Учебная работа. Разработка алгоритма расчета параметров заземляющих устройств электроустановок Крайнего Севера при условии обеспечения их надежности

Учебная работа. Разработка алгоритма расчета параметров заземляющих устройств электроустановок Крайнего Севера при условии обеспечения их надежности

Министерство образования Русской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего проф образования

«Норильский промышленный институт»

Кафедра Теоретической электротехники

и электроснабжения компаний

Факультет ФЭ и ТО

Специальность 100400

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТУ

на тему Разработка метода расчёт характеристик заземляющих устройств электроустановок Последнего Севера при условии обеспечения их надёжности

Норильск, 2012

Министерство образования Русской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего проф образования

«Норильский промышленный институт»

Кафедра Теоретической электротехники

и электроснабжения компаний

ЗАДАНИЕ

по дипломному проектированию

1. Тема дипломного проекта: Разработка метода расчёта характеристик заземляющих устройств электроустановок Последнего Севера при условии обеспечения их надёжности (утверждена приказом по институту от «__»_______2012 г. №_______)

2. Срок сдачи студентом законченного проекта 25 мая 2012 г.

3. Начальные данные к проекту — материалы преддипломной практики по предприятию, нормативная и научная информация в области проектирования заземляющих устройств

4. Содержание объяснительной записки

4.1 Введение (формулировка цели работы, требований к разрабатываемому методу)

4.2 Анализ имеющихся алгоритмов расчета заземляющих устройств. Обоснование необходимости разработки метода расчёта характеристик заземляющих устройств при условии обеспечения их надёжности электроустановок Последнего Севера

4.3 Разработка метода расчёта характеристик заземляющих устройств при условии обеспечения их надёжности в электроустановках Последнего Севера.

4.4 Расчёт заземляющего устройства компании металлургической индустрии, размещенного в районе с вечномёрзлым грунтом.

4.5 Заключение.

4.6 Приложения.

4.7 Перечень литературы.

5. Список графического материала (с четким указанием неотклонимых чертежей).

5.1 Необходимость использования заземляющих устройств при обеспечении критерий электробезопасности.

5.2 Развитие математического аппарата, характеризующего обыкновенные и сложные заземлители в разных грунтах.

5.3 метод расчета характеристик заземляющих устройств при условии обеспечения их надежности в электроустановках Последнего Севера.

5.4 Главные способы измерения характеристик заземляющих устройств.

5.5 Главные способы предпроектных исследовательских работ грунта.

5.6 метод расчёта заземляющего устройства ГПП, вписанной в генплан компании.

5.7 Метод расчёта заземляющего устройства автономной ГПП.

6. Консультанты по проекту:

По электротехнической части____________________________

7. Дата выдачи задания «___»_________2012 г.

Управляющий __________________(подпись)

Задание принял к выполнению _________________(подпись студента)

РЕФЕРАТ

Дипломный проект содержит: 95 страничек, 6 таблиц, перечня литературы 37, 20 рисунков.

Тема дипломного проекта: Разработка метода расчётов характеристик заземляющих устройств электроустановок Последнего Севера при условии обеспечения их надёжности.

Цель работы: Произвести анализ имеющихся алгоритмов расчёта ЗУ и создать метод расчётов характеристик заземляющих устройств электроустановок Последнего Севера при условии обеспечения их надёжности.

Содержание: общие положения о имеющихся методах расчёта заземляющих устройств, обоснование необходимости определения характеристик надёжности при проектировании заземляющих устройств, разработка метода расчётов характеристик заземляющих устройств электроустановок Последнего Севера при условии обеспечения их надёжности и электробезопасности, применение метода, выводы, приложение, перечень литературы.

Содержание

Введение

1. Анализ имеющихся алгоритмов расчета заземляющих устройств. Обоснование необходимости разработки метода расчета характеристик заземляющих устройств при условии обеспечения их надёжности

1.1 Общие положения

1.2 способы расчёта обычных и сложных заземлителей в однородной и неоднородной среде

1.3 Обоснование необходимости определения характеристик надёжности при проектировании заземляющих устройств

2. Разработка метода расчета характеристик заземляющих устройств в электроустановках Последнего Севера при условии обеспечения их надежности

2.1 Обоснование и выбор характеристик нормирования уровней электробезопасности и характеристик надёжности сети заземления

2.2 Обоснование необходимости и выбор способа предпроектных изысканий

2.3 синтез математической модели расчёта заземляющих устройств в районах с огромным удельным сопртивлением грунта с учётом обеспечения их надёжности

2.3.1 Обоснование выбора конфигурации заземляющего устройства

2.3.2 Выбор математической модели для определения главных электронных черт заземляющего устройства

2.3.3 Выбор математической модели для определения характеристик надежности заземляющего устройства

2.3.4 Выбор способа контроля характеристик заземляющих устройств

2.4 Формулировка главных положений метода

3. Применение метода

Заключение

Перечень применяемой литературы

Приложения

Введение

Электрозащитная функция заземляющего устройства состоит в ограничении до допустимых пределов напряжения, под которое может попасть человек, прикоснувшийся к заземленному корпусу электроустановки (к железным конструкциям электроустановки, нормально не находящимся под напряжением), во время замыкания фазы на корпус либо землю, либо в обеспечении достаточной для срабатывания релейной защиты проводимости цепи замыкания находящихся под рабочим напряжением частей электроустановки на заземленный корпус либо землю.

