Рекомендации по выполнению заземлений на электростанциях

Все материалы, рассмотренные в гл. 2 и §10.2 без каких-либо ограничений могут применяться по отношению к электростан­циям.

Способы выполнения заземления. Как и на ПС высокого напряжения, контур заземления электрических станций служит для выполнения нескольких функций, среди которых основными являются ограничение напряжения прикосновения и шагового напряжения, способность восприятия токов КЗ и достижение хорошей ЭМС.

Несмотря на то, что указанные цели сильно взаимосвязаны, здесь мы будем рас­сматривать функцию обеспечения ЭМС, не затрагивая требования электробезопасности, регулируемые существующими нацио­нальными и международными нормами.

В частности, поперечное сечение зазем­ляющих проводников вблизи электрообо­рудования высокого напряжения определя­ется уровнем токов КЗ на стороне высокого напряжения, при этом требуемое значение сечения медных проводников может превы­сить 1000 мм².

Для обеспечения ЭМС достаточными являются сечения 100 мм² при использова­нии стальных полос (прутков) или 70 мм² Для медных проводов.

Наружный заземлитель должен распо­лагаться на всей площади электростанции. Шаг сетки зависит от установленного обо­рудования. Наружный контур заземления обычно проектируется в виде замкнутого кольца, прокладываемого вокруг каждого здания на глубине от 0,5 до 1 м.

Заземляющие проводники в фундаменте прокладываются в самом нижнем слое бетона каждого здания с шагом сетки не более 10 м.

Подстанции высокого напряжения, рас­положенные в непосредственной близости от электростанции, также должны связы­ваться с основным контуром заземления при помощи, по крайней мере, двух про­водников заземления. Это правило справед­ливо для всех установок (зданий, баков и т.п.), имеющих какую-либо электрическую связь с основной установкой, но не исполь­зующих тот же самый контур заземления.

Внешние систе.мы молниезащиты Сис­темы защиты от прямого удара молнии могут основываться на хорошо известной электрогеометрической (ЭГ) модели, кото­рая, являясь частично эмпирической, под­тверждена на опыте. В модели учтены параметры молнии и требования электро­безопасности, установленные националь­ными и международными стандартами.

Система защиты от прямого удара сос­тоит из молниеприемников, в которые про­исходят удары молнии, и определенного числа спускающихся вниз проводников (сетки), которые, кроме отвода тока молнии в землю, также действуют и как молниеприемники.

В настоящее время считают, что рассто­яние ориентировки d между головкой лидера, развивающегося с облака, и местом удара молнии в землю в момент, когда с земли начинает развиваться встречный лидер, связано с амплитудой импульса тока молнии в соответствии с выражением

,

где d выражено в метрах, I — в килоамперах.

Отсюда следует, что для заданного шага молниезащитной сетки справедливо следу­ющее: чем выше ожидаемое значение тока молнии, тем выше вероятность поражений молнией сетки.

Известно, что вероятность протекания тока молнии значением до 8 кА составляет 90 %, кроме того, электрические и электронные цепи внутри электростанции отно­сительно просто защитить от прямого воз­действия тока значением менее 8 кА, поэ­тому кажется вполне обоснованным реко­мендовать это значение тока молнии в качестве расчетного для выбора шага молниезащитной сетки.

Подстановка в указанную выше фор­мулу значения тока кА дает нам рас­стояние м.

На практике каждый край здания имеет молниеприемник; более того, каждый метал­лический объект, например вентиляцион­ные трубы и оборудование, парапет, сталь­ная арматура, присоединяется к молниезащитной системе, что приводит к умень­шению действительного шага сетки по сравнению с расстоянием ориентировки примерно до 20 м.

При необходимости здания, содержа­щие очень чувствительное оборудование (или оборудование, требующее очень высо­кого уровня безопасности), могут защи­щаться с помощью сетки с шагом, равным не более 15 м.

