پایان نامه بررسی تاثیرصاعقه بر قابلیت اطمینان خطوط انتقال نیرو

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی برق

گرایش قدرت

چکیده

اضافه ولتاژها یکی از مهمترین عوامل مخرب و تهدید کننده  عایق تجهیزات شبکه قدرت  بوده و اغلب باعث ایجاد وقفه در سرویس دهی و کاهش کیفیت توان و قابلیت اطمینان سیستم می شوند.ا ضافه ولتاژهای گذرا  ناشی از صاعقه در سیستم قدرت  خیلی رایج تر و خطرناک تر بوده و از اهمیت  بیشتری در هماهنگی  عایقی  سیستم برخوردار می باشند.   بنا بر این  در این پایان نامه به ارزیابی  مسائل مختلفی در خصوص اضافه ولتاژهای صاعقه  در یک سیستم 400 کیلو ولت  با خطوط هوایی و خط با عایق گازی Gil))با استفاده از نرم افزار EMTP RV پرداخته شده است.در این پایان نامه  مطالعه جامعی برای بررسی مسائل مختلف در خصوص  اضافه ولتاژهای صاعقه انجام گرفته است  از جمله :موج اصلی و برگشتی صاعقه ، عملکرد خطوط هوایی و خط با عایق گازی در اثر موج های صاعقه ، برسی اضافه ولتاژهای صاعقه ناشی از برخورد صاعقه به دکل یا سیم زمین و برخورد مستقیم صاعقه به سیم های فاز ، تاثیر ساختار و ابعاد دکل در ایجاد این اضافه ولتاژها ،طراحی سیستم زمین دکل ها و تکنیک  های مدل  سازی  آن،ویژگی های خاک و تاثیر نصب برقگیرها  درمکان های مختلف،در نهایت با  معرفی و تعیین پارامترهای موثر  در ایجاد اضافه ولتاژها ، استراتژی های کمک کننده ای معرفی شده است. 

واژگان کلیدی :EMTP RV ، اضافه ولتاژ صاعقه ، قابلیت اطمینان، جرقه برگشتی ،  برقگیر ،خطوط هوایی و خط با عایق گازی  

آشنایی با صاعقه و پدیده تخلیه جوی

مهمترین وظیفه یک سیستم قدرت تامین برق موردنیاز مشترکین با حداقل قیمت و سطح قابل قبولی از قابلیت اطمینان می­باشد . بنابراین مطالعات قابلیت اطمینان درسیستم های قدرت یکی ازمهمترین وظایف تعریف شده دربرنامه ریزی توسعه این سیستم ها می باشد. قابلیت اطمینان ، به خصوص در سیستم های انتقال وفوق توزیع ازجمله موضوعاتی است که در سال های اخیر بسیار موردتوجه شرکت های برق منطقه ای قرارگرفته است . صاعقه به عنوان مهمترین منبع خارجی به وجودآورنده اضافه ولتاژهای گذرا درشبکه قدرت از اهمیت بالایی برخوردار است، اهمیت اضافه ولتاژهای گذرای ناشی ازصاعقه را می توان در نقش مخرب آن درشبکه قدرت جستجو کرد. در این پایان نامه  ضمن معرفی انواع اضافه ولتاژهای ایجاد شده در سیستم قدرت ،  با معرفی و مدل سازی صاعقه و پدیده جرقه برگشتی  و عوامل موثر در بروز  این پدیده  به تجزیه و تحلیل اضافه ولتا ژهای ایجاد شده در اثر اصابت موج اصلی و برگشتی صاعقه  با استفاده از نرم افزار EMTP RV [1]  پرداختیم. روش های متعارفی برای  کاهش جرقه برگشتی  و بهبود عملکرد  خطوط انتقال و افزایش قابلیت اطمینان وجود دارد که از مر سوم ترین آنها  کاهش مقاومت پای دکل و نصب برقگیرها  می باشد .  لذا در این گزارش با مدل سازی فرکانس بالای میله­های سیستم زمین ،بررسی تاثیرساختار و ابعاد دکل، تاثیر امپدانس زمین  بر وقوع  جرقه برگشتی و نصب برقگیرها و ...سعی در جهت کاهش  اضافه ولتاژهای ناشی از اصابت صاعقه شده است. 

