Una guida passo per il calcolo Impedenza in Ieee Standard 80 per la messa a terra sottostazione

Comprendere lo standard 80 dell'IEEE e la sua importazione nel campo della sottostazione

IEEE Standard 80-2013, dal titolo "Guida per la sicurezza nel sottostazione AC", si occupa principalmente di sottostazioni AC all'aperto, sia convenzionali che isolate a gas, tra cui distribuzione, trasmissione e generazione di sottostazioni di impianti.

Il calcolo dell'impedenza secondo IEEE Standard 80 è una componente critica del design di messa a terra della sottostazione. Lo standard fornisce linee guida per il calcolo dei parametri di griglia di messa a terra sicuri nelle sottostazioni ad alta tensione, garantendo la protezione del personale controllando le tensioni di contatto e passo, minimizzando le impedenze di corrente di guasto.

L'IEEE Std 80 si basa sui criteri di sicurezza dei potenziali di contatto e di passo accettabili, che riconoscono che una bassa resistenza al suolo non è, di per sé, una garanzia di sicurezza, e non esiste una semplice relazione tra la resistenza del sistema di terra nel suo complesso e la massima corrente di shock a cui una persona può essere esposta.

Concetti fondamentali: Impedenza, Resistenza e Reazione nei sistemi di messa a terra

Prima di immergersi nelle procedure di calcolo, è essenziale comprendere i concetti elettrici fondamentali che governano i sistemi di messa a terra sottostazione. L'impedenza rappresenta la totale opposizione al flusso attuale in un circuito AC e consiste di due componenti principali: resistenza e reattività.

Resistenza al suolo

La resistenza al suolo è la componente resistiva dell'impedenza e rappresenta l'opposizione al flusso attuale attraverso la terra e i conduttori di messa a terra. L'equazione si basa sulla Guida EIEEE per la Sicurezza nella Sottostazione AC Grounding (IEEE Std 80-2013), sezione 14.2, equazione 57, e combina essenzialmente le proprietà resistive di una piastra metallica, conduttori, e la profondità a cui è sepolto.

La resistenza alla griglia è la resistenza equivalente della griglia di messa a terra remota, considerando la resistenza al suolo e la geometria della griglia. Questo parametro è influenzato da diversi fattori, tra cui la lunghezza totale dei conduttori sepolti, l'area coperta dalla griglia di terra, la profondità della sepoltura, e soprattutto la resistenza del suolo al sito di installazione.

Riactazione del terreno

L'impedenza di grandi griglie (più di 40.000 m2) sepolte in terra a bassa resistenza (meno di 75 Ω-m) senza motivi estesi collegati può essere superiore alla resistenza stimata, o quando i conduttori di terra estesi sono collegati alla griglia, l'impedenza del sistema di messa a terra sarà inferiore alla resistenza della griglia stimata.

La reattività induttiva diventa particolarmente significativa nei sistemi di messa a terra più grandi e a frequenze più elevate. Durante le condizioni di guasto, la frequenza della corrente di guasto (di solito 50 o 60 Hz) interagisce con l'induttanza dei conduttori di rete a terra per produrre un componente reattivo che deve essere considerato nel calcolo totale di impedenza.

Impedenza totale

L'impedenza totale combina sia i componenti di resistenza che di reattività e si esprime in genere come numero complesso. L'ampiezza di questa impedenza rappresenta l'opposizione generale al flusso attuale durante le condizioni di errore, mentre l'angolo di fase indica il rapporto tra i componenti resistivi e reattivi. Per la maggior parte delle applicazioni di messa a terra di sottostazione pratica, la componente resistiva domina, ma la componente reattiva non può essere ignorata in calcoli precisi.

Raccolta dei dati preliminari essenziali

I calcoli di impedenza precisi dipendono fortemente dalla qualità e dalla completezza dei dati di input. Nella prima fase, i dettagli del progetto sono essenziali e il piano generale di localizzazione della sottostazione dovrebbe fornire buone stime dell'area da coprire dalla rete terrestre.

Misure di resistenza al suolo

La resistenza al suolo è probabilmente il parametro più critico che influisce sulle prestazioni del sistema di messa a terra. Le visite multiple al sito di sottostazione sono tenute a condurre le misurazioni della resistenza al suolo e una serie di misurazioni devono essere stabilite utilizzando il metodo a quattro pin. Questo metodo, noto anche come metodo a quattro punti Wenner, comporta la guida di quattro elettrodi allo stesso tempo distanziati nel terreno e misura la resistenza tra di loro.

La resistenza al suolo è un parametro critico misurato utilizzando i metodi Wenner o Schlumberger. Le misurazioni devono essere prese in varie profondità e posizioni attraverso il sito di sottostazione per tener conto della stratificazione e delle variazioni del suolo. Molti software commercialmente disponibili utilizzano il modello del suolo multistrato, mentre il modello del suolo a singolo strato assume una resistenza del suolo generalmente uniforme e omogenea ed è calcolato utilizzando la media aritmetica dei dati di resistenza al suolo misurati.

La resistenza al suolo può variare notevolmente a seconda della composizione del suolo, del contenuto di umidità, della temperatura e della presenza di sali disciolti. I valori possono variare da meno di 10 Ω-m per il terreno organico bagnato a oltre 10.000 Ω-m per il terreno roccioso secco.

Geometria e layout a griglia

Informazioni dettagliate sulla configurazione della griglia di terra sono essenziali per calcoli accurati, che comprendono l'area totale coperta dalla griglia, la spaziatura tra conduttori, la lunghezza totale dei conduttori sepolti, la profondità della sepoltura, il diametro e il materiale del conduttore. L'area del sistema di messa a terra à ̈ il fattore geometrico piÃ1 importante nel determinare le resistenze della griglia.

Il layout della griglia consiste in un anello conduttore perimetrale con trasversali che forma un modello di maglia. Secondo l'IEEE Std 80, questo disegno dovrebbe includere un anello conduttore che circonda l'intera area a terra, più adeguati traduttori. La spaziatura della maglia colpisce sia la resistenza che i gradienti di tensione sulla superficie, con una distanza più stretta che fornisce generalmente prestazioni migliori ma a costi materiali più elevati.

