بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله هدف، طراحی سیستم زمین بهینه از نظر اقتصادي براي پستهاي برق، با شرط حفظ شرایط ایمنی سیستم زمین بر اساس استاندارد IEEE می باشد. این مطالعه براي شرایط
مختلف سیستم زمین و خاك یک لایه و دو لایه انجام شده و براي هر کدام از این شرایط، سیستمهاي طراحی شده، ارائه و با هم مقایسه گردیده است. در این مقاله، طراحی سیستم زمین
در سه حالت انجام گرفته است. در حالت اول از شبکه زمین با فواصل یکسان استفاده می شود و حالت دوم مربوط به طراحی سیستم زمین با جایابی بهینه هادیهاي شبکه زمین به
کمک الگوریتم ژنتیک - GA - می باشد و نهایتاً در حالت سوم،طراحی سیستم زمین بهینه جامع، به کمک GA با در نظر گرفتن کلیه پارامترهاي مختلف موثر بر ایمنی سیستم زمین
بعنوان متغیرهاي بهینه سازي ارائه می شود که باعث افزایش قابلیت انعطاف بهینه سازي و کاهش قابل توجه هزینه هاي سیستم زمین می گردد.
واژههاي کلیدي: سیستم زمین حفاظتی بهینه، ولتاژ تماس، ولتاژ گام، الگوریتم ژنتیک
-1 مقدمه
در طراحی و احداث یک پست برق، یکی از مهمترین مسائلی که باید مد نظر قرار گیرد، طراحی سیستم زمین حفاظتی مربوط به آن است. عبور جریان از سیستم زمین، باعث ایجاد گرادیانهاي ولتاژ در سطح زمین شده که در اینصورت نقاط مختلف سطح زمین نسبت به هم و نسبت به زمین مرجع - زمین دور - داراي اختلاف پتانسیل می شوند که چنانچه طراحی بطور دقیق انجام نشود، ممکن است این ولتاژها به حدي برسند که ایمنی افراد را در محل به خطر بیندازند. دراین شرایط، افراد در معرض احساس ولتاژهاي بالا بین محل دو گام خود - ولتاژ گام - 1 بوده و همچنین چنانچه یک فرد دراین لحظه در تماس با یک وسیله فلزي زمین شده باشد، در معرض ولتاژ بین آن نقطه و زمین محل پاي خود - ولتاژ تماس - 2 می باشد.
طراحی سیستم زمین باید طوري صورت گیرد که به ترتیب مقادیر ماکزیمم ولتاژهاي تماس و گامی که امکان رخداد آنها در محل پست و در شرایط فالت وجود دارد ماکزیمم مقادیر ولتاژهاي تماس و گام قابل تحمل بدن انسان کمتر باشد1]و2و3و.[4یک روش براي طراحی سیستم زمین، استفاده از شبکه زمین بافواصل یکسان است. بر اساس نتایج، استفاده از این روش، تا حد زیادي باعث افزایش هزینه هاي سیستم زمین می شود ونیاز به ارائه روش بهتري است که علاوه بر برآورده کردن شرایط ایمنی، از هزینه هاي اضافی جلوگیري گردد.در گذشته مقالاتی جهت بهینه سازي سیستم زمین ارائه شده اما در این مقالات تنها پارامتري که جهت بهینه سازي در نظر گرفته شده، طول هادیهاي سیستم زمین است.
