ТРЕТО СОВЕТУВАЊЕ
Охрид 3-6 октомври 2001
Благој Ханџиски, Панчо Врангалов,
Владо Ханџиски, МК0300035 Владимир Димчев
Електротехнички факултет-Скопје
ЗА ЕДЕН НОВ МЕТОД ЗА ДИЗАЈНИРАЊЕ И ИЗВЕДБА НА ЗАЗЕМЈУВАЧИТЕ ВО СРЕДИНИ СО НАЈВИСОКА ЕЛЕКТРИЧНА ОТПОРНОСТ
СОДРЖИНА
Во развојот на софистицирани компјутерски програми и технологии за дизајнирање и изградба на заземјувачи во геоелектрични средини со исклучително висока отпорност, во последната деценија, се вложуваа големи напори Во трудот се појаснети основитс на методот и демонстрирана извонредната ефикасност на компјутерскиот пакет ОЅ1Р-ЕТП развиен за оваа намена. Пакетот се темели на еден аналитички пристап во КОЈ успешно се синтетизирани Максвеловиот метод на слики и методот на моменти Прикажани со и резултатите од експерименталната верификација на методот добиени на неколку модеии положени во повеќеслојни структури и реализирани во електролитска када Докажано е дека границите на точноста на методот се исклучително мали за ваквите пресметки и дека изнесуваат ±5% Постигнатите резултати се добра основа за нови истражувања во оваа област.
Клучни зборови. заземјувачи, дизајн и изградба, тла со нарисока отпорност АВЅТКАСТ
МисН еѓѓоП Каѕ вееп сопсеп(га(ес1 ш 1Не раѕ1 с1есас!е ш с!еуе1орт§ ѕорѓиѕисасес! сотри(е>
рго§гатѕ апс! 1есНпо1о§1еѕ ѓог Ле еШсгст сЈеѕц»п оѓ Ље §гоипсНпѕ ѕуѕ1етѕ етве<1с1е<1 т ѕо^ѕ ^иИ ѕ!ѕиУ11у. ТК|Ѕ рарег с!апЛеѕ 1\\е 6аѕ1ѕ оѓ (Нв тесНос! апс! Јетопѕ1га1еѕ (Не ехсер(1опа!
оѓ 1Не ОЅ1Р-ЕТР2 сотри1ег ргоѕгат, сЈеуе!оре<1 Гог 1Не те(11ос1'ѕ 1тр1втеп(а(шп ТИе ала!у11са1 арргоасН 1Ѕ (заѕеЈ ироп (Не ѕиссеѕѕѓи! тос!1Ѓ1са(10п оѓ (Нв Мах^е1Гѕ тв(Ко<1 оГ 1та§еѕ (оѕеАег шЉ Ле тесНоЈ оГ тотеп1ит ТНе геѕи!сѕ о( ап ехрептеШа! уа!кЈа(>оп о( Ле те(11ос1, о&Сатес! \зу туеѕи§а11п§ ѕеуега! ѕса!е С!О>УП тск!е1ѕ ет6ес!с1ес1 т ти!1у-1ауег ѕ1гис(ше$, ап<1 сопѕ1гис1е(1 т ап е!ес1го1у1ќ: 1ап1с, аге а!ѕо ргеѕеШес! Аѕ ц «ѕ ѕНо^п, 1Не ассигасу оѓ 1Ке об^атсс!
