لزوم نگاهی جدید به طراحی شبکه زمین در پستهای فشار قوی

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: بروز اتصال کوتاه در سیستمهای قدرت به علت وجود اضافه ولتاژهای موقت و گذرا و همچنین آسیب دیدن برخی تجهیزات پیشامدی عادی است. به هنگام وقوع خطای فاز به زمین، ولتاژ فازهای سالم نسبت به زمین و بدنه تجهیزات به مقدار قابل توجهی افزایش می‌یابد.

 

زمین کردن موثر نقاط نوترال در سیستم قدرت باعث کاهش این اضافه ولتاژ‌ها می‌شود. در اثر بروز خطای اتصال کوتاه 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 ممکن است کارکنان را در معرض شوک ناشی از ولتاژ گام یا تماس قرار دهد. وجود شبکه زمین با فاصله مناسب بین هادیهای آن باعث کاهش گرادیان پتانسیل سطحی خواهد شد. از مهمترین پارامترهایی که در طراحی شبکه‌های زمین مدنظر است می‌توان به ولتاژ حلقه (مش)، ولتاژ گام، ولتاژ تماس و مقاومت شبکه زمین اشاره کرد که با طراحی شبکه 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 کشور طراحی شبکه‌های زمین عمدتاً بر اساس استانداردهای IEEE 80 انجام می‌پذیرد.
با توجه به مقالات و استانداردهای ارایه شده، بحث طراحی شبکه زمین از دو دیدگاه حالت ماندگار و رفتار شبکه زمین در حالت گذرا دارای اهمیت است که در ادامه به لزوم ارزیابی و مطالعات دقیق رفتار شبکه زمین در دو حالت ماندگار وگذرا پرداخته می‌شود.

بروز اتصال کوتاه 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 کردن موثر نقاط نوترال در سیستم قدرت باعث کاهش این اضافه ولتاژ‌ها می‌شود.
در اثر بروز خطای اتصال کوتاه 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 ممکن است کارکنان را در معرض شوک ناشی از ولتاژ گام یا تماس قرار دهد.
وجود شبکه زمین با فاصله مناسب بین هادیهای آن باعث کاهش گرادیان پتانسیل سطحی خواهد شد. از مهمترین پارامترهایی که در طراحی شبکه‌های زمین مدنظر است می‌توان به ولتاژ حلقه (مش)، ولتاژ گام، ولتاژ تماس و مقاومت شبکه زمین اشاره کرد که با طراحی شبکه 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 کشور طراحی شبکه‌های زمین عمدتاً بر اساس استانداردهای IEEE ۸۰ انجام می‌پذیرد.
با توجه به مقالات و استانداردهای ارایه شده، بحث طراحی شبکه زمین از دو دیدگاه حالت ماندگار و رفتار شبکه زمین در حالت گذرا دارای اهمیت است که در ادامه به لزوم ارزیابی و مطالعات دقیق رفتار شبکه زمین در دو حالت ماندگار وگذرا پرداخته می‌شود.

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

۱ - مشخصات شبکه زمین
استانداردهای موجود، محدودیت‌ها و فرضیات متعددی در طراحی شبکه زمین استفاده می‌کنند که این مساله، باعث می‌شود که از طرفی دقت محاسبات به اندازه کافی نباشد و از طرف دیگر دامنه کاربرد این فرمول‌ها در طراحی شبکه‌های زمین بسیار محدود شود. استاندارد IEEE ۸۰ برای طراحی شبکه زمین پست از روابط و فرمولهایی استفاده می‌کند که استفاده از آن‌ها در صورت رعایت محدودیتهای زیر دارای دقت مناسبی است.
مطابق بخش (۸ - ۱۴) استاندارد
IEEE ۸۰ - ۶۰، محدودیتهای این استاندارد برای طراحی شبکه زمین مناسب و ایمن به قرار زیر است:
الف- ۱ - عمق دفن شبکه زمین (h):
الف- ۲ - فاصله بین هادی‌های موازی در شبکه زمین (D):
الف- ۳ - تعداد هادیهای موازی در طول و عرض (n):
چنانچه به ناچار یکی ازشرایط فوق نقض شود از دقت محاسبات کاسته می‌شود.
مطابق بخش (۲ - ۵ - ۱۶) از استاندارد IEEE۸۰ - ۲۰۰۰ عمق دفن شبکه زمین در محدوده ذکر شده در استاندارد IEEE۸۰ - ۸۶ کماکان جزء محدودیت‌ها است.
به طور کلی به دلیل وجود محدودیت‌ها و همچنین پارامترهای غیرقابل محاسبه، استاندارد‌ها و از جمله استاندارد IEEE۸۰، با در نظر گرفتن حداکثر ملاحظات و بالاتر از حد طراحی (overdesign) روابط وضوابط خود را ارایه می‌کند.

