یک رویکرد جدید برای طراحی سیستم ارتینگ با استفاده از روش اجزاء محدود

محورهای موضوعی : انرژی های تجدیدپذیر

سجاد صمدی نسب ¹ (کارشناس ارشد – دانشکده مهندسی برق، دانشگاه لرستان، ایران)
فرهاد نامداری ² (استادیار – دانشکده مهندسی برق، دانشگاه لرستان، ایران)
محمد بخشی پور ³ (کارشناس ارشد – دانشکده مهندسی برق، دانشگاه لرستان، ایران)

تاریخ دریافت : 1394/11/24 تاریخ پذیرش : 1395/06/17 تاریخ انتشار : 1396/02/15

کلید واژه: روش اجزاء محدود, طراحی ارتینگ, شبکه های زمین,

چکیده مقاله :

حفاظت از تجهیزات، ایمنی افراد و تداوم تامین برق از اهداف اصلی سیستم زمین هستند. برای طراحی دقیق سیستم زمین، تعیین توزیع پتانسیل بر روی سطح زمین و مقاومت معادل سیستم ضروری است. آگاهی از چنین پارامتر هایی اجازه بررسی امنیت ارائه شده توسط سیستم زمین، هنگامی که خرابی در سیستم های قدرت وجود دارد را می دهد.یک روش جدید برای طراحی سیستم ارتینگ با استفاده از روش اجزاء محدود (FEM) در این مقاله ارائه شده است. در این روش، تاثیری که رطوبت و دما بر رفتار مقاومت مخصوص زمین دارند در طراحی سیستم ارتینگ در نظر گرفته شده است. سیستم ارتینگ در دو حالت الکترود میله عمودی و الکترود نوع صفحه ای دفن شده در زمین در نظر گرفته شده است. مقاومت سیستم زمین، عامل بسیار مهمی در فرایند طراحی است که با استفاده از روش اجزاء محدود محاسبه می شود. روش المان محدود برای حل معادله دیفرانسیل با مشتقات جزئی حاکم بر رفتار سیستم استفاده شده است.4.4 COMSOL Multiphysics یکی از بسته هایی است که با FEM کار می کند و به عنوان یک ابزار در این طراحی مورد استفاده قرار گرفته است. در نهایت به منظور صحت نتایج ارائه شده، مقادیر مقاومت طراحی شده توسط COMSOL Multiphysics با مقادیر فرمول تحلیلی اثبات شده برای مقاومت زمین، مقایسه شده است.

چکیده انگلیسی:

Protection of equipment, safety of persons and continuity of power supply are the main objectives of the grounding system. For its accurate design, it is essential to determine the potential distribution on the earth surface and the equivalent resistance of the system. The knowledge of such parameters allows checking the security offered by the grounding system when there is a failure in the power systems. A new method to design an earthing systems using Finite Element Method (FEM) is presented in this article. In this approach, the influence of the moisture and temperature on the behavior of soil resistivity are considered in EARTHING system DESIGN. The earthing system is considered to be a rod electrode and a plate type electrode buried vertically in the ground. The resistance of the system which is a very important factor in the design process is calculated using FEM. FEM is used to estimate the solution of the partial differential equation that governs the system behavior. COMSOL Multiphysics 4.4 which is one of the packages that work with the FEM is used as a tool in this design. Finally the values of the resistance obtained by COMSOL Multiphysics are compared with the proven analytical formula values for the ground resistance, in order to prove the work done with COMSOL Multiphysics.

منابع و مأخذ:

[1] J.A. Güemes, F.E. Hernando, "Method for calculating the ground resistance of grounding grids using FEM", IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 19, No. 2, pp.595-600, 2004.

[2] Z.H. Xueling, J. ZHANG, P.I. Zeng, LI. Jia, "Grounding resistance measurement of transmission towers in mountainous area", TELKOMNIKA Indonesian Journal of Electrical Engineering., Vol. 11, No. 8, pp. 4439-4446, 2013.

