De aterramento da subestação OTIMIZAÇÃOUm projetoApresentado ao corpo docente do Departamento de Engenharia Elétrica e EletrônicaCalifornia State University, SacramentoApresentada na satisfação parcial deos requisitos para o grau deMESTRE DA CIENCIAdentroEngenharia Elétrica e EletrônicadeVadim BalevPravesh CharanCAIR2013

De aterramento da subestação OTIMIZAÇÃOUm projetodeVadim BalevPravesh CharanAprovado por:_______________________________________, Presidente do ComitêDr. Turan Gonen__________________Encontroii

Estudantes: Vadim Balev, Pravesh CharanCertifico que esses alunos tenham cumprido as exigências para formato contidos noManual do formato University, e que este projeto é apropriado para prateleiras na Biblioteca ecrédito vai ser adjudicado para o projeto.______________________________, Graduação Coordinator__________________Preetham B. KumarDateDepartamento de Engenharia Elétrica e Eletrônicaiii

ResumodeDe aterramento da subestaçãodeVadim BalevPravesh CharanDeclaração de problemaSubestação de aterramento é uma parte crítica do sistema elétrico de potência global. Foi concebidopara não só fornecer um caminho para dissipar correntes elétricas na terra, sem excederos limites de operação do equipamento, mas também proporcionar um ambiente seguro para todos os povosque estão na vizinhança. Projeto de um sistema de aterramento adequado será discutida, bem comorealização de cálculos necessários para garantir um projeto seguro.Aspectos de medições de resistividade do solo, área da malha de aterramento, cálculo do tolerávellimites de corrente para o corpo, situações típicas de choque, toque tolerável e tensões de passo,máxima culpa resistência grade atual, atual grid, o potencial de terra ascensão, e os benefícios demateriais de superfície vai ser discutido. Software de simulação também será discutida e suaa funcionalidade de uma forma passo-a-passo.Fontes de DadosIEEE Std. 80-2000 foi usado como a fonte primária de informação.eu v

ConclusõesUma malha de aterramento adequado foi projetado usando conceitos descritos no IEEE Std.80-2000 e aplicado em programação e simulação de resultados em MATLAB._______________________, Presidente do Comitê[Dr.Turan Gonen]_______________________Encontrov

TABELA DE CONTEÚDOSPáginaLISTA DE FIGURAS 1 ... ........................................................................Capítulo 1 - Introdução ......................................................... 11.1 Visão Geral ........................................................................ .. 11.2 Termos-chave ..................................................................... ... 2CAPÍTULO 2 - LITERATURA SURVEY ................................................. 42.1 Aterramento Overview ......................................................... ... 42.2 Condições de perigo ............................................................ 52.3 Limites da atual tolerável pelo corpo humano ........................ ... 62.4 Tensões toleráveis ............................................................ ... 72.4.1 toque e de passo Tensões toleráveis .............................. .. 82.5 religamento ........................................................................ ..102.6 de alta velocidade Fault Clearing ................................................... .. 10Medições de resistividade do solo 2.7 ................................................ .102.7.1 Wenner de quatro pinos Método ........................................... 112.7.2 desigualmente espaçadas ou Schlumberger-Palmer Method ......... ... 132.7.3 Impulsionada Rod (3 pinos) Método ....................................... .. 142.7.4 Interpretação de medições de resistividade ..................... .. 15vi

2.8 Área da malha de aterramento ...................................................... .. 172.9 Protecção Material de superfície ................................................... ..172.10 terra Condutor ............................................................. 192.11 Projeto de um Sistema de Aterramento Subestação .............................. ... 192.11.1 Conceitos Gerais ................................................... 192.11.2 Procedimentos Projeto ................................................ .. 202.11.3 Projeto Preliminar ............................................. ... 24CAPÍTULO 3 - Modelo Matemático .......................................... ... 27Medições de resistividade do solo 3.1 ................................................ .273.2 correntes de falta .................................................................. .. 293.3 Chão condutor Dimensionamento ...................................................... 303.3.1 Condutor Dimensionamento - correntes simétricas ......................... 303.4 Protecção material de superfície e factor de redução de ........................ .. 353,5 tolerável corpo Limites Atuais ................................................ 363.6 toleráveis passo e toque tensões ........................................... 383.6.1 Passo Tensão ......................................................... .. 393.6.2 Toque de tensão ...................................................... .. 403.7 Resistência à terra ............................................................ ... 42vii

3.8 Máximo grade atual ...................................................... ... 443.9 Chão potencial aumento (GPR) ................................................ .. 443.10 Computing malha máxima e Passo Tensões ........................... 453.10.1 malha Tensão (Em) ................................................. 453.10.2 Passo Tensão (Es) ................................................... 49CAPÍTULO 4 - APLICAÇÃO ............................................................ 504.2: Campo de dados (Passo 1) ............................................................ .. 504.3: Obtendo o tamanho do condutor (Passo 2) .................................... .. 514.4: Critérios de toque e de passo (passo 3) ............................................. 534.5: Projeto Inicial (Passo 4) .......................................................... 544.6: Determinação da resistência de grade (Passo 5) .................................. 574.7: Máximo Grade IG atual (Etapa 6) ....................................... ... 574.8: Cálculo GPR (Passo 7) ................................................... ... 584.10: Em vs eTouch (Passo 9) ......................................................4.11:vs.61(Passo 10) ...................................................... .. 624.12: Modificação (Passo 11) ...................................................... .. 624.13: O projeto detalhado (Passo 12) .................................................... 62CAPÍTULO 5 - CONCLUSÃO ............................................................ 63viii

APÊNDICE A ................................................................................. 64Referências .............................................................................. .. 71ix

LISTA DE QUADROSTabelasPáginaTabela 2- 1: Superfície típica Resistividade Materiais .................................... .... 18Tabela 3- 1: Valores DF (típico) .................................................................. 27Tabelas 3- 2: Constantes para materiais típicos ............................................. .. 32Tabelas 3- 3 Material de Constantes ............................................................ .... 34Tabela 4- 1: Dados de Entrada para o ....................................... design de aterramento. 50Tabela 4- 2: valor calculado de d de usar para melhor material para otimização ......... 52Tabela 4- 3: Calculado fator de redução de resistividade de pedra britada .................. 0,53Tabelas 4- 4: toque Prospectiva e degrau de tensão com espessura brita ...... .. 54Tabela 4- 5: otimização casos diferentes .................................................... 56Tabela 4- 6: Comprimento total em sepultado em todos os casos .......................................... ... 57LISTA DE FIGURASFigurasxPágina

Figura 2- 1: Situações de choque básicas ....................................................... 8Figura 2- 2: Exposição ao Toque Tensão ................................................ ... 9Figura 2- 3: A exposição ao degrau de tensão ................................................... .. 9Figura 2- 4: Wenner de quatro pinos Método .................................................... 12Figura 2- 5: O ponto quatro ou Wenner .................................................... 13Figura 2- 6: Schlumberger-Palmer Method ............................................. ... 14Figura 2- 7: Diagrama de circuito por três pinos ou método rod impulsionado-terra ............. 15Figura 2- 8: Típica Curvas de resistividade .................................................... 16Figura 2- 9: Projeto de Processo Diagrama de Blocos ........................................... 26Figura 3- 1: Cs vs hs ........................................................................ .. 36Figura 3- 2: Corrente do corpo vs. Tempo ...................................................... ... 38Figura 3- 3: A exposição ao degrau de tensão ................................................... 39Figura 3- 4: Passo Voltage Circuit ......................................................... .. 39Figura 3- 5: Exposição ao Toque Tensão ................................................ .. 40Figura 3- 6: Impedâncias em contato Voltage Circuit ................................. ....... 40Figura 3- 7: Toque Voltage Circuit ...................................................... .... 41Figura 4- 1: 4 casos Demonstrando Varying Conductor Valores ................... 55xi

CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO1.1 Visão geralO escopo deste projeto vai se preocupar com as práticas seguras de aterramento e projetos parasubestações ac. Um sistema de aterramento eficaz tem objetivos da seguinte forma:Isso assegura que qualquer pessoal humanos andar dentro dos limites da aterradainstalações não estão expostos aos perigos de choque elétrico crítico. Tanto o toque e passotensões produzidas em um sistema de condições anormais deve estar dentro dos valores seguros. Seguroos valores são definidos como valores que não produzem corrente suficiente para causar ventricularatrial. Dissipação de correntes elétricas na Terra deve ocorrer em ambos os normaise condições criticado sem ultrapassar os limites operacionais e de equipamentos ou asa continuidade do serviço. O aterramento deve ser fornecido para impulsos de raios e de comutaçãosurtos relacionados. Baixa resistência para relés de proteção para ver e falhas de terra claras.É necessário que todo o sistema de ligação à terra é concebido de uma maneira que em condições razoáveiscondições, pessoal que não está exposto a potenciais que são perigosas para o corpo humano.Projeto de um sistema de aterramento da subestação adequada é muito envolvido como muitas variáveis afetamo design. Também é difícil, por vezes, para obter valores precisos para alguns parâmetros. Paraa obtenção de valores de resistividade do solo, os efeitos das condições de umidade e temperaturapode causar variações extremas nos valores. Estas variáveis têm de ser tidas emconta usando vários métodos de aproximações e exercer julgamento de engenharia.1

