автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Анализ состояния находящихся в эксплуатации заземляющих устройств с точки зрения требований электробезопасности и термической стойкости кабелей вторичных цепей

'./ <

/

/

/

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ГОРШКОВ АНДРЕЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ НАХОДЯЩИХСЯ В ЭКСПЛУАТАЦИИ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ТРЕБОВАНИЙ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ И ТЕРМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ КАБЕЛЕЙ ВТОРИЧНЫХ ЦЕПЕЙ

Специальность 05.26.01 - Охрана труда

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук профессор Колечицкий Е. С.

Москва - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ................................................................................5

1. РАЗРАБОТКА И НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ.........13

1.1. Частотные характеристики параметров заземляющих устройств, образованных соединением протяженных заземлителей......................13

1.1.1. Анализ электромагнитного поля протяженного заземлителя.........13

1.1.2. Расчетные значения параметров протяженного заземлителя..........20

1.1.3. Расчетные схемы замещения протяженного заземлителя и заземляющего устройства, образованного соединением протяженных заземлителей.............................................................................25

1.1.4. Анализ влияния допущений, принятых для расчета продольного сопротивления протяженных заземлителейрй^йй'* характеристики заземляющих устройств. Сравнение результатов" -расчета продольного сопротивления заземлителей с данными литературы............................29

1.1.5. Высокочастотные характеристики заземляющих устройств...........36

1.2. Расчет распределения напряженности магнитного поля повышенной частоты по территории, занимаемой заземляющим устройством. Практическое определение мест и глубин закладки горизонтальных заземлителей.............................................................................39

1.3. Область растекания тока повышенной частоты по заземляющему устройству подстанции. Определение конфигурации заземляющего устройства подстанции................................................................47

1.4. Методика экспериментального определения значений продольного сопротивления горизонтальных заземлителей....................................55

1.5. Пересчет измеренных на повышенной частоте значений сопротивления растеканию тока заземляющего устройства, напряжения доприкосновения и токов, протекающих по оболочкам и жилам кабелей вторичных цепей при коротком замыкании, на промышленную частоту..........................64

1.5.1. Правила пересчета измеренных значений сопротивления растеканию тока заземляющего устройства на промышленную частоту...................64

1.5.2. Правила пересчета измеренных значений напряжений доприкос-новения на промышленную частоту.................................................66

1.5.3. Правила пересчета измеренных значений токов, протекающих по оболочкам и жилам кабелей при коротком замыкании, на промышленную частоту....................................................................................73

1.6. Методика проведения работ по диагностике состояния заземляющих устройств с точки зрения электробезопасности и термической стойкости кабелей вторичных цепей..............................................................83

1.7. Выводы..............................................................................89

2. АНАЛИЗ ДЕФЕКТОВ НАХОДЯЩИХСЯ В ЭКСПЛУАТАЦИИ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ТРЕБОВАНИЙ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ И ТЕРМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ КАБЕЛЕЙ ВТОРИЧНЫХ ЦЕПЕЙ.................................................................92

2.1. Классификация характерных дефектов заземляющих устройств. Статистические данные по значениям параметров, характеризующих дефекты заземляющих устройств...................................................95

2.1.1. Дефекты, определяющие несоответствие заземляющего устройства требованию электробезопасности...................................................96

2.1.2. Дефекты, определяющие несоответствие заземляющего устройства требованию термической стойкости кабелей вторичных цепей и электробезопасности..................................................................104

2.2. Анализ состояния заземляющих устройств с точки зрения требований «Правил устройства электроустановок»..........................................117

2.2.1. Данные по измерениям значений сопротивления растеканию тока и напряжения доприкосновения обследованных заземляющих устройств. 119

2.2.2. Данные по соответствию заземляющих устройств требованиям «Правил устройства электроустановок» к конфигурации заземляющих сеток......................................................................................125

2.2.3. Предложения по дополнениям к требованиям «Правил устройства

электроустановок» по выполнению заземляющих устройств................128

2.3 Выводы..............................................................................130

3. ОСНОВЫ РЕКОНСТРУКЦИИ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ В СООТВЕТСТВИИ С ТРЕБОВАНИЯМИ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ И ТЕРМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ КАБЕЛЕЙ ВТОРИЧНЫХ ЦЕПЕЙ......132

3.1. Основные мероприятия по устранению характерных дефектов заземляющих устройств..............................................................132

3.1.1. Устранение дефектов, определяющих несоответствие заземляющих устройств требованию электробезопасности....................................132

3.1.2. Устранение дефектов, определяющих несоответствие заземляющих устройств требованию термической стойкости кабелей вторичных цепей и электробезопасности..................................................................140

3.2. Основы рекомендаций по реконструкции заземляющих устройств... 149

3.3. Оценка объема работ по реконструкции заземляющего устройства .152

3.4. Рекомендации по расчету и выполнению заземляющих устройств для проектных организаций..............................................................158

