Заземление. 
Источники помех

Общие вопросы заземления Для достижения различных целей заземление бывает:

рабочее;

защитное;

молниезащитное;

функциональное;

для обеспечения ЭМС.

Заземление, предназначенное для создания нормальных условий работы аппарата или электроустановки, называется рабочим заземлением. К такому заземлению относятся: заземление нейтралей трансформаторов, генераторов, дугогасительных катушек, измерительных трансформаторов тока и напряжения и т. д.

Защитное заземление или зануление должно обеспечивать защиту людей от поражения электрическим током или прикосновения к металлическим или другим электропроводящим нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в результате пробоя изоляции.

Зануление — электрическое соединение металлических частей установки с заземленной точкой источника питания.

Молниезащитное заземление предназначено для защиты человека, оборудования (аппаратов) от грозовых разрядов.

Функциональное заземление предназначено для обеспечения нормального функционирования электронного оборудования за счет обеспечения одинаковой точки отсчета напряжения для всех устройств и исключение «плавающего напряжения» .

Заземление для обеспечения ЭМС предназначено для максимального подавления (снижения) помех относительно полезного сигнала. При этом не должно наблюдаться функционирование с ошибками и чрезмерная помехоэмиссия.

Вопросы проектирования, монтажа и наладки рабочего, защитного заземления и заземления молниезащиты в настоящее время хорошо изучены, методически проработаны и рассматриваются в специальной литературе «Безопасность и жизнедеятельность», «Изоляция и перенапряжения». Поэтому в целях исключения дублирования, сокращения объема пособия, эти вопросы здесь не рассматриваются. Однако вопросы влияния защитного заземления и заземления молниезащиты на ЭМС объектов энергетики все же касаться будем.

На энергетических объектах, как правило, заземления проектируются многофункциональными, выполняющими функции рабочего, защитного заземлений и молниезащиты.

В нормальном режиме: отсутствие грозовых разрядов, коротких замыканий на землю, повреждения изоляции оборудования и др. заземления не оказывают отрицательного влияния на ЭМС оборудования. Влияния проявляются при возникновении ненормальных режимов.

Помехи при возникновении КЗ

Протекание токов КЗ промышленной частоты по заземляющему устройству ПС может составлять несколько десятых долей секунды.

Протекающий ток может достигать десятков кА (до нескольких секунд). Конкретное значение тока КЗ зависит от мощности питающей системы, структуры сети (степени взаимосвязи отдельных ветвей), удаленности и вида КЗ.

Под действием токов короткого замыкания на заземляющем устройстве подстанции может возникнуть опасное повышение потенциала для автоматизированной системы технологического управления электротехническими объектами. Так как появляются значительные разности потенциалов между двумя произвольными точками заземляющего устройства, которые могут быть источником опасных перенапряжений, например, для вторичных кабельных измерительных цепей напряжения и тока, управления и сигнализации, подключенных к терминалам на релейном щите. Разность потенциалов зависит от удельного сопротивления земли, конфигурации, сечения и материала заземлителя. Таким образом, кабели могут подвергаться воздействию значительных токов и напряжений.

На основе обследования заземляющих устройств установлено, что при коротких замыканиях на подстанциях токи, протекающие по заземленнным оболочкам и жилам кабелей вторичных цепей, могут достигать практически полного значения тока короткого замыкания. При этом возможны следующие типы термического воздействия на кабели вторичных цепей.

Повреждение изоляции кабеля. Допустимые по термической стойкости температуры для кабелей с ПВХ изоляцией составляют 150, для кабелей в ПЭ изоляции — 120. Установленные по критерию допустимой температуры допустимые токи I_доп (кА), для оболочек и жил некоторых кабелей, используемых во вторичных цепях, приведены в табл. 3.5. Согласно этим данным допустимые токи много меньше или сравнимы с токами однофазного короткого замыкания на подстанцях, что и создает угрозу термического воздействия на изоляцию, заземленные оболочки и жилы кабелей вторичных цепей.

Таблица 3.5. Допустимый ток для оболочек и жил кабелей по условию термической стойкости.

" Взрыв" кабеля. Возможно разрушение оболочки (жилы) кабеля при протекающих по кабелям токах, много больших допустимых по термической стойкости, когда температура медной оболочки (жилы) кабеля превышает 300, а алюминиевой — 200.

Выгорание контактных соединений. При большом значении переходного сопротивления контактного соединения заземления оболочки или жилы кабеля термическое воздействие при коротком замыкании приводит к выгоранию контактных соединений.

Как правило, выгорание происходит при протекающих по кабелям токах, меньших допустимых по термической стойкости.

Основными причинами термического воздействия на оболочки и жилы кабелей вторичных цепей являются следующие дефекты заземляющих устройств:

заземление оборудования только через оболочки и жилы кабелей;

большая длина проводника, заземляющего оборудование;

соединение заземляющих устройств, территориально приближенных друг к другу, только через оболочки и жилы кабелей.