Неувязка электробезопасности в электроустановках, сооружаемых и эксплуатируемых в критериях многолетнемерзлых грунтов, только многогранна, и ее высококачественное решение невообразимо без использования новейших достижений в области электротехники, геофизики, вычислительной арифметики и т. д. В протяжении практически всей истории электротехники вопросцам теории поля тока при замыканиях на землю, расчетам и эксплуатации заземляющих устройств уделялось большущее внимание. Развитие теории заземляющих устройств совершенствовалось с развитием взглядов на механизм поражения человека и звериных электронным током. Исследования электронного поля и черт заземлителей, оказывающих конкретное воздействие на напряжение, под которое могли попадать люди, обслуживающие электроустановки, с самого начала относились к группы сложных задач электротехники. Трудности обусловливались в главном сложностью электронной структуры земли, невыполнимостью получения достоверной инфы о строении грунта, изменчивостью характеристик земли зависимо от природно-климатических критерий: колебаний температуры, уровней грунтовых вод и т. д.

В базе всех разделов теории заземляющих устройств (математического описания их рабочего процесса, способов предпроектных изысканий, расчета, эксплуатационного контроля) лежит модель системы «заземлитель-земля». Модель, как понятно, обязана более много отражать воздействие причин, определяющих рассматриваемое явление, но их выделение может быть только методом исследования явления. В свою очередь, огромное воздействие на исследование явления оказывает развитие и улучшение моделей системы.

Применительно к заземляющим устройствам до реального времени в главном употребляли два вида моделей: математические, т. е. описания изучаемых явлений при помощи строго определенных математических знаков и операций над ними (при неких допущениях), и физические, т. е. такие вещественные системы, в каких изучаемые характеристики явления имеют такую же физическую суть, что и в оригинале.

Принципиальной абстракцией, очень упростившей ранешние аналитические исследования электронного поля заземлителей и его физическое моделирование, явилось способы исследования и расчёта электронных полей сложных заземлителей, состоящих из нескольких электродов, а именно, способ определения обоюдного потенциального воздействия их электродов. Бессчетные, в большей степени экспериментальные исследования обоюдного потенциального воздействия электродов сложных заземлителей привели к созданию справочных таблиц коэффициентов использования, коэффициентов напряжения прикосновения и шага.

способ расчета сопротивления сложных заземлителей с применением коэффициентов использования, но, не дозволял учесть главные конструктивные характеристики заземлителей (размеры и обоюдное размещение вертикальных и горизонтальных частей и т. д.), что привело к необходимости разработки аналитических способов расчета сложных заземлителей, основанных на применении математического аппарата теории поля. В согласовании с данной для нас теорией электронное поле сложного заземлителя находят аналитически как результирующее поле токов, выходящих в землю с его электродов. При всем этом потенциал в хоть какой точке места, окружающего заземлитель, получают наложением потенциалов, создаваемых токами электродов.

Токораспределение меж электродами сложного заземлителя определялось решением системы уравнений с своими и обоюдными сопротивлениями, подобными своим и обоюдным возможным коэффициентам в системе заряженных тел. Таковой подход к анализу электронного поля сложных заземлителей отдал возможность определять вместе с сопротивлением заземлителя и распределение потенциала на поверхности земли, а, как следует, и напряжение прикосновения и шага.

С ростом уровней напряжения электроустановок возросли значения токов замыкания на землю. При всем этом для обеспечения допустимых значений напряжения на заземлителе его сопротивление обязано было иметь ничтожно малую величину. Устройство таковых заземлителей почти всегда оказывалось на техническом уровне невозможным, тем наиболее в районах с огромным удельным сопротивлением грунта.

Наряду с общей теорией заземляющих устройств развивались и приближенные инженерные способы их расчета, очень упрощающие проектные работы, но обеспечивающие требуемую степень точности расчетных характеристик.

Обширное внедрение комплектных распределительных устройств привело к приметному уменьшению территорий электроустановок. Применение кабельных линий без железных оболочек изменило общую картину естественных протяженных заземлителей. В таковых критериях оказалось фактически неосуществимым при помощи обыденных заземлителей, размещаемых в границах площадей электроустановок, обеспечить требуемые нормами значения сопротивления и напряжения заземлителей относительно земли. Для заслуги требуемых нормами характеристик приходилось расширять местность, занимаемую заземлителем, или делать глубинные заземлители. И то и это приметно увеличивало стоимость заземляющих устройств.

Данное событие привело к применению в границах сравнимо маленьких территорий подстанций заземляющих сеток (в большей степени состоящих из горизонтальных частей), ограничивающих напряжения прикосновения и шага до неопасных величин. Но сопротивления и напряжения на заземлителе, как правило, при всем этом оказывались существенно выше нормируемых значений.

На основании опыта сооружения и эксплуатации заземляющих устройств сделалось видно, что почти всегда их свойства, отысканные расчетом, не совпадали с действительными значениями. Отличия достигали сотен процентов. анализ ошибок показал, что главным их источником было отсутствие подабающего учета настоящей неоднородности удельного сопротивления земли. сейчас в расчетах заземляющих устройств заместо проводящего полупространства с однородным удельным сопротивлением была введена [27] новенькая расчетная модель в виде полупространства, состоящего из 2-ух либо нескольких слоев земли с однородным в границах слоя удельным сопротивлением и поверхностями раздела меж слоями, параллельными границе полупространства.

«Двухслойная» расчетная модель в главном отражала конфигурации удельного сопротивления по глубине поверхностных слоев земли, вызванные, сначала, закономерными переменами влажности и температуры, и сыграла важную роль в развитии теории заземляющих устройств и в улучшении их технико-экономических характеристик.

совместно с тем введение двухслойной расчетной модели привело к необходимости употреблять при анализе электронного поля заземлителей еще наиболее непростой и массивный математический аппарат. Было использовано известное в геофизике решение краевой задачки о электронном поле точечного источника тока, находящегося в двухслойном проводящем полупространстве, и получены выражения для потенциала электронного поля и сопротивления обычных заземлителей (вертикального стержня, горизонтальной полосы, кольца), расположенных в земле с двухслойной электронной структурой.