геѕииѕ гап§т§ ±5% 1ѕ ^и«1е ѕа^ѕѓасСогу. ТКе геѕи!1ѕ ргеѕешед сои1<1 а!ѕо ргоук1е а БепсНта^К Го1 ргоѕрес1Јуе у/ог!с т
Кеу «'огЉ- §гоипс11п§ ѕуѕ1етѕ, «1еѕ1§п ап<1
1 ВОВЕД
Отоорите на растечување на заземјувачите изразито зависат не само од нивните димензии и конфигурација, туку и од структурата на тлото во кое се положени и, посебно,
Р31-05
од висината на електричната отпорност р Познато е дека структурата на тлото наЈчесто е нехомогена и дека е составена од локални нехомогености и хоризонтални и вертикални паралелни или коси слоеви Со развоЈот на современите аналитички постапки и соодветни компјутерски програми денес се располага со моќни алатки за дизајнирањето на потребните параметри на заземјувачите положени во повеќеслојни средини При тоа, како резултат на функционалните потреби на заземјената опрема или за задоволувањето на условите за безопасност од струЈни удари, на вредноста на отпорот на растечување се поставуваат се построги услови При нивното исполнување, многу често, дизајнерите и изведувачите се среќаваат, практично, со непремостливи проблеми Тоа е редовно случа) кога треба да се дизајнира и изведе заземјувач, со одреден отпор на растечување, на терсни со многу висока електрична отпорност. Македонија изобилува со терени каде електричната отпорност на површинските слоеви на тлото достигнува вредност и над 10000 Фт Како шго е познато, токму на таквите терени се лоцирани најголемиот бро) на телекомуникациони објекти но и некои од дистрибутивните трафостаници. За илустраци^а ќе го наведеме случајот на телекомуникациониот објект РСУ-ПЛЕТВАР, лоциран на превојот Плетвар. Во објектот е инсталирана опрема на ЅШМЕНЅ ксуа ефикасно функционира само со работен заземјувач со отпор на растечување Кг < 2 Ф. Опремата не можеше да се пушти во погон повеќе од 15 месеци затоа што изведениот заземЈувач, со сите мерки преземени од дизајнерот и изведувачот, не можеше да постигне помал отпор на растечување од 146 Ф, КОЈ е поголем за повеќе од 70 пати од пропишаниот Основиата причина за тоа лежеше во исклучително високата отпорност на тлото во кое с положси заземјувачот: р,=900 Пт, Н,=1,6 т и р2=4000 Лт (Сл 1 лок бр.1).
у[т|
200
150
100
50
РСУ3. 1
автопат
. 3 . 2
плато
50 100 150 200
х(т 250 300 350 400
Сл 1 ДиспозициЈа на најповолната локација број 4
Во таквите случаи проблемот може да се реши ако на дозволена оддалеченост од објектот се пронајде локација со многу поповолна геоелектрична структура Дозволсната оддалеченост, како што е познато, е диктирана од должината на проводниците со кон се остварува галванската врска со заземјувачот, која мора да биде помала од онаа која ири растекувањето на струјата на громот, сеуште влијае на намалувањето на неговиот отпор на растечување. За среќа, при геоелектричното сондирање на теренот околу објектот на локацијата бр 4, посочена на Сл 1, беше пронајдена структура со параметри р(=39 Фт.
П|=4,1 т и р2=4000 Пт Работниот заземЈувач со потребниот отпор на растечување Кг < 2 П, беше дизајниран и оптимиран со компЈутерскиот пакет ОЅ1Р-ЅТР2 (Сл 2)
45у[
4) 36 30 25 23 15 10 5 0
Т*
•
• -
• -
"
I
,
|
,
1
1
1 .
- - -
• -
Сл 2 Конфигурација и димензии на заземјувачот
Како што може да се види, во овој случај, на дозволена оддалеченост од обЈектот, е најдена локација на која можеше да се дизајнира и изведе зазамјувачот со потребните перформанси. Меѓутоа, се поставува прашањето : што ако не се најдеше таква локација9
Или со други зборови дизајнерот треба да даде одговор на прашањата со какви решениЈа ќе може да се дизајнираат и изведуваат ефикасни заземјувачи на локации во кои тлото има исклучително висока отпорност и, како, трајно да се надмине состојбата во која повеќето од телекомуникационите и други објекти работат со заземјувачи со недозволено високи отпори на растечување?