Um bom sistema de ligação à terra é aquele que proporciona uma baixa resistência à terra que, por sua vezminimiza o potencial crescente do solo. Os procedimentos de design apresentados neste projeto sãoprincipalmente com base na IEEE Std. 80 em que um procedimento de projeto é descrito que atendaos critérios de segurança exigidos sem usar software de computador caro.1.2 Termos ChavePalavras-chave do os termos comumente usados em todo este texto, juntamente com suas definiçõessão apresentados a seguir como se segue:1. DC Offset: Diferença entre a atual onda simétrica e a corrente realonda durante uma condição transitória.2. Terra Corrente: A corrente que está sendo divulgado entre o sistema de aterramento ea fonte de corrente de falha de terra que usa a terra como via de retorno.3. Falta à Terra Corrente: Corrente que flui para dentro ou para fora da terra ou o caminho condutordurante uma condição de falha envolvendo o chão.4. Chão potencial aumento (GPR): A tensão máxima que a malha de aterramento pode atingirem relação a um ponto distante assumida para estar no potencial de terra remota. GPR é igualo produto da corrente de terra e a impedância equivalente do sistema de ligação à terra.5. malha de tensão: A tensão máxima toque dentro de uma malha de uma grade chão.6. A resistividade do solo: As características elétricas do solo em relação à condutividade.7. Passo Tensão: A diferença de potencial de superfície que pode-se experimentar colmatandouma distância de 1 metro, com os pés, sem contato com qualquer outro objeto aterrado.2

8. Toque Tensão: A diferença de potencial entre o aumento potencial de terra eopotencial de superfície no ponto em que uma pessoa está em pé, enquanto ao mesmo tempo tendo omãos em contacto com uma estrutura aterrada.3

CAPÍTULO 2 - LITERATURA SURVEY2.1 Aterramento OverviewSistemas de energia elétrica está aterrada ou ligada a terra por várias razões. O principalrazões para o aterramento são as seguintes: fornecer a segurança durante normal e em falhacondições, para assegurar a correta operação de dispositivos elétricos, estabilizar a tensão durantecondições transitórias e minimizar flashover durante transientes, bem como dissiparrelâmpagos [7].Quando um sistema é dito para ser ligado à terra, que está ligado electricamente a uma terra incorporado-estrutura metálica. As estruturas metálicas terra incorporado será chamado o aterramentosistema e proporcionar um caminho condutor de eletricidade para a Terra [2]. A subestação típicasistema de aterramento consiste em hastes de aterramento percorridos, enterrado aterramento interligandocabos ou grade, esteiras de equipamentos de terra, cabos de ligação que ligam a pessoa falecidamalha de aterramento para as partes metálicas de estruturas e equipamentos, conexões com oneutros ligados à terra do sistema, bem como o material de isolamento a superfície [2].Um sistema de aterramento fornece baixa impedância contato elétrico entre o neutro dosistema elétrico e da terra. O potencial do neutro em um sistema de 3 fases deve sera mesma que a da terra. Quando este for o caso os seres humanos e outros seres vivos sãoseguro para fazer contato com estruturas metálicas ligadas ao neutro do sistema. Oimpedância do sistema de ligação à terra a terra tem sempre algum valor finito, no entanto, eComo resultado, o potencial das estruturas de ligação à massa pode tornar-se diferente em várias4

pontos durante uma condição anormal. Estas condições anormais podem ser considerada comodesequilibra ou condições criticado.O nível da diferença de potencial entre a terra e as estruturas aterradas lataapresentam várias condições perigosas para os seres humanos. Esta condição tem 2 principalpossibilidades: 1. A pessoa tocando uma estrutura de terra, que tem um potencial que édiferente da do ponto de terra no qual a pessoa está em pé. Neste caso, opessoa é sujeita a uma tensão que vai gerar uma corrente eléctrica através dele ou delacorpo. A tensão a que o corpo humano está submetido a tensão é chamada de toque. 2.Uma pessoa andando na superfície da Terra vai experimentar uma tensão entre seus pés.Esta tensão vai gerar correntes eléctricas do corpo. Este caso é chamado de tensão de passo.O fluxo de corrente eléctrica através do corpo humano é a fonte de perigo. Aterramentosistemas devem ser concebidos de uma forma que é possível para a corrente eléctrica num corpopessoa que não deve exceder o limite em quaisquer eventos adversos previsíveis. Nissorespeito, o objectivo dos procedimentos de análise de sistemas de aterramento é responder àseguintes questões: Quais são as suposições razoáveis na definição decondições adversas previsíveis e que é o mais alto atual corpo possível, durante apiores condições? Uma vez que estas questões são respondidas, esses valores serão utilizados na criaçãoum projeto de aterramento adequada.2.2 Condições de perigoDurante uma condição envolvendo uma falha à terra, o fluxo de corrente para a terra irá produzirgradientes não só nos limites da subestação, mas em torno dele também. Sem o5

projeto adequado sistema de aterramento, tensões perigosas podem desenvolver entre o aterradoestruturas, equipamentos e quadros de terra nas proximidades. O padrão IEEE 80-2000 descrevecondições que choque acidental podem se desenvolver como se segue:uma. Relativamente elevada corrente de falta à terra em relação à área de sistema de aterramentoe a sua resistência à terra remota.b. Correntes de resistividade e de distribuição de terra do solo de modo a que um elevado potencialgradientes pode ocorrer em pontos na superfície da terra.c. Presença de um indivíduo a um ponto tal, o tempo e a posição de que o corpo estácolmatando dois pontos de alta diferença de potencial.d. Ausência de resistência de contato suficiente ou outro resistência em série para limitar a correnteatravés do corpo para um valor seguro em circunstâncias a) até c).e. Duração da falha e o corpo de contacto, e, por conseguinte, do fluxo de corrente através de umcorpo humano durante um tempo suficiente para causar danos na dada intensidade de corrente.2.3 Limites da atual tolerável pelo corpo humanoA magnitude, bem como a duração em 50-60 Hz das necessidades actuais de ser inferior aolimiar para fibrilação ventricular para 99,5% da população. O limite parafibrilação ventricular pode ser tão baixa quanto 60 mA [3]. Extensos testes em animaispossuindo pesos do corpo e do coração comparáveis aos seres humanos, foram conduzidos como eles eramsujeito às durações máximas de choque de 3 segundos [2]. Correntes na gama de 1-6mA são comumente referido como deixar acontecer correntes. Correntes nesta faixa são desagradáveis,no entanto, elas não afetam a capacidade da pessoa a deixar de ir ao objeto energizado.6

Correntes que vão 9-25 mA são dolorosas e afetar os músculos e torná-lo difícil ouimpossível libertar o objecto. No entanto, se as correntes estão acima do limiar parafibrilação ventricular, podem causar paralisia cardíaca, inibição da respiração, e queimaduras.2.4 Tensões toleráveisExistem cinco tensões que uma pessoa pode ser expostos ao interior de uma subestação. Estessituações são mostrados na figura abaixo que incluem: a tensão de metal-a-metal, EMM etapatensão, ES, tensão de toque, Et, tensão da malha, Em, e a tensão transferida, Etrrd [2,7].Subestação de metal-metal tensões de toque pode estar presente quando uma pessoa está em pé sobre outocar um objeto ou estrutura aterrada entra em contacto com um objecto metálico ouestrutura dentro do local subestação que não está ligado à rede do solo. Isto pode serevitada por ligação de potenciais pontos de perigo para a grade subestação. O passo é a tensãoconsiderada como a diferença de potencial de superfície que é experimentada por uma ponte pessoauma distância de 1 metro, sem contacto de qualquer outro objecto ligado à terra [1,2]. O toqueA tensão é a diferença de potencial entre a GPR e o potencial na superfícieponto onde uma pessoa está de pé ao ter uma mão em contato com uma estrutura aterrada[1,2]. Tensão da malha pode ser descrita como a máxima tensão de contacto dentro de uma malha de ummalha de aterramento [1,2]. Um caso especial de a tensão de contacto, onde uma tensão é transferida paraou para fora da subestação de um local remoto ou subestação externo é o chamado transferidotensão [2,7]. A Figura 2-1 mostra graficamente cenários das diferentes situações de choque quepode ocorrer na proximidade da subestação.7

Figura 2- 1: Situações de choque Basic.(De IEEE Std. 80-2000, Figura 12.Copyright © 2000.IEEE. Todos os direitos reservados)

2.4.1 toleráveis toque e de passo TensõesToque e tensões de passo são um critério que precisa ser cumprida para garantir um projeto seguro.Quanto menor as tensões máximas toque e de passo, o mais difícil é para cumprir uma adequadadesign. Quanto mais rápido o tempo de compensação, a menor exposição da corrente de falha que existe para opessoa. Na Figura 2-2 e 2-3, a exposição às tensões de toque e de passo são mostrados numaforma gráfica.8

Figura 2- 2: Exposição ao Toque de tensão.(De IEEE Std. 80-2000, Figura 6.Copyright © 2000.IEEE. Todos os direitos reservados)

Figura 2- 3: A exposição ao degrau de tensão.(De IEEE Std. 80-2000, Figura 9.Copyright © 2000.IEEE. Todos os direitos reservados)

