لزوم نگاهي جديد به طراحي شبكه زمين در پستهاي فشار قوي

لزوم نگاهي جديد به طراحي شبكه زمين در پستهاي فشار قوي

بروز اتصال كوتاه در سيستمهاي قدرت به علت وجود اضافه ولتاژهاي موقت و گذرا و همچنين آسيب‌ ديدن برخي تجهيزات پيشامدي عادي است. بهنگام وقوع خطاي فاز به زمين، ولتاژ فازهاي سالم نسبت به زمين و بدنه تجهيزات به مقدار قابل توجهي افزايش مي‌يابد. زمين كردن موثر نقاط نوترال در سيستم قدرت باعث كاهش اين اضافه ولتاژها مي‌شود. در اثر بروز خطاي اتصال كوتاه فاز و يا فازها به زمين، جريان زيادي به زمين داخل مي‌شود و باعث به وجود آمدن گراديان پتانسيل سطحي بزرگي در محوطه پست مي‌شودو ممكن است كاركنان را در معرض شوك ناشي از ولتاژ گام يا تماس قرار دهد. وجود شبكه زمين با فاصله مناسب بين هاديهاي آن باعث كاهش گراديان پتانسيل سطحي خواهد شد. از مهمترين پارامترهايي كه در طراحي شبكه‌هاي زمين‌ مدنظر است مي توان به ولتاژ حلقه (مش)، ولتاژ گام، ولتاژ تماس و مقاومت شبكه زمين اشاره كرد كه با طراحي شبكه زمين مناسب اين پارامترها تا حد مجاز پايين مي‌آيند.

از سالها پيش تعيين دقيق ولتاژهاي تماس و گام تحت بررسيهاي محققان قرار داشته‌ است و روشهاي مختلفي جهت محاسبه ارايه شده است. در حال حاضر در صنعت‌برق كشور طراحي شبكه‌هاي زمين عمدتاً بر اساس استانداردهاي IEEE 80 انجام مي‌پذيرد.
با توجه به مقالات و استانداردهاي ارايه شده، بحث طراحي شبكه زمين از دو ديدگاه حالت ماندگار و رفتار شبكه زمين در حالت گذرا داراي اهميت است كه در ادامه به لزوم ارزيابي و مطالعات دقيق رفتار شبكه زمين در دو حالت ماندگار وگذرا پرداخته مي‌شود.
بروز اتصال كوتاه در سيستمهاي قدرت به علت وجود اضافه ولتاژهاي موقت و گذرا و همچنين آسيب‌ ديدن برخي تجهيزات پيشامدي عادي است. بهنگام وقوع خطاي فاز به زمين، ولتاژ فازهاي سالم نسبت به زمين و بدنه تجهيزات به مقدار قابل توجهي افزايش مي‌يابد. زمين كردن موثر نقاط نوترال در سيستم قدرت باعث كاهش اين اضافه ولتاژها مي‌شود.
در اثر بروز خطاي اتصال كوتاه فاز و يا فازها به زمين، جريان زيادي به زمين داخل مي‌شود و باعث به وجود آمدن گراديان پتانسيل سطحي بزرگي در محوطه پست مي‌شودو ممكن است كاركنان را در معرض شوك ناشي از ولتاژ گام يا تماس قرار دهد.
وجود شبكه زمين با فاصله مناسب بين هاديهاي آن باعث كاهش گراديان پتانسيل سطحي خواهد شد. از مهمترين پارامترهايي كه در طراحي شبكه‌هاي زمين‌ مدنظر است مي توان به ولتاژ حلقه (مش)، ولتاژ گام، ولتاژ تماس و مقاومت شبكه زمين اشاره كرد كه با طراحي شبكه زمين مناسب اين پارامترها تا حد مجاز پايين مي‌آيند.
از سالها پيش تعيين دقيق ولتاژهاي تماس و گام تحت بررسيهاي محققان قرار داشته‌ است و روشهاي مختلفي جهت محاسبه ارايه شده است. در حال حاضر در صنعت‌برق كشور طراحي شبكه‌هاي زمين عمدتاً بر اساس استانداردهاي IEEE 80 انجام مي‌پذيرد.
با توجه به مقالات و استانداردهاي ارايه شده، بحث طراحي شبكه زمين از دو ديدگاه حالت ماندگار و رفتار شبكه زمين در حالت گذرا داراي اهميت است كه در ادامه به لزوم ارزيابي و مطالعات دقيق رفتار شبكه زمين در دو حالت ماندگار وگذرا پرداخته مي‌شود.

