لمحة عامة
تم إجراء دراسة مستفيضة لشبكات التأريض باستخدام برنامج SafeGrid Earthing Software المصمم لتحديد أداء الشبكات ذات التكوين الهندسي الاعتباطي في التربة ثنائية الطبقة. وتؤكد هذه الدراسة العمل الذي قام به دواليبي وموخدكار باستخدام برنامج يسمى CDEGS.
تم تحليل مجموعة متنوعة من تشكيلات الشبكات الأرضية ونماذج التربة. تم تنويع البارامترات الفيزيائية الهامة وحساب النتائج المتعلقة بالسلامة؛ بما في ذلك المقاومات الأرضية، وارتفاع الجهد الأرضي، واللمس، والقدرة المتدرجة.
تهدف نتائج هذه الدراسة إلى إثبات ما يلي:
- تضع طرق التحليل المبسطة مثل المعادلات الواردة في المعيار IEEE Std. 80 الكثير من الافتراضات وتفشل في التنبؤ بدقة بأداء أنظمة التأريض.
- تتفق النتائج التي تم الحصول عليها مع النظرية الفيزيائية وتتطابق بشكل وثيق مع نتائج أبحاث ودراسات أخرى مماثلة.
البرمجيات
تستند خوارزمية SafeGrid الرئيسية إلى معادلات كهرومغناطيسية مثبتة وتقنية العناصر المحدودة، وتم تأكيدها من خلال الاختبارات الميدانية على مدى عدة عقود.
قدرات النمذجة:
- أنظمة التأريض ذات التكوينات الهندسية الاعتباطية.
- نمذجة التربة متعددة الطبقات.
- تحليل ثلاثي الأبعاد (ثلاثي الأبعاد) لإمكانات السطح واللمس والخطوات.
نموذج التربة
في هذا التقرير، هناك نوعان من نماذج التربة المستخدمة؛ التربة الموحدة والتربة ذات الطبقتين. ومع ذلك، يمكن ل SafeGrid أيضًا نمذجة التربة متعددة الطبقات. ارجع إلى المقال الخاص بأداء أنظمة التأريض في التربة متعددة الطبقات.
تتطلب النمذجة الدقيقة لنظام التأريض استخدام نموذج تربة من طبقتين. وذلك لأن المقاومة الأرضية والخطوة وإمكانات التلامس هي دالة لكل من طبقات التربة العلوية والسفلية.
يتكون النموذج المكون من طبقتين من طبقة علوية من المقاومة النوعية ρ1 بسماكة محدودة بالإضافة إلى طبقة سفلية من المقاومة النوعية ρ2 إلى عمق لا نهائي.
ينص معيار IEEE Std 80 على أن تمثيل قطب التأريض على أساس نموذج أرضي مكافئ من طبقتين كافٍ لتصميم نظام تأريض آمن.
| الوصف | عامل الانعكاس، K1 | المقاومة النوعية للطبقة العلوية، ρ1 (Ω.m) | مقاومة الطبقة السفلية، ρ2 (Ω.m) |
|---|---|---|---|
| زي موحد | 0 | 100 | 100 |
| منخفض على مرتفع | 0.9 | 100 | 1900 |
| 0.5 | 100 | 300 | |
| مرتفع على منخفض | -0.9 | 100 | 5.26 |
| -0.5 | 100 | 33.33 |
1 عامل الانعكاس، ك = (ρ2 - ρ1)/ (ρ2 + ρ1)
حالات الشبكة التي تم تحليلها
تم تحليل شبكات التأريض البسيطة الموضحة في الجدول 2 بالتفصيل.
يمكن لشبكة SafeGrid نمذجة أي تكوين تعسفي لموصل التأريض.
وتتألف شبكات التأريض هذه بشكل عام من شبكات مربعة أو مستطيلة ذات شبكات تحتوي على موصلات متساوية المسافات وموصلات متماثلة الطول.
تفاوت عمق دفن الشبكات الأرضية من 0.01 م حتى 100 م. بالنسبة لنماذج التربة المكونة من طبقتين، تفاوت عمق الطبقة العليا من 0.1 م حتى 100 م.
القيم من نتائج الحساب الموضحة في الجدول 2 هي لقيم البارامترات الثابتة كما هو موضح. كانت هذه البارامترات لنفس الشبكات البسيطة المتغيرة أثناء التحليل البارامتري.
النتائج
إمكانات السطح واللمس والخطوة
وترد مخططات إمكانات سطح الأرض وإمكانات التلامس وإمكانات الخطوة لمختلف تكوينات الشبكة في الأشكال 1 و2 و3 على التوالي.
زيادة عدد الموصلات (أو الشبكات) لها التأثيرات التالية:
- يقلل مقاومة الشبكة (R).
- يقلل من ارتفاع جهد الشبكة (GPR) نظرًا لأن GPR = R * تيار العطل.
- تنخفض إمكانات سطح الأرض القصوى.
- يتم تقليل إمكانات اللمس (الشكل 2).
- تتحرك إمكانات اللمس الأسوأ نحو حافة الشبكة. يظهر ذلك من خلال زيادة تقعر المنحنيات في الشكل 2 لزيادة عدد الشبكات.
لاحظ أن هذه الملاحظة الأخيرة تنطبق على التربة المنتظمة، وعامل الانعكاس الموجب K، وموصلات الشبكة المتباعدة بشكل منتظم. وإلا فمن الصعب التنبؤ بموقع أسوأ إمكانات التلامس.
كثافة التيار على طول الموصلات
وتظهر كثافة التيار للموصلات في الأشكال 4 و5 و6 لمختلف ترتيبات الشبكة وهياكل مقاومة التربة.
