الدرس السابق :ما هى ال Ground mat أشكالها والهدف منها:
خطوات تصميم شبكة الأرضي فى المحطات الكهربائية ذات الجهد العالي
الهدف الرئيسي من عملية تصميم شبكة الأرضى فى المحطات الكهربائية ذات الجهد العالي وهو : التأكد من أن
Step Voltage and Touch Voltage ضمن الحدود الآمنة.
Step Voltage and Touch Voltage ضمن الحدود الآمنة.
وتحقيق ذلك يتم من خلال حساب العدد المناسب لإلكترودات التأريض وكيفية توزيعها داخل المحطة . ويعتبر البحث المرجعى رقم IEEE STD 80 (2000) وعنوانه : "Guide for safety in AC substation grounding". مرجعا أساسيا فى عملية تصميم نظام التأربض فى محطات التحويل.
وفى هذا الدرس سيتم شرح وتلخيص الخطوات القياسية المذكورة فى هذا المرجع على النحو التالى:
1. Measurements of Soil Resistivity
2. Determine Surface Layer Derating Factor
3. Determine Minimum Earthing Conductor Size
4. Calculate Tolerable Step and Touch Potential
5. Layout Preliminary Substation Grid,
6. Determine Preliminary Resistance of Grounding System
7. Determine Grid Current
8. Determine GPR. If Less than Tolerable Touch Voltage, Done.
9. Otherwise: Calculate Actual Mesh and Step Voltages.
10. If Mesh and Step Voltage Are Below Tolerable values, Done.
11. Otherwise: Revise Grid.
1.خطوات ماقبل التصميم
قبل الخوض فى تفاصيل التصميم نذكر أن هناك معلومات يجب توافرها قبل البدء فى التصميم ، وهذه المعلومات المطلوب توافرها هى :
- مخطط عام الموقع وتحديد مساحة المحطة
- أقصى تيار عطل متوقع مروره خلال شبكة التأريض وهذا يحسب من خلال Short circuit Study
- أقصى زمن يستغرقه جهاز الحماية لفصل العطل وهذا يمكن معرفته بعد الانتهاء من الـ Protective Coordination Study ، وسنستفيد منه فى معرفة قيمة الجهد الذى يظهر على جسم إنسان تعرض للصعق بالمحطة حيث أن هذه القيمة تعتمد على زمن بقاء العطل كما سنرى.
- درجة حرارة التربة.
- معرفة قيمة المقاومة النوعية للتربة Soil Resistivity بالقياس .
- معرفة قيمة Resistivity لأي طبقة سطحية مضافة على التربة )مثل الزلط مثلا (كل المعلومات السابقة يفترض أنها معلومة قبل البدء فى خطوات التصميم التالية.
ربما يكون كافيا فى مشروعات التخرج أن يفترض الطالب قيمة مناسبة للااا Soil Resistivity ) المقاومة النوعية للتربة(أما حين تنشأ محطة حقيقية فلابد من عمل قياسات عملية للوصول للقيم الحقيقية للمقاومة النوعية للتربة.
ومن أشهر هذه الطرق طريقة Wenner four-pin method وسبق شرحها فى كتاب المرجع فى التركيبات الكهربائية للمؤلف. والجدول أسفله يعطى قيم تقريبية للمقاومة النوعية حسب نوع التربة (لا تستخدم هذه القيم فى تصميم حقيقي بل يجب عمل قياسات).
ويفضل أخذ القياسات عند أكثر من نقطة فى المساحة المقترحة لبناء المحطة ، كما يفضل جعل المسافات بين الإلكترودات الأربعة المستخدمين فى القياس Four Electrode method كبيرة نسبيا وفى حدود 50 - 100 متر وكلما ا زدت هذه المسافة كلما كانت القراءة معبرة عن قيمة المقاومة على أعماق كبيرة (تقريبا يمكن اعتبار
المقاومة مقاسة على عمق يساوى المسافة بين كل اثنين من الإلكترودات الأربعة).
وقيمة المقاومة الكهربائية للتربة تتوقف على كمية الأملاح بالتربة (تزيد بزيادتها) وتتوقف أيضا على حجم حبيبات
التربة (أيضا تزيد بزيادتها) فالرمل الخشن مقاومته أعلى من الرمل الناعم ، والزلط مقاومته أعلى من الرمل ،والرمل أعلى من الطين.
3.الخطوة الثانية : حساب Surface Layer Derating Factor
دائما تضاف طبقة من الحصى أو الزلط بسمك من 5 إلى 15 سم لتحسين المقاومة النوعية لسطح التربة من أجل أن يقل خطر الـ Touch and Step Voltage . وبالطبع ستتأثر المقاومة النوعية لهذه الطبقة بحالة التربة وهل هي رطبة أم جافة ولذلك ستجد الجدول رقم التالي يعطى قيما تقديرية للمقاومة النوعية لهذه الطبقة
حسب نوع المادة المستخدمة وحالتها وسمكها.
