التنزيلات:
مقدمة
يقدم هذا البرنامج التعليمي المفاهيم الأساسية المستخدمة في تصميم أنظمة تأريض وتأريض المحطات الفرعية. تتم مناقشة المصطلحات المهمة بما في ذلك ارتفاع جهد الشبكة واللمس والجهد المتدرج وتوزيع التيار.
يتم شرح سلوكيات أمثلة أنظمة التأريض والتأريض أثناء حدوث عطل.
جدول المحتويات
1 الارتفاع المحتمل للشبكة (GPR)
ويوضح الشكل 1(أ) نظام تأريض بسيط يتألف من موصلات أفقية (تسمى أيضًا "شبكة" أو "شبكة" الموصلات) مدفونة على عمق 0.5 متر تحت سطح الأرض وموصلات رأسية بطول 3 أمتار (تسمى أيضًا "قضبان أرضية") متصلة بالشبكة التي تشكلها الموصلات الأفقية. الشبكة الأفقية مربعة ومقسمة إلى 4 شبكات مربعة.
ويوضح الشكل 1 (ب) الفولتية السطحية التي تحدث على سطح الأرض عند تنشيط نظام التأريض أثناء حدوث عطل.
عندما يتم حقن التيار الكهربائي في الأرض عبر نظام تأريض، يقابل التيار مقاومة تعتمد مباشرة على مقاومة التربة. وبسبب تدفق التيار عبر هذه المقاومة، يرتفع الجهد الكهربائي لنظام التأريض وجميع المنشآت المعدنية المتصلة به. يُطلق على أقصى جهد كهربائي قد تصل إليه الشبكة الأرضية لمحطة فرعية بالنسبة لنقطة تأريض بعيدة يُفترض أنها عند جهد الأرض البعيدة (0 فولت) اسم ارتفاع جهد الشبكة (GPR) [1].
يتناسب قياس GPR طرديًا مع حجم التيار المحقون في التربة بواسطة نظام التأريض. بالنسبة لتيار حقن معين، يتناسب رادار قياس الضغط العام طرديًا مع مقاومة التربة. ولذلك، من المهم جدًا عند تصميم نظام التأريض الحصول على قياسات موثوقة لمقاومة التربة وإجرائها في موقع المحطة الفرعية من أجل التأكد من خصائص التربة. وهذا مطلوب لنمذجة أداء نظام التأريض بدقة.
بالنسبة لتيار عطل معين، يتناسب رادار قياس الضغط الجاذب للتيار تناسبًا عكسيًا تقريبًا مع مساحة الشبكة. لاحظ أن شكل الشبكة وعمق دفنها يؤثران أيضًا على رادار قياس الضغط الجاذب إلى حد ما.
يبلغ الجهد الكهربي الإجمالي للشبكة الموضحة في الشكل 1 2220 فولت، وأقصى جهد سطحي، وهو دائمًا أقل من الجهد الكهربي الإجمالي للشبكة هو 2060 فولت.
الشكل 1 - مثال على النظام ومخطط الفولتية السطحية
2 اللمس والجهود المتدرجة
يوضّح الشكل 1 أن إمكانات سطح الأرض أقل من إمكانات GPR وتختلف اختلافًا كبيرًا. وعند النقاط التي تقع مباشرةً فوق موصل الشبكة، تكون إمكانات سطح الأرض هي الأقرب إلى جهد سطح الأرض؛ ومن ناحية أخرى، تحدث الانخفاضات في الجهد في منتصف شبكات الشبكة، ويكون الفرق بين جهد سطح الأرض وجهد سطح الأرض في أقصى حد عند هذه النقاط المركزية. وهذا يعني أن الشخص الذي يقف في منتصف الشبكة ويلامس أي هيكل معدني متصل بنظام التأريض، سيتعرض لجهد لمسي عالٍ.
لاحظ أن "جهد التلامس" هو الفرق في الجهد الكهربائي بين نظام التأريض وأي موقع على سطح الأرض يمكن أن يقف فيه الشخص أثناء ملامسته لهيكل معدني مزود بالطاقة (يفترض أن يكون بنفس جهد نظام التأريض) [1].
