ТРЕТО СОВЕТУВАЊЕ Охрид 3 6 октомври Blagoj Hanxiski, Pan~o Vrangalov, Vlado Hanxiski, Vladimir Dim~ev Elektrotehni~ki fakultet-skopje ZA EDEN NOV METOD ZA DIZAJNIRAWE I IZVEDBA NA ZAZEMJUVA^ITE VO SREDINI SO NAJVISOKA ELEKTRI^NA OTPORNOST SODR@INA Vo razvojot na sofisticirani kompjuterski programi i tehnologii za dizajnirawe i izgradba na zazemjuva~i vo geoelektri~ni sredini so isklu~itelno visoka otpornost, vo poslednata decenija, se vlo`uvaa golemi napori. Vo trudot se pojasneti osnovite na metodot i demonstrirana izvonrednata efikasnost na kompjuterskiot paket OSIP-ETF3 razvien za ovaa namena. Paketot se temeli na eden analiti~ki pristap vo koj uspe{no se sintetizirani Maksveloviot metod na sliki i metodot na momenti. Prika`ani se i rezultatite od eksperimentalnata verifikacija na metodot dobieni na nekolku modeli, polo`eni vo pove}eslojni strukturi i realizirani vo elektrolitska kada. Doka`ano e deka granicite na to~nosta na metodot se isklu~itelno mali za vakvite presmetki i deka iznesuvaat ±5%. Postignatite rezultati se dobra osnova za novi istra`uvawa vo ovaa oblast. Klu~ni zborovi: zazemjuva~i, dizajn i izgradba, tla so najvisoka otpornost ABSTRACT Much effort has been concentrated in the past decade in developing sophisticated computer programs and technologies for the efficient design of the grounding systems embedded in soils with highest resistivity. This paper clarifies the basis of the method and demonstrates the exceptional efficiency of the OSIP-ETF computer program, developed for the method's implementation. The analytical approach is based upon the successful modification of the Maxwell's method of images together with the method of momentum. The results of an experimental validation of the method, obtained by investigating several scale down models embedded in multy-layer structures and constructed in an electrolytic tank, are also presented. As it is shown, the accuracy of the obtained results ranging ±5% is quite satisfactory. The results presented could also provide a benchmark for prospective work in this field. Key words: grounding systems, design and construction, highest resistivity soils VOVED Otporite na raste~uvawe na zazemjuva~ite izrazito zavisat ne samo od nivnite dimenzii i konfiguracija, tuku i od strukturata na tloto vo koe se polo`eni i, posebno, P3-5
P3-5 /9 od visinata na elektri~nata otpornost ρ. Poznato e deka strukturata na tloto naj~esto e nehomogena i deka e sostavena od lokalni nehomogenosti i horizontalni i vertikalni paralelni ili kosi sloevi. So razvojot na sovremenite analiti~ki postapki i soodvetni kompjuterski programi denes se raspolaga so mo}ni alatki za dizajniraweto na potrebnite parametri na zazemjuva~ite polo`eni vo pove}eslojni sredini. Pri toa, kako rezultat na funkcionalnite potrebi na zazemjenata oprema ili za zadovoluvaweto na uslovite za bezopasnost od strujni udari, na vrednosta na otporot na raste~uvawe se postavuvaat se postrogi uslovi. Pri nivnoto ispolnuvawe, mnogu ~esto, dizajnerite i izveduva~ite se sre}avaat, prakti~no, so nepremostlivi problemi. Toa e redovno slu~aj koga treba da se dizajnira i izvede zazemjuva~, so odreden otpor na raste~uvawe, na tereni so mnogu visoka elektri~na otpornost. Makedonija izobiluva so tereni