Расчеты по сетям с искусственным заземлителем подстанции

1. Задание

1.1.  На рисунке 1 показана сеть с заземлённой нейтралью с однофазным и трехфазным электроприёмниками. Выключателями Q12 – Q17 задаются различные аварийные ситуации, возникающие в данной сети (таблица 1). Обозначение положения выключателей:  + включено; – выключено.

Для всех позиций, заданных преподавателем, построить эквивалентные схемы включения человека и произвести расчёт напряжения прикосновения. Для позиций 7–12 дополнительно построить векторные диаграммы.

Исходные данные для расчёта:

Z_И3=120кОм;  R_h=1кОм;  r_ЗМ=100Ом;  r₀=4Ом.

Таблица 1. Комбинации положений выключателей в сети с заземлённой нейтралью.

№ комбинации	Q12	Q13	Q14	Q15	Q16	Q17
7	–	+	–	+	–	–
8	–	–	–	–	+	–
10	–	+	+	–	–	–

1.2.  На рисунке 2 показана сеть с изолированной нейтралью с трёхфазными электроприёмниками. Выключателями Q6 – Q11 создаются различные аварийные ситуации, возникающие в данной сети. Обозначение положения выключателей:  + включено; – выключено.

Для комбинаций, указанных в варианте (таблица 2), произвести расчет напряжений прикосновения U_h1, U_h2, U_h3 и построить векторную диаграмму. Для позиций 8, 9 дополнительно составить эквивалентную схему включения. Исходные данные для расчёта:

Z_И3=120кОм;  R_h=1кОм;  r_ЗМ=100Ом;  r₀=4Ом.

Таблица 2. Комбинации положений выключателей в сети с изолированной нейтралью.

№ комбинации	Q6	Q7	Q8	Q9	Q10	Q11
1	–	–	+	–	–	–
8	–	+	+	+	–	–
5	+	+	–	–	–	–

1.3.Рассчитать заземлитель подстанции 110/35/6 кВ в двухслойной земле методом наведения потенциалов по допустимому сопротивлению. Понижающая подстанция имеет два трансформатора 110/35/10 кВ с эффективно заземлённой нейтралью со стороны 110 кВ. В качестве естественного заземлителя следует использовать систему тросопоры двух подходящих к подстанции воздушных линий электропередачи 110 кВ на металлических опорах с определённой длиной пролёта. Расчётный ток замыкания на землю на стороне 110 кВ составляет 5000 А, на стороне 35 кВ – 40 А,  на стороне 6 кВ – 30 А. Необходимые данные для расчёта приведены в таблице 3.

Таблица 3. Данные для расчёта заземлителя подстанции.

Территория подстанции, м2	6300
Виды заземлителей: горизонтальные полосы сечением, мм2 вертикальные стержневые электроды длиной, м диаметром, мм	4´50 3.8 15
Глубина заложения электродов в землю, м	0.75
Расчётное удельное сопротивление земли: верхнего слоя, Ом×м нижнего слоя, Ом×м	240 80
Толщина (мощность) верхнего слоя земли, м	2.75
Сопротивление естественного заземлителя, Ом	2.2

2. Расчёт сети с заземлённой нейтралью

2.1. Расчет комбинации 7

Эквивалентная схема показана на рисунке 3.

Сопротивления человека R_h1=R_h2= R_h3=1000 Ом значительно больше сопротивления фазы r_ф и сопротивления нулевого провода r_н поэтому, при расчете схемы рис.3 ими можно пренебречь:

,

Тогда напряжение прикосновения 3-го человека определится как:

,

А напряжения прикосновения 1-го и 2-го человека определятся как:

.

   Векторная диаграмма показана на рисунке 4.

2.2. Расчет комбинации 8

Эквивалентная схема показана на рисунке 5.

      Сопротивлением нагрузки однофазного электроприёмника и сопротивлением фазы можно пренебречь по сравнению с параллельно включенными сопротивлениями человека  

R_h/2 = 500 Ом.

;

Тогда напряжения прикосновения 1-го и 2-го человека определятся как:

.

Напряжение прикосновения 3-го человека равно 0, т.к. он ни к чему не прикасается.

    Векторная диаграмма показана на рисунке 6.

2.3. Расчет комбинации 10

Примем, что расстояние от нейтральной точки источника питания до ЭП-1 равно расстоянию от ЭП-1 до ЭП-2. Эквивалентная схема при этом показана на рисунке 7.

На рис. 5 R_H – сопротивление нулевого провода, R_Ф – сопротивление фазного провода. Примем, что R_H= R_Ф. Так как R_h>>R_Ф+R_H:

,

Тогда напряжения прикосновения 1-го и 2-го человека определятся как:

.