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2.5 ReligamentoReligamento do circuito é uma prática comum na indústria de hoje. Isto pode ser uma preocupação quantoa pessoa pode não ter tido tempo suficiente para se recuperar do primeiro choque quando ele é atingidoCom outro em um curto período de tempo. Estes efeitos cumulativos de espaçadoschoques não foram avaliadas cuidadosamente, mas uma subsídios razoáveis podem ser feitas porsoma das durações de choque como o tempo de uma única exposição [2,3].2.6 de alta velocidade Fault ClearingHá uma grande importância na alta velocidade de eliminação da falha de faltas à terra e tem grandevantagens para duas razões: 1. A probabilidade de exposição a choque elétrico é muito reduzidapelo rápido tempo de eliminação da falha, 2. testes ea experiência adquirida mostram que a chance de lesão graveou morte é significativamente reduzida se a duração da corrente que passa através do corpo ébreve [8].Medições de resistividade do solo 2.7Antes projeto pode começar, medições de resistividade do solo devem ser tomadas no local dosubestação. Resistividade do solo é feito a fim de determinar a estrutura do solo para uma determinadalocal, uma vez que pode variar muito, dependendo do tipo de terreno. Por exemplo, silte em um riobanco pode ter resistividade de 1,5 ohm-metros, enquanto a areia ou granito seco podem ter valoresde 10.000 ohm-metros [6]. Os factores que afectam a resistividade do solo incluem: tipo de solo(argila, arenito, granito, etc), teor de humidade, temperatura, composição química,10

presença de metal e tubos de betão, e topologia do solo. Como resultado, cadalocal individual é único e é necessário fazer medições especificamente em cada local.As medições devem ser feitas em um número de lugares em toda a propriedade, pois é raropara encontrar toda a área a ter resistividade do solo uniforme [2]. Em muitos casos, há muitoscamadas de solo no local e a resistividade varia de cada camada. Quando no local, oas medições devem ser feitas em vários locais para determinar se há significativavaria com a profundidade. O número de medições deve ser maior em áreas com maiorvariações. Existem vários métodos de obter as medições de resistividade.2.7.1 Wenner de quatro pinos MétodoO método Wenner de quatro pinos é o método mais comumente utilizado. O conceito por tráseste método inclui a condução quatro sondas na terra ao longo de uma linha reta em igualdistâncias e uma certa profundidade [2,8]. A tensão entre os dois eléctrodos interiores é entãomedido e dividido por a corrente entre os dois eléctrodos exteriores. Isto dará aovalor de resistência, R. Este método pode ser observado na Figura 2-4 e na Figura 2-5 abaixo,onde a é a distâncias iguais para além e a profundidade é, b.Há um número de razões para a popularidade deste método. Não há pesadaequipamento necessário para o ensaio [8]. O método de quatro pinos obtém os dados de resistividadepara as camadas mais profundas sem ter de conduzir os pinos de teste para as camadas mais profundas. Os resultadosnão variam muito devido à resistência pino ou os buracos criado durante a condução do testepinos no solo.11

Medições de resistividade precisa incluir a temperatura e umidade do solono momento da medição. Quaisquer objetos condutores adicionais conhecidos enterrados deve serobservou também, como eles podem criar falsas medições de leitura se eles estão perto o suficiente.As desvantagens do método Wenner são a rápida diminuição da magnitude do potencialentre os dois eléctrodos interiores quando o seu espaçamento aumenta para um pouco grandevalores. No passado, os instrumentos foram incapazes de medir tais valores baixos potenciais.Uma desvantagem adicional do método de Wenner é que requer todas as quatro sondas para serreposicionado para cada profundidade medida e é ineficiente em termos do ponto de vista operacional.Figura 2- 4: Wenner de quatro pinos Método.(De IEEE Std. 80-2000, Figura 19.Copyright © 2000.IEEE. Todos os direitos reservados)

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Figura 2- 5: O ponto quatro ou Wenner.(De "Manual de Cálculos de Energia Elétrica." Figura 14.13 A quatro pontos ou Wenner resistividade do solo test.McGraw-Hill, Copyright © 2001)

2.7.2 desigualmente espaçadas ou Schlumberger-Palmer MethodEste método envolve as sondas internas para ser colocada mais perto em conjunto e as sondas externasmais afastados. Ao contrário do método de Wenner, onde todas as sondas devem ser reposicionadosempre que o teste tem de ser realizado no local particular, o método Schlumbergerrequer apenas que sondas externas para ser reposicionado para medições diferentes. Como resultado,medições dos testes podem ser realizados mais rapidamente e economia de mão de obra éadquirida [2,6]. Figura 2-6 ilustra graficamente o método Schlumberger-Palmer abaixo comosegue:13

Figura 2- 6: Método Schlumberger-Palmer.(De IEEE Std. 81-1983 Figura 3 (b). Copyright © 1983.IEEE. Todos os direitos reservados)

2.7.3 Impulsionada Rod (3 pinos) MétodoO método de haste ou pino 3-orientado é adequado para casos tais como os que envolvem a transmissãoterras estrutura de linha, ou áreas que têm terrenos difíceis devido à penetração rasa ouáreas de medição localizados. Este método, a profundidade da haste de conduzido localizado no solotestado é variada. As outras duas hastes permanecem como hastes de referência e são levados a um rasoprofundidade em uma linha reta. A localização da haste de tensão é variada entre a haste de ensaio ea haste atual [2]. Figura 2-7, mostra a configuração do método haste conduzido como se segue:14

Figura 2- 7: Diagrama de circuito por três pinos ou método rod impulsionado-chão(De IEEE Std. 80-2000, Figura 20.Copyright © 2000.IEEE. Todos os direitos reservados)

2.7.4 Interpretação de medições de resistividadeA interpretação dos resultados medidos a partir do campo é a parte difícil daprocesso. Os objetivos básicos são a obtenção de um bom modelo de aproximação em relação ao soloo solo real. Resistividade do solo irá variar devido ao tipo de solo, profundidade e variações sazonais.Um equivalente é criada com base nos factores como se segue: e a extensão da precisãomedições, método aplicado, a complexidade da matemática e da finalidade damedições de [2]. Em engenharia de energia, o modelo equivalente de duas camadas é precisosuficiente em muitos casos, e é geralmente não muito envolvido matematicamente.15

Métodos de análise de solo incluem correspondência curva e procedimentos analíticos para identificara presença de resistividade camadas. Figura 2-8 mostra várias curvas de resistividade aparente.Curva de correspondência gráfica é útil para o pessoal de campo para detectar eventuais anomalias eidentificar áreas que precisam de um exame e análise mais aprofundada. Gráficocurva correspondente está limitado aos solos que contêm três ou menos camadas de [6]. Baseado em computadorAs soluções também estão disponíveis e esta técnica pode ser usada para estimar o solo multicamadase necessário. Média ponderada é outra técnica utilizada para determinar um equivalentemodelo de solo homogênea para cada espaçamento sonda que não é matematicamente correcto. Omelhor abordagem é obter em primeiro lugar, um modelo de resistividade para cada travessia e tomar uma decisãosobre a qual informações para basear o projeto do sistema de aterramento.Figura 2- 8: Curvas típica de resistividade a curva (a) de resistividade -Homogeneous, curva (B) -Camada de baixa resistividade sobrepondo camada de resistividade superior, Curve (C) - camada de alta resistividade entre duas baixas camada de resistividade, Curve (D) - camada de alta resistividade sobrepondo uma menor camada de resistividade, Curve (E) - camada de baixa resistividade sobre camada de alta resistividade com um descontinuidade vertical (tipicamente uma linha de falha).(De Subestação Earthing Guide.Figure 5.2: Curvas de resistividade típicos)

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2.8 Área da malha de aterramentoA área da grelha de base deve ser tão grande quanto possível e preferível que cobre a totalidadesite de subestação. O conceito por trás disso é que isso proporciona o maior efeito emabaixamento da resistência de grade. Adicionando condutor adicional grade não fornece umdiminuição da resistência do solo grelha para o mesmo nível que faz aumentar a área. Oárea condutor grelha exterior deve ser colocado no perímetro do local subestação. Ocerca subestação necessita de ser colocado em um mínimo de 3 pés dentro dos condutores exteriores[2]. Como resultado, esta proporciona a menor resistência de grade e protege qualquer um de foraa cerca de tensões de toque perigosas.As equações de design requerem um quadrado, rectangular, triangular, em forma de T, ou em forma de Lgrelhas de [2]. Em fases de concepção, no desenho layout do site da subestação, a maior doformas estão a ser desenhado que vai caber dentro do site. Isso vai representar a grade exteriorcondutores e irá definir a área da rede que será usada nos cálculos. Parasítios que tenham um dos formatos mencionados acima, que não exigem qualquer adicionalcondutores uma vez que o projeto esteja completo. Para sites irregulares, condutores adicionais precisamser executado ao longo do perímetro do local que não foram incluídas na concepção da rede originais.2.9 Protecção Material de superfícieUma fina camada de material da superfície resistiva é colocada em uma subestação, a fim de reduzir odisponível atual choque na subestação. O material de superfície aumenta o contactoresistência entre o solo e os pés das pessoas nas proximidades da subestação.O material de superfície é colocada ao longo do limite da subestação, com uma profundidade de17

cerca de 3-6 polegadas e a profundidade aumenta para 3-4 pés fora da cerca subestação [2,5].A razão para o exterior de material de superfície que se estende a cerca subestação é reduziro toque tensões como eles podem se tornar perigosamente elevada. Uma série de fatores podeinfluenciar os valores de resistividade do material de superfície. Estes incluem: o tipo de pedra,tamanho, a condição da pedra, quantidade de umidade, contaminação atmosférica, etc.Tabela 2-1, a seguir, mostra a resistividade é considerável diferente entre seco e molhadomateriais de superfície [2].Tabela 2- 1: resistividade material de superfície típica.(De IEEE Std. 80, Tabela 7. Copyright © 2000.IEEE. Todos os direitos reservados)

