Пошаговое руководство по расчету импеданса в стандарте Ieee 80 для заземления подстанций

Стандарт IEEE 80 и его значение в заземлении подстанций

Стандарт IEEE 80-2013, озаглавленный «Руководство по безопасности при заземлении подстанций переменного тока», в первую очередь касается подстанций переменного тока на открытом воздухе, как обычных, так и газоизолированных, включая подстанции распределения, передачи и генерации, который обеспечивает основные руководящие принципы для проектирования безопасных и эффективных систем заземления, которые защищают персонал от опасности электрического удара при неисправности.

Расчет импеданса по стандарту IEEE 80 является критическим компонентом конструкции заземления подстанции. Стандарт содержит рекомендации по расчету безопасных параметров заземления сетки на подстанциях высокого напряжения, обеспечивающих защиту персонала за счет управления напряжением касания и шага при минимизации импедансов тока разлома. Понимание и правильное применение этих расчетов может означать разницу между безопасной установкой и той, которая представляет серьезную опасность для персонала и оборудования.

IEEE Std 80 основан на критериях безопасности приемлемых потенциалов касания и шага. Этот подход признает, что низкое сопротивление грунтовой подстанции само по себе не является гарантией безопасности, и нет простой связи между сопротивлением грунтовой системы в целом и максимальным током удара, которому может подвергаться человек. Этот фундаментальный принцип подчеркивает, почему правильные расчеты импеданса необходимы, а не просто нацелены на минимально возможное значение сопротивления.

Основные понятия: импеданс, сопротивление и реагирование в заземляющих системах

Перед погружением в процедуры расчета необходимо понять основные электрические концепции, которые управляют системами заземления подстанции. Импеданс представляет собой полное противодействие потоку тока в цепи переменного тока и состоит из двух основных компонентов: сопротивления и сопротивления.

Наземное сопротивление

Наземное сопротивление является резистивным компонентом импеданса и представляет собой оппозицию току, протекающему через землю и заземляющие проводники.Уравнение основано на Руководстве IEEE по безопасности при заземлении подстанций переменного тока (IEEE Std 80-2013), раздел 14.2, уравнение 57 и по существу сочетает резистивные свойства металлической пластины, проводников и глубины, на которой она захоронена.

Сопротивление сетки равносильно сопротивлению заземляющей сетки удаленной земле, учитывая удельное сопротивление почвы и геометрию сетки.На этот параметр влияют несколько факторов, включая общую длину закопанных проводников, площадь, покрытую грунтовой сеткой, глубину захоронения и, самое главное, удельное сопротивление почвы на месте установки.

Наземная реакция

Компонент сопротивления учитывает индуктивные и емкостные эффекты в системе заземления. Импеданс больших сеток (более 40 000 м2), погребенных в земле с низкой устойчивостью (менее 75 Ом-м) без протяженных оснований, может быть выше, чем расчетное сопротивление, или когда протяженные проводники земли подключены к сетке, импеданс заземляющей системы будет меньше расчетного сопротивления сетки.

Индуктивное сопротивление становится особенно значительным в более крупных системах заземления и на более высоких частотах.В условиях неисправности частота тока неисправности (обычно 50 или 60 Гц) взаимодействует с индуктивностью проводников наземной сетки для получения реактивного компонента, который должен учитываться при расчете общего импеданса.

Полное импеданс

Суммарное импедансное сопротивление объединяет в себе как компоненты сопротивления, так и компоненты сопротивления и обычно выражается как комплексное число.Величина этого импеданса представляет собой общее противопоставление току при условиях неисправности, в то время как фазовый угол указывает на связь между резистивными и реактивными компонентами.Для большинства практических применений заземления подстанции преобладает резистивный компонент, но реактивный компонент нельзя игнорировать при точных расчетах.

Основной предварительный сбор данных

Точные расчеты импеданса в значительной степени зависят от качества и полноты входных данных. На первом этапе детали проекта имеют важное значение, а общий план расположения подстанции должен обеспечивать хорошие оценки площади, подлежащей покрытию земной сеткой. В следующих разделах подробно описываются критические данные, которые необходимо собрать до начала расчетов.

Измерения устойчивости почвы

Удельное сопротивление почвы, возможно, является наиболее важным параметром, влияющим на производительность системы заземления. Для проведения измерений удельного сопротивления почвы требуется несколько посещений участка подстанции, и следует установить ряд измерений с использованием метода с четырьмя спинами. Этот метод, также известный как метод с четырьмя точками Веннера, включает в себя загон четырех одинаково расположенных электродов в землю и измерение сопротивления между ними.

Удельное сопротивление почвы является критическим параметром, измеренным с помощью методов Веннера или Шлюмбергера. Измерения должны проводиться на различных глубинах и местах по всему участку подстанции для учета стратификации и вариаций почвы. Многие коммерчески доступные программы используют многослойную модель почвы, в то время как однослойная модель почвы предполагает в целом однородное и однородное удельное сопротивление почвы и рассчитывается с использованием арифметического среднего измеренного удельного сопротивления почвы.

Удельное сопротивление почв может резко варьироваться в зависимости от состава почвы, содержания влаги, температуры и наличия растворенных солей. Значения могут варьироваться от менее 10 Ом-м для влажной органической почвы до более 10 000 Ом-м для сухой каменистой местности. Эти изменения значительно влияют на конструкцию и производительность системы заземления.

Геометрия и сетка наземных сеток

Детальная информация о конфигурации наземной сетки необходима для точных расчетов. Сюда входят общая площадь, охватываемая сеткой, расстояние между проводниками, общая длина закопанных проводников, глубина захоронения, диаметр проводника и материал. Площадь системы заземления является единственным важнейшим геометрическим фактором при определении сопротивлений сетки.

