طراحی سیستم ارتینگ برای پست هاي فشار قوي (HV/EHV) AC

چکیده

در این مقاله، به طراحی سیستم ارتینگ يك پست فشارقوي 400KV پرداخته ايم و پارامترهای آن را مورد محاسبه قرار داده ایم. عملکرد موفقیت آمیز کل سیستم قدرت تا حد قابل توجهی به عملکرد کارآمد و رضایت بخش پست ها بستگی دارد. از این رو، يك پست فشار قوي به طور کلی می تواند به عنوان قلب سیستم اصلي قدرت، در نظر گرفته شوند.

در هر پست برق، طراحی مناسب یک سیستم ارتینگ، نقش مهمی را ایفا می کند. از آنجا که عدم وجود سیستم ارتینگ ایمن و مؤثر می تواند منجر به سوء عملکرد یا عدم کارکرد دستگاههای کنترل و محافظ شود، طراحی سيستم ارتینگ مناسب، مسئله قابل توجهی برای همه ی پست ها مي باشد.

سيستم ارتینگ باید ایمن باشد زیرا به طور مستقیم با ایمنی افرادی که در این پست کار می کنند مربوط است. هدف اصلی از این کار طراحی سیستم های ارتینگ ایمن و مقرون به صرفه برای پستهای HV / EHV واقع در مناطقی است که خاک محل پست برق یکنواخت نیست.

در ابتدا اهمیت اولیه ساخت ارتینگ توضیح داده شده است و اصول طراحی سيستم ارتینگ  برای پستهای HV / EHV مورد بحث قرار گرفته است.

برای بدست آوردن پارامترهای موردنظر از قبیل معیارهای ولتاژ لمسی و گام برای ایمنی، مقاومت در برابر زمین، مقاومت در برابر شبکه ، حداکثر جریان شبکه، حداقل اندازه جریان و اندازه الکترود، حداکثر سطح جریان  و مقاومت خاک از معادلات استاندارد استفاده می شود.

با انتخاب اندازه مناسب رساناي افقی، اندازه الکترود عمودی و مقاومت خاک، می توان بهترین پروژه را از لحاظ ایمنی انتخاب کرد.

در این مقاله پارامترهای مورد نظر برای پست 400 کیلوولت را محاسبه کرده ایم. مطالعه موردی در پست 400 کیلوولت در اورگان آباد در ایالت ماهاراشترا هند انجام شده است.

مقدمه

عمليات ارتينگ، در نيروگاه هاي تولید برق، پستها و خطوط توزیع  برق، از اهمیت بسيار بالایی برخوردار مي باشد. این موضوع، برای مهندساني كه مسئولیت پست ها را به عهده دارند، بسيار مهم مي باشد. بنابراین طراحی و نگهداري سیستم ارتینگ باید به راحتی انجام شود و همچنين در هنگام طراحی ابعاد شبكه ارتينگ (earth mat) ، طرح توسعه براي آینده، نیز مي بايست در نظر گرفته شود.

سیستم  ارتينگ نه تنها برای محافظت در مقابل خطر برق گرفتگی از افرادی که در مجاورت تأسیسات و تجهیزات حریق کار می کنند، بلکه برای حفظ عملکرد مناسب سیستم الكتريكال نيز ضروری است. از قابلیت اطمینان و امنیت در ملاحظات و همچنین از الزامات قانونی) IEEE ( و استانداردهای هندی در مورد ایمنی برق و جنبه های زیست محیطی) استفاده می شود. این مقاله به شیوه های ارتینگ و طراحی برای پست برق AC در فرکانس توان در محدوده 50 هرتز می پردازد.

نکته مهم

سیستم ارتینگ در یک کارخانه يا تاسیسات برقي، به چند دلیل بسیار مهم است که همگی مربوط به حفاظت از مردم و تجهیزات و  یا عملکرد بهینه سیستم برقی است. اين دلايل عبارتند از :

