طراحي و بهبود سيستم زمين در ا زمايشگاه فشار قوي جهاد دانشگاهي علم و صنعت

Transcript

1 .۱.۱.۱ No. F-14-AAA-0000 طراحي و بهبود سيستم زمين در ا زمايشگاه فشار قوي جهاد دانشگاهي علم و صنعت مهدي صولتي عبداالله گراي يلي محمد صادق ميرغفوريان جعفر جعفري بهنام جهاددانشگاهي علم و صنعت تهران ايران چكيده اين مقاله به بررسي طراحي و بهبود سيستم زمين در ا زمايشگاه مركز مهندسي فشار قوي جهاد دانشگاهي علم و صنعت مي پردازد. همچنين تاثير تعداد در مش بندي استفاده شده با استفاده از نرم افزار چاه ها و نيز تاثير پهناي ورقه هاي مسي كه ETAP شبيه سازي شده و تاثير ا ن بر مشخصات سيستم زمين مانند ولتاژ گام و ولتاژ تماسي مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج شبيه سازي نشان مي ورقه هاي مسي مش بندي نسبت به طول اين ورقه ها مي دهد پهناي بايست داراي نسبت مشخصي باشد و در صورت تجاوز از اين محدوده باعث بدتر شدن مشخصات سيستم زمين ميگردد. در انتها نيز تاثير ظرفيت خازني سيستم زمين بر قابليت هاي انجام تست بررسي مي گردد و يك راه كار عملي جهت افزايش قابليت انجام تست در ا زمايشگاه اراي ه ميگردد. واژه هاي كليدي تماسي ظرفيت خازني سرگردان ETAP سيستم زمين صفحه مسي ولتاژ گام ولتاژ 1. مقدمه ا زمايشگاه جهاد دانشگاهي علم و صنعت در حال حاضر داراي ترانسفورماتور 400V/800kV/800kVAومجموعه 1800Kv/180Kj و مجموعه تست گستره وسيع ولتاژهاي تست 420kVDC توليد ايمپالس مي باشد و با توجه به AC,DC,lightning Impulse,swiching impulse و غيره بخصوص در تست هاي ولتاژ شكست و سوي يچينگ كه جريان و ولتاژ هاي بسيار زياد و به صورت گذرا ايجاد ميگردد لزوم بررسي سيستم زمين در ا زمايشگاه فشار قوي را بيشتر نشان مي دهد. جهت بهبود عملكرد سيستم زمين از ورقه هاي مسي جهت كاهش اندوكتانس سيستم زمين استفاده شده است البته مي بايست به ابعاد اين ورقه ها توجه نمود تا بهترين تاثير را در اين خصوص داشته باشند. همچنين كاهش امپدانس موجي در تستها باعث افزايش قابليت انجام تست در ا زمايشگاه فشار قوي خواهد شد كه در انتهاي مقاله مورد بررسي قرار ميگيرد. 2.سيستم زمين ا زمايشگاه فشار قوي ابعاد ا زمايشگاه تقريبا 20m 20m 20m مي باشد. ا زمايشگاه داراي هشت چاه به عمق 12 متر در اطراف و يك چاه مركزي در وسط ا زمايشگاه به عمق 24 متر مي باشد چاه ها از نوع صفحه مسي مربعي مي باشند. شبكه مسي استفاده شده روي بتن در كف ا زمايشگاه با استفاده از ورقه هاي نواري مسي با پهناي ورقه هاي نواري در شكل شبكه زمين و چاه ها از سيم 5 سانتيمتر مي باشد. نمايي از مش بندي انجام شده با اين 1 نشان داده شده است.سيم هاي اتباط دهنده 50 ميليمتر بوده و تمامي اتصالات بصورت cad weld مي باشد. مقاومت سيستم زمين قبل از حفر چاه مركزي اندازه گيري شده است با حفر چاه مركزي ا زمايشگاه به عمق مقاومت سيستم زمين 0.7 اهم اندازه گيري شده است. 2 اهم 24 متر