Сетчатая компоновка обычно состоит из контура проводника периметра с поперечными проводниками, образующими сетчатый рисунок. Согласно IEEE Std 80, эта конструкция должна включать контур проводника, окружающий всю заземленную область, плюс адекватные поперечные проводники. Сетчатое расстояние влияет как на сопротивление, так и на градиенты напряжения на поверхности, при этом более близкое расстояние обычно обеспечивает лучшую производительность, но при более высоких материальных затратах.

Неисправность текущих данных

Понимание максимального предполагаемого тока разлома имеет решающее значение как для расчетов безопасности, так и для калибровки проводника. Это включает определение величины максимального тока разлома грунта, продолжительности разлома (обычно на основе защитного времени очистки реле) и коэффициента разделения тока разлома между системой заземления и другими обратными путями.

Уравнение для вычисления коэффициента сплита из IEEE 80, раздел 15.9: Sf = |Zeq/(Zeq+Rg) |, где Sf - коэффициент разделения тока разлома, Zeq - эквивалентный импеданс грунта передачи и/или распределения полезности, а Rg - сопротивление грунта подстанции в Ω. Этот коэффициент сплита необходим для определения того, сколько общего тока разлома фактически протекает через систему заземления подстанции.

Подробности конфигурации системы

Дополнительная информация о системе включает уровни напряжения, присутствующие на подстанции, конфигурации трансформаторов и импедансы, наличие и характеристики проводов верхнего экрана, а также детали о любых протяженных заземляющих проводниках, таких как скрытые нейтралы или кабельные щиты. Большинство подстанций обычно имеют входящие (или исходящие) линии с установленными щитовыми проводами, и инженеру-проектировщику было бы целесообразно исследовать свойства этих щитовых проводов и то, как они могут влиять на разделение тока.

Пошаговый расчет сопротивления грунту

Расчет сопротивления грунту составляет основу определения импеданса. Стандарт IEEE 80 предоставляет несколько методов расчета сопротивления грунту, наиболее часто используемым из которых является упрощенное уравнение Шварца для комбинированных систем сетки и стержня.

Формула сопротивления грид-системам

Уравнение основано на IEEE Std 80-2013, раздел 14.2, уравнение 57: Rs = ρ [(1/LT) + (1/√(20A))(1 + 1/(1 + h√(20/A))], где A - площадь, занимаемая наземной сеткой в м2. В этой формуле:

Это уравнение эффективно моделирует наземную сетку как комбинацию зарытой горизонтальной проводящей сети и эквивалентной металлической пластины. Это уравнение показывает, что большая площадь и большая общая длина заземляющего проводника приведет к более низкому сопротивлению наземной сетки.

Расчет общей длины проводника

Общая закопанная длина проводника (LT) включает в себя все горизонтальные проводники сетки плюс длину любых вертикальных наземных стержней. Для прямоугольной сетки с однородным расстоянием расчет прост. Например, для сетки с проводниками, разнесенными с интервалами 5 м: Количество проводников на боку = 50 / 5 + 1 = 11, Общая длина = 11 × 50 × 2 = 1100 м.

При включении наземных стержней их эффективный вклад длины должен быть добавлен к горизонтальной длине проводника, однако взаимодействие между сеткой и наземными стержнями является сложным и требует рассмотрения эффектов взаимного сопротивления.

Комбинированная решетка и сопротивление наземных струн

Когда система заземления включает в себя как горизонтальную сетку, так и вертикальные наземные стержни, комбинированное сопротивление — это не просто параллельная комбинация.Шварц использовал следующее уравнение, введенное Сунде и Рюденбергом для объединения сопротивления сетки, стержней и взаимного сопротивления грунта для расчета общего сопротивления системы, Rg.

Комбинированная формула сопротивления: Rg = (R1 × R2 — Rm2) / (R1 + R2 — 2Rm), где R1 — сопротивление только сетки, R2 — сопротивление всех грунтовых стержней вместе, а Rm — взаимное сопротивление между сеткой и системой грунтовых стержней.Комбинированное сопротивление грунта сетки и стержневого ложа будет ниже, чем сопротивление грунта любого из компонентов в одиночку, но все же выше, чем у параллельной комбинации.

Это уравнение может быть чувствительным к точности вычислений. Уравнение довольно чувствительно к небольшим изменениям в числах, и округление во время некоторого промежуточного шага может отбросить результат достаточно, чтобы пойти отрицательно. Поэтому важно поддерживать достаточную точность на протяжении всего процесса расчета и использовать вычислительные инструменты, когда это возможно.

Пример: расчет сопротивления сетке

Рассмотрим подстанцию с 50м × 50м наземной сеткой, дистанцией проводника 5м, глубиной захоронения 0,5м и сопротивлением почвы 100 Ом-м. Сначала вычислим общую длину проводника. С 11 проводниками на боку (50м ÷ 5м + 1), общая длина составляет 11 × 50 × 2 = 1100 метров.

Площадь сетки А = 50 × 50 = 2500 м2. Используя упрощенную формулу сопротивления: Rs = 100 × [(1/1100) + (1/√(20×2500)) × (1 + 1/(1 + 0,5√(20/2500))]. Разбивая это: 1/√(20×2500) = 1/√50000 = 1/223.6 ≈ 0,00447. Срок коррекции глубины: 1/(1 + 0,5√(20/2500)) = 1/(1 + 0,5×0,0894) = 1/1,0447 ≈ 0,957.

Следовательно: Rs = 100 × [0,000909 + 0,00447 × (1 + 0,957)] = 100 × [0,000909 + 0,00447 × 1,957] = 100 × [0,000909 + 0,00875] = 100 × 0,00966 ≈ 0,97 Ω. Это относительно низкое значение сопротивления указывает на хорошую производительность заземления для этой конфигурации.

