بخشی از مقاله
چکیده
در طراحی و احداث پستهای توزیع و فوق توزیع، یکی از مهمترین مسائلی که باید مد نظر قرار گیرد، طراحی سیستم زمین حفاظتی مربوط به آن است. بروز شرایط اتصال کوتاه در سیستمهای قدرت به علت وجود اضافه ولتاژهای موقت و گذرا و همچنین آسیب دیدن برخی تجهیزات الکترونیکی اتفاقی عادی محسوب میشود که با اجرای سیستم شبکه زمین ایمنی لازم تامین میگردد از این رو به جهت به حداقل رساندن اختلاف ولتاژ گام و تماس محاسبه شده نسبت به حد مجاز آن با تغییرات سایزینگ هادی مسی شبکه سیستم زمین در این مقاله تحلیل و شبیه سازی شده است.
-1 مقدمه
-1-1 مفاهیم طراحی مهندسی سیستم زمین در پستهای فشار قوی:
با توسعه صنعت برق و افزایش ولتاژ آنها جریانها در حالت اتصال کوتاه تک فاز به زمین قابل ملاحظه شد که در محل اتصالی باعث ایجاد جرقه میشد. این پدیده "زمین جرقه زن" معروف شد.[1] این پدیده سبب افزایش ولتاژ فازهای سالم نسبت به زمین و موجب اختلالات شبکه میگردید و همچنین به وسایل خساراتی وارد مینمود. با اتصال نقطه خنثی به سیستم زمین میتوان از این افزایش ولتاژ جلوگیری کرد.
سیستم زمین عبارت است از مجموعه تجهیزاتی که درون زمین نصب میشوند تا یک شبکه زمین مناسب و با مقاومت کم و در حد صفر برای شبکه ایجاد کنند. به عبارت دیگر یک سیستم زمین شامل اتصال الکتریکی امپدانس پائین بین قسمت خنثی سیستم الکتریکی و زمین میشود. روشهای ایجاد سیستم زمین عبارتند از نصب الکترود میلهای در زمین، نصب صفحه زمین - در چاه - و شبکه توری - mesh - زمین . سیستمهای الکتریکی به چند دلیل زمین میشوند یا به زمین متصل میشوند. دلایل اصلی برای زمین کردن به این شرح هستند:
-1 ایجاد امنیت در شرایط نرمال یا خطادار برای تضمین عملکرد دقیق ابزارهای الکتریکی
-2 پایدار کردن ولتاژ در طی شرایط گذرا و کمینه کردن جرقهزنی در حالات گذرا و نیز پخش کردن ضربهای صاعقه و کلیدزنی.
هنگامی که میگوییم یک سیستم زمین شده است، منظور اتصال سیستم مورد نظر به یک ساختار فلزی مدفون در زمین میباشد. ساختارهای فلزی پیاده سازی شده بر روی زمین سیستم زمین نامیده شده و مسیر رسانایی را برای الکتریسیته ایجاد میکنند تا به زمین جاری شود یک سیستم زمین پست شامل میلههای زمین هدایتی، کابلها یا شبکه متصل مدفون شده، کابلهای اتصال که شبکه زمین مدفون را به قسمتهای فلزی ساختمانها و تجهیزات متصل میکنند، اتصالات به قسمتهای خنثی سیستم زمین، و نیز ماده عایقی سطوح میشود.
در این مقاله برآنیم تا با حداقل کردن سایز هادی شبکه سیستم زمین پستهای فشار قوی و در نتیجه کاهش هزینه نهایی اجرای سیستم زمین با احتساب در نظر گرفتن حداکثر ولتاژ تماس، گام و تداخلات الکترومغناطیسی، به ایمنی هر چه بیشتر افراد و تجهیزات و همچنین انتقال ایمن اطلاعات توسط کابلهای مخابراتی و ابزاردقیق برسیم.
- 2-1 سنجش مقاومت خاک :
پیش از اینکه طراحی را بتوان آغاز کرد، نیاز است تا سنجشهای مقاومت خاک در محل پست انجام شوند. مقاومت خاک برای تعیین ساختار خاک محل احداث پستهای فشار قوی اندازهگیری میشود زیرا بسیار بستگی به نوع منطقه دارد. برای مثال، مقاومت خاک در گل و لای کف رودخانه ممکن است یک و نیم اهم برمتر باشد، در حالی که در ماسه خشک یا گرانیت ممکن است تا ده هزار اهم بر متر نیز برسد.[4] فاکتورهایی که بر روی مقاومت خاک تاثیر میگذارند عبارتند از:
-1 نوع خاک - خاک رس، ماسه سنگ، گرانیت و غیره -
-2 محتوای ماده مرطوب
-3 دما، تجزیه شیمیایی،
-4 حضور فلز یا پایپهای سیمان، و توپولوژی خاک به عنوان نتیجه، هر محل به صورت مجزا یکتا بوده و نیاز است تا سنجشهایی به صورت خاص در هر محل صورت گیرد.
در محیطهای بزرگ در چندین نقطه آزمون خاک را انجام میدهند زیرا بندرت محلی را میتوان یافت که در تمام نقاط آن مقاومت خاک یکسان باشد.[5] در بسیاری از حالات، بسیاری از لایه های خاک در محل وجود دارد و مقاومت خاک در هر لایه تغییر میکند. اگر در محلی تغییرات محسوسی بر حسب افزایش عمق داشته باشیم، باید سنجشهایی در موقعیتهای گوناگون صورت گیرد.