kade elektri~nata otpornost na povr{inskite sloevi na tloto dostignuva vrednost i nad Ωm. Kako {to e poznato, tokmu na takvite tereni se locirani najgolemiot broj na telekomunikacioni objekti no i nekoi od distributivnite trafostanici. Za ilustracija }e go navedeme slu~ajot na telekomunikacioniot objekt RSU-PLETVAR, lociran na prevojot Pletvar. Vo objektot e instalirana oprema na SIEMENS koja efikasno funkcionira samo so raboten zazemjuva~ so otpor na raste~uvawe Rz Ω. Opremata ne mo`e{e da se pu{ti vo pogon pove}e od 5 meseci zatoa {to izvedeniot zazemjuva~, so site merki prezemeni od dizajnerot i izveduva~ot, ne mo`e{e da postigne pomal otpor na raste~uvawe od 46 Ω, koj e pogolem za pove}e od 7 pati od propi{aniot. Osnovnata pri~ina za toa le`e{e vo isklu~itelno visokata otpornost na tloto vo koe e polo`en zazemjuva~ot: ρ 9 Ωm, h,6 m i ρ 4 Ωm (Sl. lok.br.). y[m] 5 RSU 5 3 avtopat 4 RE plato 5 5 5 3 35 4 x[m Sl. Dispozicija na najpovolnata lokacija broj 4 Vo takvite slu~ai problemot mo`e da se re{i ako na dozvolena oddale~enost od objektot se pronajde lokacija so mnogu popovolna geoelektri~na struktura. Dozvolenata oddale~enost, kako {to e poznato, e diktirana od dol`inata na provodnicite so koi se ostvaruva galvanskata vrska so zazemjuva~ot, koja mora da bide pomala od onaa koja, pri rastekuvaweto na strujata na gromot, seu{te vlijae na namaluvaweto na negoviot otpor na raste~uvawe. Za sre}a, pri geoelektri~noto sondirawe na terenot okolu objektot, na lokacijata br.4, poso~ena na Sl., be{e pronajdena struktura so parametri ρ 39 Ωm, h 4, m i ρ 4 Ωm. Rabotniot zazemjuva~ so potrebniot otpor na raste~uvawe Rz Ω, be{e dizajniran i optimiran so kompjuterskiot paket OSIP-STF (Sl.).
P3-5 3/9 y [ m] 45 4 35 3 5 5 5-5 4 6 x [ m] 8 Sl. Konfiguracija i dimenzii na zazemjuva~ot Kako {to mo`e da se vidi, vo ovoj slu~aj, na dozvolena oddale~enost od objektot, e najdena lokacija na koja mo`e{e da se dizajnira i izvede zazamjuva~ot so potrebnite performansi. Me utoa, se postavuva pra{aweto : {to ako ne se najde{e takva lokacija? Ili so drugi zborovi dizajnerot treba da dade odgovor na pra{awata: so kakvi re{enija }e mo`e da se dizajniraat i izveduvaat efikasni zazemjuva~i na lokacii vo koi tloto ima isklu~itelno visoka otpornost i, kako, trajno da se nadmine sostojbata vo koja pove}eto od telekomunikacionite i drugi objekti rabotat so zazemjuva~i so nedozvoleno visoki otpori na raste~uvawe? So prezentacijata na del od mo`nostite za dizajnirawe i izveduvawe na zazemjuva~ite vo najslo`eni geoelektri~ni sredini na metodot razvien za vakvi potrebi i na soodvetniot kompjuterski paket OSIP-ETF3 se davaat odgovori na pogolemiot del od ovie pra{awa.. OSNOVI NA ANALITI^KIOT PRISTAP Ako vo okolinata na eden objekt, na dozvolena oddale~enost od nego, ne mo`e da se najde lokacija so popovolni geoelektri~ni parametri, zazemjuva~ot mora da se izvede vo uslovi na struktura so mnogu visoka otpornost. Toga{, re{enieto mora da se bara vo oblagoroduvaweto na tloto so sloj koj ima pomala otpornost. Za taa namena i kaj nas i vo svetot, naj~esto, se koristi bentonitot. Vo povr{inskiot sloj od krupen ~akal, dolomit, mermer, granit, bazalt ili drugi eruptivni karpi, se kopa jama so pravoagolen ili kvadaten presek i so dlabo~ina