أوهمية هذه الطبقة تأتي من أنها تلمس مباشرة قدمي الشخص وهذه الطبقة غير سميكة وسطحها غير منتظم ، ومن ثم سنحتاج لحساب معامل تصحيح Cs لتصحيح قيمة مقاومة سطح التربة ، و ستسهم هذه الطبقة في تقليل مقاومة الأرضى إن وجدت وذلك بنسبة تساوى هذا المعامل Cs الذى تتوقف قيمته على المقاومة النوعية للتربة الأصلية وسمك الطبقة السطحية كما فى المعادلة التالية:
وسنستفيد من هذا المعامل لاحقا عند حساب الـ Touch and Step Voltage
ومعامل التصحيح Cs يساوى واحد إذا لم تكن هناك طبقة على السطح ، ويصبح أقل من الواحد فى وجود هذه الطبقة الرقيقة .
وهذه الطبقة لها ميزات عديدة ، فهي بالإضافة إلى كونها تعتبر مقاومة موصلة على التوالي مع جسم الإنسان مما يعنى أن التيار خلال الجسم سينخفض وقد يصل إلى عشر قيمته ، وهذه هى الميزة الأساسية لها ، فهى أيضا تعيق تبخر الماء من التربة الأصلية فتحافظ على انخفاض قيمة مقاومة التربة.
4.الخطوة الثالثة : حساب مساحة مقطع الإلكترود
أحد أهداف عملية التصميم هو حساب مساحة المقطع المناسب لكل إلكترود من إلكترودات التأريض وعددهم وفى هذه الخطوة سنحسب مساحة المقطع المناسبة.
وكما هو معلوم فإن مساحة مقطع الموصل تتوقف أساسا على قيمة تيار القصر والتيار الطبيعى ، ولكن على عكس الكابلات العادية والتى تكون حدود تحملها لتيار القصر متوقفا على تحمل العازل لدرجة الحرارة العالية الناشئة من القصر قبل أن يحدث له melting ، فإن كابلات التأريض لا يوجد عازل عليها ، ومن ثم فالحد الأقصى هو تحمل الموصل نفسه للحرارة لمدة معينة قبل أن يحدث له melting (وهذا يفسر لك أحد أسباب عدم وجود عازل على موصلات التأريض ) ، وهذه الدرجة يمكن الحصول عليها من الجدول أعلاه، وقد تصل فى بعض المواد إلى فوق الـ 1000 درجة مئوية ، لكن للأمان فإن معظم التصميمات تكتفى بحساب حرارة الموصل
عند 500 أو 800 درجة فقط.
لاحظ أن أقصى تيار قصر يتحمله الموصل يتوقف أساسا على المدة الزمنية التى يستغرقها مرور هذا التيار قبل فصله بأجهزة الحماية ، ولذا فمن المعلومات الأساسية المطلوب للتصميم : زمن تشغيل أجهزة الوقاية .
والـ IEEE-80 تعتبر زمن الفصل يمكن أن يتأخر حتى يصل إلى 3 ثوانى فى المحطات الصغيرة عند تصميم منظومة الأرضى .
وعموما فحساب مقطع موصل الأرضى يعتبر خطوة عامة فى تصميمات الأرضى ، ولا علاقة لها بالـ GPR أو جهد الخطوة ، وجهد اللمس.
طرق حساب هذا المقطع:
توجد طريقتان لحساب هذا المقطع :
الطريقة الأولى : باستخدام المعادلة التقريبية الواردة فى مواصفات الـ IEEE وهى:
والثوابت السابقة تجد قيمتها فى الجدول رقم التالي :
والطريقة الثانية هى معادلة تقريبية أيضا ولكن أكثر تبسيطا وهى:
ومنها يمكن حساب قطر الموصل d وهذا سيستخدم فى الخطوة التاسعة من خطوات التصميم.
𝑨 (𝒎𝒎²)=8.832×I𝐺𝐹×√𝑇𝐶
ويمكن فرض مقطع للموصل مباشرة حسب الـ IEEE-665-1995 بحيث يتم اختيار مقطع يتحمل نصف قيمة تيار العطل (أو 60 % إذا أردت مزيدا من الأمان)، وذلك على اعتبار أن تيار العطل يتسرب من جهتين خلال شبكة الأرضى.
اختيارات عملية:
1. زمن الفصل يؤخذ دائما نصف ثانية للأمان.
2. فى بعض التصميمات يؤخذ حرارة انصهار العزل فى الاعتبار حيث تكون هناك بعض الأجزاء معزولة (لون عزل أسلاك الأرضى هو الأخضر فى أصفر) ففى هذه الحالة نعتبر درجة الحرارة ليست حرارة انصهار موصل الأرضى والتى قد تصل لـ 1000 درجة كما رأينا بل قد تحسب على أنها 200 درجة فقط. ولذا يجب التأكد أولا من وجود أو عدم وجود موصلات معزولة فى منظومة التأريض لأن هذا سيغير من مساحة مقطع الموصل.
3. مقطع الموصل غالبا لا يقل عن 120 مم 2
4. القيمة الكلية لتيار القصر GFI لابد أن تأخذ فى الاعتبار قيمة مجموع تيارات الأعطال من داخل المحطة ومن خارجها. وتضاف نسبة أمان للتوسعات المستقبلية التى قد ترفع من قيمة تيار العطل.