Все спускающиеся вниз проводники, число которых для заданного объекта не должно быть менее двух, следует присо­единять к кольцевому заземляющему кон­туру вокруг здания.

Кроме того, арматура бетонных стен и колонн должна иметь сварное (или другое надежное) соединение с заземлителем в фундаменте или с наружным контуром заземления вокруг здания внизу и с молниезащитной сеткой на крыше вверху. Сталь­ные прутья могут использоваться в качестве спусков.

Правильный выбор шага сетки и числа проводников-спусков очень важен. Следует отметить, что расстояние между проводни­ками сетки внешней системы молниезащиты определяется не только вероятно­стью удара молнии при любом токе, но также играет важную роль в определении распределения тока молнии и соответ­ственно наводимых помех в защищаемом пространстве.

Чем выше число проводников-спусков, тем меньше ток в каждом проводнике и тем меньше магнитное поле вблизи них.

Различные теоретические и практиче­ские исследования показали, что распреде­ление тока молнии по различным ветвям системы молниезащиты происходит, грубо говоря, обратно пропорционально длине этих ветвей при условии неизменности их поперечного сечения.

Это важное утверждение может быть очень полезным при расчете электромаг­нитных полей вблизи каждого заземляю­щего проводника, по которому возможно протекание тока молнии или его части.

Каждая дымовая труба должна оборудо­ваться двумя проводниками-спусками и, по крайней мере, одним молниеприемником.

Следует следить за обеспечением надежного соединения (не менее двух про­водников сечением не менее 50 мм²) между заземлителем трубы (обычно контур вокруг трубы) и контуром основного здания.

Хотя градирни не требуют такой же сте­пени защиты как другие здания, они также должны оборудоваться, по крайней мере, двумя (а лучше четырьмя) проводниками спусками и на самом верху кольцом из шин заземления, к которому должна присоеди­няться бетонная арматура.

Защита дымовых труб и градирен по большей части имеет целью обеспечение обшей зашиты станции при значительных токах молнии (кА), чем их собствен­ную защиту.

Общая философия выполнения заземле­ния внутри зданий и выравнивания потен­циалов заземлителя, рекомендуемая для современных электростанций, основыва­ется на создании трехмерной многократно замкнутой сети заземления по возможно­сти с выровненным потенциалом на всем ее протяжении.

Очень важно отметить разработки, выполненные в данной области пауки за последнее десятилетие.

Многие годы электроника основывалась на использовании низкочастотных аналого­вых сигналов, а единственным типом воз­мущения были помехи промышленной час­тоты. Поэтому естественными казались старания избежать создания петель для частоты 50/60 Гц при помощи использова­ния радиальных схем разделения между защитной, рабочей землей и землей для электронного оборудования.

В настоящее время с увеличением ско­рости работы современного электронного оборудования и повышения его чувстви­тельности к ВЧ-помехам, но также и с более полным пониманием механизмов передачи помех, данная политика в части выполнения заземления становится непри­годной. Напротив, отказ от нее не только помогает решить проблемы ЭМС, но и существенно упрощает прокладку кабелей и устраняет необходимость разделения раз­личных видов заземления.

В частности, следует избегать использо­вания раздельных сетей заземления для пита­ния постоянным током, подключения кабель­ных экранов и корпусов оборудования.

Реализация на практике сети заземле­ния с хорошо выровненным потенциалом дает гарантию того, что паразитные токи всегда будут возвращаться к своему источ­нику по пути с наименьшим сопротивле­нием (обычно — наиболее короткому пути), тем самым снижая вероятность воз­никновения связи через общее сопротивле­ние, возможной при возникновении токо­вых петель.

В действительности создание сети с множественным заземлением не устраняет токовые петли. Однако эти петли, будучи более многочисленными и много мень­шими, чем при радиальной схеме сети заземления, не являются помехой, а даже наоборот, помогают в борьбе против наве­янных возмущений.

