التأريض الكهربائي في المحطات الفرعية والأعطال عالية التردد

أهمية أعمال التأريض الكهربائي في المحطات الفرعية

تعد أنظمة التأريض الكهربائية مهمة في خلق بيئة آمنة للمشغلين البشريين والمعدات في ظل ظروف عابرة، بحيث يجب تأريض التركيبات الكهربائية لعدة أسباب، منها أنه يوفر مسار مقاومة منخفض بين المعدات الكهربائية والأرض، كذلك يوفر إمكانية مرجعية للمعدات الكهربائية، والأهم بأنه يمنع الجهد الزائد المفرط والتدرجات المحتملة التي قد تلحق الضرر بالموظفين البشريين الذين يعملون حولها وتتلف معدات الطاقة.

وبشكل عام، يتدفق أي تيار عطل في “محطة فرعية” للطاقة “عبر الأرض” وعبر نظام قطب أرضي، والذي له مقاومة لتدفق التيار الكهربائي، كما تتسبب المقاومة في زيادة جهد نظام القطب الكهربائي الأرضي، لذلك قد يتسبب اختلاف الجهد الكهربائي الناتج عن الزيادة المفرطة في تلف المعدات ويعرض للخطر حياة البشر والحيوانات بالقرب من النظام الأرضي.

كما أن تصاميم وإجراءات التأريض تحت ترددات القدرة موصوفة بشكل شامل في العديد من المعايير، بحيث تختلف سلوكيات أنظمة التأريض في ظل ظروف التردد العالي والظروف العابرة عن تلك الموجودة في ظروف تردد الطاقة التقليدية، على سبيل المثال يُظهر نظام التأريض الكهربائي سلوكيات مختلفة عندما يمر تيار البرق عبر نظام التأريض.

أيضاً تحدث هذه الحالة بسبب التأثيرات الاستقرائية والسعة على نظام التأريض، بحيث يتدفق تيار برق ضخم مع وقت ارتفاع سريع إلى شبكة التأريض، مما يؤدي إلى وجود جهد كبير عابر في النظام، لذلك يمكن أن تخلق الفولتية الناتجة ارتفاعاً كبيراً في الإمكانات والاقتران الكهرومغناطيسي، مما يؤدي إلى أعطال وأخطاء النظام، خاصة في المعدات الإلكترونية المهمة والحساسة في محطات الطاقة الفرعية.

لذلك؛ فإن البحث عن سلوك نظام التأريض في ظل ظروف عالية التردد وعابرة أمر ضروري لتعزيز أداء وتصميم نظام التأريض، ولقد استكشفت العديد من الدراسات أنظمة التأريض الفعلية والنماذج على نطاق منفصل، وعلى الرغم من أن التجارب يمكن أن توضح عمليات التأريض الفعلية، إلا أنها تتطلب مساحة كبيرة، مما يعكس ارتفاع التكاليف.

وبالتالي، تم استخدام طرق النمذجة العددية باستخدام “المحاكاة الحاسوبية” كحل لقيود مساحة المختبر باهظة الثمن، بحيث يمكن تصنيف النماذج العددية إلى أربعة أنواع، وهي نماذج الدوائر الكهربائية ونماذج خط النقل (TL) و”النماذج الكهرومغناطيسية” والنماذج الهجينة.

طرق نمذجة أنظمة التأريض الكهربائي

من الناحية النظرية، يمكن تصنيف معظم النماذج العددية لتحليل التأريض العابر على النحو التالي:

• نماذج الدوائر الكهربائية.

• نماذج خط النقل.

• النماذج الكهرومغناطيسية.

• النماذج الهجينة.

نماذج الدوائر الكهربائية تشبه نماذج الدوائر الأساسية التي تعتمد على التحليل العقدي وقانون كيرشوف للدوائر المجمعة المحددة لكل جزء صغير من موصلات التأريض، لذلك في البداية تعاملت هذه النماذج مع معلمات مقطع شبكة التأريض على أنها مستقلة عن التردد الكهربائي، أيضاً تم تطبيق التحليل العقدي على هذا النموذج لعناصر الدائرة المستقلة عن التردد للقطاعات الصغيرة تم حل المعادلات على أساس “معادلة لابلاس”.

كذلك تم تحسين النموذج المقترح لاحقاً باستخدام معادلات ماكسويل للنظر في تأثير التردد على معلمات أنظمة التأريض، وتم اقتراح نموذج متواضع لأنظمة التأريض يأخذ في الاعتبار التأثيرات المتبادلة، وبعد ذلك تمت مقارنة بعض نماذج الدوائر المكافئة مع النماذج السابقة الأخرى لأخذ تأثير تأين التربة في الاعتبار.

