Электрод заземления

Контуром заземления называют находящееся в земле соединение горизонтальных и вертикальных заземлителей (электродов).

Совокупность помещённых в грунт электродов и заземляющего провода, который соединяет данный контур и главную заземляющую шину (ГЗШ) являет собой заземляющее устройство (ЗУ). Важнейшей характеристикой ЗУ является переходное сопротивление (металлосвязь) и сопротивление контура растеканию токов в земле.

От качества выполненных работ зависит заземление каждой розетки в доме и надёжность молниезащиты.

Расчет контура

Сопротивление контура заземления зависит от:

•  параметров заземлителей: длины, площади контакта, количества электродов, расстояния между ними;
•  длины соединяющих заземлители проводников;
•  удельного сопротивления грунтов;
•  влажности почвы;
•  солёности грунта;
•  температуры времени года;

Чтобы правильно выполнить все расчеты, необходимо иметь инженерное образование, и разобрать множество формул.

Из практического опыта известно, что ни одна из методик расчета не учитывает в полной мере все факторы, поэтому после выполнения работ результаты измерений практически всегда неожиданны. Поэтому часто пользуются типичным проектом, проверяя соответствие параметров у готового контура.

Естественно, что в отношении контура заземления для электростанции или большого производства расчеты обязательны, но для бытового использования можно выбрать подходящую схему заземляющего устройства и качественно её воплотить в металле, правильно выбрав место установки.

Даже без произведения расчётов из таблицы можно понять, какой тип грунта будет лучше всего для заземляющего устройства.

Как правило, в частном секторе для заземления используют одноконтурную схему, которая состоит из трёх вертикальных штырей, труб или уголков, соединённых между собой стальными полосами.

Соединение электродов в заземляющем устройстве выполняется в виде горизонтального равностороннего треугольника с вертикальными заземлителями, находящимися на его вершинах.

Такой проект заземляющего контура подходит для большинства небольших коттеджей и дачных домиков, получаемых однофазное энергоснабжение, выполненное по схеме TN-С-S, с повторным заземлением и разделением совмещённого нулевого провода PEN системы TN-С.

Но намного более надёжной будет схема с несколькими контурами, из-за того, что в одном месте свойства грунта могут измениться, он может высохнуть в жару, или промёрзнуть зимой, также вследствие проведённых рядом земляных работ могут измениться подземные водяные потоки.

Наиболее лучшей схемой традиционного заземляющего контура является кольцевая, или прямоугольная, обустроенная вокруг дома.

Внутренний контур является ГЗШ и обеспечивает более рациональное подключение защитного провода PE к розеткам и корпусам электрооборудования. Для обустройства внешнего контура необходимо отойти от здания на расстояние не менее полторы – двух метров. Такую же схему используют для контура заземления трансформаторной подстанции.

Для более сложных зданий горизонтальные заземлители прокладывают по периметру фундамента, на отдалении, требующемся, чтобы не вызвать осадку грунта при земляных работах.

Также применяют контур заземления в виде сетки.

Земляные работы

Поскольку контур заземления прокладывается в земле, то без земляных работ не обойтись.

Копают траншеи или яму глубиной ниже полуметра, вбивают в дно вертикальные электроды и прокладывают горизонтальные заземлители также по дну, соединяя в единый контур.

Засыпают траншею однородным грунтом без камней и мусора, утрамбовывая. Часто при прокладке вводной подземной линии электропередач, чтобы сэкономить на земляных работах, прокладывают горизонтальный линейный заземлитель в данной траншее, с установкой вертикальных электродов.

В данном случае необходимо будет поверх установленного заземляющего контура насыпать подушку из грунта, плотно утрамбовав, после чего насыпают прослойку из песка, для прокладки кабеля. Самое главное при данных обстоятельствах проследить, чтобы выступающие части заземлителей не соприкасались и не повредили кабель.

Независимо от типа ЗУ, его установка должна производиться ниже точки промерзания грунта, из-за того, что замерзшая вода в почве в виде льда перестаёт быть проводником, и заземление теряет эффективность.

Данное обстоятельство не имеет никакого значения в случае применения глубинных заземлителей, которые устанавливаются в скважинах на значительную глубину 20-50 м.

Материалы заземлителей и заземляющего проводника

Применяют для электродов стальной металлопрокат, или медные проводники. Не допускается применение алюминия в качестве электродов. Использовать алюминиевый кабель в качестве заземляющего проводника допускается лишь в изоляции, защищающей жилу от коррозии, но в этом случае придётся уделить повышенное внимание герметизации болтового соединения.

Для соединения электродов применяют тот же вид металлопроката, что и при сборке заземлителей.

Использование заземлителей, покрытых медью.
В данной таблице не указан сравнительно новый, инновационный материал для заземлителей –омеднённые прутки, покрытые тонким слоем (0,275 мм) меди.

Для данного материала следует применять параметры, указанные для оцинкованной стали.

Выпускаются такие заземлители в виде комплектов для быстрого монтажа заземляющего устройства.

Примечательно, что с их помощью можно монтировать глубинные заземлители без бурения скважин – на первый штырь навинчивается острый наконечник, который облегчает прохождение электрода в грунт.

При помощи соединительной муфты прикручивается ударопрочная головка, Не дающая металлу и резьбовому соединению разрушаться при ударах.

По мере углубления, головку отвинчивают, вкручивают новый стержень, на него прикручивают другую муфту, снова присоединяют головку и продолжают процесс забивания модульного заземлителя до требуемой глубины.

Часто для облегчения работ, вместо кувалды используют вибромолот. К последнему штырю крепят заземляющий провод или горизонтальный заземлитель, прокладываемый в виде полосы, покрытой медью, при помощи специального хомута.

Такой монтаж позволяет обойтись без сварочных работ, производится достаточно быстро. Минусом может быть недобросовестная затяжка болтов, поэтому в месте крепежа будет не лишним предусмотреть небольшие колодцы для проведения технологического осмотра и подтяжки соединений.

Контур заземления из стального металлопроката

Наиболее подходящим видом проката в качестве материала для вертикальных заземлителей будет уголок или труба (круглая или профильная). Для облегчения забивания уголок или трубу надрезают под углом 30-45º.

Больший угол затруднит прохождение плотных слоёв грунта, а при меньшем возможно загибания металла на кончике. Забивают заземлители в дно траншеи или ямы при помощи кувалды или вибромолота. Металл от ударов кувалды неизбежно расклепается, но это не страшно – главное хорошо проварить место соединения вертикального и горизонтального заземлителя.

Проверка контура заземления

Проверяют сварные швы, простукивая их молотом, а затяжку гаек при помощи ключа. Измерять сопротивление должны производить специалисты лицензированной электрической лаборатории, они же выдадут акт.

В системе TT чем меньше сопротивление, тем лучше, но в отношении TN-С-S не стоит, чтобы сопротивление было меньше чем у трансформаторной подстанции – 4 Ом, иначе вся нагрузка на заземление воздушной линии ляжет на данный домашний контур.

Оборудование для измерений слишком дорого, поэтому существует народный метод – в идеале контур должен обеспечивать работу домашних электроприборов на максимально возможном для автомата токе. Для этого один провод от переносной розетки подключат к фазе, а другой к контуру заземления, и в розетку включают нагрузку.

На практике контур считается хорошим, если подключаемый между фазой и заземлением электронагревательный прибор мощностью 2 кВт будет исправно работать, и падение напряжения между фазой и заземлением будет не больше 10 В. Но надо быть очень осторожным, проводя такие манипуляции и не находиться в этот момент вблизи контура.

infoelectrik.ru

Д. Основные способы строительства

Напомню о достоинствах и недостатках традиционных способов строительства заземлителей, описанных в прошлой части:

Остановился я на общих словах:

В конце двадцатого века было разработано решение, которое обладает достоинствами обоих описанных выше способов, не имея присущих им недостатков.
Кроме того, сильное влияние засоления грунта на снижение сопротивления заземления (п. Г1.5.) настолько привлекло внимание инженеров, что было найдено «лекарство» от недостатков этого метода — вымывания соли из грунта и коррозии электродов. Оно породило очень интересный способ строительства заземлителя, применимый даже там, где пасуют простые металлические электроды — в вечномёрзлых, а также каменистых грунтах.

модульное заземление».

При таком способе строительства заземляющий электрод необходимой длины (глубины) представляет собой сборную конструкцию из нескольких коротких (1,5 метра) стальных штырей-модулей, имеющих небольшие поперечные размеры (диаметр менее 20 мм) с цинковым или медным покрытием, которые соединяются последовательно друг за другом. Для заглубления используется обычный бытовой электрический отбойный молоток с достаточной энергией удара.

Как и в случае «обсадной трубы» (п. Г2) — большая площадь контакта заземлителя с грунтом достигается большой длиной (глубиной) электрода. За счет достижения глубинных слоев грунта, в большинстве случаев имеющх меньшее удельное электрические сопротивление, такой способ имеет большую эффективность (меньшее сопротивление заземления).

Соединение штырей между собой может производится несколькими способами:

• «глухое отверстие + шип». На одной стороне штыря имеется глухое отверстие глубиной 50-70 мм, а на другой стороне — шип длиной 50-70 мм, имеющий диаметр чуть больше паза. При монтаже шип запрессовывается в отверстие.
• «глухое отверстие + штифт + глухое отверстие7. Штырь с обоих сторон имеет глухое отверстие глубиной 50-70 мм. Штифт длиной 100-140 мм используется в виде отдельной дополнительной детали. При монтаже он вставляется между штырями и запрессовывается в оба отверстия. Считается весьма ненадежным способом соединения.

• «резьба + муфта + резьба». Штырь с обоих сторон имеет резьбу длиной 50 мм. Муфта, отрезок трубы с внутренней резьбой, используется в виде отдельной дополнительной детали. При монтаже она накручивается на заглубляемый штырь, после чего в нее закручивается следующий штырь. Как показала многолетняя практика — это наиболее надежный способ соединения, позволяющий монтировать сборные заземляющие электроды до 40 метров глубиной с гарантированным сохранением необходимых электрических и антикоррозионных свойств по всех длине. Такая глубина является компромиссом между максимальной энергией удара отбойного молотка, силой трения между монтируемым электродом и грунтом, механической прочностью муфты (её стоимостью). Без увеличения энергии удара невозможно еще большее заглубление электрода из-за силы трения. При увеличении энергии удара необходимо увеличивать прочность муфты, что вызывает увеличение её стоимости.

Окисляется/корродирует прежде всего именно цинк, защищая, таким образом, железо.

Когда вся его масса проучаствует в реакции (окислится) — начнет корродировать сталь.

Достоинства:

• отсутствие необходимости механической защиты покрытия при монтаже. Повреждение целостности покрытия не приводит к последствиям, т.к. цинк всё равно защищает железо, находясь рядом.
• дешевое, налаженное и широко распространенное производство оцинкованных изделий со стандартной для этого материала толщиной покрытия от 5 до 30 мкм («горячее» и «холодное» цинкование)
• антикоррозийная защита не только штырей, но и всех металлоконструкций в зоне действия. Однако эти металлоконструкции чаще всего не нуждаются в такой защите.