H (Sl.3). Jamata se ispolnuva so bentonit, a Sl.3 Jama vo prirodniot sloj zazemjuva~ot, ako e realiziran so horizontalni provodnici, se postavuva na dlabo~ina h vo nego. Site poznavawa na efektite od ova re{enie, do skoro, se sveduvaa na zaklu~okot deka "so nego mo`e da se namali otporot na raste~uvawe do 5-tina procenti". Se razbira deka efektite od nego ne mo`at ni od daleku da se procenat bez egzaktno re{avawe na sistemot zazemjuva~-struktura na tloto, po analiti~ki pat. Analiti~kata postapka za ova re{enie e mnogu slo`ena i mo`e da se bazira ili na Maksveloviot metod na sliki i metodot na momenti ili na metodot na kone~ni elementi. Generiraweto na slikite na zazemjuva~ot kako elektri~en izvor, polo`en vo pove}eslojna sredina, be{e zna~itelno poednostaveno so primenata na metodot na opti~ka analogija, a procedurata za toa definirana u{te pred triesetina godini. Soglasno so taa procedura, kaj ovoj sistem na zazemjuva~ vo tlo so dva horizontalni sloja
P3-5 4/9 i ~etiri vertikalni sloja, slikite na izvorot se reflektiraat od grani~nata povr{ina bentonit-vozduh, koja deluva kako idealno ogledalo so koeficient na refleksija k, kako i od grani~nata povr{ina prv sloj-vtor sloj koja vo ovoj slu~aj deluva kako ogledalo so faktor na refleksija k (ρ t ρ b )/(ρ t+ ρ b ), kade ρ t e otpornost na tloto, a ρ b otpornost na bentonitot. Me utoa, kaj sistemot {to go tvori zazemjuva~ot postaven vo jamata od Sl.3 refleksii so koeficient k se javuvaat i od ~etirite bo~ni zidovi, kako i od aglite na jamata koi isto taka deluvaat kako ogledala. Za generiraweto na site ovie dopolnitelni sliki na zazemjuva~ot kako elektri~en izvor be{e potrebno da se razvie posebna analiti~ka postapka i soodveten modul vo kompjuterskiot paket OSIP- ETF3. Taka npr. ako eden to~kest izvor I vkopan na dlabo~ina h i rastojanie x i A, odnosno y i B od dvata bo~ni zida na jamata koi se poklopuvaat so x, odnosno y oskata od koordinatniot sistem prika`an na (Sl.4), so spomenatata procedura se Sl.3 Pogled na jamata od ozgora poka`uva deka negovite sliki }e se javat na rastojanija: r (h) r (A) r 6 (B) r ((A) +(B) ) r (mh) r (na) r 7 (jb) r ((na-a) +(jb) ) r (mh) r 3 (na) r 8 (jb) r 3 ((na-a) +(jb-b) ) () r (mh-h) r 4 (na-a) r 9 (jb-b) r 4 ((na) +(jb) ) r (mh+h) r 5 (na+a) r (jb+b) r 5 ((na-a) +(jb-b) ) kade, m, n, i j se dvi`at od do. Ako se raboti za realen zazemjuva~, primer za vertikalna sonda so dol`ina L i dijametar d, polo`ena vo prviot sloj, imajki gi vo predvid slikite so rastojanijata od prvata kolona na izrazot () kako i samata sonda, za nejziniot otpor na raste~uvawe e dobien poznatiot izraz: R sz ρ + b 4L ln k πl d m m mh + L ln mh L () Me utoa, otporot na raste~uvawe na sondata e zna~itelno pogolem zaradi vlijanieto na vertikalnite zidovi na jamata. Presmetuvaweto na dopolnitelniot otpor na raste~uvawe R sa od slikite na sondata vo X-Y ramninata, koi se nao aat na rastojanie od nea definirano so vtorata, tretata i ~etvrtata kolona od izrazot () mo`e da se realizira na sledniot na~in: sondata se zamenuva so cilinder so dol`ina L i dijametar d, polo`en vo prviot sloj (Sl.4). Potencijalot vo to~kata P na sondata, od edine~niot to~kest polne` q vo elementot dx od prvata slika oddale~ena za r A, se sostoi od ~lenovi so sledniot oblik: k qdx ( x y) + r (3) Sl.4 Prvata slika vo X-Y ramnina