Выполненные расчеты проявили, что при наличии двухслойной структуры земли определения удельного сопротивления земли на площадках, созданных для сооружения заземляющих устройств, при помощи одиночного «пробного» электрода либо однократным измерением по четырехэлектродной схеме является одной из основных обстоятельств значимых расхождений меж расчетными и действительными значениями черт заземлителей.

Не считая того, источником значимых ошибок при проектировании заземляющих устройств были поправочные (сезонные) коэффициенты, учитывающие вероятное повышение измеренного удельного сопротивления земли вследствие промерзания грунта. Сезонные коэффициенты также не учитывали воздействия размеров и конструкции заземлителей на удельное сопротивление. Коренной пересмотр сложившейся теории заземляющих устройств, способов их расчета, проектирования и эксплуатационного контроля стал неизбежен.

Предстоящее развитие теории заземляющих устройств пошло в 2-ух главных направлениях:

— разрабатывали теоретические базы способов расчета заземлителей в земле с неоднородным удельным сопротивлением грунта;

— делали и улучшали способы определения расчетных значений характеристик электронной структуры земли на площадках, созданных для сооружения заземлителей.

Результатом разработок явилось подтверждение принципа соответствия электронных полей, позволившее получить четкое решение задачки о установившемся электронном поле неких одиночных заземлителей, имеющих форму тел вращения (вытянутый и сплюснутый полуэллипсоиды, полусфера) и расположенных в земле с очень сложными электронными структурами. Применительно к сложным заземлителям был разработан и получил полное теоретическое обоснование способ наведенного потенциала, включавший в качестве личных случаев известные способы среднего потенциала в соответствующей точке.

На базе способа наведенного потенциала был разработан метод расчета электронного поля и сопротивления эквипотенциальных сложных заземлителей, работающих в земле с двухслойной электронной структурой. Бессчетные сравнения результатов расчетов по этому методу с данными, приобретенными в критериях натурного и физического моделирования, подтвердили высшую точность метода.

Приметную роль в развитии теоретической базы нетрудоемких способов расчета сыграли работы [28, 29] по обоснованию критериев подобия заземлителей. Недочет этого способа заключался в необходимости употреблять бессчетные графические зависимости эквивалентного удельного сопротивления двухслойной земли от характеристик ее электронной структуры и геометрических размеров заземлителей или сложные аппроксимирующие непознаваемые функции.

Развитие теории нетрудоемких расчетов сложных заземляющих устройств привело к разработке способа, основанного на тесноватой корреляционной связи меж взятыми в форме критериев подобия некими обобщенными конструктивными параметрами сложных заземлителей и их сопротивлением или большим значением напряжения до прикосновения. В предстоящем аналитическая форма связи меж обобщенными конструктивными параметрами сложных заземлителей и их сопротивлением и большим значением напряжения до прикосновения была применена в методе приближенной оптимизации (по аспекту серьезных издержек) конструкции сложных заземлителей.

Но накопившийся опыт сооружения и эксплуатации заземляющих устройств и улучшение способов вертикального электронного зондирования земли внушительно проявили, что интерпретация данных измерений приводит в главном не к двухслойной, а мультислойной модели структуры грунта. Потому теоретическая база последующих разработок стала развиваться в 3-х направлениях:

— во-1-х, разрабатывали способы преобразования мультислойной структуры земли к эквивалентной двухслойной;

— во-2-х, стремились употреблять при расчете заземлителей конкретно кривые вертикального электронного зондирования (ВЭЗ) без подготовительной интерпретации. Сущность данной для нас идеи [30] заключалась в том, что при применении двухэлектродной установки ВЭЗ практически определяют зависимость обоюдного сопротивления меж 2-мя точечными электродами от расстояния меж ними. Предполагалось эту зависимость употреблять прямо в способе наведенного потенциала [31]. На основании данной идеи был разработан уникальный способ расчета заземляющих сеток в мультислойной земле. Но, к огорчению, данная мысль оказалась неприменимой для вертикальных электродов (а таковых электродов, как понятно, большая часть);

— в-3-х, главным направлением сделалось развитие способа наведенного потенциала применительно к расчету сложных заземлителей, расположенных в в земле с мультислойной электронной структурой.

анализ алгоритмов, разработанных для определения характеристик заземляющих устройств показал, что они разрешают найти все главные свойства сети заземления, содействующие выполнению ею собственных главных функций: ограничении до допустимых пределов напряжения, под которое может попасть человек; обеспечение достаточной для срабатывания релейной защиты проводимости заземляющего устройства. Но методика расчётов заземляющих устройств не даёт гарантий надёжности как самого заземляющего устройства, так и выполнения им возложенных на него функций. В связи с сиим возникает необходимость разработки метода, учитывающего характеристики надежности работы заземляющей сети при выполнении ею собственных рабочей и электрозащитной функций.

1. анализ имеющихся алгоритмов расчета заземляющих устройств. Обоснование необходимости разработки метода расчета характеристик заземляющих устройств при условии обеспечения их надёжности

1.1 Общие положения

метод — метод (программка) решения вычислительных и остальных задач, буквально предписывающий, как и в которой последовательности получить итог, совершенно точно определяемый начальными данными. метод расчета характеристик заземляющих устройсв постоянно состоял из постоянных укрупненных блоков:

1) исследование особенностей растекания поля с электродов различной формы в разных средах;

2) разработка математического аппарата для обработки данных с целью получения картины конфигурации потенциала на поверхности земли;

3) разработка технических и организационных мероприятий для обеспечения электробезопасности;

Комплекс расчетов совершенствовался по мере скопления опыта эксплуатации электроустановок, развития новейших математических законов, познаний о структуре земли, конфигурации взглядов на механизм поражения человека электронным током, совершенствования измерительной аппаратуры и средств обработки начального материала. В связи с сиим при строительстве заземляющих устройств возникла возможность учесть индивидуальности строения грунтовой структуры земли разных районов и изменение ее черт зависимо от природно-климатических критерий.

