بخشی از مقاله
-1 چکیده
طراحی سیستم زمین پستهاي انتقال نیرو یکی از مسائل پیچیده اي است که طراحان پستهاي انتقال با آن مواجه می باشند. هزینه بالاي اجراي سیستم زمین در پستهاي انتقال سبب شده است تا طراحان همواره به دنبال روشهایی نوین جهت بهینهسازي سیستم زمین و طراحی بهینه آن باشند. از طرف دیگر سیستم زمین طراحی شده باید در شرایط پایدار و گذرا محیطی ایمن براي بهره برداران پست فراهم نموده و حداکثر قابلیت اطمینان از عملکرد صحیح تجهیزات حفاظتی را بوجود آورد. در این مقاله روشی کاربردي براي طراحی بهینه سیستم زمین پستهاي انتقال نیرو با استفاده ازالگوریتم ژنتیک ارائه گردیده است که به طراح این اطمینان را می دهد که سیستم زمین طراحی شده علاوه بر تأمین ایمنی لازم براي افراد و تجهیزات داراي کمترین هزینه اجرا نیز می باشد.
-2 مقدمه
اجراي سیستم زمین در پستهاي انتقال با 3 هدف صورت می پذیرد:
1-2 محافظت از افراد گروه بهره برداري پست در زمان وقوع خطا و جاري شدن امواج گذراي جریان، که این جریان می تواند ناشی از برخورد صاعقه و یا وقوع اتصال کوتاه فاز به زمین باشد. در اثر بوجود آمدن امواج گذاري جریان و بروز خطاي اتصال کوتاه فاز به زمین، جریان زیادي وارد زمین شده و باعث بوجود آمدن گرادیان پتانسیل سطحی بزرگی در محوطه پست می شود و ممکن است بهره برداران پست را در معرض شوك ناشی از ولتاژ گام یا تماس قرار دهد. وجود سیستم زمین باعث کاهش این گرادیان ولتاژ می گردد.
2-2 ایجاد امپدانس کم در مسیر جریانها که باعث عملکرد صحیح تجهیزات حفاظتی می شود.
3-2 هدایت امواج گذراي جریان، ناشی از برخورد صاعقه و همچنین هدایت جریانهاي بالاي اتصال کوتاه فاز به زمین و توزیع این جریانها در زمین اطراف پست،این مسئله باعث می گردد تا میدانهاي الکترومغناطیسی نامطلوبی که بوسیله این جریانها القاء می شود از حد قابل قبول تجاوز ننموده و به تجهیزات الکتریکی صدمه اي وارد نگردد.[1]
با توجه به اهمیت سیستم زمین در پستهاي انتقال نیرو می بایست در طراحی آن تمامی شرایط مؤثر در نظر گرفته شود. تاکنون روشهاي زیادي جهت بهینه سازي سیستم زمین ارائه گردیده است که در هر کدام از آنها سعی شده تا نوع خاصی از مسائل طراحی سیستم زمین مورد توجه قرار گیرد. بعنوان مثال در برخی ازاین روشها تعیین فاصله بین هادیهاي شبکه زمین با استفاده از روشهاي عددي در زمینهاي داراي خاك دو لایه و با دو مقاومت ویژه متفاوت انجام شده است.[2-5]
در [6] طراحی براي پستهایی با مش نامتقارن انجام شده است. همچنین در بعضی از روشها ازالگوریتم ژنتیک براي تعیین تعداد بهینه هادیها استفاده شده است.[7] در روشهاي ارائه شده در گذشته تنها جنبه هاي تحقیقاتی طراحی از قبیل زمان اجرا و تکراري نبودن روش بهینه سازي مورد توجه قرار گرفته و کمتر به مسائل و محدودیتهایی که در اجراي سیستم زمین به وجود می آید پرداخته شده است.
همچنین توابع بهینه سازي ارائه شده کامل نبوده و تمامی هزینه هاي اجراي سیستم زمین را شامل نمی شده اند.در این مقاله با استفاده از الگوریتم ژنتیک و با تعریف تابع هزینه اي که شامل اکثر هزینه هاي اصلی اجراي سیستم زمین می شود روشی کاربردي جهت طراحی بهینه سیستم زمین ارائه گردیده است و مقدار بهینه پارامترهاي بهینه سازي که عبارتند از عمق دفن شبکه زمین, سطح مقطع هادیهاي اتصال دهنده، سطح مقطع هادیهاي شبکه زمین،تعداد هادیهاي عمودي شبکه زمین, 1 همچنین فواصل بین هادیهاي شبکه زمین بدست آمده و ارائه شده است. تابع هزینه در نظر گرفته شده شامل هزینه خاك برداري, هزینه هادیهاي شبکه زمین - هادیهاي افقی و عمودي - و هزینه هادیهاي اتصال دهنده تجهیزات به شبکه زمین میشود.
-3 تعریف مسئله
به طور کلی سیستم زمین پستهاي انتقال شامل شبکه اي از هادیهاي موازي و عمودي است که در عمق مناسبی از سطح زمین قرارداده می شود و به کمک هادیهایی که بدنه فلزي و ترمینالهاي زمین تجهیزات را به آن متصل می کند وظیفه هدایت جریانهاي ناشی از خطا به زمین و پراکنده کردن آن در خاك اطراف را بر عهده دارد.