Dati correnti di default

La capacità di comprendere la massima corrente di guasto prospettica è fondamentale sia per i calcoli di sicurezza che per il dimensionamento del conduttore, che comprende la determinazione della grandezza della corrente di guasto massima, della durata di errore (tipicamente basata sui tempi di compensazione del relè protettivo), sia per il fattore di divisione attuale che rappresenta la ripartizione della corrente di guasto tra il sistema di messa a terra e altri percorsi di ritorno.

L'equazione per calcolare il fattore di divisione da EEE 80, Sezione 15.9 è: Sf = |Zeq/(Zeq+Rg)|, dove Sf è il fattore di divisione di corrente di guasto, Zeq è l'impedenza equivalente del campo di trasmissione e/o distribuzione, e Rg è la resistenza di sottostazione del terreno in Ω. Questo fattore di divisione è essenziale per determinare quanto la corrente totale di guasto fluisce attraverso la sottostazione.

Dettagli di configurazione del sistema

Ulteriori informazioni di sistema includono i livelli di tensione presenti alla sottostazione, configurazioni e impedenze del trasformatore, la presenza e le caratteristiche dei fili di scudo superiore, e dettagli su qualsiasi conduttore di messa a terra esteso come neutroni sepolti o scudi di cavo. La maggior parte delle sottostazioni hanno linee di divisione in entrata (o in uscita) con fili di scudo installati, e sarebbe opportuno per l'ingegnere di progettazione indagare le proprietà di questi fili di scudo e come potrebbero influenzare la corrente.

Calcolo della resistenza del terreno passo-passo

Il calcolo della resistenza al suolo costituisce la base della determinazione dell'impedenza. IEEE Standard 80 fornisce diversi metodi per il calcolo della resistenza al suolo, con la più comunemente usata è l'equazione semplificata di Schwarz per sistemi di griglia combinata e di asta di terra.

Formula di resistenza alla griglia di base

L'equazione si basa sull'IEEE Std 80-2013, sezione 14.2, equazione 57: Rs = ρ[(1/LT) + (1/√(20A))(1 + 1/(1 + h(20/A)))], dove A è l'area occupata dalla rete di terra in m2.

• Rs] è la resistenza al suolo in ohms (Ω)
• [ (rho) è la resistenza del suolo in ohm-metri (Ω-m)
• LLT] è la lunghezza totale dei conduttori sepolti in metri (m)
• A] è l'area occupata dalla rete di terra in metri quadrati (m2)
• h] è la profondità di sepoltura dei conduttori di rete in metri (m)

Questa equazione modella efficacemente la griglia di terra come una combinazione di una rete di conduttori orizzontale sepolta e una piastra metallica equivalente.Questa equazione mostra che una maggiore area e una maggiore lunghezza totale del conduttore di messa a terra utilizzato comporterebbe una resistenza di griglia inferiore.

Calcolo della lunghezza totale del conduttore

Per una griglia rettangolare con spaziatura uniforme, il calcolo è semplice. Ad esempio, per una griglia con con conduttori distanziati a 5 m intervalli: Numero di conduttori per lato = 50 / 5 + 1 = 11, Lunghezza totale = 11 × 50 × 2 = 1100 m.

Quando sono incluse le barre di terra, il loro contributo di lunghezza efficace deve essere aggiunto alla lunghezza orizzontale del conduttore. Tuttavia, l'interazione tra la griglia e le barre di terra è complessa e richiede la considerazione di effetti di resistenza reciproca.

Resistenza combinata del gregge e del cannone

Quando un sistema di messa a terra comprende sia una griglia orizzontale che una barra verticale, la resistenza combinata non è semplicemente una combinazione parallela. Schwarz ha usato la seguente equazione introdotta da Sunde e Rüdenberg per combinare la resistenza della griglia, delle aste e della resistenza del terreno comune per calcolare la resistenza totale del sistema, Rg.

La formula di resistenza combinata è: Rg = (R1 × R2 - Rm2) / (R1 + R2 - 2Rm), dove R1 è la resistenza della griglia da sola, R2 è la resistenza di tutte le barre di terra insieme, e Rm è la resistenza reciproca tra la griglia e il sistema di asta di terra. La resistenza combinata della griglia e il letto asta sarà inferiore alla resistenza di terra di un solo componente, ma ancora più alto rispetto a quella parallela.

Questa equazione può essere sensibile alla precisione del calcolo. L'equazione è abbastanza sensibile ai piccoli cambiamenti nei numeri, e arrotondata durante qualche passo intermedio può gettare il risultato abbastanza per andare negativo. Pertanto, è essenziale mantenere sufficiente precisione durante il processo di calcolo e utilizzare strumenti computazionali quando possibile.

Esempio pratico: Calcolo della resistenza alla griglia

Considerare una sottostazione con una griglia di terra 50m × 50m, conduttore di distanza di 5m, profondità di sepoltura di 0.5m, e resistenza del suolo di 100 Ω-m. In primo luogo, calcolare la lunghezza totale del conduttore. Con 11 conduttori per lato (50m ÷ 5m + 1), la lunghezza totale è 11 × 50 × 2 = 1,100 metri.

La griglia A = 50 × 50 = 2.500 m2. Utilizzando la formula di resistenza semplificata: Rs = 100 × [(1/1100) + (1/(√20×2500)) × (1 + 1/(1 + 0.5√(20/2500))]. Rompere questo verso il basso: 1/√(20×2500) = 1/√50000 = 1/223.6 ≈ 0.00447.

Pertanto: Rs = 100 × [0.000909 + 0.00447 × (1 + 0.957)] = 100 × [0.000909 + 0.00447 × 1.957] = 100 × [0.000909 + 0.00875] = 100 × 0.00966 ≈ 0.97 Ω. Questo valore di resistenza relativamente basso indica buone prestazioni di messa a terra per questa configurazione.

