مقاله در مورد طـراحـي پستـهاي فشـار قـوي (سيستم زمين)

اتصال زمين يا ارت
بسياري از خطرات براي اشخاص و تاسيسات الكتريكي بر اثر وجود سيستم اتصال زمين ضعيف يا عدم وجود اتصال زمين تجهيزات الكتريكي به وجود مي آيد. يك سيستم فشار ضعيف زمين شده نسبت به يك سيستم زمين نشده حوادث كمتري براي كاركنان در بر دارد. در يك سيستم زمين نشده با وجود متعادل بودن ولتاژ فازها ، تماس عمدي يا اتفاغي با هر كدام از فازها ممكن است خطر شوك الكتريكي جدي در بر داشته باشد.
مادامي كه يك اتصالي به زمين (ارت فالت) روي يك فاز سيستم زمين نشده يا سيستم زمين شده رخ مي دهد، شخصي كه با يكي از فازهاي ديگر سيستم و زمين تماس مي‌گيرد، تحت ولتاژي برابر برابر ولتاژ سيستم داراي نول زمين شده قرار مي گيرد.
از ديگر خطرات عدم وجود سيستم اتصال زمين مناسب، خطر آتش سوزي و خسارت سنگين تجيهزات و تاسيسات است پس يكي از راههاي پيش گيري از حوادث جاني و تاسيساتي داشتن اتصال زمين مناسب مي باشد.
ارت يا زمين كردن
اتصال زمين يا ارت شامل يك اتصال مصنوعي برق به زمين است كه مقاومت بسيار كمي براي عبور جريان دارد. در حقيقت كلمه «زمين» د ركارهاي برقي به زمين داراي پتانسل صفر اطلاق مي شود وقتي كه يك نقطه از شبكه زمين شود آن را تك زميني و وقتي كه در نقاط مختلفي زمين شده باشد، آن را چند زميني مي نامند.
زمين كردن و يا ارت نمودن يك سيستم الكتريكي، فرايند اتصال همه قطعات فلزي يا بدنه هاي فلزي دستگاههاي الكتريكي( به غير از هادي هاي اصلي مدار برق) به
زمين مي باشد و هدف از آن انتقال هر نوع نشتي انرژي الكتريكي در بدنه فلزي دستگاهها به زمين به منظور حفاظت جان كاركنان يا تجهيزات است
هر سيستم اتصال زمين يا ارت داراي دو قسمت جدا ولي مرتبط مي باشد:
الف ـ يك هادي يا سيم كم مقاومت براي همبندي يا اتصال بدنه هاي فلزي دستگاههاي الكتريكي
ب ـ يك الكترود يا دسته اي از الكترودهاي قرار داده شده در زمين
دستيابي به يك سيستم اتصال زمين خوب يا داراي مقاومت استاندارد ممكن است مشكل باشد ولي عوامل اصلي تعيين كننده شامل شكل و جنس الكترود و مقاومت مخصوص خاك است و در حقيقت زمين هادي الكتريسته است و مقاومت آن بستگي به نوع تركيبات خاك دارد مثلا در قسمتي كه شن و ماسه خشك و قلوه سنگ مي باشد مقاومت زمين خيلي زياد بوده ولي خاك مرطوب و رس داراي مقاومت كم است
استفاده از زمين به منزله يك سيم براي برگشت جريان
اگرچه مقاومت زمين به طور نسبي زياد است ولي هادي جريان بوده، آن را در جهات مختلف نقاط زمين عبور مي دهد همين امر باعث مي شود كه سطح مقطع مسير عبور جريان افزايش يابد و مقدار شدت جريان كمتر شود به اين ترتيب افت ولتاژ نيز كمتر مي شود. (V=IR)
از خاصيت هدايت زمين جهت برگشت جريان در سيستم هاي توليد و انتقال نيرو استفاده مي شود و جريان بارهاي نامساوي از طريق زمين به منبع توليد نيرو برگشت مي كند براي مثال، در شكل زير اگر جريان فاز A بيشتر از دو فاز ديگر باشد جمع برداري جريانها در نقطه N (نول) صفر نبوده جريان اضافي از طريق زمين به منبع نيرو برگشت مي نمايد.
