اهداف کلی :

1. اهداف کلی: هدف از طراحی سیستم ارتینگ :: • 1 - حفظ عایق بندي و تامین صحت کار لوازم و دستگاههاي الکتریکی و محدود کردن اضافه ولتاژها و کمک کردن به کارکرد صحیح لوازم با قطع مدارهاي معیوب.( به این اتصال ،زمین الکتریکی یا اتصال زمین سیستم گویند) • 2 - ایجاد ایمنی براي افراد در تماس با تجهیزات الکتریکی می باشند و محدود کردن خطر آتش سوزي از راه قطع سریع مدار معیوب از طرف دیگر و به کمک وصل بدنه تجهیزات به هادي خنثی یا زمین ( به این اتصال زمین، اتصال زمین ایمنی یا حفاظتی گویند )

3. حداکثر شدت جریانی که ممکن است از بدن انسان عبور کند . مقاومت بدن انسان برابر 1000 اهم • در صورت صرفنظر نمودن از مقاومت های مسیر ولتاز 220 بر مقاومت 1000 اهم مقدار 22 میلی آمپر می گردد . لذا برای اینکه جریان عبوری از بدن انسان را کاهش بدهیم باید مسیرهای موازی با بدن انسان ایجاد نمود که همان مسیر های اتصال زمین می باشد که باعث تقسی جریان می گردد.

4. ولتاژ تماسی و گام مقدار ولتاژ توسط کف دست انسان و بدنه دستگاه یا زمین در زمان وقوع تکفاز به زمین را ولتاژ تماسی میگویند برداشت ولتاژ توسط دو پاي انسان به فاصله یک متر از یکدیگر را در زمان وقوع تکفاز به زمین را ولتاژ گام میگویند. انواع سیستم ارت فشار ضعیف در شبکه هاي فشار ضعیف سه نوع سیستم زمین زیر معمول میباشد. IEC مطابق استاندارد 364 IT - TT - TN – حرف اول:مشخص کننده نوع اتصال نقطه نوترال منبع توان ) ترانس یا ژنراتور ( نسبت به زمین یا ارت میباشد حرف دوم مشخص کننده نحوه ارت بدنه تجهیزات نسبت به نقطه نوترال و یا ارت میباشد. حرفاولازسمتچپمشخصکنندهرابطهمنبعبازمیناست

5. - T (Terra)یک نقطه از سیستم مستقیماٌ به زمین وصل است. (معمولاٌ نقطه خنثی) I (Insulated)-قسمتهاي برقدار سیستم نسبت به زمین عایق اند یا یک نقطه از سیستم از طریق یک امپدانس -N (Neutral)بدنه هادي از نظر الکتریکی مستقیماٌ از طریق سیم ارت به نقطه نوترال وصل گردد. -TN-C (Common)در سراسر سیستم بدنه هادي از طریق هادي مشترك حفاظتی و خنثی (PEN) به نقطه خنثی وصل میشود TNS در سراسر سیستم بدنه هادی از طریق هادی جداگانه ارت به نقطه خنثی یا نوترال منبع متصل می گردد شکل 1 : سیستم ایزوله شکل 2 : سیستم ارت ونول مشترک و جداگانه

6. سیستم منتخب در ایران : نوع سیستم ارت مورد استفاده در شبکه هاي عمومی فشار ضعیف از نوعTNو براي شبکه هاي صنعتی برحسب نوع IT یا TN استفاده میگردد. نوع حفاظت در انواع سیستم ارتینگ : طبق استاندارد جریان بیش از 30 میلی آمپر در زمان بیش از 10 ثانیه باعث کشته شدن افراد می گردد ..IEC(60479-1) در نمودار زیر اگر جریان 500 میلی امپر در زمان 0.01 ثانیه از بدن شخص عبور کند باعث از بین رفتن شخص خواهد شد. لذا در طراحی ارتینگ بحث حفاظت و زمان عبور جریان فاز به زمین از تجهیزات و بدن انسان بسیار مهم بوده و رله های مربوط به تریپ ارت در زمان درست عمل نمایند .( درحد میلی ثانیه)

7. سیستم IT : در این سیستم بعلت اینکه منبع و مصرف کننده جداگانه به زمین متصل می گردند مقاومت مسیر بالا بوده و جریان ارت فالت بسیار محدود است و در صنعتی که نخواهیم قطع برق داشته باشیم استفاده می گردد . سیستم TT : در این سیستم جریان اتصالی به زمین شاید از جریان نامی کمتر باشد لذا بایستی حتما از تجهیزات مانیتورینگ عایق و RCD و ELR استفاده گردد.