يعرض الرسم البياني في الشكل 2 (أ) الفولتية اللمسية داخل الشبكة وعلى بعد متر واحد منها. تحدث الفولتية اللمسية القصوى للمس عادةً في زوايا الشبكة لأن أعلى تيارات التسرب توجد على الموصلات المحيطة (الحصول على مخطط تيار التسرب هو طريقة لتوضيح ذلك).
كما يوضح الشكل 1 والشكل 2 (ب)، يمكن أن يؤدي التدرج الحاد للجهد خارج محيط نظام التأريض إلى ظهور فرق جهد كبير بين موقعين على سطح الأرض حيث يتم وضع قدمي الشخص. ويُفترض عمومًا أن خطوة الشخص لن تتجاوز 1 متر، وبالتالي يُعرَّف "جهد الخطوة" بأنه فرق الجهد بين نقطتين على سطح الأرض تفصل بينهما مسافة 1 متر.
عادة ما تكون مستويات الفولتية المتدرجة أقل بكثير من الفولتية اللمسية. ولذلك، بشكل عام، إذا كان من الممكن تحقيق جهد اللمس الآمن للتصميم، فلا ينبغي أن تكون الفولتية المتدرجة مشكلة.
الشكل 2 - مخططات الفولتية اللمسية والمتدرجة في بُعدين
تتناسب الفولتية اللمسية والخطوات المتدرجة، مثلها مثل رادار قياس الجاذبية الأرضية، تناسبًا طرديًا مع التيار المحقون في الأرض. علاوةً على ذلك، بالنسبة لتيار حقن معين ومجموعة معينة من نسب الشبكة، تتناسب الفولتية الملموسة والمتدرجة طرديًا مع المقاومة الكهربائية للأرض.
من أجل تقييم أداء نظام التأريض، تتم مقارنة الفولتية الملموسة والمتدرجة التي تحدث أثناء ظروف العطل بالقيم القصوى المقبولة والتي تعرف أيضًا بالحدود القصوى المسموح بها أو المسموح بها للجهد. يتم اشتقاق هذه الحدود الآمنة وفقًا لطرق IEC وIEEE القياسية [1]، [2].
ارجع إلى الصفحة التي تشرح كيفية حساب حدود جهد اللمس والخطوة.
تتم مقارنة الحدود الآمنة مع الفولتية الفعلية الملموسة والمتدرجة لتحديد ما إذا كان التصميم آمنًا أم لا. هناك طريقتان رئيسيتان لتحقيق تصميم آمن:
- تقليل (أو إظهار) الفولتية الفعلية الملموسة والمتدرجة التي تظهر في أي نقطة داخل المحطة الفرعية وحول محيطها أقل من الحدود الآمنة.
زيادة الحدود المسموح بها عن طريق إضافة طبقة سطحية إضافية من الصخور المسحوقة أو الأسفلت إلى السطح داخل وخارج المحطة الفرعية.
3 توزيع تيار العطل
عند حدوث تنشيط عرضي أو "عطل أرضي" بالقرب من محطة فرعية، تتدفق كميات كبيرة من التيار من موصل الطور المعطوب وتعود إلى مصدر الطاقة من خلال جميع المسارات الموصلة المتاحة (انظر الشكل 3).
يوضّح الشكل 3 تدفق تيارات الأعطال لمحطتين فرعيتين متصلتين عبر خط نقل علوي إذا حدث عطل بالقرب من المحطة الفرعية A. تشير الأسهم إلى اتجاه تدفق تيار العطل. فيما يلي فيديو تعليمي يشرح توزيع تيار العطل مع أمثلة عملية.
أثناء حدوث عطل، يعود جزء من تيار العطل الكلي إلى مصدر الطاقة (تيار العطل) على طول المسارات التالية:
- الأسلاك الأرضية: يتدفق جزء من تيار العطل من موقع العطل إلى مصدر الطاقة بالكامل عبر الأسلاك الأرضية (في حال وجودها). يتدفق جزء آخر من تيار العطل على طول الأسلاك الأرضية ثم يتم حقنه في الأرض عن طريق مسارات أرضية مختلفة مثل مسارات أرضية أبراج النقل أو أنظمة تأريض المحطات الفرعية غير تلك القريبة من العطل.