خطوط انتقال انرژی و ایستگاه‌های فشار قوی در شبکه‌های سراسری انتقال انرژی آسیب‌پذیرترین و حساس‌ترین قسمتهای شبکه را در قبال پدیده‌های طبیعی ازجمله رعد و برق یا تخلیه جوی الکتریکی تشکیل می دهند. در هنگام وقوع صاعقه امکان برخورد آن با هادی­های خط انتقال که حاوی ولتاژهای عمدتاً بالایی هستند وجود دارد. بسیاری از شبکه­های انتقال از مناطق کوهستانی با ارتفاع بالا عبور می­کنند. بسیاری از این مناطق مخصوصاً در فصل­های بهار و پاییز با پدیده رعد و برق­ مواجه هستند. صاعقه می­تواند در صورت بالا بودن امپدانس دکل باعث افزایش ولتاژ بدنه و تولید جرقه برگشتی و در نتیجه بروز قطعی در سیستم قدرت شود.

بررسی های انجام شده در کشور آمریکا و کانادا در طول 14 سال بهره‌برداری از حدود 25000  مایل خطوط انتقال نیرو نشان می دهد که 26 درصد قطعی‌های برق خطوط انتقال 345  کیلو ولت در اثر برخورد صاعقه به وجود آمده است و بررسی های مشابه در کشور انگلستان که آن هم در یک دوره 14 ساله انجام گرفته نشان می‌دهد که از حدود 5000 قطعی در خطوط توزیع نیرو تا ولتاژ 33 کیلو ولت ، 47 درصد آن ها در اثر صاعقه به وجود آمده‌اند. از این رو روشن است که یکی از مهمترین وظایفی که باید در جهت بالا بردن قابلیت اطمینان سیستم خطوط انتقال و توزیع نیرو باید مورد مطالعه و توسعه قرار بگیرد چگونگی دفع اثر صاعقه است. لزوم بررسی صاعقه به علت اهمیت عمده آن در ایجاد اختلال در برق رسانی و قطع سراسری شبکه و انرژی مورد نیاز مصرف کننده ها می باشد. هر گونه تخلیه جوی  بر هر نقطه از خطوط انتقال انرژی به صورت قوس الکتریکی در فواصل هوایی ایزولاسیون خطوط ظاهر گردیده ، ایزولاسیون پیش‌بینی شده خطوط را مختل و شبکه را با خاموشی کامل مواجه می سازد.

بر طبق  مشاهدات  و تجربیات روزانه ، بروز طوفان های موضعی در شرایط جوی مناسب  یونیزه گشتن مولکول های بخارآب و مولکول های تشکیل دهنده ابرها را سبب گردیده ، بارهای الکتریکی  مثبت و منفی حاصل درآن ها  را تقسیم و متراکم می سازد.