Недостатки:

• сравнительно небольшое увеличение срока службы штыря из-за малой толщины покрытия — до 15-25 лет.
• Толстый слой цинкового покрытия имеет высокую стоимость. Кроме того, очень редко встречается производство, имеющее техническую возможность для этого.
• сокращение срока службы штырей в присутствии большого количества металлоконструкций, расположенных рядом с ними

Медное покрытие

В паре «медь-железо» медь является окислителем, а железо — восстановителем/донором. Окисляется/корродирует прежде всего железо, защищая таким образом медь.

Странно… нам необходимо противоположное действие. Но тут кроется особенность электрохимической реакции: она возможна только в присутствии электролита/воды. Если железо изолировать от него, то реакция останавливается.

Поэтому медное покрытие должно быть толстым и однородным для того, чтобы не допустить его глубокого повреждения при монтаже и таким образом не допустить попадания электролита/воды к железу.

При этом положительно сказывается мягкость/пластичность чистой меди: она сильно уменьшает силу трения при сцарапывании, что не позволяет острому элементу в грунте (например, камню) полностью процарапать покрытие по глубине — до стального сердечника. Камень просто скользит по поверхности, снимая небольшой наружный слой. Такое поведение меди можно сравнить с мылом, используемым для снятия застрявшего на пальце кольца.

Достоинства:

• очень большой срок службы омеднённого штыря — до 100 лет (при соблюдении целостности покрытия)

Недостатки:

• необходимость создания покрытия большой толщины (от 200 мкм) для его защиты от глубокого повреждения при монтаже. Такое покрытие дороже более тонкого.
• дорогостоящее и редкое производство омеднённых изделий с большой толщиной покрытия

Моё субъективное мнение
Раз уж добавляем покрытие для защиты от коррозии, то оно должно обеспечивать наиболее долгий срок службы при одинаковой стоимости производства (в сравнении с другими вариантами).
В этой плоскости я считаю, что лучшим выбором являются омеднённые штыри при условии безоговорочного качества покрытия, выраженного в:

• толщине не менее 200 мкм
• высокой адгезии обеспечивающей сохранение защитного слоя при изгибе штыря (иногда встречается при монтаже).

Причём омеднённые штыри гораздо выгоднее оцинкованных из-за высоких цен на изготовление последних при стремлении достигнуть сопоставимый срок службы.

Испытания, проведённые одной из лабораторий экспериментально показали, что срок службы омеднённого штыря с покрытием толщиной 250 мкм в агрессивном грунте (кислом или щелочном) составляет не менее 30 лет, а в обычном суглинке достигнет 100 лет.

Также известно испытание, проведённое с 1910 по 1955 год Национальным Институтом Стандартов и Технологий США (The National Institute of Standards and Technology (NIST)). Было реализовано обширное исследование подземной коррозии, во время которого 36 500 образцов, представляющих 333 разновидности покрытий из черных и цветных металлов и защитных материалов, подвергались испытанию в 128 местах по всей территории Соединенных Штатов.
Одним из результатов этого исследования стал факт, что штырь заземления, покрытый 254 мкм меди, сохраняет свои технические характеристики в течение более 40 лет в большинстве типов почвы. А стержневые электроды, покрытые 99,06 мкм цинка, в этих же грунтах могут сохранять свои качества лишь в течение 10-15 лет.

Underground corrosion (United States. National Bureau of Standards. Circular 579)
Автор: Melvin Romanoff; Издатель: U.S. Govt. Print. Off., 1957)

Отдельно хочу отметить использование в качестве материала штырей нержавеющей стали. Этот материал имеетзамечательные антикоррозионные свойства в сочетании с отличными механическими характеристиками, облегчающими производство деталей. Его единственный, но перечеркивающий достоинства недостаток — высокая стоимость.

Г2.1).

При увеличении глубины электрода необходимо учитывать, что в однородном грунте сопротивление заземления снижается не пропорционально этому увеличению (больше глубина -> меньше уменьшение сопротивления).

Поэтому при отсутствии на глубине слоев грунта с более низким удельным электрическим сопротивлением стоит рассмотреть вопрос увеличения количества электродов, а не увеличения глубины одиночного электрода. На решение этого вопроса будут влиять и стоимость монтажа дополнительных электродов, и доступность площади для их размещения.

На практике более чем в 70% случаев грунт на глубине более 5 метров имеет в разы меньшее удельное электрическое сопротивление, чем у поверхности, за счет большей влажности и плотности.

почти полностью повторяет расчёт одиночного электрода из п. Г2.2. за исключением поперечных размеров — у модульного заземления диаметр электрода не превышает 20 мм.

На примере тридцатиметрового составного электрода из омеднённых штырей диаметром 14 мм, смонтированного в канаве глубиной 0,5 метров. Грунт, в котором будет монтироваться этот электрод, будет для упрощения расчёта однородным суглинком, обычным для России, с удельным электрическим сопротивлением 100 Ом*м.

Расчёт проводится в 1 этап.

Сопротивление заземления одиночного вертикального заземляющего электрода вычисляется по формуле:

R1 составит 4,7 Ом (при p = 100 Ом*м, L = 30 м, d = 0.014 м (14 мм), T = 15.5 м (T — расстояние от верхнего уровня грунта до середины заглубленного электрода)).

Этот результат хуже, чем у электрода, имеющего диаметр 100 мм, но замечу — уменьшение диаметра электрода в 7 раз (700%) вызвало увеличение сопротивления заземления всего на 27%.

Монтаж модульного заземления очень лёгкий и доступен даже девушке.
Штыри забиваются в грунт друг за другом отбойным молотком постепенно увеличивая глубину заземляющего электрода. Отбойный молоток размещается над штырём.
Задачи монтажника: ровно держать молоток над штырём (не «на весу», т.е. молоток своим весом давит не на руки, а на монтируемый штырь) и наращивать электрод — устанавливать следующий штырь над уже заглубленным.