شكل شماره 21ـ برگشت جريان از طريق زمين
همچنين چنانچه در يكي از فازهاي سيستم، اتصالي بروز كند (مثلا مقره خط بشكند و با زمين تماس پيدا كند يا اين تماس در اثر برخورد شاخه درخت و غيره باشد) جريان از طريق زمين برگشت مي نمايد. معمولا براي رفع اين اتصالي با استفاده از دستگاههاي حفاظتي رله ، جريانهاي اضافي و جرياني كه در نقطه خنثي عبور مي كند ، اندازه گيري مي شود و قسمت معيوب از سيستم جدا مي گردد. در ضمن هنگام اتصال زمين شدن هر يك از فازها ولتاژ دو فاز ديگر افزايش مي يايد. بنابراين زمين كردن نقطه خنثي سبب مي شود كه در افزايش اين ولتاژ محدوديت حاصل شود در نتيجه، سيستم در مقابل ازدياد ولتاژ حفاظت گردد.
شكل شماره 22ـ برگشت جريان اتصالي به منبغ تغذيه از طريق زمين
هدف از به كار بردن اتصال زمين (ارت)
1ـ درست عمل كردن دستگاههاي برق گير.
2ـ فراهم شدن سرعت كافي جهت كشف اتصالات و اشكالات توسط رله ها و بر طرف شدن فوري عيب سيستم.
3ـ ممانعت از افزايش ولتاژ سيستم در اثر بروز اتصالي، و افت ولتاژ بر اثر عدم تعادل بار.
4ـ مجافظت جان كاركنان، اعم از اپراتور، تعميركار و غيره در مقابل برق زدگي.
5ـ حفاظت دستگاههاي الكتريكي.
انواع زمين كردن يا ارت
در تاسيات برقي دو نوع زمين كردن (ارت) وجود دارد: زمين كردن حفاظتي و زمين كردن الكتريكي
زمين كردن حفاظتي
عبارت است از زمين كردن كليه قطعات فلزي تاسيسسات الكتريكي كه در ارتباط مستقيم با مدار الكتريكي نسيتند اين روش بخصوص براي حفاظت اشخاص در مقابل ولتاژ تماسي به كار مي رود.
در صورت اتصال يك سيم برق دار به بدنه هادي دستگاه الكتريكي، اختلاف پتانسيلي بين بدنه دستگاه و زمين به وجود مي آيد و اگر شخصي بدنه دستگاه را لمس كند، بين محل تماس بدن او به دستگاه و زمين ولتاژي به نام ولتاژ تماسي ايجاد مي شود. در صورت بيش تر بودن آن از 50 ولت خطرناك خواهد بود
مثال ـ اگر يك مقره اتكايي كه روي ديوار مرطوبي نصب شده بشكند و هادي فشار قوي با ديوار تماس پيدا كند و جريان پيدا كند و جريان اتصال زمين در اين حالت 25 آمپر و مقاومت هر متر ديوار 10 اهم باشد، بين دو نقطه از ديوار كه انسان با آن تماس دارد (فاصله دست و پا تقريبا 2متر) اختلاف سطح الكتريكي برابر است با:
ولت 500 = 10×2×25= IR=V
زمين كردن الكتريكي
يعني زمين كردن نقطه اي از دستگاه الكتريكي كه جزيي از مدار الكتريكي است؛ مثل زمين كردن مركز ستارة سيم پيچي ترانسفورماتور يا ژنراتور.
اين زمين كرن به خاطر كار صحيح دستگاهها و جلوگيري از ازدياد فشار الكتريكي فازهاي سالم نسبت به زمين در موقع تماس يكي از فازها با زمين صورت مي گيرد؛ مثال زمين كردن سيم نول شبكه و مركز ستاره ترانسفورماتور سه فاز و ترمينال K ثانويه C.T و P.T. (ترانسفورماتورهاي جريان و لتاژ)
مقاومت مخصوص زمين
عبارت است از مقاومت يك متر مكعب از زمين به ابعاد متر 1× متر 1×متر 1 كه بين دو الكترود صفحه اي سنجيده شده باشد البته اين مقاومت به نوع مواد تشكيل دهنده زمين بستگي دارد.
