ارتینگ در نیروگاه‌های خورشیدی بزرگ مقیاس

دسته‌بندی: ارتینگ تولیدات پراکنده

با دنبال کردن اخبار حوزه انرژی های تجدید پذیر حضور هرچه بیشتر مزارع بزرگ خورشیدی به خوبی قابل رویت است. کشور ما هم از این اصل استثنا نیست و هر از چند گاهی اخباری از تصویب طرحها و یا حتی افتتاح نیروگاه های بزرگ مقیاس خورشیدی به گوش میرسد. در این مقاله اما از باب ارتینگ و سیستم زمین این نیروگاه ها به بحث ورود خواهیم کرد.

درصورتی که به یادگیری نرم افزاری طراحی سیستم های اتصال زمین علاقه مند هستید، دوره "طراحی سیستم اتصال زمین در شبکه‌های قدرت با محوریت محاسبات و شبیه‌سازی‌های نرم‌افزاری" از وبسایت ویدلتا را از دست ندهید!

 

حرکت به سمت آینده‌ای پاک سبب شده تا تعداد نیروگاه‌های خورشیدی (مزارع خورشیدی) با ظرفیت‌هایی در حد چندصد تا چندین هزار مگاوات در جهان بیشتر شود. این ظرفیت بزرگ تولید با استفاده از انرژی پایدار و تجدیدپذیر خورشید در کنار مزایای متعدد با چالش‌هایی نیز همراه است. برای نمونه مزارع خورشیدی بزرگ-مقیاس مساحت زیادی (چندین کیلومتر مربع) اشغال نموده و این امر طراحی یک سیستم زمین اقتصادی و ایمن برای چنین تاسیساتی را با چالش‌های منحصر به فردی همراه می‌کند. در ادامه به تعدادی از این چالش‌ها اشاره خواهد شد:

• به سبب پیچیدگی امر طراحی، نه تنها استفاده از نرم افزارهای تخصصی حوزه ارتینگ یک ضرورت است، بلکه فقط تعداد کمی از این نرم افزارها (تاجایی که بنده اطلاع دارم CDEGS و XGSLab) قادر به مدل کردن صحیح چنین سیستم‌های زمینی هستند. این امر هم به سبب پیچیدگی‌های مدل‌سازی خاک و هم مدل‌سازی صحیح الکترودها و امپدانس زمین است.
• از آن جا که گستره و حجم المان‌های تشکیل‌دهنده سیستم زمین بسیار زیاد است، زمان و منابع سخت افزاری زیادی برای اجرای شبیه‌سازی و حصول نتایج با در نظر گرفتن همه جزئیات نیاز است. لذا "مدلسازی هوشمندانه سیستم زمین با توجه به جزء مورد مطالعه"، "حصول اطمینان از دقت کافی در اجرای محاسبات" و "مدلی معتبر از زمین" از اهمیت ویژه ای برخوردار است. 
• برای مدلسازی خاک به اندازه گیری هایی برای اطلاع از مقاومت مخصوص خاک نیاز است. این اندازه گیری ها میبایست به چه تعداد و به چه شکلی اجرا شوند؟ بسته به اندازه گیری های انجام شده خاک باید با چه نوع ساختاری مدل شود؟
• ممکن است چندین سطح ولتاژی در یک نیروگاه خورشیدی (بسته به آرایش و ظرفیت نیروگاه) وجود داشته باشد. این امر چه تاثیری بر روی محاسبات اتصال کوتاه مورد نیاز و تحلیل های حفاظتی دارد؟
• و ...

ذکر این موارد همچون خراشی بر پوسته بحث بوده و تا رسیدن به مغز و هسته آن همچنان راهی طولانی در پیش است که این امر از حوزه یک مقاله نسبتا کوتاه خارج است. اما برای ایجابی شدن بحث بد نیست به ذکر مثالهایی پرداخته شود. 

مدلسازی خاک همواره یکی از حساس‌ترین مراحل در طراحی سیستم زمین است. بیراه نیست اگر بگوییم که مدلسازی خاک مهم‌ترین مرحله از طراحی است و در صورت بروز مشکلی در این امر، عملا تمامی مدل‌سازی‌ها و مطالعات بعدی اعتبار چندانی نخواهند داشت! در سیستم‌های زمین کوچک اصولا در نظر گرفتن یک خاک تک یا چند لایه با لایه‌های افقی کفایت کرده و رفتار الکتریکی خاک در گستره تاسیسات تغییرات چندانی ندارد. اما در رابطه با سیستم‌های زمین بزرگ علاوه بر تغییرات عمقی مقاومت مخصوص خاک، تغییرات عرضی لایه‌های خاک نیز میبایست در نظر گرفته شود. 