3.5. Выводы.............................................................................162

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................163

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.............................167

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Электромагнитное поле системы коаксиальных

цилиндров...............................................................................178

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Расчетные значения активного и индуктивного

сопротивлений протяженных заземлителей, оболочек и жил кабелей.....194

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Программный комплекс «Zazeml» для расчета

характеристик заземляющего устройства........................................197

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Эпюры распределения тангенциальной к поверхности земли составляющей напряженности магнитного поля для характерных

случаев соединения протяженных заземлителей...............................201

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Примеры конфигураций заземляющих устройств.....206

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Заземляющее устройство является важнейшим элементом электроустановок, обеспечивающим надежную работу оборудования в нормальных и аварийных режимах и выполняющим защитные, молниезащитные и помехозащитные функции.

Вопросам заземления электроустановок различного класса напряжения посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных авторов: монографии, статьи, доклады на конференциях, нормативные документы. Основы норм и правил на проектирование и сооружение заземляющих устройств, а так же методов контроля состояния заземляющих устройств были заложены еще в 20-е - 30-е годы. В дальнейшем проводились работы по совершенствованию методик расчета заземляющих устройств, уточнению отдельных норм и разработке новых для электроустановок в районах Крайнего Севера [1 - 22], для специальных электроустановок [23 - 32] и других. Также проводились работы по усовершенствованию аппаратуры, применяющейся для измерения нормируемых параметров и контроля состояния заземляющих устройств. Появление электронных устройств в системах управления, контроля и сигнализации электроустановок инициировало появление работ, посвященных вопросам заземления с учетом требований электромагнитной совместимости [33 - 40]. Большая часть работ последних лет по вопросам заземления посвящена разработке методов расчета заземляющих устройств различной конфигурации с учетом неоднородности грунта [41-55]. При этом проводится постоянная работа по совершенствованию нормативной базы в части проектирования и монтажа заземляющих устройств и молниезащиты [56 - 78]. В то же время, методы контроля состояния заземляющих устройств не претерпели существенного изменения, за исключением приборного обеспечения, по сравнению с 30-ми - 40-ми годами.

В результате, на сегодняшний день проведение работ по контролю состояния заземляющих устройств сводится по существу только к измерению значений нормируемых параметров - сопротивления растеканию тока, напряжения на заземляющем устройстве и напряжений прикосновения. При этом заземляющие устройства, отвечающие всем нормативным требованиям, таким как «Правила устройства электроустановок» («ПУЭ» [79]), «Правила эксплуатации электроустановок потребителей» («ПЭЭП» [ВО]), часто являются непригодными к эксплуатации с точки зрения электромагнитной совместимости - при возникновении аварийных режимов (короткие замыкания на землю, разряды молнии) происходит повреждение кабелей вторичных цепей и устройств РЗиА или их неправильное функционирование.

Так, например, на подстанции «Уча» ОАО «Мосэнерго» при коротком замыкании на ОРУ-110 кВ произошло выгорание кабелей вторичных цепей в кабельном канале. Причиной такого рода повреждения кабелей явилось протекание по их оболочкам и жилам токов со значениями выше допустимых по термической стойкости, вследствие электрической связи заземляющих устройств ОРУ-110 кВ и ОРУ-220 кВ только через оболочки и жилы кабелей, сходящихся в оперативном пункте управления. На подстанции «Ленинградской» МЭС «Севзапэнерго» произошло выгорание кабелей вторичных цепей при ближнем коротком замыкании на землю. На подстанции «Свиблово» ОАО «Мосэнерго» при коротком замыкании на конденсатор связи произошло повреждение изоляции кабеля высокочастотной связи и ложное срабатывание дифференциально-фазной защиты.

Заземляющие устройства находящихся в эксплуатации свыше 10 лет энергообъектов претерпевают существенные изменения, вследствие, коррозии заземлителей и проведения восстановительных работ после ремонта или замены оборудования. Также допускаются существенные отклонения от проектной документации при монтаже заземляющих устройств вновь строящихся электроустановок. Например, на введенной в

эксплуатацию подстанции «Сабурово» ОАО «Мосэнерго» реальная конфигурация заземляющей сетки на 70 % не соответствует проектной конфигурации. При этом изменения конфигурации заземляющих устройств, как правило, не фиксируются в документации. В некоторых случаях документация на заземляющее устройство попросту отсутствует. Отсутствие достоверных данных о реальной конфигурации и других параметрах заземляющих устройств не позволяет получить обоснованные расчетные оценки распределений потенциалов и токов по заземляющим устройствам при коротких замыканиях. Следствием этого является невозможность обоснованного проведения ремонта заземляющего устройства в соответствии с требованиями электробезопасности и термической стойкости кабелей вторичных цепей.

