Uitgebreide Gids voor het Ontwerpen van Aardingsystemen in Schakelstations

Ontwerp van Aardingssysteem in een Schakelstation-rooster

Inleiding tot Schakelstation-aardingsrooster

In hoog- en middenspannings^[1]Luchtgeïsoleerde Schakelstations (GIS) induceert het elektromagnetisch veld, waarvan de oorzaken de statische lading van ongeïsoleerde kabels en geleiders zijn en door de atmosferische condities (overspanningen), spanningen op niet-levende delen van de installatie die potentiaalverschillen creëren tussen metalen delen en aarde en ook tussen verschillende punten van de aarde.

Vergelijkbare situaties kunnen optreden wanneer er fouten zijn tussen levende delen van de installatie en niet-levende delen, bijvoorbeeld bij fase-aarde kortsluiting.

Deze potentiaalverschillen geven oorsprong aan stappotentiaal en aanraakpotentiaal, of een combinatie van beide, die tot circulatie van een elektrische stroom door het menselijk lichaam kunnen leiden, wat gevaarlijk kan zijn voor mensen.

Aanraakspanning (E_t) kan worden gedefinieerd als het maximum potentiaalverschil dat bestaat tussen een geaarde metalen structuur die met de hand bereikt kan worden en elk punt van de grond, wanneer een foutstroom vloeit.

Het is gebruikelijk een afstand van 1 m tussen de metalen structuur en het punt op de grond te overwegen.

Stapspanning (E_s) wordt gedefinieerd als het maximum potentiaalverschil dat bestaat tussen de voeten wanneer een foutstroom vloeit.

Het is gebruikelijk een afstand van 1 m tussen de voeten te overwegen.

Een bijzonder geval van stapspanning is de Overgedragen spanning (E_trrd): waar een spanning wordt overgedragen naar of vanuit het schakelstation vanaf of naar een extern punt buiten de schakelstation-site.

• Gerelateerd Artikel: Aarding en Elektrische Aarding Installatie | Een Complete Gids

Andere concepten zijn:

• Grondpotentiaalstijging (GPR): Het maximum elektrische potentiaal dat een schakelstation-aardingsrooster kan bereiken ten opzichte van een ver aardingspunt aangenomen op het potentiaal van ver aarde. Deze spanning, GPR, is gelijk aan de maximale roosterstroom maal de roosterweerstand.
• Maasspanning (E_m): De maximale aanraakspanning binnen een maas van een aardingsrooster.
• Metaal-naar-metaal aanraakspanning (E_mm): Het potentiaalverschil tussen metalen objecten of structuren binnen de schakelstation-site die door directe hand-naar-hand of hand-naar-voet contact overbrugd kunnen worden.

Het diagram in Figuur 1 toont de bovengenoemde verschijnselen.

Figuur 1 – Aanraak-, stap- en overgedragen spanningen

Om de stromen door het menselijk lichaam te minimaliseren tot acceptabele waarden, om elektrische veiligheid te garanderen voor mensen die binnen of in de buurt van de installatie werken, en ook om eventuele elektrische interferentie met derdenapparatuur te beperken, moeten GIS voorzien zijn van een aardings (of grounding) systeem, waaraan alle metalen niet-levende delen van de installatie verbonden moeten zijn, zoals metalen structuren, aardingsschakelaars, overspanningsafleiders, behuizingen van schakelborden en motoren, transformatorrails en metalen hekken.

Aangezien aarding invloed heeft op de niveaus van netoverspanningen en foutstroom, en de definitie van beschermingssystemen, moet het aardingssysteem zo ontworpen zijn dat een correcte werking van de beschermingsapparaten zoals beschermingsrelais en overspanningsafleiders gewaarborgd is.

Ontwerp en constructie van het aardingssysteem moeten garanderen dat het systeem presteert voor de verwachte levensduur van de installatie en moet daarom rekening houden met toekomstige uitbreidingen en de maximale foutstroom voor de uiteindelijke configuratie.