شکل(1- 1): تقسیم بار های الکتریکی  مثبت و منفی

قطرات حامل بارهای مثبت در یک طرف و بارهای منفی در طرف دیگر ابرها انباشته گشته، توده  ابرها با بار های الکتریکی  را به وجود می آورند،ظهور ابرها با بارهای الکتریکی تفکیک شده و دو قطب مثبت و منفی را پدید آورده اصطلاحا آن را پلاریزه می سازد . ایجاد  دو قطب منفی و مثبت شدت میدان الکتریکی را درحد فاصل آنان به وجود آورده ،انباشته گشتن هرچه بیشتر بارها،شدت میدان الکتریکی را به طور مداوم افزایش  می دهد. در صورت تجاوز میدان الکتریکی از شدت میدان مقاوم هوا، قوس و تخلیه الکتریکی  بین دو قطب مثبت و منفی  در ابر روی می دهد. با تراکم  بارها در ابر و قطبی شدن آن ها، بارهای الکتریکی مشابه نیز در سطح زمین القا گشته ،شدت میدان الکتریکی در حد فاصل ابر و زمین ظاهر می گردد. به طوری که قوس و تخلیه جوی در داخل ابرها ، بین ابرها، ابرها با زمین روی می دهد. قوس به صورت مسیر الکتریکی مناسب در پی نزدیک گشتن بارهای الکتریکی غیر همنام و جذب آنان به یکدیگر در حد فاصل  دو قطب ظاهر می گردد. با بروز قوس بارهای الکتریکی مثبت و منفی انباشته شده در دو طرف ابر و یا ابر و زمین به سوی یکدیگر جریان یافته با یکدیگر جمع شده ، همدیگر را خنثی ساخته ، مولکول های کامل را پدید می آورند ، این عمل به تخلیه بارهای الکتریکی مرسوم می باشد. با تخلیه بارها از شدت میدان الکتریکی کاسته گردیده ، قوس خفه گشته و تخلیه بارها قطع می گردد.مسیر تخلیه بارها و محل بروز قوس به فاصله زمانی چند میلی ثانیه  یونیزه  می گردد،با خفه شدن قوس ، مسیر فوق مجددا یونیزه گشته و از خاصیت دی الکتریک کامل برخوردار می گردد. بروز قوس تخلیه با نور و صدای شدید همراه می باشد  به همین علت پدیده فوق اصطلاحا رعد و برق یا (Lightning )نامیده می شود. چون بروز قوس و یا رعد و برق به صورت پدیده جوی به منظور انتقال بارهای الکتریکی از ابر به زمین و بالعکس روی می دهد  لذا به تخلیه جوی یا تخلیه طبیعی ((Natural Discharge نیز مرسوم می باشد.

1 -2- فیزیک صاعقه و خصوصیات تخلیه جوی الکتریکی

صاعقه یک تخلیه گذرای الکتریکی با جریان بالا است. این تخلیه الکتریکی هنگامی رخ می‌دهد که ناحیه‌ای از اتمسفر دارای آنچنان بار الکتریکی شود که میدان ناشی از آن باعث شکست الکتریکی هوا گردد. این عمل به خصوص در ابرهای جوشان(thunder cloud) اتفاق می‌افتد ،این ابرها  را کومولونیمبوس (cumulonimbus) می نامند .تخلیه بین ابرها و یا ابرها با زمین به دنبال افزایش شدت میدان الکتریکی و یونیزه گشتن مسیر باریک و نامشخص از هوا در فاصله بین دو قطب الکتریکی آغاز می گردد.

بروز قوس های متعدد و متوالی به ترتیب در فاصله زمانی بسیار کوتاه چند میلی ثانیه به تعداد بسیار متغیر 10- 1 قوس بر حسب میزان بار ابر تکرار گردیده ، مجموعه آنان به قوس های Restrike موسوم می باشد. هر یک از قوس ها به ترتیب فوق برخورد با Strok نامیده می شوند. به علت فاصله زمانی بسیار ناچیز قوس ها، مجموعه آن ها به صورت قوس واحد متشکل از شاخه های متعدد بنظر می رسد که بطور همزمان روی می دهند. بدین ترتیب یک رعد و برق یا صاعقه ممکن است به یک قوس محدود بوده یا قوس های متوالی را شامل گردد.

دربررسی آماری یک نمونه قوس متشکل از 6 تخلیه متوالی ،  اولین قوس دامنه جریان در فاصله زمانی 10  تا  15 میکروثانیه تا 80 کیلو آمپر افزایش یافته است. در حالی که در قوس های متوالی بعدی دامنه جریان در فاصله 1  تا  2 میکرو ثانیه حداکثر تا 20 کیلو آمپر افزایش می یابد.

