مقاله طراحی نوین به منظور بهینه سازی ارت های شبکه توزیع برق

بخشی از مقاله

چکیده

کنترل و بهینه سازی شبکه ارت با توجه به آرایش استاندارد شبکه های توزیع - TN-C - از اهمیت بالایی برخوردار است. ارتها نقش مهمی در عملکرد صحیح سیستم های حفاظتی شبکه توزیع و پیشگیری از بروز نوسانات ولتاژ در انتهای فیدرهای فشار ضعیف و کاهش اثرات منفی هارمونیکها در شبکه دارند. اندازه گیری و نظارت بر ارتهای احداث شده در سطح شبکه مستلزم صرف زمان و استفاده از نیروی انسانی و هزینه بالایی می باشد. همچنین احیاء ارتهایی که دچار افت کیفیت و افزایش مقاومت شده اند هزینه های سنگین و نیروی انسانی و زمان به سیستم تحمیل می نماید.

عدم توجه به این مهم باعث بروز خطرات ایمنی متعدد و خسارات قابل توجهی به تجهیزات شبکه و مشترکین می شود. یکی دیگر از معضلات عمده در این زمینه سرقت رابطهای ارت به شبکه بوده که منجربه بالا رفتن اهم معادل شبکه می گردد. به منظور جلوگیری از سرقت رابطها، اجرای بهینه و پایدار سیستم ارت، طرحی با در نظر گرفتن استانداردهای ,IEEE1100 IEEE80, IEEE81 BS7430,IEC61000 طراحی شده است. این طرح نتایج قابل توجهی در برداشته و منجربه افزایش پایداری شبکه در سطح وسیع و ماندگاری کیفیت ارت شبکه در بلند مدت خواهد شد. در این مقاله به تشریح طرح فوق و جزئیات فنی آن پرداخته می شود.

.1مقدمه

امروزه وجود قوانین و مقررات و تجهیزات حفاظتی جهت رعایت نکات ایمنی و حفاظت از شبکه های توزیع، واحد های صنعتی و مسکونی جزو لاینفک تاسیسات محسوب می شود. زمین کردن نول شبکه فشار ضعیف و برقگیرهای مورد استفاده در شبکه های توزیع دو نمونه از این موارد ایمنی و حفاظتی می باشد.

به طور کلی زمین کردن شبکه های توزیع با سه هدف اصلی انجام می شود:

الف- هم پتانسیل کردن نول شبکه با زمین جهت حذف یا کاهش ضربه های ولتاژی ناشی از کلید زنی، برخورد صاعقه، بارهای ضربه ای و ... [3]

ب- تثبیت نقطه صفر ولتاژ به منظور جلوگیری از نوسان ولتاژ در انتهای فیدرهای فشار ضعیف به علت متغیر بودن بار مصرف کننده ها در فازهای مختلف.

پ- کنترل یا کاهش اثرات افزایش جریان نول به واسطه وجود هارمونیک های حاصل از تجهیزات مشترکین ت- آشکار سازی نشت جریان به زمین به دلیل از بین رفتن یا تخریب عایق کابلهای زمینی در شبکه توزیع یا تاسیسات مشترک یا به اختصار بروز خطای ارت فالت - EF -

طراحی و اجرای سیستم زمین با توجه به نوع عملکرد حفاظتی و الکتریکی متفاوت می باشد. دو روش مرسوم در اجرای این سیستم استفاده از میله یا مش در روش ارت سطحی و چاه در روش ارت عمقی می باشد. یکی از عوامل موثر در طراحی سیستم زمین مقاومت ویژه خاک منطقه است. ازعوامل موثر در مقاومت خاک می توان مواردی مانند جنس لایه های تشکیل دهنده خاک، میزان رطوبت، آب و هوا و شرایط فصلی را نام برد.

.2 روش های اجرای اتصال زمین درشبکه های توزیع

الف- روش ارت عمقی [2] احداث ارت در این روش با حفر چاه و استفاده از صفحه در داخل آن

به همراه مواد کاهنده مقاومت انجام می گیرد. عمق چاه با توجه به میزان رطوبت خاک متغیر بوده و معمولا بین 5 تا 10 متر حفر می شود.