Если монтаж выполняется вне здания то, монтаж модульного заземления/заземлителя производится в канаве небольшой длины и глубиной 0.5 метра в которую также укладывается заземляющий проводник (медный провод или традиционная стальная полоса), идущий до объекта (электрощита).

Если монтаж выполняется внутри здания (в подвале), то монтаж заземлителя производится на уровне пола. Далее медным проводом полученный заземлитель подключается к щиту.

И при использовании стальной полосы и при использовании медного провода для их соединения со штырём в основном используется болтовой зажим из латуни или нержавеющей стали.

Иногда можно встретить способ соединения с помощью экзотермической сварки (смесь горючего материала с медной пылью заливает место контакта проводника и штыря, сваривая их между собой). Но это экзотика.

Подробнее о монтаже резьбовых штырей можно познакомиться на YouTube.

UPD: Отбойный молоток можно взять в аренду на сутки (от 500-700 рублей) или купить почти в любом магазине электроинструмента (от 9-10 т.руб.).

Д2. Электролитическое заземление (для вечномёрзлых или каменистых грунтов)

Напомню об отмеченном в п. Г1.5. методе иногда применяемом для существенного уменьшения сопротивления заземления.

Засоление грунта в месте размещения электродов путем добавления в него большого объема поваренной соли NaCl. При её растворении в грунте (выщелачивании) резко повышается концентрация ионов, участвующих в переносе заряда, а следовательно снижается его (грунта) электрическое сопротивление.

При неоспоримом положительном достоинстве такого метода, а также при его простоте и дешевизне — он имеет два огромных недостатка:

• за счет вымывания соли из грунта (дожди, весеннее таяние снега), концентрация ионов падает до естественного уровня за 2-3 года
• соли вызывают сильную коррозию стали, разрушая электроды и заземляющий проводник за 3-5 лет. Эти недостатки грозят восстановлением заземлителя практически «с нуля».

Нужны были меры противодействия этим недостаткам и ими стали:

• постоянное поддержание концентрации ионов в грунте. Иными словами, их пополнение новыми порциями.
• использование в конструкции материалов, минимально подверженных воздействию соли, и менее агрессивных компонентов этих солей

В итоге было разработано решение, получившее название «электролитическое заземление» (электролит — раствор солей).

Электрод такого типа представляет собой трубу небольшой длины (обычно 2-3 метра) из нержавеющей стали, имеющей почти по всей длине перфорацию. Внутри этой трубы находятся гранулы (не порошок) смеси солей.

Кроме привычного NaCl в смеси присутствуют еще 3 компонента. Состав якобы является секретом производителей, но мы то знаем, как это бывает

Промышленно выпускается два вида труб. В вертикальном исполнении и горизонтальном (в виде повёрнутой буквы «Г» — вот так «I___»).
Такой электрод помещается в грунт: вертикального исполнения — в заранее сделанную скважину необходимой глубины (2,5 — 3,5 метра); горизонтального исполнения — в заранее выкопанную канаву глубиной 0,7 метра длиной 2,5 метра.

Влага из грунта впитывается солями в электроде и выходит в виде раствора (электролита) в этот же грунт, пропитывая его и вызывая уменьшение его удельного электрического сопротивления.
Из-за чего, уменьшается сопротивление заземления электрода (трубы), размещенной в этом грунте.

Т.к. смесь солей находится в гранулах и в её составе присутствует специальная добавка, она не растворяется всем объемом в весеннее время, когда грунт пропитан водой. Таким образом достигается длительный и равномерный выход электролита из электрода, постепенно увеличивающий (а не просто сохраняющий) концентрацию ионов в окружающем грунте. Обычно заводской «заправки» электрода хватает на 15 лет, после чего возможна неоднократная «дозаправка».

Применение в качестве материала трубы из нержавеющей стали и использование менее агрессивной, чем NaCl смеси солей, обеспечивают срок службы «оболочки» такого электрода не менее 50 лет.

могущая представлять опасность для фундамента рядом стоящего здания или дорожного покрытия. Зона талика на поверхности грунта представляет собой овал размером около 3х6 метров. Поэтому в ходе проектных работ необходимо учесть это и отдалить электроды от объектов, могущих быть повреждёнными.

расчёта сопротивления заземления электрода горизонтального исполнения, т.к. это наиболее распространённый на практике вариант, имеющего длину горизонтальной части 2,4 метра и её диаметр 65 мм. Грунт, как обычно, будет однородным суглинком с удельным электрическим сопротивлением 100 Ом*м.

Сопротивление заземления одиночного горизонтального заземляющего электрода вычисляется по формуле:

В случае электрода электролитического заземления к формуле добавляется коэффициент, описывающий концентрацию электролита в грунте около этого электрода:

Коэффициент варьируется от 0,5 до 0,05. Постепенно он уменьшается, т.к. электролит проникает в грунт на бОльший объем, при это повышая свою концентрацию. В обычном грунте он составляет 0,125 через 1-2 месяца выщелачивания солей. Процесс можно ускорить добавлением воды в электрод на заключительной стадии монтажа.

R1 составит 4,14 Ом (при С = 0,125, р = 100 Ом*м, L = 2.4 м, d = 0.065 м (65 мм), T = 0.6 м (Т — расстояние от верхнего уровня грунта до середины заглублённого электрода)).

Отличный результат для одиночного заземлителя размером всего в 2,4 метра!
Но, как всегда, расплата за результат в цене такого электрода… О чём ниже в п. Д2.4. (недостатки).