Determinazione dei componenti di reattività del terreno

Mentre la resistenza domina tipicamente nell'impedenza del sistema di messa a terra, il componente reattivo diventa significativo in determinate configurazioni e deve essere calcolato per la determinazione completa dell'impedenza.

Reazione induttiva delle griglie terrestri

La reattività induttiva di un sistema di messa a terra deriva dai campi magnetici creati da correnti di guasto che scorre attraverso i conduttori di rete. L'induttanza dipende dalla geometria del conduttore, dalla spaziatura e dalla frequenza della corrente di guasto. Per una frequenza di potenza tipica di 60 Hz, la reattività induttiva può essere calcolata utilizzando la formula: XL = 2πfL, dove f è la frequenza di hertz e L è l'induttanza nelle henries.

Per le griglie rettangolari esistono formule approssimative che considerano le dimensioni della griglia e la spaziatura del conduttore. Come la lunghezza del conduttore sepolta è aumentata, l'impedenza dell'ingresso si avvicina all'impedenza caratteristica, e l'angolo di fase di impedenza sarà nella gamma 35° a 40°.

Considerazioni di frequenza

La maggior parte dei calcoli di messa a terra di sottostazione assumono frequenza di potenza (50 o 60 Hz), ma i fenomeni transitori come gli scioperi di fulmine comportano frequenze molto più elevate. Per la protezione dei fulmini, la resistenza transitoria e i parametri del suolo dipendente dalla frequenza possono essere rilevanti, richiedendo modelli avanzati.

Tuttavia, a frequenze più elevate, la corrente tende a scorrere vicino alla superficie del conduttore, riducendo efficacemente l'area trasversale del conduttore e aumentando la sua resistenza. Questo comportamento dipendente dalla frequenza deve essere considerato per l'analisi transitoria, ma è tipicamente ignorato per i calcoli di frequenza di corrente costante-stato.

Effetti capacitivi

La capacità di reattività nei sistemi di messa a terra è generalmente trascurabile alle frequenze di potenza ma può diventare significativa alle frequenze più elevate. La capacità esiste tra i conduttori sepolti e la terra circostante, formando una capacità distribuita lungo la lunghezza dei conduttori.Per la maggior parte delle applicazioni di messa a terra sottostazione pratica a 50/60 Hz, gli effetti capacitivi possono essere tranquillamente ignorati.

Combinare resistenza e reattività per calcolare l'impedenza totale

Una volta che i componenti resistivi e reattivi sono stati determinati, devono essere combinati per ottenere l'impedenza totale del sistema di messa a terra, questa combinazione segue i principi dell'analisi dei circuiti AC utilizzando la matematica dei numeri complessi.

Rappresentanza complessa di impedenza

L'impedenza totale Z è espressa come numero complesso: Z = R + jX, dove R è la resistenza, X è la reattività netta (XL - XC), e j è l'unità immaginaria (√-1). Per i sistemi di messa a terra, la reattività capacitiva è tipicamente trascurabile, quindi X ≈ XL.

La magnitudine dell'impedenza è calcolata come: |Z| = √ (R2 + X2). Questa magnitudine rappresenta l'opposizione totale al flusso corrente ed è utilizzata nei calcoli correnti di guasto e nelle determinazioni di aumento del potenziale di terra. L'angolo di fase θ è dato da: θ = arctan(X/R), che indica il rapporto tra i componenti resistivi e reattivi.

Esempio di calcolo dell'impedenza pratica

Considerare un sistema di messa a terra con una resistenza calcolata di 0,97 Ω e una reattività induttiva stimata di 0,15 Ω a 60 Hz. L'impedenza totale è: Z = 0,977 + j0.15 Ω. La magnitudine è: |Z| = √(0,972 + 0,152) = √(0,9409 + 0,0225) = √0,9634 ≈ 0,90 Ω = ,0 Ω = ,0 ,0 Ω = θ = ,0 Ω = ,0.

Questo esempio mostra che per i sistemi di messa a terra tipici, la magnitudine di impedenza è solo leggermente superiore al valore di resistenza, e l'angolo di fase è relativamente piccolo, che conferma che la resistenza è la componente dominante nella maggior parte delle applicazioni di messa a terra sottostazione.

Quando la reattività diventa significativa

Mentre la resistenza domina nella maggior parte dei casi, la reattività diventa più significativa in certe situazioni. I grandi sistemi di messa a terra con reti di conduttori sepolti possono avere una notevole induttanza. I conduttori di messa a terra prolungati, come i neutroni sepolti lunghi o i fili di terra sovraccaricati, possono contribuire a una significativa reattività induttiva.

Criteri di sicurezza: Calcolazioni di tensione touch e step

Lo scopo ultimo dei calcoli di impedenza in IEEE Standard 80 è quello di garantire che il sistema di messa a terra possa dissipare in modo sicuro le correnti di guasto senza creare gradienti di tensione pericolosi. La fase successiva consiste nel determinare i criteri di tocco e passo, dove la tensione massima di guida di qualsiasi circuito accidentale non deve superare i limiti definiti da IEEE Std 80, e le tensioni di tocco e passo tollerabili sono determinate in base alla caratterizzazione del materiale di superficie e la massima di guasto previsto.

Comprendere la tensione del tocco

La tensione di contatto è la differenza di tensione tra una struttura a terra e la superficie di terra che una persona potrebbe toccare durante un difetto. Questo accade quando una persona tocca contemporaneamente una struttura metallica a terra (come l'alloggiamento dell'attrezzatura o una recinzione) e si trova sulla superficie di terra. Durante un difetto, la struttura a terra è al potenziale di terra aumento (GPR) del sistema di messa a terra, mentre la superficie di terra ai piedi della persona è a un potenziale diverso a causa di gradienti di tensione.

La tensione massima consentita del tocco dipende da diversi fattori, tra cui la durata della corrente di guasto, la resistenza del materiale di strato superficiale e il peso corporeo della persona. IEEE Standard 80 fornisce formule per il calcolo di tensioni tollerabili del tocco in base a questi parametri, in genere coinvolgendo un fattore di correzione dello strato di superficie che rappresenta materiali ad alta resistenza come roccia schiacciata o asfalto.

