صاعقه وبررسی سیستم زمین برج های خطوط انتقال
صاعقه را مي‌توان يك تخلية گذراي الكتريكي با جريان بالا كه طول مسير آن به كيلومترها مي‌رسد ، تعريف كرد. اين تخليه الكتريكي هنگامي رخ مي‌دهد كه ناحيه‌اي از اتمسفر داراي آنچنان بار الكتريكي شود كه ميدان ناشي از آن باعث شكست الكتريكي هوا گردد. اين عمل به خصوص در ابرهاي جوشان ( thunder cloud ) اتفاق مي‌افتد. اين ابرها را كومولونيمبوس ( cumulonimbus ) مي‌نامند.
در مورد مساله بارداری ابر های جوشن سه تئوری معروف وجود دارد که عبارتند از: 1- تئوری ویلسون 2- تئوری سیمپسون 3 – تئوری ورکمن
هر صاعقه كه به زمين اصابت مي كند با يك تخلية ابتدايي ضعيف شروع شده كه شاخه پيشرونده است و از ابر به سوي زمين گسترش مي‌يابد و به دنبال آن مسير برگشتي که با شدت زياد همراه است ، از زمين به سوي ابر گسترش مي‌يابد. در حقيقت تخلية ابتدايي از ابر به سوي زمين كه قبل از مسير برگشتي رخ مي‌دهد، شاخه پيشروندة مرحله‌اي ناميده مي شود. شاخة پيشروندة مرحله‌اي معمولاً بار منفي از ابر به زمين مي آورد.
اختلاف پتانسيل بين ابر و زمين:
= اختلاف پتانسيل بين ابر و زمين ، = افت ولتاژ در طول شاخة پيشرونده ، = ولتاژ در ابتداي شاخه پيشرونده ( در سطح كانال )
جريان ناشي از اصابت صاعقه:
مهمترين پارامتر صاعقه جريان ناشي از تخليه بار ابر است كه با دانستن شكل موج و دامنه آن مسايل الكتريكي حفاظت در برابر صاعقه قابل حل است. . معمولاً دامنة جريان ناشي از اولين اصابت بيشترين مقدار را دارد و دامنه جريان با توجه به ارتفاع جسم، ارتفاع محل و مقاومت خاك متغير است. بنابر این در نقاط کوهستانی اختلاف پتانسیل ابر نسبت به زمین قبل از اینکه بار زیادی در ابر جمع شود به اختلاف پتانسیل مورد لزوم برای شکست در هوا میرسد.لذا دامنه جریان کمتر است در مورد شکل جریان از تعداد زیادی اسیلوگرام بدست آمده از جریان ناشی از نخستین اصابت و جریان ناشی از صاعقه در مناطق مختلف نشان دهنده اختلاف در شکل جریان اصابتهای بعدی است به همین دلیل زمان رسیدن به 50%ماکزیمم ملاک قرار گرفته است.
هدايت الکتريکی خاک
قابليت هدايت الكتريكي خاك : بررسي خواص الكتريكي خاك بسيار مهم و قابل توجه است. تعيين مقاومت مخصوص خاك در مسائل مربوط به ایمنی الکتریکی و مسائل مربوط به تداخل الکتریکی در خطوط انتقال و مدارهای مخابراتی استفاده می گردد هدایت الکتریکی خاک از طریق آبی که در آن وجود دارد انجام می پذیرد . بنابر این یک هدایت الکترولیتی است .
عوامل موثر بر هدايت الكتريكي خاك عبارتنداز : نوع خاك ، تركيب شيميايي نمكهاي محلول درآب موجود در خاك ، مقدار رطوبت، حرارت، دانه بندي خاك ، كيفيت توزيع آن و ميزان فشردگي خاك.
اثر نوع خاك : مقاومت زمين به جنس خاك منطقه بستگي دارد. كاهش مقاومت زمين باعث مي شود. تا زمان تخلية جريانهاي ناشي از صاعقه تقليل يابد و در نتيجه ، عمل موثري است در تعيين فواصل فازي و كم شدن مقطع سيم محافظ ، ضمناً با اين اقدام مي‌توان قطعي‌هاي ناشي از قوس برگشتي ( Flashover Back ) در خطوط انتقال نيرو را نيز تقليل داد .
اثر رطوبت موجود در خاك و نمكهاي محلول در آن : از آنجا كه هدايت جريان الكتريكي در خاك به صورت الكتروليتي انجام مي‌شود، ميزان آب و نمكهاي محلول در آن اثر مهمي بر روي مقاومت مخصوص خاك داردمقاومت مخصوص خاک بستگی به مقاومت مخصوص آب که آن نیز به مقدار املاح موجود در آن بستگی دارد
اثر درجه حرارت : حرارت عامل بسيارمهمي است، براي مناطقی كه زمستان سردي دارند و زمين در آن فصل تا عمق زيادي منجمد مي‌شودبنابر این باید میله ها را پایین تر از منطقه منجمد فرو برد برای داشتن اتصال زمین خوب در طول سال به عمق میله باید توجه کرد بر اساس آزمایش های صورت گرفته با افزایش حرارت مقاومت مخصوص کاهش می یابد
اثر دانه‌بندي و توزيع آن: اندازة دانه‌ها و كيفيت پخش آنها در خاك روي مقاومت اثر مهمي دارد. اين دانه‌بندي روي ميزان جذب رطوبت خاك موثر است.
اثر عمق : عمق الكترود زمين عامل مهمي در كاربرد الكتريكي آن دارد . الكترودها بايد به چنان عمقي رانده شوند كه به يك سطح خاك با رطوبت دائمي برسند. عمق بيشتر در خاك پايداري بيشتر را باعث شده و كمتر تغييرات فصلي در آن مشاهده مي‌شود.
اثر قطر ميله : افزايش قطر ميله‌ها اثر بسيار كمي روي مقاومت خواهد داشت. نوع خاكي كه دور ميلة اتصال زمين وجود دارد، روي مقاومت آن اثر مي‌گذارد نه قطر ميله . به طور كلي قطر ميلة اتصال زمين بايد به اندازه كافي زياد باشد تا بتوان آن را بدون خم و خراب شدن در زمين قرار داد.
اثر جريانهاي پراكنده در زمين : علت وجودي اين جريانها تا حدي مربوط به كنشهاي الكتروليتي بوده كه روي مقاومت زمين اثري ندارند ولي در موقع اندازه‌گيري مقاومت مخصوص بايد آنها را در نظر گرفت.
طرح سيستم زمين برجهای خطوط انتقال
با توجه به اهميت امپدانس موجي برجها در كاهش درصد بروز قوسهاي برگشتي، همچنين تأثير مقاومت زمين طبيعي برجها در ولتاژ تماس بدنه، لازم است مقاومت طبيعي و امپدانس موجي برجها از مقدار مجاز و قابل قبول تجاوز ننمايد. به منظور كاهش مقاومت زمين برجها لازم است ، سطح تماس بدنه فلزي برج از طريق نبشي‌ها ، آرماتورها و فونداسيونها با خاك افزايش يافته و مسير جريان از برج به داخل زمين گسترش يابد. . چنانچه با انجام پيش‌بيني هاي فوق و آنچه كه در قسمت قبل بيان گرديد، مقاومت زمين طبيعي برج تا حد قابل قبول كاهش نيابد، با نصب هاديها در داخل خاک به یکی از صورت های افقی ، قائم ، و کانتر پوز مقاومت طبیعی برج را تا حد قابل قبول کاهش می دهیم .
مقاومت پاي برج : يكي از عوامل موثر در ايجاد قوس برگشتي، مقاومت پاي برج است. . مقدار مقاومت موجي(Impulse Resistance) يا همان مقاومت در فركانس ضربة صاعقه به عوامل چندي از جمله : هدايت الكتريكي خاك ، گراديان ولتاژ بحراني شكست دانه‌هاي خاك ، دامنه جريان موجي ، طول و نوع ميله‌هاي زمين( افقي، عمودي و كانترپوز ) و سيمهاي محافظ وابسته مي‌باشد.
