Изоляция высоковольтных элементов электрической системы - Заземлители

5. ЗАЗЕМЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК 5.1. Назначение и устройство заземления
Заземление - это создание гальванического контакта с землей для заземляемого объекта. Наряду с заземлителем оно может также обозначать собственно металлический элемент, находящийся в непосредственном контакте с грунтом. То или иное понимание заземления обычно следует из контекста. Заземление некоторого объекта сообщает ему потенциал заземлителя. В том случае, когда заземлитель сохраняет нулевой потенциал, например, заземляемый объект и земля в электрофизическом понимании эквипотенциальны на нулевом уровне, заземление является средством уравнивания потенциала объекта и земли. Однако во многих случаях стекание уравнительного тока с заземляемого объекта в землю через заземлитель повышает потенциал собственно заземлителя и ожидаемый эффект уравнивавания потенциалов земли и объекта оказывается условным. На рис.5.1 показан пример роли заземления Rj, где вследствие пробоя изоляции внутри бака объекта типа трансформатора фаза воздушной линии электропередачи соединяется через заземляющий проводник (ЗП) и переходное сопротивление с землей; при заземленной нейтрали ток замыкания 13 ограничивается сопротивлением заземления R3 объекта и другими элементами  цепи нулевой последовательности и создаёт в грунте с удельным объёмным сопротивлением р поле тока с плотностью j . Объект получает потенциал Uo6, определяемый током 13 и сопротивлением цепи заземления этого объекта.
Уравнивание потенциала относительно земли для заземляемого объекта в режиме ожидаемого ненормального повышения потенциала преследует главным образом защитные цели и заземление для такого объекта называется защитным, а при стекании с него токов молнии - молниезащитным. Земля используется также как токовая цепь между двумя разнопотенциальными за-землителями, такое заземление необходимо для поддержания определенного режима электрической сети и называется рабочим заземлением.
Во многих случаях одно и то же заземление оказывается защитным и рабочим. Для заземления необходим хороший контакт (т.е. с малым сопротивлением Rj ) между объектом и землей, для чего используются заземлитель и ЗП. Допустим, в грунт заложен металлический голый проводник. Создадим на нем некоторый потенциал  что вызовет стекание в грунт тока  По закону Ома измеритель обладает сопротивлением. Фактически R3, есть переходное сопротивление    с    заземлителя        на    землю    и    определяется    поверхно-
61

стью(площадью) контакта электрода с грунтом и электрическими свойства ми(удельными объемными сопротивлениями), индуктивностью как материала электрода, так и грунта. Электрод можно выполнить из металла, углерода
пористого материала с пропиткой электролитом; обычно <<
Грунт(точнее его параметр гр) удобно представлять структурной многокомпонентной моделью: твердые частицы разных размеров создают механически каркасы с нерегулярно контактирующими воздушными и жидкостными включениями. Ток с электрода стекает в удаленные от заземлителя зоны грунта через непосредственно контактирующие с поверхностью электрода образования включениями каналы электролита и через объем твердых частиц, а при больших плотностях тока j в грунте создается напряженность поля Е= jгр, достаточная для ионизации и даже пробоя; тогда фактический контакт электрода с грунтом улучшается. Изменения электропроводности грунта в непосредственной близости от электрода заметно влияют на сопротивление заземления  R3 подсыхание прилегающего слоя грунта или образование воздушной прослойки увеличивают R3; увлажнение грунта или создание высокопроводящего электролита в грунте снижает R3, аналогично действует электрический разряд в гpyнте у электрода.
5.2- Нормирование и расчет параметров сосредоточенного заземлителя
Элементы заземлителя(его электроды) конструктивно имеют форм стержней (сюда условно относят и профильный стальной прокат) с длиной, н: много большей поперечного размера; электроды могут быть круглого или прямоугольного сечения. Стержни, уложенные в грунт перпендикулярно поверхности земли (дневной поверхности) , являются вертикальными заземлителями (рис.5.2 а) ; при укладке стержня параллельно поверхности земли получается горизонтальный заземлитель с различным углублением / (рис.5.2 б) Металлический бак иди проволочный каркас, в том числе железобетонный строительный элемент, образуют объемный заземлитель; сюда же относятся сферический и полусферический заземлители (рис.52в).

