Я потратил годы на поставку подстанций американского типа, и если есть одна тема, которую постоянно недооценивают, так это заземление. Инженеры целыми днями говорят о трансформаторах и распределительных устройствах, а о системе заземления? Это та часть, которую вы не видите, пока что-то не пойдет не так. А когда что-то идет не так, это происходит очень плохо.
Давайте поговорим о том, что на самом деле происходит под гравием на американской подстанции.
Что на самом деле делает заземление
Прежде чем мы углубимся в компоненты, давайте проясним цель. Система заземления на подстанции предназначена не только для того, чтобы обеспечить возможность прохождения тока повреждения. Речь идет о контроле градиентов напряжения на объекте во время неисправности. При возникновении замыкания на землю в землю течет мощный ток. Этот ток создает разницу напряжений между точками на поверхности земли. Если эти различия станут достаточно высокими, человек, стоящий там, может стать частью потенциала шагового контура, и вы услышите термины «потенциал прикосновения».
Правильно спроектированная система заземления удерживает эти градиенты ниже опасных порогов. Все остальное — защита оборудования, рассеивание молний — вторично по отношению к сохранению жизни персонала.
Компоненты системы заземления
Наземная сеть — это основа
Забудьте просто «заземляющие стержни». Сердцем любой системы заземления американской подстанции является подземная сеть заземления. Это именно то, на что это похоже: сетка из голых медных проводников, обычно 4/0 AWG или больше, спрятанная на глубине от 12 до 18 дюймов под поверхностью и охватывающая всю площадь подстанции.
Эта сетка делает две вещи. Во-первых, он обеспечивает путь с низким импедансом для распространения токов повреждения в землю. Во-вторых – и это очень важно – это уравнивает потенциалы по всему участку. Во время неисправности все точки сети находятся под одинаковым напряжением, а это означает, что градиенты поверхностного напряжения контролируются.
Размер сети подбирается в зависимости от величины и продолжительности тока повреждения. Для повреждения 40 кА в течение 30 циклов требуется определенное сечение проводника. Уменьшите размер, и медь испарится. Я видел последствия этого. Это некрасиво.
Заземляющие стержни — интерфейс с землей
Одной сетки недостаточно. Вам нужны электроды, чтобы соединить эту сетку с окружающей почвой. Вот тут-то и приходят на помощь заземляющие стержни — обычно стальные, связанные медью, длиной от 8 до 10 футов, которые через определенные промежутки времени проезжают по участку и прикрепляются к сети.
В почве с высоким удельным сопротивлением вы можете увидеть более глубокие стержни - 40, 60 и даже 100 футов - или химически усиленные стержни с материалом засыпки для снижения сопротивления. Целью является достижение достаточно низкого комбинированного сопротивления сетки и электрода, чтобы ограничить рост напряжения во время неисправностей. Типичные целевые значения составляют 1 Ом или меньше, хотя состояние почвы иногда делает это невозможным.
Заземляющие проводники — связываем все вместе
Каждая единица оборудования в трансформаторных емкостях подстанции, корпусах выключателей, рамах распределительных устройств, воротах ограждения и даже нейтраль входящей линии электропередачи снова подключается к этой сети. В этих соединениях используется экзотермическая сварка (торговая марка Cadweld, которую вы услышите) или обжимка с высокой степенью сжатия. Болтовые соединения со временем подвергаются коррозии. Сварные соединения - нет.
Функции системы заземления
Система заземления на американских подстанциях выполняет несколько важных функций:
Безопасность персонала: контроль шагов и потенциального прикосновения
Это работа номер один. Сеть спроектирована с использованием IEEE 80, «Зеленой книги», в которой приведены формулы для максимально допустимых ступенчатых напряжений и напряжений прикосновения в зависимости от продолжительности повреждения и веса тела. Расстояние между сетками, размер проводников и глубина рассчитаны таким образом, чтобы во время неисправности напряжение между ногами человека (шаг) или между руками и ногами (касание) оставалось ниже смертельного порога.
Защита оборудования
На большинстве американских подстанций нейтрали трансформатора надежно заземлены. Во время неисправности система заземления обеспечивает обратный путь. Без этого замыкания между фазой и землей становятся межфазными замыканиями — гораздо более высокая энергия и гораздо больший ущерб. Система заземления также рассеивает энергию грозового перенапряжения и снимает статические заряды с экранированных кабелей.
Справочник по системе
Заземляющая сеть обеспечивает стабильное опорное напряжение для всей подстанции. Все фазные напряжения измеряются относительно этой земли. Это также помогает системам обнаружения обнаруживать замыкания на землю: если нейтраль заземлена, замыкание между фазой и землей создает свободный путь тока, который защитные реле могут обнаружить и прервать.
Аспекты проектирования: что на самом деле движет разработкой
Сопротивление почвы — неконтролируемая переменная
Вы можете создать идеальную сетку на бумаге, но будет ли она работать, решает почва. Измерения удельного сопротивления — первое, что делается на любой новой подстанции. Четырехконтактный метод Веннера предполагает стандартное подключение четырех датчиков в линию, подачу тока между двумя внешними, измерение напряжения между двумя внутренними и расчет удельного сопротивления.