Для удобства повторим здесь ранее сде­ланные утверждения:

· для снижения ВЧ помех необходимо заземлять экраны кабелей в нескольких местах;

· для цепей небольшой длины указан­ное заземление должно выполняться на обоих концах кабеля, в то время как экраны более длинных цепей, благодаря наличию обратной цепи через распределенную емкость, иногда с достаточной эффектив­ностью могут заземляться только на наибо­лее чувствительной к помехам стороне, например там, где установлено электрон­ное оборудование;

· вследствие того, что на электростан­циях многие цепи включают в себя актив­ные элементы на обоих концах (в будущем эта ситуация станет более распространен­ной с увеличением числа чувствительных датчиков и заменой, частично или полно­стью, коммутационной аппаратуры и меха­низмов управления вспомогательным обо­рудованием на электронные устройства), возникает необходимость заземления экра­нов большинства кабелей (а не самих цепей) на обоих концах вне зависимости от их длины;

· планомерное заземление всех кабель­ных экранов (за исключением НЧ-цепей с сигналами низкого уровня, например для термопар и некоторых коаксиальных цепей) требует, в свою очередь, наличия хорошей эквипотенциальной сети заземле­ния, которая, несомненно, будет усили­ваться при выполнении многократного заземления экранов кабелей.

Таким образом, даже если необходи­мость заземления экранов кабелей на каком-либо его конце отсутствует (напри­мер, потому что оборудование, установлен­ное на этой стороне, не чувствительно к возмущениям или не может являться источ­ником помех для другого оборудования), всегда рекомендуется применять данную практику выполнения заземления.

Для достижения хорошей эквипотенци­альной сети заземления должны быть объ­единены все следующие элементы:

· элементы конструкции зданий, напри­мер стальные балки и колонны;

· металлические трубы и каналы для электропроводки;

· корпуса электрощитов;

· металлические корпуса, в которых размещено электрооборудование и инстру­менты;

· пульты управления, кабельные лотки, вертикальные кабельные стояки, опорные конструкции и т.п.

Для кабельных лотков и другого обору­дования, играющего роль защиты от помех, необходимо не только выполнить их зазем­ление на обоих концах, но и обеспечить электрическую непрерывность на всем протяжении.

Все соединения между металличес­кими элементами следует выполнять помня о том, что важно не зафиксировать потен­циал данных элементов, а обеспечить путь протекания токов помех по ним в том же направлении, в котором проходят цепи с полезными сигналами и, таким образом, создать наименьшее возможное расстоя­ние между полезными цепями и цепями заземления (рис. 10.15).

а)

б)

в)

Рис. 10.15. Заземление кабельных лотков:

а - неудовлетворительное выполнение; б - лучшее выполнение; в - еще лучше выполнение

Другое важное замечание относится к способу соединения металлоконструкций между собой. Наилучшее соединение обес­печивает болтовое соединение с непосредственным контактом между различными элементами. При необходимости, если защитное покрытие металлических поверх­ностей не было полностью удалено, для создания лучшего контакта между элемен­тами следует применять зубчатые или контровочные шайбы. Применение медных проводников-перемычек оправдано только в тех случаях, когда невозможно создание надежного прямого контакта между эле­ментами.

В зависимости от электромагнитного окружения, зависящего от типа оборудова­ния, установленного вблизи внешней сис­темы молниезащиты, допускается разделе­ние внутренней сети заземления на зоны, имеющие различные плотности прокладки проводников.

В частности, если в отдельной комнате установлено чувствительное электронное оборудование, то может возникнуть необ­ходимость не только выполнить надежные соединения между отдельными корпусами или между корпусами и кабельными лот­ками, но также обеспечить соединения (например, при помощи стальных полос) между рядами корпусов (или кабельных лотков) с некоторым интервалом, например 2 м, и затем объединить всю полученную систему с шиной заземления, прокладывае­мой по периметру помещения.

Указанная шина заземления может про­кладываться на границе каждой защищае­мой зоны и всего здания, создавая условия для выполнения многократных соедине­ний между зонами.