В связи с этим возникла необходимость в методе диагностики заземляющего устройства, позволяющем с достаточной степенью точности определять все необходимые параметры для анализа его состояния с точки зрения требований электробезопасности и термической стойкости кабелей вторичных цепей и по необходимости выдать рекомендации по реконструкции заземляющего устройства. Такого рода метод, основанный на анализе реальной конфигурации заземляющего устройства и характере растекания по нему переменного тока повышенной частоты (по сравнению с промышленной частотой), имитирующем ток замыкания, был разработан сотрудниками кафедр ТЭВН и ИЭиОТ Московского Энергетического Института по заказу Центральной Службы Защиты ОАО «Мосэнерго» ([81]). Идея данного метода заключается в следующем. Путем присоединения источника переменного тока к заземляющим проводникам оборудования, через заземляющее устройство пропускается ток повышенной частоты. Отличие частоты пропускаемого тока от промышленной частоты обусловлено стремлением к надежной отстройке измерений от фонового поля, создаваемого силовым оборудованием. Создаваемое растекающимся по заземляющему устройству током повышенной частоты магнитное поле

регистрируется измерителем напряженности магнитного поля. По распределению, на уровне 10 - 30 см от поверхности земли, тангенциальной к земле составляющей напряженности магнитного поля определяются местонахождения горизонтальных заземлителей между точками присоединения источника. Поэтапным присоединением источника к различным точкам заземляющего устройства определяются местонахождения, глубина залегания горизонтальных заземлителей, размеры ячеек заземляющей сетки по всей территории, занимаемой заземляющим устройством. Путем анализа реальной конфигурации заземляющего устройства определяются его наиболее опасные с точки зрения электробезопасности места, где и проводятся измерения напряжений прикосновения на повышенной частоте с последующим пересчетом на промышленную частоту. Необходимость проведения измерений на повышенной частоте обусловлена следующей причиной. В рабочем режиме, вследствие наличия некоторой несимметрии в сети, по заземляющему устройству через нейтрали трансформаторов растекаются токи промышленной частоты, значения которых достигают нескольких десятков ампер. Для надежной отстройки измерений от влияния этих токов необходимо либо проводить измерения при значении тока повышенной частоты как минимум в сотни ампер, либо на частоте отличной от промышленной частоты. Очевидно, что второй способ является более безопасным при проведении измерений и требует менее мощного источника тока. Далее присоединением источника тока между заземляющим проводником электрооборудования ОРУ и удаленным электродом имитируется короткое замыкание на подстанции. По значению тока повышенной частоты устанавливается связь данного оборудования с заземляющим устройством и определяется количественный характер растекания тока по заземлителю и заземленным оболочкам и жилам кабелей вторичных цепей. Последовательным пересоединением источника тока определяется количественный характер растекания тока замыкания для всего

оборудования ОРУ. По пересчитанным на промышленную частоту значениям токов, протекающих по оболочкам и жилам кабелей вторичных цепей, определяется соответствие кабелей требованию к их термической стойкости.

Указанный метод апробировался на подстанциях ОАО «Мосэнерго» и зарекомендовал себя пригодным для диагностирования состояния заземляющих устройств. Практическое применение данного метода выявило необходимость в проведении дополнительных теоретических и экспериментальных исследований с целью решения возникающих при использовании этого метода задач и разработки обоснованной методики проведения работ по определению реального состояния заземляющих устройств с точки зрения требований электробезопасности и термической стойкости кабелей вторичных цепей.

Проведенные по данному методу обследования заземляющих устройств открытых распределительных устройств более 40-ти подстанций и электростанций показали, что практически на всех объектах имеются различного рода неисправности заземляющих устройств. Устранение этих неисправностей требует существенных материальных и трудовых затрат. Поэтому, является важным на основе анализа неисправностей заземляющих устройств обследованных объектов разработать оптимальные мероприятия, позволяющие обеспечить соответствие эксплуатируемых заземляющих устройств требованиям электробезопасности и термической стойкости кабелей вторичных цепей.

Цель работы. Целью работы является разработка и научное обоснование новой методики диагностики состояния заземляющих устройств, исследование по разработанной методике состояния заземляющих устройств электростанций и подстанций различных классов напряжения и разработка мероприятий, позволяющих обеспечить соответствие эксплуатируемых заземляющих устройств требованиям электробезопасности и термической стойкости кабелей вторичных цепей.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. По разработке и научному обоснованию методики диагностики состояния заземляющих устройств:

1.1. Рассчитать электромагнитное поле, создаваемое протекающим по протяженному заземлителю переменным током. На основе решений уравнений электромагнитного поля определить частотные зависимости параметров протяженных заземлителей, выбрать и обосновать расчетную схему замещения заземляющего устройства подстанции, образованного соединением протяженных заземлителей.

1.2. Для определения мест нахождения горизонтальных заземлителей, образующих заземляющее устройство подстанции, рассчитать характерные распределения напряженности магнитного поля, создаваемого растекающимся по заземляющему устройству током повышенной частоты.

1.3. Для определения необходимого значения выходного тока источника и оптимальных мест его присоедине