یکی از مشخصات اصلی موج های ضربه ای و موج های تخلیه جوی سرعت افزایش جریان آنان در فاصله زمانی پیشانی موج می باشد. این سرعت افزایش با کیلو آمپر بر میکروثانیه بیان می گردد.بدین ترتیب سرعت افزایش موج ولتاژ تخلیه جوی تعریف می شود.این سرعت از تقسیم حداکثر ولتاژ موجی بر زمان پیشانی آن نتیجه شده بر حسب کیلوولت بر میکروثانیه نشان داده می شود.هرقدر سرعت  افزایش موج کمتر باشد تخلیه آن توسط برق گیر ها مطمئن تر است.

سرعت افزایش جریان یا نسبت جریان تخلیه موجی تا حدود 300 کیلوآمپر بر میکروثانیه می رسد. موج ها با پیشانی موج کمتر از 1µs را موج تخلیه جوی می گویند.

لحظه بروز پدیده رعدوبرق بستگی به میزان افزایش بارها و شدت میدان الکتریکی در فاصله بین ابر ها و ابرها با زمین خواهد داشت. برای  شئ با ارتفاع بیشتر و ضخامت و قطر کمتر شدت میدان الکتریکی بیشتر می باشد. وقتی تراکم زیاد باشد در صد بیشتری از تخلیه های جوی به آن نقطه که تراکم میدانی بیشتری دارد برخورد می کند مانند نوک برج ها.ظهور شدت میدان قابل ملاحظه موجب خروج الکترون ها از نقطه راس شئ یونیزاسیون هوا گشته و جریان پیشرو به سمت ابر برقرار می گردد.

1-3 -شاخه های پیشرونده مرحله ای صاعقه (stepped leader)

درسال 1930 مالان (malan) ،کولنز(collens) وهادگز(Hodges) در آفریقای جنوبی به طور گسترده از دوربین  بویز استفاده کردند. این دوربین حرکت نسبی بین فیلم و لنز ایجاد می کند  تا مکانیسم صاعقه را نشان دهد. با استفاده ازلنز ثابت و فیلم نواری متحرک ، تصویری شماتیک شبیه شکل زیر حاصل می شود .

هر صاعقه که به زمین اصابت می کند با یک تخلیه ابتدایی ضعیف شروع شده که شاخه پیشرونده است و از ابر به سوی زمین گسترش می‌یابد و به دنبال آن مسیر برگشتی که با شدت زیاد همراه است ، از زمین به سوی ابر گسترش می‌یابد. در حقیقت تخلیه ابتدایی از ابر به سوی زمین که قبل از مسیر برگشتی رخ می‌دهد، شاخه پیشرونده مرحله‌ای نامیده می شود. به عقیده خیلی از محققین شاخه پیشرونده مرحله‌ای با شکست الکتریکی بین بارهایN وP در ابرجوشان رخ می‌دهد و این شکست بارهای  الکتریکی که قبلاً  به یخ و ذرات کوچک آب چسبیده بودند را به حرکت در می آورد. در این هنگام با جمع شدن بارهای منفی در ابر، میدان الکتریکی ایجاد می‌شود که به صورت ستونی به سمت زمین حرکت می کند و همین ستون شاخه پیشرونده است.

شکل(1- 2):شماتیک اصابت  یک صاعقه  به زمین (با استفاده از دوربین ذکر شده) ،زمان از چپ به راست افزایش  می یابد

1-3-1-مسیر برگشتی (Return stroke)

وقتی که شاخه پیشرونده مرحله ای ، ستونی از بار منفی را به نزدیک زمین می آورد ،میدان الکتریکی قوی حاصل در زمین به قدری است که باعث حرکت بارها به سمت بالا می شود تا به شاخه پیشرونده برسد . وقتی یکی از این تخلیه ها به شاخه پیشرونده می رسد از این لحظه مسیر برگشتی شروع می شود . با اتصال شاخه پیشر ونده به زمین ،بار مثبت  از زمین به سوی ابرها جاری می گرددو با اندازه گیری از روش اسپکتروسکوپی (Spectroscopy) درجه  حرارت مسیر به  حدود k30000  می رسد.