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2.10 terra ConductorOs mais comumente utilizados materiais para terreno em Estados Unidos são o cobre e cobre-aço revestido [2]. Ambos têm prós e contras. O cobre é comumente o material mais utilizado paraaterramento. O cobre tem uma vantagem de ser mais resistente à corrosão como no subsoloo cobre é catódica com respeito à maioria dos outros metais que possam ser enterrado na vizinhança.Enquanto isso, revestido de cobre de aço é usado geralmente para as hastes subterrâneas e, em algunsocasiões para sistemas de aterramento. Também é uma opção para ser usada para as áreas em que o roubo de cobreé um problema.Outros materiais que podem ser utilizados são o alumínio e aço. O alumínio é um bom condutorNo entanto, o cobre conduz melhor. Vantagens de alumínio são de que o roubo é menos de umemitir e é menos caro do que o cobre [4]. A temperatura de fusão do alumínio écerca de metade de cobre, enquanto que a capacidade de térmica é cerca de dois terços. O aço é uma outraopção disponível para condutores malha de aterramento e hastes. O roubo não é muito de uma questão comobem. As características de temperatura e capacidade térmica são muito bons para o aço.2.11 O projeto de um sistema de aterramento da subestaçãoO design do sistema de aterramento da subestação é seguido usando o esboço do IEEESTD 80-2000.2.11.1 Conceitos GeraisA prática comum para um sistema de aterramento nos Estados Unidos e em outros países éa utilização de condutores horizontais enterrado sob a forma de uma grelha, que são então19

completadas por uma série de terra ou varetas ligadas à rede. A idéia por trás do usohorizontais (grade) condutores é que eles são eficazes em reduzir o perigo de alta etapae toque tensões sobre a superfície da terra. Para hastes de aterramento verticais, eles permitem que openetração inferior a resistividade do solo que torna mais eficaz na dissipação de falhacorrentes, no caso de se deparar com duas ou mais camadas do solo. A camada superior do solomuitos casos tem a resistividade mais elevada do que a camada inferior. Isto é de importância como ada camada inferior do solo mantém uma resistividade quase constante e é muito menos dinâmica comparadoa da camada superior. Ao longo das estações do ano, as condições do solo mudar devido ao congelamento ousecagem.2.11.2 procedimentos de projeto1. O sistema de ligação à terra deve consistir de uma rede de condutores nus que sãoenterrado na terra para fornecer conexões de aterramento para a terra neutros,terminais de equipamentos terrestres, caixas de equipamentos e estruturas, bem como alimitar a corrente máxima possível choque em um evento de uma falha de terra. Uma vez omesh e tensões de passo da grade são calculados e são abaixo do máximovalores para tensões de toque e de passo, o projeto de aterramento é considerada adequada.Isso não significa que, em um evento de uma condição anormal, o pessoal não vaiexperimentar um choque, no entanto, o choque não será suficientemente elevada para provocarfibrilação ventricular.2. A malha de aterramento precisa abranger toda a área dentro da cerca subestaçãoe estender 3 pés fora da cerca da subestação. Um condutor de rede de perímetro20

deve se estender de 3 pés em torno de todo o muro da subestação, incluindo as portas emqualquer posição. Um condutor de rede de perímetro deve também envolver qualquer subestaçãoEquipamento e estrutura de cluster em casos em que a vedação está localizado longe docacho.3. testes de resistividade do solo terá de ser feito a fim de determinar a resistividade do soloperfil eo modelo de solo necessário. As estimativas de resistência preliminar no uniformedo solo pode ser determinada tomando a média das medições. Na finaldesign, podem ser necessárias estimativas mais precisas para a resistência e váriostécnicas estão disponíveis para a obtenção de maior precisão.4. A corrente de falha, 3I0, Deve ser esperado a corrente máxima que pode ser falharealizada por qualquer condutor de ligação à terra do sistema. O tempo, tC, deve refletiro tempo de compensação máximo possível e incluindo o backup.5. As tensões toleráveis toque e de passo, então, precisa ser determinado usandoequações disponíveis no capítulo 3. A escolha do tempo, ts, é deixado ao critério deo engenheiro de concepção do sistema com a orientação do IEEE std. 80. Se osuposições são feitas usando as condições cenário de pior caso, no momento dafalha, o pior caso de tempo de compensação primária para a subestação pode ser usado para o tempo, ts. Um projeto muito conservador iria usar o tempo, ts, do tempo de compensação backup.6. O tamanho do condutor de aterramento deve ser determinada utilizando conceitos na seção 3.3.7. Toda a área no interior da vedação, incluindo o mínimo de 3,3 pés de foraa cerca precisa de ter uma camada que cobre a área com 4 polegadas de protector21

material de superfície. Este material pode incluir brita ou outro material queterá uma resistividade mínima de 3.000 ohm-metros em húmida e secacondições.8. A malha de aterramento será composto de condutores horizontais colocadas no chão queirá produzir uma malha quadrada. Uma fila de condutores horizontais é igualmenteespaçadas de 9,8 a 49,2 pés afastados. Na segunda linha de horizontal igualmente espaçadoscondutores correm na direcção perpendicular à primeira linha está espaçado numa1: 1 a 1: 3 de relação de espaçamento da primeira fileira. Se a primeira linha tem um espaçamento de 9,8 pés,a segunda linha devem ser espaçadas entre 9,8 a 29,5 pés. O ponto de cruzamentoentre a primeira e a segunda fila de condutores devem ser ligados de forma segura.A ligação de condutores irá garantir um controle adequado do potencial de superfície,proteger vários caminhos para correntes de falta, minimizar a queda de tensão na redee fornecer uma medida de redundância em caso de falhas de um condutor. O tamanhograde de condutores pode variar de 2/0 AWG a 500 kcmil.9. A profundidade de enterramento dos condutores da rede deve ser um mínimo de 18 polegadas para 59,1polegadas abaixo da nota final da terra, não incluindo a cobertura de brita epodem ser aradas ou colocado em trincheiras. Em solos que são normalmente seco perto dasuperfície, a profundidade de enterramento pode precisar de ser mais profunda para obter os valores necessários de graderesistência.10. As hastes verticais podem ser colocados nos cantos da grelha ou pontos de junção ao longo doperímetro. Hastes de aterramento também pode ser instalado no equipamento principal e, especialmente,22

perto de Pára-raios. Em solos com várias camadas, ou de alta resistividade, que pode serútil para usar hastes de comprimento mais longo ou instalar varas em pontos de junção adicionais.Hastes verticais deve ser de 5/8 de polegada de diâmetro e pelo menos 8 pés de comprimento cobre, açoou qualquer outro tipo de condutor aprovado na lista aprovada de materiais. UMAmínimo de 1,97 polegadas deve ser abaixo do grau e ligado à grade do soloconectores. É uma boa prática para não espaço as hastes mais perto do que seu comprimento.Outra é determinante para assegurar que existem suficientes hastes de modo que a sua médiafalha de captação de corrente não deve exceder 300 amps, assumindo que todo o sistema de solocorrente vai entrar na rede através das hastes.11. Se for encontrado o GPR calculado no projeto preliminar está abaixo do toleráveltocar tensão, do que nenhuma outra análise é necessária. O design pode precisar apenas desubmeter-se a aperfeiçoamentos.12. Calcular a tensão da malha e o passo para a grelha concebidos como pode ser feito utilizandotécnicas em pontos 3.6.1 e 3.10.13. No caso em que a tensão da malha é calculado abaixo da tensão de contacto tolerável,o projeto pode ser concluída. No entanto, se a tensão da malha é calculado maiorque a tensão toque tolerável, o projeto preliminar deve ser refinado.14. Se as tensões calculadas toque e de passo não estão abaixo as tensões toleráveis, aprojeto preliminar está a ser revisto.23