Но уточнение критерий поставленной задачки при расчете характеристик заземляющих устройств сложных заземлителей в мультислойной среде привело к огромным трудностям, заключающимся в массивном математическом аппарате, учитывающем все слои грунта и размещение отдельных частей заземлителя. Объём вычислений, как правило, не оправдывал себя и исходя из требований, предъявляемых к заземляющему устроству, привел к необходимости улучшить задачку расчета по разным аспектам: аспекту хороших издержек; оптимизации напряжения прикосновения; обеспечению меньшего сопротивления заземляющего устройства.

Опыт эксплуатации электроустановок в районах Последнего Севера обосновал, что расчет характеристик заземлителей не по прямому аспекту электробезопасности — величине допустимого значения тока в цепи человека, а как следует, величине напряжения прикосновения — не только лишь не охарактеризовывает настоящие неопасные условия эксплуатации электроустановок, да и приводит к значимым никчемным затратам на проектирование и сооружение заземляющих устройств [33].

При оптимизации расчетов характеристик заземляющих устройств по прямым аспектам электробезопасности сделали вывод, что обеспечение меньшего сопротивления заземляющего устройства в районах с огромным удельным сопротивлением грунта просит большущих издержек, а иногда эта задачка оказывается совершенно неосуществимой. Более применимым аспектом при оптимизации расчетов характеристик заземляющих устройств для таковых районов оказалось обеспечение допустимого напряжения прикосновения.

Для понижения издержек на проектирование заземляющих устройств появилась необходимость в разработке наиболее обычных способов расчета. один из способов упрощения расчетов — приведение мультислойной структуры грунта к эквивалентной двухслойной. Расчет характеристик заземляющих устройств при всем этом влечёт за собой пренебрежительно малые погрешности в процессе вычислений. метод определения электронных черт сложных заземлителей в двухслойной земле довольно просто реализуется на известном математическом аппарате, содержащем последующие виды расчетов:

1) определение обоюдных и собственных сопротивлений частей;

2) расчет токораспределения меж элементами заземлителя и его сопротивления;

3) определение обоюдных сопротивлений частей и точки М на поверхности земли;

4) расчёт напряжений прикосновения UП и шага UШ в данных точках М на поверхности земли.

На основании данного метода создано огромное количество облегченных инженерных методик, позволяющих найти электронные свойства сложных заземлителей с малой погрешностью. К таким относятся фактически все способы расчета сопротивлений заземлителей различной конфигурации, проектируемые в районах с огромным удельным сопротивлением грунта, имеющим слоистую структуру.

1.2 способы расчёта обычных и сложных заземлителей в однородной и неоднородной земле

Огромное количество заземлителей условно делят на две группы. К первой группе относят обыкновенные заземлители, состоящие вссего из 1-го электрода, выполненного, к примеру, в виде полусферы, вертикального либо горизонтального радиального цилиндра, круглой пластинки, тора (кольца) и т.д. 2-ая группа включает сложные заземлители, состоящие из разных композиций горизонтальных и вертикальных электродов (стержней, уголков, полос и т. п.). Если все электроды (элементы) сложного заземлителя размещены горизонтально и образуют в плане замкнутый контур с внутренними перемычками, то его именуют заземляющей сетью, а при наличии также и вертикальных электродов — комбинированным заземлителем.

Строгие математические способы решения задачки о электронном поле и главных свойствах обычных заземлителей разработаны только для немногих личных случаев их геометрии, к примеру для неких тел вращения с осью, перпендикулярной поверхности земли: полусфера, вытянутый и сплюснутый эллипсоид, тор.

Первым был использован способ, основанный на использовании естественной системы координат. Систему криволинейных ортогональных координат именуют естественной, если одно из семейств координатных поверхностей, к примеру q1 = const (рис. 1.1), также является семейством поверхностей уровня рассматриваемой скалярной функции, к примеру электронного потенциала (в предстоящем изложении принято, что конкретно координатные поверхности q1 = const принадлежат к тому же семейству, что и эквипотенциальные).

Рис. 1.1. К понятию “естественные координаты”

Основная изюминка и удобство естественной системы координат заключаются в том, что личные производные по двум иным координатам, т. е. по q2 и q3 будут тождественно равны нулю. Это конкретно следует из того, что координатные полосы q2 и q3 постоянно лежат на координатной поверхности q1, как следует, и на эквипотенциальной. При всем этом основное уравнение div, являющееся в общем случае очень сложным трехмерным, потому что потенциал зависит от 3-х координат, преобразуется в обыденное одномерное дифференциальное уравнение второго порядка, зависящее только от одной координаты q1:

, (1.1)

где Н1, Н2, Н3 — коэффициенты Ламэ:

;

;

.

Если земля принята однородной, то уравнение (1.1) упрощается и приобретает вид

(1.2)

Поочередно интегрируя уравнение (1.2), находят

(1.3)

Неизменные интегрирования определяют по граничным условиям. 1-ое граничное условие устанавливает равенcтво потенциала на поверхности заземлителя (при q1= q1,0) значению 3, т. е

(1.4)

2-ое граничное условие состоит в стремлении к нулю на бесконечности (при q1?). При всем этом

(1.5)

Решение системы уравнений (1.4), (1.5) дает значения неизменных А и В.

