вертикальных заземлителей дает положительный эффект лишь при наличии слоев грунта с низким удельным сопротивлением. Если можно вынести заземлитель за территорию объекта, то увеличивают размеры сетки. При наличии вблизи объекта участков грунта с низким удельным сопротивлением можно снизить сопротивление ЗУ, оборудовав выносной заземлитель, обеспечив в месте его расположения условия электробезопасности. При невозможности (или экономической нецелесообразности) выполнения указанных мероприятий, обеспечивают защиту отходящих проводных коммуникаций или применяют волоконно-оптические линии связи.

Если напряжение на ЗУ между точкой КЗ (или местом заземления нейтрали АТ/Т) и местом расположения вторичного оборудования, к которому приходят кабели с РУ превышает 2кВ, то применяют решения по выравниванию потенциалов на ЗУ.

Для снижения потенциала на ЗУ оборудования (включая место заземления АТ/Т) выполняют соединения с сеткой заземлителей дополнительными параллельными заземляющими проводниками, увеличивают сечение заземляющих проводников, уменьшают шаг сетки заземлителей вблизи оборудования или применяют материал с более высокой проводимостью (например, медь).

Для снижения разности потенциалов на ЗУ уменьшают шаг сетки заземлителей, увеличивают сечение заземлителей или применяют материал с большей проводимостью, прокладывают в кабельных каналах дополнительные параллельные заземляющие проводники. При наличии нес­кольких ОРУ увеличивают количество связей по заземлителям между ОРУ.

Превышение значений токов в экранах, оболочках или броне выше допустимых значений может возникнуть, как правило, на коротких участках кабелей, например, подходящих к оборудованию, расположенному вблизи РЩ (ОПУ, ГРЩ). Для устранения опасности термического повреждения кабелей применяют последовательно технические решения: по увеличению количества связей ЗУ РЩ (ОПУ, ГРЩ) с сеткой заземлителей; по прокладке в кабельной канализации параллельного проводника; используют кабели с увеличенным сечением экрана, брони или оболочки.

При коммутациях (через паразитные емкости оборудования на землю) и коротких замыканиях на землю через заземлитель протекает ток высокой частоты (ВЧ составляющая тока КЗ). Ток возникает вследствие переходного процесса в первичных цепях. На ЗУ оборудования возникает скачок потенциала. Для цепей ВЧ-связи, напряжения и тока, заземленных на РУ импульсный потенциал с определенным коэффициентом ослабления передается на вход вторичного оборудования. По результатам измерений на действующих объектах установлено, что наименьшее значение коэффициента ослабления может быть принято равным для экранированных кабелей с заземлением экранов с двух сторон 6. При применении неэкранированных кабелей или экранированных кабелей с заземлением экранов с одной стороны коэффициент передачи принимают равным 1 для всех цепей.

Импульсный потенциал воздействует на изоляцию и клеммные зажимы вторичных кабелей цепей управления и сигнализации (гальванически не связанных с ЗУ), отходящих от оборудования, и может вызвать перекрытие изоляции. По результатам испытаний типовых клеммных зажимов наименьшее значение пробивного импульсного напряжение принято равным 10кВ. Пос­ле пробоя изоляции импульсный потенциал передается на вход вторичного оборудования с коэффициентом ослабления не менее 6.

Если импульсный потенциал на ЗУ не превышает 10кВ или прочность изоляции выше, то импульсный потенциал передается через паразитные емкости по кабелям на входы вторичного оборудования с коэффициентом ослабления более 10.

Расчет значений импульсных помех, возникающих из-за подъема потенциалов на заземлении оборудования при коммутациях и коротких замыканиях на землю, проводят с помощью специальной компьютерной программы /8/. В результате расчета определяют потенциал на оборудовании – потенциал в месте ввода тока. При расчете помехи в измерительных цепях, заземление которых выполнено в клеммном шкафу, установленном отдельно (не на стойках оборудования или порталах) дополнительно определяют потенциал в месте установки такого клеммного шкафа. Полученный потенциал на ЗУ оборудования сравнивают с допустимым значением для изоляции отходящих от оборудования кабелей или клеммников вторичных цепей. Определяют значение импульсной помехи, передающейся на входы устройств вторичного оборудования, для чего значение потенциала на ЗУ оборудования (или потенциала на ЗУ клеммного шкафа – для соответствующих цепей) делят на коэффициент передачи.

При срабатывании ОПН от набегающей волны грозового перенапряжения через ЗУ проходит импульсный ток. Импульсный подъем потенциала возникает на ЗУ оборудования, расположенного вблизи ОПН. Расчет значений импульсных потенциалов проводят с помощью специальной компьютерной программы. Параметры импульсного тока при проведении расчетов принимают в соответствии с /9/.

Полученные значения помехи во вторичных цепях (с учетом погрешности расчетов) сравнивают с допустимым для оборудования и, тем самым, проверяют выполнение требований ЭМС.

Источник: журнал "Энерго-Инфо",  №12(24) декабрь 2008