2 عنوان مقاله همانطور كه ميدانيم ميتوان با تركيب موازي ميله هاي زمين به مقاومت هاي پاييتري نيز رسيد كه در زير رابطه تعداد ميله ها با كاهش مقاومت زمين نشان داده شده است. R multi ROD = R single ROD N F ( 4) مقدار F برحسب اينكه تعداد ميله هاي موازي چه تعداد باشد طبق جدول زير مي باشد. جدول 1 : رابطه ضريب F باتعداد لوله هاي زمين تعداد لوله يا ROD ضريب F شكل 1: نماي شبكه زمين كف ا زمايشگاه با استفاده از ورقه هاي مسي 3.محاسبه مقاومت زمين( (RR gg معمولا براي محاسبه مقاومت زمين براي انواع سيستم زمين هاي استفاده شده از Rod و يا نوع صفحه اي ميتوان از فرمولهاي زير با تقريب استفاده نمود. [2] (1) زمين نوع از Rod (2) زمين از نوع صفحه اي همچنين در نمودار زير نرخ تغييرات ضريبF با افزايش تعداد ميله هاي موازي نمايش داده شده است. همانطور كه مشخص است در اين حالت مقاومت معادل كمي از مقاومت محاسبه شده به صورت موازي بيشتر است. بطور مثال اگر هشت Rod كه مقاومت هر يك 1 اهم باشد بصورت موازي در زمين كوبيده شود طبق جدول فوق مقاومت يا اندازه گيري شده %68 از مقاومت حاصل از موازي كردن ا نها يعني اهم بيشتر خواهد بود ضريب F R g = R g = 2πa 2πa log 4a d log a2 dh تعداد لوله هاي موازي : مقاومت ويژه زمين a: طول ميله يا عرض صفحه d: قطر لوله يا ضخامت صفحه نمودار 1 : نرخ تغييرات مقاومت زمين با افزايش تعداد ميله هاي موازي h: عمق و يا با تقريب بيشتر ميتوان از روابط زير استفاده نمود در اين بخش مطابق استاندارد R g به محاسبه [2] IEEE80 به صورت مدل دقيق پرداخته شده و سپس با نتايج شبيه سازي مقايسه خواهد شد. در ضمن فاصله بين دو ورقه مسي 20 سانتيمتر مي باشد. با استفاده از روابط 5 تا 8 مقدار مقاومت زمين محاسبه شده است[ 2 ]. شايان ذكر است در محاسبات از ا رماتور كف ا زمايشگاه صرف نظرشده است. R g = C a (3) Rod براي نوع زمين 0.9=C 0.25=C براي نوع زمين صفحه اي 2

3 عنوان مقاله R 1 = L πlc n 2L c + K 1L c a A a = a 2h K 2 جدول 1: تايج شبيه سازي و مقايسه مقاومت زمين ولتاژ تماس و ولتاژ گام Rg( Ω) Vstep(v) Vtouch(v) بدون در نظر گرفتن چاه مركزي (5).5 مقادير Kو 1 K 2 بر اساس جدول 25 استاندارد [2] IEEE80 مي باشد بر طبق اين استاندارد نسبت طول به عرض ورقه مسي مي بايست بين 1 تا 8 باشد. R2= L 2π n R L n 4L R 1 + 2k 1L r R b A R mm = ( n r 1 ) 2 πl C L n 2L C L r + K 1L C A K Rg= R1R2 R m 2 (6) ( 8) R1+R2 2R m (7) مقاومت R g سيستم زمين بدون در نظر گرفتن چاه مركزي مي باشد اگر محاسبات با در نظر گرفتن چاه مركزي ادامه يابد مقدار مقاومت حدودا اهم محاسبه مي شود كه به نتايج شبيه سازي بسيار نزديك مي باشد. زمين با در نظر گرفتن چاه مركزي