كم كردن مقاومت پاية برجها به وسيله اتصالات اضافی
1- نصب ميلة قائم درزمین
استفاده از میله های طویل
اتصال زمین چند میله ای(میله های موازی)
. مقاومت مسير جريان با مقاومت زمين الكترود قائم از رابطه زير محاسبه ميگردد:
L : طول ميله a : شعاع آن : مقاومت مخصوص خاک
یکی از روش هایی كه براي بهبود كاهش مقاومت زمين مورد استفاده قرار مي‌گيرد استفاده از چندين ميله است. اگر دو يا چند ميله نسبت به يكديگر فاصله مناسب داشته باشند مسيرهاي موازي براي عبور جريان برق را تشكيل مي دهند.
مقاومت معادل دو ميلة موازي تقريباً برابر است با 60 درصد مقاومت يك ميله، و مقاومت معادل سه ميلة موازي برابر است با چهل درصد مقاومت يك ميله، و مقاومت چهارميلة موازي برابر با سي‌وسه‌درصد مقاومت يك ميلة زمين است.
2-نصب ميلة افقي در زمين : هنگاميكه ميله افقي در زمين نصب می شود سطح میله در سرتاسر طول خود با خاک تماس داشته جریان از ابتدای میله به تدریج داخل زمین وارد گردیده از دانسیته جریان میله به سمت انتهای ان کاسته می شود منحنی تغییرات جریان میله بر حسب طول آن (L) به شکل خطی نبوده و شکل هیپربولیک را دارا میباشد.گسترش سطح تماس با افزایش طول و ابعاد آن امکان پذیر می گردد .
3- زمين كردن به صورت كانترپوز : منظور از كانترپوز كردن كم كردن مقاومت بوسيله افزايش سطح تماس با زمين مي‌باشد كه اين افزايش سطح توسط هاديهايي كه در زير زمين به طور افقي خوابانيده مي‌شوند بدست مي آيد. اين هاديها يا به موازات سيمهاي فاز و يا با زاويه‌اي نسبت به سيمهاي فاز در زيرزمين كار گذاشته مي‌شوند. عوامل اصلي در انتخاب يك كانترپوز مناسب، امپدانس موجي خودي و مقاومت نشتي مي‌باشد.
يك سيم يا كانترپوز دفن شده داراي امپدانس موجي خودي اي‌مي‌باشد كه بسته به شرايط خاك بين 150 تا 200 اهم مي‌باشد. هنگاميكه جريان موجي در طول اين كانترپوز سير مي‌كند اين امپدانس موجي كاهش مي‌يابد و به مقدار مقاومت نشتي مي‌رسد. نكتة مهمي كه بايد توجه كرد اين است كه مقاومت نشتي كانترپوز از امپدانس موجي خودي آن كمتر مي‌باشد.
از انواع آرایش های مختلف کانتر پوز ها که در برجهای واقعی استفاده می گردد می توان به :
1-کانتر پوز منفرد – موازی – بهم پیوسته 2- کانتر پوز دوبل - موازی- بهم پیوسته 3-کانترپوز شعاعی 4- کانترپوز شعاعی بهم پیوسته ، اشاره کرد.
طرح سيستم زمين برجها در خطوط انتقال انرژي : مسير جريان موجي تخلية جوي بر برجهاي فشار قوي از طريق بدنة برجها ، آرماتورها و فونداسيون بتني به داخل زمين هدايت مي گردد. . بنابراين طرح سيستم‌زمين برجها به منظور اتصال
افقي مناسب و مطمئن برجها به زمين با توجه به خصوصيات زير صورت مي‌پذيرد :
1- مقاومت موجي اتصال زمين برج حداقل مقدار را دارا گرديده ، درصد بروز قوسهاي برگشتي در طول زنجير مقرة برج تا حد قابل قبولی كاهش يابد.