1-3-2-شاخه پیشرونده تیری شکل(Dart leader)

بعد از اینکه جریان کانال قطع شد،صاعقه پایان می یابد .اگر بار اضافی در بالای کانال باشد ،شاخه های جدیدی از برق ایجاد می گردد که در این حالت صاعقه چند شاخه(multiple stroke)حاصل می گردد. بار مورد لزوم برای شاخه های ایجاد شده از قسمت های بالای ناحیه Nتامین می گردد.شاخه های پیشرونده بعد از اولین مسیر برگشتی مطابق شکل بالا را شاخه پیشرونده تیری شکل می نامند. مشخصه های صاعقه شامل مشخصه های پیشرونده مرحله ای ، مسیر برگشتی و..در جدول (1-1)آ مده است .

جدول (1- 1):مشخصه های صاعقه شامل مشخصه های پیشرونده مرحله ای،مسیربرگشتی وشاخه پیشرونده تیری شکل

شاخه پیشرونده مرحله ای

مینیمم

مقدار معمول

ماکزیمم

 طول مرحله ها

3

50

200

فاصله زمانی  بین مراحل  µs

30

50

125

سرعت انتشار شاخه پیشرونده  مرحله ای m/sec

1*105

1.5*105

2.6*106

بار موجود در کانال  شاخه  پیشرونده مرحله ای coul

3

5

20

شاخه  پیشرونده تیری شکل

مینیمم

مقدار معمول

ماکزیمم

سرعت انتشار m/sec

1*106

2*106

2.1*106

بار موجود  در کانال  شاخه پیشرونده تیری شکل coul

0.2

1

5

مسیر برگشت

مینیمم

مقدار معمول

ماکزیمم

سرعت انتشار m/sec

2*107

5*107

1.4*107

سرعت افزایش جریان  sec/µkA

10

>80

زمان رسیدن به جریان ماکزیمم µS

<1

2

30

جریان ماکزیممKA

-

10-20

200

 زمان رسیدن به 50% مقدار ماکزیمم جریان µS

10

40

150

بار انتقالی از جریان مداوم  coul

0.2

2.5

20

طول کانال km

2

5

14

 قوس صاعقه lightning  flash

مینیمم

مقدار معمول

ماکزیمم

تعداد اصابت ها در یک قوس

1

3-4

26

فاصله  زمانی  بین اصابتها درحالتی که جریان  مداوم نیست msec

3

100

طول زمانی یک قوس sec

10-2

0.2

2

بار انتقالی در ضمن یک قوس در حالت جریان مداوم coul

3

25

90

سرعت انتشار از روش عکس برداری به دست می آید و در نتیجه  سرعت حاصل دوبعدی است ،ولی چون قوس ناشی از صاعقه که به زمین اصابت می کند در اکثر اوقات عمودی نیست (سه بعدی است )پس مقادیر ذکرشده کمی کمتر از مقادیر واقعی است .نخستین مسیر برگشت کمترین سرعت انتشار ،کمترین سرعت افزایش جریان ،بیشترین زمان رسیدن به ماکزیمم و بیشترین بار انتقالی را نسبت به مسیر برگشت های بعدی داراست .

جریان ماکزیمم بیش از 200 کیلو آمپر به ندرت توسط محققین گزارش شده است .

 قوس ناشی از صاعقه که 15 تا 20 ثانیه  طول کشیده توسط گادلوتن (Godloton)درسال 1896گزارش شده است.

1-3-3- تخلیه بین ابر (Intra cloud discharge)

1-3-4- تخلیه ای که بار مثبت  را به زمین می آورد.

1-3-5-تخلیه ای با جریان پیشرونده به سوی بالا

1-4-جریان ناشی از  اصابت صاعقه

مهمترین پارامتر صاعقه جریان ناشی از تخلیه بار ابر است که با دانستن شکل موج و دامنه آن مسائل الکتریکی حفاظت در برابر صاعقه قابل حل است . با دانستن مشخصه‌های جریان می‌توان اطلاعات مربوط به بار، انرژی و ممان الکتریکی را به دست آورد.از دید فیزیکدانان اطلاعات موجود در مورد صاعقه کامل نیست، زیرا آنها احتیاج به دانستن اطلاعات در مورد صاعقه در تمام طول کانال دارند و اطلاعات کاملی در مورد تغییرات جریان در طول این فاصله در دست نمی‌باشد. در زیر یک نمونه از شکل موج صاعقه با زمان پیشانی موج 2/8 میکروثانیه مشاهده می گردد.