P3-5 5/9 Zatoa, vkupniot potencijal {to celata slikata go sozdava vo to~kata P mo`e da se presmeta so pomo{ na sledniot integral: L k dx + ( ) + + + Vp dx k ln L y L y r ln y y r (4) + r ( x y) Na identi~en na~in za vkupniot potencijal na sondata od celata slika se dobiva: L Vs k ln L y + ( L y) + r L 4L + r + L r 4L + r k ln + 4L + r L L L ln y + y + r dy (5) od kade za dopolnitelniot otpor od ovaa slika se dobiva: R s ρ k πl 4L + 4A + L A 4L + 4A ln + 4L + 4A L L L (6) R 5 sa R si i Vkupniot dopolnitelen otpor od site sliki na sondata se odreduva od izrazot: kade, R si se presmetani za razli~nite rastojanija r i, od izrazot (). Vkupniot otpor na raste~uvawe na sondata se odreduva kako: (7) R s R sz +R sa. (8) 3. ZA VREMENSKITE PROMENI NA OTPORNOSTA NA BENTONITOT Pri dizajniraweto na parametrite na zazemjuva~ite polo`eni vo tla oblagorodeni so bentonit, kako i kaj onie polo`eni vo prirodnite sredini, presmetkite na otporot na raste~uvawe treba da se realiziraat za najlo{to scenario te. za slu~ajot koga tloto ima najgolema elektri~na otpornost. Na promenite na elektri~nata otpornost najgolemo vlijanie ima vla`nosta na tloto i zatoa, do skoro, se smeta{e deka najlo{oto scenario e letniot period, koga zaradi su{ata vlagata e najmala a otpornosta najgolema. Me utoa, ponovite istra`uvawa poka`aa deka najlo{oto scenario se javuva vo zimskiot period koga tloto, vo zavisnost od niskite temperaturi, zamrznuva i do dlabo~ini na koi se polo`eni zazemjuva~ite, a ledot ja zgolemuva negovata otpornost za nekolku pati. Po konslultacijata na raspolo`ivata literatura, kako i na specijalistite {to se bavat so ovaa problematika, konstatiravme deka ne postojat nikakvi podatoci za vremenskite promeni na otpornosta na bentonitot, nitu za promenite vo negovata hemiska struktura. Zatoa, prvo izvr{ivme vizuelen pregled na nekoi zazemjuva~i polo`eni vo tlo oblagorodeno so bentonit i konstatiravme deka vo pove}eto slu~ai negovoto telo be{e raspukano i re~i si bez vlaga. Elektri~nata otpornost na bentonitot se dvi`e{e od Ωm do 5 Ωm {to poka`uva deka vo odnos na po~etnata sostojba istiot e celosno degradiran. Pokraj toa, se konstatira i deka bitno se namaluva galvanskiot kontakt so provodnicite na zazemjuva~ot, zaradi {to otporite na raste~uvawe, izmereni po eksperimentalen pat, bea enormno zgolemeni. Za da razvieme soodvetna tehnologija za kvalitetna izvedba na slojot od bentonit, organiziravme pove}e eksperimenti vo laboratoriski i prirodni uslovi, koi traeja 7
P3-5 6/9 meseci. Eden odreden broj primeroci od bentonitov "cement" vo forma na kocki, bea vgradeni direkno vo jami iskopani vo prirodni sredini, drug del vgradeni vo kutii od pleksiglas so pove}e otvori za prirono izedna~uvawe na vlagata so tloto okolu jamata, i tret del vo pleksiglas kutii bez otvori postaveni vo isti jami. Za dobienite rezultati izrabotivme poseben Elaborat a ovde }e gi preneseme samo globalnite soznanija. Bentonitoviot "cement" be{e zame{an i podlo`en na sledewe na 5.5. godina. Relativnata vla`nost merena so Soilmoisture Metter model 5 A na "Soilmoisture Equipment Corp." USA, kaj site tri vida na primeroci, na po~etokot iznesuva{e okolu 75%. Elektri~nata otpornost, izmerena so