Заземлитель может сооружаться специально и называется в этом случае искусственным; возможно использование в качестве заземлителей контактирующих с землей объектов исходно другого основного назначения, например, железобетонных конструкций, металлических трубопроводов,  металлических оболочек силовых кабелей, обсадных труб скважин и т.п.; такие заземлители будут естественными. Использование их требует предварительного анализа условий эксплуатации и соответствующего разрешения по принадлежности.
Стекание с заземлителя тока в грунт создает в окрестностях заземлителя электрическое поле, как в объеме грунта, так и на дневной поверхности земли.
Понятие заземляющего устройства шире понятия заземлителя и отражает назначение заземлителя с учетом его конструктивного решения и основных электрических параметров.
Для заземляющего устройства укажем наиболее важные два его параметра: сопротивление R3 (или проводимость G3 ) растеканию и характер возникающего при растекании с заземлителя тока в грунт электрического поля на дневной поверхности. Принципиальная схема определения сопротивления и поля R3 и для заземлителя показана на рис.53.

Рис.53
Сопротивление растекания равно отношению потенциала заземлителя к стекающему в землю току i . Соответственно для создания тока i необходим источник (в данном случае трансформатор Тр) и вспомогательный заземлитель для замыкания токовой цепи. Стекание с заземлителя тока / определяет образование электрического поля в близрасположенном грунте с удельным объемным сопротивлением; форма эквипотенциальных поверхностей (пунктирные контуры на рис.53) сложно связана с формой поверхности заземлителя и с удалением от него. Измерение потенциала заземлителя требует использования второго вспомогательного заземления Для вольтметра V ; в месте выполнения заземления  потенциал как от испытуемого так и от вспомогательного токового заземлителя должен практически отсутствовать для обеспечения По соображениям получения удовлетворительных по точности результатов измерений поле у исследуемого заземлителя (потенциалы  не должно искажаться полем вспомогательного заземлителя  Обеспечение достаточно низкого потенциала на вспомогательном заземлителе от полей токов исследуемого и токового заземлителей возможно при достаточном удалении его как от заземлителя, так и от заземлителя
В связи с рассмотренной по рис.6.3 схемой измерения сопротивления  некоторого заземлителя следует отметить, что создание вспомогательных заземлителей желательно упрощать. Легко создаваемый заземлитель (например, углубленный в землю усилием человека стальной стержень) обладает высоким переходным (на землю) сопротивлением, поэтому для создания необходимо тока i в цепи, потребуется достаточно высоковольтный трансформаор Тр , и, наоборот, мощность трансформатора Тр снижается при использовании хорошего (низкоомного) заземлителя Применение вольтметра с высоким внутренним сопротивлением ограничивает требования к заземлителю  он может быть простымв цепи из внутреннего сопротивления вольтметра и сопротивления заземлителя  не повысит существенно потенциал, что и требуется. Высокоомный вольтметр необходим и для измерений потенциалов на поверхности земли в точках, и т.д. (см. рис.5.3) , поскольку датчиком потенциала является нестационарный (простой, в виде коротко] стержня в грунте, удобный для перестановки в точки а, б и т.д.) заземлитель. Чем выше требование измерения потенциала именно в точке поверхности грунта, тем меньше должны быть геометрические размеры электрода-датчика, выше его сопротивление и соответственно еще больше должно быть внутреннее сопротивление вольтметра.
Нормирование параметра сопротивления R3 основано на требовании огрничения потенциала на заземляемом объекте при стекании с заземлителя рас- четного (по величине, по форме) тока в землю. Например, рекомендуется иметь сопротивление сложного (сеточного) заземляющего устройства подстанции сети с глухозаземлённой нейтралью не более 0,5 Ом при расчетном токе однофазного короткого замыкания; заземляющее устройство для электрического комплекса (ЭВМ и т.п.) согласно рекомендациям имеет сопротивление.более 4 Ом и т.д. Требования к характеру электрического поля на поверхность земли определяются либо желанием обеспечить примерную эквипотенциальность объектов, расположенных в разных точках (типа а, б на рис.5.3) на поверхности земли, либо желанием специально создать неэквипотенциальность.В первом случае в точках а и б могут находиться ступни ног человека и сближение на расстоянии шага является мероприятием обеспечения электробезопасности путем ограничения тока в цепи нога - нога, во втором случае для того же объекта увеличение разности  создает некомфортные или даже опасные условия и является элементом защитных (охранных) мероприятй.Нормирование показателя электробезопасности (напряжения шага, напряжет прикосновения) определяется временными нормами по допустимому току через тело  человека  и   обеспечение   этих  норм   связано   сложным   образом   с  потенциалами (типа -) , параметрами грунта, с особенностями контакта подошвы с грунтом и грунта через подошву с телом. Техническое обеспечение электробезопасности рассматривается в соответствующих пособиях, проектах т.п., здесь же уместно проанализировать принципиальные вопросы для далльнейшего их практического приложения.
Устройство заземлителя из искусственных элементов сопровождается укладкой в грунт металла (сталь, медь и др.) . На поверхности грунта над заземлителем при стекании расчетного тока появляется электрическое поле Итоговая электропроводимость системы электродов заземлителя и характер поля зависят от количества уложенного в землю метала и от взаиморасположения элементов. Основной задачей при расчете заземляющего устройства являете оптимизация по минимуму металла или по минимуму стоимости сооружения заземлителя с включением затрат на металл и исполнение устройства при обеспечении заданных нормативов (по распределению и значениям электрического поля, по сопротивлению) .
Одиночные электроды только в отдельных случаях могут обеспечить нормативы; в большинстве случаев необходимая электропроводимость заземляющего устройства обеспечивается как суммарная величина проводимости многих параллельно подключенных к заземляемому объекту элементарных заземлителей.