Таким же образом внутренняя сеть заземления в нескольких точках (не менее четырех) должна присоединяться к защитному и наружному контурам заземления.

Для обеспечения возможности обнару­жения однополюсного замыкания на землю в оперативных цепях постоянного тока Может возникнуть необходимость искус- генного заземления цепей (обычно в одной точке около аккумуляторной батареи).

В этих условиях единственным спосо­бом обеспечения ЭМС на высоких частотах является периодическая установка развязы­вающих конденсаторов (емкостью от 10 нФ до 1 мкФ в зависимости от нижней гра­ницы частотного спектра помех) между цепями питания и корпусом.

Однако подобные системы остаются чувствительными к токам при коммутациях (например, при замыканиях на землю). Отсюда вытекает необходимость использо­вания преобразователей из постоянного тока в постоянный (с гальванической раз­вязкой) в каждом отдельном блоке оборудо­вания для обеспечения возможности искус­ственного местного заземления сети.

Одним из наиболее часто встречаю­щихся возражений против создания сложнозамкнутой сети заземления является то, что при таком выполнении сети образуются замкнутые через землю петли и соответ­ственно связи через общее сопротивление между чувствительными электронными элементами и оборудованием большой мощности (двигатели, электросварочные аппараты и т.п.).

В действительности это возражение не состоятельно, если были приложены соот­ветствующие усилия для создания хорошей эквипотенциальной сети заземления при помощи связей между бетонной арматурой, металлическими балками, проводниками заземления, кабельными лотками, тру­бами, каналами, экранами и т.п.

Несомненно, принцип разделения оста­ется в силе. Например, двигатель, имею­щий большой ток КЗ, не должен присоеди­няться к тому же заземляющему провод­нику, что и чувствительное электронное оборудование. Иногда может требоваться усиление сети заземления вблизи оборудо­вания высокой мощности. При необходи­мости к чувствительной цепи или к потен­циальному источнику помех может добав­ляться параллельный заземляющий про­водник.

Более чем когда-либо следует приме­нять следующий принцип развязки: в качественной многократно замкнутой сети заземления токи помехи будут возвра­щаться к источнику по кратчайшему пути. Чем больше имеется путей для протекания тока помехи, тем меньше вероятность обра­зования связи через общее сопротивление между источником и приемником.

Прокладка кабелей. Внутренняя про­кладка кабелей включает в себя цепи вто­ричной коммутации, расположенные в основном здании (управления оборудова­нием, работой), как показано на рис. 10.15.

Все общие рекомендации, данные для ПС высокого напряжения в общем случае действительны и при прокладке кабелей внутри помещений.

Однако некоторые характерные особен­ности электростанций иногда могут при­вести к выбору других типов кабелей или их иной прокладке.

Данные особенности обобщены ниже:

· общая электромагнитная обстановка на электростанциях менее сложная, чем на ПС высокого напряжения;

· благодаря большому числу взаимо­связей между металлическими конструкци­ями эквипотенциальная сеть заземления внутри главного здания может быть более высокого качества, чем на открытых ПС;

· число кабелей на электростанциях значительно больше, чем на подстанциях. На практике это означает, что по экономи­ческим причинам на станциях обычно недостижим тот же уровень экранирова­ния кабелей, что и на ПС;

· появление высокофункциональных датчиков-преобразователей и приводов приведет к увеличению децентрализации электронного оборудования и повышению необходимости выполнения многократ­ного заземления экранов кабелей.

В зависимости от типа передаваемого сигнала могут быть рекомендованы различ­ные типы кабелей:

сигнал типа 1а (см. табл. 7.6): коакси­альный кабель или витая пара с экраном;

сигнал типа 1b: высококачественный коаксиальный или три аксиальный кабель, по возможности защищаемый сплошной медной трубой. Иногда, во избежание воз­никновения резонанса, требуется использо­вать материалы с высокой магнитной про­ницаемостью или с высокими потерями (ферритовый порошок, пермаллой);

сигнал типа 2: экранированная витая пара с экраном из алюминиевых лент или алюминиевой фольги, а лучше с плетеным медным экраном;

сигнал типа 3: экранированная витая пара;

сигнал типа 4: многожильный экраниро­ванный или неэкранированный кабель. Для нескольких цепей может использоваться один обратный провод.

