بررسی اثر پی و میلگردهای مدفون در بتن بر روی سیستم اتصال زمین یک پست

دسته‌بندی: ارتینگ

این مقاله با الهام از یک پروژه با موضوع بررسی اثر پی بر روی عملکرد سیستم اتصال زمین در یک پست 138 به 25 کیلوولت (مربوط به کشور کانادا) نوشته شده است. در این مطالعه اثر پی و سیستم اتصال زمین پست از جنبه ایمنی مورد تحلیل و بررسی قرار می‌گیرد. در مقاله پیش روی عزیزان با اندکی تغییر در مقایسه با پروژه اصلی نسبت به ارائه نتایج اقدام شده است.

انتشار زودهنگام، مقاله در دست ویرایش است.

وجود یک ساختمان کنترل (یا ساختمان سوییچگیر/کلیدخانه) پدیده‌ای متداول در پست‌های توزیع در کشور کانادا محسوب می‌شود. برخی شرکت‌های برق ترجیح می‌دهند تا با هدف عبور کابل‌های قدرت فشار ضعیف که وارد به/خارج از ساختمان می‌شوند، برای ساختمان مذکور زیرزمینی (basement) ایجاد کنند تا هدایت کابل‌ها پس از ورود به ساختمان آسان‌تر شود. اضافه کردن زیرزمین بدون در نظر گرفتن ملاحظات ارتینگ می‌تواند موجب بروز خطرات پتانسیل گام یا تماس برای افرادی شود که در زیرزمین حضور دارند، به‌ویژه هنگام تماس با اجسامی که در ارتباط الکتریکی با سیستم زمین هستند (بدنه‌های هادی تجهیزات).

سیستم زمین شکل 1 را در نظر بگیرید. چیدمان الکترودهای زمین مربوط به پست در این شکل نمایش داده شده و فضای تقریبی تخصیص یافته به زیرزمین نیز با رنگ نارنجی مشخص گردیده است.

شکل 1- نمایی از چیدمان الکترودها و زیرزمین ساختمان میانه پست (حجم مشخص شده با رنگ نارنجی)

برای ساده‌سازی، تنها الکترودهای زمینی که در شعاع تقریبا 20 متری از ساختمان مذکور وجود داشته‌اند، در شبیه‌سازی‌ها مدل شده‌اند. در همه شبیه‌سازی‌ها اندازه گیری پتانسیل‌های تماس و یا پتانسیل‌های سطح بر روی کف زیرزمین پست (در عمق 3.6 متری) انجام می‌شود (سطح مشخص شده با نقطه چین آبی رنگ در شکل 1).

جریان خطا در همه مطالعات پیش رو برابر با 10 کیلوآمپر در نظر گرفته شده است. برای حالتی که سیستم اتصال زمین پست تنها در اطراف ساختمان وجود داشته باشد، پتانسیل‌های تماس نظیر شکل 2 می‌گردد. امپدانس زمین در این حالت تقریبا برابر با 0.7 اهم محاسبه شده است. ولتاژهای دیواره زیرزمین نیز بررسی شد و همچنان دیده شد که بیشترین اختلاف ولتاژ با مقدار GPR بر روی کف تمام شده زیر زمین رخ می‌دهد.  

شکل 2- پتانسیل تماس در نقاط مختلف در زیرزمین

ولتاژ تماس محاسبه شده در نقاط مختلف در کف تمام شده زیرزمین برای کسی که دست او در تماس با تجهیزی زمین شده باشد، در شکل 2 ترسیم گردیده است. ولتاژ محاسبه شده مقدار بسیار بالایی داشته (حدودا 2.7 کیلوولت!) و با این وجود که هدف این مقاله صرفا نمایش اثرپذیری پتانسیل‌های تماس در یک سازه نظیر ساختمان تحت بررسی است و نه لزوما ارائه طراحی نهایی (با رعایت ملاحظات ایمنی)، اما می‌توان گفت که این ولتاژ مقداری بسیار فراتر از حدود مجاز معمول دارد.