در مرجع [5]رابطه تغییرات ولتاژ تماس و گام با تعداد هادیهاي سیستم زمین جهت تعیین میزان موثر بودن افزایش تعداد هادیها درکاهش ولتاژهاي تماس و گام ارائه شده اما با مقادیر قابل تحمل، جهت ارزیابی ایمنی مقایسه نشده است. در مراجع6]و7و[8 مطالعه اي بر روي ضریب فشردگی هادیها و رابطه آن با ولتاژ تماس و گام انجام شده است و ضریب فشردگیمتناسب با کمترین ولتاژ تماس بدست آمده اما مقایسه اي بامقادیر قابل تحمل جهت ارزیابی ایمنی انجام نشده است. در مرجع [9] بهینه سازي به کمک GA انجام شده اما تعداد هادیهاي شبکه زمین از قبل معلوم وثابت در نظر گرفته شده است و هدف حداقل کردن ولتاژ تماس است، اما با مقادیرقابل تحمل مقایسه نشده است. در مرجع [10] جهت بهینه سازي سیستم زمین رابطه اي بین طول مشهاي متوالی در نظر گرفته شده است.
اما تنها متغیر بهینه سازي طول کل هادیهاي شبکه زمین است. در مراجع 11]و12و[13 بهینه سازي توسطGA انجام شده که در مرجع [12] میله هاي عمودي هم درنظر گرفته شده اما در این مراجع، تنها طول کل هادیهاي سیستم زمین بعنوان متغیر بهینه سازي لحاظ شده است.با توجه به مطالب فوق ملاحظه می شود که در کلیه مقالات ارائه شده جهت بهینه سازي سیستم زمین، تنها طول کل هادیهاي سیستم زمین بعنوان متغیر بهینه سازي در نظر گرفته شده است در صورتیکه طبق بررسیهاي صورت گرفته،پارامترهاي دیگري نیز بر ایمنی سیستم زمین موثرند. در مقاله حاضر قصد داریم در تکمیل مطالعات قبلی، یک بهینه سازي جامع با در نظر گرفتن پارامترهاي مختلف موثر بر ایمنی سیستم زمین ارائه دهیم. براي شرایط مختلف سیستم زمین، مطالعه در سه حالت انجام می شود.
ابتدا طراحی سیستم زمین با شبکه با فواصل یکسان ارائه می شود. در حالت دوم،طراحی با جایابی بهینه هادیهاي شبکه زمین به کمک GA - بهینه سازي تک متغیره - ارائه و نتایج آن با حالت قبل مقایسه می گردد. و نهایتاً بعنوان هدف اصلی مقاله، بهینه سازي جامع چند متغیره با در نظر گرفتن پارامترهاي مختلف موثر بر ایمنی سیستم زمین بعنوان متغیرهاي بهینه سازي ارائه و نتایج آن باحالت بهینه سازي تک متغیره مقایسه می شود که بر اساس نتایج، استفاده از این روش باعث افزایش انعطاف بهینه سازي و کاهش قابل توجه هزینه هاي سیستم زمین و همچنین باعث یکنواخت تر شدن گرادیانهاي ولتاژ سطحی می گردد.
ضمناً قابل ذکر است که در مقالات ارائه شده در زمینه بهینه سازي سیستم زمین، نقاط متناظر با محل قرارگیري هادیهاي شبکه زمین در طول هر محور، بصورت یکنواخت در کلطول محور تقسیم شده است اما چون در عمل، سیستم زمین بهینه به گونه اي است که تمرکز هادیها به سمت محیط شبکه زمین افزایش می یابد، استفاده از این روش در شرایط سخت مثل مقاومت ویژه خاك بالا یا جریانهاي فالت بالا باعث پیچیده و زمانبر شدن طراحی می شود. براي رفع این مساله، در مقاله حاضر، در حالت بهینه سازي تک متغیره، توزیع نقاطبصورت غیر یکنواخت انتخاب می شود بطوریکه تراکم به سمت محیط شبکه افزایش می یابد که باعث کاهش تعدادبیتهاي کروموزومها نسبت به حالت توزیع یکنواخت و کاهشقابل توجه زمان محاسبات و بهبود عملکرد بهینه سازي میگردد.