Comprendere la tensione di passo

La tensione di passaggio è la differenza potenziale tra due punti sulla superficie del terreno a circa 0.3 a 1 metro di distanza, rappresentando la tensione che una persona potrebbe sperimentare passo vicino a un difetto. Questo gradiente di tensione esiste perché la corrente di errore che scorre attraverso la terra crea una distribuzione potenziale, con i più alti potenziali vicino al punto in cui la corrente entra nella terra e diminuisce i potenziali a distanze maggiori.

La tensione di passaggio è generalmente meno pericolosa della tensione di contatto perché il percorso corrente è da piede a piede piuttosto che attraverso il torso. Tuttavia, può ancora essere letale in determinate condizioni, in particolare per gli animali a quattro zampe che hanno una lunghezza di passo più grande. La tensione di passo massima consentita è calcolata utilizzando formule simili a quelle per la tensione di contatto ma con diversi fattori geometrici.

Rise potenziale terrestre (GPR)

Il potenziale di terra è la tensione massima che il sistema di messa a terra raggiunge rispetto alla terra remota durante un difetto. È calcolato come: GPR = Se × Rg, dove Se è la corrente di guasto massima che scorre attraverso il sistema di messa a terra e Rg è la resistenza di terra. In circostanze insolite è possibile un GPR di 25 kV, tuttavia, la maggior parte dei valori è inferiore a 10 kV.

Il GPR rappresenta la tensione peggiore che potrebbe apparire attraverso il sistema di messa a terra ed è utilizzato come base per il calcolo di tensione di tocco e passo reali in varie posizioni all'interno e intorno alla sottostazione.

Calcolazioni di tensione della maglia

La tensione della maglia è la tensione massima del tatto che può verificarsi all'interno di una rete di rete di terra. Si verifica tipicamente al centro di una rete ad angolo dove il gradiente di tensione è più ripida. IEEE Standard 80 fornisce formule dettagliate per il calcolo della tensione della rete che rappresentano la geometria della griglia, la spaziatura del conduttore, la profondità di sepoltura e la resistenza del suolo.

La formula di tensione della rete comporta fattori geometrici che dipendono dalla configurazione della griglia, che derivano dalla teoria del campo elettromagnetico e sono stati convalidati attraverso test e misurazioni sul campo. La tensione della rete calcolata deve essere inferiore alla tensione di contatto tollerabile per garantire la sicurezza.

Considerazioni avanzate nelle Calcolazioni di Impedenza

Oltre alle procedure di calcolo di base, diversi fattori avanzati possono influenzare in modo significativo l'accuratezza e l'applicabilità dei calcoli di impedenza per i sistemi di messa a terra sottostazione.

Modelli di suolo multistrato

La stratificazione del suolo comporta strati geologici con resistenze diverse che richiedono analisi composite. Il suolo reale è raramente uniforme, e la maggior parte dei siti presentano strutture a strati con resistenze diverse a diverse profondità.

I modelli di terra a due strati sono comunemente utilizzati, costituiti da uno strato superiore con resistenze ρ1 e spessore h1, e uno strato inferiore con resistenza ρ2 che si estende a profondità infinita. Il fattore di riflessione K = (ρ2 - ρ1)/(ρ2 + ρ1) caratterizza l'interfaccia tra strati. L'effetto del fattore di riflessione sulla maglia e le tensioni passo, la resistenza del sistema di messa a terra e la tensione di rete viene indagata.

Per le strutture del suolo più complesse, possono essere necessari modelli a tre strati o a più strati, che richiedono tecniche di analisi più sofisticate e che richiedono tipicamente l'uso di software informatici specializzati.

Variazioni stagionali ed effetti ambientali

La resistenza al suolo può variare significativamente con il contenuto di umidità, la temperatura e le condizioni stagionali. Il suolo congelato ha una resistenza molto più elevata del suolo non congelato, e il terreno secco è più resistente del suolo umido.

Queste variazioni significano che le prestazioni del sistema di messa a terra possono cambiare durante tutto l'anno. Le pratiche di progettazione conservativa tipicamente utilizzano la più alta resistenza del suolo (correspondente alle condizioni più secche o fredde) per garantire prestazioni adeguate in scenari peggiori.

Divisione corrente e Fattore Spalato

Nella maggior parte delle installazioni di sottostazione, non tutte le correnti di guasto attraversano il sistema di messa a terra locale. Una quantità proporzionale della corrente scorrerà alla fonte e una porzione attraverso ogni campo di trasmissione o distribuzione. Il fattore di divisione è il fattore di divisione e colpisce significativamente la corrente reale che il sistema di messa a terra deve gestire.

Zeq è ottenuto dalla Tabella C.1 dell'IEEE 80, ed è l'impedenza vista dalla corrente che passa attraverso il filo di protezione superiore e attraverso il terreno di trasmissione o distribuzione. La determinazione accurata del fattore di divisione richiede informazioni dettagliate sulla configurazione del sistema di utilità, compreso il numero e le caratteristiche delle linee di trasmissione, i fili di scudo sopraelevata e le neutrali di distribuzione collegati alla sottostazione.

Effetto dei materiali di strato di superficie

Di solito, uno strato di superficie protettiva di alta resistenza (ad esempio, ghiaia) viene utilizzato per ridurre al minimo la corrente che passa attraverso il corpo umano, fornendo sicurezza agli individui all'interno della sottostazione. Il materiale di strato superficiale ha un effetto profondo su torsione tollerabile e tensioni passo. Asfalto ha una resistenza molto alta (circa 10.000 ohm-metri quando bagnato) che aumenterebbe notevolmente il passaggio consentibile e le tensioni di contatto.