یکی از اصلی ترین دلایل خارج از کنترل بودن ولتاژهای تماس در این ساختمان، عدم وجود الکترود در کف سازه است. در این حالت همه پتانسیلی که به کف سازه میرسد از طریق خاک و از الکترودهایی است که فاصله ای نسبتا زیاد با کف تمام شده زیر زمین دارند. این امر سبب میشود تا با بروز پدیده افت پتانسیل در مسیر جریانهای خطا، ولتاژی کمتر از GPR به کف پست رسیده و این امر سبب بیشتر شدن ولتاژ تماس میشود. 

در شبیه سازی دوم فرض بر آن است که سیستم اتصال زمین سازه را نیز نظیر شکل 3 در بر می‌گیرد. برای این کار یک شبکه زمین اختصاصی با فاصله 50 سانتی متری ذیل کف تمام شده زیرزمین در نظر گرفته شده است. مش‌های این شبکه زمین در ابعاد 4 در 4 متر فرض شده و از چندین نقطه با سیستم زمین پست در ارتباط‌ اند. در این حالت سیستم زمین امپدانسی برابر با 0.63 اهم دارد. 

شکل 3- مطالعه 2: سیستم زمین به گونه ای گسترش یافته تا سازه مذکور را نیز در بر بگیرد

با در نظر گرفتن آرایش ارائه شده در شکل 3، پتانسیل های تماس برای شخصی که در کف زیرزمین است، نظیر شکل 4 محاسبه گردیده است. همانطور که دیده می‌شود، اضافه شدن الکترودهای متصل شده به سیستم زمین اصلی پست سبب شده تا پتانسیل های تماس در سطح زیر زمین تا قدری تعدیل شوند. به این صورت که حالا پتانسیل‌های تماس در زیر زمین در بازه 207 الی 576 ولت قرار گرفته‌اند که در مقایسه با نتایج ترسیم شده در شکل 2، کاهش قابل توجهی است. 

شکل 4- پتانسیل تماس در نقاط مختلف در زیرزمین در مطالعه 2

تا به این جای کار برای مدل‌سازی سازه از یک حجم از هوا (حجم محصور به خطوط نارنجی) در خاک استفاده شده بود. حال برای دقیق‌تر نمودن شبیه‌سازی، فرض شده تا میلگردهای سازه نیز همانند آنچه در شکل 5 ترسیم شده، در نظر گرفته شوند. در این مطالعه فرض شده تا میلگردها دارای پیوستگی الکتریکی بوده و لازم به ذکر است که این میلگردها با سیستم زمین همبند نشده‌اند. این فرض سبب می‌شود تا عملا همه میلگردها در ارتباط الکتریکی با یکدیگر باشند که از وجه عمرانی ماجرا نیازمند تدابیر ویژه است. اما این فرض سبب می‌شود تا اثر کنترلی میلگردها بر روی پتانسیل های تماس افزایش یابد. پتانسیل تماس محاسبه شده در سطح زیر زمین با چنین شرایطی در شکل 6 ارائه گردیده است.

شکل 5- مطالعه 3- میلگردهای سازه (با فرض این که پیوستگی الکتریکی بین آنها وجود داشته باشد) نیز در شبیه سازی مدل شده اند، میلگردها با سیستم زمین همبند نشده اند

شکل 5-پتانسیل تماس در نقاط مختلف در زیرزمین، مطالعه 3- علاوه بر مش مطالعه 2 همبندی با میلگردهای سازه نیز وجود دارد.

با در نظر گرفتن اثر الکتریکی میلگردها بر روی پتانسیل های تماس ترسیم شده در شکل 6، دیده میشود که در نظر گرفتن میلگردها به خودی خود نیز میتواند اثری مثبت بر روی پتانسیل های تماس در زیرزمین ساختمان مذکور داشته باشد.

حال فرض کنید که میلگردهای سازه نیز با رعایت شروط و الزامات با سیستم زمین همبند میشد، به نظر شما پتانسیل های تماس تا چه حدی میتوانست تحت کنترل قرار بگیرد؟

منتظر نظرات عزیزان هستم و انشالله در روزهای آتی جواب این پرسش داده خواهد شد.