2- مقاومت زمين برجها به ازاي جريانهاي خطا با فركانس 50 مقدار مورد نظر را تامين ساخته ولتاژ تماس ظاهر شده بر بدنة برج از نظر ايمني كاملاً مطمئن بوده و فاقد هر گونه خطر بروز شوك و يا ضربه باشد.
3- سيستم زمين مورد نظر برج ساده بوده ، نصب آن با حداقل هزينه در فاصلة زماني كوتاه صورت پذيرد.
احداث سيستم زمين برج به صورت افقي به مراتب ساده‌تر از احداث سيستم زمين آن به صورت قائم مي‌باشد. در صورتي كه گسترش شبكه زمين افقي مقاومت موردنظر را تامين نسازد، ميله‌ها يا الكترودهاي قائم در نقاط مختلف مسير سيمهاي زمين نصب گرديده ، توسط سيستمهاي زمين افقي به يكديگر متصل مي‌‌گردند.
زمين كردن برجهاي خطوط انتقال انرژي : تمامي انواع و اقسام برجهاي آهني يا بتون آرمه و حتي نوارهاي فلزي و سيمهاي نگهدارنده تيرهاي چوبي به خاطر اينكه در موقع برخورد صاعقه آسيب نبينند بايد زمين شوند.
زمين حفاظتي برجها بايد حتی المقدور براي مقاومت گسترده زمين حساب شود. در اين رابطه يكي از انواع جريان اتصال زمين ممكن در اين شبكه است.
تخلية جوی الکتريکی بر خطوط انتقال انرژی
تخلية جوي الكتريكي بر هاديهاي فاز : تخلية جوي مستقيم بر سيمهاي فاز به منزلة تزريق قابل توجه بارهاي الكتريكي با سرعت چندين كيلو آمپر بر ميكرو ثانيه مي‌باشد. سرعت قابل توجه تغييرات جريان و افزايش بارها ، فركانس موج را تا حدود چندين مگا هرتز افزايش مي‌دهد. به علت فركانس بسيار بالاي موج ، تخليه در هر فاز بلافاصله به طور همزمان ولتاژهاي مشابه را در دو فاز ديگر القاء مي كند. القاء ولتاژ در دو فاز ديگر با توجه به شرايط خازني فازها صورت مي‌پذيرد .موج حاصل از تخليه جوي از محل تخليه به سوي دو انتهاي خط منتشر مي گردد. و در محل اتصال زنجیر مقره قوس اتصالی ایجاد می گردد و بار های الکتریکی تخلیه جوی به بدنه برج و سپس به زمین منتقل می گردد. موج ولتاژ تخليه جوي ممكن است با ولتاژ اصلي هم جهت بوده ، يا با آن در خلاف جهت باشد.
چنانچه دامنة ولتاژ موجي از سطح ايزولاسيون پيش‌بيني شده خط تجاوز نمايد، قوس و اتصالي در فاصله ايزولاسيون خط روي داده قسمتي از موج به بدنة برج و زمين منتقل گشته و قسمت ديگر به صورت موج بريده شده ( Chopped Wave ) در طول خط منتشر ميگردد.
تخليه جوي بر سيمهاي محافظ : سيمهاي محافظ از جنس فولاد بوده ، مستقيماً به بدنه فلزي برجها متصل مي‌باشند. اين سيمها از طريق بدنة برجها داراي اتصال الكتريكي كامل به زمين مي‌باشند. تخلية جوي بر سيمهاي زمين خط، در طول فاصلة بين برجها و يا در محل برجها روي مي‌دهد. خصوصيات تخليه بر سيمهاي زمين مشابه تخليه بر سيمهاي فاز مي‌باشد. انتشار موج در سيمهاي زمين با توجه به شرايط خازني اين سيمها و فاصله ناچيز آنها از سيمهاي فاز ولتاژ مشابه با دامنة محدود را در اين سيمها القاء مي‌سازد. با انتشار موج در طول سيم زمين و رسيدن به محل اتصال سيم به برج، با توجه به قوانين موجهاي حركتي ، قسمتي از موج عبور نموده، قسمتي از آن منعكس گرديده، قسمت ديگر در برج وارد ميگردد. . چنانچه اتصال برج به زمين به طور كامل صورت نگرفته و مقاومت محل اتصال بالا باشد، امكان تخليه سريع و لحظه‌اي بارها به زمين ميسر نگشته، ولتاژ موجي قابل توجه در محل اتصال سيم زمين به برج ظاهر ميگردد.