nekolku razli~ni postapki, na po~etokot kaj site tri vida na primeroci, iznesuva{e Ωm. Vo celiot period vlagata opa a{e a elektri~nata otpornost raste{e. Po {est meseci, kaj primerocite polo`eni vo pleksigras kutii, bez otvori, vlagata opadna na 6%, a elektri~nata otpornost se zgolemi na 3 Ωm. Tie bea re~isi celosno degradirani i raspukani. Primerocite polo`eni direkno vo jamite i onie polo`eni vo kutii so otvori poka`aa sli~ni promeni: ista vla`nost so okolnoto tlo koja na 5.. godina na lokacijata Petrovec iznesuva{e 7%, i mnogu bliska elektri~na otpornost od 5 Ωm do Ωm. Vo celiot period na ispituvawata, vremeto be{e isklu~itelno suvo a najmalata vla`nost na tloto okolu primerocite be{e registrirana kon sredinata na noemvri. Elektri~nata otpornost od 5 Ωm do Ωm dobiena vo vakov isklu~itelno suv period e mnogu povolna za oblagoroduvawe na tla so visoka otpornost. Me utoa, ovie rezultati se postignati so posebna tehnologija za dobivawe i stareewe na bentonitoviot "cement", kako i posebna tehnologija za odr`uvawe ne negovite geoelektri~ni svojstva. 4. ZA EFEKTIVNOTO NAMALUVAWE NA OTPOROT NA RASTE^UVAWE Mo`nostite za namaluvaweto na otporite na raste~uvawe na ovoj metod za dizajnirawe i izvedba na efikasni zazemjuva~i vo sredini so isklu~itelno visoka elektri~na otpornost }e bidat ilustrirani na nekolku konkretni primeri na zazemjuva~i polo`eni vo prirodna i vo oblagorodena geolektri~na struktura. Neka treba da se izvede zazemjuva~ so konfiguracija na vertikalna sonda so dijametar d.6 m i dol`ina L, m, polo`ena vo tlo so karakteristiki: h m i ρ 5 Ωm. Vo ovoj slu~aj, zaradi malata dol`ina na sondata, vlijanieto na poniskite sloevi mo`e celosno da se zanemari. Zatoa, so kompjuterskiot paket OSIP-ETF3 za otporot na raste~uvawe se dobiva: R z 548.9 Ω (9) Koga bi bilo izvodlivo so prekrivaweto na dolomitniot sloj so bentoniten "cement", da se formira dvosloj so parametri: ρ 5 Ωm, h m i ρ 5 Ωm, otporot na raste~uvawe na sondata mo`e da se namali na: R sz 4.68 Ω -.5 -.5 z[m] - - 5 4 y[m] 3 3 4 5 x[m] () {to pretstavuva namaluvawe za pove}e od 4 pati. Me utoa, dolomitniot sloj realno mo`e da se oblagorodi samo so otvarawe na jama so kone~ni dimenzii i popolnuvawe na istata so bentoniten "cement". Neka dimenziite na jamata iznesuvaat a5. m, b5. m, H.m, a sondata postavena na rastojanie od bo~nite zidovi x i.5 m i y i.5 m (Sl.3). 3D geometrijata na sistemot e prika`ana na Sl.5. Vo ovoj slu~aj so kompjuterskiot paket OSIP-ETF3 za otporot na raste~uvawe se dobiva: Sl.5 D geometrija na sistemot
P3-5 7/9 R s Rsz+Rsa4.89+3.3747.5 Ω. () {to pretstavuva namaluvawe za 33 pati. Teoretski, otporot na raste~uvawe na sondata mo`e da se namaluva do 4.68 Ω, no pri toa kako odlu~uva~ki faktor se pojavuva cenata na ~inewe na re{enieto, vo koja najgolemata stavka treba da se dade za nabavkata na bentonitot. Od tuka dizajniraweto i izvedbata na zazemjuva~ot treba da se temelat na optimiraweto na tro{ocite za bentonit "cementot" i onie za provodnicite. Za ilustracija neka poslu`ii primerot na zazemjuva~ so konfiguracija i dimenzii koi naj~esto se koristat kaj pomalite telekomunikacioni objekti ili distributivni trafostanici. D i 3D dimenziite na sistemot se prika`ani na Sl.6 i Sl.7. Jamata ima dimenzii mxmx.5m. Nadvore{nata