 

طراحي شبكه زمين در حالت ماندگار
در ادامه به برخي از مشكلاتي كه طراحان شبكه قدرت در بخش طراحي شبكه زمين مناسب در حالت ماندگار، با آن مواجه بوده و استانداردهاي موجود قادر به پاسخگويي آن نيستند اشاره مي‌شود:

1- مشخصات شبكه زمين
استانداردهاي موجود، محدوديتها و فرضيات متعددي در طراحي شبكه زمين استفاده مي‌كنند كه اين مساله، باعث مي‌شود كه از طرفي دقت محاسبات به اندازه كافي نباشد و از طرف ديگر دامنه كاربرد اين فرمولها در طراحي شبكه‌هاي زمين بسيار محدود شود. استاندارد IEEE 80 براي طراحي شبكه زمين پست از روابط و فرمولهايي استفاده مي‌كند كه استفاده از آنها در صورت رعايت محدوديتهاي زير داراي دقت مناسبي است.
مطابق بخش (8-14) استاندارد
IEEE 80-60، محدوديتهاي اين استاندارد براي طراحي شبكه زمين مناسب و ايمن به قرار زير است:
الف- 1- عمق دفن شبكه زمين (h):
الف- 2- فاصله بين هادي‌هاي موازي در شبكه زمين (D):
الف- 3- تعداد هاديهاي موازي در طول و عرض (n):
چنانچه به ناچار يكي ازشرايط فوق نقض شود از دقت محاسبات كاسته مي‌شود.
مطابق بخش (2-5-16) از استاندارد IEEE80-2000 عمق دفن شبكه زمين در محدوده ذكر شده در استاندارد IEEE80-86 كماكان جزء محدوديتها است.
به طور كلي به دليل وجود محدوديتها و همچنين پارامترهاي غيرقابل محاسبه، استانداردها و از جمله استاندارد IEEE80، با در نظر گرفتن حداكثر ملاحظات و بالاتر از حد طراحي (overdesign) روابط وضوابط خود را ارايه مي‌كند.

2- ميله‌هاي زمين
تعداد و محل نصب ميله‌هاي زمين (Rod) برايكاهش ولتاژهاي گام و تماس در محاسبه و طراحي شبكه‌هاي زمين از اهميت ويژه‌اي برخوردار است. ولي استانداردهاي IEEE در اين مورد داراي محدوديت بوده و نه تنها تاثير ميله‌هاي زمين با يك ضريب تقريبي (تصحيح) در محاسبات مربوط دخالت داده مي‌شود بلكه تاثير محل نصب ميله‌هاي زمين در اين استانداردها به هيچ صورت در نظر گرفته نمي‌شود.
3- لزوم طراحي شبكه زمين با اشكال مختلف
با توجه به اشكال متفاوت و نامتقارن سطح پست، براي رسيدن به يك شبكه زمين ايمن لازم است كه محاسبات شبكه زمين با ابعاد و شكلهاي متفاوت و نامتقارن انجام پذيرد در حالي كه استانداردهاي موجود اشكال خاصي از شبكه زمين (مربع، مستطيل و L شكل (استاندارد
IEEE 80-2000)) را محاسبه وطراحي مي‌كند.

4- لزوم تحليل شبكه زمين در خاك دولايه
بطور كلي در عمل نمي‌توان خاك را يكنواخت (تك لايه) در نظر گرفت، بلكه حداقل بايد آنرا دولايه فرض كرده و تجزيه و تحليل رفتار شبكه زمين را در آن انجام داد. با بكارگيري ضرايب (ضرايب تصحيح) استاندارد و روش استاندارد IEEE 80 مي‌توان طراحي شبكه زمين در خاك دو لايه (بخش (3-12) استاندارد IEEE 80-86 و بخش (3-14) استاندارد IEEE 80-2000) را بطور تقريبي انجام داد، ولي براي ارايه روش دقيق، بايد از معادلات الكترومغناطيسي و بحث تئوري تصوير استفاده كرد.