Определение компонентов наземной реакции

В то время как сопротивление обычно доминирует в импедансе системы заземления, реактивный компонент становится значительным в определенных конфигурациях и должен быть рассчитан для полного определения импеданса.

Индуктивная реакция наземных сеток

Индуктивное сопротивление заземляющей системы возникает из магнитных полей, создаваемых токами разлома, протекающими через проводники сетки. Индуктивность зависит от геометрии проводника, интервала и частоты тока разлома. Для типичной частоты мощности 60 Гц индуктивное сопротивление можно вычислить по формуле: XL = 2πfL, где f — частота в герце, а L — индуктивность в хенри.

Индуктивность наземной сетки сложна для точного расчета и зависит от конфигурации сетки. Для прямоугольных сеток существуют приблизительные формулы, учитывающие размеры сетки и расстояние между проводниками. По мере увеличения длины заглубленного проводника входное сопротивление приближается к характерному импедансу, а фазовый угол импеданса будет находиться в диапазоне от 35° до 40°.

Частотные соображения

Частота токов разломов существенно влияет на реактивную составляющую импеданса. Большинство расчетов заземления подстанции предполагают частоту мощности (50 или 60 Гц), но переходные явления, такие как удары молнии, включают гораздо более высокие частоты. Для молниезащиты могут быть актуальными временные сопротивления и частотные параметры почвы, требующие расширенного моделирования.

На частоте мощности кожный эффект в проводниках в целом незначителен для типичных размеров заземляющего проводника. Однако на более высоких частотах ток имеет тенденцию течь вблизи поверхности проводника, эффективно уменьшая площадь поперечного сечения проводника и увеличивая его сопротивление. Это частотно-зависимое поведение необходимо учитывать для транзиторного анализа, но обычно игнорируется для расчетов устойчивой частоты мощности.

Емкостный эффект

Емкостное сопротивление в системах заземления обычно незначительно на частотах мощности, но может стать значительным на более высоких частотах. Емкость существует между закопанными проводниками и окружающей землей, образуя распределенную емкость по длине проводников. Для большинства практических применений заземления подстанции при 50/60 Гц емкостные эффекты можно безопасно игнорировать.

Сочетая сопротивление и реакцию для расчета полного сопротивления

После того, как и резистивные, и реактивные компоненты были определены, они должны быть объединены для получения полного импеданса системы заземления. Эта комбинация следует принципам анализа схем переменного тока с использованием математики комплексных чисел.

Комплексная импедансная репрезентация

Общее импеданс Z выражается комплексным числом: Z = R + jX, где R — сопротивление, X — чистое сопротивление (XL — XC), а j — мнимая единица (√-1). Для систем заземления емкостное сопротивление обычно незначительно, поэтому X ≈ XL.

Величина импеданса вычисляется как: |Z | = √(R2 + X2). Эта величина представляет собой полное противопоставление потоку тока и используется в вычислениях тока разлома и определениях повышения потенциала земли. Фазовый угол θ задается: θ = архтен (X/R), что указывает на связь между резистивными и реактивными компонентами.

Пример расчета практических импедансов

Рассмотрим систему заземления с расчетным сопротивлением 0,97 Ом и расчетным индуктивным сопротивлением 0,15 Ом при 60 Гц. Общее импедансное сопротивление составляет: Z = 0,97 + j0,15 Ом. Магнитуда составляет: |Z | = √ (0,972 + 0,1522) = √ (0,9409 + 0,0225) = √0,9634 ≈ 0,98 Ом. Фазовый угол равен: θ = архтан (0,15/0,97) = архтан (0,1546) ≈ 8,8°.

Этот пример показывает, что для типичных систем заземления величина импеданса лишь немного выше значения сопротивления, а фазовый угол относительно мал. Это подтверждает, что сопротивление является доминирующим компонентом в большинстве применений заземления подстанции.

Когда реакция становится значительной

В то время как сопротивление доминирует в большинстве случаев, реактивность становится более значительной в определенных ситуациях. Большие заземляющие системы с обширными заглубленными проводящими сетями могут иметь ощутимую индуктивность. Расширенные заземляющие проводники, такие как длинные заглубленные нейтралы или провода надземного грунта, могут способствовать значительному индуктивному реактивному сопротивлению. Высокочастотные переходные процессы, такие как от ударов молнии или операций переключения, увеличивают важность реактивных компонентов.

Критерии безопасности: Расчеты напряжения прикосновения и шага

Конечная цель расчетов импеданса в стандарте IEEE 80 заключается в обеспечении того, чтобы система заземления могла безопасно рассеивать токи разлома без создания опасных градиентов напряжения.Следующая фаза заключается в определении критериев касания и шага, при которых максимальное напряжение при движении любой случайной цепи не должно превышать пределов, определенных IEEE Std 80, а допустимые напряжения касания и шага определяются в соответствии с характеристикой поверхностного материала и максимально ожидаемым током разлома.

Понимание сенсорного напряжения

Прикосновение напряжением является разность напряжений между заземленной структуры и поверхности земли человек может коснуться во время неисправности. Это происходит, когда человек одновременно касается заземленной металлической структуры (например, корпус оборудования или забор) и стоит на поверхности земли. Во время неисправности, заземленной структуры на земле потенциального подъема (GPR) системы заземления, в то время как поверхность земли у ног человека находится на другой потенциал из-за градиентов напряжения в земле.

Максимально допустимое напряжение касания зависит от нескольких факторов, включая продолжительность тока разлома, удельное сопротивление материала поверхностного слоя и массу тела человека. Стандарт IEEE 80 предоставляет формулы для расчета допустимых напряжений касания на основе этих параметров, обычно с участием фактора коррекции поверхностного слоя, который учитывает материалы с высокой устойчивостью, такие как измельченная порода или асфальт.