۲ - میله‌های زمین
تعداد و محل نصب میله‌های زمین (Rod) برایکاهش ولتاژهای گام و تماس در محاسبه و طراحی شبکه‌های زمین از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. ولی استانداردهای IEEE در این مورد دارای محدودیت بوده و نه تن‌ها تاثیر میله‌های زمین با یک ضریب تقریبی (تصحیح) در محاسبات مربوط دخالت داده می‌شود بلکه تاثیر محل نصب میله‌های زمین در این استاندارد‌ها به هیچ صورت در نظر گرفته نمی‌شود.

۳ - لزوم طراحی شبکه زمین با اشکال مختلف
با توجه به اشکال متفاوت و نامتقارن سطح پست، برای رسیدن به یک شبکه زمین ایمن لازم است که محاسبات شبکه زمین با ابعاد و شکلهای متفاوت و نامتقارن انجام پذیرد در حالی که استانداردهای موجود اشکال خاصی از شبکه زمین (مربع، مستطیل و L. شکل (استاندارد
IEEE ۸۰ - ۲۰۰۰)) را محاسبه وطراحی می‌کند.

۴ - لزوم تحلیل شبکه زمین در خاک دولایه
بطور کلی در عمل نمی‌توان خاک را یکنواخت (تک لایه) در نظر گرفت، بلکه حداقل باید آنرا دولایه فرض کرده و تجزیه و تحلیل رفتار شبکه زمین را در آن انجام داد. با بکارگیری ضرایب (ضرایب تصحیح) استاندارد و روش استاندارد IEEE ۸۰ می‌توان طراحی شبکه زمین در خاک دو لایه (بخش (۳ - ۱۲) استاندارد IEEE ۸۰ - ۸۶ و بخش (۳ - ۱۴) استاندارد IEEE ۸۰ - ۲۰۰۰) را بطور تقریبی انجام داد، ولی برای ارایه روش دقیق، باید از معادلات الکترومغناطیسی و بحث تئوری تصویر استفاده کرد.

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

۶ - در نظر گرفتن چاه زمین بهمراه شبکه زمین
گاهی ممکن است بدلیل محدودیتهای فضای سطح پست، امکان دستیابی به طرح شبکه زمین ایمن، با افزایش میله‌های زمین (Rod) و هادیهای شبکه زمین وجود نداشته باشد. در این حالت می‌توان از وجود چاه زمین در کنار شبکه زمین برای دسترسی به سیستم زمین استفاده کرد. لازم بذکر است که استانداردهای IEEE قادر به بررسی شبکه زمین به همراه چاه زمین نیستند، در حالیکه این نوع طرح سیستم زمین می‌تواند توسط روش مبتنی بر معادلات الکترومغناطیسی (روش دقیق) پیاده‌سازی شود.

۷ - طراحی پستهای کوچک
با توجه به محدودیت سطوح برخی از پست‌ها (GIS) در مناطق متراکم شهری، ابعاد شبکه زمین نمی‌تواند از یک میزان خاصی تجاوز کند لذا با توجه به بالا بودن جریان اتصال کوتاه و همچنین با توجه به اینکه افزایش تعداد میله‌های زمین (Rod) از یک تعداد بخصوصی نمی‌تواند کاهش قابل ملاحظه‌ای در ولتاژهای تماس و گام ایجاد کند، با روشهای معمول طراح پست ممکن است نتواند به شبکه زمین ایمنی دسترسی پیدا کند. استانداردهای موجود در این موارد هیچ راه و روش تحلیلی در اختیار طراحان قرار نمی‌دهند. یکی از روشهای مناسب در این حالت طراحی شبکه زمین در دو عمق متفاوت است که محاسبات در این نوع طراحی (نصب دو شبکه زمین در عمقهای متفاوت) نیاز به یک روش تحلیلی مبتنی بر معادلات الکترومغناطیسی داشته که استانداردهای ارایه شده نمی‌تواند جوابگو باشند.

