اهمیت مطالعه خاک در بحث پتانسیل انتقالی در سیستم‌های زمین - بخش 1

دسته‌بندی: ارتینگ

داشتن درکی صحیح از مقاومت مخصوص خاک و شیوه تغییر آن با عمق یکی از مهم‌ترین اطلاعات پیش از هر گونه طراحی برای سیستم‌های زمین است. اما ارزش این اطلاعات محدود به محل احداث سیستم زمین نبوده و همانطور که در این مطالعه مشخص خواهد شد، نوع خاک بر شیوه انتقال پتانسیل به فواصل دوردست اثرگذار است. در این مقاله (که بخش اول از یک مقاله دو قسمتی است) با ذکر یک مثال به بررسی این پدیده پرداخته می‌شود.

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!

 

نویسندگان:

دکتر رضا محمدی	آرش صمدی

در این مقاله با استفاده از یک مثال به صورت اجمالی و از نقطه نظر "تحلیل GPR ثابت" به تاثیر خاک و مدل آن بر روی پتانسیل انتقالی پرداخته خواهد شد. در ابتدای بهتر است تا قدری به مبانی اولیه بحث بپردازیم. فرض کنید که سیستم زمینی با آرایش مشخص شده در شکل 1 داشته باشیم. همین طور که مشخص است این سیستم زمین از 4 الکترود میله‌ای تشکیل شده که با هادی‌های لخت به یکدیگر متصل شده‌اند. فرض کنید خطایی بین یکی از فازها و بدنه تجهیزات متصل شده به این سیستم زمین رخ دهد. برای ساده‌سازی بحث فرض کنیم همه جریان خطای تکفاز ذکر شده از طریق سیستم زمین شکل 1 مسیر خود را به سمت منبع می‌بندد. در نتیجه تزریق این جریان به سیستم زمین ولتاژی بر روی الکترودها پدید می آید که در اصطلاح به آن EPR یا GPR گفته می‌شود. به روایت استاندارد IEEE80 پارامتر Ground Potential Rise یا GPR عبارت است از: «حداکثر پتانسیل الکتریکی که یک الکترود زمین ممکن است نسبت به نقطه‌ای دور از زمین¹ به دست آورد. این ولتاژ، GPR، برابر با حداکثر جریان شبکه زمین ضربدر مقاومت شبکه است.» الکترودهای موجود در سیستم زمین هر یک بخشی از جریان خطا را به خاک‌های اطراف خود تزریق می‌کنند و با عبور جریان از خاک (و به واسطه مقاومت خاک)، افت پتانسیلی در مسیر رخ میدهد. در شکل 1 مثالی از شیوه توزیع پتانسیل در سطح خاک (از مرکز سیستم زمین تا فاصله‌های دور) ترسیم گردیده است. دیده می‌شود که با فاصله گرفتن از سیستم زمین از پتانسیل سطح خاک کاسته شده است. 

شکل 1- پتانسیل انتقالی در یک نگاه

اما بزرگی پتانسیل انتقالی به فواصل مختلف به چه شکل است؟ تاثیر مدل خاک بر روی الگوی پتانسیل‌های انتقالی به چه صورت است؟ برای ملموس تر شدن بحث از یک مثال استفاده خواهد شد. سیستم زمین شکل 2 را در نظر بگیرید. این سیستم زمین از 4 الکترود میله‌ای 3 متری به قطر 16 میلی‌متر تشکیل شده که با استفاده از هادی‌های لخت افقی 50 میلی‌متر مربع به طول 5 متر به یکدیگر متصل شده‌اند.  

شکل 2- سیستم زمین شبیه‌سازی شده در نرم‌افزار

از آن جا که قرار است برای رصد تاثیر مدل خاک بر روی پتانسیل انتقالی، سیستم زمین شکل 2 در خاک‌های مختلفی تعبیه شود، مقاومت سیستم زمین در هر مطالعه متفاوت خواهد شد. در این مقاله جریان خطا به گونه‌ای تعیین می‌شود که در هر صورت و مستقل از نوع خاک و مقاومت سیستم زمین، GPR ثابت و برابر با 10 کیلوولت باشد. از این رو شیوه اجرای تحلیل در مطالعات مربوط به این مقاله را "تحلیل GPR ثابت" می‌نامیم. 