Понимание степенного напряжения

Стадийное напряжение — это разность потенциалов между двумя точками на поверхности земли примерно от 0,3 до 1 метра друг от друга, представляющая собой напряжение, которое человек может испытывать, шагая вблизи разлома. Этот градиент напряжения существует, потому что разломный ток, протекающий через землю, создает потенциальное распределение, с самыми высокими потенциалами вблизи точки, где ток входит в землю, и уменьшающимися потенциалами на больших расстояниях.

Стадийное напряжение обычно менее опасно, чем прикосновение, поскольку ток проходит от ноги к ноге, а не через туловище. Однако при определенных условиях оно все же может быть летальным, особенно для четвероногих животных, имеющих большую длину шага. Максимально допустимое степенное напряжение рассчитывается по формулам, аналогичным тем, которые используются для прикосновения, но с различными геометрическими факторами.

Потенциальный рост грунта (GPR)

Повышение потенциала грунта — это максимальное напряжение, которое система заземления достигает относительно удаленной земли во время неисправности. Оно рассчитывается как: GPR = Если × Rg, где If — максимальный ток неисправности, протекающий через систему заземления, а Rg — сопротивление грунту. При необычных обстоятельствах возможен GPR 25 кВ, однако большинство значений меньше 10 кВ.

GPR представляет собой напряжение наихудшего случая, которое может появиться в системе заземления и используется в качестве основы для расчета фактических напряжений касания и шага в различных местах внутри и вокруг подстанции. Более низкое сопротивление грунта приводит к более низкому GPR для заданного тока разлома, поэтому обычно желательно минимизировать сопротивление грунта.

Расчеты напряжения сетки

Сетчатое напряжение — это максимальное сенсорное напряжение, которое может возникать в сетке грунтовой сетки. Обычно оно возникает в центре угловой сетки, где градиент напряжения является самым крутым. Стандарт IEEE 80 предоставляет подробные формулы для расчета сетчатого напряжения, которые учитывают геометрию сетки, расстояние между проводниками, глубину захоронения и сопротивление почвы.

Формула напряжения сетки включает геометрические факторы, зависящие от конфигурации сетки. Эти факторы выведены из теории электромагнитного поля и были проверены с помощью обширных испытаний и полевых измерений. Расчетное напряжение сетки должно быть меньше допустимого напряжения касания для обеспечения безопасности.

Расчеты по импедансу Advanced Considerations in Impedance

Помимо основных процедур расчета, несколько передовых факторов могут существенно повлиять на точность и применимость расчетов импеданса для систем заземления подстанции.

Многослойные модели почвы

Стратификация почвы включает геологические слои с различными удельными сопротивлениями, которые требуют композитного анализа. Реальная почва редко бывает однородной, и большинство участков демонстрируют слоистые структуры почвы с различными удельными сопротивлениями на разных глубинах. Различные методы предлагаются с помощью IEEE 80 для оценки кажущегося удельного сопротивления почвы трех слоев, в которых система заземления состоит из сетки с стержнями.

Обычно используются двухслойные модели грунта, состоящие из верхнего слоя с сопротивлением ρ1 и толщиной h1, и нижнего слоя с сопротивлением ρ2, простирающимся до бесконечной глубины. Исследуется коэффициент отражения K = (ρ2 — ρ1)/(ρ2 + ρ1) интерфейса между слоями.Исследуется влияние коэффициента отражения на сетку и степенные напряжения, сопротивление системы заземления и напряжение сетки.

Для более сложных структур почвы могут потребоваться трехслойные или многослойные модели. Для них требуются более сложные методы анализа и, как правило, требуется использование специализированного компьютерного программного обеспечения. Кажущееся сопротивление почвы, используемое в расчетах, должно быть тщательно определено на основе модели почвы и размеров системы заземления.

Сезонные вариации и воздействие на окружающую среду

Влажность и температура — это сезонные изменения, которые влияют на сопротивление почвы и потенциально изменяют производительность сетки. Удельное сопротивление почвы может значительно варьироваться в зависимости от содержания влаги, температуры и сезонных условий. Замороженная почва имеет гораздо более высокое сопротивление, чем незамороженная почва, а сухая почва более резистивна, чем влажная почва.

Эти изменения означают, что производительность системы заземления может меняться в течение года. Консервативные методы проектирования обычно используют максимальное ожидаемое сопротивление почвы (соответствующее самым сухим или самым холодным условиям) для обеспечения адекватной производительности в худших сценариях. Некоторые установки включают положения для обработки почвы или удержания влаги для стабилизации сопротивления почвы.

Текущий фактор деления и разделения

В большинстве установок подстанции не весь ток разлома протекает через локальную систему заземления. Пропорциональное количество тока будет поступать обратно к источнику и часть через каждый участок передачи или распределения. Разделительный фактор учитывает это разделение тока и существенно влияет на фактический ток, с которым должна справиться система заземления.

Zeq получен из таблицы C.1 IEEE 80, и именно импеданс виден током, проходящим через провод верхнего экрана и через землю передачи или распределения.Точное определение коэффициента сплита требует подробной информации о конфигурации системы утилиты, включая количество и характеристики линий передачи, проводов верхнего экрана и распределительных нейтралов, подключенных к подстанции.

Влияние материалов поверхностного слоя

Обычно для минимизации тока, проходящего через тело человека, используется защитный поверхностный слой с высоким сопротивлением (например, гравий), обеспечивающий безопасность людей внутри подстанции. Материал поверхностного слоя оказывает глубокое влияние на терпимые напряжения касания и шага. Асфальт имеет очень высокое сопротивление (приблизительно 10 000 омм при влажности), что значительно увеличит допустимые напряжения шага и касания.