يعتمد تيار عطل الشبكة المطبق على الطول الإجمالي لموصلات الشبكة لترتيب معين حيث يتم تطبيق 1000 أمبير لكل 30 متر من الموصلات. على سبيل المثال، بالنسبة للشبكة الواحدة التي تتكون من 4 × 30 مترًا من الموصلات يكون تيار العطل المطبق 4 × 1000 أمبير.
إن توزيع كثافة التيار على طول موصلات الشبكة ليس منتظمًا ولكنه دالة معقدة تختلف وفقًا لـ
- ترتيب الشبكة (أي عدد الشبكات وما إلى ذلك).
- موقع الموصل بالنسبة للموصلات الأخرى؛ و
- بنية مقاومة التربة
عندما تكون مقاومة التربة في الطبقة العلوية أقل من الطبقة السفلية (أي K>0) تتركز كثافة التيار في اتجاه أطراف الموصلات. وذلك لأن التيار يبقى داخل الطبقة العليا من التربة وينتشر أثناء تبدده في التربة.
When the lower layer soil resistivity is higher than the top layer (i.e. K<0) the current density at the centre of the conductors can be just as high as at the ends. This is because the fault current escapes directly downwards toward the lower resistivity bottom layer.
يكون تبدد التيار للموصلات على طول الحافة أعلى (الخطوط المتصلة في الشكل 5 والشكل 6) من الموصلات الموجودة في المركز (الخطوط المتقطعة في الشكل 5 والشكل 6) من الشبكة الأرضية المدفونة.
تأثير طبقة التربة العلوية على مقاومة الشبكة
يوضح الشكل 7 والشكل 8 لشبكة بسيطة بمقاس 30 × 30 مترًا (M4 و M16) مدفونة على ارتفاع 0.5 متر كيف تختلف مقاومة الشبكة باختلاف سُمك طبقة التربة العلوية.
تكون مقاومة التربة للطبقة العلوية ثابتة بينما تتنوع مقاومة الطبقة السفلية للتربة لتحقيق عوامل انعكاس مختلفة (K). يتم حساب مقاومة الشبكة لأعماق مختلفة من الطبقة العليا للتربة.
تغيير عمق طبقة التربة العلوية له التأثيرات التالية:
- بالنسبة لنموذج التربة المنتظم (حالة التحكم) لا يوجد تأثير على مقاومة الشبكة.
- بالنسبة لنموذج التربة المنخفضة على التربة المرتفعة (K>0) مع زيادة عمق طبقة التربة العلوية تنخفض مقاومة الشبكة.
- For high on low soil model (K<0) as the depth of the top soil layer is increased grid resistance goes up.
- مع اقتراب عمق الطبقة العليا من اللانهاية، تتقارب مقاومة الشبكة مع نموذج التربة المنتظم.
لاحظ التغير المفاجئ في مقاومة الشبكة في جميع الحالات عند عمق طبقة التربة العلوية البالغ 0.5 متر (وهو ما يتوافق مع عمق دفن الشبكة).
ويتضح أن مقاومة الشبكة تتأثر بطبقة التربة السفلية خاصة بالنسبة لطبقات التربة السفلية ذات المقاومة العالية (K>0). يمكن إهمال تأثير طبقة التربة السفلية على مقاومة الشبكة في الأعماق العالية (حوالي ضعفين أو أكثر من قطر الشبكة الكلي).
تأثير عمق دفن الشبكة على مقاومة الشبكة
تُظهر الأشكال 9 و10 و11 و12 التأثيرات على إمكانات اللمس والخطوة لتغيير عمق دفن الشبكات الشبكية الأربعة والستة عشر في تربة من طبقتين.
بشكل عام مع زيادة العمق في الدفن تزداد كل من إمكانات اللمس والخطوة إلى قيمة قصوى ثم تعود إلى الأسفل مرة أخرى.
تحدث إمكانات التلامس القصوى عندما تكون مقاومة التربة للطبقة العلوية أكبر بكثير من مقاومة التربة للطبقة السفلية (أي عندما تكون K=-0.9).
يتم تقليل الحد الأقصى لإمكانية اللمس مع زيادة عدد شبكات الشبكة.
الاستنتاجات
يعد التحديد الدقيق لأداء شبكة التأريض أمرًا ضروريًا لتوفير تصميمات آمنة وعملية واقتصادية في المقام الأول.
لقد تبين أن المعلمات التالية تؤثر بشكل كبير على سلوك أنظمة التأريض في ظروف الأعطال:
- تكوين شبكة التأريض.
- خصائص مقاومة التربة.
- عمق الدفن لشبكة التأريض.
وتؤثر هذه المعلمات بشكل مباشر على كثافة تيار الموصل (التبدد في الأرض) الذي يؤثر على ارتفاع جهد الشبكة (GPR) ومقاومة الشبكة واللمس وإمكانات الخطوة.
يؤدي الوصول إلى أدوات برمجية ثاقبة إلى تصميمات مثالية لشبكات التأريض الآمنة.
المراجع
دليل IEEE للسلامة في تأريض المحطات الفرعية للتيار المتردد، معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات، شركة.
دواليبي، ف.، تأريض خطوط النقل. EL-2699، مشروع البحث 1494-1. مونتريال، كيبيك، كندا، شركة سيف للخدمات الهندسية المحدودة. 1.
Dawalibi, F. and Mukhedkar, D., "تحليل باراميتري لشبكات التأريض". IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol.PAS-98, No.5.
Kouteynikoff, P., "الحساب العددي لمقاومة التأريض للمحطات الفرعية والأبراج". IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol.PAS-99, No.3.
سلامة، م. م. أ. وآخرون، "معادلة لمقاومة شبكة تأريض المحطات الفرعية في التربة ذات الطبقتين". IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.10, No.3.