همانطور که گفته شد وسعت مزارع خورشیدی سبب دشواری در امر شبیه‌سازی سیستم زمین و مطالعات ارتینگ و ایمنی می‌شود. در این دست از مطالعات اطلاعاتی از تغییرات توزیع پتانسیل در سطح خاک و نیز افزایش ولتاژ روی الکترودها در مقیاس‌هایی کوچک (حداکثر یک متر) میبایست در دسترس باشد تا نتایج محاسبات ایمنی و شبیه‌سازیهای ارتینگ معتبر باشد. همین دقت نسبتا بالای مورد نیاز سبب می‌شود تا نیاز به روش‌های هوشمندانه برای مدل‌سازی سیستم زمین بسته به بخشی که تحت مطالعه است وجود داشته باشد. دقت در مطالعات از این جهت حائز اهمیت است که طراح را قادر می‌سازد تا هم از under sizeهای خطرناک و over sizeهای پر هزینه اجتناب شود. از آنجا که در سیستم های زمین بزرگ مقاومت زمین جای خود را به "امپدانس" زمین داده و به دلیل طویل شدن الکترودهای افقی، فرضی که برخی از نرم افزارها نظیر ETAP و یا حتی CYMGrd داشته و ولتاژ روی همه الکترودها را برابر با GPR فرض میکنند، دیگر معتبر نیست. لذا در شبیه سازی سیستم های زمین بزرگ حتما میبایست از ابزار مناسب استفاده شود. 

از چالش‌ها گفتیم، لازم است به نیمه پر لیوان نیز نیم نگاهی داشته باشیم. هرچند که طراحی سیستم‌های زمین در تاسیسات وسیع با دشواری‌هایی همراه است اما همین مساحت بزرگ سبب محدود شدن امپدانس شبکه زمین به مقادیر کوچک می‌شود. کوچک بودن مقدار امپدانس زمین سبب می‌شود تا GPR حاصل شده در اثر بروز خطای زمین محدود شده و در نتیجه آن از بروز پتانسیل های تماس و گام شدیدا بزرگ اجتناب شود. اما این امر به هیچ وجه به این معنی نیست که امپدانس کوچک لزوما ضامن مجاز شدن پتانسیل‌های تماس و گام میشود. در این دست از تاسیسات همچنان نیاز است تا پتانسیل های تماس وگام در نقاط بحرانی از سیستم زمین (نظیر نزدیک فنسها، پست اتصال نیروگاه به شبکه فشار قوی، نواحی واقع شده در گوشه های پلنت و ...) مورد بررسی دقیق قرار گیرند و به هیچ عنوان نباید از تهدید بروز شرایط خطرناک گام و تماس چشم پوشی کرد. 

برای آن که بحث قدری ملموس تر شود، یک نیروگاه خورشیدی با ظرفیتی در حدود 20 مگاوات را در نظر بگیرید. عموما در مزارع بزرگ خورشیدی پنل ها به بلوک های متعدد با ظرفیت تولیدی در حد 1 الی 2 مگاوات تقسیم بندی شده که هر بلوک به یک اینورتر AC/DC و سپس به یک ترانسفورماتور افزاینده متصل میشوند که ولتاژ را تا سطح فشار متوسط افزایش می‌دهد. در نیروگاه‌های بزرگ توان فشار متوسط به یک پست مرکزی انتقال یافته و از طریق آن به شبکه فشار قوی متصل می‌گردد. طرحی مفهومی از آرایش ادوات در چنین تاسیساتی در شکل 1 ترسیم گردیده است.

شکل 1- دیاگرام تک خطی ساده ای از یک نیروگاه خورشیدی

حفظ ایمنی تجهیزات و پرسنل در رابطه با خطاهای زمین از اهداف یک سیستم زمین مناسب است. برای این کار ابتدا نیاز است تا بررسی شود چنین خطایی در کدام یک از مدارهای نیروگاه امکان وقوع دارد:

• شبکه DC 
• شبکه AC فشار ضعیف
• شبکه AC فشار متوسط
• شبکه AC فشار قوی

به طور معمول، بدترین شرایط برای ولتاژهای تماس و گام زمانی رخ میدهد که خطای زمین در مدار AC فشار متوسط یا فشار قوی رخ دهد. با آن که جریان خطای زمین در مدار فشار متوس غالبا کمتر از فشارقوی است، اما زمان پاکسازی خطا در این مدارها غالبا بزرگتر است. این امر سبب میشود تا پتانسیل های مجاز گام و تماس در اثر بزرگتر بودن زمان برقراری شوک، کاهش یابند. برای کسب اطلاعات بیشتر در این رابطه از طریق این لینک به مقاله "جریان الکتریکی و بدن انسان (بریده‌ای از IEEE80) - بخش دوم" ارجاع گردد. از همین روست که در مطالعات زمین هر دو جریان خطا به همراه زمان پاکسازی مربوط به هر یک میبایست در مطالعات ارتینگ در نظر گرفته شود. 