أنواع الموصلات
5.الخطوة الرابعة: حساب الحدود الآمنة لقيم جهد الخطوة وجهد اللمس
عندما لا يجد تيار العطل مسارا ليكمل الدائرة سوى بالرجوع خلال الأرض تكون هناك خطورة من ارتفاع جهد الأرض حول منطقة العطل ويسمى Ground Potential Rises GPR وهذا يعنى أن أي شخص يقف على هذه الأرض يكون معرضا لصدمة كهربائية إما نتيجة فرق الجهد بين قدميه Step Voltage أو نتيجة فرق الجهد بين الجسم المعدنى الذى لمسه وبين الأرض Touch Volt .
فإذا كان لدينا شبكة تأريض مناسبة فستقوم بتبديد تيار العطل بعيدا فى عمق الأرض ، وبالتالى لايظهر GPR على سطحها وهذا كما ذكرنا فى المقدمة هو الهدف الأساسى من التصميم وهو أن نحصل على شبكة قادرة على جعل جهد الخطوة وجهد اللمس ضمن الحدود الآمنة بالمحطة. ومن هنا كان لابد أن نحسب أولا قيم هذه الحدود الآمنة حتى نقارنها بقيم GPR التى يمكن أن تظهر على الشبكة.
والمعادلات التالية تعطى قيم تقريبية لجهد الخطوة وجهد اللمس |(لاحظ أن تتوقف على وزن الشخص وتتوقف على نوع التربة والطبقة السطحية ومدة بقاء تيار العطل قبل فصله بأجهزة الوقاية). لاحظ أيضا أهمية أن تكون منظومة الوقاية سريعة بالدرجة الكافية لتقليل هذه الجهود.
ملحوظة:
أصل المعادلات السابقة يمكن كتابتها على النحو التالى:
𝐸𝑠𝑡𝑒𝑝=(𝑅𝐵+2×𝑅𝐹)×𝐼𝐵
𝐸𝑇𝑜𝑢𝑐ℎ=(𝑅𝐵+𝑅𝐹÷2)×𝐼𝐵
والرقم 1000 فى المعادلات السابقة يمثل قيمة مفترضة لمقاومة جسم الإنسان.
لاحظ فى حالة الـ Touch volt تكون المقاومتان أسفل القدمين FootR موصلتان على التوازى ولذا تقسم RF على 2 ، بينما فى حالة الـ Step Volt تكونان على التوالي ولذا تضرب فى 2 كما فى المعادلتين الأخيرتين.
6.الخطوة الخامسة :حساب عدد الإلكترودات واختيار طريقة وضعها
يختلف توزيع الجهد على سطح الأرض الناشئ نتيجة مرور تيار العطل خلال هذه الإلكترودات , Surface Potential Distribution فيكون أفضل فى حالة الشبكة المكونة من عدة إلكترودات منه فى الإلكترودات المدفونة رأسيا. ففى حالة الإلكترودات الأفقية )أو الشبكة( يكون قيمة الجهد الذى ينشأ على سطح الأرض بين نقطتين فى المنطقة القريبة من الجسم المؤرض نتيجة مرور تيار العطل صغيرا جدا .
ولذا ستجد دائما فى محطات التحويل أننا نستخدم شبكة تأريض عبارة عن موصلات أفقية على شكل مربعات بطول ضلع يتراوح بين 3 - 6 متر ، بينما يصل طول الضلع فى تأريض محطات التوليد من 10 إلى 20 متر. وتوضع هذه الشبكة أسفل أرضية المحطة لضمان انخفاض قيمة جهد الخطوة وجهد اللمس كما فى الشكل جانبه. لاحظ أن كل هذه الموصلات مدفونة أفقية تحت سطح الأرضية بمتر تقريبا ثم سنضيف لها إلكترودات رأسية إما عند نقاط التقاطع على محيط الشكل أو عند كافة نقاط التقاطع كما سنرى.
6.الخطوة السادسة : حساب مقاومة شبكة الأرضي
مقاومة شبكة الأرضى التى تم رسمها فى الخطوة السابقة تحسب من المعادلة التالية:
ويتضح منها أن قيمة المقاومة تتوقف على :
1- إجمالى أطوال الموصلات الأفقية المستخدمة فى شبكة المربعات (الخطوة السابقة)
2- إجمالى عمق الإلكترودات الرأسية (الخطوة السابقة)
3- عمق الدفن
4- المساحة المغطاة بشبكة التأريض (معلومة)
5- المقاومة النوعية للتربة (خطوة - 1 )
وكما ذكرنا فهذه المقاومة ليست مقاومة كمية النحاس المدفون بل هى المقاومة المكافئة من نقطة التلامس حتى
مركز الأرض.
7.حساب قيمة أقصى تيار يمر بشبكة التأريض
وهو أقصى تيار عطل يمكن أن نحصل عليه من حسابات الـ Short Circuit . والأصل أن أقصى تيار هو الـ
3-phase short circuit current ويحسب من المعادلة التالية