مقاومت اتصال زمين
مقاومت زمين اثر بسيار مهمي بر تاسيسات الكتريكي دارد. اولا به دلايل ايمني، بيشتر تاسيسات الكتريكي به زمين اتصال يا ارت شده اند ثانيا بعضي از خطوط انتقال dc (جريان مستقيم) ولتاژ بالا، از زمين به عنوان هادي برگشتي استفاده مي كنند تا جرياني حدود چند آمپر را حمل كنند ثالثا چون زمين هادي نسبتا خوبي است يك مسيري براي جريان هاي نشتي مختلف ايجاد مي نمايد.
مقاومت مخصوص خاك بين 5 اهم ـ متر تا 5000 اهم ـ متر بستگي به تركيبات آن (خاك رس، شن، گرانيت و غيره) و درجه رطوبت دارد. مثلا در بهار مقاومت مخصوص خاك مرطوب ممكن است 50 اهم ـ متر و در طول تابستان كه خاك خشك مي شود به 300 اهم ـ متر برسد مقاومت مخصوص خاك با درجه حرارت نيز تغيير مي كند هر چه درجه حرارت به نقطه انجماد نزديك مي شودمقاومت مخصوص خاك به آهستگي افزايش يافته و سپس همين كه درجه حرارت بيشتر كاهش مي يابد مقاومت مخصوص به سرعت افزايش پيدا مي كند.
مقاومت بين دو الكترود يا ميل زمين
زمين علي رغم مقاومت مخصوص بالايش، به دليل سطح عظيمي كه براي عبور جريان ايجاد مي كند هادي بسيار خوبي است. براي مثال اگر يك ولتاژ (E) بين دو الكترود كه درزمين قرار داده شده اعمال گردد، ملاحظه مي شود كه مانند مسيري كه در شكل زير نشان داده شده جريان در تمام حجم زمين عبور مي كند.
شكل شماره 23ـ جريان زمين بين دو الكترود
حتي اگر دو الكترود چندين كيلومتر از هم دور باشند مقاومت بين آنها نسبتاً پايين باقي مي ماند چهار مقاومت در مدار شكل فوق قابل تشخيص مي باشد.
1ـ مقاومت الكترودهاي فلزي: قابل اغماض
2ـ مقاومت اتصال بين الكترودها و خاك: قابل اغماض
3ـ مقاومت خاك اطراف هر دو الكترود: مهم مي باشد (اين مقاومت اساسا بستگي به طبيعت خاك و عمق الكترودها دارد.)
4ـ مقاومت زمين بين الكترودها: قابل اغماض
تجربه نشان داده است كه مقاومت اساسا در شعاع 10 متري اطراف هر دو الكترود متمركز شده و خارج از اين محدوده دايره اي شكل قابل اغماض مي باشد در نتيجه فاصله بين الكترودها مقاومت بين آنها را تغيير نمي دهد مگر اينكه الكترودها خيلي نزديك هم باشند.