مزایای استفاده از ارت عمقی به شرح زیر می باشد:

·    به دست آمدن مقاومت پایین به ازای هر حلقه چاه

·    قابلیت تخلیه جریانهای بزرگ خطا

·    تاثیر پذیری کم از شرایط اب و هوایی محیط معایب استفاده از ارت های عمقی به شرح زیر است:

·    رشد مقاومت چاه به علت از دست رفتن رطوبت اولیه و خاصیت مواد کاهنده در طول چند سال اول زیاد است - بین %100 تا . - %200

·    با توجه به رشد مقاومت سالیانه نیاز به سرویس و نگهداری مستمر از چاه وجود دارد.

·    هزینه اجرای این سیستم در مقایسه با ارت سطحی خیلی بیشتر است.

·    در زمین های سنگ لاخ یا سخت معمولا حفر چاه با مشکلات عمده ای روبرو می شود.

·    در صورت قطع شدن سیم ارتباطی بین چاه و تاسیسات - به دلیل سرقت، عملیات عمرانی و ... - و فقدان آدرس مشخص محل حفر چاه در مستندات، معمولا چاه از دسترس خارج شده و دیگر قابل استفاده نیست.

ب- روش ارت سطحی

در این روش با استفاده از حفر کانال یا گودال و استفاده از هادی های میله ای، سیمی، پروفیل و یا تسمه، ارت اجرا میگردد. دو مدل مرسوم در اجرای این سیستم روش مش و میله کوبی می باشند. در این روشها نیز می توان از مواد کاهنده مقاومت خاک استفاده نمود.

مزایای روش فوق به شرح زیر می باشد:

·    اجرای آسان، سریع و کم هزینه این روش در مقایسه با ارت عمقی.

·    پایداری بالا و نرخ کم رشد مقاومت پس از اجرای آن.

·    عدم نیاز به سرویس و نگهداری مستمر و سالانه. معایب این روش شامل موارد زیر است:

·    میزان مقاومت حاصل از اجزاء سیستم به تنهایی بالا است.

·    تاثیر پذیری این روش از شرایط آب و هوایی در طول سال به دلیل تغییرات رطوبت سطحی خاک بیشتر است.

3.    روش های پیشنهادی جهت اجرای ارت گسترده در شبکه های توزیع

یکی از معضلات عمده حال حاضر سیستم ارت در شبکه های توزیع کشور از بین رفتن سیستم ارت به دلایل زیر می باشد:

·    سرقت کابل ارتباطی بین سیستم ارت و شبکه توزیع.

·    پوسیدگی هادی ارتباطی و قطع یا تضعیف ارتباط آن با سیستم زمین در محل اتصالات پیچ و مهره ای زیر خاک و بخصوص در محل ورود هادی ارتباطی به زمین.

·    قطع شدن کابل ارتباطی به دلیل عملیات عمرانی شهری.

·    وجود خطرات جانی و شوک الکتریکی در تماس مستقیم با هادی ارت در صورت نداشتن عایق مناسب روی هادی ارتباطی و قطع ارتباط آن با سیستم زمین.

به منظور رفع معایب فوق، بهینه سازی شبکه ارت موجود، کاهش هزینه احداث و نگهداری سیستم ارت، پیشنهاد می گردد از کلیه تاسیسات شبکه توزیع جهت اجرای ارت با استفاده از میله به صورت گسترده استفاده شود.

در شبکه های توزیع از پایه های بتنی و جعبه های زمینی فشار ضعیف به منظور توزیع انرژی الکتریکی به وفور استفاده می گردد که با در نظر گرفتن گستردگی این تجهیزات در سطح شبکه توزیع اجرای ارت به روش میله کوبی به ازای هر تجهیز می تواند مقاومت بسیار مناسب و پایداری را با هزینه بسیار کمتر - در حد %10 هزینه چاه - ایجاد نماید.