Общие поверхностные материалы включают измельченную породу, гравий, асфальт и бетон. Каждый из них имеет различные характеристики сопротивления, которые влияют на ток, который может протекать через ноги человека во время неисправности. Стандарт IEEE 80 обеспечивает корректирующие факторы для различных поверхностных материалов, которые применяются к основным формулам напряжения касания и шага. Толщина поверхностного слоя также важна, при этом типичные установки используют слои толщиной от 75 до 150 мм.

Коррозия и долгосрочная эффективность

Электролитическая коррозия — это длительное разрушение системы заземления, влияющее как на проводимость, так и на механическую целостность. Заземляющие проводники, зарытые в почву, подвержены коррозии с течением времени, что может повысить устойчивость и потенциально привести к механическому отказу. Скорость коррозии зависит от химии почвы, содержания влаги, рН и наличия бродячих токов.

Медные проводники обычно обладают хорошей коррозионной стойкостью в большинстве почв, но гальваническая коррозия может возникать при соединениях между несходными металлами. Некоторые установки используют тонированные медные проводники или применяют защитные покрытия для повышения коррозионной стойкости. Некоторые коды требуют, чтобы тонированные провода использовались там, где сопротивление почвы составляет менее 70 Ом/м.

Размер проводника и выбор материала

В калибровку проводников включаются различные факторы, такие как тепловые свойства материала, пропускная способность тока и импеданс, а также характеристика почвы. Правильный размер проводника гарантирует, что система заземления может безопасно переносить токи разлома без перегрева или механического отказа.

Термические соображения

Основная задача в калибровке проводника заключается в том, чтобы проводник мог выдерживать тепловые воздействия тока разлома без плавления или повреждения. Стандарт IEEE 80 предоставляет формулы для расчета минимальной площади поперечного сечения проводника на основе величины и продолжительности тока разлома. Формула учитывает свойства материала проводника, включая его температуру плавления, тепловую емкость и сопротивление.

Для медных проводников расчет учитывает начальную температуру (обычно температуру окружающей среды), максимально допустимую температуру (обычно значительно ниже точки плавления для предотвращения отжига) и тепловые свойства меди. Продолжительность неисправности имеет решающее значение, поскольку более длительные сроки неисправности требуют более крупных проводников для рассеивания генерируемого тепла.

Требования к механическим силам

Помимо тепловой мощности, заземляющие проводники должны иметь достаточную механическую прочность, чтобы выдерживать нагрузки на установку и оставаться неповрежденными в течение срока службы установки. Размер провода 35 мм2 (2 AWG) или более должен быть застрял. Застрявшие проводники обеспечивают лучшую гибкость во время установки и улучшенную устойчивость к вибрации и механическому напряжению.

Минимальный размер проводника часто диктуется механическими соображениями, а не электрическими требованиями. Многие стандарты определяют минимальные размеры проводника (например, 2/0 AWG для основных проводников сетки) для обеспечения достаточной механической прочности и долговечности. Во всех заземляющих проводниках следует избегать резких изгибов для предотвращения концентраций напряжения, которые могут привести к механическому отказу.

Выбор материала

Медь является наиболее распространенным материалом для заземляющих проводников подстанции из-за ее превосходной электропроводности, хорошей коррозионной стойкости и простоты установки. Медная сталь обеспечивает экономически эффективную альтернативу с хорошей механической прочностью, хотя и с более высокой стойкостью, чем твердая медь. Алюминиевые проводники иногда используются, но требуют особых соображений для соединений и защиты от коррозии.

Выбор материала влияет как на электрические характеристики, так и на долгосрочную надежность системы заземления. Стоимость материалов, местная доступность, методы установки и условия окружающей среды - все это влияет на решение о выборе. Для критических применений, твердые медные проводники, как правило, предпочтительны, несмотря на их более высокую стоимость.

Инструменты компьютерного моделирования и моделирования

Расчеты сенсорного и степенного потенциала могут быть довольно утомительной и трудоемкой задачей, и IEEE Std 80 рекомендует использовать компьютерное программное обеспечение для расчета сопротивления сетки, а также для создания потенциальных градиентных визуализаций сайта.

Преимущества автоматизированного дизайна

Современное компьютерное программное обеспечение может обрабатывать сложные вычисления, требуемые стандартом IEEE 80, гораздо эффективнее, чем ручные методы. Программные пакеты могут использоваться для содействия в проектировании заземляющей сетки путем моделирования и моделирования различных конфигураций заземляющей сетки, а инструменты либо поставляются в виде автономных пакетов, либо подключаемых модулей для программного обеспечения анализа системы питания (например, GroundMat PTW или ETAP Ground Grid Design Assessment).

Эти инструменты предлагают несколько преимуществ, включая возможность моделирования сложных геометрий сетки, автоматического расчета всех соответствующих параметров, визуализации градиентов напряжения и распределения тока, оптимизации конструкции сетки для удовлетворения критериев безопасности при минимальных затратах и анализа чувствительности для понимания эффектов вариаций параметров.

Доступные программные решения

Примеры автономных пакетов включают SES Autogrid и SafeGrid. Эти специализированные программы разработаны специально для анализа заземления системы и обычно включают обширные библиотеки моделей грунта, типов проводников и стандартных конфигураций. Они могут выполнять подробный анализ конечных элементов для точного моделирования распределения тока и градиентов напряжения.

Комплексные пакеты анализа энергосистем часто включают модули заземления, которые взаимодействуют с анализом коротких замыканий и другими системными исследованиями. Эта интеграция позволяет обеспечить согласованное управление данными и гарантирует, что в расчетах заземления используются те же значения тока разлома, что и в других исследованиях защиты.