شکل(1- 3):شکل موج صاعقه باجریان ضربهs µ 2/8

بروزصاعقه معمولاٌ درفصل بهاربیشتراست. امادرپاییزهم صاعقه های شدیدی اتفاق می افتد. درشکل(1-4)

 یک توزیع آماری صاعقه های رخ داده درفصل بهاردریکی از مناطق کوهستانی تایلند نشان داده شده است. صاعقه مثبت حدود 5 % است ودامنه آن بین 11 تا 171 کیلو آمپر  می باشد.

اماصاعقه منفی حدود 95 %  ودارای دامنه بین10- تا  50-   کیلو آمپراست.درنتیجه بیشترتخلیه جوی ازنوع تخلیه بارمنفی می باشد که ازمشخصات این نوع تخلیه قوس های متعدد ومتوالی درطی یک قوس اصلی یا صاعقه،زمان کوتاه پیشانی موج ودامنه بالای اولین تخلیه می باشد.

شکل(1- 4):توزیع آماری صاعقه دریکی ازمناطق تایلند

صاعقه‌های برخورد کننده به زمین صاف ویا اجسام با ارتفاع کم دارای شاخه پیشرونده به سمت پایین است ولی برای اجسام با ارتفاع بیش از 1000 متربا افزایش ارتفاع درصدصاعقه‌های ناشی ازشاخه پیشرونده افزایش می‌یابد. امابایدگفت که اکثرصاعقه‌ها دارای بارمنفی وچنداصابتی هستند. معمولاً دامنه جریان ناشی ازاولین اصابت بیشترین مقدار را دارد ودامنه جریان باتوجه به ارتفاع جسم،ارتفاع محل ومقاومت خاک متغیراست.

1-5– اثر مناطق جغرافیایی و ارتفاع جسم  بر دامنه جریان

اکثر مقادیر به دست آمده توسط محققین در این مورد هم برای اجسام مرتفع است. این مسئله که برای اجسام با ارتفاع کمتر چه تغییراتی حاصل می شود، با توجه به  تحقیقات انجام شده می‌توان به این نتیجه رسید که اجسام با ارتفاع کمتر دارای دامنه جریان کوچکتری هستند.

با بررسی­های انجام شده دیده می شود که نوع منطقه جغرافیایی و ارتفاع منطقه از سطح دریا بر دامنه جریان تأثیر دارد. هر چند نتیجه‌گیری کلی وجود ندارد ولی طبق نتایج به دست آمده می توان گفت مناطق گرمسیری دارای جریان با دامنه بیشتر و مناطق با ارتفاع بیشتر از سطح دریا دارای جریان با دامنه کمتر هستند. البته در مناطق کوهستانی دامنه جریان کمتر است و از نظر تئوری  می‌توان این مسئله را چنین توجیه کرد، که در مناطق کوهستانی  فاصله ابرها تا زمین در مقایسه با نقاط مسطح کمتر است، بنابراین در نقاط کوهستانی اختلاف پتانسیل ابر نسبت به زمین قبل از اینکه بار زیادی ( در مقایسه با مناطق مسطح) در ابر جمع شود به اختلاف پتانسیل مورد لزوم برای شکست در هوا می رسد، لذا دامنه جریان کمتر است.

 در بررسی های انجام شده نیز می‌توان به این نکته اشاره کرد که جریان های ناشی از صاعقه در مناطق با ارتفاع کم اکثراً دارای پلاریته منفی و با افزایش ارتفاع ، درصدی از جریان ها که دارای پلاریته مثبت است افزایش می‌یابد.

