Заземление на подстанции — тема, где «примерно» не работает. Здесь одновременно решаются три разные задачи: обеспечить путь для токов КЗ и токов молнии, защитить человека от прикосновения и шага, и дать нормальную работу релейной защите и автоматике. Все три задачи решает одна физическая сеть — заземляющее устройство (ЗУ), и именно поэтому к нему предъявляют требования сразу из нескольких глав нормативов.
Разберу нормы, конструкцию, отдельно — молниезащиту и то, как всё это проверяется измерениями.
Три заземления, одна сеть
На практике разделяют понятия, но на подстанции они сходятся в одно ЗУ:
- Рабочее (функциональное) заземление — заземление нейтралей трансформаторов, генераторов. Обеспечивает путь токам нулевой последовательности: без него не работают защиты нулевой последовательности и неверно считается ток КЗ.
- Защитное заземление — соединение с землёй корпусов оборудования, металлических конструкций, оболочек кабелей. Задача — не дать человеку попасть под напряжение прикосновения при пробое изоляции.
- Грозозащитное заземление — заземление молниеотводов, тросов, разрядников/ОПН. Задача — отвести ток молнии в землю, не допустив опасных перенапряжений.
Все три объединяются в общую сеть заземления подстанции — это нормальная и правильная практика: отдельные «глухие» контуры для разных задач создают опасные разности потенциалов между ними.
Нормы сопротивления: откуда берутся цифры
Ключевая величина — сопротивление растеканию тока ЗУ. Нормы зависят от напряжения сети и режима нейтрали (по ПУЭ, гл. 1.7):
| Объект | Нормируемое сопротивление ЗУ |
|---|---|
| Электроустановки 110 кВ и выше с эффективно заземлённой нейтралью | как правило, не более 0,5 Ом |
| Электроустановки 3–35 кВ (в том числе с изолированной нейтралью) | 4 Ом (либо с учётом удельного сопротивления грунта) |
| Электроустановки до 1000 В с глухозаземлённой нейтралью | 4 Ом (для повторных заземлений — 10 / 15 / 30 Ом по условиям) |
Важно: 0,5 Ом для 110 кВ и выше — не «просто цифра», а требование, связанное с токами однофазного КЗ в сетях с эффективно заземлённой нейтралью. При больших токах КЗ даже небольшое сопротивление ЗУ даёт значительное напряжение на элементах контура, и это определяет требования к шаговому напряжению и выравниванию потенциалов.
[практика] На действующих объектах я сначала смотрю не на паспортное значение, а на условия измерения: грунт, сезон, глубина промерзания, наличие естественных заземлителей (фундаменты, оболочки кабелей, водопровод). Замер «по сухой земле летом» и «по мокрой осенью» даёт разницу в разы — и это часто объясняет, почему ЗУ «не проходит» по протоколу при формально исправном контуре.
Конструкция ЗУ: что реально работает
Типовое ЗУ подстанции — это сетка из горизонтальных проводников (полосы 40×4 мм или круг диаметром 10–20 мм), уложенная в земле на глубине 0,5–0,8 м, с вертикальными электродами в узлах (уголок, круглая сталь, труба) длиной 3–5 м.
Что определяет результат:
- Удельное сопротивление грунта (ρ) — главный параметр. Песок и скальные породы дают десятки и сотни Ом·м, глина и чернозём — единицы.
- Глубина заложения — влажный слой стабильнее по сезону; вертикальные электроды пробивают промерзающий/высыхающий слой.
- Площадь контура — сопротивление растеканию зависит от занимаемой площади, а не только от длины электродов.
- Связность — все элементы должны быть надёжно соединены сваркой или болтами с защитой от коррозии. Разрыв связи «делит» ЗУ на части, и сопротивление растёт.
- Естественные заземлители — фундаменты, оболочки кабелей, металлические трубопроводы: их учитывают, но не полагаются на них без проверки.
Для сложных грунтов применяют специальные меры: увеличение длины вертикальных электродов, замена грунта, бентонитовые (искусственные) засыпки, электролитические заземлители. Всё это — увеличение стоимости; сначала считают, потом выбирают.
Импульсное сопротивление: почему для молнии «4 Ом» не показатель
При токе молнии ЗУ работает иначе, чем при токе промышленной частоты: ток имеет импульсный характер, и растекание определяется импульсным сопротивлением. Из-за искровых процессов в грунте импульсное сопротивление может быть как меньше, так и больше сопротивления при частоте 50 Гц — зависит от типа электродов и ρ.
Практический смысл: нормирование «Ом при 50 Гц» — необходимое, но недостаточное условие для грозозащиты. Дополнительно проверяют:
- достаточность сечения проводников для токов молнии (термическая стойкость);
- отсутствие опасных перенапряжений на оборудовании (для этого служат ОПН/разрядники);
- расстояния от молниеотводов до оборудования и токоотводов — чтобы не было перекрытий.
Молниезащита: зоны и способы защиты
Молниезащита подстанции строится на двух принципах: не дать молнии попасть в оборудование (внешняя защита) и не дать импульсу пройти по цепям (внутренняя защита).
Внешняя защита
- Стержневые молниеотводы — вертикальные мачты с токоотводами. Защищаемое пространство вокруг молниеотвода — его зона защиты: область, в которую молния «не должна» попадать.
- Тросовые молниеотводы — тросы над шинами/ОРУ, применяются для протяжённых объектов.
- Зоны защиты традиционно строятся геометрическим методом (конус/поверхность вращения для одиночного стержня, с радиусом на заданной высоте); в современных нормах используют также метод защитного угла и катящейся сферы.
