بروز اتصال كوتاه در سیستمهای قدرت به علت وجود اضافه ولتاژهای موقت و گذرا و همچنین آسیب‌ دیدن برخی تجهیزات پیشامدی عادی است. بهنگام وقوع خطای فاز به زمین، ولتاژ فازهای سالم نسبت به زمین و بدنه تجهیزات به مقدار قابل توجهی افزایش می‌یابد. زمین كردن موثر نقاط نوترال در سیستم قدرت باعث كاهش این اضافه ولتاژها می‌شود.
در اثر بروز خطای اتصال كوتاه فاز و یا فازها به زمین، جریان زیادی به زمین داخل می‌شود و باعث به وجود آمدن گرادیان پتانسیل سطحی بزرگی در محوطه پست می‌شودو ممكن است كاركنان را در معرض شوك ناشی از ولتاژ گام یا تماس قرار دهد.
وجود شبكه زمین با فاصله مناسب بین هادیهای آن باعث كاهش گرادیان پتانسیل سطحی خواهد شد. از مهمترین پارامترهایی كه در طراحی شبكه‌های زمین‌ مدنظر است می توان به ولتاژ حلقه (مش)، ولتاژ گام، ولتاژ تماس و مقاومت شبكه زمین اشاره كرد كه با طراحی شبكه زمین مناسب این پارامترها تا حد مجاز پایین می‌آیند.
از سالها پیش تعیین دقیق ولتاژهای تماس و گام تحت بررسیهای محققان قرار داشته‌ است و روشهای مختلفی جهت محاسبه ارایه شده است. در حال حاضر در صنعت‌برق كشور طراحی شبكه‌های زمین عمدتاً بر اساس استانداردهای IEEE 80 انجام می‌پذیرد.
با توجه به مقالات و استانداردهای ارایه شده، بحث طراحی شبكه زمین از دو دیدگاه حالت ماندگار و رفتار شبكه زمین در حالت گذرا دارای اهمیت است كه در ادامه به لزوم ارزیابی و مطالعات دقیق رفتار شبكه زمین در دو حالت ماندگار وگذرا پرداخته می‌شود.

طراحی شبكه زمین در حالت ماندگار
در ادامه به برخی از مشكلاتی كه طراحان شبكه قدرت در بخش طراحی شبكه زمین مناسب در حالت ماندگار، با آن مواجه بوده و استانداردهای موجود قادر به پاسخگویی آن نیستند اشاره می‌شود:

1- مشخصات شبكه زمین
استانداردهای موجود، محدودیتها و فرضیات متعددی در طراحی شبكه زمین استفاده می‌كنند كه این مساله، باعث می‌شود كه از طرفی دقت محاسبات به اندازه كافی نباشد و از طرف دیگر دامنه كاربرد این فرمولها در طراحی شبكه‌های زمین بسیار محدود شود. استاندارد IEEE 80 برای طراحی شبكه زمین پست از روابط و فرمولهایی استفاده می‌كند كه استفاده از آنها در صورت رعایت محدودیتهای زیر دارای دقت مناسبی است.
مطابق بخش (8-14) استاندارد
IEEE 80-60، محدودیتهای این استاندارد برای طراحی شبكه زمین مناسب و ایمن به قرار زیر است:
الف- 1- عمق دفن شبكه زمین (h):
الف- 2- فاصله بین هادی‌های موازی در شبكه زمین (D):
الف- 3- تعداد هادیهای موازی در طول و عرض (n):
چنانچه به ناچار یكی ازشرایط فوق نقض شود از دقت محاسبات كاسته می‌شود.
مطابق بخش (2-5-16) از استاندارد IEEE80-2000 عمق دفن شبكه زمین در محدوده ذكر شده در استاندارد IEEE80-86 كماكان جزء محدودیتها است.
به طور كلی به دلیل وجود محدودیتها و همچنین پارامترهای غیرقابل محاسبه، استانداردها و از جمله استاندارد IEEE80، با در نظر گرفتن حداكثر ملاحظات و بالاتر از حد طراحی (overdesign) روابط وضوابط خود را ارایه می‌كند.

2- میله‌های زمین
تعداد و محل نصب میله‌های زمین (Rod) برایكاهش ولتاژهای گام و تماس در محاسبه و طراحی شبكه‌های زمین از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. ولی استانداردهای IEEE در این مورد دارای محدودیت بوده و نه تنها تاثیر میله‌های زمین با یك ضریب تقریبی (تصحیح) در محاسبات مربوط دخالت داده می‌شود بلكه تاثیر محل نصب میله‌های زمین در این استانداردها به هیچ صورت در نظر گرفته نمی‌شود.
3- لزوم طراحی شبكه زمین با اشكال مختلف
با توجه به اشكال متفاوت و نامتقارن سطح پست، برای رسیدن به یك شبكه زمین ایمن لازم است كه محاسبات شبكه زمین با ابعاد و شكلهای متفاوت و نامتقارن انجام پذیرد در حالی كه استانداردهای موجود اشكال خاصی از شبكه زمین (مربع، مستطیل و L شكل (استاندارد
IEEE 80-2000)) را محاسبه وطراحی می‌كند.

