مقدمه:
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:
مشخصات شبکه زمین:
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.
میله‌های زمین:
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 (استانداردIEEE ۸۰ – ۲۰۰۰)) را محاسبه وطراحی میکند.
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.
پروفیل ولتاژ در سطح پست:
برای دسترسی آسانتر به طرح مطلوب و ایمن سیستم زمین، محاسبه و رسم پروفیل ولتاژ در سطح پست ضروری است که این ویژگی تنها می‌تواند با استفاده از روشهای دقیق الکترومغناطیسی بدست آید.
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.
طراحی سیستم ارت 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