تخليه جوي مستقيم بر بدنه برجها : تخليه جوي مستقيم بر بدنه برجها معمولاً بر نقطه رأس برج صورت مي‌پذيرد. ، موج حاصل از تخلية جوی بر برج به سه قسمت تقسيم شده،قسمت اعظم آن با دامنة معادل 90% دامنة موج اصلي در طول بدنه برج منتشر گرديده به زمين منتقل ميگردد. 10% ديگر آن در دو جهت در طول سيمهاي زمين منتشر گرديده، از طريق بدنه برجهاي بعدي به زمين منتقل ميگردد. . ارتباط الكتريكي كلية برجها از طريق سيمهاي زمين به يكديگر مقاومت مسير تخليه بارها را كاهش داده انتقال آنها را به زمين در فاصلة زماني بسيار كوتاه امكان پذير مي سازد. . با توجه به مراتب فوق ، تخليه جوي مستقيم بر برجها، مطلوب‌ترين و مناسب‌ترين حالت تخليه جوي بر خط را تشكيل مي‌دهد. چنانچه انتقال بارها از بدنة برج به زمين به سهولت امكان‌پذير نگردد، پديده بروز قوس برگشتي يا قوس در طول زنجيرمقره را سبب ميگردد.
تخلية جوي مستقيم در مجاور پستهاي فشارقوي : شرايط تخلية جوي بر سيمهاي فاز و بروز قوس برگشتي در صورت تخلية جوي در اواسط خطوط در فاصلة مكاني از پستهاي دو انتهاي خط قابل قبول بوده، موج منتشر شده در طول خط قبل از ورود به پستهاي انتقال انرژي به طور كامل مستهلك ميگردد. هنگامي كه تخليه در مجاور پستها و دو انتهاي خطوط روي دهد، موج با دامنه و شيب قابل توجه قبل از استهلاك كامل وارد پست گرديده و ايزولاسيون تجهيزات موجود در آن را تهديد مي‌نمايد. لذا در اين فواصل لازم است حتي الامكان از تخليه جوي بر سيمهاي فاز جلوگيري شده پيش‌بيني‌هاي كافي جهت انتقال بارهاي تخلية جوي با بروز قوس در طول زنجير مقره به صورت عيوب گذرا فراهم گردد.
راه حل مناسب جهت کاهش سطح ایزولاسیون خط در مچاورپستها نصب شاخکهای برقگیر در طول زنجیر مقره در پاية انتهايي و پايه‌هاي دوم و سوم قبل از ورود خط به پست مي‌باشد. . همچنين به منظور جلوگيري از بروز قوس برگشتي و وارد گشتن ولتاژ موجي حاصل از آن به پستها مقاومت زمين برجها در مجاور پستها به طور قابل توجه كاهش داده شده معمولاً 2 -3 برج واقع در دو انتهاي خطوط به سيستم زمين پست متصل مي گردند.
قوس هنگامي در طول زنجير مقره روي خواهد داد كه رابطه زير برقرار باشد:
: امپدانس موجی خط
به منظور جلو گیری از ورود موج از طریق سیمهای فاز به پستهای فشار قوی از پیش بینی هایی نظیر نصب شاخکهای برقگیر در ورود به پست و نصب برقگیر های فشار قوی و غیره استفاده میکنند.
محاسبات اضافه ولتاژها در خطوط انتقال در اثر اصابت صاعقه
محاسبه دامنه ولتاژ های موجی در نقاط مختلف برجها ، سیم های فازی و زمین در بدست آوردن ولتاز دو سر زنجیر مقره و مقایسه آن با BIL خط حائز اهمیت میباشد.