1-6-اثر نوع خاک

مقاومت زمین به جنس خاک منطقه بستگی دارد که در جدول (1-2) مقاومت زمین برحسب نوع و شرایط زمین برای چندمنطقه خاص نشان داده شده است. کاهش مقاومت زمین باعث می شود تا زمان تخلیه جریان های ناشی از صاعقه تقلیل یابد و در نتیجه ، عمل موثری است در تعیین فواصل  فازی و کم شدن مقطع سیم محافظ ، ضمناً با این اقدام می‌توان قطعی‌های ناشی از قوس برگشتی (back flash over ) در خطوط انتقال نیرو  را نیز تقلیل داد، چون اگر مقاومت زمین  پای برج ها زیاد باشد ، احتمال تخلیه موج از طریق مقره‌ها نیز وجود دارد(این نوع تخلیه را قوس برگشتی گویند.) در این حالت به جای اینکه جریان صاعقه از مسیر برج ها به زمین منتقل گردد، از طریق زنجیره مقره‌ها در هادی ها تخلیه می‌گردد، که در نتیجه قطعی خط انتقال نیرو را به همراه دارد.

نوع خاک نقش مهمی را در میزان مقاومت مخصوص آن بازی می‌کند. اگر چه نوع خاک را دقیقاً نمی‌توان تعریف نمود. بطور مثال،  خاک رس اشاره بر انواع متفاوتی از خاک دارد. همچنین یک نوع مشخصی از خاک وقتی در جاهای مختلف مورد آزمایش قرار می گیرد. مقاومت الکتریکی متفاوتی از خود بروز می دهد.

جدول(1- 2): متوسط مقاومت زمین در مناطق مختلف برحسب اهم متر

نوع زمین

مقاومت زمین

مناطق دریایی

01/0 تا 1

زمین‌های باطلاقی

10 تا 100

زمین خشک

3 10

صخره

7 10

شن

8 10

سنگ

9 10

1-7-نحوه تاثیر رعد و برق برخطوط انتقال انرژی

آسیب پذیری خطوط انتقال انرژی در قبال تغییرات جوی به خصوص پدیده رعد و برق با توجه به شکل خاص خطوط و تامین ایزولاسیون کنداکتورهای تحت ولتاژ توسط هوا نتیجه می گردد. ایزولاسیون لازم خطوط انتقال انرژی توسط هوا و قرارگرفتن کنداکتورهای تحت ولتاژ یه صورت لخت و معلق از دکل های فلزی و پایه های بتونی در ارتفاع کافی از زمین تامین می گردد.برج های فولادی و کنداکتورهای  تحت ولتاژبا توجه به ارتفاع نصب و قابلیت هدایت بالای خود مناسب ترین و ساده ترین  مسیر تخلیه بارهای الکتریکی جوی را به زمین تشکیل می دهند. این تجهیزات هادی وسیله مناسب جهت جذب بارهای الکتریکی و انباشته گشتن آنان را تشکیل داده،مسیر انتقال بارها را به زمین به وجود می آورند. تخلیه بارها بر برج ها  و کنداکتورهای فاز به صورت موج اضافه ولتاژ در خط ظاهر گردیده، در صورت تجاوز از ولتاژ دی الکتریک فواصل هوایی، قبل از تخلیه کامل به زمین از طریق بدنه برج قوس تخلیه در فواصل را سبب می گردد. بروز بلافاصله به انواع گوناگون اتصالی های فاز به زمین تبدیل گردیده، جریان فالت را برقرار ساخته و به کار افتادن رله های محافظتی و قطع کلیدها را سبب می گردد.

1-8-معرفی اضافه ولتاژها

اضافه ولتاژها،اغتشاشات ناخواسته ای هستند که روی ولتاژنامی سیستم قدرت قرارگرفته و می توانند به صورت مد تفاضلی(بین مدارها یا فازهای مختلف)و یا به صورت مد معمولی (بین فازهای خط و زمین )اتفاق بیافتند. ماهیت تصادفی و متغییر آنها باعث شده که مشخصات آنها را فقط بتوان به صورت آماری جمع آوری کرد. درجدول ( 1-3) بعضی از مهمترین مشخصات انواع اضافه ولتاژها  آورده شده است.