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

ب- تحلیل شبکه زمین در حالت گذرا
علاوه بر مشکلات مربوط به حالت ماندگار در طراحی شبکه زمین ایمن، تجزیه و تحلیل رفتار گذرای شبکه زمین در برابر امواج گذرای جریان ناشی از برخورد صاعقه و ایجاد اتصال کوتاه به زمین از اهمیت بالایی برخوردار بوده و از مسائلی است که هیچ استانداردی در این باره ارایه نشده است.
برخورد صاعقه به یک خط انتقال سیستم قدرت و یا پستهای الکتریکی و همچنین ایجاد اتصال کوتاه تکفاز و یا دو فاز بهم و به زمین، باعث جاری شدن جریانهای بزرگی در پست و تجهیزات آن می‌شود. قبل از آنکه این جریان وارد شبکه زمین شده ودر خاک توزیع شود میدانهای الکترومغناطیسی که در اثر عبور این جریان‌ها تولید می‌شود منجر به القاء ولتاژ و جریان بزرگی می‌شود که ممکن است به تجهیزات الکترونیکی و میکروپروسسوری حساس آسیب جدی وارد کند و همچنین ممکن است باعث ایجاد خطراتی برای کارکنانی که در مجاورت تجهیزات پست کار می‌کنند، شود.
یکی از مشکلات دیگر میدانهای ناخواسته، ایجاد خطای اندازه‌گیری در تجهیزات اندازه‌گیری (پستها) است. همچنین با توجه به وجودطیف فرکانسی بالا در شکل موجهای جریان ناشی از صاعقه و اتصال کوتاه در شبکه قدرت اثرات امواج ضربه فرکانس بالا را می‌توان در دسته‌های زیر بیان کرد:

– ایمنی افراد
بدن انسان می‌تواند جریانهای الکتریکی بالاتری را در فرکانسهای بالا تحمل کند؛ بنابراین ولتاژهای گام و تماس مجاز وابسته به فرکانسهای بالای شکل موج جریان ضربه‌ای مربوطه بوده و می‌تواند مقادیر بالاتری داشته باشد. از طرفی حداکثر 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. شکل زیرنمونه‌ای از ولتاژ گذرای ایجاد شده با تزریق جریان صاعقه را نشان می‌دهد:

– سطح عایقی
جاری شدن جریان فرکانس بالای ناشی از برخورد صاعقه یا ایجاد اتصال کوتاه از طریق نقطه خنثای شبکه باعث ایجاد افزایش ولتاژ گذرای بالایی می‌شود. این مساله می‌تواند در تعیین سطح عایقی مناسب کابل‌ها و تجهیزات الکتریکی موثر باشد و با طراحی شبکه زمین مناسب و محاسبه حداکثر افزایش ولتاژ می‌توان سطح عایقی مناسب را محاسبه کرد.

– اعوجاج در امواج ولتاژ و جریان
ایجاد حالت گذرا در شبکه قدرت باعث ظاهر شدن هارمونیکهای بالا در شکل موج ولتاژ و جریان فازهای شبکه شده و در نتیجه بر عملکرد رله‌های حفاظتی دیجیتال تاثیر منفی می‌گذارد؛ لذا با نصب مناسب شبکه زمین مناسب و تحلیل رفتار گذرای آن می‌توان راهکارهای مناسبی در جهت بهبود عملکرد رله‌های حفاظتی اتخاذ کرد.

– تغییر در میدانهای الکترومغناطیسی
میدانهای الکترومغناطیسی در فضای پست وابسته به فرکانس بالای جریان عبوری از شبکه زمین است. میدانهای الکترومغناطیسی نامطلوب القاء شده بوسیله جریانهای ناشی از صاعقه و اتصال کوتاه باعث ایجاد خطاهای اندازه‌گیری و یا خسارت تجهیزات الکتریکی حساس می‌شود؛ بنابراین سیستم زمین به ترتیبی باید طراحی شود که مقادیر میدانهای الکترومغناطیسی از حدود قابل قبول تجاوز نکند.
با توجه به مطالب ارایه شده، برای محاسبه میدانهای الکترومغناطیسی در محیط و فضای پست، باید رفتار سیستم زمین در برابر جریانهای فرکانس بالا (گذرا) تعیین شود. شکل (۳) نمونه‌ای از توزیع میدان مغناطیسی و میدان الکتریکی را در فرکانس یک مگاهرتز را نشان می‌دهد.

نتیجه‌گیری
با توجه به مطالب ارایه شده لزوم بررسی دقیق طراحی شبکه زمین در دو حوزه ماندگار و گذرا را می‌توان در موارد زیر بیان کرد:
– لزوم به کارگیری روشهای دقیق مبتنی بر مطالعات الکترومغناطیسی در حالت ماندگار که فارغ از محدودیتهای موجود و همچنین تقریبهای اضافی در استانداردهای IEEE- ۸۰ 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 عملکرد تجهیزات میکروپروسسوری (از جمله رله‌ها) از رفتار سیستم‌های زمین در رژیم گذرا