Монтаж электрода электролитического заземления горизонтального исполнения самый простой из всех встреченных мной способов. По сути это банальное закапывание электрода на небольшую глубину.
Роется канава глубиной 0,7 метра и длиной 2,5 метра. На дно опускается электрод. Используя болтовой зажим, подключается заземляющий проводник. Канава закапывается.

Дополнительно можно залить в горловину электрода литров 5 воды для ускорения процесса выщелачивания.

Д2.1.3.

Источник: www.zandz.ru

www.elec.ru

Область техники

Изобретение относится к системе электропередачи постоянным током высокого напряжения (ПТВН). В частности, изобретение относится к заземлению системы ПТВН-электропередачи. Точнее, изобретение предлагает электрод заземления и способ заземления системы ПТВН-электропередачи.

Электроды заземления в данном контексте означают устройства, используемые для соединения точки заземления системы ПТВН-электропередачи с землей. Электроды заземления могут включать в себя один или более питающих кабелей, идущих к проводящей среде, такой как грунт или морская вода.

Предпосылки изобретения

По сравнению с системой электропередачи переменным током системе ПТВН-электропередачи требуется только два провода. По меньшей мере один из этих проводов должен быть изолирован от земли. Поэтому один из проводов может быть реализован в виде воздушной линии или кабеля высокого напряжения. Другой провод может реализовываться с использованием земли в качестве проводящей среды. В случае биполярной передачи при нормальных условиях работы используют еще один провод такого же типа. Но для передачи тока небаланса требуется провод заземления. Биполярная система ПТВН-электропередачи должна быть также в состоянии работать как униполярная система ПТВН-электропередачи. При такой работе провод заземления передает весь постоянный ток, передаваемый системой ПТВН-электропередачи.

Система ПТВН-электропередачи включает в себя первую преобразовательную подстанцию, соединенную с первой сетью электропередачи переменного тока, вторую преобразовательную подстанцию, соединенную со второй сетью электропередачи переменного тока, и по меньшей мере два провода, соединяющие первую и вторую преобразовательные подстанции. Каждая преобразовательная подстанция имеет точку заземления, соединенную с электродом заземления для установления электрического контакта с землей. Таким образом, провод заземления включает в себя электрод заземления на каждой преобразовательной подстанции и землю между этими двумя электродами заземления.

Биполярная система ПТВН-электропередачи обычно включает в себя пару воздушных проводов, поддерживаемых множеством опор от первой преобразовательной подстанции до второй преобразовательной подстанции. Провода подвешиваются на изоляторах с траверс опор. На каждой опоре также установлены защитные провода для защиты от молний. Обычно расстояние между двумя соседними опорами составляет около 400 м. Каждая опора заземлена.

Электрод заземления содержит множество электродных элементов для установления электрического контакта с землей. Обычно земля — это грунт и/или морская вода. Поэтому электрод заземления может быть наземным (заземленным) электродом или морским (заводненным) электродом. Электроды действуют в качестве анодов, т.е. проводят ток в проводящую среду, или в качестве катодов, т.е. принимают ток из этой среды.

Термин «заземленный электрод» в данном контексте обозначает электрод заземления, находящийся в грунте. Заземленный электрод переносит постоянный ток от системы ПТВН-электропередачи в грунт, или наоборот. В данном контексте термин «грунт» следует рассматривать в общем смысле как обозначающий проводящую, но неоднородную среду.

Помимо требований по току и сопротивлению заземленные электроды должны быть также электрически безопасными, обладать высокой эксплуатационной надежностью и достаточно длительным сроком службы и, кроме того, они не должны вызывать каких-либо вредных экологических последствий, например высыхания почвы вблизи электрода.

Для того чтобы достичь достаточно низкого сопротивления заземления, заземленный электрод обычно имеет большое количество электродных элементов, расположенных в виде древовидной структуры. Поэтому каждый электродный элемент соединен с точкой заземления через питающий провод, вспомогательный питающий провод и множество дополнительных вспомогательных питающих проводов. Цель заключается в том, чтобы электрический ток был равномерно распределен от точки заземления к каждому электродному элементу. Для достижения этой цели каждый электродный элемент должен иметь одинаковую длину соединения до точки заземления. Поэтому каждый электродный элемент соединен так, как будто все они соединены с точкой заземления параллельно.

В известном устройстве электрода заземления заземленный электрод соединен с точкой заземления преобразовательной подстанции одним или более питающими кабелями. Каждый подэлектрод запитывается от отдельного питающего подэлектрод кабеля. Подэлектрод включает в себя засыпку и активный электродный элемент (заземляющий электрод), заделанный в эту засыпку. В большинстве случаев засыпка представляет собой слой кокса. Электродный элемент находится в электрическом контакте с питающим подэлектрод кабелем и имеет активную часть своей поверхности, находящуюся в электрическом контакте с засыпкой. В случаях, если подэлектрод содержит более чем один такой электродный элемент, то эти элементы связаны друг с другом кабелями межсоединения.

Засыпка занимает значительный объем вокруг электродного элемента и, в свою очередь, также заделана в грунт. Активной частью поверхности засыпки является та часть ее поверхности, которая находится в электрическом контакте с грунтом.

Из US 6245989 (Иоссель) известен заземленный электрод для системы электропередачи постоянным током высокого напряжения. Задача этого заземленного электрода состояла в улучшении скорости растворения запитывающих элементов и в улучшении срока службы и надежности электрода. Поэтому заземленный электрод согласно Иосселю содержит электродные элементы, отделенные друг от друга электронепроводящими межэлементными экранами (барьерами).