Помехи при грозовых разрядах В отличие от обычных коммутационных операций молния при прямом попадании в ПС может вызвать разрушительное воздействие. В этом случае будет иметь место механизм связи через общее сопротивление (например, повышение потенциала заземлителя) или прямая наводка в чувствительных цепях. Связь излучением может оказывать влияние только на уровень помех.

С другой стороны, полезно напомнить, что если длительность фронта импульса тока молнии на порядок больше, чем у токов переходных процессов, то амплитуда импульса может быть выше на порядки при одном и том же уровне помехи.

Наводки в проводниках, проложенных вблизи проводников заземления В зависимости от относительного расстояния между проводниками, длины зоны влияния и амплитуды тока молнии результирующее возмущение будет варьироваться в широких пределах.

Очень важное замечание, о котором следует напомнить, касается числа проводников заземления. Недостаточно только обеспечить протекание тока молнии по кратчайшему пути к заземлителю, но и необходимо разделить его на несколько частей для снижения амплитуды каждой составляющей.

Прямой удар молнии в подстанцию. Как и при токах КЗ, наибольший уровень помех будет в цепях, выходящих за пределы контура заземления. Принимая во внимание величину протекающих токов, потенциал заземлителя может легко достичь несколько десятков или даже сотен кВ.

Однако в отличие от случая с током промышленной частоты, даже в пределах территории заземлителя ситуация является сложной, так как потенциал сетки не может рассматриваться как имеющий одинаковое значение. Это вызвано индуктивными явлениями, учет которых необходим при повышении частоты.

Прямой удар молнии в линию высокого напряжения. Данная ситуация встречается гораздо чаще, чем прямой удар в ПС. Ее последствия имеют существенно меньшее значение. Следствием удара молнии в линию электропередачи может быть перекрытие изоляции и, вследствие этого, появление импульса напряжения с очень крутым фронтом, спектральный состав которого содержит гораздо более высокие частоты, чем импульс напряжения, вызванный самой молнией.

В этом случае уровень помех может сравняться с тем, что имеет место при пробое изоляции оборудования или коммутационных операциях на самой ПС.

Заземление для обеспечения ЭМС Для целей обеспечения ЭМС можно различить три иерархические разновидности заземления:

• — эквипотенциальная область или плоскость, которая используется в качестве опорной;
• — путь с низким полным сопротивлением для токов, которые возвращаются к источнику;
• — путь с низким передаточным сопротивлением для предотвращения перехода токов общего режима в дифференциальный.

Эквипотенциальная область

Наиболее желательный результат заземления заключается в том, чтобы отсутствовала разность потенциалов между двумя физическими точками. Таким образом, соединение к каждой точке может рассматриваться как подключение к одному и тому же потенциалу. В контексте ЭМС между этими точками отсутствуют напряжения помех и поэтому отсутствуют помехи, генерируемые в систему, заземленную только в двух точках.

Такая совершенная эквипотенциальная структура практически невозможна, но к ней приближается высокопроводящая плоскость. Провода имеют индуктивную составляющую полного сопротивления, которая препятствует эквипотенциальности, в то время как плоскость не обладает заметной индуктивностью. Задняя стенка шкафа, в котором расположено оборудование, пример такой плоскости, система заземления компьютерной комнаты в виде сетки приближается к ней.

Возвратный путь с низким полным сопротивлением Совершенная эквипотенциальная структура заземления невозможна, как только в ней начинают протекать токи. Любая реальная структура имеет ненулевой потенциал между любыми двумя точками, когда между ними протекает ток. На практике по ЭМС всегда пытаются минимизировать напряжение помех, развиваемое в заземлении и поэтому основное, правило для выполнения качественного заземления заключается в минимизации полного сопротивления, по которому протекает ток помех.

Иногда схема разработана так, что «земля» используется в качестве функционального возвратного пути — специально подсоединяя возвратные цепи источника и нагрузки к системе заземления, не объединяя их. На рис. 3.32а показана эта ситуация, где ток I протекает между точками А и В по земле. Вариант, представленный на рис. 3.32а, может быть приемлемым при условии, что структура заземления обладает низким полным сопротивлением для возвратного тока. Более широко используется вариант, показанный на рис. 3.32б, в котором для создания возвратного пути используется отдельный проводник, имеющий минимальную индуктивность.

Путь с низким передаточным полным сопротивлением

Структура заземления на рис. 3.32 должна быть спроектирована таким образом, чтобы было обеспечено минимальное передаточное полное сопротивление (Z_T). Передаточное сопротивление определяется через напряжение, которое развивается на цепи приемника из-за токов, протекающих в источнике. Низкое значение Z_T означает, что токи помех, протекающие по земле (которые во всех практически случаях нежелательны), наводят минимум напряжения в нагрузке. И наоборот, токи внутри схемы не создают существенной разности потенциалов внутри схемы заземления. Высокочастотная составляющая сопротивления сильно зависит от формы проводника, а не от площади поперечного сечения или свойств материала. На обоих концах проводник следует подсоединять к тем заземленным элементам корпусов оборудования, которые имеют похожее передаточное сопротивление (примерно одинаковую с проводником форму).