معادلات پيشنهاداتي جهت بهبود سيستم نتايج شبيه سازي نشان مي دهد با افزايش پهناي نوار مسي استفاده شده در مش بندي كف ا زمايشگاه به خواهد داشت در جدول 80 سانتيمتر مشخصات سيستم زمين بهبود 2 نتايج شبيه سازي در حالتهاي مختلف با تغيير پهناي نوار مسي و حضور و عدم حضور چاه مركزي ا زمايشگاه نشان داده شده است. شماتيك ا زمايشگاه و نيز دياگرام ولتاژ هاي تماس و گام شبيه سازي شده با استفاده از نرم افزار است. ETAP در شكل هاي 2 الي 4 نمايش داده شده محاسبه ولتاژ گام و ولتاژ تماس در اين بخش مشخصات سيستم زمين مانند ولتاژ گام و تماس با استفاده از روابط استاندارد [2] IEEE80 محاسبه شده و سپس با نتايج شبيه سازي شده ا زمايشگاه با استفاده از نرم افزار ETAP مقايسه مي گردد. مقدار ولتاژ گام و ولتاژ تماس با استفاده از 9 و 10 محاسبه شده است.[ 2] شكل 2 : نماي ا زمايشگاه با چاه هاي زمين EE SSSSSSSS 7777 = ( CC SS SS ) ( 9) TT SS : CC SS ضريب انعكاس 0.08m ارتفاع بتن كه تقريبا برابر : hh SS 2500Ωm مقاومت ويژه بتن تقريبا برابر : SS EE TTTTTTTTTT 7777 = ( CC SS SS ) ( 10) TT SS نتايج شبيه سازي براي دو حالت با در نظر گرفتن چاه مركزي و بدون در نظر گرفتن ا ن در جدول 1 ا ورده شده است. شكل : 3 نمودار ولتاژ گام 3

4 و 4 شكل 4 : نمودار ولتاژ تماس در زير مقايسه اي بين حالتهاي مختلف نتايج شبيه سازي انجام شده است كه ميتواند در انتخاب يك سيستم زمين مناسب موثر باشد. جدول 2 : نتايج شبيه سازي در حالتهاي مختلف Vtouch70(v) Rg(Ω) Vstep70(v) حالت نوار مسي پهن بدون چاه مركزي نوار مسي باريك بدون چاه مركزي نوار مسي پهن با چاه مركزي نوار مسي باريك با چاه مركزي عنوان مقاله نيز وجود دارد ) C2). ميتوان با توجه به فاصله از ظرفيت خازني بين سيم پيچي HV وبدنه صرفنظر كرد. بنابراين ميتوان مدار معادل ترانسفورماتور هاي تست را به صورت شكل 5 نمايش داد. از ا نجا كه در لحظات بسيار كوتاهي بعد از وقوع ولتاژ ايمپالس فقط ظرفيت خازني در مدار معادل مي باشد و ولتاژ را به سمت فشار ضعيف انتقال مي دهد در نتيجه در اين لحظات بسيار كوتاه نسبت تعداد دور در انتقال ولتاژ به سمت فشار ضعيف موثر نمي باشد و در نتيجه بعد از گذشت زمان اندوكتانس ترانسفورماتور باعت ميرا شدن اين اضافه ولتاژ منتقل شده به سمت فشار ضعيف خواهد شد. همانطور كه نتايج شبيه سازي نشان مي پهن تاثير مثبتي روي ولتاژهاي گام و تماس خواهد داشت. 6.نتايج اندازه گيري هاي عملي دهد استفاده از نوارهاي مسي مقاومت سيستم زمين ا زمايشگاه در دوره هاي زماني مختلف با استفاده از دستگاه ارت سنج مدل kyoritsu4105a اندازه گيري شده است اساس اندازه گيري بر اساس روش ونر و انداه گيري ولتاژ و جريان با استفاده از سه شاخك موجود دستگاه ميباشد. شكل : 5 مدار معادل ترانسفورماتور هاي تست ولي زمان اين اضافه ولتاژ به قدري مي باشد كه ميتواند باعث صدمه ايزولاسيون و عملكرد تجهيزات حفاظتي مانند فيوز گردد. در نتيجه براي كاهش اين تاثير مي بايست امپدانس موجي مسير كاهش يابد.