Со презентацијата на дел од можностите за дизајнирање и изведување на заземјувачите во најсложени геоелектрични средини на методот развиен за вакви потреби и на соодветниот компјутерски пакет ОЅЕР-ЕТРЗ се даваат одговори на поголемиот дел од овие прашања
2. ОСНОВИ НА АНАЛИТИЧКИОТ ПРИСТАП
Ако во околината на еден објект, на дозволена оддалеченост од него, не може да се најде локација со поповолни геоелектрични параметри, заземјувачот мора да се ииведе во услови на структура со многу висока отпорност Тогаш, решението мора да се бара во облагородувањето на тлото со СЛОЈ КОЈ има помала отпорност. За таа намена и КЗЈ нас и во светот, најчесто, се користи бентонитот Во површинскиот слој од крупен чакал, доломит, мермер, гранит, базалт или други еруптивни карпи, се копа Јама со правоаголен или квадатен пресек и со длабочина Н (Сл.З). Јамата се исполнува со бентонит. а заземјувачот, ако е реализиран со хоризонтални проводници, се поставува на длабочина Н во него Сите познавања на ефектите од ова решение, до скоро, се сведуваа на заклучокот дека "со него може да се намали отпорот на растечување до 50-тина проценти". Се разбира дека ефектите од него не можат ни од далеку да се проценат без егзактно решавање на системот заземјувач-структура на тлото. по аналитички пат.
Аналитичката постапка за ова решение е многу сложена и може да се базира или на Максвеловиот метод на слики и методот на моменти или на методот на конечни елемснти Генерирањето на слнките на заземјувачот како електричен извор, положен во повеќеслојна средина, беше значително поедноставено со примената на методот на оптичка аналогија, а процедурата за тоа дефинирана уште пред триесетина години Согласно со таа процедура, кај овој систем на заземјувач во тло со два хоризонтални СЛОЈЗ
Сл 3 Јама во природниот слој
и четири вертикални СЛОЈЗ, сликите на изворот се рефлектираат од граничната површина бентонит-воздух, која делува како идеално огледало со коефициент на рефлекси]а К=1, како и од граничната површина прв слој-втор слој која во ОВОЈ случај делува како огледало со фактор на рефлексија 1с|= (рг-р|>)/(рн.р1>), каде р, е отпорност на тлото, а р^, отпорносл на бентонитот
Меѓутоа, КЗЈ системот што го твори заземјувачот поставен во Јамата од Сл 3 рефлексии со коефициент 1«| се Јавуваат и од четирите бочни зидови, како и од аглитс на јамата кои исто така делуваат како огледала За генерирањето на сите овие дополнителни слики на заземјувачот како електричен извор беше потребно да се развие посебна аналитичка постапка и соодветен модул во компјутерскиот пакет ОЅ1Р- ЕТРЗ Така нпр. ако еден точкест извор I вкопан на длабочина К и растојание х,=А, односно у,=В од двата
бочни зида на јамата кои се поклопуваат со х, односно у оската од координатниот систем прикажан на (Сл 4), со споменатата процедура се покажува дека неговите слики ќе се јават на растојанија;
в
Сл 3 Поглед на јамата од озгора
г=>/(2Н)2 г=>/(2тН)2
г2=>/(2па)2
г6=^(2В)2
г4=^(2па-2А)2 г,
г,=^/(2па+2А)2 г,0=>/(2Ј15+2В)2
г„=>/((2А)2+(2В)2) г|2=^((2па-2А)2+(2Ј|Ј)2) г, ,=>/((2па-2А)2+(2Ј1>-2В)2) г,4^/((2па)2+(2ј1>)2)
г„=>/((2па-2А)2+(2Ј&-2В)2)
(1)
каде, т, п, и Ј се движат од 1 до <
Ако се работи за реален заземјувач, пример за вертикална сонда со должина I, и дијаметар <1, положена во првиот СЛОЈ, ИМЗЈКИ ги во предвид сликите со растоЈанијата од првата колона на изразот (1) како и самата сонда, за нериниот отпор на растечување е добиен познатиот израз:
/?.. = " /«-
2тН-1Ј (2)
Меѓугоа, отпорот на растечување на сондата е значително поголем заради влијанието на вертикалните зидови на Јамата Пресметувањето на дополнителниот отпор на растечување Ќ$а од сликите на сондата во Х-У рамнината, кои се наоѓаат на расто|ание од неа дефинирано со втората, третата и четвртата колона од изразот (I) можс да сс реализира на следниот начин сондата се заменува со цилиндер со должина 21. и ди]амегар д, положен во првиот СЛОЈ (Сл 4)
Потенцијалот во точката Р на сондага од единечниот точкест полнеж ^=1 во елементот <Јх од првата слика оддалечена ^а Г|=2А, се состои од членови со следниот облнк
4х
(3)
Сл 4 Првата слика во Х-У рамнина
Затоа, вкупниот потенцијал што целата сликата го создава во точката Р може да се пресмета со помош на следниот интеграл
(4)
На идентичен начин за вкупниот потенцијал на сондата од целата слика се добива