Проверка и проверка

Хотя компьютерные инструменты являются мощными, они должны использоваться с пониманием, и их результаты должны быть проверены. Инженеры должны проверять, что входные данные являются правильными и полными, проверять, что результаты являются разумными и согласуются с ручными расчетами для упрощенных случаев, понимать ограничения и предположения программного обеспечения и проверять критические конструкции с полевыми измерениями, когда это возможно.

Компьютерные модели хороши только как входные данные. Мусор в мусоре полностью относится к анализу системы заземления. Тщательное внимание к измерениям сопротивления почвы, точным данным геометрии сетки и реалистичным значениям тока разлома имеет важное значение для получения значимых результатов.

Измерение и тестирование установленных систем

После установки системы заземления следует провести измерения для проверки соответствия ее проектным спецификациям и требованиям безопасности. Стандарт IEEE 81 содержит подробные указания по методам измерения для систем заземления.

Метод падения потенциала

Метод падения потенциала является наиболее распространённым методом измерения сопротивления грунту. При наличии тока и потенциальных электродов на удаленной земле и при условии, что измерения не зависят от взаимной связи или других помех, можно найти импеданс заземления. Этот метод включает в себя впрыскивание тока в систему заземления через электрод удаленного тока и измерение напряжения на различных расстояниях с помощью потенциального зонда.

Измерение требует тщательного размещения испытательных электродов, чтобы убедиться, что они находятся в «плоской» части потенциального профиля, где измерение относительно нечувствительно к положению зонда.Для больших систем заземления требуемое расстояние между электродами может быть существенным, иногда требуя проведения испытаний на несколько километров в длину.

Проблемы измерения и источники ошибок

Ошибки взаимного импеданса, возникающие в результате параллельной ориентации испытательных проводников, могут быть аппроксимированы формулой Карсона для бесконечных проводников, однако точность будет зависеть от длины параллельного интервала проводника, частоты и приближения сопротивления земли.Несколько факторов могут вносить ошибки в измерения сопротивления грунта, включая взаимную связь между выводами испытаний, помехи от близлежащих линий электропередач, сезонные изменения сопротивления почвы и неадекватное расстояние электродов.

Измерения напряжения прикосновения и шага

Помимо измерений сопротивления, фактические напряжения касания и шага могут быть измерены во время поэтапных испытаний на неисправность. Эти измерения обеспечивают прямую проверку того, что система заземления соответствует критериям безопасности в реалистичных условиях. Однако поэтапные испытания на неисправность требуют тщательного планирования и мер предосторожности, поскольку они включают намеренное создание условий неисправности на подстанции.

Измерения обычно производятся с использованием специализированного оборудования, которое может безопасно измерять высокие напряжения при защите персонала. Результаты сравниваются с расчетными значениями и пределами безопасности для проверки производительности системы. Любые расхождения между измеренными и рассчитанными значениями должны быть исследованы и могут указывать на ошибки в данных об удельном удельном весе почвы, геометрии сетки или предположениях о расчетах.

Стратегии оптимизации дизайна

Промышленные наземные сети подстанции переменного тока часто чрезмерно спроектированы из-за ограничений компьютерного программного обеспечения, трудностей в реалистичном моделировании параметров и неправильного применения коэффициента разделения, а чрезмерное проектирование приводит к более высоким затратам проекта из-за дополнительных необходимых материалов, таких как медь, дополнительные наземные стержни и больше недвижимости.

Баланс между безопасностью и стоимостью

Цель проектирования заземляющей системы заключается в обеспечении надлежащей безопасности при разумных затратах. Это требует тщательной оптимизации различных параметров конструкции, включая площадь сетки и расстояние между проводниками, размер и материал проводника, количество и размещение наземных стержней, материал и толщину поверхностного слоя, а также использование существующих ресурсов заземления.

Более крупные заземленные участки приводят к снижению сопротивления сетки и, следовательно, к снижению напряжения GPR и сетки. Однако расширение области сетки увеличивает материальные затраты и может быть непрактичным из-за ограничений участка. Аналогичным образом, более близкое расстояние между проводниками улучшает производительность, но требует большего количества материала проводника.

Использование существующей инфраструктуры

Система заземления может быть оптимизирована за счет использования доступных уферных оснований, таких как сваи и подножки. Бетонные электроды (уферные основания) могут обеспечить отличную производительность заземления и должны быть включены в проект, когда это доступно. Строительные фундаменты, накладки оборудования и другие бетонные конструкции со встроенной арматурой могут внести значительный вклад в общую систему заземления.

Для электрических и гражданских проектировщиков важно координировать свои действия друг с другом, чтобы обеспечить использование соответствующего грунта/засыпки и арматуру надлежащего размера в уферских землях, таких как опоры и сваи. Такая координация на этапе проектирования может привести к значительной экономии затрат и повышению производительности.

Итеративный процесс проектирования

Процедура проектирования группируется в четыре основных этапа, и обычно выполняется несколько итераций для достижения требований безопасности, данных стандартными правилами и правилами.Процесс проектирования обычно включает в себя начало с предварительной конструкции, основанной на опыте и эмпирических правилах, вычисление параметров производительности, включая сопротивление, сенсорные напряжения и степенные напряжения, сравнение результатов с критериями безопасности и изменение конструкции, если критерии не выполняются.

Этот итерационный процесс продолжается до тех пор, пока не будет найдено устройство, отвечающее всем требованиям безопасности при приемлемой стоимости. Компьютерные инструменты значительно облегчают этот процесс, позволяя быстро оценивать альтернативы конструкции. Анализ чувствительности может определить, какие параметры оказывают наибольшее влияние на производительность, направляя усилия по оптимизации.