Напряжение прикосновения 3-го человека равно 0, т.к. он не прикасается ни к фазе ни к поврежденному корпусу.

Напряжение на фазном проводе фазы С в точке замыкания на корпус относительно нейтральной точки источника питания:

.

Напряжения остальных фаз равны 220В. Векторная диаграмма в точке замыкания на корпус показана на рисунке 8.

3. Расчёт сети с изолированной нейтралью

3.1. Расчёт комбинации 1

Эквивалентная схема при этом показана на рисунке 9.

Корпуса ЭП-1 и ЭП-2 не соединены с сетью, поэтому, напряжения прикосновения для людей, касающихся этих корпусов:

.

Ток через человека, прикоснувшегося к фазному проводу:

Напряжение прикосновения человека, прикоснувшегося к фазному проводу:

В.

Напряжения фаз относительно земли практически равны линейным, так как сопротивление изоляции велико по сравнению с сопротивлением человека. Векторная диаграмма напряжений для рассматриваемого случая приведена на рис. 10.

3.2. Расчёт комбинации 8

Эквивалентная схема при этом показана на рис. 11.

Проводимости фаз относительно земли:

,

.

Напряжение смещения нейтрали:

.

Напряжение прикосновения человека, касающегося фазного провода:

.

При прикосновении человека к фазному проводу образуется делитель напряжений между сопротивлением человека и сопротивлениями замыкания двух других фаз и основная часть напряжения падает на человеке. Векторная диаграмма напряжений показана на рисунке 12.

3.3. Расчёт комбинации 9

Эквивалентная схема при этом показана на рис. 13.

Человек №3 не соединен с сетью, поэтому, напряжения прикосновения для него равно 0:

.

Проводимости фаз относительно земли:

,

.

Напряжение смещения нейтрали:

.

Напряжение прикосновения человека, касающегося фазного провода:

.

Сопротивление людей велико по сравнению с сопротивлением заземления электроприемника №1, поэтому напряжение прикосновения этого человека практически равно 0, а напряжение смещение нейтрали велико. Векторная диаграмма напряжений показана на рисунке 14.

4. Расчёт заземлителя подстанции

Сопротивление заземления растекания (r_з), согласно требованиям «ПУЭ» при эффективно заземленной нейтрали для ЭУ выше 1000 В должно быть не более 0,5 Ом.

Сопротивление естественного заземлителя:

Сопротивление искусственного заземлителя:

Предварительная схема заземлителя:

Тип заземлителя – контурный, т.е. он выполнен в виде сетки из горизонтальных полосовых и вертикальных стержневых электродов.

Территория подстанции:

Суммарная длина горизонтальных заземляющих  электродов:

Количество вертикальных заземляющих электродов:

Расчетная схема заземлителя:

Количество ячеек по одной стороне:

Уточненная суммарная длина горизонтальных электродов:

Длина стороны ячейки:

Расстояние между вертикальными электродами:

Суммарная длина вертикальных электродов:

Относительная глубина погружения в землю вертикальных электродов:

Относительная длина вертикальных электродов:

Найдем отношение расчетного удельного сопротивления верхнего слоя земли к расчетному удельному сопротивлению нижнего слоя:

Так как это отношение лежит в пределах 1…10, то расчет коэффициента К проводим по приведенной ниже формуле:

Расчетное эквивалентное сопротивление грунта:

Т.к. значение  лежит в пределах 0….0.1, то коэффициент А рассчитается по формуле:

Расчетное сопротивление искусственного заземлителя:

Это значение практически совпадает с требуемым  сопротивлением искусственного  заземлителя (0.65 Ом).

Тогда общее сопротивление заземлителя подстанции с учетом посчитанного сопротивления искусственного заземлителя:

Определим наведенный потенциал заземляющего устройства в аварийный период:

Посчитанное значение потенциала является допустимым, т.к. оно меньше 10 кВ.

Вывод:

В результате расчета мы определили, что искусственный заземлитель подстанции должен быть выполнен из горизонтальных пересекающихся полосовых электродов 4х50 суммарной длиной не менее1270 м и вертикальных стержневых электродов в количестве не менее 33 штук диаметром 15 мм, длиной 3.8 м, глубина погружения электродов в землю 0.75 м. При соблюдении этих условий сопротивление искусственного заземлителя в самое неблагоприятное время года не будет выше 0.64 Ом, а сопротивление заземлителя подстанции в целом будет не более 0.5 Ом.