یک نیروگاه 20 مگاواتی وسعت بالایی دارد. از این رو عملیات اندازه گیری مقاومت مخصوص خطا در چنین تاسیساتی با ملاحظات ویژه ای همراه است. دقت و تعداد این اندازه گیری ها تاثیری مستقیم بر روی دقت مدل خاک محاسبه شده به صورت نرم افزاری داشته و اهمیت این امر در طراحی یک سیستم زمین ایمن پیش از این مورد بحث قرار گرفت. در تاسیسات وسیع اجرای یک سری اندازه گیری مقاومت مخصوص در یک ناحیه خاص به هیچ عنوان کافی نیست. در چنین شرایطی میبایست یک پلان هوایی مناسب از گستره نیروگاه تهیه شده و سپس اقدام به ناحیه بندی این پلان شود. تعداد این نواحی و حداکثر مساحت تحت پوشش هر یک دو پارامتریست که انتخاب آن تاثیری مستقیم بر دقت شبیه سازی داشته و خود تابعی از خاک منطقه، چیدمان تجهیزات و آرایش کلی نیروگاه است. با ناحیه بندی نیروگاه نوبت به اجرای عملیات اندازه گیری مقاومت مخصوص میرسد. برای این کار میتوان از روش ونر استفاده نموده و در هر ناحیه حداقل در دو مسیر متعامد اقدام به اندازه گیری مقاومت مخصوص خاک در فواصل مختلف بین پروب ها (a) شود. این که حداکثر فاصله بین دو پروب تا چه حدی افزایش داده شود نیز تابعی از رفتار خاک منطقه با افزایش مقدار a و نیز بزرگی سیستم زمین است. حدکثر میزان a، حداقل مساحت هر ناحیه و تعداد نواحی مورد نیاز برای اجرای عملیات اندازه گیری مقاومت مخصوص خاک در مزارع خورشیدی امری بسیار مهم بوده و صحت طراحی، ایمنی و اقتصادی بودن سیستم زمین رابطه مستقیمی با کیفیت این عملیات دارد. 

در طراحی‌ها می‌بایست ابتدا یک طرح اولیه (آرایش کلی از سیستم زمین) در ذهن موجود باشد. برای این کار می‌توان از تقسیم نیروگاه به سه بخش DC، AC-MV و AC-HV بهره برد. برای پست اتصال نیروگاه به شبکه HV اصولا از یک شبکه زمین متشکل از هادی‌های افقی و درصورت نیاز الکترودهای میله‌ای استفاده می‌شود. برای اتاقک‌های مربوط به اینورترها و ترانسفورماتورهای افزاینده نیز از الکترود رینگ استفاده شده که در این مورد نیز در صورت نیاز می‌بایست این الکترود با الکترودهای میله‌ای نیز همراه شود. آرایه پنل های فوتوولتاییک نیز هرکدام با استفاده از هادی های افقی مدفون و الکترودهای "موجود" زمین میشوند. الکترودهای "موجود" در این تجهیزات عبارتند از پایه ها و سازه های نگهدارنده پنلها و سینیهای کابلها. هنگامی که قرار است از سازه های فلزی مربوط به پنل ها به عنوان بخشی از سیستم زمین استفاده شود میبایست پیوستگی الکتریکی آن ها نیز حتما مورد بررسی قرار بگیرد. بحث حصار موجود در اطراف این تاسیسات نیز از اهمیت ویژه ای برخوردار است. پتانسیل های تماس و گام اطراف این حصار باید به گونه ای باشد که اگر شخصی داخل و یا حتی بیرون از تاسیسات باشد، با مخاطرات ناشی از افزایش پتانسیل در اثر خطای زمین مواجه نشود. در رابطه با حصارها پتانسیل های تماس همواره یکی از منابع نگرانی هستند.

ذکر این نکته نیز خالی از لطف نیست که در صورت استفاده از سازه های مربوط به پنل ها به عنوان بخشی از سیستم زمین نیاز است که حتما طراح ملاحظات خوردگی، سازگاری فلزات مختلف و اتصالات را در نظر بگیرد.

این مقاله صرفا با این هدف نوشته شد تا تاکید شود که در مطالعات حوزه ارتینگ مربوط به سیستم های زمین وسیع روش های تحلیلی سنتی دستی و یا حتی نرم افزارهایی که از نظر قابلیتی قدری محدودیت دارند (مثل بخش ارتینگ ETAP و حتی نرم افزاری تخصصی نظیر CYMGrd)، به هیچ عنوان کافی نیستند. در چنین تحلیلهایی حتما نیاز است تا از نرم افزارهای پیشرفته تر نظیر CDEGS استفاده شده و طراح نیز خود میبایست مطالعات و آشنایی کافی با بحث داشته باشد. سرمایه گذاری مورد نیاز برای چنین پروژه هایی به شدت بالا بوده و بهینگی طراحی ضمن رعایت الزامات ایمنی اهمیت بالایی دارد. از سویی دیگر اندازه گیری های میدانی نیز اثری مستقیم بر روی کیفیت طراحی و مدلسازی دارند. این که یک طرح به چه میزان بهینه و مناسب باشد مستقیما در گرو اجرای صحیح این اندازه گیری ها است.

در صورت استقبال مخاطبان محترم، بخش دوم از این مقاله نیز با تمرکز بر راهکارهای مدلسازی ارائه شده توسط استاندارد IEEE2778 و تشریح هریک پرداخته خواهد شد.