15. Se a etapa de toque ou de limites toleráveis são maiores do que o permitido, o desenho seráobrigados a passar por uma revisão. Na revisão, itens como condutor de menorespaçamento ou varetas de terra adicionais pode ser alterado.16. Uma vez que os requisitos de tensão de passo e toque são atendidas, grade e motivo adicionalhastes podem ainda ser necessária. Este é o caso quando o local é irregular ou se a gradeprojeto não inclui condutores perto de equipamento a ser aterrada. Adicionandohastes de aterramento adicionais podem ser necessárias na base do pára-raios, transformadoresneutrais e outros equipamentos. Perigos devido a potenciais transferidos precisam sertidos em conta também.2.11.3 Projeto PreliminarOs critérios de design no projeto preliminar são os toleráveis tensões toque e de passo. Dentroum projeto preliminar, a grade escolhido será composto por um quadrado ou retangular uniformemalha. Este é o caso, a fim de calcular as tensões de toque e de passo utilizando simplificadoequações de design e são válidas para todas as localidades dentro da malha de aterramento. Quando o cofrecriação preliminar é obtida, a grelha de base podem ser ainda modificados. Em cima demodificação do desenho, as precauções especiais têm de ser feitas que não resultam emde malha que é maior do que a utilizada na concepção preliminar, uma vez que pode resultar em insegurotoque e de passo tensões. Adicionando condutores de terra adicionais para o projeto preliminarpermitirá um design mais conservador, enquanto subtraindo condutores doprojeto preliminar pode resultar em um projeto inseguro.Os passos seguintes são utilizados no projeto preliminar: 24

1. Usando o desenho de layout do site da subestação, tirar o maior quadrado, retângulo,triângulo, em forma de T, ou grade em forma de L que vai caber dentro do site.2. Coloque os condutores de grade para produzir uma malha quadrada de aproximadamente 20 a 40 pésem um lado.3. A profundidade da grade irá ser definida igual a 18 polegadas.4. Ajuste a espessura do material da superfície de igualar 4 polegadas.5. O campo de hastes são, em seguida, para ser colocada em torno do perímetro da subestação. Dentrogeral, coloque uma haste de aterramento em todos os outros ligação à rede de perímetro e nacantos da subestação. Hastes de aterramento descarregar a maior parte de sua corrente atravésa sua parte inferior e que são eficazes no controlo dos grandes densidades de correnteque estão presentes nos condutores perímetro durante condições de falha.25

Figura 2- 9: Projete Processo Diagrama de Blocos.(De IEEE Std. 80-2000 Figura 33.Copyright © 2000.IEEE. Todos os direitos reservados)

26

CAPÍTULO 3 - MODELO DE MATEMÁTICAMedições de resistividade do solo 3.1Medições de resistividade do solo são tomadas no local em um número de lugares diferentes. Isto émuito raro encontrar resistividade uniforme em toda a área da subestação. Otécnicas de medição são descritos no Capítulo 2. WEINNER método de quatro pinos é a maismétodo comum [2]. Os valores típicos de Df são mostradas na tabela abaixo.Tabela 3- 1: DOs valores de f (Típica)(De IEEE Std 80-2000 Tabela 10.Copyright © 2000.IEEE. Todos os direitos reservados)

O fator decremental, Df, Pode ser calculado usando a seguinte fórmula:2t FTA D f 11e Ta tf 27(3.1)

Ondetf : Tempo de duração da falha no segundoeTa XRO valor de corrente simétrico é encontrado através da seguinte fórmula, se o deslocamento DC énecessário:E SE E se DfA resistividade do solo, ρ, é calculada utilizando a fórmula indicada abaixo:(3.2)14aR2auma4b22

umaum 2 b2(3,3)Ondeρ: Aparente resistividade do solo em Ω-mR: Resistência medida em ohmsuma: Distância entre os eletrodos adjacentes em metrosb: Profundidade dos eletrodos em metrosE se bé pequena em comparação com umautilizando a equação (3.33), como no caso em que as sondas de penetraro chão a uma distância curta, a equação pode ser simplificada, como se segue:2aR(3.4)28

Atual tende a fluir perto da superfície para o espaçamento sonda pequena, porém mais atualpenetra solos mais profundos em grande espaçamento. Neste caso, a suposição de que se oresistividade medida da sonda de espaçamento umaé igual à aparente de resistividade do solouma profundidade uma.3.2 correntes de falhaExistem diferentes tipos de defeitos que podem ocorrer no sistema. Os tipos mais prováveisé dada uma maior atenção. Estes incluem o single-line para aterrar a culpa edouble-line para faltas à terra.Para double-line para faltas à terra, a corrente de falta de seqüência-zero é:EU0OndeI0ERfR2R1R0X2X1 E (R2jX 2) (3,5)(R1jX1)[( R0R13Rf j(X0X2)] (R2jX 2)(R03Rf jX 0): Rms simétricos valor de seqüência zero de corrente de falha em Amps: Fase-neutro tensão em volts: Resistência estimada de a falha. É normalmente considerado como 0 em ohms: Seqüência negativa resistência do sistema equivalente em ohms: Seqüência positiva ohms de resistência do sistema equivalente: Seqüência zero resistência do sistema equivalente em ohms: Seqüência negativa reactance sistema equivalente em ohms: Seqüência positiva do sistema equivalente ohms rectâncias29

X0: Seqüência zero reatância sistema equivalente em ohmsPara uma única linha de falta à terra, a corrente de falta de seqüência-zero é o seguinte:EU0 E3Rf R1R2R0j(X1X2X0)(3.6)As resistências e reactâncias na equação acima são calculados com base na localização dafalha. No entanto, em muitas circunstâncias, as resistências são negligenciadas, simplificando assima equação acima como se segue:A falha equação corrente de seqüência zero para double-line para o solo é a seguinte:EU0 E X2

X1(X0X2) (X2X0)

(3.7)A falha equação corrente de seqüência zero para com uma única linha de solo é a seguinte:I0 EX1 X 2 X 0(3.8)3.3 Chão condutor DimensionamentoOs materiais mais comuns utilizados no para o aterramento são de cobre e revestido de cobre de aço comomencionado no Capítulo 2.3.3.1 Condutor - Dimensionamento correntes simétricasO condutor de terra para as conexões de rede e equipamento deve ser dimensionado de acordoa equação a seguinte:EUAmm2TCAP 104K0 Tm ln tcrrK 0 Ta 30(3,9)

OndeEUAmm2: Rms atual em kA: Seção transversal do condutor em mm2Akcmil : Seção transversal do condutor em kcmilTmTaaRρrtcK0: Temperatura máxima admissível em oC: Temperatura ambiente em oC: Coeficiente de resistividade térmica à temperatura de referência em Tr (1 / oC): Resistividade do condutor de terra na temperatura de referência em Tr (μΩ-cm): Duração de uma corrente em segundos: É igual a 1 / α0 ou (1 / aR) - Tr (oC)TCAP : Capacidade térmica por unidade de volume em J /Valores comuns da aR, K0, Tm, ρrE TCAP Os valores podem ser encontrados no Quadro 3-2.31

Tabela 3- 2: Constantes de materiais típicos.(De IEEE Std 80-2000 Tabela 3-2.Copyright © 2000.IEEE. Todos os direitos reservados)

32

Dado um tamanho de condutor em kcmil, a seguinte equação é aplicada:TCAP K0Tm EU5.07 103Akcmil ln tcrrK0Ta (3.10)A área de condutor pode ser calculada da seguinte forma para mm2and kcmil respectivamente:Amm2EU1TCAP 10 K0Tm ln tcrrK0Ta 4

(3.11)ouAkcmil EU197,4TCAP K0Tm ln tcrrK0Ta (3.12)Equação 3.12, onde maestro areais encontrado em kcmil, o formulacan ser simplificado coma seguinte equação usando a constante de Kf encontrados na Tabela 3-3:Akcmil EUK f tcOndeKF: constante baseia-se no ambiente e temperaturas de fusão de materialcomumente utilizado para condutores de terra.33(3.13)

Tabelas 3- 3 constantes do material.(De IEEE Std 80-2000 Tabela 2.Copyright © 2000.IEEE. Todos os direitos reservados)

A conversão do tamanho de kcmil para mm2is calculados usando a seguinte fórmula:Amm2Akcmil 1000 1.973,52(3.14)O diâmetro de um condutor pode ser determinada pela seguinte fórmula:34

dc (mm)2Amm2

(3.15)3.4 Protecção material de superfície e redução da FatorUma fina camada de material da superfície pode ser aplicado em toda a área da subestaçãoque pode reduzir muito o atual choque disponível na subestação [2].A equação para calcular a nova resistência de terra, Rf, que inclui a camada adicionalou material da superfície resistiva é calculado como se segue:Rf sCs 4b (3.16)O factor de redução pode ser calculada pela equação a seguinte:0,09 1sCS 12hs 0,09(3.17)Ondeo factor de reflexão, K, é calculada como se segue:Ks

s

(3,18)Csé considerado como um factor de correcção para calcular a resistência efectiva do pé com uma finitaquantidade de espessura de material da superfície. Cs é entediante para calcular sem utilizarsoftware computacional, portanto, um gráfico com os valores pré-calculados para b = 0,08 sãodada na Figura 3-1:35

Figure3- 1: Determinação Cs vs hs.(De IEEE Std. 80-2000 Figura 11.Copyright © 2000.IEEE. Todos os direitos reserva)

3,5 limites toleráveis atuais do corpoOs efeitos de fibrilação ventricular é muito perigoso. Se não for tratado rapidamente, do que oefeitos de fibrilação ventricular pode causar a morte [3]. Portanto, o limiar deatrial precisa ser estabelecido com a maior precisão possível. As correntes que o humanocorpo pode suportar, sem fibrilação ventricular, são assumidos para 99,5% dopopulação. Baseado no trabalho de Danziel, o atual corpo, IB, é definido como se segue:36