جدول (1-3):مشخصات اصلی اضافه ولتاژهای مهم سیستم قدرت (طبق استاندارد 71IE C    )

اضافه ولتاژها یکی از مهمترین عوامل  مخرب و تهدید کننده عایق تجهیزات شبکه قدرت بوده و اغلب باعث ایجاد وقفه در سرویس  دهی و کاهش کیفیت توان و قابلیت اطمینان سیستم می شوند. اضافه ولتاژهای سیستم به دو گروه کلی ،شامل اضافه ولتاژهای موجی یا گذرا و اضافه ولتاژهای موقتی تقسیم می شوند. اضافه ولتاژهای گذرا ناشی از صاعقه و کلید زنی در سیستم قدرت خیلی رایج تر وخطرناک تر بوده و از اهمیت  بیشتری در هماهنگی  عایقی سیستم برخوردار می باشند. اضافه ولتاژهای ناشی از کلید زنی بیشتر در شبکه های HV,EHVرایج می باشند. اضافه ولتاژهای ناشی از صاعقه از شدت تخریب  بیشتری برخوردارندو مهمترین عامل تهدید و نگرانی در شبکه های با سطح ولتاژ زیر HV می باشند.)فولچیرون،1995)[2]

حفاظت تجهیزات در برابر اضافه ولتاژهای ناشی از کلید زنی آسان تر است و با نصب فیلتر و یا برقگیر مناسب در کنار وسایل کلید زنی ، این نوع اضافه ولتاژها قابل کنترل و حذف می باشند. ولی حفاظت  تجهیزات در برابر صاعقه ،بخصوص در برابر اصابت مستقیم ، خیلی مشکل تر می باشد. برای کاهش اصابت صاعقه به تجهیزات و کاهش دامنه آن، از سیم های محافظ و برقگیر ها استفاده  می شود( رشیدی و همکاران ،1999)[3]

 برقگیرها بصورت موازی با تجهیز تحت حفاظت  قرارمی گیرندو دامنه اضافه ولتاژها را محدود و کنترل کرده وبه زمین تخلیه می کنند. برقگیرها رایج ترین وسایل حفاظتی در برابر اضافه ولتاژهای مخرب در شبکه های قدرت و در تمام سطوح ولتاژی می باشند. لذا برای کاهش صدمات  ناشی از امواج سیار ،لازم است  از تجهیزات محدودکننده و محافظ مثل برقگیرها استفاده کرد . شکل( 1-5) زمان استمرارو دامنه انواع  اضافه ولتاژها برای سیستمی که بطور کامل حفاظت شده باشد را نشان می دهد.

[1] Electro  magnetic transient  program

[2] Fulchiron. D, 1995

[3] Nucci. C.A,1999 Rachidi F,

Lightning Effect Evaluation on Transmission Line Reliability

Abstract: Overvoltages are one of the main threatening and destructive factors in  power systems insulations which often cause service trips and consequently reduction in power quality and system reliability. Lightning transient overvoltages are the most dangerous and prevalent ones which possess a great significance in system insulation coordination. Thus, in this paper using EMTP RV software several issues considering lightning overvoltages are evaluated in a 400 kV system with overhead lines and Gas Insulated Line (GIL). A comprehensive study has been conducted in this paper to investigate various issues affecting lightning overvoltages including: First stroke and subsequent stroke of a lightning, overhead line and GIL performance under lightning strokes, Lightning overvoltages caused by the lightning strokes to the towers or to the ground wire and direct strokes to the phase conductors, tower design and dimensions in overvoltages, grounding system for towers and different modeling techniques and soil characteristics and finally the effect of installing surge arresters. The contributing parameters in overvoltages are determined and remedial strategies are introduced.

Keywords: EMTP RV ,Lightning overvoltage ,back flash over ,surge arrester,         reliability, overhead line, gas-insula ted line