- نظام تأريض المحطات الفرعية: يتم حقن جزء آخر من تيار العطل في الأرض بواسطة نظام التأريض الخاص بالمحطة الفرعية التي يحدث العطل بالقرب منها. ومن هناك، يتدفق عبر الأرض إلى نظام التأريض الخاص بمصدر الطاقة، ثم يتدفق عبر نظام التأريض الخاص بمصدر الطاقة إلى المولد أو المحول الذي يزود تيار العطل.
- نظام التأريض الإضافي: إذا كان للمحطة الفرعية نظام تأريض إضافي بالإضافة إلى النظام الموجود في موقع المحطة الفرعية، فسيتم تحويل جزء من تيار العطل إلى نظام التأريض الإضافي هذا. لاحظ أنه يمكن اعتبار حديد التسليح في الأرضية الخرسانية المسلحة للمبنى نظام تأريض إضافي، كما يمكن اعتبار نظام التأريض البعيد.
عادةً ما يسمى جزء من تيار العطل الذي يتم حقنه في نظام تأريض المحطات الفرعية بتيار الشبكة، والذي سيؤدي إلى ارتفاع الجهد في نظام التأريض.
ويعتمد مقدار تيار العطل الذي سيتدفق على طول كل مسار بشكل مباشر على المعاوقة النسبية لكل منهما. على سبيل المثال، إذا كانت الأسلاك الأرضية ذات مقاومة منخفضة ولا تمتد لمسافة كبيرة بين المحطة الفرعية المعطوبة ومصدر الطاقة، فإنها ستحمل نسبة أكبر من تيار العطل مما لو كانت طويلة وذات مقاومة عالية. وبالمثل، إذا كان نظام تأريض المحطة الفرعية ذو مقاومة منخفضة جدًا، فسيحمل نسبة أكبر بكثير من تيار العطل مما لو كانت مقاومته عالية.
في معظم الحالات يكون تيار الشبكة أقل بكثير من إجمالي تيار العطل الذي يوفره المصدر. ولذلك، من المفيد تحليل توزيع تيار العطل أثناء مرحلة التصميم، إلا أن هناك حاجة إلى معلومات إضافية حول المسارات الموصلة.
4 تصميم للحد من رادار الراديو العام
يجب تصميم نظام التأريض بحيث لا يتجاوز جهد التأريض 5000 فولت، وهذا بشكل أساسي لحماية المعدات [3].
ويتطلب الحد من رادار الراديو العام العالمي تقليل مقاومة الشبكة، ويتم تحقيق ذلك بشكل أكثر فعالية إما بزيادة حجم (المساحة التي تغطيها) الشبكة أو بإضافة قضبان يتم دفعها إلى طبقات التربة السفلية منخفضة المقاومة. ويمكن تقليل مقاومة الرادار الراديوي العام بدرجة أقل بإضافة موصلات إلى داخل الشبكة.
يوضح الجدول 1 النتائج المحسوبة من برنامج التأريض SafeGrid Earthing لأربعة أنظمة تأريض بسيطة. تتألف أنظمة التأريض هذه من شبكة مربعة مساحتها 20 م × 20 م مدفونة بعمق 0.5 م، مع إضافة قضبان (طولها 3 م). تبلغ تيارات الأعطال المحقونة في أنظمة التأريض ومناطق المقطع العرضي للموصلات 1000 أمبير و70 مم2 على التوالي. يُفترض وجود نموذج تربة موحد للمقاومة 100 Ω.m.
بدءًا من الحالة 1 وإضافة موصلين شبكيين إضافيين بطول 20 مترًا مثبتين على شكل تقاطع، ينخفض معدل انخفاض الناتج بنسبة 6.37%. وإذا أُضيفت 6 موصلات أخرى بطول 20 مترًا لتكوين شبكة الحالة 3 بإجمالي 25 شبكة، ينخفض معدل اختبار قياس الناتج الإجمالي بنسبة 14.1%.