I materiali superficiali comuni includono roccia schiacciata, ghiaia, asfalto e cemento, ognuna delle quali ha caratteristiche di resistenza diverse che influiscono sulla corrente che può scorrere attraverso i piedi di una persona durante un guasto. IEEE Standard 80 fornisce fattori di correzione per vari materiali superficiali che vengono applicati alle formule di tocco di base e di tensione passo. Lo spessore dello strato superficiale è importante, con installazioni tipiche che utilizzano strati di 75 a 150 mm di spessore.

Corrosione e prestazioni a lungo termine

La corrosione elettrolitica è il degrado a lungo termine del sistema di messa a terra, che colpisce sia la conducibilità che l'integrità meccanica. I conduttori di terra sepolti nel suolo sono soggetti a corrosione nel tempo, che può aumentare la resistenza e potenzialmente portare a guasti meccanici. Il tasso di corrosione dipende dalla chimica del suolo, dal contenuto di umidità, dal pH e dalla presenza di correnti di randagio.

I conduttori di rame hanno generalmente una buona resistenza alla corrosione nella maggior parte dei suoli, ma la corrosione galvanica può verificarsi a connessioni tra metalli diversi. Alcune installazioni utilizzano conduttori di rame stagnato o applicano rivestimenti protettivi per migliorare la resistenza alla corrosione. Alcuni codici richiedono che i fili stagnati siano utilizzati quando la resistenza del terreno è inferiore a 70 Ω/m.

Smaltimento e selezione dei materiali

Diversi fattori sono inclusi nella dimensionamento di conduttori come le proprietà termiche materiali, la capacità attuale, l'impedenza e la caratterizzazione del suolo.

Considerazioni termiche

La preoccupazione primaria nel dimensionamento del conduttore è assicurarsi che il conduttore possa resistere agli effetti termici della corrente di guasto senza fondere o subire danni. IEEE Standard 80 fornisce formule per il calcolo dell'area di traslazione minima del conduttore in base alla magnitudine e alla durata della corrente di guasto. La formula rappresenta le proprietà materiali del conduttore, compresa la temperatura di fusione, la capacità termica e la resistenza.

Per i conduttori di rame, il calcolo considera la temperatura iniziale (temperatura tipica ambientale), la temperatura massima consentita (solitamente ben al di sotto del punto di fusione per evitare l'impastatura), e le proprietà termiche del rame. La durata del guasto è critica perché le durate di guasto più lunghe richiedono conduttori più grandi per dissipare il calore generato.

Requisiti di resistenza meccanica

Oltre alla capacità termica, i conduttori di messa a terra devono avere una resistenza meccanica adeguata per resistere alle sollecitazioni di installazione e rimanere intatti durante la vita dell'installazione. Le dimensioni del filo di 35 mm2 (2 AWG) o più grandi devono essere bloccate.

Molte norme specificano dimensioni minime del conduttore (come 2/0 AWG per i conduttori di rete principali) per garantire una resistenza meccanica adeguata e una longevità adeguata.

Selezione dei materiali

Il rame è il materiale più comune per i conduttori di messa a terra sottostazione grazie alla sua eccellente conducibilità elettrica, buona resistenza alla corrosione e facilità di installazione. L'acciaio rivestito di rame fornisce un'alternativa economica con una buona resistenza meccanica, anche se con una maggiore resistenza del rame solido.

La scelta del materiale influisce sia sulle prestazioni elettriche che sull'affidabilità a lungo termine del sistema di messa a terra. I costi materiali, la disponibilità locale, le pratiche di installazione e le condizioni ambientali, sono generalmente preferibili nonostante il costo più elevato.

Strumenti di modellazione e simulazione del computer

I calcoli potenziali di tocco e passo possono essere un compito piuttosto noioso e laborioso, e IEEE Std 80 raccomanda l'uso del software del computer per calcolare le resistenze della griglia, e le tensioni di maglia e passo, e anche per creare potenziali gradienti di visualizzazione del sito.

Vantaggi del design computer-assistito

Il software moderno può gestire i complessi calcoli richiesti da IEEE Standard 80 molto più efficiente dei metodi manuali. I pacchetti software per computer possono essere utilizzati per assistere nella progettazione della griglia di messa a terra modellando e simulando diverse configurazioni della griglia di terra, e gli strumenti vengono come pacchetti standalone o moduli plug-in per il software di analisi del sistema di alimentazione (come il GroundMat di PTW o la valutazione del progetto di rete di ETAP).

Questi strumenti offrono diversi vantaggi tra cui la capacità di modellare geometrie complesse della griglia, il calcolo automatico di tutti i parametri rilevanti, la visualizzazione di gradienti di tensione e distribuzioni correnti, l'ottimizzazione della progettazione della griglia per soddisfare i criteri di sicurezza a costi minimi, e l'analisi della sensibilità per comprendere gli effetti delle variazioni dei parametri.

Soluzioni software disponibili

Esempi di pacchetti standalone includono SES Autogrid e SafeGrid, che sono progettati specificamente per l'analisi del sistema di messa a terra e includono in genere vaste librerie di modelli di suolo, conduttori e configurazioni standard, e possono eseguire analisi dettagliate degli elementi finiti per modellare con precisione le correnti di distribuzione e di gradienti di tensione.

I pacchetti di analisi integrati del sistema di alimentazione includono spesso moduli di messa a terra che si interfacciano con l'analisi di cortocircuito e altri studi di sistema. Questa integrazione consente una gestione coerente dei dati e assicura che i calcoli di messa a terra utilizzino gli stessi valori di corrente di guasto come altri studi di protezione.

Validazione e verifica

Mentre gli strumenti informatici sono potenti, devono essere utilizzati con la comprensione e i loro risultati devono essere convalidati.Gli ingegneri devono verificare che i dati di input siano corretti e completi, verificare che i risultati siano ragionevoli e coerenti con i calcoli delle mani per i casi semplificati, comprendere i limiti e le ipotesi del software e convalidare i disegni critici con le misurazioni del campo quando possibile.

I modelli informatici sono altrettanto validi quanto i dati di input. Garbage in, spazzatura fuori si applica pienamente all'analisi del sistema di messa a terra. Attenzione alle misurazioni della resistenza del suolo, i dati della geometria della griglia e i valori di corrente di guasto realistici sono essenziali per ottenere risultati significativi.