نقاطي كه معمولا در سيتم هاي توزيع بايد زمين شوند
1ـ يكي از دو سيم ثانويه ترانسفورماتور تك فاز دو سيمه
2ـ سيم نول يك سيستم تك فاز سه سيمه فشار ضعيف
3ـ سيم نول يك سيستم تك فاز چهار سيمه فشار ضعيف
4ـ مركز ستاره ترانسفورمانور سه فاز
5ـ ترمينال زمين هر برق گير
6ـ بدنه يا محفظه كليه دستگاههاي برقي و ترانسفورماتورهاي هوايي و زميني
7ـ يك سيم ثانويه، هر كدام از ترانسفورماتورهاي جريان و ولتاژ
8ـ سيم نول كليه مشتركان در محل ورود برق به مكان آنها ( در محل كنتور)
دليل زمين كردن شبكه فشار ضعيف و ثانويه ترانسفورماتور
دليل زمين كردن مدار ثانويه يا فشار ضعيف ترانسفورماتور اين است كه در مقابل ولتاژهاي اضافي به وجود آمده بر اثر عوامل خارجي حفاظت شود. براي مثال، ممكن است سيم طرف اوليه (فشار قوي) بريده شده بر روي شبكه فشار ضعيف بيفتد و يا اين كه عايق داخل ترانس بشكند و سيم پيچ اوليه (فشار قوي) به سيم پيچ ثانويه (فشار ضعيف) اتصالي كند اگر در اين موقع شخص نقطه اي از شبكه فشار ضعيف يا نقطه اي از ترانسفورماتورمثل رادياتور يا مخزن آن را لمس كند دچار شوك بسيار شديدي خواهد شد، همچنين صدمات زيادي به متعلقات روي سيستم فشار ضعيف وارد خواهد شد. اما اگر ثانويه (فشار صعيف) زمين شده باشد شكست عايق ترانسفورماتور يا قسمتهاي ديگر فشار قوي باعث مي شود كه فيوزهاي طرف اوليه (فشار قوي) بسوزد و در نتيجه، قسمت معيوب مدار از منبع تغذيه جدا شود.
همچنين ممكن است ترانسفورماتورها طوري نصب شده باشد كه شخص در حالي كه با زمين ارتباط دارد بدنه آن را لمس كندو بنابراين براي حفاظت جان افراد بايد ثانويه‌هاي ترانسفورماتورها و ترانسفورماتورهاي اندازه گيري زمين شوند.
الكترود اتصال زمين
ساختمان فيزيكي الكترود زمين ممكن است اشكال مختلفي داشته باشد مفهوم مقاومت زمين را مي توان با در نظر گرفتن ساده ترين شكل الكترود بيان نمود.
الكترود ايده آل، يك نيمكره هادي مي باشد. جرياني كه از سطح نيم كره به زمين وارد مي شود، به صورت خط.ط شعاعي يا راديال جريان مي يابد. هر چه سطوح هم مركز و هم پتانسيل، نيم كره از الكترود دور مي شود، پتانسل آن كاهش مي يابد. چنين الكترودي با شعاع r در خاكي به مقاومت مخصوص ، و سطح مقطع A داراي مقاومتي به قرار ذيل مي باشد.
اگر اين سطح مقطع را براي طول dr به كار ببريم در نتيجه:

مقاومت بين نيمكره فلزي به شعاع RA و نيكمره فرضي شعاع r1 را مي توان با انتگرال گيري حساب نمود:

اگر r1 به طرف بي نهايت برود در نتيجه:
بنابراين مقامت الكترود نيم كره عبارتست از:
شكل شماره 24ـ نيمكره فلزي الكترود زمين
بيشترين مقاومت در نزديك سطح الكترود و در جايي كه چگالي يا تراكم جريان بيشترين است قرار دارد. الكترودها معمولا در عمل به صورت ميله اي، صفحه اي يا شبكه اي مي باشند و با تقريب زياد داراي توزيع جريان يكنواخت هستند. توزيع جريان در نزديكي نيم كره بيشتر است .
فرمول زير مقدار تقريبي R براي يك الكترود ميله اي تكي به قطر d و طول دفن شده L را نشان مي دهد.
اتصال زمين چند ميله اي
به ندرت يك ميله تكي مي تواند مقاومت كافي يا پايين ايجاد نمايد به همين علت يك دسته مسله ارت كه با يكديگر ارتباط موازي دارند براي سيستم اتصال زمين ايستگاههاي برق استفاده مي شوند.
مقاومت كل يك گروه n ميله اي كه هر كدام داراي مقاومتي برابر R1 و داراي پيكر بندي به شكل مربع تو خالي با فاصله S بين ميله ها هستند، براساس نظريه Tagg مطابق فرمول زير است:

فایل : 74 صفحه

فرمت : Word