با فرض GPR ثابت (10 کیلوولت) این سیستم زمین در سه مدل خاک قرار داده می‌شود:

(الف) خاک دولایه، لایه بالا 5 متر به مقاومت مخصوص 100 اهم متر، لایه پایین 1000 اهم متر

(ب) خاک همگن 100 اهم متر

(ج) خاک دولایه، لایه بالا 5 متر به مقاومت مخصوص 1000 اهم متر، لایه پایین 100 اهم متر

در ادامه نتیجه شبیه‌سازی‌های نرم‌افزاری برای هر سه مدل خاک ارائه گردیده است. هر یک از نمودارهای موجود در شکل‌های 3 الی 5 نحوه توزیع پتانسیل در سطح خاک تا فاصله 20 متری از مرکز سیستم اتصال زمین شکل 2 را نمایش میدهند. 

نتیجه شبیه‌سازی با خاک (الف):

مقاومت سیستم زمین: 12.3 اهم

شکل 3- نمای سه بعدی از شیوه توزیع پتانسیل در اطراف سیستم زمین (خاک الف)
(به نرخ مستهلک شدن پتانسیلهای سطح خاک با افزایش فاصله از سیستم زمین توجه فرمایید)

نتیجه شبیه‌سازی با خاک (ب):

مقاومت سیستم زمین: 7.0 اهم

شکل 4- نمای سه بعدی از شیوه توزیع پتانسیل در اطراف سیستم زمین (خاک ب)
(به نرخ مستهلک شدن پتانسیلهای سطح خاک با افزایش فاصله از سیستم زمین توجه فرمایید)

نتیجه شبیه‌سازی با خاک (ج):

مقاومت سیستم زمین: 52.5 اهم

شکل 5- نمای سه بعدی از شیوه توزیع پتانسیل در اطراف سیستم زمین (خاک ج)
(به نرخ مستهلک شدن پتانسیلهای سطح خاک با افزایش فاصله از سیستم زمین توجه فرمایید)

نمودار شکل 3 که در آن مقاومت مخصوص لایه بالایی خاک یک دهم لایه پایینی (خاک الف) است، این امر را نشان میدهد که در فاصله 20 متری از مرکز سیستم زمین همچنان پتانسیل قابل توجهی از طریق خاک منتقل شده است (حدود 3.5 کیلوولت!). این امر بدان جهت است که به سبب پایین بودن مقاومت مخصوص لایه بالایی خاک، جریان‌های خطا تمایل دارند تا در گستره بزرگتری از لایه بالایی خاک توزیع شده و سپس به لایه پایینی نفوذ کنند. این امر سبب میشود تا با حرکت از سیستم زمین به دوردست، قالب کلی شکل سه بعدی موجود در این نمودار دارای یک شیب نرم و کاهش تدریجی پتانسیل باشد.

شکل 4 توزیع پتانسیل در  خاکی همگن را نشان می‌دهد. در این شکل دیده می‌شود که قدری از دامنه پتانسیل‌های انتقالی به دوردست کاسته شده (1.1 کیلوولت در فاصله 20 متری از مرکز سیستم زمین) و با حرکت از سیستم زمین به دوردست با شیب بیشتری نسبت به حالت شکل 3 مواجه هستیم.

اما نمودار شکل 5 رویه بسیار متفاوتی از شکل 3 دارد. در شکل 5 دیده میشود که با حرکت از سمت سیستم زمین به دوردست، پتانسیل های سمت خاک به سرعت مستهلک شده و این امر سبب شده تا پتانسیلی کوچک به فواصل دور انتقال یابد (175 ولت در فاصله 20 متری از مرکز سیستم زمین). 

با حرکت از خاک (الف) تا (ج) و بررسی نتایج متناظر، مشاهده می‌شود که شیب نمودار سه بعدی ترسیم شده با حرکت از سیستم زمین به دور دست بزرگتر می‌شود. یعنی در خاکی نظیر (الف) (بسته به جریان خطا) تهدید انتقال پتانسیل های خطرناک به دوردست به مراتب بزرگتر از خاک (ج) است. 

فرض کنید دو مدل خاک دیگر (خاک‌های (د) و (ه)) را در نظر بگیریم. این دو مدل خاک مقاومت‌های مخصوص منحصر به خود را داشته اما نسبت لایه بالا به لایه پایین هر یک مشابه خاک (الف) و برابر با 1 به 10 است:

(د) خاک دولایه، لایه بالا 5 متر به مقاومت مخصوص 50 اهم متر، لایه پایین 500 اهم متر

(ه) خاک دولایه، لایه بالا 5 متر به مقاومت مخصوص 200 اهم متر، لایه پایین 2000 اهم متر

حال در شکل 6 توزیع پتانسیل اطراف سیستم زمین شکل 2 در خاک های (الف)، (د) و (ه) ترسیم گردیده است.