Misurazione e test dei sistemi installati

Dopo l'installazione di un sistema di messa a terra, occorre eseguire misure per verificare che soddisfi le specifiche di progettazione e i requisiti di sicurezza.

Metodo di caduta del potere

Il metodo fall-of-potenziali è la tecnica più comune per la misurazione della resistenza al suolo. Con gli elettrodi attuali e potenziali a terra remota, e supponendo che le misurazioni non siano influenzate da un accoppiamento reciproco o da altre interferenze, si può trovare l'impedenza di messa a terra. Questo metodo comporta l'iniezione della corrente nel sistema di messa a terra attraverso un elettrodo a corrente remota e misura la tensione a varie distanze utilizzando una sonda potenziale.

La misura richiede un'attenta collocazione degli elettrodi di prova per assicurarsi che si trovino nella parte "flat" del profilo potenziale in cui la misura è relativamente insensibile alla posizione della sonda. Per i grandi sistemi di messa a terra, la distanza di elettrodo richiesta può essere sostanziale, a volte richiedendo test conduce diversi chilometri di lunghezza.

Sfide di misurazione e fonti di errore

Gli errori di impedenza reciproca derivanti dall'orientamento parallelo dei conduttori di prova possono essere approssimati dalla formula di Carson per conduttori infiniti, tuttavia, l'accuratezza dipenderà dalla lunghezza della distanza del conduttore parallelo, dalla frequenza e dall'approssimazione della resistenza alla terra. Diversi fattori possono introdurre errori nelle misurazioni di resistenza al suolo, tra cui l'accoppiamento reciproco tra i cavi di prova, le interferenze dalle linee di potenza vicine, le variazioni stagionali nella resistenza del suolo e nell'insufficienza di elettrodo.

Misurazioni di tensione touch e step

Oltre alle misurazioni di resistenza, le tensioni di contatto e di passo reali possono essere misurate durante i test di guasto in fase. Queste misure forniscono una verifica diretta che il sistema di messa a terra soddisfa i criteri di sicurezza in condizioni realistiche. Tuttavia, i test di errore in fase richiedono un'attenta pianificazione e precauzioni di sicurezza, in quanto comportano intenzionalmente la creazione di condizioni di errore alla sottostazione.

Le misurazioni sono tipicamente effettuate utilizzando attrezzature specializzate che possono misurare in modo sicuro le alte tensioni proteggendo il personale. I risultati sono confrontati con valori calcolati e limiti di sicurezza per verificare le prestazioni del sistema.

Strategie di ottimizzazione della progettazione

Le reti a terra di sottostazione AC industriali sono spesso sovraprogettate a causa di limitazioni del software del computer, difficoltà nella modellazione dei parametri in modo realistico, e l'applicazione sbagliata del fattore di divisione, e la sovradisegnazione porta a costi di progetto più elevati a causa dei materiali aggiuntivi richiesti, come rame, aste a terra aggiuntive, e più immobili.

Bilanciamento della sicurezza e dei costi

L'obiettivo del progetto di sistema di messa a terra è quello di raggiungere una sicurezza adeguata a costi ragionevoli, che richiede un'attenta ottimizzazione di vari parametri di progettazione, tra cui la superficie della griglia e la spaziatura del conduttore, la dimensione del conduttore e il materiale, il numero e il posizionamento delle barre di terra, il materiale di strato superficiale e lo spessore, e l'utilizzo delle risorse di messa a terra esistenti.

Le aree più grandi hanno una resistenza alla griglia inferiore e quindi una minore tensione GPR e mesh. Tuttavia, l'espansione della zona della griglia aumenta i costi materiali e non può essere pratica a causa dei vincoli del sito.

Utilizzo delle infrastrutture esistenti

Il sistema di messa a terra può essere ottimizzato utilizzando i terreni Ufer disponibili come pile e piedi. Elettrodi in calcestruzzo (Piazzo Ufer) possono fornire eccellenti prestazioni di messa a terra e devono essere incorporati nel design quando disponibile.

È importante che i progettisti elettrici e civili si coordinano l'uno con l'altro per garantire l'utilizzo del terreno/backfill appropriato e per regolare la barra di ridimensionamento nei terreni Ufer, come le calpestie e i picchi.

Processo di progettazione iterativo

La procedura di progettazione si articola in quattro fasi principali, e diverse iterazioni sono di solito eseguite per raggiungere i requisiti di sicurezza forniti dalle normative e dalle regole standard. Il processo di progettazione prevede tipicamente l'avvio di un progetto preliminare basato su esperienza e regole di pollice, calcolando i parametri di prestazione tra cui resistenza, tensioni di contatto e tensioni di passo, confrontando i risultati con i criteri di sicurezza, e modificando il progetto se non vengono soddisfatti i criteri.

Questo processo iterativo continua fino a quando non si trova un progetto che soddisfa tutti i requisiti di sicurezza a costi accettabili. Gli strumenti informatici facilitano notevolmente questo processo consentendo una rapida valutazione delle alternative di progettazione.

Pitfalls e migliori pratiche comuni

L'esperienza con numerosi progetti di sistema di messa a terra ha identificato errori comuni e ha stabilito le migliori pratiche che migliorano l'affidabilità e la sicurezza.

Problemi di qualità dei dati

I dati di input di scarsa qualità sono forse la fonte più comune di errori nei calcoli di messa a terra. I dati di campo accurati (ad esempio, resistenza del suolo) e gli intervalli accettabili per le variabili di progettazione sono necessari per il sistema di terra considerato.

Analogamente, i dati della geometria della griglia inesatta o i valori correnti di errore non corretti produrranno risultati inaffidabili. Il principio di "misure due volte, cut una volta" si applica pienamente alla progettazione del sistema di messa a terra.