На примере полусферического и сферического заземлителей проиллюстрируем метод расчета как одиночного заземлителя, так и их системы в виде двух взаимовлияющих заземлителей.

Для расчетов сопротивления растеканию или соответствующей проводимости используется так называемая электростатическая аналогия. Отекание с заземлителя тока создает в полупроводящей среде поле тока и соответствующее потенциальное поле. Потенциальные поля различной физической природы характеризуются математической аналогией: для стационарного электрического поля аналогом является электрическая проводимость и для системы двух тел
                                                               (5.1)
где G - электрическая проводимость между рассматриваемыми телами в однородной среде с удельным объемным электрическим сопротивлением;
С - емкость между телами в однородной среде с диэлектрической проницаемостью
Емкость уединенной сферы радиуса в однородном пространстве с диэлектрической проницаемостью 

тогда сопротивление заземления шарового электрода в неограниченном однородном грунте с сопротивлением
                                                                       (5.2)

Контакту между поверхностью металлического электрода и грунтом препятствуют диэлектрические пленки на этой поверхности (окисление, воздушная прослойка, жировая смазка) . Роль такого дефекта электрода оцениваем, используя дифференциальную форму закона Ома и двухслойную сферическую систему (рис.5.4) . Напряжение приложено между поверхностями и в пределах при <   и при < <.:   Известно, что

Тогда между сферами и сопротивление

                                                                                       65

                     (5.3)
Из (3) , во-первых, получим для одиночной сферы при и ,  т.е.  ту жe формулу, что и по условию электростатической аналогии.
Во-вторых, при и  с учетом тонкого слоя <пренебрежемпо сравнению с и получим
                    (5.4)
Очевидно, что можно интерпретировать как следствие дефекта контакта электрода с грунтом при усредненных параметрах дефекта и . Такой дефект может возникнуть при местном подсушивании исходно однородного грунта, что наблюдается при термическом поражения заземлителя. С другой стороны, возможны ситуации, когда искусственно снижают в прилегающем слое по сравнению с исходным тогда сопротивление  также снижается из-за того, что при больше при . Электрический разряд в грунте также приводит к снижению до некоторого  < , что эффективно для улучшения заземления при стекании с него токов молнии в землю.
Аналитический расчет взаимоэкранирования двух равнопотенциальнь элементов заземления достаточно сложен, что можно показать на примере двух соединенных между собой сфер радиуса в однородной среде с удельным со противлением   Имея в виду электростатическую аналогию, проводимости двух одинаковых сферических соединенных заземлителей (рис.5.5)определяем через емкость аналогичной уединенной системы проводников;     
со
Емкость  
где Результаты расчетов показаны на рис.5.6.
Проводимость системы из двух равно-потенциальных шаровых заземлите лей