Заземленный электрод, содержащий подэлектроды, секции и подсекции, может занимать значительный участок земли. При общеизвестной круговой схеме расположения его диаметр может составлять в диапазоне от 500 до 1000 метров. Обычно заземленный электрод расположен на удалении от преобразовательной подстанции, т.к. течение постоянного тока может мешать функционированию расположенного рядом с ним трансформатора. Значительный участок земли также занят преобразовательной подстанцией и линией электропередач с опорами, несущими провода между преобразовательными подстанциями.

Сущность изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы найти пути обеспечения возможного заземленного электрода для системы ПТВН-электропередачи.

Эта задача решена согласно изобретению с помощью заземленного электрода, охарактеризованного признаками независимого пункта 1 формулы изобретения, и с помощью способа, охарактеризованного этапами, указанными в независимом пункте 9 формулы изобретения. Примерные варианты реализации изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно изобретению заземленный электрод содержит множество электродных секций, соединенных с электродом линии. Каждая секция содержит по меньшей мере один или множество параллельно соединенных электродных элементов и подстроечный резистор для соединения с электродом линии. Поэтому за счет подстройки отдельных подстроечных резисторов компенсируют разность сопротивления между секциями, в результате чего ток будет распределяться равномерно в каждый электродный элемент. Электрод линии предпочтительно расположен вдоль линии опор.

В одном варианте реализации изобретения секция включает в себя опору и электродные элементы заземления опоры. В еще одном варианте реализации электрод линии включает в себя изолированный провод, поддерживаемый на опорах. В еще одном варианте реализации электрод линии включает в себя кабель, который изолирован от земли. В еще одном варианте реализации электродные секции включают в себя традиционно расположенные электродные элементы.

В одном варианте реализации изобретения заземленный электрод включает в себя заземление опоры множества соседних опор. В еще одном варианте реализации заземленный электрод охватывает ответвления опор, расположенных отдельно друг от друга. В еще одном варианте реализации изобретения электрод линии включает в себя по меньшей мере два провода, каждый из которых соединен с одинаковым числом заземлений опор.

Согласно изобретению может использоваться любое число заземлений опор, а также может выбраться любое положение опор вдоль электрода линии. Электрод линии может быть очень длинным, в типичном случае — примерно 100 км. Это является выгодным по сравнению с традиционными электродами, которые обычно являются круглыми с диаметром максимум 1000 м. Электрод линии можно использовать на одном или на обоих концах линии ПТВН-передачи.

Согласно первому аспекту изобретения задача решается заземленным электродом для системы ПТВН-электропередачи, содержащей множество электродных секций, причем каждая электродная секция содержит множество электродных элементов, при этом и заземленный электрод содержит электрод линии, и каждая электродная секция содержит подстроечный резистор для соединения с электродом линии.

Согласно второму аспекту изобретения задача решается способом заземления системы ПТВН-электропередачи, согласно которому:

обеспечивают множество электродных секций, содержащих электродные элементы;

для каждой электродной секции обеспечивают подстроечный резистор;

соединяют электродные секции последовательно вдоль электрода линии; и

подстраивают подстроечный резистор, уравнивая ток в каждой секции.

Краткое описание чертежей

Прочие признаки и преимущества настоящего изобретения будут более понятны специалисту в данной области техники из приводимого ниже подробного описания в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг.1 — принципиальная схема заземленного электрода, содержащего электрод линии и множество электродных секций согласно изобретению;

Фиг.2 — принципиальная конструкция опоры, несущей линии ПТВН-электропередачи;

Фиг.3 — принципиальная схема заземленного электрода, содержащего множество электродных секций и электрод линии, при конструкции соединения в средней точке; и

Фиг.4 — принципиальная схема заземленного электрода, содержащего множество электродных секций и электрод линии, при соединении в две ветви.

Описание предпочтительных вариантов реализации

Обращаясь к Фиг.1, заземленный электрод согласно изобретению содержит множество электродных секций 1, соединенных с электродом 2 линии. Заземленный электрод соединен с точкой 3 заземления преобразовательной подстанции 4. Преобразовательная подстанция включает в себя один конец системы ПТВН-электропередачи (не показано). Преобразовательная станция содержит первый преобразовательный мост 5 и второй преобразовательный мост 6 и выполнена с возможностью работы в биполярном режиме. Каждая электродная секция содержит подстроечный резистор 17. Электродные секции также содержат электродные элементы 20, схематически показанные символом заземления, для соединения с землей.

В показанном на Фиг.1 варианте реализации каждая электродная секция 1 может включать в себя опору 8 линии, которая показана на Фиг.2. Опора имеет вертикальную стойку 9 и траверсную конструкцию 10, несущую линии 11 ПТВН-электропередачи. Линии электропередачи подвешены на изоляторах, и в показанном варианте реализации эти линии электропередачи содержат три провода в расположении треугольником. Сверху опоры имеются два электрода 13 линии, свешивающихся с изоляторов 14. Опора имеет систему заземления, содержащую выравнивающее распределение потенциала кольцо 15 и заземление 16 основания опоры. Опора содержит подстроечный резистор 17, соединяющий систему заземления опоры с электродами линии. Сверху опора имеет пару защитных проводов (не показаны) для молниезащиты.

Как показано на Фиг.1, электрод линии обладает сопротивлением 18 линии между каждой опорой. На этой Фиг.1 также показаны электродные секции в виде опоры, имеющей сопротивление 19 заземления. Как также показано на Фиг.1, электрод линии может соединять соседние опоры, а также первую группу опор (четыре на левой стороне фигуры) и вторую группу опор (три на правой стороне фигуры).