إضافة موصلات داخلية إلى الشبكة أقل فعالية من زيادة حجمها. وتوضح الحالة 4 أن زيادة الحجم وحده من 20 م إلى 25 م، ينخفض معدل سرعة رد الفعل العام بنسبة 16.78%.
لاحظ أن تقليل مقاومة الشبكة سيؤدي إلى زيادة تيار الشبكة مما يؤدي إلى انخفاض أقل في معدل مقاومة الشبكة العامة التي يتم الحصول عليها بافتراض عدم وجود تغير في التيار.
5 تصميم لتقليل اللمس والجهد المتدرج
يجب تصميم نظام التأريض بحيث لا تكون الفولتية التلامسية في أي نقطة داخل محيط المحطة الفرعية، أثناء حدوث عطل، خطرة. نظرًا لأن الفولتية التلامسية هي الفرق في الجهد بين نقطة على سطح الأرض ونظام تأريض المحطة الفرعية، فإن الوضع المثالي هو أن تكون جهد سطح الأرض قريبًا من نظام التأريض في المحطة الفرعية.
يوضح الشكل 4 (أ) و(ب) مخططات الفولتية السطحية وفولتية التلامس لشبكة من 4 شبكات على التوالي. تتوافق الوديان الأربعة في مخطط الفولتية السطحية مع مراكز الشبكات الأربع، وهي النقاط التي توجد عندها أكبر جهد تلامس. يبلغ أقصى جهد تلامس لهذه الشبكة 642 فولت.
الشكل 4 - مخططات الجهد السطحي واللمسي لشبكة مكونة من 4 شبكات
يوضح الشكل 5 مخططات الفولتية السطحية وفولتية اللمس لنفس الشبكة ولكن مع 25 شبكة. تؤدي الزيادة في عدد الشبكات إلى أن تصبح الوديان أكثر ضحالة. وبالتالي تصبح الفولتية القصوى للمس أصغر بكثير. يبلغ أقصى جهد تلامس لهذه الشبكة 391 فولت.
الشكل 5 - مخططات الجهد السطحي واللمسي لشبكة من 25 شبكة
وفي مرحلة ما، يصبح التحسن الذي يتم الحصول عليه بإضافة موصلات الشبكة غير ذي أهمية، ففي الشكل 5، يتضح بالفعل أنه لن يتم الحصول على تحسن كبير من خلال جعل الوديان أكثر ضحالة لأن إمكانات اللمس موحدة بالفعل تقريبًا في جميع أنحاء منطقة الشبكة. في هذه الحالة، إذا كان التحسين لا يزال مطلوبًا، فيجب خفض جهد الشبكة نفسها، على سبيل المثال، عن طريق زيادة حجم نظام التأريض.
عادةً لا تمثل الفولتية المتدرجة داخل منطقة المحطة الفرعية مشكلة إذا كانت الفولتية المتدرجة داخل منطقة المحطة الفرعية ضمن الحدود الآمنة. ولا يقتصر الأمر على أن الفولتية المتدرجة داخل منطقة المحطة الفرعية أصغر من الفولتية باللمس فحسب، بل إن البشر يتحملون أيضًا فولتية متدرجة أعلى من الفولتية باللمس.
وعادةً ما تكون الفولتية المتدرجة مصدر قلق فقط حول محيط المحطة الفرعية، حيث يوجد عادةً تدرج جهد سطح الأرض الحاد. وكقاعدة عامة، تتناسب شدة انحدار التدرج المحتمل عكسيًا تقريبًا مع حجم نظام التأريض، وبالتالي فإن الفولتية المتدرجة قد تمثل مشكلة أكبر في أنظمة التأريض الصغيرة مقارنةً بالأنظمة الأكبر. تعد زيادة حجم نظام التأريض وسيلة فعالة لتقليل الفولتية المتدرجة.
على الرغم من انخفاض الفولتية التلامسية في الجزء الداخلي من الشبكة، إلا أن الفولتية التلامسية على حافة المحطة الفرعية لا تزال مرتفعة للغاية. ومن أجل حماية الأفراد والمعدات خارج المحطة الفرعية، يمكن إضافة حلقة تدرج مدفونة (يشار إليها باسم "الموصلات المحيطية" في المعيار IEEE Std. 80) على بعد متر واحد خارج شبكة التأريض الرئيسية التي تبلغ مساحتها 20 م × 20 م لتقليل الفولتية التلامسية.
