سیم زمین یا سیم هوا

تعریف سیم زمینی هوایی (سیم زمین)

سیم زمینی هوایی که به عنوان سیم زمین نیز شناخته می‌شود، بخش مهمی از سیستم‌های محافظت از برق است. این سیم شامل یک یا چند هادی است که بالاتر از خط انتقال نصب شده و از یک سازه پشتیبان به سازه پشتیبان دیگر منبسط می‌شود. این سیم‌ها با فواصل منظم در طول خود به صورت دقیق به زمین متصل می‌شوند.

وظیفه اصلی سیم زمینی، مسدود کردن ضربات مستقیم برق رعدی است که در غیر این صورت هادی‌های فاز خط انتقال را هدف قرار می‌دهند. با هدایت جریان برق رعدی به طور ایمن به زمین، این سیم از آسیب‌پذیری هادی‌های الکتریکی حیاتی محافظت می‌کند و عملکرد مداوم سیستم انتقال برق را تضمین می‌کند. باید توجه داشت که در حالی که سیم زمینی علیه ضربات برق رعدی بسیار موثر است، اما برای کاهش امواج تغییر وضعیت که توسط پدیده‌های مختلف الکتریکی در سیستم برق ایجاد می‌شوند، تأثیری ندارد.

هنگامی که ضربه برق رعدی در میانه سیم زمینی رخ می‌دهد، امواج الکتریکی تولید می‌شوند و در جهات مخالف در طول خط حرکت می‌کنند. این امواج در نهایت به برج‌های انتقال مجاور می‌رسند که طراحی شده‌اند تا انرژی الکتریکی را به طور ایمن به زمین منتقل کنند. با این حال، کارایی سیم زمینی به یک عامل کلیدی بستگی دارد: مقاومت بین پایه برج و زمین باید به حد کافی کم باشد. مقاومت بالا می‌تواند از تخلیه مؤثر جریان برق رعدی جلوگیری کند و قابلیت محافظت سیم زمینی از خط انتقال را کاهش دهد و ممکن است منجر به امواج الکتریکی و آسیب به تجهیزات شود.

اگر مقاومت بین پایه برج و زمین کم نباشد و سیم زمینی یا برج توسط برق رعدی لمس شود، برق رعدی پتانسیل بسیار بالایی القا می‌کند. این پتانسیل بالا می‌تواند باعث ایجاد فلاشوور از برج به یک یا چند هادی فاز شود. این پدیده با نام فلاشوور معکوس شناخته می‌شود.

فلاشوور معکوس زمانی رخ می‌دهد که حاصل ضرب جریان برج و امپدانس برج از سطح عایق‌بندی خط انتقال بیشتر شود. برای کاهش این ریسک، یک روش موثر کاهش مقاومت پایه برج است. در مناطقی که مقاومت خاک بالاست، معمولاً از میله‌های پیچیده و کانترپوز استفاده می‌شود.

کانترپوز یک هادی است که در زمین دفن شده و معمولاً از فولاد رویان شده ساخته می‌شود. برای یک ترمینال هوایی، کانترپوز به عنوان یک ترمینال زمینی تخصصی عمل می‌کند. نقش آن کاهش امپدانس امواج زمین و بهبود کوپلینگ بین سیم زمینی و هادی است، که به نوبه خود عملکرد کلی محافظت از برق رعدی سیستم را بهبود می‌بخشد.

در خطوط انتقال، دو نوع اصلی کانترپوز استفاده می‌شود: کانترپوز موازی و کانترپوز شعاعی.

کانترپوز موازی

کانترپوز موازی شامل یک یا چند هادی است که در طول کل خط انتقال در زیر زمین قرار داده شده‌اند. این خطوط کانترپوز در هر برج و ستون به سیم زمینی هوایی متصل می‌شوند. این ساختار به توزیع یکنواخت جریان الکتریکی در زمان ضربه برق رعدی کمک می‌کند، که احتمال ایجاد ولتاژ بالا را کاهش می‌دهد و احتمال فلاشوور معکوس را کم می‌کند.

کانترپوز شعاعی

کانترپوز شعاعی با یک سری سیم‌هایی که به صورت شعاعی از پایه پایه‌های برج به بیرون گسترده شده‌اند مشخص می‌شود. تعداد و طول این سیم‌ها با دقت بر اساس دو عامل مهم تعیین می‌شود: موقعیت جغرافیایی برج و شرایط خاک غالب. این متغیرها نقش مهمی در بهینه‌سازی کارایی کانترپوز برای کاهش مقاومت پایه برج و بهبود کلی محافظت از برق رعدی خط انتقال دارند.

زاویه محافظت یا پوششی

زاویه محافظت یا پوششی به عنوان اندازه‌گیری زاویه‌ای بین تراز عمودی سیم زمینی و هادی فازی که نیاز به محافظت دارد تعریف می‌شود. به طور معمول، این زاویه به عنوان زاویه‌ای که بین خط عمودی عبوری از سیم زمینی و خطی که سیم زمینی را به هادی فازی بیرونی متصل می‌کند تشکیل می‌شود. این زاویه به عنوان یک پارامتر مهم در طراحی و ارزیابی سیستم‌های محافظت از برق رعدی خطوط انتقال هوایی عمل می‌کند، زیرا مستقیماً بر توانایی سیم زمینی در مسدود کردن ضربات برق رعدی و محافظت از هادی‌های فازی از آسیب‌پذیری تأثیر می‌گذارد.

بهینه‌سازی پوشش و ساختارهای سیم زمینی

برای پوشش بهینه علیه ضربات برق رعدی در خطوط انتقال هوایی، کاهش زاویه محافظت ضروری است. زاویه‌هایی در محدوده ۲۰° تا ۳۰° به عنوان موثر و ایمن برای ارائه محافظت کافی به هادی‌های فازی در نظر گرفته می‌شوند. مهندسان معمولاً از تنظیم زاویه محافظت بالاتر از ۴۰° پرهیز می‌کنند، زیرا این کار کارایی پوشش را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد و خطر ضربه مستقیم برق رعدی به هادی‌ها را افزایش می‌دهد.

در سیستم‌های برق فشار بالای معاصر که معمولاً هادی‌هایی با فاصله‌های گسترده‌تر دارند، استفاده از سیستم دو سیم زمینی به نرمال تبدیل شده است. این ساختار محافظت بهتری نسبت به سیستم‌های تک سیمی سنتی ارائه می‌دهد. استفاده از دو سیم زمینی نه تنها پوشش و توانایی مسدود کردن ضربات برق رعدی را افزایش می‌دهد بلکه مزایای الکتریکی متعددی نیز دارد. به عنوان مثال، امپدانس امواج یک سیستم دو سیمی زمینی کمتر است که اجازه می‌دهد امواج الکتریکی القا شده توسط برق رعدی به طور مؤثرتری تخلیه شوند. علاوه بر این، وجود دو سیم اثر کوپلینگ بین سیم‌های زمینی و هادی‌های فازی را افزایش می‌دهد. این کوپلینگ بهبود یافته به تعادل بهتر بارهای الکتریکی کمک می‌کند و احتمال وقوع ولتاژ بالا را کاهش می‌دهد و عملکرد کلی و قابلیت اطمینان زیرساخت‌های انتقال فشار بالا را بهبود می‌بخشد.