(5)
од каде за дополнителниот отпор од оваа слика се добива:
_/>А . V ~»~*»* I ~г м I « 4* д_х л> е\ л
1п . + 2 (6)
Вкупниот дополнителен отпор од сите слики на сондата се одредува од израчот
*,„=!>„ (7) /=/
каде, Кѕ, се пресметани за различните растојанија г„ од изразот (1) Вкупниот отпор на растечување на сондата се одредува како
К,-К,г+К^. (8)
3. ЗА ВРЕМЕНСКИТЕ ПРОМЕНИ НА ОТПОРНОСТА НА БЕНТОНИТОТ
При дизајнирањето на параметрите на заземјувачите положени во тла облагородени со бентонит, како и кај оние положени во природните средини, пресметките на отпорот на растечување треба да се реализираат за најлошто сценарио те за случајот кога тлото има најголема електрична отпорност На промените на електричната отпорност најголемо влијание има влажноста на тлото и затоа, до скоро, се сметаше дека најлошото сценарио е летниот период, кога заради сушата влагата е најмала а отпорноста најголема. Меѓутоа, поновите истражувања покажаа дека најлошото сценарио се )авува во зимскиот период кога тлото, во зависност од ниските температури, замрзнува и до длабочини на кои се положени заземјувачите, а ледот Ја зголемува неговата отпорност за неколку пати
По конслултацијата на расположивата литература, како и на специјалистите што се бават со оваа проблематика, констатиравме дека не ПОСТОЈЗТ никакви податоци за временските промени на отпорноста на бентонитот, ниту за промените во неговата хемиска структура Затоа, прво извршивме визуелен преглед на некои зазем^увачи положени во тло облагородено со бентонит и констатиравме дека во повеќето случаи неговото тело беше распукано и речи си без влага. Електричната отпорност на бентонитот се движеше од 100 &т до 500 От што покажува дека во однос на ночетната состојба истиот е целосно деградиран. ПокраЈ тоа, се констатира и дека битно сс намалува галванскиот контакт со проводниците на заземјувачот, заради што отпоритс на растечување, измерени по експериментален пат, беа енормно зголемени.
За да развиеме соодветна технолопца за квалитетна изведба на слојот од бентонит, организиравме повеќе експерименти во лабораториски и природни услови, кои трае|а 7
месеци Еден одреден број примероци од бентонитов "цемент" во форма на коцки, беа вградени дирекно во ЈЗМИ ископани во природни средини, друг дел вградени во кутии од плексиглас со повеќе отвори за прироно изедначување на влагата со тлото околу Јамата, и трет дел во плексиглас кутии без отвори поставени во исти ЈЗМИ За добиените резултатн изработивме посебен Елаборат а овде ќе ги пренесеме само глобалните сознашца Бентонитовиот "цемент" беше замешан и подложен на следење на 15052000 година Релативната влажност мерена со ЅоИпкмѕШге МеПег тосЈе! 5010 А на "ЅоПпкмѕШге Е^шртеш Согр" 1ЈЅА, кај сите три вида на примероци, на почетокот изнесуваше околу 75%
Електричната отпорност, измерена со неколку различни постапки, на почетокот КЗЈ сите три вида на примероци, изнесуваше 2 Пт Во целиот период влагата опаѓашс а електричната отпорност растеше По шест месеци, КЗЈ примероците положени во плексиграс кутии, без отвори, влагата опадна на 6%, а електричната отпорност се зголеми на 300 Фт Тие беа речиси целосно деградирани и распукани. Примероците положени дирекно во јамите и оние положени во кутии со отвори покажаа слични промени иста влажност со околното тло која на 25 11 2000 година на локацијата Петровец изнесувашс 27%, и многу блиска електрична отпорност од 15 Дт до 20 Пт. Во целиот период на испитувањата, времето беше исклучително суво а најмалата влажност на тлото околу примероците беше регистрирана кон средината на ноември Електричната отпорност од 15 Пт до 20 Лт добиена во ваков исклучигелно сув период е многу поволна м облагородување на тла со висока отпорност. Меѓутоа, овие резултати се постигнати со посебна технологија за добивање и стареење на бентонитовиот "цемент", како и поссбна технологија за одржување не неговите геоелектрични своЈства
4. ЗА ЕФЕКТИВНОТО НАМАЛУВАЊЕ НА ОТПОРОТ НА РАСТЕЧУВАЊЕ
Можностите за намалувањето на отпорите на растечување на ОВОЈ метод ѕа дизајнирање и изведба на ефикасни заземјувачи во средини со исклучително висока електрична отпорност ќе бидат илустрирани на неколку конкретни примери на
Јаземјувачи положени во природна и во облагородена геолектрична структура.