IB kts(3,19)Onde kS Bts: é a duração da atual em segundos,IB: rms é o valor da corrente através do corpo.K: está relacionado com a energia que é absorvida pelo corpo durante um choque eléctrico. K variaem relação com o peso do corpo da pessoa.Para uma pessoa que pesa 50 kg (110 libras), k= 0,116Para uma pessoa que pesa 70 kg (155 lbs), k= 0,157Equação 3,19 baseia-se em testes limitados a um intervalo de entre 0,03 e 3,0 s, e não estáválido por períodos muito curtos ou longos. Utilizando a equação 3.19, para uma pessoa que pesa 50kg e uma duração de 1s falha, a corrente não-atrial igual a 116 mA. Quando omesma equação é aplicada para uma pessoa de 70 kg, para uma duração de 1s, o não-atrial corrente é igual a 157 mA. Pode-se observar que quanto maior o peso dea pessoa, mais corrente eles podem suportar. Figura 3-2 abaixo demonstra umarepresentação gráfica da corrente de corpo em função do tempo. O tempo de duração da corrente, TS, é igualpara a alta velocidade limpando tempo de falha de terra pela proteção primária, no entanto, semedidas ainda mais conservadoras estão a ser utilizados, do que a duração do relé de back-uptempo de eliminação pode ser utilizada.37

Figure3- 2: Corrente do corpo vs. Tempo.(De IEEE Std. 80-2000 Figura 5.Copyright © 2000.IEEE. Todos os direitos reservados)

3.6 toleráveis passo e toque tensõesO toque tolerável como tensões de passo precisam ser atendidas, a fim garantir que um projeto seguro está emlugar. Quanto menor as tensões máximas de toque são, mais desafios são apresentados ema criação de um projeto que preenche os requisitos necessários.38

3.6.1 Passo TensãoFigura 3- 3: A exposição ao degrau de tensão.(De IEEE Std. 80, Figura 9.Copyright © 2000.IEEE. Todos os direitos reservados)

Figura 3- 4: Passo circuito de tensão.(a partir de IEEE Std. 80, Figura 10. Copyright © 2000.IEEE. Todos os direitos reservados)

Por IEEE Std, a resistência de um corpo humano é RB 1000 .Para tensão de passo é o limite:Estep (RB 2Rf )I B(3,20)39

Para um corpo de 50 kg de pesagemEstep 50 (1000 6Cs s)Para um corpo de 70 kg de pesagem0,116 ts(3,21)Estep 70 (1000 6Cs s)0,157 ts(3,22)3.6.2 Toque de tensãoFigura 3- 5: Exposição ao Toque de tensão.(De IEEE Std. 80, Figura 6.Copyright © 2000.IEEE. Todos os direitos reservados)

Figura 3- 6: Impedâncias no circuito de tensão (Toque.De Subestação Design6-2001. Figura 9-31. Copyright © 2001.IEEE. Todos os direitos reservados)

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Figura 3- 7: Toque circuito de tensão.(De IEEE Std. 80, Figura 8.Copyright © 2000.IEEE. Todos os direitos reservados)

Para tensão de contacto, o limite é de RfETouch RB 2IB(3,23)Para um corpo de 50 kg de pesagemETouch50 (1000 1,5 Cs s)Para um corpo de 70 kg de pesagem0,116 ts(3,24)ETouch 70 (1000 1,5 Cs s)0,157 ts(3,25)Se nenhuma camada superficial de protecção é usado na subestação, Cs = 1 e ρs = ρ .41

Se houver contato metal-metal, tanto a mão-de-mão e em contacto com mão-de-pés, ρs= 0, uma vezo solo não está incluído nesta situação. Neste caso, as equações limite de tensão toqueestamos:Para um corpo de 50 kg de pesagemEmmtocar50 116 ts(3,26)Para um corpo de 70 kg de pesagemEmmtocar 70 157 ts(3,27)3.7 Resistência à terraPara solo uniforme, o valor mínimo da resistência de ligação à terra é aproximada usandoa seguinte fórmula:Rg Onde4UMA(3,28)UMA: Área ocupada pela grelha de base emρ: Resistividade do solo em Ω-mRg : Resistência de terra da subestação em ΩUsando a seguinte fórmula desenvolvida por Laurent e Niemann para o cálculo doresistência de terra da subestação, o limite superior pode ser calculada da seguinte forma:42

Rg 4UMALT(3,29)OndeLT : Comprimento total enterro de condutores em metros.O comprimento total é a soma de enterro de horizontal, condutores verticais, e varetas de terra. Ocomprimento total enterro, LT , É calculada usando a seguinte fórmula:LT LC LROndeLC : Comprimento total do condutor grade em metrosLR : Comprimento total de hastes de aterramento em metros.(3,30)Na equação abaixo, pode-se observar que uma área maior, UMA, em combinação com umgrande comprimento total do condutor, LT, irá resultar numa menor resistência à grade. Por outro lado, umaárea menor, UMA, em conjunto com um menor comprimento total do condutor, LT, resultará numamaior resistência à grade.Se uma aproximação mais precisa resistência de ligação à terra é desejada, a seguinte equaçãopode ser usado:11 1Rg 120 UMA1h20 / UMALTOndeh: Profundidade da rede em metros.43(3,31)

3.8 Máximo Grade da correnteAlguma parte da corrente de falha fluirão para a terra através da malha de aterramento. Estecorrente é chamado a tensão de rede. A corrente de rede é definida utilizando a seguinteequação:IG D f I g(3,32)OndeIG : É a máxima corrente de grade em AmpsDfIg: Factor de decrementar para a duração da falha é encontrada na Tabela 5: Corrente RMS grade simétrica em AmpsA corrente de rede simétrica, Ig, Que é usado em calclating a corrente na gradeequação acima é definido como segue:Ig S f E se(3.33)OndeIg: Corrente RMS grade simétrica em AmpsE se: rms grade simétrica corrente de falha em AmpsSf: Fator de divisão corrente de falha3.9 Chão potencial aumento (GPR)GPR - Chão potencial aumento é "o máximo potencial elétrico que uma subestaçãograde de ligação à massa pode alcançar em relação a um ponto de terra distante assumida para estar no44

potencial de terra remota. "GPR é igual aos tempos atuais grade máximo a graderesistência, tal como definido na equação abaixo:GPR IG Rg(3,34)OndeRgIG: Resistência de terra da subestação em ohms: Tensão de rede máxima em Amps3.10 Computing malha máxima e Passo Tensões3.10.1 malha de tensão (Em)A tensão da malha é a mais alta tensão de contacto possível, dentro de uma ligação à terra subestaçõesgrade. A base de um sistema de rede de ligação à terra segura é a tensão de malha. Isto inclui omalha de aterramento da subestação dentro e fora do muro da subestação. Para um cofresistema de rede de ligação à terra, a tensão da malha tem de ser menor do que a tensão de contacto.A tensão da malha é calculado usando a fórmula como se segue:Em I G K m KiLM(3,35)Ondeρ: Resistividade de terra em metros ohmLM : Comprimento enterro eficaz em metrosKm : Factor de espaçamento geométricoKi : Fator de irregularidade45

Kmé o factor de espaçamento geométrico para a tensão da malha e é definida como: 1Km 2D2(D2h)hKii8ln ln 8Dd4dKh(2 n1) 16 hd(3,36)OndeD: Espaçamento entre condutores paralelos em metrosd: Diâmetro da grade de condutores em metrosh: Profundidade de malha de terra condutores em metrosKii : Ponderação corretiva que se ajusta efeitos de condutores internos na esquinamalhaKh : Fator de ponderação correctiva enfatizando os efeitos de profundidade gradeO fator de ponderação correctiva, Kh é definido como se segue:Kh 1Ondehh0

(3,37)h0 : É a referência da grelha na profundidade equivalente a 1O fator de ponderação correctiva, Kii, varia de acordo com diferentes situações. No caso de ohastes de aterramento sendo ao longo do perímetro do local, bem como em toda a rede da subestaçãoe cantos, Kii, é definido como se segue:Kii 146

No caso de grelhas de ligação à terra com nenhuma ou quantidade insignificante de hastes e as hastes nãosendo localizado a cerca do perímetro ou cantos, o fator de ponderação correctiva, Kii, édefinido como se segue:Kii 1(2 n)2n

(3,38)O factor geométrico, N, é definido a seguir como se segue:nn / D nb nc ndEnquanto isso os equivalentes dos factores são como se segue,n / D 2G C LP

(3,39)(3,40)nb= 1 para grades quadradosnc= 1 para quadrados e retangulares gradesnd= 1 para quadrado, retangular, e grades em forma de LSe os factores não satisfazem os critérios acima, que pode ser calculada como se segue abaixo:nb Lp4UMA0,7UMALx L y