[ [6 در نتيجه در تستهاي test, swithing,chopped,and impulse voltage احتمال قطع فيوز ا زمايشگاه محتمل مي باشد و باعث محدود شدن سطح ولتاژ تست خواهد شد. يك نمونه از اين ولتاژها در شكل 6 نمايش داده شده است. مقدار مقاومت در بدترين شرايط 1.1 اهم اندازه گيري شده است كه نماينگر نزديكي نتايج شبيه سازي و محاسباتي با اندازه گيري انجام شده مي باشد. 7.تاثير خازنهاي ناخواسته سيستم زمين در امپدانس موجي همانطور كه مي دانيم بين سيم پيچي HV و LV ترانسفورماتورهاي تست ظرفيت خازني وجود دارد ) C1) و نيز با توجه به اينكه سيم پيچي LV به هسته ترانسفورماتور نزديكتر است يك ظرفيت خازني بين اين دو شكل 6 : نمونه ولتاژ ايمپالس صاعقه 1.2/50uS 4

5 همانطور كه ميدانيم در حالت عادي و بدون استفاده از صفحات ا لومينيومي در مش بندي كف ا زمايشگاه اتصال HV و عنوان مقاله LV به صورت هادي-هادي مي باشد و ميدان الكتريكي را در هر دو سو خواهيم داشت با گذاشتن صفحات ا لومينيومي روي سطح بتني كف ا زمايشگاه نوع اتصال به صورت هادي-صفحه خواهد بود و در اين حالت ماكزيمم ميدان الكتريكي فقط در سمت HV خواهد بود در نتيجه ظرفيت خازني افزايش خواهد يافت و در نتيجه برطبق رابطه 11 امپدانس موجي كاهش خواهد يافت. مغناطيسي بيرون هسته ا غاز و پيشاني موج ولتاژ ثانويه ساخته مي شود. پس از لحظاتي كوتاه ميدان مغناطيسي درهسته نيز ايجاد گرديده وبا فعال شدن شاخة مواز ي مدار معادل پشت موج القاء شده به ثانويه ساخته مي شود. انتقال موج ضربه به ثانويه در اثر القاء خازن بسيار سريع صورت مي گيرد ي به صورت كه مي تواند براي عايق ها ي طرف اوليه ترانسفورماتور و تجهيزات اندازه گيري در سمت LV مخرب باشد.[ 8 ] Z c = L C ( 11) : L اندوكتانس بين صفحه ا لومينيومي-نوارهاي مسي C: ظرفيت خازني بين صفحه ا لومينيومي-نوارهاي مسي بر طبق تي وري انتشار امواج امپدانس هاي موجي خطوط مانند مقاومت هاي اهمي عمل كرده و در ثابت زماني مربوط به انتشار امواج تاثير ميگذارند. ولتاژ دو سر يك سلف L كه موج ولتاژ ضربه اي با دامنة V به ترمينالهاي ا ن ميرسد از رابطه 12 قابل محاسبه مي باشد. V 2 = V(1 2e Z C T L ) ( 12 ) 7 در شكل مدار معادل ترانسفورماتور با نسبت تبديل N نشان داده شده است. با استفاده از اين مدار معادل دامنة ولتاژ ضربة منتقل شده به سمت فشار ضعيف به طريقة الكترومغناطيسي پس از برخورد يك اضافه اي با دامنه V به سيم پيچ فشار قوي برابر 13 خواهد بود. ولتاژ پله 7.