پنجشنبه, ۹ فروردین, ۱۴۰۳ / 28 March, 2024
مجله ویستا

تاریخچه بهبود معادلات ولتاژ گام و تماس در استاندارد ANSI/IEEE Std ۸۰


تاریخچه بهبود معادلات ولتاژ گام و تماس در استاندارد ANSI/IEEE Std ۸۰
این مقاله سیرتكامل معیار ایمنی و توسعه فرمول مبنا برای ارزیابی پتانسیلهای گام و تماس در پستهای ac،‌از سال ۱۹۶۱ تا زمان حاضر را شرح می‌دهد. اصلاحات پیشنهادی برای نسخه
منتشره در سال ۱۹۹۶ استاندارد ANSI/IEEE Std ۸۰ در زمینه وسیعتری از پیشرفت پیوسته این راهنمای عمومی IEEE، ارایه شده‌اند. مثالهایی از یك طراحی نمونه سیستم زمین، اختلاف در روند ارزیابی موجود در نسخه‌های منتشره در سالهای ۱۹۶۱، ۱۹۸۶ و ۱۹۹۶ (پیشنهادی) و آثار تجربی آنها را در ایجاد یك طرح ایمن، نشان می‌دهند.
از زمان انتشار اولین نسخه در سال ۱۹۶۱، استاندارد IEEE Std ۸۰،‌ راهنمای ایمنی در سیستم زمین پست AC، بطور مطلوبی در صنعت مورد قبول قرار گرفته و بصورت وسیعی در سراسر جهان پذیرفته شده است. كارهای مربوط به تهیه نسخه سال ۱۹۹۶ نیز به خوبی صورت گرفته است، بنابراین مفید است كه لحظه‌ای درنگ كرده وبهبودهای پیشنهادی را در زمینه وسیعتری تا این تاریخ از توسعه راهنما، مرور كرد.
هدف این مقاله ارزیابی سیر تكاملی معادلات ولتاژ گام و تماس در فاصله سالهای ۱۹۶۱ تا ۱۹۹۶ و مستند‌سازی پیشرفت هر دو موضوع معیار ایمنی مبنا و فرمولهای ویژه متضمن معادلات اصلی با تست زمان است.
●معیار ولتاژ گام و تماس (STEP & touch voltage)
هدف از طراحی سیستم زمین ایمن رفع شرایطی است كه در زمانی كه یك فرد بطور آسیب‌پذیر،سطح خطرناكی از انرژی شوك الكتریكی را قبل از رفع خطا و قطع برق سیستم، جذب می‌كند، وجود دارد. بنابراین: همیشه برای ایمنی باید:
كه در آن:
Vsc حد ولتاژ ایمنی است.
Vc ولتاژ مدار حادثه دیده است.
در نسخه‌های منتشره در سالهای ۱۹۶۱ و ۱۹۷۶، معیار ایمنی برای ولتاژهای گام و تماس به صورت ساده زیر تعریف شده بود:
كه در آنها:
Ps مقاومت ماده سطحی برحسب ohms-m و t مدت جریان شوك برحسب ثانیه است.
انتخاب مقادیر مقاومت برای یك لایه سطحی به خواننده واگذار شده بود.
مقدار ثابت ۱۶۵/۰ كه بر ریشه جذر زمان
“t” تقسیم شده بود، از تحقیقات مربوط به آستانه ایمنی جریان بدن كه بوسیله آقای دالزیل در سال ۱۹۶۰ گزارش شده بود، اخذ شده و نشانگر آن بود كه می‌توان انتظار داشت كه ۵/۹۹/۰ مردان سالم، جریان ac به مقدار ۱۶۵ میلی‌آمپر را به مدت یك ثانیه تحمل كنند. فرض مبنا برای معیار ایمنی در همه نسخ استاندارد std۸۰ تاكنون، مقاومت ۱۰۰۰ اهمی بدن، بین دست و پا یا بین دست و دست است.
نسخه منتشره در سال ۱۹۸۶ دو تغییر مهم را ارایه كرد:
۱- معیار ایمنی برای ولتاژهای تماس و قدم، برای تطبیق با حدود پایینتر برای بدن با وزن ۵۰ یا ۷۰ كیلوگرم، مجدداً تعریف شد كه منعكس كننده حاصل مطالعات جدید‌تر آقایان دالزیل و لی است.
۲- فاكتور تصحیح مخصوصی اضافه شده بود تا اثر ضخامت محدود ماده سطحی (كه بطور نمونه، شامل ۶-۴ اینچ از سنگریزه است و لایه محافظی را تشكیل می‌دهد)، و اختلاف زیادی كه اغلب میان مقاومتهای لایه و خاك زیرین وجود دارد، به حساب آیند. عملاً حدود بالاتر برای وزن بدن ۷۰ كیلوگرم، در فنس سوئیچ یارد كه قابل دسترس عموم نیست، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
نسخه پیشنهادی سال ۱۹۹۶ ، معیار ایمنی سال ۱۹۸۶ را بدون تغییر حفظ می‌كند. بنابراین در هر نسخه منتشره در سال ۱۹۸۶ و ۱۹۹۶، معیار ولتاژ گام چنین داده شده است:
و به طور مشابه، معیار ولتاژ تماس چنین است:
كه در آن:
Cs ضریب تصحیحی است كه مقاومت ماده سطحی را كاهش می‌دهد.
