سیم زمینی یا سیم حفاظتی

تعریف سیم زمینی هوایی (سیم زمین)

سیم زمینی هوایی، که به آن سیم زمین نیز می‌گویند، جزء مهمی از سیستم‌های محافظت در برابر برق است. این سیم از یک یا چند رسانه تشکیل شده که بالای خط انتقال نصب می‌شود و از یک سازه حمایتی به سازه حمایتی دیگر کشیده می‌شود. این سیم‌ها با دقت در فواصل منظم طول خود به زمین متصل می‌شوند.

وظیفه اصلی سیم زمینی هوایی، جلوگیری از ضربات مستقیم برق که معمولاً به رسانه‌های فاز خط انتقال هدف قرار می‌دهند، است. با تغییر جریان برق به طور ایمن به زمین، این سیم رسانه‌های الکتریکی حیاتی را از خطر آسیب پیشگیری می‌کند و عملکرد بدون وقفه سیستم انتقال برق را تضمین می‌کند. باید توجه داشت که در حالی که سیم زمینی در برابر برق بسیار مؤثر است، اما تأثیری در کاهش شوک‌های تغییر وضعیت ندارد که ناشی از پدیده‌های مختلف الکتریکی در سیستم قدرت هستند.

وقتی ضربه برق در نقطه میانی یک سیم زمینی رخ می‌دهد، موج‌های الکتریکی ایجاد می‌شوند و در جهات مخالف در طول خط حرکت می‌کنند. این موج‌ها 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 عامل کلیدی‌ای وابسته است: مقاومت بین پایه برج و زمین باید به اندازه کافی کم باشد. مقاومت بالا می‌تواند از تبدیل مؤثر جریان برق جلوگیری کند و توانایی سیم زمینی در محافظت از خط انتقال را کاهش دهد و منجر به شوک‌های الکتریکی و آسیب به تجهیزات شود.

اگر مقاومت بین پایه برج و زمین کم نباشد و سیم زمینی یا برج توسط برق ضربه بخورد، این برق یک پتانسیل بسیار بالا القاء می‌کند. این پتانسیل بالا می‌تواند باعث شوک از برج به یک یا چند رسانه فاز شود. این پدیده به عنوان شوک برگشتی شناخته می‌شود.

شوک برگشتی زمانی رخ می‌دهد که حاصلضرب جریان برج و امپدانس برج از سطح عایق‌بندی خط انتقال فراتر رود. برای کاهش این خطر، یک رویکرد موثر کاهش مقاومت پایه برج است. در مناطقی که مقاومت خاک بالاست، معمولاً از میله‌های زدنی و ضدباله استفاده می‌شود.

ضدباله یک رسانه است که در زمین دفن می‌شود و معمولاً از فولاد تزئینی ساخته شده است. برای یک ترمینال هوایی، ضدباله به عنوان یک ترمینال زمینی تخصصی عمل می‌کند. نقش آن کاهش امپدانس شوک اتصال زمین و بهبود جفت‌سازی بین سیم زمینی و رسانه است، که باعث بهبود عملکرد کلی محافظت در برابر برق سیستم می‌شود.

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

ضدباله موازی

ضدباله موازی شامل یک یا چند رسانه است که در طول کل خط انتقال در زمین کشیده می‌شوند. این خطوط ضدباله در هر برج و ستون به سیم زمینی هوایی متصل می‌شوند. این کنفیگوراسیون به توزیع یکنواخت جریان الکتریکی در زمان ضربه برق کمک می‌کند و احتمال ایجاد ولتاژ بالا را کاهش می‌دهد و احتمال شوک برگشتی را کم می‌کند.

ضدباله شعاعی

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

زاویه محافظت یا زاویه محافظتی

زاویه محافظت یا زاویه محافظتی به عنوان اندازه‌گیری زاویه‌ای بین تراز عمودی سیم زمینی و رسانه 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 خط اتصال سیم زمینی به رسانه فازی بیرونی تشکیل می‌شود، اندازه‌گیری می‌شود. این زاویه به عنوان پارامتر کلیدی در طراحی و ارزیابی سیستم‌های محافظت در برابر برق خطوط انتقال هوایی عمل می‌کند، زیرا به طور مستقیم تأثیرگذاری سیم زمینی در جلوگیری از ضربات برق و محافظت از رسانه‌های فازی را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

بهینه‌سازی کنفیگوراسیون‌های محافظت و سیم زمینی

برای محافظت بهینه در برابر ضربات برق در خطوط انتقال هوایی، بسیار مهم است که زاویه محافظت کم باشد. زاویه‌های بین ۲۰° تا ۳۰° به عنوان مؤثر و ایمن در فراهم کردن محافظت کافی برای رسانه‌های فازی در نظر گرفته می‌شوند. مهندسان معمولاً از تنظیم زاویه محافظت بالاتر از ۴۰° خودداری می‌کنند، زیرا این کار کارایی محافظت را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد و خطر ضربه مستقیم برق به رسانه‌ها را افزایش می‌دهد.

در سیستم‌های قدرت بالا ولتاژ معاصر، که غالباً دارای رسانه‌های با فاصله گسترده‌تر هستند، استفاده از سیستم دو سیم زمینی هوایی به نرمال تبدیل شده است. این کنفیگوراسیون محافظت بهتری نسبت به سیستم‌های تک سیمی سنتی ارائه می‌دهد. استفاده از دو سیم زمینی نه تنها پوشش و توانایی اعتراض به برق را افزایش می‌دهد، بلکه چندین مزیت الکتریکی نیز ارائه می‌کند. به عنوان مثال، امپدانس شوک یک سیستم دو سیمی زمینی کمتر است که به تبدیل مؤثرتر شوک‌های الکتریکی القاء شده توسط برق کمک می‌کند. علاوه بر این، وجود دو سیم اثر جفت‌سازی بین سیم‌های زمینی و رسانه‌های فازی را افزایش می‌دهد. این جفت‌سازی بهبود یافته به تعادل بهتر بارهای الکتریکی کمک می‌کند و احتمال وقوع ولتاژهای بالا را کاهش می‌دهد و قابلیت اطمینان و مقاومت زیرساخت‌های انتقال بالا ولتاژ را بهبود می‌بخشد.