-3-1 هادی زمین :
متداولترین هادیها عبارتند از مس و استیل با روکش مس میباشد. هر دوی آنها دارای مزایا و معایبی هستند.[5] مس معمولا متداول ترین ماده برای زمین کردن است. مس دارای مزایایی در رابطه با مقاوم بودن در برابر خوردگی زیرزمین است، زیرا مس نسبت به بسیاری از فلزات دیگر که در مجاورت آن دفن میشوند کاتدیتر است. در عین حال، استیل با روکش مس معمولا برای میلههای زیرزمینی مورد استفاده قرار گرفته و در بسیاری از موقعیتها برای شبکههای زمین مورد استفاده قرار میگیرد. همچنین گزینهای مناسب برای مواردی است که در آنها مس دزدی داریم.
مواد دیگری که میتوان مورد استفاده قرار داد عبارتند از آلومینیوم و استیل، آلومینیوم هادی خوبی است ولی با این حال مس هدایت بهتری دارد. مزایای آلومینیوم این است که کمتر دزدیده شده و ارزان تر از مس است.[6] دمای گداخت آلومینیوم در حدود نصف مس است در حالی که ظرفیت گرماییاش در حدود دو سوم آن است. استیل هنوز گزینه موجود برای هادیها و میلههای شبکه زمین میباشد که دزدی آن نیز زیاد نیست در ضمن مشخصههای دمایی و ظرفیت گرمایی برای استیل بسیار مناسب هستند. از نقطه نظر فیزیکی و ظاهری الکترود زمین به چند دسته تقسیم میشود که از نظر خواص با یکدیگر متفاوت هستند.
-2 مدل سازی سیستم زمین پست:
طراحی سیستم زمین پست در هنگامیکه برق در دور دست تولید و هیچ مسیر بازگشتی برای خطای زمین به غیر از خود زمین وجود ندارد، آنگاه این خطر وجود داردکه خطای زمین در اطراف محل زمین خطا میتواند باعث ایجاد گرادیانهای ولتاژ خطرناک - افزایش پتانسیل زمین - شود. این بدین معنی است که به دلایل زیر هر چیزی که نزدیک به محل خطا باشد میتواند با یک شک الکتریکی خطرناک مواجه شود.
- ولتاژ تماس : اختلاف پتانسیل خطرناک بین زمین و جسم فلزی که یک شخص آن را لمس میکند.
- ولتاژ گام : گرادیان ولتاژ خطرناک بین پاهای یک فرد ایستاده بر روی زمین است.
شبکه زمین میتواند برای دفع جریان خطا به زمین دور و کاهش گرادیانهای ولتاژ در زمین مورد استفاده قرار بگیرد. محاسبات ولتاژ تماس و گام به منظور ارزیابی اینکه آیا شبکه زمین توانایی دفع جریانهای خطا را بطوریکه ولتاژهای تماس و گام دیگر وجود نداشته باشند دارد یا خیر انجام میشود. برای این منظور و برای مدلسازی سیستم زمین[7] ابتدا به محاسبه متغیرهای مورد نیاز در این مدلسازی میپردازیم.
حالت خاصی از ولتاژ که در آن ولتاژ تماس به نقطهای زمین شده در دور دست در داخل یا بیرون پست انتقال پیدا کند را ولتاژانتقالی - 1 trrd - E به عنوان به عنوان مثال فرض کنید شخصی در دور دست و با سیم یا لوله و یا هر شی یا هادی دیگر در تماس باشد که به محل پست متصل است و در این حالت، داخل پست خطای اتصال کوتاه رخ دهد، به ولتاژ تماس در این حالت ولتاژ انتقالی گویند. بنابراین با توجه به تعریف اگر شخصی در داخل پست به هادی که با پست دیگر در ارتباط است و در آن اتصال کوتاه رخ داده است متصل باشد در این حالت ولتاژ انتقالی نزدیک به مجموع ولتاژهای افزایش یافته هر دو پست خواهد بود و لذا می بایست احتمال ایجاد ولتاژ انتقالی خطرناک را با ایزوله کردن کامل شبکههای زمین هر دو پست و جداسازی آنها از یکدیگر پایین آورد. شکل 1 نمایی از انواع ولتاژهای مختلف در پست را نمایش میدهد.
شکل : 1 نمایی از موقعیتهای انواع شک در صورت بروز خطا
-3 شبیه سازی و تحلیل با تغییرات آلترناتیو سایز کابل :
تاکنون روشهای زیادی جهت بهینهسازی سیستم زمین ارائه شده است که در هرکدام از آنها سعی شده تا نوع خاصی از مسائل طراحی سیستم زمین مورد توجه قرار گیرد. به عنوان مثال در برخی از این روشها برای تعیین فاصله بین هادیهای شبکه زمین در زمینهای دارای خاک دو لایه و با دو مقاومت ویژه متفاوت از روشهای عددی استفاده شده است.[10-8] شبیه سازی این مقاله در نرم افزار ETAP انجام گرفته و از آنجا که نرم افزار ETAP قابلیت دو روش روش المان محدود و روش IEEE دارد لذا در این مقاله شبیه سازی و حالت بهینه آن از روش استاندارد IEEE استفاده شده است. نرم افزار مذکور برای انجام بهینه سازی و مشخص شدن تعداد بهینه هادیهای افقی و عمودی بر مبنای ولتاژ گام و تماس مجاز و مقاومت زمین تحلیل میکند.
وضعیت مشهای شبکه زمین که دارای 10 عدد هادی عمودی به همراه 5 عدد هادی افقی 5 عدد میباشد طبق شکل 2 میباشد