• پیوستگی اجباری اشیاء رسانا (به عنوان مثال تجهیزات فلزی، ساختمانها، لوله کشی و غیره) با سيستم ارتینگ، جلوگیری از وجود ولتاژهای خطرناک بین اشیاء و زمین
• سیستم ارتینگ یک مسیر برگشت کم مقاومت برای خطا های جریان در داخل کارخانه را فراهم می کند، که هم از پرسنل و هم از تجهیزات محافظت می کند.
• در هنگام وقوع خطا در سیستم  با مسیرهای برگشتی به منابع تولید خارج از مناطق ، یک شبکه با مقاومت كم در برابر زمین، مانع از زیاد شدن پتانسیل خطرناک می شود (پتانسیل لمسی و گام)
• سیستم ارتینگ یک مسیر مقاومت کم (نسبت به ارتينگ از راه دور) را برای عبور ولتاژ مانند صاعقه و افزایش موج / ولتاژ فراهم می کند. (مطلب طراحی صاعقه گیر را بخوانید)
• هم تراز کردن زمین، به جلوگیری از ایجاد الکتریسیته و تخلیه الکتریکی کمک می کند، که می تواند جرقه هایی با انرژی کافی برای آتش زدن فضاهاي قابل اشتعال ایجاد کند.
• سیستم ارتینگ پتانسیل مرجع مدارهای الکترونیکی را فراهم می کند و نویز برقی را برای سیستم های الکترونیکی، ابزار دقیق و ارتباطی کاهش می دهد.

این براورد در درجه اول مبتنی بر رهنمودهای ارائه شده توسط      IEEE Std 80 (2000) است، “راهنمای ایمنی در ارتينگ پست هاي AC “

طراحی سیستم ارتینگ برای پست هاي  H.V./E.H.V

ارتینگ

ارتینگ به معنای اتصال الکتریکی به زمین برای محافظت در برابر جریان نشت کرده است که باعث می شود تجهيزات محافظ فعال شده و امنیت پرسنل و تجهیزات تأمین گردد.

انواع ارتينگ

به طور گسترده، مفهوم ارتينگ در دو دسته اصلي مي گنجد:

• سیستم ارتینگ

این امر در درجه اول مربوط به حفاظت از تجهیزات الکتریکی به منظور  تثبیت ولتاژ متناظر با زمین مي باشد. براي اينكار، اتصال بین بخشی از نیروگاه در یک سیستم عامل (مانند ماژول خنثی LV مربوط به سیم پیچ ترانسفورماتور) و زمین را برقرار مي كنند.

• تجهیزات ارتینگ

این امر در درجه اول با حفاظت از پرسنل در برابر شوک الکتریکی با استفاده از ثابت نگه داشتن پتانسیل تجهیزاتي که نشت نامتداول در پتانسیل زمین یا در نزدیکی آن صورت می گیرد. در واقع اتصال بين بدنه ی تجهیزات مانند بدنه موتور، مخزن ترانسفورماتور ، جعبه دنده سوئیچ، میله های عامل سوئیچ های هوا و غیره را به زمین برقرار مي كنند.

سیستم ارتینگ و ارتینگ ایمنی دو امر  به هم پیوسته اند، بنابراین جریان نشت کرده در داخل سیستم پتانسیل زمین ایمنی را بالا می برد و همچنین باعث ایجاد اختلاف پتانسيل در داخل و اطراف نیروگاه می شود.

اما جدا کردن دو سیستم ارتينگ، دارای مضراتی مي باشد كه در ذيل به چند مورد از آنها اشاره مي كنيم:

1. جریان اتصال کوتاه بالاتر
2. عبور جریان کم از ميان رله ها
3. تحت پوشش قرار دادن مسافت زيادي كه بواسطه جدا کردن دو سیستم ارتينگ، بوجود مي آيد.

پس از مشخص کردن نقاط ضعف و قدرت، به منظور اتخاذ ارتینگی موثر و داشتن اختلاف پتانسیلي ایمن، روش متداول ارتینگ مستقیم، طراحی شده است.

انواع الکترود هاي مورد استفاده در سيستم ارتينگ

1 – الکترود میله ای (Rod electrode)
2 – الکترود لوله ای (Pipe electrode)
3 – الکترود صفحه ای (Plate electrode)

عواملی که الزامات  الکترود زمین را تغییر می دهند

الف) ايجاد تاسیسات الکتریکی مي تواند در سیستم  مي تواند مسیرهای مختلفی را در الکترود ایجاد می کند.  چيزي كه قبلا يك قانون مناسب و قابل قبول براي مقاومت سيستم ارتينگ يود، می تواند الان  یک استاندارد منسوخ  شده باشد.

ب) هرچقدر تعداد بیشتری از لوله های فلزی در زیر زمین دفن شده باشند، به عنوان اتصال زمین با مقاومت کم، قابلیت اطمینان کمتری دارند.