4- لزوم تحلیل شبكه زمین در خاك دولایه
بطور كلی در عمل نمی‌توان خاك را یكنواخت (تك لایه) در نظر گرفت، بلكه حداقل باید آنرا دولایه فرض كرده و تجزیه و تحلیل رفتار شبكه زمین را در آن انجام داد. با بكارگیری ضرایب (ضرایب تصحیح) استاندارد و روش استاندارد IEEE 80 می‌توان طراحی شبكه زمین در خاك دو لایه (بخش (3-12) استاندارد IEEE 80-86 و بخش (3-14) استاندارد IEEE 80-2000) را بطور تقریبی انجام داد، ولی برای ارایه روش دقیق، باید از معادلات الكترومغناطیسی و بحث تئوری تصویر استفاده كرد.

5- پروفیل ولتاژ در سطح پست
برای دسترسی آسانتر به طرح مطلوب و ایمن سیستم زمین، محاسبه و رسم پروفیل ولتاژ (شكل) در سطح پست ضروری است كه این ویژگی تنها می‌تواند با استفاده از روشهای دقیق الكترومغناطیسی بدست آید.

6- در نظر گرفتن چاه زمین بهمراه شبكه زمین
گاهی ممكن است بدلیل محدودیتهای فضای سطح پست، امكان دستیابی به طرح شبكه زمین ایمن، با افزایش میله‌های زمین (Rod) و هادیهای شبكه زمین وجود نداشته باشد. در این حالت می‌توان از وجود چاه زمین در كنار شبكه زمین برای دسترسی به سیستم زمین استفاده كرد. لازم بذكر است كه استانداردهای IEEE قادر به بررسی شبكه زمین به همراه چاه زمین نیستند، در حالیكه این نوع طرح سیستم زمین می‌تواند توسط روش مبتنی بر معادلات الكترومغناطیسی (روش دقیق) پیاده‌سازی شود.

7- طراحی پستهای كوچك
با توجه به محدودیت سطوح برخی از پستها (GIS) در مناطق متراكم شهری، ابعاد شبكه زمین نمی‌تواند از یك میزان خاصی تجاوز كند لذا با توجه به بالا بودن جریان اتصال كوتاه و همچنین با توجه به اینكه افزایش تعداد میله‌های زمین (Rod) از یك تعداد بخصوصی نمی‌تواند كاهش قابل ملاحظه‌ای در ولتاژهای تماس و گام ایجاد كند، با روشهای معمول طراح پست ممكن است نتواند به شبكه زمین ایمنی دسترسی پیدا كند. استانداردهای موجود در این موارد هیچ راه و روش تحلیلی در اختیار طراحان قرار نمی‌دهند. یكی از روشهای مناسب در این حالت طراحی شبكه زمین در دو عمق متفاوت است كه محاسبات در این نوع طراحی (نصب دو شبكه زمین در عمقهای متفاوت) نیاز به یك روش تحلیلی مبتنی بر معادلات الكترومغناطیسی داشته كه استانداردهای ارایه شده نمی‌تواند جوابگو باشند.

8- طراحی شبكه زمین در نیروگاههای آبی
با توجه به لایه‌بندی عمودی و افقی محیط در برگیرنده شبكه زمین در نیروگاههای آبی (بتن در سد و آب در دریاچه پشت سد)، مساله طراحی شبكه زمین متفاوت با روشهایی است كه توسط استانداردها ارایه شده است. در این حالت برای دسترسی به شبكه زمین باید از روشهای تحلیلی مبتنی بر معادلات الكترومغناطیسی استفاده شود در حالی كه در این باره، استانداردهای موجود راه حلی را پیشنهاد نكرده‌اند.

