Panoramica
È stato intrapreso uno studio approfondito sulle griglie di messa a terra utilizzando il software SafeGrid Earthing, progettato per determinare le prestazioni di griglie di configurazione geometrica arbitraria in terreni a due strati. Lo studio conferma il lavoro svolto da Dawalibi e Mukhedkar utilizzando il software CDEGS.
Sono state analizzate diverse configurazioni di griglia di terra e modelli di terreno. Sono stati variati importanti parametri fisici e sono stati calcolati i risultati relativi alla sicurezza, tra cui le resistenze di terra, l'aumento del potenziale di terra e i potenziali di contatto e di passo.
I risultati di questo studio mirano a dimostrare quanto segue:
- I metodi di analisi semplificati, come le equazioni presentate nello standard IEEE 80, fanno troppe ipotesi e non riescono a prevedere con precisione le prestazioni degli impianti di messa a terra.
- I risultati ottenuti concordano con la teoria fisica e sono in linea con i risultati di altre ricerche e studi simili.
Software
L'algoritmo principale di SafeGrid si basa su equazioni elettromagnetiche collaudate e sulla tecnica degli elementi finiti, confermate da prove sul campo per diversi decenni.
Capacità di modellazione:
- Sistemi di messa a terra con configurazioni geometriche arbitrarie.
- Modellazione multistrato del suolo.
- Analisi tridimensionale (3D) dei potenziali di superficie, di contatto e di passo.
Modello del suolo
In questa relazione sono stati utilizzati due tipi di modelli di terreno: il terreno uniforme e il terreno a due strati. Tuttavia, SafeGrid può modellare anche terreni multistrato. Si rimanda all'articolo sulle prestazioni dei sistemi di messa a terra in terreni multistrato.
La modellazione accurata di un sistema di messa a terra richiede l'uso di un modello di terreno a due strati. Questo perché la resistenza del terreno, i potenziali di passo e di contatto sono funzione degli strati superiori e inferiori del terreno.
Il modello a due strati consiste in uno strato superiore di resistività ρ1 di spessore finito e in uno strato inferiore di resistività ρ2 a profondità infinita.
La norma IEEE 80 stabilisce che la rappresentazione di un elettrodo di messa a terra basata su un modello di terra equivalente a due strati è sufficiente per progettare un impianto di messa a terra sicuro.
| Descrizione | Fattore di riflessione, K1 | Resistività dello strato superiore, ρ1 (Ω.m) | Resistività dello strato inferiore, ρ2 (Ω.m) |
|---|---|---|---|
| Uniforme | 0 | 100 | 100 |
| Basso su alto | 0.9 | 100 | 1900 |
| 0.5 | 100 | 300 | |
| Alto su basso | -0.9 | 100 | 5.26 |
| -0.5 | 100 | 33.33 |
1 Fattore di riflessione, K = (ρ2 - ρ1)/ (ρ2 + ρ1)
Casi di griglia analizzati
Le griglie di messa a terra semplici riportate nella Tabella 2 sono state analizzate in dettaglio.
SafeGrid può modellare qualsiasi configurazione arbitraria del conduttore di terra.
Queste griglie di messa a terra sono generalmente costituite da griglie quadrate o rettangolari con maglie contenenti conduttori equidistanti e di lunghezza identica.
La profondità di interramento delle griglie di terra è stata variata da 0,01 m a 100 m. Per i modelli di suolo a due strati la profondità dello strato superiore è stata variata da 0,1 m a 100 m.
I valori dei risultati dei calcoli riportati nella Tabella 2 si riferiscono a valori fissi dei parametri, come indicato. Questi parametri sono stati variati durante l'analisi parametrica per le stesse griglie semplici.
Risultati
Potenziali di superficie, di tocco e di passo
Le figure 1, 2 e 3 riportano rispettivamente i grafici dei potenziali di superficie, dei potenziali di contatto e dei potenziali di gradino per diverse configurazioni di griglia.
L'aumento del numero di conduttori (o maglie) ha i seguenti effetti:
- Diminuisce la resistenza di rete (R).
- Diminuisce l'aumento del potenziale di rete (GPR) poiché GPR = R * Corrente di guasto.
- Il potenziale massimo della superficie terrestre diminuisce.
- I potenziali di contatto sono ridotti (Figura 2).
- I potenziali di contatto peggiori si spostano verso il bordo della griglia. Lo dimostra l'aumento della concavità delle curve nella Figura 2 per l'aumento del numero di maglie.
Si noti che questa osservazione finale vale per un terreno uniforme, un fattore di riflessione positivo K e conduttori di rete uniformemente distanziati. In caso contrario, è difficile prevedere la posizione dei potenziali di contatto peggiori.
Densità di corrente lungo i conduttori
La densità di corrente per i conduttori è mostrata nelle figure 4, 5 e 6 per diverse disposizioni della griglia e strutture di resistività del terreno.