Прокладка кабелей в электрически непрерывных кабельных лотках может вне­сти заметный вклад в снижение помех.

В зависимости от уровня электропро­водности кабельного лотка, способа его заземления (см. рис. 10.15) и от вида лотка (открытый он или закрытый) коэффициент экранирования будет значительно меняться (примерно от 10 до 30 дБ и более на часто­тах от 100 кГц до 10 МГц). Кроме того, кабельные лотки могут способствовать снижению взаимных помех между различ­ными цепями.

Наилучший способ прокладки - это когда кабели, по которым передаются наи­более слабые сигналы (типов 1 и 2 согласно табл. 7.6) и кабели с сигналами больших уровней (типа 4) - силовые кабели постоянного и переменного тока, прокладываются в раздельных лотках.

При прокладке кабелей с сигналами раз­ного типа в одном лотке следует предусматривать их разделение в различные пучки по типам сигнала и разведение на наибольшие возможные расстояния друг от друга.

Здесь следует отметить, что металли­ческие кабельные лотки обеспечивают некоторое снижение взаимной связи между проложенными в нем кабелями при усло­вии, что они не прокладываются слишком близко.

При наличии хорошей эквипотенциаль­ной сети заземления большинство кабель­ных экранов следует заземлять через метал­лические корпуса тех аппаратов, к которым они подводятся.

Главное исключение из этого правила касается кабелей, по которым передаются НЧ-сигналы низкого уровня, например от датчиков измерения температуры. В этих случаях экраны должны заземляться на том конце кабеля, где наблюдается наибольшая несимметрия или где заземляется сама сиг­нальная цепь. Если кабель состоит из отде­льных экранированных пар жил, то внут­ренние экраны следует заземлять с одной стороны, а внешний — с двух сторон.

Кабели, присоединенные к пассивным датчикам или неэлектронным приводам (реле, двигатели), могут заземляться только на одном конце (противоположном месту установки датчика или привода). Однако на практике этого следует избегать, так как такие действия противоречат задаче созда­ния эквипотенциальной сети заземления. Более того, при заземлении экрана в един­ственной точке существует риск появления резонансных явлений на низких частотах.

Длинные коаксиальные кабели также могут заземляться только в одной точке, однако необходимо учитывать емкостное ВЧ-заземление для каждого присоединен­ного к нему элемента оборудования.

При прокладке кабелей над землей необходимо учитывать связи с внешним вспомогательным оборудованием, а также связи с очень удаленными частями электро­станции, например дымовыми трубами, антеннами, электрофильтрами, наземным освещением.

Основной проблемой для такой про­кладки, несомненно, являются удары мол­нии. Несмотря на то, что наилучшим спосо­бом защиты наружных цепей является спо­соб, основанный на создании хорошей взаи­мосвязи между различными контурами заземления, без дополнительных мер, таких как установка устройств защиты от перена­пряжений или гальваническая развязка, гарантии полной зашиты получить невоз­можно. Применение при этом кабелей с многократно и очень качественно заземлен­ными экранами — необходимое условие.

Применение металлических лотков или, что еще лучше, металлических труб также значительно помогает снизить воздействие синфазных напряжений на оборудование. Экраны входящих в основное здание кабе­лей следует заземлять прямо у места их входа во избежание воздействия значитель­ных токов переходных процессов, протека­ющих внутри здания. Кабели, присоединен­ные к оборудованию, установленному на дымовой трубе, следует прокладывать в конструкции лестничного типа, связанные с внешней системой молниезащиты здания и трубы, или в металлической трубе в земле.

Дата добавления: 2014-01-06