Важно понимать: зона защиты — не «гарантия», а статистическая оценка. Поэтому отраслевые нормы делят объекты по категориям (по взрывоопасности, пожарной опасности, ответственности) и для каждой категории задают свой требуемый уровень защиты.
Внутренняя защита
Ток молнии, проходя по токоотводам и ЗУ, создаёт импульсные перенапряжения в цепях: вторичные цепи, цепи управления, связи, питание. Защита — это:
- ОПН / разрядники на вводах и в узлах сети;
- правильная трассировка и экранирование вторичных цепей;
- выравнивание потенциалов — чтобы между металлическими частями не возникало опасной разности.
Шаговое и прикосновенное напряжение
Это то, что чаще всего упускают при внешне «нормальном» сопротивлении ЗУ. При протекании тока КЗ или тока молнии по контуру потенциал в разных точках земли различается. Человек, стоящий на земле вблизи места растекания тока, оказывается под шаговым напряжением, а коснувшийся заземлённого оборудования — под напряжением прикосновения.
Поэтому в ЗУ подстанций закладывают выравнивание потенциалов: частая сетка горизонтальных проводников под оборудованием, дополнительные контуры вокруг аппаратов, асфальтобетонное покрытие или щебень с повышенным сопротивлением поверх сетки. Всё это снижает напряжение прикосновения и шага без обязательного «уменьшения Ом».
[практика] Если протокол показывает «0,42 Ом — норма», это ещё не значит, что ЗУ в порядке по шаговому напряжению. На объектах с большими токами КЗ расчёт напряжения прикосновения обязателен, и именно он, а не «Ом», определяет, нужны ли дополнительные меры.
Как измеряют сопротивление ЗУ
Основные методы:
- Метод амперметра-вольтметра (падения напряжения) — классика: через ЗУ пропускают ток от отдельного источника, измеряют падение напряжения между ЗУ и потенциальным электродом, установленным на достаточном расстоянии. Требует вспомогательного заземлителя и правильного выбора расстояний.
- Специализированные измерители (трёх- или четырёхполюсные, «клещи») — удобнее, но требуют корректных условий и понимания, что именно они меряют (в частности, «клещи» работают только при наличии контура пути через другие заземлители).
- Измерение удельного сопротивления грунта — четырёхэлектродным методом (Веннера) до/при проектировании и при необходимости корректировки ЗУ.
Что обязательно фиксируется в протоколе: метод измерения, схема, расстояние до вспомогательных электродов, состояние грунта (влажность, сезон), температура, фактическое значение и приведение к нормируемым условиям.
Помимо сопротивления, при проверке смотрят:
- целостность и сечение проводников ЗУ (визуально, выборочное вскрытие, контроль коррозии);
- связь всех частей — нет ли разрывов между контуром и оборудованием;
- заземление корпусов, оболочек кабелей, ОПН, молниеотводов — все точки;
- отсутствие заземления полюсов оперативного тока (для сетей оперативного тока — запрещено).
Типовые ошибки
- Опора на одно значение «Ом» без учёта шагового напряжения и выравнивания потенциалов.
- Измерение в благоприятных условиях и «норма» в протоколе при фактически нерабочем ЗУ в промерзание/засуху.
- Разрывы и коррозия — контур формально есть, но разделён на части.
- Молниеотводы без связи с общим ЗУ — опасные разности потенциалов при разряде.
- Отказ от внутренней защиты — ОПН формально стоят, но не проверены или на вводе отсутствуют.
- Нет расчёта при изменении схемы (добавили оборудование, изменился ток КЗ) — ЗУ считается «по старым нормам».
Частые вопросы
Зачем все заземления объединять в одну сеть? Чтобы между отдельными контурами не возникало опасной разности потенциалов при протекании токов КЗ или молнии. Раздельные контуры — источник перенапряжений между ними.
Какое сопротивление заземления «правильное»? Зависит от напряжения и режима нейтрали: порядка 0,5 Ом для 110 кВ и выше, 4 Ом для 3–35 кВ, 4 Ом (с оговорками) для 0,4 кВ — конкретика по действующей редакции норматива. Плюс отдельные требования к напряжению прикосновения и шага.
Чем молниезащита отличается от заземления? Заземление — основание: путь для тока в землю. Молниезащита — способ не допустить попадания молнии в объект и отвести её ток безопасно (молниеотводы, токоотводы, ОПН, выравнивание потенциалов).
Что делать, если грунт «плохой»? Увеличивать глубину и количество электродов, использовать бентонитовые засыпки, добавлять искусственные заземлители. Сначала — замер ρ и расчёт, потом решение.
Можно ли проверить ЗУ без отключения оборудования? Частично — с применением измерительных методов, не требующих отключения. Полноценная проверка с вскрытием и контролем связей требует вывода оборудования.
Итог
Заземляющее устройство подстанции — единая сеть под три задачи: рабочие токи, защита людей, грозозащита. Нормируется сопротивлением (порядка 0,5 / 4 Ом по классам напряжения — уточняется по действующему нормативу), но этого недостаточно: важны выравнивание потенциалов, напряжение прикосновения и шага, импульсное сопротивление и внутренняя защита от перенапряжений. Проверка — это измерения с корректной методикой, вскрытие и контроль связей, а не единственная цифра в протоколе.
Нужно проектирование/проверка ЗУ, измерение сопротивления или расчёт по шаговому напряжению — напишите, сделаем по фактическим условиям.
Источники: ПУЭ (гл. 1.7) — нормы сопротивления ЗУ и требования к заземлению (ОБЯЗАТЕЛЬНО сверить с действующей редакцией и СТ РК); СО 153-34.21.122-2003 — устройство молниезащиты зданий и сооружений (проверить применимость); библиотека РЗА: методики растекания тока и построения зон защиты молниеотводов (фонд оцифрованных изданий).