Analysis of Electrical Safety Conditions Taking into Account Soil Conductivity Determined on the Basis of Fuzzy Logic / Analiza condiţiilor de securitate electrică folosind logica fuzzy pentru a dezvolta modele de conductivitate a solului / Анализ условий электробезопасности с учетом удельной электропроводности грунта на основе нечеткой логики

• Published in: Problems of the regional energetics Vol. 2017; no. 2
• Main Authors: Zaytseva, N M, Manusov, V Z
• Format: Journal Article
• Language: English; Romanian, Moldovan; Russian
• Published: Chişinău Institute of Power Engineering 01-01-2017
• Subjects: Algorithms; Cybersecurity; Electric equipment; Electrical grounding; Electrical resistivity; Electrical safety; Fuzzy logic; Fuzzy sets; Moisture content; Moisture resistance; Natural language (computers); Parameters; Salinity; Soil layers; Soil moisture; Soil properties; Soil resistance; Step voltage; Touch
• ISSN: 1857-0070
• DOI: 10.5281/zenodo.1188838

The goal of this work is to prove a possibility of determining soil parameters that influence its conductivity being the basis of grounding, step voltage and touch voltage calculation. This in its turn increases the safety level of electric equipment operation. The article is devoted to development of new, no conventional models of soil conductivity using the theory of fuzzy sets and fuzzy logic. The description of the solution includes the following sections: fuzzy models of specific electrical resistance of different soil types depending on their salinity and moisture content at positive temperatures; dependences between ρ and negative temperature values for different types of soil and different moisture contents; fuzzy climatic soil models for a specific location in order to determine soil ρ deep into the earth throughout the year. Uncertainty of soil properties is a reason why calculations of grounding devices are very liberal with plenty to spare, and calculations of touch voltages and step voltages in the period of active snow melting or abundant rains give erroneous results. Since soil parameters are described by linguistic variables: humidity, salinity, and temperature etc., soil layers should be considered as overlapping fuzzy sets. Membership functions of the main components of the “soil conductivity” concept were formed on this basis. The new scientific result we obtained makes it possible to formalize natural language of the experts in the field of climatic factors influence on soil resistivity in order to represent this information with the help of computer algorithms for optimum design of energy supply security and step voltage and touch voltage calculation. Scopul lucrării constă în demonstrarea posibilităţii de precizare a parametrilor de sol care afectează conductivitatea electrică, care este baza de calcul alegării la pământ, a tensiunii de pas şi tensiunile de atingere. Aceasta, la rândul său, conduce la creşterea nivelului de siguranţă în funcţionarea echipamentelor electrice. Articolul este dedicat dezvoltării de noi modele inovatoare de conductivitate electrică a solului, folosind teoria mulţimilor fuzzy şi a logicii fuzzy. Soluţia problemei rezolvate include următoarele componente: modele fuzzy a rezistenţii electrice specifice a solului ρ de diferite tipuri în funcţie de salinitatea solului şi de umiditate la temperaturi pozitive;dependenţa de mărimea ρ pentru valori negative ale temperaturii pentru diferite tipuri de sol cu umiditate variabilă; modele climatice fuzzy pentru zone concrete utilizate pentru determinarea mărimii ρ în funcţie de adâncimea pe parcursul anului. În condiţii reale de valori de temperatură şi umiditate ale straturilor de sol variază în funcţie de adâncimea apariţiei acestora, nivelul apei subterane, temperatura la suprafaţă, precipitaţii şi alţi factori climatici. Aceşti factori determină o schimbare în sol a mărimii ρ într-o gamă foarte largă, de la unităţi până la câteva zeci de mii de Ohm*m. Pe această bază, am format funcţiile de atribuţie a principalelor componente pentru noţiunea „conductanţa electrică a solului“. Rezultatul ştiinţific nou obţinut permite formalizarea limbajului natural a experţilor privind domeniile de influenţă a factorilor climatici asupra conductanţii specifice a solului pentru prezentarea acestei informaţii cu ajutorul algoritmilor de calculator în cazul proiectării optimale a obiectelor de siguranţă electrică, tensiunii de pas a tensiunilor de atingere. Цель работы – доказательство возможности уточнения параметров грунта, влияющих на его удельную электропроводность, которая является основой расчета заземлений, шагового напряжения и напряжения прикосновения. Это в свою очередь повышает уровень безопасности при эксплуатации электрооборудования. Статья посвящена разработке новых, нетрадиционных моделей электропроводности грунта с использованием теории нечетких множеств и нечеткой логики. Решение задачи представлено следующими разделами: нечеткие модели удельного электрического сопротивления ρ различного вида грунта в зависимости от засоленности и влажности при положительной температуре; зависимости ρ от отрицательных значений температуры для различных видов грунта и разной увлажненности; нечеткие климатические модели грунта конкретной местности для определения ρ грунта вглубь земли в течение года. В реальных условиях значения температуры и влажности слоев грунта меняются в зависимости от глубины их залегания, уровня грунтовых вод, температуры на поверхности земли, количества осадков и других климатических факторов. Эти факторы вызывают изменение ρ грунта в очень больших пределах: от единиц до десятков тысяч Ом·м. Такая неопределенность приводит к тому, что расчет устройств заземления выполняется с большим запасом, а расчет напряжения прикосновения и шагового напряжения в период активного снеготаянья или обильных дождей и вовсе приводит к ошибочным результатам. Поскольку параметры грунта описываются лингвистическими переменными: влажность, соленость, температура и т.д., то слои грунта следует рассматривать как нечеткие пересекающиеся множества. На этой основе сформированы функции принадлежности основных компонентов понятия «электропроводность грунта». Полученный новый научный результат позволяет формализовать естественный язык экспертов в области влияния климатических факторов на удельное сопротивление грунта для представления этой информации с помощью компьютерных алгоритмов при оптимальном конструировании объектов энергобезопасности и расчете шагового напряжения и напряжения прикосновения.