كاربرد فاكتور Cs در نسخه سال ۱۹۸۶:
بدون استفاده از كامپیوتر،‌تعیین Cs نسبتاً خسته‌كننده است، خصوصاً وقتی یك لایه سطحی كم ضخامت محافظ، hs، سوئیچ یارد را بپوشاند و مقاومت آن بزرگتر از خاك زیرین باشد. بنابراین مجموعه‌ای از منحنی‌ها تهیه‌ شد. شكل ۱ منحنی‌‌ها بر اساس فرمول زیر بودند:
كه در آن
همچنین بعنوان یك تبصره اختیاری كه به رای خواننده واگذار شده، راهنمای منتشره در سال ۱۹۸۶ یك معادله نیمه تجربی بسیار ساده برای تخمین دیگری از Cs كه در اینجا بعنوان Csest نشان داده شده است در فرمول (۱۰) پیشنهاد كرد.
به هر حال، مطالعات تحلیلی انجام شده در دهه ۹۰ (۸/۷/۶)، آشكار كرد كه فرمول‌(۸) خطای كمتری دارد. خطا ناشی از عدم انطباق كامل معادل ارایه شده توسط آقایان شیائورجنگ، برای یك سیستم عمیقاً دفن شده با یك مورد با عمق كم است. شكل منحنیهای derating حاكی از این اشتباه نظری است. یك انحناء اولیه محدب به مقعر برای عمقهای بین ۰ تا ۰۴/۰ متر وجود دارد كه موجب می‌شود، مقادیر Cs برای hs<۰./۵ بسیار احتیاط‌آمیز باشد.
از سوی دیگر نیز، همانطور كه به وسیله آقای دوالیبی و همكاران او در مقاله (۷) در فرمول ساده و مناسب (۱۰) كه با نوشته‌های آقای اسوراك تطابق داشت، برای تقریب اشاره شده، ثابت شد كه نه فقط نتایج صحیح قابل قبول می‌دهد بلكه برخلاف انتظار، برای لایه‌های بسیار نازك نیز با خطای كوچكی نسبت به سایر فرمولها نیز، نتایج خوبی ارایه می‌كند.
●كاربرد فاكتور Cs در نسخه منتشره سال ۱۹۹۶:
برطبق یافته‌های مذكور، محتمل است كه معادلات زیر كه نسخه چاپ سال ۱۹۹۶، درج خواهد شد، مقدار Cs را با دقت بسیار خوبی بدهد:
كه در آن:
hs و b برحسب متر و tan-۱ بر حسب رادیان هستند.
معادله (۹) بوسیله اقای پتر و همكاران او، بعنوان برازش چند جمله‌ای استخراج شده است. (۱۲) تا مقادیر Cs به نتایج دقیق حاصل از روش تحلیلی پیچیده‌تر، نزدیك باشد. خطای محاسبه از ۵ درصد كمتر است. این معادله برای hs كه از ۰ تا ۳/۰ و نیز برای k كه از ۰ تا ۹۸/۰ تغییر كند، قابل استفاده است.
مجموعه‌ای از منحنی‌های Cs برایb=o.o۸m نیز تهیه خواهد شد، شكل ۲ جایگزین شكل ۱ می‌شود.فرمول قدیمیتر (۱۰) برای لایه‌های بسیار نازك بین ۰۰۵/۰ و ۰۲/۰ متر، دقیقتر بوده و برای بقیه حدود پارامتر، ۵/۰-۲/۰ احتیاط‌آمیز تر از فرمول (۹) است.
در آخر، با استفاده از فاكتور ۱/۰.۹۶ از معادله (۸)،‌عملاً نتایج با نتایج ناشی ازمعادله (۹) یكسان می‌شود. بنابراین:
مثال. یك لایه سطحی از سنگهای خردشده با مقاومت خیس میانگین به مقدار ۲۰۰۰ohm-m و ضخامت ۱/۰ متر (۴in)، خاك همگن با مقاومت ۲۲۲ohm-m رامی‌پوشاند. برای این پارامترها و b=۰.۰۸ چنین بدست آمده است.
●معادلات ساده شده برای ولتاژمش و گام
در سال ۱۹۵۹، گروه كاری كوچكی كه توسط آقای استونز رهبری می‌شد، یك مدل ریاضی تجربی را توسعه داد كه تخمین عملكرد شبكه‌های زمین را برحسب ولتاژ‌های گام و تماس ماكزیمم در ناحیه بحرانی یك مش (mesh) گوشه‌ای، میسر می‌كرد. در آن زمان، این كار موفقیت قابل توجهی بود. مدلی كه تاكنون در همه نسخه‌های راهنما، استفاده شده است، بر اساس خلاصه ساده‌ای از nهادی موازی در عمق h است.