5- پروفيل ولتاژ در سطح پست
براي دسترسي آسانتر به طرح مطلوب و ايمن سيستم زمين، محاسبه و رسم پروفيل ولتاژ (شكل) در سطح پست ضروري است كه اين ويژگي تنها مي‌تواند با استفاده از روشهاي دقيق الكترومغناطيسي بدست آيد.

6- در نظر گرفتن چاه زمين بهمراه شبكه زمين
گاهي ممكن است بدليل محدوديتهاي فضاي سطح پست، امكان دستيابي به طرح شبكه زمين ايمن، با افزايش ميله‌هاي زمين (Rod) و هاديهاي شبكه زمين وجود نداشته باشد. در اين حالت مي‌توان از وجود چاه زمين در كنار شبكه زمين براي دسترسي به سيستم زمين استفاده كرد. لازم بذكر است كه استانداردهاي IEEE قادر به بررسي شبكه زمين به همراه چاه زمين نيستند، در حاليكه اين نوع طرح سيستم زمين مي‌تواند توسط روش مبتني بر معادلات الكترومغناطيسي (روش دقيق) پياده‌سازي شود.

7- طراحي پستهاي كوچك
با توجه به محدوديت سطوح برخي از پستها (GIS) در مناطق متراكم شهري، ابعاد شبكه زمين نمي‌تواند از يك ميزان خاصي تجاوز كند لذا با توجه به بالا بودن جريان اتصال كوتاه و همچنين با توجه به اينكه افزايش تعداد ميله‌هاي زمين (Rod) از يك تعداد بخصوصي نمي‌تواند كاهش قابل ملاحظه‌اي در ولتاژهاي تماس و گام ايجاد كند، با روشهاي معمول طراح پست ممكن است نتواند به شبكه زمين ايمني دسترسي پيدا كند. استانداردهاي موجود در اين موارد هيچ راه و روش تحليلي در اختيار طراحان قرار نمي‌دهند. يكي از روشهاي مناسب در اين حالت طراحي شبكه زمين در دو عمق متفاوت است كه محاسبات در اين نوع طراحي (نصب دو شبكه زمين در عمقهاي متفاوت) نياز به يك روش تحليلي مبتني بر معادلات الكترومغناطيسي داشته كه استانداردهاي ارايه شده نمي‌تواند جوابگو باشند.

8- طراحي شبكه زمين در نيروگاههاي آبي
با توجه به لايه‌بندي عمودي و افقي محيط در برگيرنده شبكه زمين در نيروگاههاي آبي (بتن در سد و آب در درياچه پشت سد)، مساله طراحي شبكه زمين متفاوت با روشهايي است كه توسط استانداردها ارايه شده است. در اين حالت براي دسترسي به شبكه زمين بايد از روشهاي تحليلي مبتني بر معادلات الكترومغناطيسي استفاده شود در حالي كه در اين باره، استانداردهاي موجود راه حلي را پيشنهاد نكرده‌اند.

ب- تحليل شبكه زمين در حالت گذرا
علاوه بر مشكلات مربوط به حالت ماندگار در طراحي شبكه زمين ايمن، تجزيه و تحليل رفتار گذراي شبكه زمين در برابر امواج گذراي جريان ناشي از برخورد صاعقه و ايجاد اتصال كوتاه به زمين از اهميت بالايي برخوردار بوده و از مسائلي است كه هيچ استانداردي در اين باره ارايه نشده است.
برخورد صاعقه به يك خط انتقال سيستم قدرت و يا پستهاي الكتريكي و همچنين ايجاد اتصال كوتاه تكفاز و يا دو فاز بهم و به زمين، باعث جاري شدن جريانهاي بزرگي در پست و تجهيزات آن مي‌شود. قبل از آنكه اين جريان وارد شبكه زمين شده ودر خاك توزيع شود ميدانهاي الكترومغناطيسي كه در اثر عبور اين جريانها توليد مي‌شود منجر به القاء ولتاژ و جريان بزرگي مي‌شود كه ممكن است به تجهيزات الكترونيكي و ميكروپروسسوري حساس آسيب‌ جدي وارد كند و همچنين ممكن است باعث ايجاد خطراتي براي كاركناني كه در مجاورت تجهيزات پست كار مي‌كنند، شود.
يكي از مشكلات ديگر ميدانهاي ناخواسته، ايجاد خطاي اندازه‌گيري در تجهيزات اندازه‌گيري (پستها) است. همچنين با توجه به وجودطيف فركانسي بالا در شكل موجهاي جريان ناشي از صاعقه و اتصال كوتاه در شبكه قدرت اثرات امواج ضربه فركانس بالا را مي‌توان در دسته‌هاي زير بيان كرد:

– ايمني افراد
بدن انسان مي‌تواند جريانهاي الكتريكي بالاتري را در فركانسهاي بالا تحمل كند. بنابراين ولتاژهاي گام و تماس مجاز وابسته به فركانسهاي بالاي شكل موج جريان ضربه‌اي مربوطه بوده و مي‌تواند مقادير بالاتري داشته باشد. از طرفي حداكثر ولتاژهاي گذرا (TV) و افزايش پتانسيل زمين‌ گذرا (TGPR) نيز در محوطه پست بالا بوده و در نتيجه چنانچه از سيستم زمين مناسبي استفاده نشود ايمني افراد را به مخاطره مي‌اندازد. شكل زيرنمونه‌اي از ولتاژ گذراي ايجاد شده با تزريق جريان صاعقه را نشان مي‌دهد:

– سطح عايقي
جاري شدن جريان فركانس بالاي ناشي از برخورد صاعقه يا ايجاد اتصال كوتاه از طريق نقطه خنثاي شبكه باعث ايجاد افزايش ولتاژ گذراي بالايي مي‌شود. اين مساله مي‌تواند در تعيين سطح عايقي مناسب كابلها و تجهيزات الكتريكي موثر باشد و با طراحي شبكه زمين مناسب و محاسبه حداكثر افزايش ولتاژ مي‌توان سطح عايقي مناسب را محاسبه كرد.

– اعوجاج در امواج ولتاژ و جريان
ايجاد حالت گذرا در شبكه قدرت باعث ظاهر شدن هارمونيكهاي بالا در شكل موج ولتاژ و جريان فازهاي شبكه شده و در نتيجه بر عملكرد رله‌هاي حفاظتي ديجيتال تاثير منفي مي‌گذارد. لذا با نصب مناسب شبكه زمين مناسب و تحليل رفتار گذراي آن مي‌توان راهكارهاي مناسبي در جهت بهبود عملكرد رله‌هاي حفاظتي اتخاذ كرد.

– تغيير در ميدانهاي الكترومغناطيسي
ميدانهاي الكترومغناطيسي در فضاي پست وابسته به فركانس بالاي جريان عبوري از شبكه زمين است. ميدانهاي الكترومغناطيسي نامطلوب القاء شده بوسيله جريانهاي ناشي از صاعقه و اتصال كوتاه باعث ايجاد خطاهاي اندازه‌گيري و يا خسارت تجهيزات الكتريكي حساس مي‌شود. بنابراين سيستم زمين به ترتيبي بايد طراحي شود كه مقادير ميدانهاي الكترومغناطيسي از حدود قابل قبول تجاوز نكند.
با توجه به مطالب ارايه شده، براي محاسبه ميدانهاي الكترومغناطيسي در محيط و فضاي پست، بايد رفتار سيستم زمين در برابر جريانهاي فركانس بالا (گذرا) تعيين شود. شكل (3) نمونه‌اي از توزيع ميدان مغناطيسي و ميدان الكتريكي را در فركانس يك مگاهرتز را نشان مي‌دهد.

نتيجه‌گيري
با توجه به مطالب ارايه شده لزوم بررسي دقيق طراحي شبكه زمين در دو حوزه ماندگار و گذرا را مي‌توان در موارد زير بيان كرد:
– لزوم به كارگيري روشهاي دقيق مبتني بر مطالعات الكترومغناطيسي در حالت ماندگار كه فارغ از محدوديتهاي موجود و همچنين تقريبهاي اضافي در استانداردهاي IEEE-80 باشد.
– لزوم توجه به رفتار سيستمهاي زمين در حالتهاي گذرا و طراحي مناسب آنها به منظور جلوگيري از بروز خسارات مادي و نقض ايمني افراد
– لزوم بررسي تاثير‌پذيري عملكرد تجهيزات ميكروپروسسوري (از جمله رله‌ها) از رفتار سيستم‌هاي زمين در رژيم گذرا