نتيجه گيري يكي از مهمترين بخشهاي ا زمايشگاه هاي قشار قوي سيستم زمين ا نها مي باشد و با توجه به ايجاد ولتاژ و جريان هاي بسيار بزرگ كوتاه مدت و لحظه اي در ا زمايشگاه هاي قشار قوي بررسي سيستم زمين و و عملكرد ا ن اهميت خاصي دارد. باتوجه به اينكه مقاومت سيستم زمين به پارامترهاي متعددي بستگي دارد مسلما نتايج اندازه گيري شده محاسباتي و شبيه سازي همسان نخواهند بود. با اين وجود نتايج محاسبات و شبيه سازي ها در حالتهاي مختلف تاييد كننده نتايج اندازه گيري هاي عملي و نزديك به هم مي باشند. همچنين نتايج شبيه سازي نشان مي دهد در صورت افزايش پهناي نوار مسي استفاده شده در مش بندي به خواهند يافت كه بنا بر استاندارد الي 8 باشد. 80 سانتيمتر مشخصات سيستم زمين بهبود [2] IEEE80 اين نسبت ميبايست بين 1 با قرار دادن صفحات ا لومينيومي روي مش بندي كف ا زمايشگاه ميتوان نوع اتصال HV و LV را از حالت هادي-هادي به هادي-صفحه تغيير داده و مقدار امپدانس موجي در ولتاژها و جريانهاي ايمپالس و سوي يچينگ را كاهش داده و در نتيجه ثابت زماني موج ضربه ايجاد شده كاهش يافته و بنابراين تاثير مخرب موج ضربه ايجاد شده بر تجهيزات اندازه حفاظتي كاهش داده خواهد شد. گيري و شكل 7 : مدار معادل ترانسفورماتور V 2 = 2nZ c2v Z c1+n 2 Z c2 Zc1n 2 Zc2t Zc1+n 2 Zc2 em (Zc1+n 2 Zc2 e ln +n 2l12 ( 13 ) در تشريح اين پديده بايد گفت كه پس از مرحله اوليه كه القاء فقط بصورت خازني(ظرفيت خازني بين سيم پيچ و هسته) است با ايجاد جريان دراثر موج صاعقه در سيم پيچ اوليه القاء ولتاژ به ثانويه از طريقه ميدان در انتها از قدرداني حماي تها و راهنما ييهاي جناب ا قاي دكتر تشكر وسپاسگزاري مي گردد. حسين كاظمي كارگر 5

6 منابع عنوان مقاله [1] M S Naidu and V Kamaraju, High Voltage Engineering 3rd Edition New [2] IEEE Std (Revision of IEEE Std ) [3] B.Pungsiri, and S.Chotigo. Design and Construction of Grounding System in High Voltage Laboratory at KMUTT. International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis, Beijing, China, April 21-24, 2008 [4] NILS R. Hylt: N-CavalliusS, Floor Net Used as Ground Return in High-Voltage Test Areas. IEEE transactions on power apparatus and systems, vol.- JA6-88,- no. 7, july [5] Jashandeep, Y.R.Sood, Singh, Earthing of high voltage Laboratory. International journal electrical and power Engineering medwell journal 2007 [6] Verma R., Mukheadkar D. Impulse impedance of buried Ground wire, In: IEEE Transactions on Power Apparatus And Systems, Vol. PAS-99, No. 5 Sept/Oct 1980, p.2003 ح.محسني مباني مهندسي فشارقوي الكتريكي چاپ پنجم 1390 انتشارات دانشگاه تهران. محمد رضا مشكوه الديني "اضافه ولتاژهاي موجي در شبكه توزيع فشار ضعيف و حفاظت مصرف كنندگان در برابر ا ن" نهمين كنفرانس شيكه هاي توزيع برق رديبهشت 1383 [۷] [۸] 6