Нека треба да се изведе заземЈувач со конфигурација на вертикална сонда со дијаметар <1=0.06 т и должина 1^=1,0 т, положена во тло со карактеристики Н(=20 т и Р1=2500 Пт Во овој случаЈ, заради малата должина на сондата, влијанието на понискитс слоеви може целосно да се занемари. Затоа, со компјутерскиот пакет ОЅ1Р-ЕТРЗ *а отпорот на растечување се добива
/?г= 1548.92 (9)
Кога би било изводливо со прекривањето на доломитниот СЛОЈ со бентоншен
"цемент", да се формира двослој со параметри Р|=15 Пт, Н|=2т и р2=2500 Фт, огпорсп на растечуван>е на сондата може да се намали на
(10)
што претставува намалување за повеќе од 104 пати. Меѓутоа, доломитниот слој реално можс д<1 се облагороди само со отварање најама со консчни димензии и пополнување на истата со бентонитсн
"цемент" Нека димензиите на Јамата изнесуваа!
а=5 0 т, 6=5 0 т, Н=2 От, а сондата поставена нл растојание од бочните зидови х,=2 5 т и у,=2 5 т (Сл.З) ЗО геометријата на системот е прикажана наСл.5. Во овој случај со компЈутерскиот пакет ОЅ1Р-ЕТРЗ за отпорот на растечување се добива:
Сл.5 2О геометрија на системот
К,=Кѕг+Кѕа=14.89+32 37=4705 (П) што претставува намалување за 33 пати
Теоретски, отпорот на растечување на сондата може да се намалува до 14 68 Ф, но при тоа како одлучувачки фактор се појавува цената на чинење на решението, во кс>]а најголемата ставка треба да се даде за набавката на бентонитот.
Од тука дизајнирањето и изведбата на заземјувачот треба да се темелат на оптимирањето на трошоците за бентонит "цементот" и оние за проводниците За илустрација нека послужии примерот на заземјувач со конфигурација и димензии кои најчесто се користат КЗЈ помалите телекомуникациони објекти или дистрибутивни трафостаници. 2О и ЗВ димензиите на системот се прикажани на Сл 6 и Сл 7
Јамата има димензии 12тх12тх2.5т Надворешната рамка на заземЈувачот има димензии 10х10т и е положена на длабочина од I 0 т, а внатрешната има димензии 8х8т и е положена на длабочина од О.бт. Сондите се долги по 1 0 т. Ако заземјувачот се изведе во природната геоелектрична средина со електрична отпорност р=2500 Ѕ2т ќе манифесгира отпор на растечување:
/?,= 91 83 П (12)
додека во двослојот со параметри- р|=15 ЃЈт, &1=2.5т и р2=2500 Фт, отпорот на растечување на заземјувачот ќе се намали за 23 пати
Кџ=4 00 а (13)
Сл.6 2О геометрија Сл 7 ЗО геометрија на системот
ОВОЈ систем, положен во јамата со димензии 12тх12тх2 5т манифестира отпор н<и растечување
К,=Кѕг+Кѕа=4 00+8.10=12 10 П (11)
4. ВЕРИФИКАЦИЈА НА МЕТОДОТ ПО ЕКСПЕРИМЕНТАЛЕН ПАТ
Ефикасноста и точноста на методог се верифицирани по експериментален пат За таа цел, во електролитската када во КОЈЗ десетина години се испитуваат постапките за генерирањо на повеќеслојни модели како и параметрите на модели на заземјувачите добиени по пресмстковен пат, е конструирана трослојна средина со параметри
р,=5(Шт, Н,=0.05т, р2=1760 Дт, Н2=0 10т, р3=50 Дт и М0.75т (Сл8)
Сл.8 Изглед на кадата и опремата
Во првиот СЛОЈ е положен заземјувач во форма на вертикална сонда со длабочина на вкопување 1^=(0.024±0 001)тт и дијаметар с!=(0 004±0.00005)тт.