Criteri di sicurezza incompresa

Le sostazioni con basse resistenze non sono un'indicazione di design sicuro, né una sottostazione con un'alta resistenza necessariamente un'indicazione di un design non sicuro. Un'inconcepimento comune è che raggiungere un valore di resistenza specifico (come 1 ohm o 5 ohm) assicura automaticamente la sicurezza. In realtà, la sicurezza dipende dal rapporto tra corrente di guasto, resistenza di terra, e le tensioni di tocco e passo risultante.

In alcuni casi, in particolare con elevata resistenza al suolo, può essere impossibile o impraticabile raggiungere valori di resistenza molto bassi, ma il sistema può ancora essere sicuro se vengono applicate le tecniche di progettazione adeguate.

Trascurare la Divisione Corrente

Il fattore di divisione deve essere calcolato in base alla configurazione del sistema reale, compresi i fili di scudo sopraelevata, i neutroni di distribuzione e altri percorsi di ritorno. Assumendo che tutte le correnti di guasto fluiscono attraverso il sistema di messa a terra locale quando i percorsi di ritorno significativi esistono risultati in progetti non necessari.

Qualità dell'installazione

La verifica di un sistema di griglia inizia con i controlli del piano di layout della stazione, mostrando tutte le principali attrezzature e strutture, e l'area del sistema di messa a terra è il fattore geometrico più importante nel determinare le resistenze della griglia. Tutti i collegamenti devono essere fatti correttamente utilizzando metodi e materiali approvati, i conduttori devono essere sepolti alla profondità specificata, la griglia deve coprire l'area prevista e le barre di terra devono essere guidate alla profondità specificata.

Il controllo della qualità durante l'installazione è essenziale: le ispezioni devono verificare che il sistema integrato corrisponda ai disegni di progettazione e che tutte le connessioni siano meccanicamente ed elettriche. La saldatura esotermica è spesso specificata per connessioni critiche per garantire affidabilità a lungo termine.

Considerazioni speciali per diversi tipi di sottostazione

Mentre IEEE Standard 80 fornisce una guida generale applicabile alla maggior parte delle sottostazioni, diversi tipi di installazioni hanno considerazioni uniche che influiscono sui calcoli di impedenza e sulla progettazione di messa a terra.

Sostazioni isolate dal gas (GIS)

In caso di impianti isolati a gas interni, l'effetto delle correnti circolanti può essere di preoccupazione. Le installazioni GIS hanno involucri metallici che portano correnti di guasto e possono creare sfide di messa a terra uniche. Le custodie devono essere adeguatamente messe a terra e incollate per prevenire tensioni pericolose e il sistema di messa a terra deve tenere conto della distribuzione corrente attraverso le custodie.

La compattezza delle installazioni GIS spesso significa piccole griglie di terra, che possono rendere più impegnativo il raggiungimento della bassa resistenza, ma la zona ridotta significa anche un'esposizione di tensione di contatto e passo in alcuni casi.

Sostanze di distribuzione

Nelle sottostazioni di distribuzione più piccole, la gamma generalmente accettabile è di 1-5Ω, a seconda delle condizioni locali. Le sottostazioni di distribuzione hanno in genere correnti di guasto inferiori rispetto alle sottostazioni di trasmissione, che possono semplificare i requisiti di messa a terra.

Il progetto di messa a terra deve considerare le caratteristiche specifiche dei sistemi di distribuzione, compresa la presenza di neutroni multi-terra, la connessione al sistema di distribuzione dell'utilità e il potenziale di tensioni trasferite attraverso le connessioni dei clienti.

Generando le stazioni

Le stazioni generatrici presentano sfide uniche a causa delle grandi correnti di guasto disponibili dai generatori e dalle complesse attrezzature. Il sistema di messa a terra deve gestire non solo guasti del sistema di trasmissione ma anche guasti del generatore, che possono avere caratteristiche diverse.

La presenza di grandi macchine rotanti presenta considerazioni aggiuntive, tra cui tensioni di alberi e correnti di cuscinetti. Il sistema di messa a terra deve essere progettato per minimizzare le correnti circolanti che potrebbero danneggiare le apparecchiature, fornendo ancora percorsi di corrente di guasto adeguati.

Documentazione e registrazione

La corretta documentazione della progettazione e dell'installazione del sistema di messa a terra è essenziale per la manutenzione futura, le modifiche e la risoluzione dei problemi. I record completi dovrebbero includere i dati del test di resistenza del suolo con le posizioni e le date, i calcoli di progettazione e le ipotesi, i disegni as-built che mostrano le posizioni e le connessioni del conduttore reali, le specifiche dei materiali e i rapporti di prova, e i risultati di misurazione da prove di messa in servizio.

Questa documentazione serve a molteplici scopi, tra cui fornire una linea di base per le misurazioni future per rilevare il degrado, sostenere modifiche o espansioni della sottostazione, dimostrare la conformità con gli standard e le normative, e facilitare la risoluzione dei problemi se si verificano problemi.

Manutenzione e test periodici

I sistemi di messa a terra richiedono controlli periodici e test per garantire prestazioni continue. Nel tempo, la corrosione può aumentare la resistenza, le connessioni possono deteriorarsi e le condizioni del suolo possono cambiare. Un programma di manutenzione dovrebbe includere ispezioni visive di connessioni e conduttori accessibili, misurazioni di resistenza periodiche per rilevare cambiamenti, l'indagine di eventuali anomalie o risultati inaspettati, e l'azione correttiva quando le prestazioni si degradano sotto livelli accettabili.

La frequenza dei test dipende dalla criticità dell'installazione, dalle condizioni ambientali e dai requisiti normativi. Molte utility eseguono misurazioni di resistenza al suolo ogni pochi anni come parte dei programmi di manutenzione di routine.

Compliance e standard regolamentari

Mentre IEEE Standard 80 fornisce una guida tecnica completa, i progettisti devono anche considerare altri standard e regolamenti applicabili.