ток Iз, выходящий из заземлителя в однородную землю, находят как поток вектора плотности тока через поверхность заземлителя S3

, (1.6)

где — удельная проводимость однородной земли.

При решении определенных задач учитывают, что элемент dS поверхности заземлителя равен Н2Н3dq2dq3 при q1,0 и интегрирование проводят по всей области определения q2 и q3.

Введение естественных координат — математический способ, имеющий, но, сравнимо неширокую область внедрения. Вправду, внедрение естественных координат может быть только тогда, когда известны все характеристики семейства поверхностей, к которому они принадлежат, и когда потому могут быть определены коэффициенты Ламэ. Как следует, должны быть заблаговременно известны и геометрические характеристики эквипотенциальных поверхностей во всей области существования электронного поля заземлителя, начиная от его поверхности. Это событие и ограничивает вероятное применение способа естественных координат только ординарными заземлителями, имеющими форму гладких тел вращения.

2-ой способ основан на подмене заземлителя обилием (совокупой) точечных источников тока и таковым подбором их тока, при котором одна из эквипотенциальных поверхностей результирующего электронного поля рассчитываемого способом наложения, будет иметь буквально такую же форму, как и поверхность заземлителя. Тогда в согласовании с аксиомой единственности электронные поля заземлителя и огромного количества точечных источников оказываются совсем схожими.

Простым применением подобного способа является решение задачки о электронном поле сферического электрода, размещенного в проводящем однородном пространстве. Сферический электрод подменяют одним точечным источником тока, размещенным в точке, в какой рань- ше находился центр сферического электрода. При всем этом эквипотенциальные поверхности электронного поля точечного источника тока — сферы, одна из которых совпадает с поверхностью сферического электрода. Область внедрения второго способа, так же как и первого, ограничена ординарными заземлителями в виде гладких тел вращения, но с наименьшими ограничениями по расположению заземлителей относительно поверхности земли. А именно, при помощи второго способа могут быть найдены электронные поля токов, стекающих со стержневых горизонтального и вертикального заземлителей, не выходящих на поверхность земли.

Строгие математические способы решения задачки о электри-ческом поле сложных заземлителей отсутствуют. Это соединено до этого всего с формой заземлителей, обусловливающей трехмерность задачки: потенциал является функцией всех 3-х координат при очень массивном матема- тическом описании поверхности сложных заземлителей.

Поиск вероятных путей расчета электронного поля и главных черт сложных заземлителей привел к идее употреблять приближенный способ, аналогичный определению потенциала электро-статического поля по данному распределению зарядов. Сущность этого способа в задании либо приближенном расчете распределения плотности тока на поверхности заземлителя и следующем расчете потенциала (M) в данных точках М земли. Этот способ, получивший заглавие способа наведенного потенциала, является всепригодным, и его используют при расчете электронного поля и черт сложных и обычных заземлителей, работающих в однородной, двухслойной и мультислойной земле.

способ наведённого потенциала. Непростой заземлитель в общем случае состоит из композиции горизонтальных и вертикальных электродов (частей). Электронное поле сложного заземлителя u общем случае быть может просто рассчитано, если известны J — поверхностная плотность тока, выходящего в землю с частей сложного заземлителя, и — функция пропорциональности меж током J(a) dSa, выходящим в землю из окружностей точки а поверхности заземлителя, и потенциалом , наведенным сиим током в точке М проводящего полупространства (земли):

, (1.7)

где S — поверхность заземлителя. Для сложного заземлителя, состоящего из п частей, равенство (1.7) воспринимает вид

, (1.7а)

где Sm — поверхность m-го элемента.

Стационарные и квазистационарные электронные поля токов подобны электростатическому полю (электростатическая ток, выходящий из m-го элемента заземлителя в землю; аMm — обоюдное сопротивление меж точкой М проводящего полупространства (места) и m-м элементом заземлителя. Под аMm соображают отношение потенциала , наводимого в точке М током I*m0 , выходящим из m-го элемента заземлителя, к току Im0 (индекс 0 указывает, что токи всех частей сложного заземлителя равны нулю) при равенстве нулю токов всех других частей:

аMm = Мm/ I0m (1.8)

Расчёт аMm в согласовании с равенством (1.8) сводится к последующему методу:

аMm = , (1.8а)

где — поверхностная плотность тока Im0; Sm — поверхность m — го элемента; — функция пропорциональности меж током , выходящим в землю из округи данной точки поверхности m-го элемента, и потенциалом, наведённым сиим током в точке М (величину можно также трактовать как обоюдное сопротивление точки М и точки, находящейся на поверхности m-го элемента).

Задачку нахождения электронного поля сложного заземлителя можно считать на сто процентов решённой, если применительно к равенству (1.7,б) найдены обоюдные сопротивления для всякого элемента заземлителя и случайной точки М проводящего полупространства, также точки Im, выходящие из всякого элемента заземлителя в землю. Для определения обоюдных сопротивлений аMm, как было обозначено выше, служит общий метод (1.8,а), а токораспределение меж элементами сложного заземлителя строго определяется системой уравнений с своими и обоюдными сопротивлениями, подобными своим и обоюдным возможным коэффициентам в системе заряженных тел:

при m = 1,2,…..n, (1.9)

где n — число частей заземлителя; — потенциал m-го элемента; атр- обоюдное сопротивление частей c индексами m и р (при m ? р) и собственное сопротивление частей (при схожих индексах, к примеру арр), определяемые по формулам, аналогичным (1.8):

аmp = mp/ Ip0; аpp = pp/ Ip0. (1.10)

На значения обоюдных и собственных сопротивлений частей, так же как и в случае обоюдного сопротивления элемента и точки М земли, оказывают воздействие все другие элементы сложного заземлителя. Это соединено с тем, что форма поля тока элемента зависит от расположения всех других частей.

