Заземляющее устройство электрооборудования в грунтах высокого удельного сопротивления Российский патент 2024 года по МПК H01R4/66 

Заземляющее устройство электрооборудования в грунтах высокого удельного сопротивления предназначено для заземления электрооборудования, в качестве защитных мер электробезопасности и создания необходимых режимов работы электрических сетей.

Известно заземляющее устройство и защитные меры электробезопасности [1], состоящее из горизонтального заземлителя, из металлической полосы и уложенной в траншее, с параметрами в среднем 1×0,5 метра и по длине распределительного устройства, а также вертикальные заземлители из металлопроката (уголок или круглое сечение), приваренные сваркой к горизонтальному заземлителю, с шагом определяемого расчетно.

Недостатком заземляющего устройства [1] является то, что оно не может оптимально использоваться в грунтах высокого удельного сопротивления.

Глубина укладки вертикального заземлителя в соответствии с расчетом, общее сопротивление растекания тока через заземлители (вертикальные и горизонтальные) используются нормированные [1;3]. Например, на электрических подстанциях 10/0,4 кВ; 35/10 кВ; 110/35/10 кВ сопротивление заземляющего устройства строго регламентируется по величине на основании ПУЭ [1]. Так на подстанциях ПО кВ и выше должно быть не более 0,5 Ом. На сложных грунтах с большим омическим сопротивлением, таких как скальные породы, пески, каменные, гравийные и др., добиться норматива экономически и технически сложно.

Известно заземляющее устройство (ЗУ) [2] на линиях электропередач. Недостатком [2] является то, что коэффициент влияния смежных вертикальных заземлителей увеличивает расчетное сопротивление заземляющего устройства.

Заземляющие устройства [1;2;3] представляются из последовательно соединенных сопротивлений первого и второго, состоящих из трех соединенных параллельно между собой. Первое - это часть общего сопротивления искомого ЗУ, величина сопротивления которого отражает функцию взаимного влияние протекающих импульсных токах, в смежных заземлителях. Второго, состоящего из трех соединенных параллельно между собой сопротивлений. Первая из трех сопротивлений отражает величину сопротивления, как функцию от изменения проводимости грунта в месте сооружения ЗУ. Второе, из трех сопротивлений отражает величину сопротивления, как функцию от изменения количества вертикальных конструкций заземлителей в месте сооружения ЗУ. Третье, из трех сопротивлений, отражает величину сопротивления, как функцию от изменения количества горизонтальных конструкций заземлителей в месте сооружения ЗУ [1;2;3]. Если величины тройки параллельных сопротивлений предсказуемы от реального количества металлопроката физических и химических свойств грунта, то величина первого сопротивления является функцией величин и направлений токов в смежных заземлителях. Методологией предусматривается уменьшение общей величины сопротивление ЗУ путем уменьшения величины первого сопротивления, которая зависит от тока и его направления, за счет изменения направлений токов в смежных заземлителях.

В частности, затраты могут составлять до четверти стоимости всего объекта с большим расходом металла в грунте. Для достижения цели одним из мероприятий является сокращение шага расстановки между вертикальными электродами заземляющего устройства, что в свою очередь, приводит к понижению величины коэффициента влияния. Коэффициент влияния определяется по нормативным таблицам [1;2;3], величина которого находится в интервале от 0,4-0,8. Величина в сторону уменьшения коэффициента зависит от уменьшения шага расположения между вертикальными электродами.

Физическая сущность коэффициента влияния заключается в том, что ток растекания по одному, например, вертикальному электроду, приводит к возникновению противоположного индукционной ЭДС в смежном расположенном вертикальном электроде, увеличивая сопротивления току растекания.

Целью предлагаемого технического решения является уменьшение величины сопротивления заземляющего устройства электрооборудования от климатического влияния, а также уменьшение электромагнитного влияния от токов растекания в смежных заземляющих металлических проводниках.

Цель технического решения достигается тем, что заземляющие устройства электрооборудования в грунтах высокого удельного сопротивления, состоящие из горизонтальных и вертикальных заземляющих металлических проводников, уложенных на глубину более активного слоя с учетом климатического просыхания и промерзания грунта, при этом горизонтальные заземляющие проводники расположены попарно дистанцированно друг от друга, при чем к первому прямому заземляющему проводнику подключены корпуса электрооборудования, а ко второму обратному заземлителю не подлежит подключение корпусов электрооборудования, при этом вертикальные заземлители имеют V или U-образные формы, уложенные расчетным шагом вдоль горизонтальных заземлителей, а концы с направлением проводников вниз, в глубину, подключаются сваркой к первому прямому горизонтальному заземлителю, и концы проводников, имеющих направление снизу вверх, подключаются сваркой ко второму обратному заземлителю.

В классическом исполнении (монтаже) вертикальных электродов разность потенциалов на них определяется [1;2;3]:

где L₁ Гн- индуктивность первого вертикального электрода;

производная тока в первом вертикальном электроде по времени.

составляющая взаимоиндукции на смежном электроде от тока во втором электроде.

Активной составляющей условно пренебрегаем и допускаем равенство токов в двух смежных вертикальных электродах.