ramka na zazemjuva~ot ima dimenzii xm i e polo`ena na dlabo~ina od. m, a vnatre{nata ima dimenzii 8x8m i e polo`ena na dlabo~ina od.6m. Sondite se dolgi po. m. Ako zazemjuva~ot se izvede vo prirodnata geoelektri~na sredina so elektri~na otpornost ρ5 Ωm }e manifestira otpor na raste~uvawe: R z 9.83 Ω () dodeka vo dvoslojot so parametri: ρ 5 Ωm, h.5m i ρ 5 Ωm, otporot na raste~uvawe na zazemjuva~ot }e se namali za 3 pati: R sz 4. Ω (3) z[m] -.5 - -.5 - -.5 8 y[m] 6 4 4 6 8 x Sl 6 D geometrija Sl. 7 3D geometrija na sistemot Ovoj sistem, polo`en vo jamata so dimenzii mxmx.5m manifestira otpor na raste~uvawe: R s Rsz+Rsa4.+8.. Ω. ()
P3-5 8/9 4. VERIFIKACIJA NA METODOT PO EKSPERIMENTALEN PAT Efikasnosta i to~nosta na metodot se verificirani po eksperimentalen pat. Za taa cel, vo elektrolitskata kada vo koja desetina godini se ispituvaat postapkite za generirawe na pove}eslojni modeli kako i parametrite na modeli na zazemjuva~ite dobieni po presmetkoven pat, e konstruirana troslojna sredina so parametri: ρ 5 Ωm, h.5m, ρ 76 Ωm, h.m, ρ 3 5 Ωm i h 3.75m (Sl.8). Vo prviot sloj e polo`en zazemjuva~ vo forma na vertikalna sonda so dlabo~ina na vkopuvawe L(.4±.)mm i dijametar d(.4±.5)mm. Otporot na raste~uvawe na sondata e meren so U-I metodot (Fall-of-Potential method)". Rasporedot na sondite i strukturata na tloto se prika`ani na (Sl.9). Zavisnosta R z f(x d ) na otprot na raste~uvawe R z od rastojanieto x d, snimena eksperimentalno e prika`ana na Sl.. "Referentnata zemja" e odredena so modulot Sl.8 Izgled na kadata i opremata YPOSITION i se nao a vo x d.37 m, odnosno na relativno rastojanie od ispituvanata sonda y.6d, kade D.6m e rastojanie me u E i R. 6 4 Zavisnost Rzf(xd) Rz za xd37. Rz99 Ohm Rz[Ohm-m] 8 6 4 Sl.9 U-I metoda za merewe na R z 3 4 5 6 xd[m] Sl. Zavisnost R z f(x d ) Od eksperimentalnata zavisnost R z f(x d )R z f(y) mo`e da se o~ita deka otporot na raste~uvawe na sondata izmeren so U-I metodata iznesuva R z Ω. Presmetkovnata vrednost dobiena so kompjuterskiot paket OSIP-ETF3 iznesuva R z Ω. Kako {to mo`e da se vidi odstapuvawata se pomali od ±5%. 5. ZAKLU^OK Razvien e metod za efikasno dizajnirawe i izveduvawe na zazemjuva~ite vo geoelektri~ni sredini so isklu~itelno visoka elektri~na otpornost. Razvieniot kompjuterski paket OSIP-ETF3 efikasno gi optimira parametrite na zazemjuva~ot i oblagorodenata sredina taka da se dobie {to pomal otpor na raste~uvawe. Razviena e i
P3-5 9/9 posebna tehnologija za formirawe na stabilno i popropvodno telo okolu zazemjuva~ot. Poka`ano e deka gre{kite vo presmetkite se pomali od ±5%. 6. LITERATURA [] B.Handziski, V. Dimcev: Scale model Study of the soil resistivity measuring techniques", 7 th Symposium Jukem, Sarajevo, 99. [] F.Dawalibi, N.Barbeito: "Measurements and computation of the performance of grounding systems buried in multi-layer soils", IEEE TPAS, vol.6, No.4, 99. [3] B.Handziski, V.Handziski, P.Vrangalov, V. Dimchev: "On the conductors segmentation in modern computational methods for the design of grounding systems", 4 th Europien Symposium on EMC, Brugge,. [4] B.Handziski, P.Vrangalov, V. Handziski, V.Dimcev: "An Improved Scale down model Study of the Accuracy and Effectiveness of the Wenner method", prifaten za IEEE PES Summer Meeting, July,