La corrente di guasto della rete applicata dipende dalla lunghezza totale dei conduttori della rete per una particolare disposizione, dove vengono applicati 1000 A per ogni 30 metri di conduttore. Ad esempio, per una singola maglia composta da 4 conduttori da 30 m, la corrente di guasto applicata è di 4 x 1000 A.
La distribuzione della densità di corrente lungo i conduttori della rete non è uniforme, ma è una funzione complessa che varia in base a:
- Disposizione della griglia (cioè il numero di maglie, ecc.)
- Posizione del conduttore rispetto ad altri conduttori; e
- Struttura della resistività del suolo
Quando la resistività dello strato superiore del terreno è inferiore a quella dello strato inferiore (cioè K>0), la densità di corrente si concentra verso le estremità dei conduttori. Ciò è dovuto al fatto che la corrente rimane all'interno dello strato superiore del terreno e si diffonde quando si dissipa nel terreno.
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.
La dissipazione di corrente dei conduttori lungo il bordo è maggiore (linee solide nella Figura 5 e nella Figura 6) rispetto ai conduttori al centro (linee tratteggiate nella Figura 5 e nella Figura 6) della griglia di terra interrata.
Effetto dello strato superiore del terreno sulla resistenza della griglia
Le Figure 7 e 8 mostrano, per una semplice maglia di 30 x 30 metri (M4 e M16) interrata a 0,5 metri, come varia la resistenza della griglia in funzione dello spessore dello strato superiore del terreno.
La resistività dello strato superiore del terreno è fissa, mentre quella dello strato inferiore varia per ottenere diversi fattori di riflessione (K). La resistenza della griglia viene calcolata per diverse profondità dello strato superiore del terreno.
La modifica della profondità dello strato superiore del suolo ha i seguenti effetti:
- Per un modello di terreno uniforme (caso di controllo) non vi è alcun effetto sulla resistenza della griglia.
- Per il modello di terreno basso su alto (K>0), all'aumentare della profondità dello strato superiore del terreno la resistenza della griglia diminuisce.
- For high on low soil model (K<0) as the depth of the top soil layer is increased grid resistance goes up.
- Quando la profondità dello strato superiore si avvicina all'infinito, la resistenza della griglia converge con il modello di suolo uniforme.
Si noti il brusco cambiamento nella resistenza della griglia per tutti i casi alla profondità dello strato superiore del terreno di 0,5 m (che corrisponde alla profondità di interramento della griglia).
È dimostrato che la resistenza della griglia è influenzata dallo strato inferiore del terreno, soprattutto per gli strati inferiori ad alta resistività (K>0). L'influenza dello strato inferiore del terreno sulla resistenza della griglia può essere trascurata ad alte profondità (circa due o più volte il diametro complessivo della griglia).
Effetto della profondità di interramento della rete sulla resistenza di rete
Le figure 9, 10, 11 e 12 mostrano gli effetti sui potenziali di contatto e di passo della variazione della profondità di interramento di griglie a quattro e sedici maglie in un terreno a due strati.
In generale, con l'aumentare della profondità della sepoltura, sia i potenziali di contatto che quelli di passo aumentano fino a un valore massimo, per poi ridiscendere.
I potenziali di contatto massimi si verificano quando la resistività dello strato superiore del terreno è significativamente maggiore di quella dello strato inferiore (cioè quando K=-0,9).
Il potenziale di contatto massimo si riduce con l'aumentare del numero di maglie della griglia.
Conclusioni
La determinazione accurata delle prestazioni della rete di messa a terra è indispensabile per fornire progetti sicuri, funzionali ed economici.
È stato dimostrato che i seguenti parametri influenzano in modo significativo il comportamento dei sistemi di messa a terra in condizioni di guasto:
- Configurazione della rete di messa a terra.
- Caratteristiche di resistività del suolo.
- Profondità di interramento della griglia di messa a terra.
Questi parametri influenzano direttamente la densità di corrente del conduttore (dissipazione verso terra) che influisce sull'aumento del potenziale di rete (GPR), sulla resistenza di rete, sui potenziali di contatto e di passo.
L'accesso a strumenti software intelligenti consente di progettare reti di messa a terra ottimali e sicure.
Riferimenti
IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.
Dawalibi, F., Messa a terra delle linee di trasmissione. EL-2699, Progetto di ricerca 1494-1. Montreal, Quebec, Canada, Safe Engineering Services Ltd. 1.
Dawalibi, F. e Mukhedkar, D., "Analisi parametrica delle reti di messa a terra". IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, vol. PAS-98, n. 5.
Kouteynikoff, P., "Calcolo numerico della resistenza di messa a terra di sottostazioni e torri". IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, vol. PAS-99, n. 3.
Salama, M.M.A. et al., "Una formula per la resistenza della rete di messa a terra della sottostazione in un terreno a due strati". IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 10, n. 3.