[3] W. Jianmin, S. Weiwei, C. Yanping, J. Xin, S. Jidong, W. Dongju, "Study on locating techniques of single-phase grounding fault in distribution network", TELKOMNIKA Indonesian Journal of Electrical Engineering., Vol. 12, No. 3, pp. 1701-1707, 2014.

[4] F.E. Asimakopoulou, et al, "Transient behavior of grounding systems embedded in different earth structures", Proceeding of the IEEE/MedPower, Agia Napa, Cyprus, Nov. 2010.

[5] P.J. Lagace, D. Mukhedkar, H.H. Hoang, H. Greiss, "Evaluation of the effect of vertical faults on the voltage distribution around HVDC electrodes using a super-computer", IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 5, pp. 1309–1313, 1990.

[6] J.A.G. Alonso, et al, "A practical approach for determining the ground resistance of grounding grids", IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 21, No. 3, pp. 1261-1266, 2006.

[7] O. Kuras, D. Beamish, P.I. Meldrum, R.D. Ogilvy, "Fundamentals of the capacitive resistivity technique", Geophysics, Vol. 71, No. 3, pp. 135-152, 2006.

[8] B. Enrique, et al, "The extremal charges method in grounding grid design", IEEE on Trans. Power Delivery, Vol. 19, No. 1, pp. 118-123, 2004.

[9] I.Colominas, N.Fermín, M.Casteleiro, "A numerical formulation for grounding analysis in stratified soils", IEEE Trans. on Power Delivery, Vol.17, No.2, pp.587-595, 2002.

[10] Z.Li, et al, "A novel mathematical modeling of grounding system buried in multilayer earth", IEEE on Trans. Power Delivery, Vol.21, No.3, pp.1267-1272, 2006.

[11] F.B.Uzunlar, K.Özcan, "Three dimensional grounding grid design", Proceeding of the IEEE/ELECO, pp.1-139, Bursa, Turkey, Nov. 2009.

[12] H.Zhiqiang, X.Wen, J.Wang, "Optimization design of substation grounding grid based on genetic algorithm", IEEE Natural Computation, Vol.4, pp.140-144, 2007.

[13] H.Jinliang, et al, "Optimal design of grounding system considering the influence of seasonal frozen soil layer", IEEE Trans. on Power Delivery, Vol.20, No.1, pp.107-115, 2005.

[14] I.Colominas, F.Navarrina, M.Casteleiro, "Numerical simulation of transferred potentials in earthing grids considering layered soil models", IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 22, No. 3, pp.1514-1522, 2007.

[15] I. Colominas, J. Parı´s, F. Navarrina, M. Casteleiro, "Improvement of the computer methods for grounding analysis in layered soils by using high-efficient convergence acceleration techniques", Advances in Engineering Software, Vol. 44, No. 1, pp. 80-91, Feb. 2012.

[16] A. Gabriel, O. Kehinde, O. Odeyemi, "Assessment of soil resistivity on grounding of electrical systems: a case study of north-east zone", Nigeria. Journal of Academic and Applied Studies, Vol. 1, No. 3, pp. 28 -38, 2011.

[17] G. Dhatt, E. Lefrancois, G. Touzot, "Finite element method", John Wiley & Sons, 2012.

[18] O.D. Weck, I. Yong Kim, "Engineering design and rapid prototyping- finite element method", Massachusetts Institute of Technology, Jan. 2004.

[19] K.N. Chong, "Simplified numerical based method for calculation of DC ground electrode resistance in multi-layered earth", Master of Science Dissertation, Dept. Electrical and Computer Engineering, Univ. Manitoba, Canada. June 2000.

[20] A. Tizzard, et al, "Generating accurate finite element meshes for the forward model of the human head in EIT", Physiological Measurement, Vol. 26, No. 2, 2005.

[21] A. AbuBakar, R.S. Dow, "Simulation of ship grounding damage using the finite element method", International Journal of Solids and Structures, Vol. 50, No. 5, pp. 623-636, 2013.

[22] P. Dwarka, H.C. Sharma, "Soil resistivity and earthing system", International Journal of Management, IET and Engineering, Vol. 2, No. 9, 2012.