8. سیستم TN : این سیستم بعلت بالا بودن شدت جریان اتصال کوتاه از کلید های معمولی مانند MCCB-MCB-MPCB می توان استفاده نمود

9. معیار عملکرد حفاظتی : جهت اطمینان از سیستم عملکرد حفاظتی بایستی حداقل جریان اتصال کوتاه محاسبه گردد که وسایل حفاظتی سریعا مسیر را در حداقل زمان پاکسازی کنند Isc(min)=0.8Uph/ (Rph+ RPE) Isc(min)=0.8Uph/ (Rph+ RPE)

10. مقایسه سیستم های شیکه با یکدیگر: RG1=SOURCE RESISTANCE RG2=LOAD RESISTANCE

11. نحوه اتصال سیم پیچ ترانسفورماتورها : اتصال ترانس ها معمولا به سه صورت ستاره –مثلث – زیگزاگ می باشد • اتصال ستاره -Y :این نوع از اتصال برای استفاده در سطح ولتاژهای بالا مقرون به صرفه می باشد . وجود نقطه نوترال این امکان را می دهد- کاهش سطح عایق بندی از دیگر مزایای این نوع اتصال می باشد • اتصال مثلث – D این نوع اتصال بر ای جریان های بالا و ولتاژهای پایین توجیه اقتصادی بهتری دارد . ترکیب این اتصال با اتصال ستاره امپدانستوالی صفر سیم پیچی را کاهش می دهد. در سیستم های توزیع از این اتصال بیشتر برای سیم پیچی اولیه استفاده می شود. • اتصال زیگزاگ - Z این نوع اتصال به تعداد دو رهای بیشتری نسبت به اتصالY نیاز داشته و ساخت آن نیز مشکل تر می باشد . از این اتصال در ترانسفورماتورهای زمین و سیستم های با بار نامتقارن و قدرت های پایین استفاده می شود.

12. لذا می توان نتیجه گرفت : • نحوه اتصال ترانسهای HV / MV بصورت Ydn می باشد • نحوه اتصال ترانسهای MV / LV نیز بصورت DYn می باشد.(نیاز به نول در LV ) • نحوه اتصال ترانسهای MV / MV بصورت DYN می باشد. ( معمولا ترانسهای MV/MV بصورت 33/6.6KV می باشند که در موتورهای 6.6KV هارمونیک تولید می گردد اگر سمت اولیه را ستاره بگیریم هارمونیک تولیدی به شبکه منتقل می گردد) نحوه اتصال و گروه های برداری متداول ترانسفورماتورهای قدرت در سطوح ولتاژ توزیع

13. آیا دریک ترانس می توان ارت سمت MV و LV را یک نقطه در نظر گرفت ؟ طبق استاندارد 110 : در نیروگاه ها و پستهای برق اتصال زمین مشترک برای قسمت MV و فشار ضعیف مجاز نمی باشد .

14. طراحی سیستم زمین : افزايش پتانسيل زمين، :GPR ( Ground Potential Rise). دامنه اين ولتاژ برابر است با ماکزيمم جريان اتصال کوتاه شبکه در مقدار مقاومت شبکه زمين، که رابطه آن در زير آمده است. GPR=RG . Isc( max ) ولتاژ گام : (Step Voltage) اختلاف پتانسيل بين پا های انسان به فاصله يک متر -ولتاژ تماس: (Touch Voltage) اختلاف پتانسيل بين افزايش پتانسيل زمين و پتانسيل سطح در نقطه ای که شخص با يک دست به استراکچر فلزی مرتبط می گردد.

15. ولتاژ مش، : ( Mesh Voltage) ماکزيمم ولتاژ تماس در داخل مش يک شبکه زمين را ولتاژ مش می گويند. محاسبه ولتاژ مجاز گام: شکل زیر بیانگر خطا روی استراکچر میباشد و شخص در محیط در حال حرکت است. مطابق شکل جریان خطا If بین دو پای شخص جاری میگردد. همچنین مقاومت کف پای انسان نسبت به جرم کلی زمین را Rf در نظر گرفته میشود. بنابراین رابطه ولتاژ گام مجاز بین دو پای شخص برابر است با:

16. جریان مجاز عبوری از بدن انسان ولتاژ مجاز گام انسان مقاومت کف پای انسان نسبت به زمین مقاومت بدن انسان برابر 1000 اهم کف پای انسان نسبت به زمین از رابطه زیر محاسبه میگردد مقدار b از رابطه زیر محاسبه میگردد.

17. که در آن A مساحت کف پای انسان میباشد و مقدار آن برای پاهای بزرگسالان برابر 200CM2 در نظر گرفته شده است. بنابراین مقدرا b=0.08 mمحاسبه میگردد. بنابراین مقاومت پایی که با زمین ارتباط دارد برابر است با: بنابراین رابطه ولتاژ گام مجاز برای افراد 50 و 70 کیلوگرم ، به صورت استخراج میگردد.

