Вестник МГТУ. 2016, №4.

Вестник МГТУ. 2016. Т. 19, № 4. С. 723–728. DOI: 10.21443/1560-9278-2016-4-723-728 723 УДК 621.311 В. В. Ивонин Распределение потенциалов в плохо проводящих грунтах вокруг протяженных заземлителей Статья посвящена исследованию распределения потенциалов в грунте с высоким удельным сопротивлением при попадании разряда молнии в протяженный заземлитель. Для получения экспериментальных данных по распределению потенциалов был создан высоковольтный полигон. Известно, что разряды молнии создают опасные условия как для человека, так и для электрооборудования энергосистем, поэтому при проектировании заземляющих устройств необходимо учитывать электромагнитные характеристики заземлителей под действием токов молний. Чтобы генерировать разряд, схожий по параметрам импульса с разрядом молнии, был создан генератор импульсных напряжений, собранный по схеме Аркадьева – Маркса. Потенциалы измерялись зондовой измерительной системой, разработанной ранее. Основная характеристика заземляющего устройства – это его сопротивление. На основе анализа литературы и экспериментальных данных показано, что сопротивление заземления может сильно отличаться при протекании больших импульсных токов молнии от значений стационарного сопротивления, измеренного на промышленной частоте или постоянном токе. Это явление вызвано процессами ионизации и искрообразования, возникающими в окружающем заземлитель грунте в результате протекания токов большой амплитуды. Сопротивление искровых каналов значительно меньше сопротивления грунта, в результате чего удельное сопротивление уменьшается и, как следствие, уменьшается полное сопротивление заземлителя. Для анализа влияния ионизации грунта и возникающих в грунтах искровых каналов на распределения потенциалов произведены расчеты потенциалов в грунтах с помощью метода конечных элементов. Полученные экспериментальные данные сравниваются с результатами расчета распределения потенциалов. Показано, что возникающие искровые каналы в грунтах существенно влияют на распределения потенциалов. Таким образом, при расчете шагового напряжения необходимо учитывать влияние искровых каналов. Ключевые слова: заземление, протяженные заземлители, распределение потенциалов, ионизация грунта, искрообразования в грунте. Введение Заземляющее устройство (ЗУ) – важная часть энергосистемы, используемая для защиты линий электропередач и оборудования подстанций от перенапряжений, вызванных токами молнии. Основная рабочая функция заземляющего устройства заключается в обеспечении достаточной для срабатывания релейной защиты проводимости цепи замыкания находящихся под рабочим напряжением частей электроустановки на заземленный корпус или землю [1]. Поэтому важнейшей характеристикой ЗУ является его проводимость или обратная ей величина – сопротивление, которое может сильно отличаться при протекании больших импульсных токов молнии от значений стационарного сопротивления, измеренного на промышленной частоте или постоянном токе. Это связано с ионизацией грунта вблизи электрода и образованием искровых каналов, что приводит к заметному снижению удельного сопротивления грунта ρ. При увеличении импульсного тока в грунте происходит ионизация и образуются искры, в результате чего сопротивление заземления уменьшается, а динамическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) становится нелинейной. Причиной ионизации является достаточно сильное электрическое поле проводимости Е = ρ j , которое возникает при растекании импульсного тока с плотностью j с одиночного заземлителя. Ионизация в грунте, сопровождающаяся образованием искровых каналов, начинается при напряженности электрического поля Е = 4–16 кВ/см. Искровые каналы могут образоваться также в воздухе на поверхности грунта вблизи заземлителя. При растекании многокилоамперных токов (при ударах молнии или от мощных импульсных генераторов) могут образоваться протяженные искровые каналы длиной до 100 м, развивающиеся в виде скользящего разряда по поверхности грунта. Сопротивление растеканию тока с заземлителя в землю формируется всей зоной растекания тока – объемом земли, начиная от поверхности заземлителя и до зоны, в которой электрический потенциал практически равен нулю. Электрозащитная функция ЗУ состоит в ограничении до допустимых пределов напряжения, под которое может попасть человек, прикоснувшийся к заземленному корпусу электроустановки во время замыкания фазы на корпус или землю. Вопрос об обеспечении с помощью ЗУ электробезопасности при ударах молнии в ПУЭ и других нормативных документах в настоящее время не рассматривается, так как отсутствуют нормы на допустимое шаговое напряжение и допустимый ток по пути "нога – нога" при микросекундных воздействиях [2]. Однако исследование этих вопросов целесообразно в свете общей тенденции повышения уровня безопасности. В статье описаны экспериментальные исследования распределения потенциалов в грунте с высоким удельным сопротивлением вокруг протяженных заземлителей.