كما تمت التوصية باستخدام نموذج الدائرة المجمعة لمحاكاة أقطاب التأريض في ظل ظروف عابرة، بحيث يمكن بسهولة محاكاة المقاوم (R)، الحث (L)، المكثف (C) (RLC) في البرامج العابرة، مثل البرنامج العابر الكهرومغناطيسي (EMTP)، بحيث يوضح الشكل التالي (1) نموذج دائرة مجمعة متطابقًا لقطب تأريض نموذجي، وهي لا تفكر في تأخر انتشار الموجة وتشتمل على قسم واحد فقط من مكونات (RLC).

في الشكل السابق (1)، يؤثر التيار على قطب التأريض ويتدفق إلى الأرض مما يزيد من المقاومة وله ثابت عازل (ε)، وبالتالي يتطور التيار الموصل في الأرض عندما يتغير جهد القطب الكهربائي بمرور الوقت، كذلك التيار السعوي يتبع مسار التيار الموصل، لذلك يكتسب القطب الأرضي سعة، والتي تبادل المقاومة الموضحة في المعادلة (1) و (3).

أيضاً يتم حساب محاثة مثل هذا القضيب باستخدام المعادلة (2)، بحيث يتم إعطاء التعبيرات التقليدية لمقاومة الأرض (R) والحث (L) والسعة (C) لقضيب عمودي على التوالي من خلال المعادلات التالية، وذلك مع افتراضات (l ≫a و l≫d):

حيث أن:

(ρ): هي مقاومة التربة [Ω .m].

(L): طول القطب [m].

(a): هو نصف قطر القطب [m].

(d): هو عمق الدفن [m].

حيث أن:

(μ): هي نفاذية التربة (4π × 10−7 H / m).

(L): طول القطب [m].

(a): هو نصف قطر القطب [m].

حيث أن:

(ρ): هي مقاومة التربة [Ω.m].

(ε): هي سماحية التربة [F / m].

(R): هي مقاومة الأرض المحسوبة باستخدام المعادلة (1).

كما يمكن تصميم نماذج الدوائر الكهربائية بسهولة في البرامج القائمة على الدوائر ويمكن تضمين ممانعتاها المتبادلة في الحسابات، كما ويمكن اعتبار عناصرها غير الخطية، ومع ذلك؛ فإن نماذج الدوائر غير قادرة على التنبؤ بتأخيرات الانتشار المفاجئ ودقة استجابات الجهد العابر ليست عالية مثل تلك الخاصة بنماذج المجال الكهرومغناطيسي.

نماذج (TL) والتي يمكن اعتبارها امتداداً لنماذج الدوائر قابلة للتطبيق بشكل كبير وبسيطة وفعالة من الناحية الحسابية، كذلك بعض نماذج (TL) مناسبة للاستبانات في المجال الزمني، بينما البعض الآخر فعال في مجال التردد، لذلك تم اقتراح نماذج TL الأولى، كما تم تصميم السلك الأفقي كنظام تأريض على أساس مفهوم الخسارة (TL) مع نفس الخصائص المؤقتة مثل خط النقل العلوي كما هو محدد في معادلات التلغراف.

أيضاً تم إطالة نموذج (TL) النموذجي من أسلاك التأريض الأساسية إلى شبكات التأريض، كما وتم تحسينه من المعلمات الموحدة إلى غير المنتظمة لكل وحدة، بحيث يمكن حساب هذا النموذج في مجال الوقت أو التردد الكهربائي ويمكن أن يشتمل على أدوات اقتران متبادلة بين أسلاك التأريض، وكذلك تأين التربة.

أيضاً يتم استخدام نموذج موزع بشكل موحد للنظر في التوزيع غير المنتظم للتيار على طول الأقطاب الكهربائية، وذلك كما هو موضح الشكل التالي (2) ينقسم هذا النموذج إلى نماذج مجمعة مقسمة إلى أقسام (N. VLi) هو الجهد الحثي في كل قسم.

لذلك يجب مراعاة عدد الأقسام لتحديد قيم (RLC) للنموذج الموزع لكل مقطع، عادة كل متر من قطب الأرض يساوي قسم واحد، بحيث يتم تحديد توزيع الطول لكل وحدة للمعلمات لكل قسم تقريباً على النحو التالي:

حيث يتم الحصول على (R)، (C)، (L) بواسطة العلاقات (1) إلى (3) في نهج نموذج الدائرة، كذلك؛ فإن المعامل (r ′) هي المقاومة الكهربائية لقطب طول الوحدة (in Ω)، (ρc) هي المقاومة الكهربائية للقطب، والتي يتم قياسها بوحدة (Ω .m)، (a) هو نصف قطر القطب الكهربائي (بالمتر).