(3,41)Lx L y nc UMAnd DmEUEU2x2y

(3,42)(3,43)Onde47

LC : Comprimento total do condutor na grade horizontal em metrosLp : Comprimento periférico da grade em metrosD: Espaçamento entre condutores paralelos em metrosdh: Diâmetro da grade de condutores em metros: Profundidade de malha de terra condutores em metrosUMA: Área de grade em metros ao quadradoLx : Comprimento máximo de grade na direção x em metrosLy : Comprimento máximo da grelha na direcção y em metrosDm : Distância máxima entre dois pontos quaisquer no grid em metrosO fator de irregularidade, Ki, Pode ser calculada como se segue:Ki 0,644 0,148 n(3,44)No caso das redes sem ou com poucas hastes de aterramento sem hastes sendo ao longo do perímetroou cantos, o comprimento enterrado eficaz, LM, é calculada como se segue:LM LC LROndeLC : Comprimento total do condutor na grade horizontal em metrosLR : Comprimento total de todas as hastes de aterramento em metros(3,45)No caso de terreno com varetas de terra grelhas situadas ao longo da rede e noperímetro e cantos, o comprimento enterrado eficaz, LM, É calculada como se segue:LrLM LC 1.55 1.22 EU2EU2y

xLR48(3,45)

OndeLr : Comprimento total de cada terra varas em metros.3.10.2 tensão de passo (Es)A fim de que a tensão de passo para estar dentro dos limites toleráveis, o sistema tem de ser concebidopara tensões de malha seguras e menos do que a tensão de passo tolerável. Normalmente, as tensões são etapamenor do que tensões de toque. Isto é porque os pés estão em série. O corpo humano é capazpara resistir a uma maior corrente através do caminho de pé-para-pé; isto é porque a corrente faznão passar pelo coração.A tensão de malha é definida como se segue:ES K S Ki I GLS(3,47)O comprimento do condutor enterrado eficaz LSé definido como se segue:LS 0,75 LC 0.85 LRO factor de passo, KS, é definido como se segueKS 1111(1 0,5n2) 2h D h D(3,48)(3,49)OndeD: Espaçamento entre condutores paralelos em metrosh: Profundidade de malha de terra condutores em metrosn: Fator geométrico composto por factores n / D,nb,ncE nd49

CAPÍTULO 4 - APLICAÇÃO4.1 Parâmetros IniciaisProjeto inicial de Elk Grove-Florin 12kV da subestação de aterramento estudo de casoparâmetros são dados adiante na Tabela 4-1 como se segue:Tabela 4- 1: Dados de Entrada para o projeto de aterramentoResistividade média do solo57,4 .m13785A2500 .m> 50 kgFalha atual Fator de divisão0,6De CorrenteCamada de brita dentro subGrade enterrado 18 "0.1016mResistividade da camada de brita0.4572mMudar de operador QuintalActual Division Fator SfComprimento no sentido X0,6Tipo de solo localizaçãoUniforme100 mFator de Projeção20%Comprimento no sentido Y90 mChoque Duração0.5sTemperatura ambiente40 ° CFalha duração0.5sGrade FormaRetangular4.2: Campo de dados (Passo 1)A área para a subestação é dado como 100m x 90m, com assunção de solo médiaresistividade de 57,4 .m.50

4.3: Obtenção do Tamanho do condutor (Passo 2)Cálculo de falta à terra como indicado na tabela dadaSe = 3I0 = 13785 Aonde X / R é assumido como sendo 10.Adicionando o fator de proteção atual com o fator de crescimento de 20%, a corrente de falta à terraé computador como se segue:Se = 3I0 = 16542A.Utilizando a Tabela 3-1 para o rácio X e falha / R duração dada na Tabela 3-1, verifica-se queo decréscimo, Df, = 1,026.Agora encontrar os rms simétrico corrente de falha é calculada da seguinte forma:(4.1)E SE E se Df= 16972.092 A(4.2)Assumindo a utilização de fio de aço revestido de cobre, à temperatura ambiente (Ta), de 300 C comtemperatura de fusão de 10840 C,Tabela 3.1 usandoA área de secção transversal necessária em mils circulares é calculado como se segue:Akcmil EUK f tc= 16972.092 x 10.45 x√= 83,21 K kcmilConvertendo paraparaé calculado como se segue abaixo:(4.3)51

Amm2Akcmil 1000 75,6534mm2 1.973,52

(4.4)Assim, o diâmetro do condutor é equivalente ad4Amm2

(4,5)d430,5788Tabela 4- 2: computadorizada valor de d para uso do melhor material para Otimização MaterialCobre, recozido macio desenhadaCobre, duro commericaldesenhadoCobre, duro commericaldesenhadoFio de aço revestido de cobreFio de aço revestido de cobreHaste de aço revestido de cobreGrade de alumínio CEAluminum Alloy 5005Aluminum Alloy 6201Fio de aço revestido de alumínioAço 1020Stanless Clad haste de açoHaste de aço revestido de zincoAço inoxidável 304Condutividade 100,0097.0097.0040.0030.0020.0061.0053.5052.5020.3010.80 9.80 8.60 2.40 T (° C)1.083,001.084,00 250,001.084,001.084,001.084,00 657,00 652,00 654,00 657,001.510,001400.00 419,001400.00Kf7.007,0611,7810.4512.0614,6412.1212,41

12,4717.2015,9514,9228.9630,05Akcmil84.0184,73141,37125,41144,73175,70145,45148,93149,65206,42191,42179,06347,55360,63Amm242,5742.93 71.63 63,55 73,34 89,03 73,70 75,47 75.83104,59 96.99 90,73176,11182,74 d7,367.40 9.55 9.00 9.6710.65 9.69 9.80 9.8311,5411.1210,7514,9815,26Como mostrado no cálculo, podemos agora escolher o fio que pode querer usar tendenciosa no custoe confiabilidade.52

4.4: Toque e Critérios passo (passo 3)Para uma camada de rocha-surfacing esmagado de 0.01268m, tendo resistividade de 2500o computadorizada resistividade do solo de 57,4, O factor de reflexão K é calculado como:(4,6)e comKs57,4 2500 0,9511s57,4 2500Para o K = -0,93548. A rocha triturada é para ser de-avaliado por um factor de aproximadamente, Csque é calculada como:0,09 (1 Cs 1)s

2hs 0,09(4,7) 57,4 ) 2500 0,70Cs 20,1016 0,0910,09 (1 Agora optimizar a espessura da camada de britaTabela 4- 3: Calculado Resistivity Fator De-classificação para britaEsmagado da camada da rocha Nenhuma pedra britada 0,10 0,15 0.20 0,25Resistividade De-classificação Fator 1 0,70 0,77 0,82 0.85Camada de Superfície Resistividade 120 2500 2500 2500 2500Isso também poderia ser encontrado na Tabela 3-1.53

Nos critérios de projeto, o operador ou o interruptor de manutenção seria 50 kg aproximadoou mais pesada.As tensões passo e toque são calculados da seguinte forma:Estep (1000 6Cs s)0,116 ts0,116 1.866,56V ts(4.9)(4.8)Estep (1000 60,7 2500)ETouch (1000 1,5 Cs s)0,116 ts0,116 tsETouch (1000 1,5 0,7 2500)= 594,67 VTabelas 4- 4: toque Prospectiva e degrau de tensão com espessura de pedra britadaEsmagado da camada da rochaEspessura (m) Nenhuma pedra britada 0,1 0,15 0,2Toque prospectivoTensão (V) 779.2316 594.6768 637.7396 668.4988Passo prospectivoTensão (V) 2624.7808 1886.5609 2058.8121 2181.8486LocalizaçãoSubstati ligar4.5: Projeto Inicial (Passo 4)O projeto baseia-se no montante mínimo de condutor necessário que cumpre orequisitos.54

100 m100 m90 m90 mCaso A100 mCaso B100 m90 m90 mProcesso CCaso DFigura 4- 1: 4 casos que demonstram de quantidades variáveis do condutor.Caso A - não mostrando hastes de aterramento, caso B - 4 hastes de aterramento, processo C - 8 hastes de aterramento eCaso D - espaçamento de 10m com 8 hastes de aterramento.As opções de configuração são apresentados como segue:55

Tabela 4- 5: Otimização de casos diferentes.Caso OpçãoUMABCDEspaçamento condutor malha Horizontal10x3010x3010x3020x30Vertical Configuração Eletrodo0488Assumindo qualquer área de 100m x 90m com igualmente condutores espaço mostrados naFigura 4-1 com 5m espaçamento ea profundidade de enterramento grade h = 3m.Assim, o comprimento do condutor grade é combinadoLc EU1Lx EU2Ly4 = 100 1190= 1390Assumindo 4 hastes de aterramento de 3 metros de comprimento são utilizados:LR = 4 x 3 = 12mO comprimento total do condutor enterrado seria calculada como(4,10)(4.11)LT Lc LR= 1.390 + 12m= 1402m(4.12)56

Tabela 4- 6: Comprimento total em sepultado em todos os casosCasoOpçõesUMABCDCondutor grade combinadaComprimento (m)1390139013901210Comprimento do condutor enterrado(m)0122424Comprimento total(m)13901402141412344.6: Determinação da resistência de grade (Passo 5)A partir dos cálculos anteriores, o comprimento de condutor enterrado é conhecido por ser 1.402 m,tendo uma área A = 9000.11 1Rg 120 UMA1h20 / UMALT11157,4 120 9000 10,4572 20/9000 14020,30867 (4.13)4.7: Máximo Grade IG atual (Passo 6)Calcular, IG, usando IEEE Std.80-2000 é feito da seguinte forma:Ig E se S f(4,14)57