ج) در بیشتر محل ها، سطح آب های زیرزمینی به تدریج در حال كاهش است. طی یک یا دو سال، شرايط منطقه به خشکی و مقاومت بالا گرويده است.

د) این عوامل بر اهمیت یک برنامه مداوم و منسجم به منظور تست مقاومت زمین تأکید دارند.

مقاومت زمین باید تا حد ممکن کم باشد و نبايد از محدوده هاي اشاره شده در جدول زیر تجاوز كند

موارد و تعاریف

الف – ولتاژ گام (Step Potential)  :اختلاف ولتاژ بین دو نقطه است که در هنگام عبور جریان های زمین یک متر با هم فاصله دارند.

ب – ولتاژ لمسی (Touch Potential) : اختلاف تفاوت ولتاژ بین جسم لمس شده و نقطه زمین درست زیر شخص لمس کننده جسم هنگام عبور جریان های زمین است.

ج – وقوع ولتاژ زمين (Ground Potential Rise) : حداکثر ولتاژ الکتریکی که یک شبکه ارتينگ  ممکن است نسبت به یک نقطه فاصله زیادی داشته باشد که فرض می شود پتانسیل زمین از راه دور باشد. این ولتاژ برابر است با:

د–پتانسیل مش(Mesh Potential)

حداکثر پتانسیل لمسی درون یک شبکه

ه – پتانسیل انتقال یافته: (Transferred potential)

یک مورد خاص از پتانسیل لمسی در صورت انتقال پتانسیل از داخل پست به یک نقطه خارج از محل پست.

فردی که در نیروگاه با  لوله های اب در ارتباط می باشد در آن پست در معرض پتانسیل انتقال یافته قرار می گیرد که برابر است با تفاوت در GPR های دو پست.

• مشخصات ارتینگ

بسته به مقاومت خاک ، رسانای ارتینگ باید در اعماق اشاره شده در جدول زیر دفن شود

جدول 2

به منظوررسیدن به بیشترین مقاومت ایمنی در زمین وکمترین سطح ممکن برای ایمنی و ولتاژ لمسی شبکه ، ارتینگ باید در اعماق فوق الذکر دفن شود و شبکه  باید در نقاط مناسب با میله های ارتينگ مهار شود. کلیه قطعات حمل نارسانا در پست باید به این شبکه وصل شود تا اطمینان حاصل شود که در شرایط وقوع خطاي سیستم، هیچکدام از این قطعات پتانسیل بالاتری نسبت به شبکه ارتینگ نداشته باشد.

• برای حفظ مقاومت زمین در کمترین سطح ممکن، باید به نکات زیر توجه کنیم :
• باید اکسیداسیونی که روی اتصالات به وجود آمده پاک شود و همچنین اتصالات محکم شوند.
• در الکترود ارتينگ،  آب کافی ریخته شود.
• از الکترود بزرگتر استفاده شود .
• الکترودها باید به طور موازی وصل شوند.
• چاه ارت (Earth pit) باید از عمق و عرض بیشتری ایجاد شود.

• صفحه ارت (Plate Earths)

با در نظر گرفتن کلیه پارامترها، اندازه صفحه ارت در نیروگاه های برق به صورت زیر در نظر گرفته شد .

طراحی شبکه ارتينگ

سیستم ارتینگ در یک پست، شامل  شبکه ارتینگ  Earth Mat  یا Grid ، الکترود ارتینگ، رسانای ارتینگ و اتصالات ارت است.

حصیر یا شبکه ارتینگ

نیاز اصلی ارتینگ، مقاومت کم در برابر زمین است. پست برق، دارای تعداد زیادی سیستم ارتینگ از طریق الکترودهای منحصر به فردي است که مقاومت نسبتاً بالایی دارند. اما اگر این الکترودها، در داخل خاک به هم متصل شوند سطح تماس با خاک را افزایش داده و تعدادي مسیرهای موازی ایجاد می کند. از این رو، ميزان مقاومت زمین در حالت درهم تنیده، نسبت به حالت منفرد بسیار پایین تر است که به آن مقاومت ترکیبی گفته می شود.