Разумеется, что поле потенциала , определяемое равенством (1.7,б) и системой уравнений (1.9), имеет тем большее приближение к настоящему (в рамках принятой модели электронной структуры земли), чем поточнее найдены значения собственных и обоюдных сопротивлений частей заземлителя, также обоюдных сопротивлений его частей и точки М земли.

Для аналитического определения обоюдных и собственных сопротивлений частей сложного заземлителя обязана быть решена задачка о потенциале, наведенном на железном элементе сложного заземлителя током, выходящим в землю с другого элемента (обоюдное сопротивление) либо с него самого (собственное сопротивление). Решение данной для нас задачки и составляет основное содержание способов наведенного потенциала и среднего потенциала.

Матеметические описания обычных и сложных заземлителей в однордной и неоднородной земле приведены в приложении (П.1).

вместе с точными способами расчета электронных черт заземляющих устройств, при проектировании заземляющих устройств обширно используют так именуемые инженерные способы, наименее трудозатратные и обеспечивающие приемлемую точность. Эти способы разрешают стремительно найти вероятные технические решения и рациональные конструктивные характеристики заземлителей, удовлетворяющие работающим нормам при минимуме приведенных либо серьезных издержек.

Определение хороших конструктивных характеристик заземляющих устройств при помощи четких способов расчета может быть только методом поочередных приближений, т. е. перебором нескольких вариантов их геометрии, число которых зависит от характеристик электронной структуры земли, размера местности, на которой расположено подлежащее заземлению оборудование, и т. п., также от интуиции и опыта проектировщиков. Как следует, общий размер вычислительной работы тут оказывается в пару раз огромным, чем в случае расчета электронных черт заземляющих устройств по их данным конструктивным характеристикам.

Стоимость машинного времени ЭВМ (Электронная вычислительная машина — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач) сравнимо высока, а с учетом цены подготовки инженерно-техническим персоналом начальных данных для расчета общие Издержки на проектирование заземляющих устройств могут оказываться очень значительными и превосходить разумные пределы (удешевление заземлителя при оптимизации его конструкции не компенсирует в подабающей степени Издержки на проектирование).

Инженерные способы расчета заземляющих устройств должны позволять рассчитывать электронные свойства главных типов сложных заземлителей в земле с двухслойной электронной структурой по их конструктивным характеристикам и, напротив, главные конструктивные характеристики сложных заземлителей определять по данным для их электронным чертам. При всем этом погрешности не должны превосходить в среднем 10-15 и самые большие 25-30 %. Сокращение размера вычислительной работы по сопоставлению с точными способами обязано быть достаточным, чтоб восполнить возрастание погрешности (это требование является в значимой мере высококачественным).

Подробная черта инженерных способов дана в [27].

1.3 Обоснование необходимости определения характеристик надежности при проектировании заземляющих устройств

Работоспособной считают такую заземляющую систему, которая делает свои функции, сохраняя значения главных характеристик в границах, установленных нормативно-технической документацией [8, 11]. В истинное время можно сконструировать ряд функций заземляющей системы электроустановки энергетического предназначения. Заземляющая система обязана обеспечить:

— нормируемые и данные значения напряжений на ее элементах, возникающих при стекании долгих, краткосрочных и импульсных токов;

— требуемый уровень напряжений прикосновения и шага при стекании тока недлинного замыкания с частей заземляющей системы в грунт;

— действие защит от замыкания на землю;

— работу ограничителей напряжения при внутренних при грозовых перенапряжениях;

— стабилизацию потенциалов проводов относительно грунта;

— стабильность протекания рабочих токов;

— значения продольных токов по естественным и искусственным элементам системы не выше допустимых для этих частей;

— значения плотности поперечных токов, стекающих с естесственных частей в грунт не выше допустимых;

— допустимые значения разности потенциалов меж разными точками на ее элементах;

— данный уровень электромагнитных воздействий на вторичные цепи.

характеристики системы, обеспечивающие выполнение той либо другой функции, рассчитывают с учетом 3-х главных моментов:

— расчетного значения тока, нагружающего систему;

— расчетных электронных черт грунта;

— конструкции системы заземления.

Необходимо подчеркнуть, что обозначенные функции обеспечивают надежность работы основного силового и вторичного оборудования электроустановки. Невзирая на многофункциональность заземляющей системы, по-видимому, может быть отдать единую методику расчета вероятностей ее отказа. При всем этом систему системы выбирают таковой, чтоб при данных расчетном токе и свойствах грунта характеристики были в границах нормы.

Обычно в качестве расчётных берут очень огромные токи и самые томные грунтовые условия. Это, естественно, приводит к большенному расходу средств, в особенности в регионах многолетнемерзлых грунтов, при всем этом надежность заземляющей системы много выше надежности всего остального оборудования электроустановки.

Если же при расчете ориентироваться на наименьшие уровни токов и более обычные грунтовые условия, то можно значительно удешевить устройство заземления, не снижая при всем этом общей надежности электроустановки. Таковой подход тем наиболее правомерен, что часто тяжело предвидеть вероятные отличия характеристик грунта. Не считая того, как правило, наибольшие расчетные токи не совпадают с периодом более томных грунтовых критерий (поточнее возможность такового совпадения весьма мала и быть может учтена при расчете надежности заземляющей системы).