= 16542 x 0,6 AeIG D f I gD f 3EU0S f(1.026) (16542) (0,6)A 10.183,264.8: Cálculo GPR (Passo 7)Para calcular o GPR e comparar com tensão de contacto.(4.15)GPR I G Rg 3.142,26v(4,16)Comparando com a tensão de contacto calculado no passo 3, que era 594,67 V. O GPR éexcede em muito a tensão de contacto seguro. Mas, para optimizar o custo, as hastes podem ser reduzido para garantir que não hajagastos excessivos ocorre.4.9: malha de tensão e tensões de passo (Passo 8)n / D 2G C LP

2 1390 2 100 2907,32(4.17)Uma vez que existe uma grelha rectangular,58

nb LP 4UMA 380 4 90001,00693(4,18)1 == 1.Agora vamos calcular o fator geométrico,nn / D nb nc nd7,32 1.006 117,363(4,19)é calculada comoCom o valor de nencontrado, o fator de irregularidadeKi 0,644 0,148 n0,644 0,148 7,3631.733(4,20)Uma vez que as hastes de aterramento estão em cantos e em torno do perímetro, a ponderação correctivafator é:Lr1.55 1.22 LM LC EU2EU2y

xLR1231390 1.55 1.22 (4 100) 2 (1190) 21.408,64m(4,21)59

Agora computação para o fator ponderada corretivaa uma profundidade de 0,4572 m, Por um condutor malha de aterramento enterradoKh 11hh0

0,4572 11,2329(4,22)Cálculo do factor de espaçamento geométrico,, Para a tensão de malha: 1Km 2D2(D2h)hKii8ln ln 16 hd8Dd4dKh(2 n1) 152 (5 20,4572) 0,4570 ln 216 0,4572 0,01168 8 50,01168 4 0.011672 +0,736118 ln 21.225 (2 7,363 1) (4,23)Finalmente, a tensão de malha,Em , É calculado como se segueIG K m KiLM 57,4 10.183,26 0,736 1.733 1.408,64529,29 V(4,24)60

Agora, para calcular a tensão de passo para o comprimento do condutor enterrado eficaz,desenho, a seguinte fórmula é aplicada:LS 0,75 LC 0.85 LR0,75 1390 0.85 121052,7m, para isso(4,25)Com a altura h = 0.472m espaçamento entre condutores e D = 5 m e n = 7,363.Ao calcular o fator passo agora é calculado:KS 1111(1 0,5n2) 2h D h D1111(1 0.57.3632) 20,4571 5 0,4571 50,46856, É calculado como se segue(4,26)Agora o,ES K S Ki IGLS 57,4 0,46856 1.733 10.183,26 1052,7450.87V(4,27)4.10:vs(Passo 9)Uma vez que todos os cálculos são concluídas, os resultados do cálculo são comparados para verSe a tensão de contacto for inferior a tensão de malha= 594,67 V= 529,29 V VClaramente, podemos ver que a tensão da malha é menor do que a tensão de contacto tolerável61

4.11:vs.(Passo 10)Comparando tensões de passo a passo a tensão tolerável é feito a seguir:= 1.886,56 V= 450.87VAo comparar a tensão de passo, que é mais baixa do que a tensão passo tolerável. No entanto, nestecaso há apenas 4 hastes de aterramento que poupa custos de mais de implementação.4.12: Modificação (Passo 11)Neste caso, a modificação não era necessária mas utilizando uma aplicação de software teriaproduziu um projeto melhor otimizado, escolhendo diferentes layouts.4.13: O projeto detalhado (Passo 12)Aqui deve ser adicionado todas as hastes de aterramento adicionais para pára-raios para completar adesign.62

CAPÍTULO 5 - CONCLUSÃOEm uma subestação, design de aterramento é muito importante, não só o design deve ser capazpara cumprir com as normas IEEE de segurança, mas também ser rentável ao mesmo tempo. Esteprojeto apresentou o projeto e otimização de uma subestação, mantendoflexibilidade de trabalhar em torno de limitações com base na disponibilidade e materiais de terra.Diferentes condutores têm diferentes propriedades e custos. A selecção de um condutor idealprecisa ser baseado em localização, temperatura, disponibilidade e confiabilidade.Este relatório segue a concepção e implementação conforme descrito em IEEE Std 80-2000 etodos os passos são explicados com exemplos de cálculos apresentados. Como visto no projeto, ograde de ligação à terra pode ser optimizada de várias maneiras, que incluem: o tamanho da grade,número total de hastes de aterramento lugar, ea profundidade em que o aterramento é colocado.Existem alguns valores que podem ser ajustados e que são explorados de modo a atingir osolução mais eficaz em termos de custos. É prático para os serviços que necessitam de uma solução de baixo custoenquanto atende as necessidades de aterramento.63

APÊNDICE AMatlab GUI para otimizar de aterramento da subestaçãoInterface de amostra para o cálculo passo tolerável e tensão toque.64

Dimensionamento do condutor Tamanho65

Usando Interativo Método GUI para calcular solução interativa66

% Matlab código para o projeto de subestaçãoLx = 90Ly = 100Io = 18470P = 57,4P1 = 2500hs = 0,1016p = 80numrws = 4numcolm = 11numgrnd = 4rodlength = 3h = 0,4572Sf = 0,6ho = 1D = 5Uma zona Lx = * Ly% da grade% Calcular falta à terraSe Io = * 367

Ifgrowth = 1.2 * Se% usando o fator de crescimento de 20% (* 1.2)Df = 1,026IF = Df * Ifgrowth% DF = factor de DecrementKf = 7,06TC = 0,5Akcmil = IF * Kf * sqrt (tc) * (1/1000)% encontrar a área sectiona cruz em kAmmsq = Akcmil * 1000 / 1973,52% a conversão para a kcmil mm ^ 2d = sqrt (4 * Ammsq / pi)% encontrar o diâmetro do condutor% toque e de passo CritériosK = (P-P1) / (P + P1) Factor K% ReflexãoCs = 1 - ((0,09 * (1-p / P1)) / (2 * 0,09 + HS))% computar o factor de reduçãose (em peso> 70)Estep70 = (1000 + 6 * Cs * P1) * 0,157 / sqrt (tc)% encontrar o passo @ 70 kgEtouch70 = (1000 + 1,5 * Cs * P1) * 0,157 / sqrt (TC)% encontrar a tensão de contacto.outroEstep50 = (1000 + 6 * Cs * P1) * 0,116 / sqrt (tc)% encontrar o passo @ 50 kgEtouch50 = (1000 + 1,5 * Cs * P1) * 0,116 / sqrt (TC)% findinf a tensão de contacto.68

fim% Encontrando comprimento total da área 90 * 100Lc = (numrws * Lx) + (numcolm * Ly)% Total de encontrar varas de comprimento usadoLr = numgrnd * rodlength% numer de haste de aterramento utilizado.Lt Lr = Lc +% comprimento total das varas usadas% Determinação da resistência de gradeRg = P * ((1 / Lt) + ((1 / (sqrt (20 * A))) * (1 + (1 / (1 + H * sqrt (20 / A))))))% grade máximo Ic atualIg = * Se Sf IG = Df * IgGPR = IG * Rg% Malha de tensão ans tensão de passoLp = 2 * Lx + 2 * Lyna = 2 * LC / Lp% Fator geométricanb = sqrt (Lp / (4 * sqrt (A)))nc = 169

ND = 1n = na nb * * * nc ndKi = 0,644 + 0,148 * n% Calcular fator de ponderação correctivaKi = 1Lm = Lc + (1,55 + 1,22 * (LR / (sqrt (Lx ^ 2 + Ly ^ 2))))% Fator ponderada corretivaKh = sqrt (1+ (h / ho))% fator passo calcualtingKs = (1 / pi) * ((1 / (2 * H)) + (1 / (D + H)) + 1 / D * (1-0,5 ^ (n-2)))% tensão de passoEs = P * Ks * Ki * IG70

Referências[1] "Guia de Design para Subestações Rurais", Utilities Rurais Service. Estados UnidosDepartamento de Agricultura. Junho de 2001.[2] "IEEE 80-2000 Guia IEEE para a Segurança no AC de aterramento da subestação."[3] Markovic, D. Miroslav. "Considerações Gerais relativas à segurança de SubestaçãoAterramento Design ", em Aterramento grade de design em sistemas elétricos. " TESLAInstituto de 1994.[4] H.WayneBeaty. "Sistemas Aterramento " no Manual de Cálculos de Energia Elétrica,3ª edição McGraw-Hill, 2001.[5] Vijayaraghavan, G. "Grounding Prático, Criar Laços, Blindagem e Proteção contra Surtos"Tecnologias IDC. 2004[6] Subestação EarthingGuide. "ESAA Subestação Guia de aterramento." 1997.[7] Grigsby, L Leanard, "Handbook Engenharia de Energia Elétrica" CRC Press, 2007.[8] "IEEE Guia IEEE 81-1983 por medição Terra resistividade, impedância do solo, ePotenciais superfície de terra de um Sistema de chão ".71