بر اساس استاندارد , IEEE 80,2000 دو معیار براي داشتن یک سیستم زمین ایمن در پستهاي با ولتاژ AC تعریف می شود که عبارتند از حداقل ولتاژهاي تماس و گام براي یک انسان با وزن 70kg که در محیط پست حضور دارد. [8] این معیارها وابسته به ضخامت لایه سطحی پست و مقاومت ویژه آن و همچنین مقاومت ویژه خاك پست و مدت زمان جریان شوك در بدن انسان می باشد.
با داشتن مقادیر این معیارها، سیستم زمین پست انتقال به گونه اي طراحی می گردد تا مقدار ولتاژهاي تماس و گام واقعی - طراحی شده - از این مقادیر کمتر باشند. براي محاسبه مقادیر واقعی ولتاژهاي تماس و گام باید پس از طراحی اولیه شبکه زمین, مقاومت معادل الکتریکی سیستم زمین پست بدست آید و همچنین سهم جریان خطاي وارد شده به زمین پست با توجه به مسیرهاي عبور جریان نیز تعیین گردد سپس با استفاده از مشخصات پست این مقادیر تعیین شوند.
مقادیر واقعی ولتاژهاي تماس و گام یا به عبارت دیگر ولتاژهاي مش و گام وابسته به سطح مقطع هادیهاي شبکه زمین , تعداد و مکان هادیهاي عمودي, فاصله بین هادیهاي موازي, عمق دفن شبکه زمین و مقاومت ویژه خاك است. ولتاژ مش در واقع همان ولتاژ تماس در مرکز یک مش است که عموماً در بدترین
شرایط ممکن که همان مشهاي کناري شبکه زمین است محاسبه می شود.
از طرف دیگر سهم جریان خطاي وارد شده به خاك پست که با ضریبی تحت عنوان ضریب تقسیم2 مشخص می گردد، وابسته به نوع پست - نیروگاهی – انتقالی – انتهایی - و نحوه اتصال به زمین نقطه نول ترانسهاي پست و همچنین نحوه اتصال به زمین سیمهاي محافظ خطوط انتقال ورودي است. در این مقاله طراحی براي یک پست انتقال که سیمهاي محافظ خطوط ورودي وهمچنین نقطه نول ترانسهاي پست به شبکه زمین متصل شده است انجام و نتایج ارائه گردیده است.
-4 فرمولبندي مسئله
در این رابطه :I جریان عبوري از هادي است که براي رایزرها این جریان برابر جریان اتصال کوتاه در محل پست در نظر گرفته می شود و براي هادیهاي مش درصدي از جریان اتصال کوتاه در نظر گرفته می شود.:TCAP ظرفیت حرارتی هادي با توجه به جنس آن، : αr ضریب حرارتی مقاومت هادي در دماي مرجع، : ρr مقاومت الکتریکی هادي، : T m ماکزیمم دماي مجاز هادي است که براي رایزر با توجه به نوع اتصال آن به بدنه تجهیزات و همچنین به علت اینکه تحت کشش نیروهاي مکانیکی قرار دارد 250 درجه سانتیگراد و براي هادیهاي شبکه زمین 600 درجه سانتیگراد در نظر گرفته می شود. : T A دماي محیط و : t C زمان اتصال کوتاه می باشد.
جهت محاسبه سهم جریان اتصال کوتاه وارد شده به خاك پست با توجه به مسیرهاي موجود عبور جریان, مدلسازي خطوط انتقال ورودي به پست به همراه مدلسازي سیستم زمین پست مورد مطالعه و پستهاي اطراف انجام شده و با تعیین امپدانسهاي مسیر عبور جریان میزان جریان وارد شده به خاك پست مورد نظر تعیین می شود. این مدلسازي با استفاده از نرم افزار تهیه شده انجام گردیده است که در آینده در مقاله اي با همین عنوان این روش تشریح خواهد شد.
-5 روش بهینه سازي الگوریتم ژنتیک
با توجه به اینکه طراحی سیستم زمین فرآیندي پیچیده است در نظر گرفتن پارامتر هزینه آنرا دشوارتر می کند و معمولاً طراحان سیستم زمین با استفاده از تجربه و روش آزمون و خطا به طراحی سیستم زمین پرداخته و کمتر به دنبال بهینه سازي آن بوده اند. روش الگوریتم ژنتیک به عنوان یکی از قویترین روشهاي جستجو و بهینه سازي متغیرهاي گسسته می تواند در طراحی بهینه سیستم زمین مورد استفاده قرار گیرد. این روش با استفاده از اصل بقاي ژن برتر و با درنظر گرفتن متغیرهایی تحت عنوان کروموزوم و تولید آنها از یک نسل به نسل دیگر و با تعریف تابعی تحت عنوان تابع برازندگی می تواند مقادیر بهینه متغیرهاي بهینه سازي را تعیین کند.
-6 تعریف تابع بهینه سازي
در تمام مسائل بهینه سازي با یک تابع روبرو هستیم که این تابع می تواند تابع سود یا تابع هزینه باشد. هدف از بهینه سازي مینیمم کردن یا ماکزیمم کردن تابع مذکور است.
