Електрична підстанція є важливим елементом системи електропостачання. Безпека роботи підстанції вимагає правильного проектування і монтажу системи заземлення. Добре спроектована система заземлення забезпечить стійку роботу підстанції протягом всього терміну її експлуатації.
Яким чином хороше заземлення покращує надійність підстанції?
Хороша шина заземлення з досить низьким опором гарантує швидке відновлення в разі виникнення збоїв. Що залишається в системі протягом довгого часу витік заряду може викликати різні проблеми, в тому числі і нестабільність роботи системи енергопостачання. Швидке усунення цієї ситуації покращує загальну надійність.
Заземлення також гарантує безпеку персоналу.
Замикання на землю в системі викликає збільшення потенціалу на металевому корпусі. Його рівень стає вище "істинного" потенціалу землі. Неправильне заземлення призводить до збільшення потенціалу, а також до затримки усунення витоків (через недостатнє струму).
Ця комбінація істотно не безпечна, оскільки будь-яка людина, що контактує з корпусом, піддається впливу більш високого потенціалу протягом тривалого проміжку часу.
Отже, надійність підстанції, так само як і її безпеку, повинні бути при хорошому проектуванні настільки "вбудованими" в конструкцію підстанції, наскільки це можливо. У свою чергу, це гарантує швидке відновлення в разі збоїв, і знижує зростання потенціалу корпусу.
Забезпечення правильного заземлення
На практиці застосовуються такі заходи, що гарантують надійну, безпечну, і не створює проблем систему заземлення підстанції:
1. Розміри провідників для передбачуваних витоків
Провідник повинен бути достатнього розміру, щоб витримати без пошкоджень будь-яку передбачувану витік (не розплавиться).
Помилкове визначення часу відновлення в процесі розрахунків при проектуванні підстанції створює високий ризик розплавлення провідників. У виборі розмірів провідників слід керуватися двома аспектами: по-перше, це ток пошкодження, який повинен текти через провідник, і, по-друге, це час, протягом якого цей струм може протікати через провідник.
Струм пошкодження залежить від імпедансу петлі замикання на землю. Час протікання струму визначається встановленими захисними реле / пристроями відключення, які буде спрацьовувати для усунення пошкодження.
Стандарт IEEE 80 передбачає використання в конструкціях невеликих підстанцій періоду часу, рівного 3.0 секунди. Це час також збігається з часом реакції на коротке замикання у більшості розподільних пристроїв.
2. Використання правильних з'єднань
З'єднання заземлення, перевірка опору і перевірка з'єднання
Очевидно, що з'єднання між провідниками і основною мережею, а також між мережею та заземлювальними стрижнями, є, з точки зору підтримки постійного низького опору шляху до землі, такими ж важливими, що і самі провідники.
Основними питаннями тут є такі:
1. Тип зв'язку, використовуваної для з'єднання провідника з мережею заземлення і з заземлюючими стрижнями.
2. Температурні обмеження, які здатне витримати з'єднання.
Найбільш часто використовувані заземлюючі сполуки відносяться або до типу механічного стиснення (це - з'єднання на болтах, запрессовка, і клинові монтажні затискачі), або до типу термітного зварювання.
З'єднання типу стиснення забезпечують механічну зв'язок між провідником і з'єднувачем за допомогою стягування болтами або пресуванням з застосуванням гідравлічного або механічного тиску. Такі сполуки або утримують провідники на місці, або стискають їх разом, забезпечуючи контакт між їх поверхнями, через оголені жили кабелів.
З іншого боку, використання термітного зварювання сплавляє кінці провідників разом, утворюючи молекулярне з'єднання між усіма жилами кабелю.
Температурні обмеження обумовлені для різних типів з'єднань в стандартах IEEE 80 і IEEE 837, заснованих на опорах, одержуваних для кожного типу. Перевищення цих температур під час проходження струму короткого замикання може привести до пошкодження з'єднання, і викликати збільшення опору з'єднання, що призведе до ще більшого нагрівання.
В кінцевому рахунку, з'єднання відмовить, викликавши погіршення системи заземлення, або навіть повна відмова заземлення, що приводить до руйнівних наслідків.
3. Вибір заземлюючих стрижнів
Заземляющие стрижні підстанції
У підстанціях середнього і високого напруги, де джерело і навантаження з'єднуються довгими повітряними лініями, часто відбувається так, що струм короткого замикання на землю не має металевого шляху для руху, і змушений рухатися крізь масу землі. Це означає, що стрижні заземлення на підстанціях, як з боку навантаження, так і з боку джерела, повинні передавати цей струм в землю і з неї.
Система стрижнів заземлення повинна бути адекватною, забезпечуючи прохід цього струму, і опір самої землі в системі заземлення грає не останню роль.
На опір шляху до землі виляє кількість стрижнів, їх довжина і розміщення. При однорідному стані грунту, подвоєння довжини заземлюючих стрижнів зменшує опір на 45%. Зазвичай грунт не є однорідною, і важливо отримати точні дані, вимірюючи опір стрижнів заземлення за допомогою відповідних інструментів.