Подстроечный резистор нужен в каждой опоре электрода линии, чтобы обеспечивать равномерное токораспределение между заземлениями опор. Напряжения прикосновения уменьшают обычными защитными кольцами, выравнивающими распределение потенциала в земле у опор. В связи с коррозией, в основном с течением времени вызываемой небольшим током небаланса в биполярном режиме работы, требуется существенное усиление заземляющих проводов заземления опор. Заземляющие провода заземлений опор должны иметь сплошные противовесы или радиальные противовесы из медных проводов относительно большого поперечного сечения, например: 2Ч150 мм².

Электрод линии можно также соединить с точкой заземления преобразовательной подстанции при конструкции соединения в средней точке, при этом питающая линия 21 имеет сопротивление 22 запитывания, как показано на Фиг.3. Еще одна конструкция соединения показана на Фиг.4, в которой электрод линии подсоединен в виде двух параллельных ветвей. Электрод состоит из первой ветви 23, имеющей сопротивление 24 первой ветви, и второй ветви 25, имеющей сопротивление 26 второй ветви. Первая ветвь соединена с каждой второй электродной секцией, а вторая ветвь соединена с остальными электродными секциями. Основное преимущество заключается в том, что баланс токов между двумя ветвями может быть измерен на преобразовательной подстанции, что облегчает обнаружение короткого замыкания на землю. Помимо этого, токораспределение улучшится тем же образом, как и в схеме с подводом в средней точке. Каждый второй подстроечный резистор соединен с одним из проводов электрода. Остальные подстроечные резисторы соединены с другим. При этом электрод состоит из двух равных ветвей. Основное преимущество состоит в том, что баланс токов между двумя ветвями может быть измерен в преобразовательной подстанции, что облегчает обнаружение короткого замыкания на землю. Помимо этого, токораспределение улучшится тем же образом, как и в схеме с подводом в средней точке.

Один электрод линии может охватывать примерно 250 опор линии ПТВН в случае номинального тока электрода в 3000 А. Когда имеются в распоряжении обе воздушные линии полюса и оба полюса преобразовательной подстанции, нужно использовать сбалансированный биполярный режим работы. Если один из полюсов преобразовательной подстанции должен быть недоступным, то необходимо как можно скорее применить металлический режим работы («металлический возврат») и поддерживать его до тех пор, пока не будет устранено короткое замыкание. Только после неудачной попытки поддержать напряжение одной линии будет происходить униполярная работа в течение длительного срока (около суток).

Технические преимущества состоят в следующем:

значительно сниженный по сравнению с обычными электродами электрический потенциал поверхности земли на расстоянии вплоть до 50-100 км от электрода;

сниженный риск появления токов утечки в трансформаторах и инфраструктуре;

не требуется отдельная электродная площадка;

используется полоса отчуждения линии постоянного тока;

в качестве электродных элементов (заземлителей) могут использоваться заземления основания опор общепринятой конструкции, с выполненными из меди заземляющими проводами.

Требуется некоторое вспомогательное оборудование и усиление конструкции линии. Для соединения электрода с преобразовательной подстанцией в линии ПТВН можно использовать усиленный(е) провод(а) с достаточной площадью поперечного сечения. В зависимости от конфигурации электрода нужен один или два провода. Провод(а) может быть изолирован одним единственным стеклянным, фарфоровым или композиционным опорным изолятором.

Чтобы свести к минимуму риск повреждений или опасность в случае короткого замыкания на землю, могут быть предприняты меры по обнаружению и защите от короткого замыкания на землю при помощи управляющих действий на преобразовательной подстанции. Обнаружение короткого замыкания на землю может быть основано на измерении тока небаланса в электродной схеме с двумя равными ветвями электрода и/или измерении сопротивления. Использование разрядников для защиты от перенапряжений на защитном проводе на каждой опоре, помимо обнаружения короткого замыкания на землю, уменьшит количество коротких замыканий на землю и повысит надежность защиты электрода.

Электрод должен быть сконструирован так, чтобы исключить даже кратковременные токи в смежной сети переменного тока и трансформаторах преобразовательной подстанции, которым требуется слабое электрическое поле на поверхности земли и слабое увеличение электрического потенциала земли. Для достижения низких напряжений на поверхности требуется достаточно длинный электрод линии. Необходимо учитывать коррозию, вызываемую с течением времени очень небольшим током небаланса во время нормальной биполярной работы. Поскольку при полном токе электрод будет работать очень редко и в течение коротких временных интервалов, обычно — одни сутки, вызванная в ходе униполярной работы коррозия будет маловажной проблемой. Напряжение прикосновения и шаговое напряжение на опорах электрода линии должно быть ниже допустимых значений. Электрод должен быть снабжен средствами обнаружения/защиты от замыкания на землю.

Согласно изобретению в качестве электрода используется линия постоянного тока. Это можно сделать путем изолирования заземляющих проводов и усиления их, чтобы они выдерживали полный постоянный ток. На каждой опоре некоторый ток поступает в землю через подстроечные резисторы. Благодаря этому электрод может быть выполнен очень длинным, обычно — примерно 100 км. Это является выгодным по сравнению с традиционными электродами, которые обычно являются круглыми с диаметром максимум 1000 м. Электрод линии может использоваться на одном или на обоих концах линии ПТВН-передачи.

Опорам от преобразовательной подстанции к дальнему концу электрода линии необходимы короткие изоляторы для провода(ов) электрода. Опоры электрода линии имеют подстроечный резистор, соединенный с проводом(ами) электрода, для достижения равномерного токораспределения. Этот резистор может быть предпочтительно установлен вблизи проводов электрода. При этом кабелю, идущему от резистора вниз к заземлению основания опоры, изолирование не требуется (или требуется очень небольшое). Заземление основания опоры служит в качестве заземляющего электрода электрода линии. Заземление основания опоры относится к общеизвестному типу, состоят, например, из радиальных противовесов или непрерывного противовеса. Тем не менее, общую площадь поперечного сечения заземляющих проводов можно увеличить ввиду дополнительной, связанной с постоянным током коррозии, которая невелика, но и не является пренебрежимо малой с течением времени. При необходимости в основании опоры можно предусмотреть кольца, выравнивающие распределение потенциала.

