سه نوع هادی تک و سه و هفت رشته ای در کاربرد های ارت و همبندی و صاعقه گیر و ارت تمیز (کلین ارت)
شکل ۱ هادی ارت و همبندی تک رشته ای فولادی گالوانیزه گرم
شکل ۲ هادی ارت و همبندی چند رشته ای فولادی گالوانیزه گرم بافته شده (استرند شده)
بررسی و آموزش همبندی اندوکتانس
امروزه در دنیا در صنعت سیستم ارت و صاعقه گیر (حفاظت در برابر آذرخش) از انواع هادی های تک و چند رشته ای استفاده می شود در این مقاله به مقایسه و بررسی سه مدل هادی ارت بصورت بافت تک و سه و هفت رشته ای از نظر میزان انداکتانس و راکتانس سلفی می پردازیم این هادی های می توانند در زمین بعنوان سیم چاه ارت متصل به صفحه ارت و یا روش ۵ حلقه ای در چاه ارت در مبحث ۱۳ مقررات ملی ساختمان
هدف بررسی میزان راکتانس القایی برای کابرد های هادی نزولی صاعقه گیر و هادی همبندی و هادی ارت و یا سیم چاه ارت است.
شرکت بهنام آسان کیمیا مبدع انواع روش های نوین ارتینگ و حفاظت از صاعقه و همبندی اصلی و اضافی با انواع الکترودهای افقی و عمودی ارت و هادی های ارت و اقدام به تولید انواع هادیهای مورد نیاز در صنعت ارت و همبندی با رویکرد بهبود کیفیت و اقتصادی بودن نموده است،از این رو یکی از بهترین انواع هادی، هادی های قابل قبول سیم فولادی با پوشش گالوانیزه گرم برای سیستم زمین (چه به عنوان همبند و چه به عنوان الکترود در داخل چاه ویا در کنار راد عمیق کوبشی یکپارچه محصول اختصاصی شرکت بهنام آسان کیمیا) و همبندی و صاعقه گیر می باشند.
نحو محاسباتی همیندی اندوکتانس
در این مقاله از نرم افزار تحلیل الکترومغناطیس مکسول که کاربرد در تحلیل مغناطیسی ماشیین های الکتریکی دارد ستفاده شده است و نتایج آن در قالب اشکال و نمودار ارائه شده است.
ذکر این نکته مهم است که شرایط محل استفاده از سیم یا هادی مهترین عامل انتخاب هادی است و اگر در محل پروژه ما نیاز به انعطاف پذیری داشته باشیم قطعا باید از هادی های چند رشته ای که از ۳ و ۵ و ۷ و ۱۹ رشته هستند استفاده کنیم و هادی تک رشته جوابگو نخواهد بود.
در کاربردهای عملی بیشتر از هادی های بافته شده (استرند شده)استفاده می شود این به دلیل نرمی و انعطاف و سهولت نصب استفاده می کنند.
اما استفاده از هادی تک رشتهای (راند وایر) هم جایگاهحودش را دارد و در مکانهایی که امکان استفاده دارد مناسب است.
شبیه سازی هادی های ۱ و ۳و۷ رشته ای اگر بصورت ۵ حلقه پیچیده شوند.
استفاده از الکترود زمین به صورت حلقه ای علاوه بر مزایای ذکر شده معایبی هم دارد که بزرگترین و مهمترین ایراد این روش افزایش اندوکتانس الکترود حلقه ای نصب به الکترود میله ای میباشد .
رابطه اندوکتانس یک حلقه برای یک حلقه مانند شکل ۱ به صورت زیر میباشد :
که اگر از شعاع سیم حلقه در برابر قطر خارجی حلقه صرف نظر کنیم این رابطه به صورت تقریبی به صورت زیر بیان میشود
N تعداد دور حلقه
µ۰ ضریب تراوایی مغناطیسی هوا
µr ضریب تراوایی مغناطیسی محل قرار گیری حلقه
d قطر خارجی حلقه
a شعاع سیم حلقه
l طول حلقه
L اندوکتانس حلقه
میباشند.