где к можно определить по рис5.6.
Поскольку(т.е. К< 2) , говорят о коэффициенте использования проводимости каждого из заземлителей, и в данном случае = 0,5к < 1. Определение коэффициента использования в общем   случае  заземлителей  разных  форм   и   в многослойных (по сопротивлениям ) грунтах сложно в аналитическом плане что определило развитие методов приближенной оценки коэффициентов использование в инженерных целях таблиц и графиков с коэффициентами
66

В расчетах заземлителей используют, помимо электростатической аналогии, различные методы, среди которых наиболее употребляемый метод, основанный на замене заземлителя совокупностью точечных источников тока. Рассмотрим применение метода для вертикального электрода (рис.5.7) в виде стержня, размещенного в однородном грунте . Для стержня можно допустить r0 <  и электрод заменим его осевой линией. Допустим еще, что линейная плотность стекающего с заземлителя тока неизменна по оси, и обозначим ее . Для поля вертикального электрода в однородном полупроводящем пространстве (удельное сопротивление ) существует осевая симметрия, поэтому удобно использовать цилиндрическую систему координат (рис.58) .
Для точки М в объеме грунта вне заземлителя, где определяем электрический потенциал, используем систему трех координат  для точечных зарядов линии, которой заменим электрод, положение отдельной точки определяется как или аналогом z при отсутствии и. Элементарный потенциал в точке M(r,z) (рис59) от точечного источника тока обозначим Ток из точечного источника составит Применяем известный метод зеркальных изображений и в соответствии с ним заменяем непроводящее полупространство (реально это воздух) такой же средой, как и грунт, с сопротивлением ниже дневной поверхности. Разместим фиктивный источник тока в точке с током. Введение фиктивного источника позволяет учесть влияние границы раздела (дневной поверхности) на поле источника Используя наложение полей, находим

                                                                                             
Далее не представляет сложности  получить конечный результат. Отрезок
и

Где I- стекающий с заземлителя ток            
67

Выражение /5.7/ показывает, что эквипотенциал/и есть полуэллипсы с полуосями большой а и малой в:

Собственно цилиндрический /стержневой/ электрод с диаметром и длиной /см. рис. 5.7/ можно также заменить полуэллипсоидом с малой полуосью, равной большая полуось равна или при обычных для практики эта полуось принимается равной
Сопротивление заземления получим, определив потенциал по выражению /5.6/ для верхнего конца заземлителя, т.е. и z=0:
       /5.8/
При условии  > имеем

Тогда использование представления цилиндрического электрода заземлителя полуэллипсоидом вращения приводит к выражению

В частном случае сопротивление R стержневого электрода с выходом его на дневную поверхность описывается выражением, вытекающим из точного решения для цилиндрической формы электрода:
                              .      /5.10/
Расхождение   результатов   расчетов   по   /5.9/   и /5.10/ не превышает нескольких процентов. С усложнением формы электрода против стержневой или в    случае    произвольного    взаимоположения    верхнего конца электрода относительно дневной поверхности возрастают трудности строгого математического решения задачи о потенциальном поле заземлителя и расчета сопротивления растеканию. Рассмотрим вертикальный цилиндрический электрод, не выходящий на поверхность земли, как это показано на рис. 5.10.
Сопротивление заземления электрода

При<<
               /5.13/
Устремление и переход к случаю по рис. 5.7 дает по выражению /5.12/ результат . в виде
                                /5.13/
_что хорошо согласуется с выражением /5.10/.
Горизонтальный заземлитель в виде цилиндрического электрода, углубленного в землю /рис. 5.11/, имеет сопротивление заземления
     /5.14/
Расчетная форма, удобная для инженерных целей, получена из /5.14/ с учетом реальных для практики соотношений<<:
      /5.15/
Дальнейшее упрощение /5.15/ возможно, если принять  достаточно малым. Тогда
                    /5.16/
                                                                        69
      69

Подъем электрода, т.е. уменьшение t , имеет предельное положение при
t = 0 , когда цилиндрический электрод наполовину погружен в грунт /рис. 5.12/. Для этого случая приближенно имеем
       /5.17/  
Выражение   /5.17/   не   следует   из   /5.15/ при                                                      

Рис 5.12