Отпорот на растечување на сондата е мерен со 1М методот (Ра11-оГ-РоеепПа1 те1Н<х1)"
Распоредот на сондите и структурата на тлото се прикажани на (Сл 9) Зависноста К,=Ѓ(ХЈ) на отпрот на растечување Кг од растојанието ХЈ, снимена експериментално е прикажана н<1 Сл 10. "Референтната земја" е одредена со модулот УРОЅГПОК и се наоѓа во ха= 0 37 т.
односно на релативно растојание од испитуваната сонда у=062О, каде О=060т с растојание меѓу Е и К
?ЕЈ.. Р б
Н,
3400 2200
^. 2000
| 1800
* 1600 1400
ѕгамЈа
=1990
10 50
Сл 9 1Ј-1 метода за мерење на
20 30 40 хО|т)
Сл 10 Зависност К,=((ХЈ)
60
Од експерименталната зависност К7=ѓ(ха)=К,=Г(у) може да се очита дска отпорог ка растечување на сондата измерен со 1Ј-1 методата изнесува Кх=2000 П
Пресметковната вредност добиена со компјутерскиот пакет ОЅ1Р-ЕТРЗ изнесува К,=2100 Г2 Како што може да се види одстапувањата се помали од ±5%
5. ЗАКЛУЧОК
Развиен е метод за ефикасно дизајнирање и изведување на заземЈувачите во геоелектрични средини со исклучително висока електрична отпорност Развиениог компјутерски пакет ОЅ1Р-ЕТРЗ ефикасно ги оптимира параметрите на заземјувачот и облагородената средина така да се добие што помал отпор на растечување Развиена е и посебна технолопца за формирање на стабилно и попропводно тело околу заземјувачот Покажано е дека грешките во пресметките се помали од ±5%
6. ЛИТЕРАТУРА
[1] В Нап<Ј21ѕ1с1, V Випсеу Ѕса1е тсхЈе! Ѕшду оПНе ѕоП геѕ^ѕИуцу теаѕшш§
7(|> Ѕутроѕшт Ји1сет, Ѕагајеуо, 1990
1есИт^иеѕ'
[2] Р Оа\^а111н, N ВаНзеио "МеаѕигетеШѕ апс! сотри1аиоп оѓ 1Не регѓснтапсе оѓ §гоин<Ј|п§
ѕуѕ(етѕ (зипес! т ти1и-1ауег ѕо|1ѕ", 1ЕЕЕ ТРАЅ, УО! 6, Но 4, 1991
(3] В Напс^ѕЈи, V Напс1г1ѕ1с1, Р Угап§а1оу, V В^тсНеу "Оп 1&е соп<Јис1огѕ ѕе§теп1аиоп т тосЈст сотрШаиопа! те1Нос1ѕ ѓог Ше с!еѕ1§п оѓ ѕгоигиЈт§ ѕуѕ(етѕ", 4* Еигор^еп Ѕутроѕшт оп ВМС.
Вш§§е, 2000
[4] В.НатЈхкЈа, Р Угап§а1оу, V.
1Не Ассигасу ап<1 МееИп§, Ји1у, 2001
, V О^тсеу "Ап Јтргоуес! Ѕса1е до\^п то<је! Ѕ(ис1> о!
1Не \^еппег те1110(1", прифатен за ШЕЕ РЕЅ Ѕиттс!