Gli standard correlati includono IEEE Std 367-1996, IEEE Raccomandata Pratica per Determinare la Sostazione elettrica Potenziale di Terra e Tensione Indotta da un Potere di Potenza, IEEE Std 81-2012, IEEE Guida per la misurazione della resistenza della terra, impedenza del suolo e potenziali della superficie terrestre di un sistema di terra, e IEEE Std 142-1991, IEEE Consigliamod di Pratica Commerciale per i sistemi di Pianificazione Industriale

I progettisti devono avere familiarità con tutti i requisiti applicabili e garantire che i progetti soddisfino i criteri più severi. In alcuni casi, i requisiti normativi possono specificare dimensioni minime del conduttore, valori di massima resistenza o pratiche di installazione specifiche che devono essere seguite.

Tendenze e tecnologie emergenti

Il campo di sottostazione continua ad evolversi con nuove tecnologie e una migliore comprensione. I materiali avanzati come il calcestruzzo conduttivo e il backfill rinforzato con grafite offrono il potenziale per migliorare le prestazioni in condizioni di terreno difficili. Questi materiali possono ridurre la resistenza del suolo efficace intorno ai conduttori e fornire prestazioni più stabili a lungo termine.

Le tecniche di misura migliorate, tra cui l'analisi del dominio di frequenza e i test transitori, forniscono una migliore caratterizzazione del comportamento del sistema di messa a terra in condizioni diverse.

L'integrazione con tecnologie intelligenti di rete consente il monitoraggio continuo delle prestazioni del sistema di messa a terra. I sensori possono rilevare cambiamenti di resistenza o di presenza di guasti di terra, fornendo un avviso precoce di potenziali problemi.

Pratico Attuazione Lista di controllo

Per garantire la corretta applicazione dei calcoli di impedenza IEEE Standard 80 e della progettazione del sistema di messa a terra, seguire questa lista completa di controllo:

Fase di pre-progettazione

• Condurre un'indagine completa sulla resistenza del suolo utilizzando il metodo a quattro punti
• Prendere misure in più posizioni e profondità
• Documento condizioni del suolo e qualsiasi caratteristica insolita
• Ottenere un'accurata indagine del sito che mostra tutte le strutture e le attrezzature
• Raccogli dati correnti di guasto da studi di sistema
• Identificare tutti i fili di protezione e i neutroni di distribuzione
• Determinare le norme applicabili e i requisiti normativi

Fase di progettazione

• Sviluppare il layout della griglia preliminare basato sui vincoli del sito
• Calcola la resistenza al suolo utilizzando le formule IEEE Standard 80
• Determinare la reattività del terreno se significativa
• Combinare resistenza e reattività per trovare l'impedenza totale
• Calcola l'aumento potenziale di terra (GPR)
• Determinare le tensioni di tocco e passo tollerabili
• Calcolate tensioni di rete e di step reali
• Confronta le tensioni calcolate contro i limiti tollerabili
• Iterate design se non soddisfano criteri di sicurezza
• Conduttori di dimensioni per esigenze termiche e meccaniche
• Specificare materiali e metodi di installazione
• Preparare disegni e specifiche di progettazione dettagliati
• Verificare la progettazione utilizzando strumenti di simulazione del computer

Fase di installazione

• Verificare che i materiali soddisfino le specifiche
• Assicurare una corretta profondità di sepoltura per tutti i conduttori
• Utilizzare metodi di connessione approvati (saldatura esterna preferita)
• Installare barre di terra per una profondità specificata
• Applicare il materiale di strato superficiale a spessore corretto
• Documento con condizioni di costruzione con fotografie e misurazioni
• Eseguire ispezioni di qualità in fasi critiche

Fase di Commissione

• Misurare la resistenza al suolo utilizzando il metodo fall-of-potenziale
• Confronta i valori misurati contro i calcoli di progettazione
• Investi qualsiasi discrepanza significativa
• Eseguire misure di tensione touch e step se pratica
• Documenta tutti i risultati dei test
• Preparare disegni e documentazione completi

Manutenzione in corso

• Stabilire un programma di test periodici
• Eseguire ispezioni visive di componenti accessibili
• Misurare la resistenza al suolo a intervalli regolari
• Mantenere i record di tutte le misurazioni e le osservazioni
• Investi in qualsiasi cambiamento delle prestazioni
• Eseguire il lavoro di riparazione secondo necessità
• Documentazione di aggiornamento per riflettere eventuali modifiche

Conclusioni

Calcolare l'impedenza secondo IEEE Standard 80 è un processo completo che richiede un'attenta attenzione ai dettagli, una raccolta accurata dei dati e una corretta applicazione di formule e metodi consolidati. Il processo comprende la comprensione dei concetti fondamentali di resistenza e reattività, la raccolta di dati precisi sulla resistenza del suolo e del sistema, il calcolo della resistenza al suolo utilizzando formule comprovate, la determinazione dei componenti reattivi quando significativo, combinando resistenza e reattività per trovare l'impedenza totale, la verificando criteri di sicurezza per ottimizzare i criteri di efficienza di sicurezza per il contatto.

La comprensione dell'IEEE Std. 80 consente all'ingegnere di fornire un sistema di messa a terra affidabile, sicuro e affidabile, che fornisce un quadro rigoroso per garantire che i sistemi di messa a terra sottostazione possano dissipare in modo sicuro le correnti di guasto senza creare gradienti di tensione pericolosi che potrebbero danneggiare il personale.

Il successo nel progettare il sistema di messa a terra richiede non solo la competenza matematica, ma anche il giudizio di ingegneria, la comprensione del comportamento del suolo, la conoscenza del funzionamento del sistema elettrico e l'attenzione alle considerazioni di installazione pratica.

Seguendo l'approccio sistematico delineato nella norma 80 IEEE e applicando i metodi di calcolo descritti in questa guida, gli ingegneri possono progettare sistemi di messa a terra che forniscono una protezione affidabile sia per il personale che per l'attrezzatura durante la vita della sottostazione.

Per ulteriori informazioni e specifiche tecniche dettagliate, consultare il IEEE Standard 80-2013 documento, così come gli standard correlati come IEEE Standard 81 per le tecniche di misura e IEEE Standard 367] per i calcoli di aumento del potenziale di terra.