که در هنگام اعمال موج سینوسی به الکترود جریان سینوسی از الکترود عبور خواهد کرد که این موضوع در بررسی شرایط سوئیچینگ و صاعقه و همچنین منابع تولید فرکانس بالا از جمله اینورترها و شارژرها و سرورها . و در این حالت حلقه راکتانسی در برابر عبور جریان نشان میدهد که برابر است.
که در این رابطه X1
راکتانس و f فرکانس موج اعمالی به الکترود میباشد .با توجه به معادله ۳ مقدار راکتانس در فرکانس های بالا مانند فرکانس موج صاعقه بسیار بالاست و در حقیقت بر اساس استاندارد ها این مقدار قابل قبول نمیباشد اما در فرکانس برق شهر ۵۰ هرتز و با استفاده از روش هایی برای کاهش اندوکتانس مقدار راکتانس قابل کاهش یافتن و رسیدن به مقدار قابل قبول میباشد .
مقدار اندوکتانس در تمامی این روش های کاهش بر اساس معادله ۱ محاسبه شدند و در نرم افزار Ansys Maxwell شبیه سازی شده اند و نتایج آن با معادله بررسی شده اند .
حلقه الکترود زمین عملیاتی استفاده شده اولیه دارای مشخصات زیر است :
d=40 mm
a= 5 mm
N=200
l=14
برای ارایه شبیه سازی ها توجه به نکات زیر مهم میباشند :
۱- از آن جا که محیط قرار گیری الکترود خاک میباشد و خاصیت مغناطیسی خاک تقریبا برابر هوا میباشد در شبیه سازی ها محیط خارجی حلقه الکترو را هوا در نظر گرفته ایم ۱ که بر این اساس ضریب تراوایی مغناطیسی خاک برابر یک است .
۲- و باتوجه به پیچیدگی شبیه سازی گذرا در نرم افزار Maxwell برای ۲۰۰ دور این شبیه سازی ها برا ۵ دور از حلقه انجام شده است که با توجه به نسبت توان دوم دور در معادله ۱ مقدار اندوکتانس حلقه برای ۲۰۰ دور براساس ۵ دور به صورت زیر میباشد :
معادله ۴ ۱۶۰۰ ×
اندوکتانس (۵دور) = اندوکتانس (۲۰۰دور)
۳- تحلیل در حالت گذرا انجام شده و برای شبیه سازی موج جریان اتصالی به الکترود ارت از یک منبع جریان با دامنه ۱ کیلوآمپر و فرکانس ۵۰ هرتز استفاده شده است . مقاومت اهمی حلقه نیز برابر ۰.۵ اهم در نظر گرفته شده است .
۴ از یک کویل با مشخصات کلی زیر و مدار معادل زیراستفاده شده است:
d=40 mm
a= 5 mm
N=5
l=150 mm
۱-شبیه سازی سیم یا هادی ارت فولادی بصورت حلقه شده (کویل)با بافت ۷ رشته ای به قطر هر رشته ۳ میلیمتر و سطح مقطع تقریبی ۷.۵ میلیمتر مربع و با قطرکل هادی ۹ میلیمتر و سطح مقطع کل ۵۰ میلیمتر مربع مقطع دایره ای کامل):
شکل ۴ شبیه سازی مدار الکترود حلقه ای در حالت اتصالی زمین
هر کویل را با یک مقاومت الکتریکی بصورت سری با یک اندوکتانس سلفی که مدار آن در شکل ۲ آمده است مدلسازی می کنیم در شبیه سازی فقط پارامترهای هادی عوض شده و ساختار کویل یکسان است.
در این حالت اندوکتانس به دست آمده از شبیه سازی برای ۵ دور برابر uH15.247 میباشد که برای حلقه ۲۰۰ دور با توجه به معادله ۴ برابر mH 24.384 میباشد.
قابل ذکر است که با توجه با ثابت بودن فرکانس مقدار اندوکتانس در زمان تغییر نمی کند
با توجه به اندوکتاس به دست آمده در این حالت (mH 24.384( مقدارراکتانس به دست آمده براساس معادله ۳ برابر است با :
که این مقدار راکتانس بالاتر است و روش موثر در کاهش اندوکتانس کاهش رشته های مورد استفاده در ساخت سیم حلقه میباشد.