Усиленный(е) провод(а) электрода линии ПТВН используют для соединения электрода линии с нулевой шиной преобразователя ПТВН. Провода должны быть изолированы на каждой опоре от подстанции к дальнему концу электрода линии. Провод(а) может(могут) также содержать оптические волокна для связи. Низкое сопротивление защитных проводов вдоль электрода линии содействует равномерному токораспределению между заземляющими электродами. Сопротивление между преобразовательной подстанцией и точкой запитывания электрода не влияет на токораспределение, но потери мощности растут с увеличением сопротивления.

Обычный молниезащитный трос со встроенным волоконноптическим кабелем рассчитан на слишком низкую максимальную допустимую нагрузку, чтобы выдержать предусматриваемый номинальный ток (3000 А). Например, максимальная непрерывная нагрузка OPGW с наибольшим сечением, выпускаемым компанией ALCATEL, составляет 763 А. Вместо него можно использовать два фазных провода со встроенным волоконнооптическим кабелем (OPPC). Например, АААС (провод из алюминия/алюминиевого сплава) с сечением 946 мм², рассчитанный на

1766 А каждый.

В случае волоконноптического фазного провода с сечением 946 мм² (Lumpi) сопротивление постоянному току этого провода составляет 0,0356 Ом/км. Результирующее сопротивление между соседними опорами в электроде линии составит 0,00712 Ом (длина пролета — 400 м). Однако возможны и другие решения без оптического кабеля. Низкое сопротивление улучшает токораспределение в электроде линии. Поэтому альтернатива состоит в том, чтобы использовать — по меньшей мере в пределах электродной части линии — два защитных провода крупного сечения, чтобы достичь низкого сопротивления. Например, провод Jorea ACSR1, с сечением 1274 мм², с сопротивлением 0,0226 Ом/км. Поперечное соединение между двумя проводами на каждой опоре в этом случае приводит к сопротивлению 0,00453 Ом между соседними опорами.

Хотя они и выгодны, объем изобретения не должен ограничиваться приведенными здесь вариантами реализации, но также включает в себя и варианты реализации, очевидные специалисту в данной области техники. Например, электрод линии может в равной мере содержать изолированный кабель в земле. Кроме того, электродные элементы могут быть выполнены с обычной конструкцией и установлены между опорами. В усовершенствованном варианте изобретения для электрода линии могут использоваться защитные провода.

1. Заземленный электрод для системы электропередачи постоянным током высокого напряжения, имеющей преобразовательную подстанцию (4) с точкой (3) заземления, причем заземленный электрод соединен с точкой заземления и содержит множество электродных секций (1), при этом каждая электродная секция содержит по меньшей мере один электродный элемент (20), отличающийся тем, что заземленный электрод содержит электрод (2) линии, и тем, что каждая электродная секция (1) содержит подстроечный резистор (17) для соединения электродной секции с электродом линии.

2. Заземленный электрод по п.1, в котором электрод (2) линии одним концом соединен с точкой (3) заземления.

3. Заземленный электрод по п.1, в котором средняя точка электрода (2) линии соединена с точкой (3) заземления через питающий провод (21).

4. Заземленный электрод по любому из пп.1-3, в котором электрод линии включает в себя первую ветвь (23), соединенную с каждой второй электродной секцией, и вторую ветвь (25), соединенную с остальными электродными секциями.

5. Заземленный электрод по любому из пп.1-3, в котором электродная секция (1) включает в себя опору (8) линии, содержащую подстроечный резистор (17) и электродный элемент (20).

6. Заземленный электрод по п.4, в котором электродная секция (1) включает в себя опору (8) линии, содержащую подстроечный резистор (17) и электродный элемент (20).

7. Заземленный электрод по п.5, в котором электродный элемент включает в себя заземление (16) опоры.

8. Заземленный электрод по п.6, в котором электродный элемент включает в себя заземление (16) опоры.

9. Заземленный электрод по п.5, в котором электрод линии содержит провод (13), подвешенный с помощью изоляторов (14) на опоре (8).

10. Заземленный электрод по п.6 или 7, или 8, в котором электрод линии содержит провод (13), подвешенный с помощью изоляторов (14) на опоре (8).

11. Заземленный электрод по п.5, в котором электрод линии содержит защитный провод, который также выполняет функцию молниезащиты.

12. Заземленный электрод по п.6 или 9, в котором электрод линии содержит защитный провод, который также выполняет функцию молниезащиты.

13. Заземленный электрод по п.10, в котором электрод линии содержит защитный провод, который также выполняет функцию молниезащиты.

14. Способ заземления системы электропередачи постоянным током высокого напряжения, содержащей множество электродных секций (1), имеющих по меньшей мере один электродный элемент (20), отличающийся тем, что в каждой электродной секции обеспечивают подстроечный резистор (17), соединяют электродные секции с электродом (2) линии и подстраивают подстроечный резистор, чтобы уравнять электрический ток для каждой секции.

15. Способ по п.14, в котором электрод линии обеспечивают с уменьшающейся проводящей площадью между каждым соединением секции в направлении от точки заземления.

16. Применение заземленного электрода по любому из пп.1-13 или способа по любому из пп.14-15 для заземления системы электропередачи постоянным током высокого напряжения.

www.findpatent.ru

Другие статьи по теме:

Защитное заземление принцип действия Что такое зануление Схема контура заземления Система заземления it Как замерить сопротивление заземления мультиметром Проверка заземляющих устройств