Aardingssysteem bestaat uit een rooster van begraven ongeklede koperdraad, met extra aardpalen, en moet worden berekend, waarbij aanbevolen wordt IEEE Std. 80-2000 te gebruiken.

• Gerelateerd Artikel: Verschil Tussen Aarding, Grounding en Bonding

Belangrijke Formules voor het Ontwerpen van een Schakelstation-rooster Aardingssysteem

De doorsnede van de begraven kabel moet berekend worden in overeenstemming met de waarde van de fase-aarde kortsluitingstroom, maar het is gebruikelijk de drie-fase kortsluitingstroom hiervoor te gebruiken.

Voor deze berekening moet de volgende formule worden gebruikt:Waar:

• I”_K1 is de fase-aarde kortsluitingstroom [A]
• t_s is de duur van de fout [s]
• Δθ is de maximaal toelaatbare temperatuurstijging [°C] – voor ongeklede koper Δθ = 150 °C

Volgens de genoemde IEEE Standaard worden de maximaal toelaatbare stap- en aanraakpotentiaal en maximaal toelaatbare stroom door het menselijk lichaam (I_hb) en de weerstand van het aardrooster (R_g) berekend door de formules:

Maximaal toelaatbare stapspanning

Maximaal toelaatbare aanraakspanning

Maximaal toelaatbare stroom door het menselijk lichaam

Weerstand van het Aardrooster

Waar:

• C_s is de oppervlaktelaag-derateringsfactor en wordt berekend door de formule:
• t_s is de duur van de fout [s]
• ρ_s is de resistiviteit van het oppervlaktemateriaal [Ω.m] – typische waarde voor nat gekarste rots/grind: 2.500 Ω.m
• ρ is de resistiviteit van de aarde onder het oppervlaktemateriaal [Ω.m]
• h_s is de dikte van het oppervlaktemateriaal [m]
• A is het door het aardrooster ingenomen gebied [m²]
• l_T is de totale begraven lengte van geleider, inclusief de aardpalen [m]

Als geen beschermende oppervlaktelaag wordt gebruikt, dan is C_s =1 en ρ_s = ρ

Deze berekeningen worden meestal uitgevoerd met specifieke software.

Schakelstation Aardingsrooster

Figuur 2 toont een voorbeeld van het aardrooster.

Figuur 2 – Aardrooster

De meest geschikte methoden voor de verbinding van de aardroosterverbindingen zijn:

a.) Exothermische letseling

Figuur 3 – Exothermische letseling

Exothermische letseling is een permanent verbindingsproces van geleiders dat gesmolten metaal en malen gebruikt, wat gebaseerd is op een chemische reactie tussen metaaloxiden (de geleider) en ontbrande aluminiumpoeder, dat als brandstof fungeert, met warmte-energie vrijgave. Deze chemische reactie is een pyrotechnische samenstelling bekend als thermiet.

Er moet gewaarborgd worden dat het aantal exothermische letsels dat met elke mal wordt gedaan, niet de aanwijzingen van de fabrikant overschrijdt.

• Lees ook: Wat is het Verschil Tussen Nul, Aarde en Ground?

b.) C-connector:

met behulp van een hydraulische krimptang en matrice met een geschikte grootte voor de grootte van de connectors.

Figuur 4 – C-connector en krimptang

In de buurt van de besturingsbakken van schakelaars, schakelaars en isolators moet een metalen equipotentiaalmat geïnstalleerd worden, verbonden met het aardstelsel, vergelijkbaar met de in Figuur 5 getoonde.

Figuur 5 – Metalen equipotentiaalmat

Goed om te weten:

[1] Zijnde U_n de nominale spanning van het netwerk: HS – U_n ≥ 60 kV; MS – 1 kV < U_n ≤ 49,5 kV.

Over de Auteur: Manuel Bolotinha

- Licentiaat in Elektrotechniek – Energie en Energiesystemen (1974 – Instituto Superior Técnico/Universiteit van Lissabon)
– Master in Elektrotechniek en Computer Engineering (2017 – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Nova Universiteit van Lissabon)
– Senior Consultant in Schakelstations en Energiesystemen; Professionele Instructeur