محاسبة ولتاژ در نقطه رأس برج بر اثر برخورد مستقيم صاعقه : به وسيلة تحليل توسط امواج سيار ولتاژ در نقطة رأس برج به وسيله رابطة زير به دست مي‌آيد :
که در آن : ولتاژ رأس برج بر حسب kV براي زمان t ( برحسب ميكروثانيه ) ، : جريان ضربة صاعقه بر حسب kA در زمان t ( برحسب ميكروثانيه ) ، : امپدانس موجي‌اي كه جريان ضربه با آن مواجه مي‌شود.
: ثابت امپدانس موجي در هر مولفة جريان موجي سيار است كه از رابطه زير به دست مي آيد :
: امپدانس موجي موج ، : امپدانس موجي سيم محافظ ، ( : جريان موجي كه به مدار وارد مي‌شود در زمان گذشتة كه در آن n را عدد موج مي نامند.
: ثابت ميرايي كه سهم بازتاب هاي امواج را كاهش مي دهد.
N : بزرگترين عدد موج ( ) ، R : مقاومت پاي برج ، : زمان سير موج از سر برج تا پاية برج ،
: زمان سير موج از سر برج به بازوها : ولتاژ بازو نسبت به زمين
زمان پيشاني موج 8/1 ميكروثانيه و زمان پشت موج 50 ميكروثانيه در نظرگرفته مي‌شود. حال اگر شكل جريان ضربه از شكل تابع شيب تبعيت كند يعني I=At . ولتاژ رأس برج در زمان پيشاني موج يا پشت موج از رابطه زير بدست مي آيد:
محاسبة ولتاژ روي كراس آرم : با در نظر گرفتن اين فرض كه تغييرات ولتاژ در طول برج زياد نيست، نشان داده مي شود كه ولتاژ پاية برج از رابطه زير به دست مي آيد:
كه ولتاژ مقاومت پاية دكل R ، در زمان مي‌باشد و داريم:
ولتاژ پاية برج در پيشاني يا پشت موج جريان عبارت است از :
پس از آنكه ولتاژ پاية برج معلوم شد ولتاژ جايگزين براي هر كراس آرم عبارت است از :
كه در آن h ارتفاع برج برحسب متر و فاصله كراس آرم از راس برج برحسب متر مي‌باشد.
محاسبة ولتاژ روي زنجير مقره : مقدار اختلاف ميان ولتاژ كراس آرم ، و ولتاژ القاء شده به هادي فازها از نقطة رأس برج از رابطه زیر حصول می گردد:
كه در آن ضريب مقدار كوپلينگ مي‌باشد و زمان انتشار موج از رأس تا كراس آرم مي‌باشد. تركيب معادلات اخير با هم به معادلة زير مي انجامد:
در ادامه پروژه به بررسی حادثه خط 230 KV منتظر قائم –قزوین که دراثر برخورد صاعقه به خط و وارد آمدن خسارت به منازل مسکونی که در حریم خط واقع شده بودند پرداخته شده است .همچنین حادثه مورد اشاره منجر به قطع دو عدد از ترانسفورماتور های پست منتظر قائم با عمل کرد رله های E/F و O/C و خط 230 KV ( منتظر قائم – قزوین) با عملکرد رله دیستانس و واحد گازی شماره 5 سیکل ترکیبی منتظر قائم با عملکرد رله LOCK OUT و جریان زیاد شده است.
با توجه به قابليت بالاي نرم‌افزار ATP ، جهت شبيه‌سازي حالات گذرا از اين نرم‌افزار استفاده شده است. در ابتدا المانهايي از ATP كه جهت شبيه‌سازي به كار رفته‌اند تشريح شده است. در ادامه حادثه خط منتظر قائم ـ قزوين شبيه‌سازي شده و تأثير مقاومتهاي پاي برج مورد بررسي قرار گرفته است. در نهايت تأثير موج صاعقه بر روي سيم محافظ با وجود برقگير و بدون وجود برقگير همچنين تأثير مقاومتهاي مختلف پاي