اتصال ها به صورت صاف یا میله رسانا ساخته می شود که به آن شبکه ارتینگ گفته می شود. به منظور دستیابی به الزامات اوليه سیستم ارتینگ، شبكه ارتينگ (Earth mat)،  باید با در نظر گرفتن حد ایمن ولتاژ گام, ولتاژ لمسی و  ولتاژ انتقال دهنده، به درستی طراحی شود.

شکل 6 : پیکربندی کلی شبکه ارتینگ

محاسبات ریاضی

 پیش نیازها

قبل از شروع محاسبات  اطلاعات زیر مورد نیاز است:

• طراحی مکان
• حداکثر جریان نشت کرده زمین به داخل شبکه ارتینگ( earthling grid).
• حداکثر زمان رفع نشت جریان
• دمای محیط (یا خاک) در محل مورد نظر.
• اندازه گیری مقاومت خاک در محل (فقط برای  ولتاژ لمسی و گام).
• مقاومت هر لایه سطحی که قرار است گذاشته شود (فقط برای ولتاژ لمسی و گام).

معیارهای ولتاژ گام و لمسی

امنیت فرد، به حفاطت از مقدار بحرانی انرژی شوک شده بستگی دارد. قبل از پاک شدن جریان نشت کرده و از کار انداختن سیستم، انرژی حاصل جذب می شود.

برای ولتاژگام حدود زیر مجاز است :

فرمول اندازه شبکه زمین رسانا در زیر ذکر شده است:

ارزیابی مقاومت زمین

یک سیستم ارتينگ مناسب برای به حداقل رساندن GPR ، مقاومت کمی در برابر زمین از راه دور فراهم می کند. برای بیشتر پستهای انتقال و سایر پستهای بزرگ، مقاومت زمین معمولاً در حدود 1 Ω یا کمتر است. در پستهای توزیع کوچکتر دامنه قابل قبول از 1 Ω تا 5 Ω )بسته به شرایط محلی (می باشد.

برای محاسبه مقاومت زمین از فرمول زیر استفاده شده است :

اصلی ترین خصوصیات الکتریکی یک سیستم ارتینگ عبارتند از:

• مقاومت  زمین
• توزیع پتانسیل سطح زمین
• توانایی انتقال جريان

مطلوب ترین توزیع پتانسیل سطحي، داراي الکترودهای ارتينگ افقی هستند. مخصوصا پتانسیل مش،که پتانسیل سطح آن را می توان نسبتاً ساده کنترل کرد. توزیع پتانسیل الکترودهای عمودی، نامطلوب ترین هستند. زيرا مقادیر بالای پتانسیل لمسی دارند. از سوی دیگر، الکترودهای عمودی به راحتی می توانند با مقادیر پایدار به ارتینگ با مقاومت پایین برسند (تا حد زیادی مستقل از فصول). همچنین به منظور دستيابي به مقادیر کمتری از مقاومت ارتینگ، از الکترودهای عمودی بصورت ترکیبي با الكترودهاي افقي استفاده می شود.

این نتایج بدست آمده در بالا اثبات می کند که این ارتینگ برای پست 400 کیلوولت، در محدوده مقاومت خاک 100-350 Ωm است.

نتیجه گیری

 در این مقاله سیستم ارتینگ پست برق AC 400 کیلوولت HV / EHV را طراحی کردیم. نتایج حاصل از سیستم ارتینگ با روش محاسباتی بدست می آید. برای رسانایی ارتینگ و الکترود عمودی ارت از فولاد خفیف استفاده می شود. روش گام به گام برای طراحی یک سیستم ارتینگ ارائه شده است. انواع مختلفی از اندازه های تجهیزات زمین رسانا در این مقاله ذکر شده است.

همچنین در اینجا ساخت شبکه ارتینگ گفته شد. ولتاژ گام و لمسی برای بدن انسان خطرناک است. بدن انسان ممکن است از ولتاژ گام و لمسی، شوک الکتریکی دریافت کند. هنگامی که قرار است پست های ولتاژ بالا طراحی شوند، ولتاژ گام و لمسی باید محاسبه شود و مقادیر استاندارد باید مشخص و حفظ شود.  انتقال پتانسیل زمین (GPR) در شرایط نشت برای جلوگیری از موقعیت های خطرناک برای  تمام افراد، مسئله مهمی می باشد. مقادیر مجاز ولتاژ گام و مش به دست آمده برای پست  400کیلو ولت به ترتیب 389.6783 ولت و 374.1747 ولت است.