ب- تحلیل شبكه زمین در حالت گذرا
علاوه بر مشكلات مربوط به حالت ماندگار در طراحی شبكه زمین ایمن، تجزیه و تحلیل رفتار گذرای شبكه زمین در برابر امواج گذرای جریان ناشی از برخورد صاعقه و ایجاد اتصال كوتاه به زمین از اهمیت بالایی برخوردار بوده و از مسائلی است كه هیچ استانداردی در این باره ارایه نشده است.
برخورد صاعقه به یك خط انتقال سیستم قدرت و یا پستهای الكتریكی و همچنین ایجاد اتصال كوتاه تكفاز و یا دو فاز بهم و به زمین، باعث جاری شدن جریانهای بزرگی در پست و تجهیزات آن می‌شود. قبل از آنكه این جریان وارد شبكه زمین شده ودر خاك توزیع شود میدانهای الكترومغناطیسی كه در اثر عبور این جریانها تولید می‌شود منجر به القاء ولتاژ و جریان بزرگی می‌شود كه ممكن است به تجهیزات الكترونیكی و میكروپروسسوری حساس آسیب‌ جدی وارد كند و همچنین ممكن است باعث ایجاد خطراتی برای كاركنانی كه در مجاورت تجهیزات پست كار می‌كنند، شود.
یكی از مشكلات دیگر میدانهای ناخواسته، ایجاد خطای اندازه‌گیری در تجهیزات اندازه‌گیری (پستها) است. همچنین با توجه به وجودطیف فركانسی بالا در شكل موجهای جریان ناشی از صاعقه و اتصال كوتاه در شبكه قدرت اثرات امواج ضربه فركانس بالا را می‌توان در دسته‌های زیر بیان كرد:

- ایمنی افراد
بدن انسان می‌تواند جریانهای الكتریكی بالاتری را در فركانسهای بالا تحمل كند. بنابراین ولتاژهای گام و تماس مجاز وابسته به فركانسهای بالای شكل موج جریان ضربه‌ای مربوطه بوده و می‌تواند مقادیر بالاتری داشته باشد. از طرفی حداكثر ولتاژهای گذرا (TV) و افزایش پتانسیل زمین‌ گذرا (TGPR) نیز در محوطه پست بالا بوده و در نتیجه چنانچه از سیستم زمین مناسبی استفاده نشود ایمنی افراد را به مخاطره می‌اندازد. شكل زیرنمونه‌ای از ولتاژ گذرای ایجاد شده با تزریق جریان صاعقه را نشان می‌دهد:

- سطح عایقی
جاری شدن جریان فركانس بالای ناشی از برخورد صاعقه یا ایجاد اتصال كوتاه از طریق نقطه خنثای شبكه باعث ایجاد افزایش ولتاژ گذرای بالایی می‌شود. این مساله می‌تواند در تعیین سطح عایقی مناسب كابلها و تجهیزات الكتریكی موثر باشد و با طراحی شبكه زمین مناسب و محاسبه حداكثر افزایش ولتاژ می‌توان سطح عایقی مناسب را محاسبه كرد.

- اعوجاج در امواج ولتاژ و جریان
ایجاد حالت گذرا در شبكه قدرت باعث ظاهر شدن هارمونیكهای بالا در شكل موج ولتاژ و جریان فازهای شبكه شده و در نتیجه بر عملكرد رله‌های حفاظتی دیجیتال تاثیر منفی می‌گذارد. لذا با نصب مناسب شبكه زمین مناسب و تحلیل رفتار گذرای آن می‌توان راهكارهای مناسبی در جهت بهبود عملكرد رله‌های حفاظتی اتخاذ كرد.

- تغییر در میدانهای الكترومغناطیسی
میدانهای الكترومغناطیسی در فضای پست وابسته به فركانس بالای جریان عبوری از شبكه زمین است. میدانهای الكترومغناطیسی نامطلوب القاء شده بوسیله جریانهای ناشی از صاعقه و اتصال كوتاه باعث ایجاد خطاهای اندازه‌گیری و یا خسارت تجهیزات الكتریكی حساس می‌شود. بنابراین سیستم زمین به ترتیبی باید طراحی شود كه مقادیر میدانهای الكترومغناطیسی از حدود قابل قبول تجاوز نكند.
با توجه به مطالب ارایه شده، برای محاسبه میدانهای الكترومغناطیسی در محیط و فضای پست، باید رفتار سیستم زمین در برابر جریانهای فركانس بالا (گذرا) تعیین شود. شكل (3) نمونه‌ای از توزیع میدان مغناطیسی و میدان الكتریكی را در فركانس یك مگاهرتز را نشان می‌دهد.

نتیجه‌گیری
با توجه به مطالب ارایه شده لزوم بررسی دقیق طراحی شبكه زمین در دو حوزه ماندگار و گذرا را می‌توان در موارد زیر بیان كرد:
- لزوم به كارگیری روشهای دقیق مبتنی بر مطالعات الكترومغناطیسی در حالت ماندگار كه فارغ از محدودیتهای موجود و همچنین تقریبهای اضافی در استانداردهای IEEE-80 باشد.
- لزوم توجه به رفتار سیستمهای زمین در حالتهای گذرا و طراحی مناسب آنها به منظور جلوگیری از بروز خسارات مادی و نقض ایمنی افراد
- لزوم بررسی تاثیر‌پذیری عملكرد تجهیزات میكروپروسسوری (از جمله رله‌ها) از رفتار سیستم‌های زمین در رژیم گذرا

 

نوشته شده در تاریخ دوشنبه 11 بهمن 1389    | توسط: مهدی -    |    |
نظرات()