طراحی سیستم ارتینگ برای پست های فشار قوی (HV/EHV) AC

چکیده

در این مقاله، به طراحی سیستم ارتینگ یک پست فشارقوی ۴۰۰KV پرداخته ایم 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، یک پست فشار قوی به طور کلی می تواند به عنوان قلب سیستم اصلی 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 سیستم ارتینگ مناسب، مسئله قابل توجهی برای همه ی پست ها می باشد.

سیستم 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 سیستم 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 رسانای 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 ۴۰۰ کیلوولت را محاسبه کرده ایم. مطالعه موردی در پست ۴۰۰ کیلوولت در اورگان آباد در ایالت ماهاراشترا هند انجام شده است.

مقدمه

عملیات ارتینگ، در نیروگاه های تولید برق، پستها و خطوط توزیع  برق، از اهمیت بسیار بالایی برخوردار می باشد. این موضوع، برای مهندسانی که مسئولیت پست ها را به عهده دارند، بسیار مهم می باشد. بنابراین طراحی و نگهداری سیستم ارتینگ باید به راحتی انجام شود و همچنین در هنگام طراحی ابعاد شبکه ارتینگ (earth mat) ، طرح توسعه برای آینده، نیز می بایست در نظر گرفته شود.

سیستم  ارتینگ 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 الکتریکال نیز 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 ۵۰ هرتز می پردازد.

نکته مهم

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

• پیوستگی اجباری اشیاء رسانا (به عنوان مثال تجهیزات فلزی، ساختمانها، لوله کشی و غیره) با سیستم 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 کم در برابر زمین، مانع از زیاد شدن پتانسیل خطرناک می شود (پتانسیل لمسی و گام)
• سیستم ارتینگ یک مسیر مقاومت کم (نسبت به ارتینگ 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 فضاهای 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 ارتینگ پست های AC “

طراحی سیستم ارتینگ برای پست های  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 تجهیزات محافظ فعال شده و امنیت پرسنل و تجهیزات تأمین گردد.

انواع ارتینگ

به طور گسترده، مفهوم ارتینگ در دو دسته اصلی می گنجد:

• سیستم ارتینگ

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

• تجهیزات ارتینگ

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

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 پتانسیل در داخل و اطراف نیروگاه می شود.

اما جدا کردن دو سیستم ارتینگ، دارای مضراتی می باشد که در ذیل به چند مورد از آنها اشاره می کنیم:

1. جریان اتصال کوتاه بالاتر
2. عبور جریان کم از میان رله ها
3. تحت پوشش قرار دادن مسافت زیادی که بواسطه جدا کردن دو سیستم ارتینگ، بوجود می آید.

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

انواع الکترود های مورد استفاده در سیستم ارتینگ

۱ – الکترود میله ای (Rod electrode)
۲ – الکترود لوله ای (Pipe electrode)
۳ – الکترود صفحه ای (Plate electrode)

عواملی که الزامات  الکترود زمین را تغییر می دهند

الف) ایجاد تاسیسات الکتریکی می تواند در سیستم  می تواند مسیرهای مختلفی را در الکترود ایجاد می کند.  چیزی که قبلا یک قانون مناسب و قابل قبول برای مقاومت سیستم ارتینگ یود، 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 کاهش است. طی یک یا دو سال، شرایط منطقه به خشکی و مقاومت بالا گرویده 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 نباید از محدوده های اشاره شده در جدول زیر تجاوز کند

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 زمین (Ground Potential Rise) : حداکثر ولتاژ الکتریکی که یک شبکه ارتینگ  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 ۲

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 ارتینگ مهار شود. کلیه قطعات حمل نارسانا در پست باید به این شبکه وصل شود تا اطمینان حاصل شود که در شرایط وقوع خطای 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 ارتینگ،  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 ارتینگ

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 فردی 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 تعدادی مسیرهای موازی ایجاد می کند. از این رو، میزان 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 اولیه سیستم ارتینگ، شبکه ارتینگ (Earth mat)،  باید با در نظر گرفتن حد ایمن ولتاژ گام, ولتاژ لمسی و  ولتاژ انتقال دهنده، به درستی طراحی شود.

شکل ۶ : 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 ارتینگ 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 ۱ Ω یا کمتر است. در پستهای توزیع کوچکتر دامنه قابل قبول از ۱ Ω تا ۵ 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 جریان

مطلوب ترین توزیع پتانسیل سطحی، دارای الکترودهای ارتینگ افقی هستند. مخصوصا پتانسیل مش،که پتانسیل سطح آن را می توان نسبتاً ساده کنترل کرد. توزیع پتانسیل الکترودهای عمودی، نامطلوب ترین هستند. زیرا 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 دستیابی به مقادیر کمتری از مقاومت ارتینگ، از الکترودهای عمودی بصورت ترکیبی با الکترودهای افقی استفاده می شود.

این نتایج بدست آمده در بالا اثبات می کند که این ارتینگ برای پست ۴۰۰ کیلوولت، در محدوده مقاومت خاک ۱۰۰-۳۵۰ 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 ۳۸۹.۶۷۸۳ ولت و ۳۷۴.۱۷۴۷ ولت است.