-2 مساله طراحی
هدف از طراحی سیستم زمین، ارائه یک پیشنهاد از هادیهاي زمین شده براي برآورده کردن شرایط ایمنی سیستم زمین است. قبل از طراحی سیستم زمین باید مشخصات خاك منطقه پست، اعم از مقاومت ویژه آن و مدل خاك تعیین شود که روشهاي مختلفی براي این کار ارائه شده است.[4] همچنین باید بدترین جریان فالتی که باعث عبور بزرگترین جریان تزریقی از سیستم زمین می شود تعیین، و طراحی بر اساس آن انجام شود. جهت طراحی سیستم زمین در این مقاله دو شرط در نظر گرفته شده است اول اینکه سیستم زمین پیشنهادي باید از نظر استاندارد شرایط ایمنی را برآورده کند بدین ترتیب که ماکزیمم ولتاژ تماس و ماکزیمم ولتاژ گام ایجاد شده ناشی ازعبور جریان فالت از سیستم زمین باید بترتیب از ماکزیمم ولتاژ تماس و گام قابل تحمل بدن کمتر باشد. دوم اینکه سیستم زمین پیشنهادي باید بگونه اي باشد که علاوه بربرآورده کردن شرایط ایمنی فوق، هزینه کلی آن نیز حداقل شود.
-1-2 مقادیر ولتاژ تماس و گام قابل تحمل بدن
در صورت مواجه شدن یک فرد با شوك الکتریکی، احتمال ایجاد صدمه براي شخص به جریان عبوري از بدن وي و مدت زمان شوك بستگی دارد. بر اساس استاندارد IEEE،حداکثر ولتاژ تماس و گام قابل تحمل بدن را می توان بااستفاده از روابط زیر تعیین نمود1]و:[2ماکزیمم ولتاژهاي گام قابل تحمل بدن براي وزنهاي 50Kg و:70Kg
که Cs ضریب کاهشی لایه سطحی، ρs مقاومت ویژه لایهسطحی و ts مدت زمان مواجهه با شوك می باشد.معمولاً از یک لایه مواد با مقاومت ویژه بالا در سطح زمینپست استفاده می شود. استفاده از این لایه باعث می شود که مقاومت بین زمین و پاهاي شخص افزایش یابد و بصورت یک مقاومت سري عمل می کند و باعث محدود شدن جریان عبوري از بدن می شود. ضریب کاهشی لایه سطحی بصورت زیر تعریف می شود:[1]
که hs ضخامت لایه سطحی، ρs مقاومت ویژه مواد لایه سطحی، و ρ مقاومت ویژه خاك زیر لایه سطحی می باشد.
-2-2 آنالیز سیستم زمین و محاسبه ماکزیمم ولتاژهاي تماس و گام ایجاد شده
در پروسه بهینه سازي GA، در هر تکرار بازاي هر عضوجمعیت، یک سیستم زمین پیشنهادي ارائه می شود که بایداین سیستم، آنالیز شده و اطلاعات پارامترهاي مورد نیاز آن محاسبه شود. آنالیز سیستم زمین بوسیله نرم افزار CDEGSانجام می شود که یکی از معتبرترین نرم افزارها در زمینه تحلیل سیستم زمین در دنیاست. بررسیهاي صورت گرفته بدین ترتیب است که یک لینک کامل بین نرم افزارهايCDEGS و MATLAB ایجاد شد که تبادل اطلاعات، بصورت اتوماتیک بین آنها انجام می شود. بدین ترتیب که در هر تکرار پروسه GA، بازاي هر عضو جمعیت، سیستم پیشنهادي آنالیز شده و پتانسیل ولتاژهاي سطحی مربوط به چند هزار نقطه از سطح زمین پست، استخراج شده و با آنالیزاین اطلاعات، پارامترهاي مورد نیاز سیستم زمین حاصل میشود.
-1-2-2محاسبه ولتاژ تماس سیستمهاي پیشنهادي
ابتدا GPR1 - ماکزیمم ولتاژ ایجاد شده در شرایط فالت نسبت به زمین دور - سیستم پیشنهادي محاسبه می شود. سپس با داشتن ولتاژهاي سطحی نقاط مختلف - - Vpi، ولتاژ تماس