شکل 6- نمای سه بعدی از شیوه توزیع پتانسیل در اطراف سیستم زمین، خاک های (الف)، (د) و (ه)²

با قدری تامل در شکل 6 دیده میشود که نه تنها شکل کلی نمودارهای سه بعدی مشابه یکدیگر بوده، بلکه این سه شکل از نظر ولتاژی نیز دقیقا عین هم هستند! یعنی در تحلیل GPR ثابت، با ثابت در نظر گرفتن سیستم زمین تحت مطالعه و عمق لایه بالایی خاک، این نسبت مقاومت لایه بالا به لایه پایین است که بر شیوه توزیع پتانسیل در اطراف سیستم زمین اثرگذار است. یعنی برای مثال در شبیه سازی شکل 6 دیده میشود که نسبت 1 به 10 خاک (الف)، (د) و (ه) سبب شده تا پتانسیل های انتقالی عینا یکی بوده و دیگر مهم نیست که مثلا خاک (الف) 100 به 1000 اهم بوده و خاک (د) 50 به 500 اهم متر است! دلیل چنین مشاهده‌ای این مسئله است که پتانسیل GPR با نوعی تقسیم پتانسیل بر اساس "نسبت مقاومت ها به هم" در حجم خاک توزیع می‌شود.

اما کاربرد این موضوع چیست؟ یک نمونه از کاربرد این اصل در شرکت‌های توزیع و در مقوله فاصله جداسازی سیستم‌های زمین فشار ضعیف و فشار متوسط است. این فاصله باید به مقداری باشد تا از انتقال پتانسیل‌های خطرناک از طریق خاک از سمت سیستم زمین فشار متوسط به سیستم زمین فشار ضعیف جلوگیری شود. از آن جا که تنوع طرح‌های اجرایی در سیستم‌های زمین فشار متوسط (برای نمونه سیستم زمین حفاظتی یک پست توزیع) نسبتا محدود است، تحلیل GPR ثابت در پتانسیل انتقالی از طریق خاک این امکان را فراهم می‌آورد تا بتوان برای هر طرح بسته به نسبت مقاومت لایه‌های خاک به هم اقدام به تعیین فاصله مطلوب جداسازی سیستم‌های زمین MV/LV نمود. در برخی از کشورها با استفاده از تحلیل GPR ثابت برای طرح‌های استاندارد سازی شده سیستم های زمین، نسبت مقاومت مخصوص لایه های خاک به هم و نیز بزرگی GPR اقدام به ارائه جدولی از فاصله مناسب برای جداسازی سیستم‌های زمین فشار متوسط  و فشار ضعیف شده است. 

این مقاله منحصرا تنها گوشه‌ای از بحث پتانسیل انتقالی و تاثیر مدل خاک بر روی آن را خراش داد! در مقالات آتی و در صورت باقی بودن عمر به رویکردهای تحلیلی دیگر در بحث پتانسیل های انتقالی پرداخته خواهد شد.

 

¹: به بیان ساده‌تر نقطه‌ای که آن‌قدر با سیستم زمین تحت خطا فاصله دارد که عملا پتانسیل آن از افزایش پتانسیل سیستم زمین تاثیر نپذیرفته و می‌تواند مرجع اندازه‌گیری GPR باشد. یعنی (به بیان حتی ساده‌تر) نقطه‌ای با پتانسیل صفر! اگر به دنبال بیانی جذاب‌تر از این پدیده باشیم، مرحوم موسسیان در کتاب "راهنمای طرح و اجرای تاسیسات برقی ساختمان ها" از "جرم کلی زمین" به عنوان مرجعی برای اندازه‌گیری مقاومت و ولتاژ سیستم زمین استفاده می‌کند. به مخاطبان توصیه می‌شود که حتما این مفهوم را از کتاب ایشان مطالعه نمایند.

²: برای ترسیم شکل های این بخش سیستم زمین استفاده شده فرقی جزئی با سیستم زمین شکل 2 دارد. در این شبیه سازی ها از هادی نزولی 0.5 متری که از بالای زمین به سمت الکترودها آمده صرف نظر شده است.