- شبیه سازی سیم یا هادی ارت فولادی بصورت حلقه شده (کویل)با بافت ۳ رشته ای به قطر هر رشته ۴.۷ میلیمتر و سطح مقطع تقریبی ۱۸ میلیمتر مربع و با قطرکل هادی ۹ میلیمتر (مقطع غیر دایره ای کامل) و سطح مقطع کل ۵۰ میلیمتر مربع :
شکل ۷ استفاده از هادی با سه رشته در سیم پیچ
در این حالت اندوکتانس به دست آمده از شبیه سازی برای ۵ دور برابر uH2.8 میباشد که برای حلقه ۲۰۰ دور با توجه به معادله ۴ برابر mH 4.480 میباشد.
با توجه به اندوکتاس به دست آمده در این حالت مقدار راکتانس به دست آمده براساس معادله ۳ برابر است با :
در این حالت راکتانس سلفی حلقه کاهش یافته و مناسب برای کاربرد ارت در فرکانس های بالا یا به عبارتی کلین ارت یا ارت تمیز (ارت ابزار دقیقی) و مدار حفاظت در برابر صاعقه می باشد.
نتیجه گیری
روش های مختلفی برای اجرای الکترود زمین به منظور کاهش مقاومت الکترود وجود دارند . یکی از روشهای جدید اجرای الکترود به صورت حلقه ای میباشد که به دلیل افزایش طول الکترود مقاومت آن کاهش یافته است مقاومت اهمی الکترود زمین باتوجه به معادله ۵ محاسبه میشود :
که در این رابطه R مقاومت اهمی الکترود و طول الکترود و
مقاومت ویژه خاک منطقه میباشد .
در شبیه سازی انجام شده هادی ارت بافته شده و تک رشته ای در صنعت و اماکن و تاسیسات کاربردهای زیادی دارند اما اگر بصورت کویل در داخل زمین و یا هوا قرارگیرند اندوکتانس آنها افزایش پیدا کرده و متعاقب آن راکتانس به دلیل فرکانس بالا می رود و سیم تک رشته ای کویل شده کمترین راکتانس را دارد و گزینه مناسبتری برای تخلیه فرکانس های بالا مانند موج صاعقه یا فرکانس سوئیچینگ و انواع منابع تغذیه و بطور کلی کلین ارت برای تجهیزات ابزار دقیقی (البته بطور معمول در ارت تمیز یا کلین ارت از کویل و حلقه استفاده نمی شود ) در حالتی که کویل ساخته ایم می باشد، البته اگر سیم ها بصورت راست و مستقیم باشند و کویل شده نباشند موضوع اختلاف اندوکتانس تاثیری در دوحالت تک رشته و چند رشته ای نخواهد داشت.
همچنین اگر فرکانس پایین باشد(کاربرد ارت در شبکه توزیع برق) مانند ارت ایمنی ساختان هاو تاسیسات و اماکن و یا ارت اتصال به نترال ترانس (نقطه وسط اتصال ستاره)در پست های برق هیچگونه مشکلی در این این خصوص نداریم از اینرو مبحث ۱۳ مقررات ملی ساختمان ارت چند جلقه ای را مطرح می کند.
شاید یک نتیجه دیگر این مقاله در ساخت ماشین های الکتریکی مانند موتور و ژنراتور با چند رشته یا تک رشته ای باشد که در صورتیکه چند رشته ای ساخته شوند مقاومت الکتریکی مدار کویل به دلیل اصل موازی مقاومت معادل کاهش می یابد ولی به دلیل ماهیت حلقوی بودن و چند رشته ای بودن راکتانس بالا رفته و متعاقب آن راکتانس که حاصلضرب اندوکتانس در فرکانس است زیاد می شود. البته در ماشین های الکتریکی فرکانس پایین است و می شود چشم پوشی کرد.
مراجع : ۱ – Measurement of Dielectric and Magnetic Properties of Soil / Sandia report /Ward E. Patitz, Billy C. Brock, Edward G. Powell / 1995