جهت رفع معضلات قطع هادی ارتباطی می توان با ایجاد تغییر کوچکی در طراحی پایه های بتنی و بدون استفاده از تجهیزات اضافی و تحمیل هزینه بالا در تولید پایه ها به شرح زیر اقدام نمود:

یکی از میلگردهای داخل پایه می بایست با استفاده از روکش عایق ترموفیت یا رنگ های دارای خاصیت عایقی مانند اپوکسی عایق گردد. به منظور اتصال هادی ارت و نول شبکه به این تجهیز باید در ابتدا، وسط و انتهای پایه از یک قطعه فلزی گالوانیزه یا استیل استفاده شود به این صورت که با میلگرد عایق شده داخل ستون ارتباط الکتریکی داشته و هم سطح جداره پایه قرار می گیرد. قطعه مذکور دارای یک سوراخ رزوه شده جهت اتصال هادی ارت به وسیله کابلشو و پیچ می باشد. نمونه قطعه مورد نظر در شکل - 1 - نشان داده شده است.

شکل :1 رابط اتصال پایه بتنی به سیستم ارت و شبکه

شماتیک یک پایه 9 متری با تغییرات مطرح شده در شکل - 2 - نشان داده شده است:

شکل :2 پایه 9 متری با اتصالات ارت در بالاو وسط و پایین

.4 محاسبات مقاومت ارت در روش پیشنهادی

مطابق محاسبات انجام شده در شکل - 3 - میتوان با کوبیدن میله ای در داخل گودال هر ستون و متصل کردن آن به رابط داخل ستون امکان اتصال سیم نول شبکه به میله ها را فراهم نمود . همانطور که در شکل - 3 - مشاهده می شود هرچه بر تعداد میله های منفرد داخل شبکه افزوده می گردد و به واسطه سیم نول با یکدیگر همبند می شوند مقاومت معادل شبکه کاهش می یابد.

شکل :3 مقاومت های موازی ناشی از اتصال زمین در پایه های متوالی>1@

با توجه به اینکه چاه تلفیقی از الکترود میله ای و صفحه می باشد به منظور محاسبه مقاومت حاصل از یک حلقه چاه ابتدا باید مساحت صفحه با توجه با ابعاد آن محاسبه شود و به یک الکترود میله ای معادل با قطر سیم رابط تبدیل گردد و سپس مقاومت کل حاصله از چاه با استفاده از فرمول 1 محاسبه می شود. به طور نمونه برای زمینی با مقاومت مخصوص100 اهم بر متر - خاکهای متخلخل ماسه سنگی - [2] مقاومت یک میله 1/5 متری با قطر 16 میلیمتر و چاه با عمق 10 متر و صفحه به ابعاد 50*100 سانتی متر با سیم رابط 25 مسی به شکلی زیر محاسبه می گردد :

مقاومت چاه :

با در نظر گرفتن مشخصات چاه مقاومت صفحه آن معادل 3,5 متر سیم 25 در داخل زمین خواهد شد لذا در محاسبه طول الکترود 12,5 متر در نظر گرفته می شود :

لازم به ذکر است که مطابق مفاد استاندارد BS 7430 با اضافه شدن طول الکترود مقاومت حاصل از آن به صورت لگاریتمی کاهش می یابد. شکل - 4 - تاثیر افزایش قطر و طول الکترود میله ای در کاهش مقاومت ارت را در زمینی با مقاومت مخصوص 100 اهم بر متر نشان می دهد.

شکل :4 تاثیر افزایش قطر و طول الکترود در مقاومت

براساس شکل - 4 - واضح است که جهت دستیابی به مقاومت مناسب طول الکترود می بایست از 1/2 متر بیشتر باشد و به ازای طول بیشتر از 5 متر تقریبا میزان مقاومت با تغییر طول و قطر الکترود ثابت می ماند. بنابراین می توان نتیجه گیری نمود که افزایش عمق به بیش از 5 متر تاثیر چندانی در کاهش مقاومت نداشته و بهتر است به جای آن از الکترود دوم استفاده گردد که در این صورت مقاومت به نصف کاهش پیدا خواهد کرد. تنها مزیت افزایش عمق دستیابی به رطوبت بیشتر در خاک می باشد که به ماندگاری میزان مقاومت الکترود در طول زمان کمک می نماید . تاثیر افزایش قطر الکترود در عمق بیش از 1,5 متر از 12,5 میلیمتر تا 25 میلیمتر کم بوده و افزایش قطر بیش از 25 میلیمتر بسیار کوچک است و توجیه اقتصادی ندارد به همین دلیل در طرح پیش رو الکترود 16 میلیمتر مورد مطالعه قرار گرفته است