Общие подводные камни и лучшие практики

Опыт работы с многочисленными конструкциями заземляющих систем выявил распространенные ошибки и установил передовые методы, которые повышают надежность и безопасность.

Вопросы качества данных

Некачественные входные данные, возможно, являются наиболее распространенным источником ошибок в расчетах заземления. Для рассматриваемой системы заземления требуются точные данные о полях (например, удельное сопротивление почвы), а также приемлемые диапазоны для проектных переменных. Измерения удельного сопротивления почвы должны быть недавними, репрезентативными для фактических условий участка и приниматься на соответствующих глубинах и местах.

Использование общих или предполагаемых значений сопротивления грунта без конкретных измерений участка может привести к значительным ошибкам. Аналогично, неточные данные геометрии сетки или неправильные значения тока разлома дадут ненадежные результаты. Принцип "мера дважды, разрезано" полностью применим к проектированию системы заземления.

Непонимание критериев безопасности

Подстанции с низким сопротивлением не являются показателем безопасной конструкции, а подстанция с высоким сопротивлением не обязательно является показателем небезопасной конструкции. Распространенное заблуждение заключается в том, что достижение определенного значения сопротивления (например, 1 Ом или 5 Ом) автоматически обеспечивает безопасность. В действительности безопасность зависит от соотношения между током разлома, сопротивлением грунту и полученными напряжениями касания и шага.

В некоторых случаях, особенно при высоком удельном сопротивлении почвы, может быть невозможно или непрактично достичь очень низких значений сопротивления, но система все еще может быть безопасной, если применяются надлежащие методы проектирования.

Пренебрежение текущим отделом

Неспособность должным образом учесть разделение тока через коэффициент сплита может привести к чрезмерно консервативным конструкциям. Сплит-фактор должен быть рассчитан на основе фактической конфигурации системы, включая провода накладного экрана, нейтралы распределения и другие пути возврата. Предполагая, что весь ток разлома течет через локальную систему заземления, когда существуют значительные пути возврата, приводит к излишне дорогим конструкциям.

Качество установки

Даже лучшая конструкция может выйти из строя, если качество установки плохое. Проверка сеточной системы начинается с осмотров схемы планировки станции, показывающей все основное оборудование и конструкции, а площадь заземления системы является единственным важнейшим геометрическим фактором при определении сопротивлений сетки. Все соединения должны быть правильно выполнены с использованием утвержденных методов и материалов, проводники должны быть захоронены на указанной глубине, сетка должна покрывать предполагаемую площадь, а наземные стержни должны быть приведены на указанную глубину.

Контроль качества при монтаже имеет важное значение. Проверки должны удостовериться в том, что построенная система соответствует чертежам конструкции и что все соединения механически и электрически звукоустойчивы. Экзотермическая сварка часто указывается для критических соединений для обеспечения долгосрочной надежности.

Особые соображения для различных типов подстанций

Хотя стандарт IEEE 80 предоставляет общие рекомендации, применимые к большинству подстанций, различные типы установок имеют уникальные соображения, которые влияют на расчеты импеданса и проектирование заземления.

Газоизолированные подстанции (ГИС)

В случае помещений с газовой изоляцией может вызывать озабоченность воздействие циркулирующих токов корпуса. ГИС-установки имеют металлические корпуса, которые переносят токи разлома и могут создавать уникальные проблемы заземления. Заземления должны быть надлежащим образом заземлены и соединены для предотвращения опасных напряжений, а система заземления должна учитывать распределение тока через корпуса.

Компактный характер ГИС-установок часто означает меньшие наземные сетки, что может сделать достижение низкого сопротивления более сложным. Однако уменьшенная площадь также означает более низкое воздействие на осязание и напряжение шага в некоторых случаях. Особое внимание следует уделять заземлению секций корпуса и сцеплению между секциями.

Распределительные подстанции

На подстанциях с меньшим распределением обычно приемлемый диапазон составляет от 1-5 Ом, в зависимости от местных условий. Распределительные подстанции обычно имеют более низкие токи разлома, чем передающие подстанции, что может упростить требования к заземлению. Однако они также могут иметь меньшие следы и более жесткие бюджетные ограничения.

Конструкция заземления должна учитывать специфические характеристики распределительных систем, включая наличие многозаземленных нейтралов, подключение к системе распределения полезности и потенциал для передаваемых напряжений через соединения с клиентами. Расчет коэффициента разделения особенно важен для распределительных подстанций.

Подстанции генерирующих станций

Генерирующие станции представляют уникальные проблемы из-за больших токов неисправностей, доступных от генераторов и сложных устройств оборудования. Система заземления должна обрабатывать не только неисправности системы передачи, но и неисправности генератора, которые могут иметь различные характеристики. Стандарт IEEE 665 обеспечивает дополнительное руководство, конкретное для заземления генерирующей станции.

Наличие крупных вращающихся машин вносит дополнительные соображения, включая напряжения вала и несущие токи. Система заземления должна быть спроектирована таким образом, чтобы свести к минимуму циркулирующие токи, которые могут повредить оборудование, при этом обеспечивая адекватные пути тока разлома.

Документация и ведение записей

Надлежащая документация по проектированию и установке системы заземления имеет важное значение для будущего технического обслуживания, модификации и устранения неполадок.Полные записи должны включать данные испытаний на сопротивление грунта с местами и датами, расчеты и предположения по конструкции, встроенные чертежи, показывающие фактические местоположения и соединения проводников, спецификации материалов и отчеты об испытаниях, а также результаты измерений в результате испытаний на ввод в эксплуатацию.