Для досягнення максимальної ефективності, стрижні заземлення повинні бути розміщені по відношенню один до одного не ближче, ніж на довжину стрижня. Зазвичай, ця відстань складає 10 футів (3 метри). Кожен стрижень утворює навколо себе електромагнітну оболонку, і коли вони розташовуються дуже близько один до одного, то струми цих оболонок будуть впливати один на одного.
Слід зауважити, що при збільшенні кількості стрижнів, опір заземлення знижується, але не назад пропорційно числу стрижнів. Двадцять стрижнів не дадуть 1/20 опору одного стрижня, а знизять загальний опір тільки в 10 разів.
З економічних міркувань існує обмеження і щодо максимального відстані між стрижнями.
Зазвичай, ця величина дорівнює 6 метрам. При відстані, більшій 6 метрів, витрати на додаткові провідники, які потрібні для з'єднання стрижнів, роблять конструкцію економічно привабливою.
У ряді випадків, планування підстанції може не забезпечувати необхідного простору, і виділення необхідного простору може спричинити помітне зростання витрат. Чотири взаємопов'язаних стрижня, розташованих на відстані 30 метрів один від одного, знизять опір на 94% в порівнянні з одним стрижнем, але вони зажадають, по крайней мере, 120 метра провідника.
З іншого боку, чотири стрижні, розміщені на відстані 6 метрів один від одного, знизять опір тільки на 81%, але при цьому використовують тільки 24 метра провідника.
При проектуванні системи заземлення підстанції важливу роль відіграє опір ґрунту. Чим нижче цей опір, тим легше отримати гарний опір заземлення.
Підвищена увага повинна приділятися областям з високим опором грунту, а також областям, де мають місце заморозки на грунті (які, в свою чергу, викликають збільшення опору грунту на порядок величини). Основний проектування повинно стати найвище опір ґрунту протягом річного кліматичного циклу. Це пов'язано з тим, що одна і та ж грунт протягом сухої погоди має більш високий опір, так як відсоток вологості грунту стає дуже низьким.
Перевірка грунту: Потенціал Землі і ефективність мережі заземлення
Один з підходів до цієї проблеми полягає у використанні глибоко занурених у землю стрижнів заземлення, так щоб вони виявилися в контакті із зоною грунту, що знаходиться досить глибоко, і не піддається впливу клімату на поверхні.
Інший підхід пов'язаний з обробітком ґрунту навколо стрижнів заземлення хімічним розчином, здатним вбирати вологу з атмосфери і грунту.
Одним з можливих рішень є використання хімічних стрижнів заземлення.
5. Увага до крокової потенціалу та потенціалу дотику
Забезпечення обмеження крокової потенціалу та потенціалу дотику до безпечних величин життєво важливо для персоналу підстанцій.
Кроковий потенціал - це різниця напруги між точками дотику ніг людини, і він викликається зміною напруги в грунті поряд з точкою, де струм витоку входить в грунт. Кроковий потенціал найбільш високий поблизу точки входу, і в міру віддалення від неї, він слабшає. На відстані 75 сантиметрів від точки входу, напруга зазвичай знижується вже на 50%. Тому на відстані 75 сантиметрів від точки входу (що менше величини нормального кроку) може існувати смертельний потенціал величиною в кілька кіловольт.
Потенціал дотику несе ту ж саму загрозу. Різниця в тому, що тут мається на увазі потенціал, який існує між рукою і ногами людини. Це відбувається, коли стоїть на землі людина стосується конструкцій підстанції, які проводять струм замикання в землю. Наприклад, коли ізолятор, укріплений на стійці, виходить з ладу, то стійка починає проводити струм в землю.
Так як найбільш ймовірний шлях проходження струму через тіло людини йде через його руки і область серця, а не через нижні кінцівки, як у випадку крокової потенціалу, то в цьому випадку збільшується небезпека травм, або смертельного результату. З цієї причини, безпечна межа для потенціалу дотику зазвичай набагато нижче, ніж для крокової потенціалу.
В обох ситуаціях потенціал може, по суті, бути значно знижений за рахунок використання еквіпотенційних матів безпеки з дротяної сітки, що розміщуються безпосередньо під поверхнею грунту.
Ця сітка повинна встановлюватися поблизу від будь-яких вимикачів або обладнання, які може торкнутися персонал, і вона повинна з'єднуватися з основною заземляющей мережею. Така Еквіпотенціальна сітка вирівняє напруги вздовж шляху, по якому переміщається робочий, а також між обладнанням і його ногами. Оскільки різниця напруги (потенціал) буде, таким чином, по суті, усунена, безпеку персоналу буде фактично гарантована.
Еквіпотенціальні мати безпеки зазвичай виготовляються з дроту №6 або №8 по стандарту AWG, виготовленого з міді або плакованих міддю. Розміри осередків сітки встановлюються, як правило, або 0.5 на 0.5 метра, або 0.5 на 1.0 метра. Застосовуються також і інші розміри осередків сітки.
Для забезпечення безперервності сітки все перетину проводів пропаіваются з використанням припою, що містить 35% срібла. З'єднання секцій сітки, і з'єднання сітки з основною заземляющей мережею повинні бути такі, щоб забезпечити постійне з'єднання з низьким опором і великий цілісністю.