Общим методическим подходом к определению вероятности отказа заземляющей системы является последующий: для каждой конструкции существует функциональное условие сохранения характеристик в данных границах , где — ток, нагружающий систему; — характеристики грунта. Другими словами, данное выражение значит, что при одних грунтовых критериях одно времени, при котором система системы остается постоянной, другими словами не делается ее усложнение либо не происходит каких-то коррозионных разрушений. К слову, необходимо подчеркнуть, что такое событие, как возникновение небезопасных напряжений шага и прикосновения, есть отказ заземляющей системы. Но возможность этого отказа не схожа вероятности поражения человека. Крайняя существенно меньше и определяется как произведение минимум 3-х вероятностей: вероятности отказа системы; вероятности того, что в момент прикосновения человек не употреблял вспомогательные средства защиты; вероятности прикосновения человека к заземленному корпусу оборудования.

Таковым образом, в томных грунтовых критериях, где сооружение заземляющих устройств связано с большенными серьезными затратами, методом вычисления характеристик надежности заземляющей сети и приведение в соответствие их надежности с надежностью остальных частей электроустановки, можно значительно понизить экономические характеристики проекта.

Согласно изложенному выше можно заключить, что заземляющие системы делают много функций, но отказ по каждой из их вероятен лишь при совпадении определенного значения тока, нагружающего систему с определенными параметрами грунта.

Обычно при проектировании электроустановок намечают несколько вариантов, различающихся по степени надежности. Увеличение степени надежности электроустановки, как правило, соединено с повышением издержек на ее сооружение и эксплуатацию. Численная оценка электроопасной ситуации, данная при помощи характеристик надежности, уже на стадии проектирования заземляющих устройств дозволит принять правильное решение и избежать ненадобных издержек.

Но определение характеристик надежности заземляющих устройств нужно не только лишь для выбора с экономической точки зрения рационального варианта заземляющей сети. При помощи таковых характеристик надежности, как возможность поражения человека электронным током либо возможность возникновения напряжения прикосновения либо шага, выше нормируемой величины, в разных точках заземляющей системы, можно поменять конфигурацию заземлителя либо предугадать доп мероприятия по обеспечению электробезопасности на местности электроустановки.

2. Разработка метода расчета характеристик заземляющих устройств в электроустановках Последнего Севера при условии обеспечения их надежности

2.1 Обоснование и выбор характеристик нормирования уровней электробезопасности и характеристик надёжности сети заземления

Начало официального нормирования характеристик заземляющих устройств относится к середине 20-х годов, когда были учреждены «Руководящие указания расчёта и устройства заземлений», в каких были установлены максимально допустимые напряжения прикосновения и шага.

Возникновение и обширное распространение сетей напряжением 110 кВ и выше с глухозаземлённой нейтралью привело к возрастанию токов замыкания на землю, ограничивать напряжение прикосновения и шага в электроустановках при всем этом оказалось фактически неосуществимым (сопротивления заземлителей нередко должны были составлять сотые толики ома). Потребовалось развитие новейших способов расчёта сопротивления сложных заземлителей и напряжения прикосновения и шага.

К середине 30-х годов в СССР (Союз Советских Социалистических Республик, также Советский Союз — воздействия электродов сложных заземлителей, окончившиеся разработкой таблиц так именуемых коэффициентов использования, также коэффициентов напряжения прикосновения и шага. В качестве коэффициента использования принималась величина, численно равная отношению проводимости настоящего сложного заземлителя, в каком на растекание токов оказывают обоюдное воздействие все электроды, к сумме проводимостей тех же электродов при полном отсутствии их взаимодействия, т. е. когда любой электрод работает как одиночный. В качестве коэффициентов напряжения прикосновения и шага принимались величины, численно равные отношению напряжения соответственно прикосновения и шага к напряжению на заземляющем устройстве.

Но способ расчёта сопротивления сложных заземлителей с применением коэффициентов использования не учитывал главные конструктивные характеристики заземлителей (размеры и обоюдное размещение вертикальных и горизонтальных частей и т. п.) и оказался непригодным для анализа электронного поля сложных заземлителей.

Согласно новеньким «Правилам устройства заземлений в установках мощного тока» (1946 г.) все электроустановки напряжением выше 1 кВ были разбиты на две группы: с большенными (наиболее 500 А) и малыми (до 500 А) токами замыкания на землю. Для первой требовалось сооружение заземлителей в виде замкнутых контуров с сопротивлением, не превосходящем 0,5 Ом. Продолжительность больших напряжений на заземлителях, возникающих при замыканиях на землю ограничивалась быстродействующей защитой. Вкупе с тем «Правила» рекомендовали располагать элементы искусственного заземлителя так, чтоб достигалось понижение напряжения прикосновения и шага без доборной Издержки сплава.

У 2-ой группы электроустановок (с изолированной либо возмещенной нейтралью) однофазные замыкания на землю могли оказываться очень длительными. Потому в таковых установках «Правила» предписывали ограничивать напряжение на заземлителях значением 250 В. Для электроустановок напряжением до 1 кВ было установлено предельное

Обширное внедрение комплектных распределительных устройств привело к приметному уменьшению территорий электроустановок. Данное событие иногда усугублялось отсутствием протяженных естественных заземлителей: водопроводов, кабелей с металлическими оболочками и т. п. Потому в почти всех вариантах оказалось фактически неосуществимым при помощи обыденных заземлителей, размещаемых в границах площадей электроустановок, обеспечить требуемые нормами значения сопротивления и напряжения на заземляющих устройствах относительно земли.

Для заслуги требуемых нормами характеристик приходилось расширять местность, занимаемую заземлителем, или делать глубинные заземлители. И то и это время от времени значительно увеличивало стоимость заземляющих устройств.

Применение в качестве электродов заземляющих сеток показало техно возможность и экономическую необходимость ограниче-ния напряжения прикосновения и шага до неопасных величин.