Эта документация служит нескольким целям, включая предоставление исходных условий для будущих измерений для обнаружения деградации, поддержку модификаций или расширений подстанции, демонстрацию соответствия стандартам и правилам и облегчение устранения неполадок, если возникают проблемы. Цифровые записи с интеграцией географической информационной системы (ГИС) становятся все более распространенными и предоставляют мощные инструменты для управления информацией системы заземления.

Техническое обслуживание и периодические испытания

Системы заземления требуют периодического осмотра и тестирования для обеспечения постоянной производительности. Со временем коррозия может повышать устойчивость, соединения могут ухудшаться, а условия почвы могут меняться. Программа технического обслуживания должна включать визуальные проверки доступных соединений и проводников, периодические измерения сопротивления для обнаружения изменений, исследование любых аномалий или неожиданных результатов и корректирующие действия, когда производительность ухудшается ниже приемлемых уровней.

Частота испытаний зависит от критичности установки, условий окружающей среды и нормативных требований. Многие коммунальные службы проводят измерения сопротивления грунту каждые несколько лет в рамках программ рутинного обслуживания. Более частые испытания могут быть оправданы в суровых условиях или для критических установок.

Нормативно-правовое соответствие и стандарты

Хотя стандарт 80 IEEE предоставляет всеобъемлющие технические рекомендации, проектировщики должны также учитывать другие применимые стандарты и правила. Национальные и международные стандарты, а также местные правила были разработаны для определения требований к проектированию земной сетки и определения соответствующих параметров.

Связанные стандарты включают IEEE Std 367-1996, IEEE Рекомендуемая практика определения потенциала наземной застройки электрической мощности и индуцированного напряжения от разлома мощности, IEEE Std 81-2012, IEEE Руководство по измерению сопротивления земли, импеданса земли и потенциалов поверхности земли наземной системы и IEEE Std 142-1991, IEEE Рекомендуемая практика заземления промышленных и коммерческих энергетических систем (IEEE Green Book).

Местные электрические коды и стандарты полезности могут устанавливать дополнительные требования, выходящие за рамки требований стандарта IEEE 80. Дизайнеры должны быть знакомы со всеми применимыми требованиями и обеспечивать соответствие конструкций самым строгим критериям. В некоторых случаях нормативные требования могут указывать минимальные размеры проводников, максимальные значения сопротивления или конкретные методы установки, которые должны соблюдаться.

Будущие тенденции и новые технологии

Область заземления подстанции продолжает развиваться с новыми технологиями и улучшенным пониманием. Передовые материалы, такие как проводящий бетон и графит-усиленный засыпочный материал, предлагают потенциал для повышения производительности в сложных условиях почвы. Эти материалы могут снизить эффективное сопротивление почвы вокруг проводников и обеспечить более стабильную долгосрочную производительность.

Улучшенные методы измерения, включая анализ частотных областей и временное тестирование, обеспечивают лучшую характеристику поведения системы заземления в различных условиях. Эти методы могут выявить частотные эффекты и помочь более точно проверить компьютерные модели.

Интеграция с технологиями интеллектуальных сетей позволяет осуществлять непрерывный мониторинг производительности заземляющей системы. Датчики могут обнаруживать изменения сопротивления или возникновение наземных неисправностей, обеспечивая раннее предупреждение о потенциальных проблемах. Такой подход к прогнозному обслуживанию может предотвращать сбои и оптимизировать графики технического обслуживания.

Контрольный список практических мер по осуществлению

Для обеспечения успешного выполнения расчетов импеданса IEEE Standard 80 и проектирования системы заземления следуйте этому всеобъемлющему контрольному списку:

Предпроектный этап

Фаза проектирования

Фаза установки

Фаза ввода в эксплуатацию

Текущее техническое обслуживание

Заключение

Расчет импеданса по стандарту IEEE 80 представляет собой комплексный процесс, требующий тщательного внимания к деталям, точного сбора данных и правильного применения установленных формул и методов.Процесс включает в себя понимание фундаментальных концепций сопротивления и реактивности, сбор точных данных об удельном сопротивлении почвы и системы, расчет сопротивления грунта с использованием проверенных формул, определение реактивных компонентов при значительном значении, объединение сопротивления и реактивности для нахождения общего импеданса, проверку соответствия критериев безопасности для напряжений касания и шага и оптимизацию конструкции для экономической эффективности при сохранении безопасности.

Понимание стандарта IEEE Std. 80 позволяет инженеру обеспечить экономически эффективную, безопасную и надежную систему заземления. Стандарт обеспечивает строгую основу для обеспечения того, чтобы системы заземления подстанции могли безопасно рассеивать токи разломов без создания опасных градиентов напряжения, которые могут нанести вред персоналу.

Успех в проектировании заземляющей системы требует не только математического мастерства, но и инженерного суждения, понимания поведения почвы, знания работы электрической системы и внимания к практическим соображениям установки.Компьютерные инструменты значительно облегчают процесс расчета, но не могут заменить фундаментальное понимание задействованных принципов.

Следуя системному подходу, изложенному в стандарте IEEE 80, и применяя методы расчета, описанные в этом руководстве, инженеры могут проектировать заземляющие системы, которые обеспечивают надежную защиту как персонала, так и оборудования на протяжении всего срока службы подстанции. Инвестиции в надлежащее проектирование и установку дают дивиденды в области безопасности, надежности и душевного спокойствия.

Для получения дополнительной информации и подробных технических спецификаций, проконсультируйтесь с полным документом IEEE Standard 80-2013, а также с соответствующими стандартами, такими как IEEE Standard 81 для методов измерения и IEEE Standard 367 для расчетов наземного потенциала. Профессиональные организации, такие как Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) предлагают учебные курсы, вебинары и технические ресурсы для поддержки инженеров, работающих в этой критической области.