يوضح الشكل 6 الفولتية اللمسية والخطوات المتدرجة بدون حلقة التدرج. يبلغ الحد الأقصى لجهد اللمس 767 فولت. كما أن الفولتية المتدرجة على طول محيط المحطة الفرعية غير مقبولة.
الشكل 6 - مخطط ثنائي الأبعاد لجهد اللمس والجهد المتدرج بدون حلقة تدرج
يوضح الشكل 7 الفولتية الملموسة والمتدرجة مع حلقة التدرج المدفونة في نفس عمق الشبكة الرئيسية. يؤدي تركيب حلقة التدرج إلى انخفاض جهد اللمس والجهد المتدرج بشكل كبير. ينخفض الحد الأقصى لجهد اللمس إلى 425 فولت، كما تنخفض الفولتية المتدرجة على طول محيط المحطة الفرعية إلى حوالي 50 فولت، مقارنة بـ 200 فولت بدون حلقة التدرج.
الشكل 7 مخطط الفولتية باللمس ثنائي الأبعاد مع حلقة التدرج
6 تأثيرات بنية مقاومة التربة على الفولتية
بالنسبة لمواقع المحطات الفرعية الفعلية، عادةً ما تكون بنية مقاومة التربة غير موحدة. بالنسبة لغالبية المواقع يكون نموذج التربة متعدد الطبقات أكثر واقعية ودقة لتقييم الأداء الكهربائي لأنظمة التأريض.
ندرس في هذا القسم التأثيرات على الفولتية السطحية للاختلافات في مقاومة الطبقة العلوية والسفلية لتربة بسيطة من طبقتين. تتطلب معظم هياكل التربة نموذجًا من 3 إلى 5 طبقات.
نماذج التربة النموذجية ذات الطبقتين هي
- نموذج مقاومة عالية على منخفضة (مقاومة الطبقة العلوية أعلى من مقاومة الطبقة السفلية)
- نموذج منخفض على مرتفع (مقاومة الطبقة السفلية أعلى من مقاومة الطبقة العلوية)
لتوضيح التأثيرات المختلفة للتربة المرتفعة على المنخفضة والمنخفضة على التربة المرتفعة على التربة المنخفضة على التربة المرتفعة على جهد اللمس والجهود المتدرجة، يتم استخدام شبكة تأريض بسيطة 20 م × 20 م بدون قضبان.
يوضح الشكل 8 الفولتية السطحية مع نموذج التربة المرتفعة على المنخفضة الذي تبلغ فيه المقاومة النوعية للتربة في الطبقة العليا 500 Ω.m بعمق 1.5 م ومقاومة التربة في الطبقة السفلية 50 Ω.m. أقصى جهد سطحي هو 3595 فولت. بالنسبة للنموذج المرتفع على المنخفض، فإن تيار العطل الذي يدخل الطبقة العليا من طبقة المقاومة العالية يريد الهروب إلى الطبقة السفلية ذات المقاومة المنخفضة
الشكل 8 - مخططات الفولتية السطحية لنموذج التربة المرتفعة على المنخفضة
ويوضح الشكل 9 الفولتية السطحية مع نموذج التربة المنخفضة على المرتفعة الذي تبلغ فيه مقاومة التربة في الطبقة العليا 50 Ω.m بعمق 1.5 متر ومقاومة التربة في الطبقة السفلية 500 Ω.m. تعيق المقاومة الأكبر للتربة في الطبقة السفلية تدفق التيار إلى طبقات التربة العميقة مما يؤدي إلى زيادة الفولتية السطحية. يصل الحد الأقصى للجهد السطحي الأقصى لنموذج التربة المنخفضة على التربة العميقة إلى 5525 فولت.