Предлагаемым техническим решением является подбор конфигурации конструкции заземляющего устройства и распределение токов в ней, которое приведет к уменьшению индукционной противоположной ЭДС.

В классическом понимании (активной составляющей условно пренебрегаем) напряжение в вертикальном электроде (первый вариант):

С учетом предлагаемого решения напряжение будет (второй вариант):

где U_I по второму варианту меньше, чем U_I по первому варианту.

Знак (во втором варианте), отражает направление тока в одном вертикальном электроде относительно смежном вертикальном электроде.

На один вертикальный электрод (Фиг. 1а; б) подключается к горизонтальному заземлителю (прямой) от электротехнического оборудования, например, от силового трансформатора, к верхнему оголовку. На другой вертикальный электрод подключается к горизонтальному заземлителю (обратный) от того же оборудования, но на нижний оголовок.

Инновационный подход в части конструкций заземляющих устройств, заключающийся в разнонаправленности распределения токов в элементах ЗУ (для повышения величины коэффициента влияния в расчетном сопротивлении), позволяет расширить создание конструктивного ряда ЗУ.

Для упрощения изложения сущности рассматриваем систему заземляющих устройств и двух вертикальных электродов, удаленных друг от друга с определенным «шагом» [1;2;3]. При этом задачей является создание в двух упомянутых электродах разнонаправленных токов растекания, что снижает влияние электромагнитной индукции двух параллельных вертикальных электродов, то есть коэффициент влияния в рассматриваемом примере будет практически равным 1,0.

Общее сопротивление вертикальных и горизонтальных электродов соответственно [1;2;3]:

где R_B (Ом);

R_г (Ом);

n - количество вертикальных электродов;

η - коэффициент влияния.

Результирующее сопротивление ЗУ:

где ψ - коэффициент учитывает сезонные изменения удельного сопротивления грунта.

Как видно, при традиционном монтаже составляющая увеличивает потенциал, чем ближе друг к другу располагаются смежные вертикальные электроды, тем меньше влияние (0,4 до 0,8), поскольку находятся в знаменателе, то снижение их величины влечет к увеличению результирующего сопротивления ЗУ, что напрямую увеличивает затраты металла и стоимость ЗУ. При рекомендуемом монтаже составляющая со знаком минус означает, что уменьшается потенциал, то есть при постоянстве тока, сопротивление ЗУ - уменьшается. Изложенный принцип показывает экономическую эффективность для использования в ЗУ, расположенных «плохих» грунтах системы электроснабжения.

Данным техническим решением прилагается (Фиг. 2) реализация, на поясняющих Фиг 1 а; б.

На Фиг. 2 приведено:

1 - траншея горизонтального заземлителя;

2 - горизонтальный заземлитель (прямой);

3 - горизонтальный заземлитель (обратный);

4 - вертикальные заземлители;

5 - места сварочных соединений вертикальных и горизонтальных заземлителей;

6 - углубление для вертикальных заземлителей.

Использованные источники

1. Правила устройства электроустановок. Шестое и седьмое издание. Сибирское университетское издательство. 2011 - 484 с.

2. Ахметшин Р.С. Воздушные линии электропередачи [Текст]: учебное пособие/Р.С. Ахметшин, Л.М. Рыбаков, Н.Л. Макарова. - Йошкар-Ола: МарГУ, 2014. - 152 с.

3. AkhmetshinR.S.[KiiaflzovA.A.NasibulUnR.T.]MethodIncreasingtheReliabiHtyofthe SoilMeasuredSpecificElectricalResistance in the Field//2019 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies//October2019.DOI:10.1109/FarEastCon.2019.8934055.Hay4Hafl статья SCOPUS.

Заземляющее устройство электрооборудования в грунтах высокого удельного сопротивления предназначено для заземления электрооборудования в качестве защитных мер электробезопасности и создания необходимых режимов работы электрических сетей. Физическая сущность коэффициента влияния заключается в том, что ток растекания по одному, например, вертикальному электроду, приводит к возникновению противоположного индукционной ЭДС в смежном расположенном вертикальном электроде, увеличивая сопротивления току растекания. Техническим результатом предлагаемого технического решения является уменьшение величины сопротивления заземляющего устройства электрооборудования от климатического влияния, а также уменьшение электромагнитного влияния от токов растекания в смежных заземляющих металлических проводниках. 2 ил.

Заземляющее устройство электрооборудования в грунтах высокого удельного сопротивления, состоящее из горизонтальных и вертикальных заземляющих металлических проводников, уложенных на глубину активного слоя с учетом климатического просыхания и промерзания грунта, отличающееся тем, что горизонтальные заземляющие проводники расположены попарно дистанцированно друг от друга, причем к первому прямому заземляющему проводнику подключены корпуса электрооборудования, а ко второму обратному заземлителю не подлежит подключение корпусов электрооборудования, при этом вертикальные заземлители имеют V или U-образные формы, уложенные расчетным шагом вдоль горизонтальных заземлителей, а концы с направлением проводников вниз, в глубину, подключаются сваркой к первому прямому горизонтальному заземлителю, и концы проводников, имеющих направление снизу вверх, подключаются сваркой ко второму обратному заземлителю.