При всем этом сопротивления и напряжения заземлителей, как правило, оказывались существенно выше нормированных значений. Требования к характеристикам заземлителей в ГДР, ФРГ, а потом и в США (Соединённые Штаты Америки — значения тока, проходящего через человеческое тело. При всем этом создатели новейших норм учитывали очень малую возможность совпадения ряда неблагоприят-ных событий, обусловливающих возможность поражения человека электронным током, другими словами в первый раз были изготовлены пробы высчитать возможность поражения человека, находящегося на местности электроустановки, электронным током.

значения допустимых токов, зависящие от вероятной продолжительности их действия на человека, совершенно точно определяли допустимые напряжения прикосновения и шага.

Резвое нарастание мощности энергосистем в 60-70-х годах сопровождалось, с одной стороны, значимым повышением токов замыкания на землю, а с иной — уменьшением площади самых всераспространенных трансформаторных подстанций с высшим напряжением 110 кВ. Скопленный к этому времени забугорный опыт эксплуатации заземляющих устройств, спроектированных по нормам на напряжение прикосновения, показал необходимость перехода и в нашей стране на новейшую систему нормирования, приняв решение «О внедрении временных норм на напряжения прикосновения для распределительных устройств и трансформаторных подстанций напряжением выше 1000 В с глухим заземлением нейтрали. Главные положения этого документа вошли и в проект новейшей редакции гл. 1.7 ПУЭ [38], которая была утверждена в апреле 1980 г.

В истинное время в согласовании с [6] действуют другие нормы для заземляющих устройств электроустановок напряжением выше 1 кВ сети с отлично заземлённой нейтралью (с глухим заземлением нейтрали), устанавливающие требования на сопротивление заземляющего устройтсва и на напряжение прикосновения. Решение о выполнении в любом определенном случае того либо другого требования принимают при проектировании.

Следует увидеть, что при выбирании аспекта оценки электробезопасности на местности электроустановки руководствуются, до этого всего, техническими способностями выполнения того либо другого условия, потом разглядывают экономические характеристики вариантов выполнения заземляющих устройств. При экономически соизмеримых вариантах выполнения заземляющих устройств и имеющейся технической способности выполнения заземляющего устройства, отвечающего требованиям обеспечения нужной величины сопротивления и напряжения прикосновения, приостановить выбор на конструкции заземляющей сети можно было бы при помощи характеристик надежности самой сети и наименьшей вероятности попадания человека под опасное напряжение.

При проектировании электроустановок на нынешний денек надежность учитывается, обычно, только для определения объёмов и методов резервирования. Ошибки в обеспечении надежности оцениваются в главном вредом от перерыва электроснабжения. Количественные значения характеристик надёжности для систем электроэнергетики пока не установлены ни эталонами, ни иными нормативными документами. В Правилах технической эксплуатации электроустановок потребителей [5] указывается, что «пользователь должен обеспечить надежность работы и сохранность эксплуатации электроустановок», в Правилах устройства электроустановок [6] уровень надежности электроустановок очень «размыто» определяется численностью независящих источников питания и допустимой продолжительностью перерыва электроснабжения [Сюсюкин]. Тем не наименее, целый ряд научной литературы посвящен разработке математической теории надежности [8, 11, 14-16, 19-21, 35 и др.], методическая база которой удачно базируется, а именно, на использовании теории вероятностей.

В крайнее время в повторяющейся печати, посвященной разным дилеммам электроэнергетики, все почаще поднимается вопросец о совершенствовании нормативной литературы, о необходимости введения нормативных характеристик, позволяющих оценить, а именно, надежность электроустановок. Животрепещущим это является и в области расчетов заземляющих устройств.

Понятно, что электроустановки являются объектами завышенной угрозы для здоровья человека и сохранности оборудования, в индивидуальности в районах Последнего Севера, где работа персонала связана с тяжёлыми погодными критериями и свойства заземляющих устройств подвержены сезонным изменениям. Потому животрепещущей становится неувязка определения характеристик надёжности еще на стадии проектировании заземляющих устройств.

работы по исследованию воздействия погодных и геофизических особенностей районов Последнего Севера на надежность и сохранность эксплуатации электрооборудования ведутся издавна. Так на Норильском горно-металлургическом комбинате (НГМК) уже в 70-х годах потребовалось всеохватывающее рассмотрение трудности надежности и сохранности электрооборудования как в сетях с малыми, так и большенными токами замыкания. При всем этом самого пристального внимания востребовала до этого всего унификация нормирования систем, обеспечивающих электробезопасность на базе допустимых напряжений до прикосновения, пересмотра дела к проектированию, сооружению и эксплуатационному контролю заземляющих устройств. А именно, возможность использования естественных заземлителей по условиям пожаро- и взрывобезопасности в связи с отсосом токов недлинного замыкания в подземные рудники и поверхностные трубопроводы с горючими газами и жидкостями. При всем этом потребовалась вероятностная оценка пожаро- и взрывоопасной ситуации с учетом особенностей эксплуатации электрооборудования в северных критериях.

анализ алгоритмов, разработанных на нынешний денек, для определения характеристик заземляющих устройств показал, что они разрешают найти все главные свойства сети заземления, содействующие выполнению ею собственных главных функций: ограничении до допустимых пределов напряжения, под которое может попасть человек; обеспечение достаточной для срабатывания релейной защиты проводимости заземляющего устройства. Но методика расчётов заземляющих устройств не даёт гарантий надёжности как самого заземляющего устройства, так и выполнения им возложенных на него функций. В связи с сиим возникает необходимость разработки метода, учитывающего характеристики надежности работы заземляющей сети при выполнении ею собственных рабочей и электрозащитной функций.

]]>