الشكل 9 - مخططات الفولتية السطحية لنموذج التربة المنخفضة على العالية
سيكون لمقاومة الطبقة السفلية التأثير الأكبر على مقاومة الشبكة وارتفاع جهد الشبكة مقارنةً بالطبقة العلوية (بسبب السُمك النسبي لكل منهما - يمتد سُمك الطبقة السفلية إلى عمق لا نهائي). ولذلك، ستؤدي المقاومة المنخفضة للطبقة السفلية إلى انخفاض المقاومة الكلية للشبكة وارتفاع جهد الشبكة - وهذه هي الميزة. ومع ذلك، إذا كان نموذج مقاومة التربة مرتفع على منخفض، فقد تكون الفولتية التلامسية أكبر بكثير من نموذج المقاومة المنخفضة على المرتفعة بسبب الاختلافات الحادة في ملف الفولتية السطحية.
7 استخدام القضبان لتحسين السلامة
Ⅰ. قضبان منفصلة مع مراعاة تأثير القرب
يمكن للقضبان المثبتة في نظام التأريض أن تحسن الأداء، ولكن يجب الفصل بين القضبان بمسافة كافية لتكون فعالة.
وكما يوضح الشكل 10، سيؤثر مجال قطعة ما على الأجزاء المتجاورة والعكس صحيح - مما يقلل من قدرتها على تبديد تيار العطل، وهو ما يسمى بتأثير القرب. لا يكون ازدحام القضبان الرأسية المتعددة مفيدًا من حيث $/Ω كما هو الحال مع عدد أقل من القضبان المتباعدة بشكل صحيح.
تم بناء شبكة بسيطة موضحة في الشكل 11 مع 4 قضبان من 5 أمتار في كل زاوية لتوضيح هذه الظاهرة. وتفصل بين القضبان مسافات 1 و2 و3 و4 و5 و7.5 و10 و20 م. وموصلات الشبكة (الأفقية) معزولة لضمان تأثر النتائج بتباعد القضبان فقط.
يوضح الشكل 12 مقاومة الشبكة مع تباين تباعد القضبان. لاحظ أن المقاومة الكلية تنخفض بشكل كبير من خلال الفصل حتى طول القضبان. ولذلك، يمكن استنتاج أنه يجب فصل القضبان بفصل أكبر من طول قضيب واحد.
ولذلك، بشكل عام لكي تكون القضبان فعالة يجب أن تكون متباعدة بطولها على الأقل. على سبيل المثال، يجب أن تكون القضبان التي يبلغ طولها 5 أمتار متباعدة بمقدار 5 أمتار على الأقل.
Ⅱ. استخدام القضبان بفعالية وفقًا لخصائص التربة
يمكن أن يكون استخدام القضبان لتقليل الفولتية أقل فعالية في بعض الحالات.
يوضح الجدول 2 معاوقة الشبكة لأنظمة التأريض المزودة بقضبان وبدونها لنماذج التربة المختلفة. يقلل تركيب القضبان من مقاومة الشبكة، خاصةً في نماذج التربة المرتفعة على المنخفضة.
تنخفض مقاومة الشبكة بنسبة 86.14% بعد إضافة القضبان في نموذج التربة المرتفعة على المنخفضة، في حين أن استخدام القضبان في نموذج التربة المنخفضة على المرتفعة ليس فعالاً للغاية (تنخفض بنسبة 24.53%) لأن التيارات تبقى في طبقة التربة العلوية. يمكن حل هذه المشكلة عن طريق تركيب قضبان مضادة (موصلات أفقية تمتد للخارج من الشبكة عادةً عند الزوايا) لنموذج التربة المنخفضة على التربة المرتفعة حيث تزيد المساحة التي تغطيها شبكة التأريض. ستؤدي زيادة المساحة التي تغطيها شبكة التأريض دائمًا إلى تحسين الأداء.
المراجع
[1] "دليل IEEE للسلامة في تأريض المحطات الفرعية للتيار المتردد"، IEEE Std 80-2013.
[2] "تأثيرات التيار على الإنسان والماشية - الجوانب العامة." iec 60479-1:2018.
[3] "الحد الأقصى للارتفاع المحتمل المسموح به لإمكانات التأريض للمحطات الفرعية". IEEE Transactions on Industrial Applications (المجلد 51، العدد 6، 2015).