Песчаная сухая почва может дать вам тысячи ом-метров. Мокрая глина может дать вам десятки. Сетка спроектирована вокруг того, что на самом деле находится в земле. Если удельное сопротивление слишком велико, вы добавляете стержни, расширяете сетку или используете химическую обработку.
Определение тока повреждения для наихудшего случая
Сеть должна выдержать максимальный ток повреждения, который может обеспечить энергоснабжение, в течение максимального времени отключения защитных устройств. Речь идет не только о тепловой мощности, но и о распределении тока. Во время неисправности ток не течет в сеть равномерно. Он концентрируется в точках инъекции. При проектировании необходимо учитывать эти градиенты, чтобы предотвратить локальный перегрев или опасное поверхностное напряжение.
IEEE 80-Библия
Каждый проект заземления американской подстанции, над которым я когда-либо работал, ссылается на IEEE Std 80, «Руководство по безопасности при заземлении подстанций переменного тока». Это непростое чтение, но оно содержит уравнения, методы и критерии приемки, которые определяют, безопасна ли система заземления. Симметричная сетка, расчеты расстояния, формулы допустимого напряжения — все взято из этого стандарта.
Угол NEC
К служебному входу и частям подстанции со стороны потребителя применяются национальные электротехнические нормы и правила (NEC). Это определяет такие вещи, как размер проводника заземляющего электрода, соединение отдельных систем и подключение к электродам водопроводных труб, если они существуют. Части, принадлежащие коммунальным предприятиям, часто следуют стандартам IEEE и специфичным для коммунальных предприятий стандартам, а не NEC, но границы могут размываться.
Сравнение с другими типами – не совсем в этом суть
Я вижу статьи, сравнивающие заземление американских подстанций сЕвропейская подстанция коробчатого типаиПодземная подстанция, и если честно, физика везде одинаковая. Различия заключаются не в фундаментальных принципах, а в стандартах, на которые ссылаются, и в типичных методах строительства. Европейские конструкции могут ссылаться на IEC 61936, но цели те же: низкое сопротивление, контролируемые градиенты, связанное оборудование. Реальная разница заключается в масштабе: американские передающие подстанции, как правило, больше по размеру, имеют более высокие токи повреждения и требуют более обширных сетей.
Техническое обслуживание: что на самом деле выходит из строя
Наземные сети заглублены. Вы не увидите, как они ржавеют. Вы не увидите ослабления связей. Единственный способ убедиться, что система по-прежнему не повреждена, — это провести тестирование.
Тестирование падения потенциала измеряет сопротивление сети. Измерения шагового потенциала и потенциала прикосновения подтверждают безопасность во время работы под напряжением. В тяжелых случаях вы можете провести раскопки, чтобы проверить соединения, или использовать электромагнитные методы для составления карты сети. Коррозия — это враг: разнородные металлы, кислая почва, блуждающие постоянные токи от близлежащих железных дорог или линий высокого напряжения — все это ускоряет ее.
Что я говорю клиентам
Если вы покупаете американскую подстанцию, вот что я хочу, чтобы вы спросили о системе заземления:
Каково целевое сопротивление сетки и как оно было рассчитано на основе реальных испытаний почвы на объекте?
Какой ток повреждения предполагался и какое время устранения?
Была ли конструкция проверена на предмет соответствия требованиям стандарта IEEE 80?
Все соединения выполнены экзотермической сваркой или используются механические проушины?
Каков план проверки и испытаний после установки?
Потому что вот правда – трансформер приедет блестящий и новый. Распределительное устройство будет иметь сертификаты испытаний. Система заземления будет засыпана грязью и забыта. Но когда случается неисправность, эта закопанная медь — единственное, что стоит между безопасным отключением электроэнергии и фатальным исходом.
Заключение
В заключение отметим, что система заземления на американских подстанциях является сложным и важным компонентом электрической инфраструктуры. Он играет жизненно важную роль в обеспечении электробезопасности, защите оборудования и поддержании стабильности системы. В качестве поставщикаАмериканская подстанцияЯ понимаю важность предоставления высококачественных систем заземления, отвечающих строгим нормативным требованиям и конкретным потребностям каждой подстанции.
Если вы ищете американскую подстанцию или вам необходимо модернизировать существующую систему заземления, я рекомендую вам обратиться к нам за консультацией. Наша команда экспертов может помочь вам спроектировать и установить надежную систему заземления, отвечающую вашим требованиям. Не стесняйтесь обращаться к нам, чтобы обсудить ваши потребности в закупках и начать процесс переговоров.
Ссылки
- IEEE Std 80-2013, Руководство IEEE по безопасности при заземлении подстанций переменного тока.
- Стандарт IEEE 81-2012, Руководство IEEE по измерению удельного сопротивления заземления, импеданса заземления и потенциалов поверхности земли в системе заземления.
- Национальный электротехнический кодекс (NFPA 70), статья 250 – Заземление и соединение.