18. محاسبه ولتاژ مجاز تماسی: شخص با لمس کردن استراکچر در زمان وقوع خطای بدنه، در معرض ولتاژ تماس ناشی از اتصال کوتاه قرار میگرد. بنابراین مقدار ولتاژ تماسی مجاز شخص باید بیشتر از مقدار ولتاژ تماسی تولید شده توسط اتصال کوتاه فاز به بدنه باشد تا شخص در معرض برق گرفتگی قرار نگیرد. مطابق شکل فوق ، جریان از طریق دست جاری و از طریق پای انسان به دو قسمت تقسیم میگردد. به عبارت دیگر مقاومت بین دو پای انسان با هم موازی () و با مقاومت بدن انسان (Rb) سری میگردد بنابراین رابطه ولتاژ تماسی مجاز برابر است با:

19. بنابراین مقدار ولتاژ تماسی مجاز برای اشخصاص 50 و 70 کیلوگرم برابر است با: اثر سنگهای شکسته روی سطح خا در روابط ولتاژهای مجاز : • در صورت استفاده از یک لایه نازک از سنگهای شکسته مانند Gravel روی سطح خاک، سبب افزایش مقاومت مجاز کف پای انسان نسبت به زمین خواهد شد. اگر مقاومت ویژه لایه نازک خاک یا سنگریزه اضافه شده را 𝜌 S در نظر بگیریم ( مقدار آن نسبت به مقاومت ویژه خاک (𝜌) بسیا زیاد میباشد) ، مقدار مقاومت کف پای انسان نسبت به زمین، برابر است با:

20. رابطه C S برابر است با: که در آنها: • مقاومت 𝜌 S ویژه سنگریز به ارتفاع h S اضافه شده به خاک • 𝜌 S ضریب کاهنده مقاومت ویژه خاک اضافه شده و خاک طبیعی • h S ارتفاع سنگریزه اضافه شده بر حسب (m) به سطح خاک طبیعی محاسبه مقاومت مش مقاومت یک مش نسبت به جرم کلی زمین برابر است با:

21. محاسبه ولتاژ مش از اتصال کوتاه ماکزیمم ولتاژ تماسی را ولتاژ مش می گویند و مقدار آن از رابطه زیر محاسبه میگردد. Km : ضریب هندسی زمین Ki: ضریب تصحیح : متوسط شدت جریان جاری شده در زمین به طول مش

22. The geometrical factor Km (Sverak [B132]), is as follows محاسبه ولتاژ گام ناشی از اتصال کوتاه

23. سايزينگ هادی ارتينگ - محاسبه مقاومت زمين برای اکثر خطوط انتقال و پستهای بزرگ ، مقاومت را 1 اهم و يا کمتر لحاظ میکنند و برای پستهای توزيع رنج قابل قبول بين 1 تا 5 اهم می باشد. مقدار مقاومت زمين را بطور دقيق می توان از رابطه زير محاسبه نمود.

24. مراحل طراحی سیستم زمین بلوک دياگرام صفحه بعد ، مراحل طراحی يک شبکه را نشان می دهد که ذيلاٌ هر يک از مراحل بررسی می شود

26. مراحله 1: جمع آوری اطلاعات: A= مساحت پست بر حسب M^2 ρ= مقاومت ويژه خاکبر حسب- M Ω فرض : مساحت wxh=15×30 m مقاومت ویژه خاک = - M Ω30 مرحله 2: محاسبه سطح مقطع هادی:

29. سایز سطح مقطع سیم ارت تقریبا برابر 25میلی متر مربع گردید که طبق استاندارد جهت تحمل استحکام مکانیکی طبق نشریه 110 بایستی حداقل سیم ارت انتخابی 70 میلی متر مربع انتخاب می گردد Diameter of grid conductor:

30. مرحله 3: ولتاژهای گام و تماس قابل تحمل: حفاظت شخص تابعی از مقدار مجاز ولتاژ شوک و زمان پاک شدن خطا می باشد، که ماکزييم مقدار ولتاژ مجاز گام و تماس از رابطه زير محاسبه مي گردد.

32. مرحله 4: طرح اولیه شبکه زمین :

33. مرحله 5: محاسبه مقاومت زمین L=(30×3)+(7×15)=195+(4×2.5)=205m h= 1m A= 450m2

34. مرحله6: محاسبه مقدار ماکزيمم جريان عبوری از شبکه.

35. Ig=Df . Sf . If Ig=1.026x1x10000 = 10260 A

36. مراحله 7: در صورتيکه شرط IG.RG < Etouch بر قرار باشد طراحی کامل است در غير اينصورت مراحل زير بايستی چک گردد.

37. مراحله 8: مقادير ولتاژ گام و ولتاژ مش طبق روبط بخش IEEE 80.16.5 محاسبه می گردد. لذا Kiiبرابر یک فرض می گردد .Kii=1

42. مرحله9 : در صورتيکه ولتاژ مش محاسبه شده کمتر از ولتاژ تماسی قابل تحمل باشد به مرحله10 میرويم در غير اينصورت مقادير اوليه در طراحی شبکه بايد تغيير يابند. همانطور که مشاهده می گردد شرط ٍETouch (865)< Em(1756) برقرار نشده است لذا بایستی مقادیر در طراحی اولیه تغییر یابند

43. L= 205 + 160 = 365 Kii=1

46. همانطور که مشاهده می گردد شرط ٍEM (810)< ETouch(864) برقرار شده است پس می توان به مرحله 10 برویم. طرح غیر قابل قبول .

47. طرح قابل قبول .

48. مرحله10 : محاسبه ولتاژ گام

49. همانطور که مشاهده می گردد شرط ٍES (655)< Estep(2820) برقرار شده است .

50. Result: