UNIVERZITET CRNE GORE ELEKTROTEHNIKI FAKULTET Vuini Aleksandar dipl

UNIVERZITET CRNE GORE ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET Vučinić Aleksandar, dipl. ing. TEHNO-EKONOMSKA ANALIZA UPOTREBE BENTONITA U UZEMLJIVAČKOM SISTEMU 110 k. V STUBA - I savjetovanje CG KO CIGRE Miločer, oktobar 2009.

“Tehno-ekonomska analiza upotrebe bentonita u uzemljivačkom sistemu 110 k. V stuba” q q Primjenjena metoda koja precizno određuje teorijsku vrijedost otpora uzemljivača dalekovodnih stubova U proračunima uzet u obzir prelazni otpor sa uzemljivača na okolno tlo Izračunati troškovi realizacije uzemljivača i pri tome obuhvaćeni svi faktori koji utiču na formiranje njegove cijene Izvršena komparativna analiza dobijenih rezultata i dati predlozi za najekonomičniju realizaciju uzemljivača u određenim uslovima, kao i tehničke karakteristike tako realizovanog uzemljivača. 2

“Tehno-ekonomska analiza upotrebe bentonita u uzemljivačkom sistemu 110 k. V stuba” UZEMLJIVAČ – jedan ili više provodnika položenih u tlo koji su sa njim u neposrednom kontaktu, ili jedan ili više provodnika koji su položeni u beton koji je po velikoj površini u dodiru sa tlom. Zaštitna Namjena uzemljivača Pogonska Gromobranska Namjena uzemljivača dalekovodnih stubova je odvođenje u tlo struja atmosferskih pražnjenja i zaštita ljudi i opreme pri tim pražnjenjima. Smanjivanjem vrijednosti otpora uzemljenja smanjuje se vjerovatnoća pojave prenapona određene vrijednosti na izolaciji, odnosno smanjuje se rizik preskoka na izolaciji, tj. redukuju se prekidi u prenosnim mrežama izazvani atmosferskim pražnjenjima. 3

“Tehno-ekonomska analiza upotrebe bentonita u uzemljivačkom sistemu 110 k. V stuba” Svako uzemljenje ima svoj otpor koji se sastoji od pet sastavnih otpora i to: ► Otpora spoja ► Sopstvenog otpora provodnika za uzemljenje ► Otpora samog uzemljivača mogu se zanemariti ► Prelaznog otpora sa uzemljivača na zemlju (kontaktni otpor) obuhvata otpor između uzemljivača i okolne zemlje kao i otpor između stalne zemlje (nedirnute, pri kopanju rova za uzemljivač) i dijela zemlje koja je kopana. ► Otpora rasprostiranja zemlje - zavisi od vrste zemlje i načina polaganja uzemljivača. Njegov uticaj je najveći na konačnu vrijednost otpora uzemljenja, pa se u proračunima najčešće on uzima kao otpor uzemljenja. 4

“Tehno-ekonomska analiza upotrebe bentonita u uzemljivačkom sistemu 110 k. V stuba” Na vrijednost otpora rasprostiranja uzemljenja utiču: A) Dimenzije uzemljivača B) Oblik uzemljivača C) Svojstva zemlje u kojoj se postavlja uzemljivač 1. 2. 3. 4. 5. 6. Vlažnost zemlje (tla) Slanost zemlje Temperatura zemlje Geološki sastav zemlje Stanje podzemnih voda i sadržaj rastvorljivih materija Zbijenost zemlje Jedan od metoda za smanjenje specifične otpornosti zemlje jeste umetanje zemlje sa boljom provodnošću. Kao pokrivka uzemljivačkog sistema koristi se najčešće zemljišta sa specifičnim otporom manjim od 100 Ωm, kao što su: glina, ilovača, bentonit itd. 5

“Tehno-ekonomska analiza upotrebe bentonita u uzemljivačkom sistemu 110 k. V stuba” Bentonit q Osobine: § Ima malu specifičnu otpornost, § Dobro absorbuje i zadržava vodu i u takvom stanju prijanja za svaku površinu sa kojom dođe u dodir, § U kontaktu sa vodom povećava svoju zapreminu (i do 13 puta), § Odlično prijanja za uzemljivačku traku sa jedne strane, a sa druge za okolno tlo i smanjuje prelaznu otpornost sa uzemljivača na zemlju. § Nema korozivno dejstvo na materijale od kojih su izgrađeni uzemljivački sistemi. Bentonit se kao pokrivka uzemljivačkih sistema može koristi u dva oblika : Ø Prah bentonita - pakuje se u vrećama, lako se transportuje do mjesta izgradnje uzemljivača, posipa se oko uzemljivačke trake a svoja puna svojstva dobija tek nakon kontakta sa vodom. U većini slučajeva ta voda se obezbjeđuje iz atmosferskih padavina. Ø Suspenzija bentonita - već ranije pripremljena smješa bentonita kojoj nije potrebno dodavanje vode da bi imala punu efikasnost. Pakuje se u buradima i to joj je mana jer iziskuje velike troškovo transporta, a naročito ukoliko se uzemljivač realizuje u teško pristupačnom terenu. 6

“Tehno-ekonomska analiza upotrebe bentonita u uzemljivačkom sistemu 110 k. V stuba” Legenda: 1 – pocinkovana čelična traka, 2 – cigla na kojoj se oslanja traka dok se ne ulije suspenzija bentonita, 3 – suspenzija bentonita, 4 – iskopana zemlja. Slika 1. Instalacija uzemljivačke trake u suspenziji bentonita 7

“Tehno-ekonomska analiza upotrebe bentonita u uzemljivačkom sistemu 110 k. V stuba” MODEL SLOŽENOG UZEMLJIVAČA Kao osnova za razvijanje matematičkog modela poslužili su oblici tipskih uzemljivača dalekovodnih stubova koje primjenjuje Elektroprivreda Crne Gore. Slika 2. Izgled standardnog uzemljivača postavljenog oko jedne stope 110 k. V dalekovodnog stuba 8

“Tehno-ekonomska analiza upotrebe bentonita u uzemljivačkom sistemu 110 k. V stuba” Matematički model je razvijen za sljedeće oblike uzemljivača. Slika 3. Uzemljivač tipa A 1 Slika 5. Uzemljivač tipa C 1 Slika 4. Uzemljivač tipa B 1 Slika 6. Uzemljivač tipa D 1 Slika 7. Uzemljivač tipa D 2 9

“Tehno-ekonomska analiza upotrebe bentonita u uzemljivačkom sistemu 110 k. V stuba” Zbog nesimetrično raspoređenih elemenata uzemljivača za proračun otpora rasprostiranja koristi se matrični metod koji se zasniva na metodu srednjeg potencijala. Ovaj metod uvažava sopstvene i međusobne otpornosti svih elemenata uzemljivača, za ma koji položaj elemenata uzemljivača. Teorijska vrijednost otpora rasprostiranja složenog uzemljivača, koristeći matrični metod, računa se na osnovu relacije: (1) - kvadratna matrica čiji su elementi sopstveni i međusobni otpori elemenata uzemljivača uz obuhvatanje uticaja likova 10

• Otpor rasprostiranja uzemljivača koji ima konvencionalnu pokrivku osciluje tokom vremena jer u velikoj mjeri zavisi od količine vlage u okolnom tlu. • Otpor rasprostiranja uzemljivača koji ima pokrivku od bentonita praktično ne mijenja svoju vrijednost tokom vremena. Slika 8. Promjena otpora rasprostiranja za slučaj kamenitog tla • Prah bentonita absorbuje vodu iz atmosferskih padavina, vrši ekspanziju i kroz nekoliko mjeseci nakon instalacije posjeduje sve osobine koje karakterišu suspenziju bentonita. • Upotrebom bentonita prelazni otpor se može smanjiti. Slika 9. Promjena otpora rasprostiranja za slučaj pjeskovitog tla

“Tehno-ekonomska analiza upotrebe bentonita u uzemljivačkom sistemu 110 k. V stuba” • Odnos teorijski sračunate vrijednosti otpora rasprostiranja i eksperimentalno izmjerene vrijednosti otpora rasprostiranja istog uzemljivača mijenja zavisno od klimatskih uslova, vrste tla i upotrijebljene pokrivke. Pri računanju otpora uvažen je i prelazni otpor sa uzemljivača na zemlju čime je omogućeno da proračunata teorijska vrijednost otpora rasprostiranja bude približna rezultatima dobijenim mjerenjem otpora na terenu. Korekcioni koeficijenti pokazuju koliko je puta stvarni otpor rasprostiranja veći od teorijski dobijenog otpora usljed prelaznog otpora sa uzemljivača na okolno tlo (k. C = 2. 44, ks = 1. 12, k. P = 1. 49). Korekcioni koeficijent = Mjerena vrijednost otpora rasprostranja Teorijska vrijednost otpora rasprostranja § Korekcioni koeficijenti su formirani na osnovu eksperimentalnih rezultata dobijenih trogodišnjim mjerenjima na terenu. § Favorizuju upotrebu konvencionalne pokrivke. § Upotreba bentonita postići će ekonomičnije rezultate nego što će ih 12 sprovedena analiza pokazati.

“Tehno-ekonomska analiza upotrebe bentonita u uzemljivačkom sistemu 110 k. V stuba” Teorijska vrijednosti ukupnog otpora rasprostiranja složenog uzemljivača Rekv Teorijska vrijednosti ukupnog otpora rasprostiranja gornjih kontura uzemljivača R 1 ekv Teorijska vrijednosti ukupnog otpora rasprostiranja donjih kontura uzemljivača R 2 ekv Međusobni uticaj gornjih i donjih kontura zavisi samo od geometrije uzemljivača. (2) Stvarni otpor rasprostiranja uzemljivača R računa se preko relacije: (3) gdje su otprori R 1 i R 2 dobijeni množenjem teorijski dobijenih otpora R 1 ekv i R 2 ekv sa koeficijentima k. C, k. S ili k. P, zavisno od toga da li je upotrijebljena konvencionalna pokrivka, pokrivka od suspenzije ili praha bentonita. 13

“Tehno-ekonomska analiza upotrebe bentonita u uzemljivačkom sistemu 110 k. V stuba” TROŠKOVI REALIZACIJE UZEMLJIVAČA U slučaju da je neki uzemljivački sistem moguće realizovati na više načina, pri čemu svaki od tih načina zadovoljava zahtjevane vrijednosti otpora rasprostiranja, realizuje se onaj koji je ekonomski najisplativiji. q TROŠKOVI MATERIJALA q TROŠKOVI TRANSPORTA Cijena praha bentonita Cijena suspenzije bentonita Cijena uzemljivačke Fe/Zn 30 x 4 mm 2 trake Cijena razvlačenja i polaganja uzemljivačke trake Cijena ukrsnog komada Izrada spojeva Fe/Zn trake ukrsnim komadima Troškovi angažovanja prevoznog sredstva i ljudi za transport materijala do mjesta izgradnje uzemljivačkog sistema. Analiza je bazirana za slučajeve kada nije potreban ručni prenos materijala i kada jeste i to na udaljenosti od 50 m i 100 m. q TROŠKOVI ZEMLJANIH RADOVA 14

“Tehno-ekonomska analiza upotrebe bentonita u uzemljivačkom sistemu 110 k. V stuba” q TROŠKOVI ZEMLJANIH RADOVA Troškovi iskopa i zatrpavanja, mašinskim putem, kanala širine 0, 4 m i dubine 0, 8 m u koji se polaže uzemljivačka traka. Tabela 1. Cijena iskopa kanala presjeka 0, 4 x 0, 8 m 2 zavisno od kategorije tla Kategorija tla Karakteristični predstavnici €/m 3 I rastresita zemlja, humus 5. 85 II obična zemlja, crvenica, pijesak 6. 44 III zemljani brdski material, raspadnuti provlaženi i plastični škriljci, glinci i laporci, vlažna glina, glinoviti škriljci 9. 95 IV degradirani provlaženi paleozoitski škriljci, veoma meki i polomljeni krečnjaci i dolomiti - trošne stijene 17. 00 V sivi i malo provlaženi paleozoitski škriljci, tamnoslojni i polomljeni krečnjaci, trošni dolomiti, polomljeni pješčari, čvrsti krečnjački laporci – meka stijena 19. 30 VI slojeviti krečnjak sa slabim vezama između slojeva, dolomite – čvrsta stijena 23. 40 VII jaki masivni krečnjak, čvrsti pješčar – vrlo čvrsta stijena 29. 25 15

“Tehno-ekonomska analiza upotrebe bentonita u uzemljivačkom sistemu 110 k. V stuba” ANALIZA REZULTATA Razmatran je složeni uzemljivački sistem prikazan na slici 10 koji je postavljen u homogenom tlu i sa kojim je potrebno postići otpor rasprostiranja manji od 10 Ω. Kod razmatranog uzemljivačkog sistema vršene su promjene sljedećih parametara: • vrste pokrivke uzemljivačkog sistema, • specifične otpornosti tla (od 50 Ωm do 3000 Ωm), • kategorije tla u kojoj se postavlja uzemljivačka traka (sedam kategorija tla), • udaljenosti na kojoj se vrši transport materijala, Slika 10. Uzemljivački sistem sa četiri kraka 16

“Tehno-ekonomska analiza upotrebe bentonita u uzemljivačkom sistemu 110 k. V stuba” Ulazni parametri na osnovu kojih je vršen proračun su: • dužina stranice uzemljivačke konture postavljena na manjoj dubini oko stope stuba a 1 = 2 m, • dužina stranice uzemljivačke konture postavljena na većoj dubini oko stope stuba a 2 = 2, 7 m, • dubina ukopavanja gornjih uzemljivačkih kontura h 1 = 0, 8 m, • dubina ukopavanja donjih uzemljivačkih kontura h 2 = 2, 5 m, • koeficijenti uvažavanja prelaznog otpora zavisno od pokrivke: kc = 2, 44, kp = 1, 49, ks = 1, 12. 17

“Tehno-ekonomska analiza upotrebe bentonita u uzemljivačkom sistemu 110 k. V stuba” KATEGORIJA TLA IV ρ [Wm] pokrivka bez transporta k 1=k 2 cijena [m] [EUR] razlika transp. 50 m cijena [EUR] razlika transp. 100 m cijena [EUR] razlika 50 K _ 196 _ 203 _ 211 _ 50 P _ 347 76. 8% 638 213. 8% 930 341. 4% 50 S _ 496 153. 0% 1, 399 587. 8% 2, 302 992. 8% 170 K 17. 4 643 _ 657 _ 671 _ 170 P 1. 2 387 -39. 9% 690 5. 0% 994 48. 1% 170 S _ 496 -22. 9% 1, 399 112. 9% 2, 302 243. 0% 350 K 50. 0 1, 467 _ 1, 508 _ 1, 534 _ 350 P 19. 0 987 -32. 7% 1, 468 -2. 7% 1, 949 27. 1% 350 S 11. 0 965 -34. 2% 2, 204 46. 2% 3, 443 124. 4% 450 K 68. 5 1, 943 _ 1, 990 _ 2, 024 _ 450 P 28. 0 1, 290 -33. 6% 1, 861 -6. 5% 2, 432 20. 2% 450 S 18. 0 1, 264 -35. 0% 2, 717 36. 5% 4, 171 106. 1% 700 K 117. 0 3, 189 _ 3, 256 _ 3, 308 _ 700 P 51. 5 2, 082 -34. 7% 2, 888 -11. 3% 3, 693 11. 6% 700 S 35. 0 2, 076 -34. 9% 4, 050 24. 4% 6, 025 82. 1% 1000 K 177. 0 4, 732 _ 4, 821 _ 4, 896 _ 1000 P 81. 0 3, 076 -35. 0% 4, 177 -13. 4% 5, 277 7. 8%18 1000 S 56. 5 3, 081 -34. 9% 5, 713 18. 5% 8, 346 70. 5%

“Tehno-ekonomska analiza upotrebe bentonita u uzemljivačkom sistemu 110 k. V stuba” Kategorija tla IV Slika 12. Promjena troškova realizacije uzemljivаča u funkciji specifičnog otpra tla u slučaju ručnog prenosa materijala na udaljenost od 50 m Slika 11. Promjena troškova realizacije uzemljivаča u funkciji specifičnog otpra tla u slučaju da nema ručnog prenosa materijala Slika 13. Promjena troškova realizacije uzemljivаča u funkciji specifičnog otpra tla u slučaju ručnog prenosa materijala na udaljenost od 100 m 19

“Tehno-ekonomska analiza upotrebe bentonita u uzemljivačkom sistemu 110 k. V stuba” I II IV V VI VII Slika 14. Preporuke za pokrivku uzemljivača zavisno od kategorije tla i njene specifične otpornosti u slučaju kada nije potreban ručni prenos materijala 20

“Tehno-ekonomska analiza upotrebe bentonita u uzemljivačkom sistemu 110 k. V stuba” I II IV V VI VII Slika 15. Preporuke za pokrivku uzemljivača zavisno od kategorije tla i njene specifične otpornosti u slučaju kada je potreban ručni prenos materijala na udaljenost od 50 m 21

“Tehno-ekonomska analiza upotrebe bentonita u uzemljivačkom sistemu 110 k. V stuba” I II IV V VI VII Slika 16. Preporuke za pokrivku uzemljivača zavisno od kategorije tla i njene specifične otpornosti u slučaju kada je potreban ručni prenos materijala na udaljenost od 100 m 22

“Tehno-ekonomska analiza upotrebe bentonita u uzemljivačkom sistemu 110 k. V stuba” ZAKLJUČAK U ovom radu izvršena je tehno-ekonomska analiza upotrebe bentonita u sistemima uzemljenja 110 k. V dalekovodnih stubova. q Za dobijanje otpora rasprostiranja kompleksnog uzemljivača primjenjena je veoma precizna metoda koja je prezentirana preko matematičkog modela složenog uzemljivača. q U proračunima je uvažen prelazni otpora (koji se oslanja na rezultate dobijane eksperimentalnim putem) između tla i uzemljivačkih traka prilikom računanja otpora složenog uzemljivača. 23

“Tehno-ekonomska analiza upotrebe bentonita u uzemljivačkom sistemu 110 k. V stuba” q Izvršen je proračun otpornosti rasprostiranja uzemljivačkog sistema kao i izračunata cijena njegove realizacije u homogenom tlu, a pri tom su u proračune uključeni skoro svi parametari koji utiču na otpor i na troškove realizacije uzemljivača. q Pružena je mogućnost izbora najekonomičnije realizacije uzemljivačkog sistema za različite kategorije tla pri različitim specifičnim otpornostima tla. q Prikazan je pozitivan efekat upotrebe bentonita kao pokrivke u smanjivanju otpornosti rasprostiranja uzemljivačkog sistema. 24

“Tehno-ekonomska analiza upotrebe bentonita u uzemljivačkom sistemu 110 k. V stuba” HVALA NA PAŽNJI !!! 25