ولتاژ مش برحسب ولت، چنین بدست آمده است:
فرمول متشابهی برای محاسبه ولتاژگام ماكزیمم، Es برحسب ولت در زیر آمده است:
توجه: تفاوت معمول میان L=Ls و L=LM نشان می‌دهد كه طول هادی موثر مدفون، ممكن است برای محاسبات گام و تماس بصور مختلفی تعریف شود.
در هر دو فرمول، ولتاژ محاسبه شده به عنوان حاصل ضربی از مقاومت خاك P، چگالی جریان میانگین به ازای طول موثر مدفون، IG/LM یا IG/LS و دو فاكتور زیر است، Km یا Ks ، مشخص كننده هندسه شبكه است و Ki فاكتور بی‌نظمی است كه برای بعضی از خطاهای مطرح شده بوسیله مفروضات مربوط به استخراج Km و Ks، در نظر گرفته می‌شود.
طول موثر هادیهای دفن شده شامل میله‌های زمین متصل به شبكه است. كل سیستم زمین انرژایز شده و جریان IG را به درون زمین هدایت می‌كند. خاك بصورت همگن با مقاومتی یكنواخت فرض شده است.
●نسخه‌های منتشره در سالهای ۱۹۶۱ و ۱۹۷۶
با فرض یك شبكه مربعی شامل n هادی موازی تراز با فاصله D از یكدیگر و تعداد، نامشخصی از اتصالات متقاطع، Km و Ks و Kj بصورت‌های زیر تعریف شدند.
كه در آن:
N تعداد هادی‌های موازی شبكه در یك جهت است.
D فاصله بین هادیهای موازی، برحسب متر است.
d قطر هادی شبكه، برحسب متر است.
h عمق دفن شبكه، برحسب متر است.
&#۹۵۵; یك سری متناهی برابر با (۳/۴)(۵/۶)(۷/۸)...((۲n-۳))(۲n-۲)
است. طول مدفون موثر L، كه در دو فرمول (۱۱) و (۱۲) مورد استفاده قرار گرفت، به فرم ساده زیر تعریف می‌شود:
L=Lc+Lr
كه در آن:
Lc طول كل هادیهای شبكه شامل اتصالات متقاطع برحسب متر، Lrطول تركیب میله‌های زمین، برحسب متر است.
فاكتورهای Km، Ks و Ki تصمیمات لازم ناشی از اختلاف در اشكال هندسی ساختار nهادی موازی نشان دهنده شبكه و سیستم زمین واقعی را انجام می‌دهند. Km در مدلی كه دارای nهادی است، اثر جریانهای جاری را در n-۲هادی، بر روی چگالی جریان در دو هادی موازی بیرونی‌تر كه معرف‌ مش گوشه‌ای‌ هستند، شبیه‌سازی می‌كند، درحالی كه Ki اختلاف در عملكرد كل مدل و یك شبكه كامل را جبران می‌كند.
برای یاری خواننده، در انتخاب یك شبكه مربعی مناسب كه نشان‌دهنده شبكه‌های مستطیلی یا بشكل L باشد، و در تفسیر نتایج، شكلی برای شش الگوی مختلف فاصله‌گذاری شبكه تهیه شده بود كه توزیع ولتاژهای مش را درون هر شبكه نمایش دهد. این داده‌های كمكی، حاصل اندازه‌گیری‌های آقای كخ را بر روی مدل شبكه‌های مینیاتوری در یك تانك الكترولیت، منعكس می‌كرد.
نیز یك مثال متمم كه توسعه طراحی زمین برای یك شبكه به شكل L را از یك ایده اولیه به مفهوم واقعی، شرح می‌داد، تهیه شد. اگر چه بطور صریح، با فرض مهندسی خوب و قضاوت محتاطانه، هیچ محدودیت آشكاری برای قابلیت اجرا، ذكر نشده بود ولی در استفاده عملی نواقصی پدیدار شده بودند. معلوم شد كه استفاده از Km بصورتی كه در فرمول
(۱۳) تعریف شده بود موجب خطاهای بهینه‌سازی درمقادیر محاسبه شده ولتاژ مش می‌شود و برای شبكه‌های بسیار متراكم با مقدار n بالا و D نزدیك به پارامتر h، نتیجه منفی خواهد بود متقابلاً Ks كه به وسیله فرمول (۱۴) تعریف شده غالباً مقادیر بسیار احتیاط‌آمیزی برای شبكه‌های مدفون در زیر سطح زمین با عمق بیشتر از ۲۵/۰ مترمی‌دهد. در سال ۱۹۷۹ آقای كراوفورد و همكاران او، نتیجه‌ای از محاسبات كامپیوتری ارایه كرد كه نشان می‌دهد، تخمین نمونه از شبكه L شكل كه در ضمیمه # داده شده، منجر به طراحی ایمن مناسب نمی‌شود.
مترجم: مهندس نسرین چاوشی
منبع : ماهنامه صنعت برق


همچنین مشاهده کنید