Electrical engineering / Electroenergetics (Power Engineering)Отпорност распростирања уземљивачког система је основни параметар за
прорачуне свих осталих релевантних величина помоћу којих се проверава његов
квалитет. Међутим, пошто постоје тла која формирају лош контакт са
електродама уземљивача, у пракси се често појављује значајна несагласност
између измерених вредности тих величина и њихових вредности израчунатих
применом конвенционалних формула, које важе уз претпоставку о савршеном
контакту између електрода и околног тла. У таквим случајевима, у пракси се
понекад користе додатни материјали који се постављају између електрода и тла са
циљем да се елиминише контактна отпорност, као и да укупна отпорност
распростирања уземљивача буде мања од жељене (стандардима захтеване)
вредности.
Циљ ове дисертације је развој опште методологије за одређивање
оптималног уземљивача, са уважавањем, како несавршеног контакта између
електрода и околног тла, тако и опције употребе додатног материјала за смањење
контактне отпорности. Развијен је и приказан општи алгоритам за пројектовање
оптималног уземљивача у описаним условима, заснован на техно-економској
анализи у оквиру које се пореде инсталациони трошкови уземљивача чија је
иницијално планирана конструкција модификована на разне начине (употребом
само додатних електрода, само додатног материјала или и једног и другог), под
условом да су постигнуте приближно исте отпорности распростирања, мање од
захтеваних.
У доступним домаћим и страним стандардима и научно-стручној литератури
нису постојале нити методе нити упрошћени аналитички изрази помоћу којих би
наведени утицаји могли да се уваже при прорачуну отпорности распростирања
уземљивача. Зато су у овој дисертацији развијени неопходни алгоритми и
упрошћени изрази за спровођење такве техно-економске анализе при
пројектовању оптималног уземљивача састављеног од једне или више галвански
спојених квадратних контура (конструкције које одговарају типичном уземљивачу далеководног стуба). Алгоритми и методе за развијање упрошћених израза, који
су приказани у овој дисертацији, општи су и базирани су на 3Д FEM (finite element
method – метода коначних елемената) моделовању и нумеричкој анализи
добијених резултата. Несавршен контакт је моделован „постављањем“ ваздушних
џепова између електрода и околног тла Развијена је и детаљно представљена метода за уважавање утицаја
несавршеног контакта између електрода и околног тла при прорачуну отпорности
распростирања разматраног контурног уземљивача. Израђен је општи алгоритам
за одређивање неопходних карактеристика додатног материјала за елиминацију
контактне отпорности, као и општи алгоритам за процену оптималне количине
изабраног додатног материјала намењеног потребном смањењу отпорности
распростирања уземљивача. За разматрани случај изведени су сви упрошћени
изрази неопходни за спровођење наведених алгоритама. На примеру уземљивача
састављеног од једне или више галвански спојених квадратних контура
представљена је метода за развијање упрошћених израза за израчунавање
теоријске (базне) отпорности уземљивача, која се може применити на разне
типове уземљивача. Изведене су нова формула за израчунавање теоријске
отпорности распростирања усамљене контуре у хомогеном тлу и формуле за
израчунавање теоријске отпорности распростирања уземљивача састављеног од
више галвански спојених квадратних контура положених у хомогено тло (оне су
базиране на коефицијентима којима се описује међусобни утицај појединачних
елемената уземљивача). Затим је развијен и приказан општи алгоритам за израчунавање отпорности распростирања комплексних уземљивачких система,
помоћу кога се уважава постојање контактне отпорности. Предложени алгоритам
је базиран на додатном тест мерењу, скупу упрошћених израза за уважавање
утицаја несавршеног контакта између електрода и околног тла при прорачуну
отпорности распростирања сложеног уземљивача и скупу упрошћених израза за
израчунавање његове теоријске отпорности распростирања. Провера тачности
изведених формула и поузданости предложеног алгоритма извршена је
поређењем добијених резултата са резултатима добијеним применом
конвенционалних метода прорачуна датих у стандардима и приручницима,рачунарским симулацијама спроведеним на 3Д FEM моделима и мерењима у
оквиру експеримента са умањеним жичаним моделима и електролитичком кадом.
Коришћењем метода, алгоритама и упрошћених израза развијених у овој
дисертацији број понављања процедуре преправке уземљивача положених у тло
које формира несавршен контакт са електродама сигурно ће се смањити (у односу
на број понављања карактеристичних за примену конвенционалних метода
прорачуна), што ће утицати на редукцију повећања инвестиционих трошкова
предвиђених иницијалним пројектомGrounding resistance is a basic parameter for calculation of all other relevant
parameters influencing the quality of a grounding system. However, since the grounding
system can be installed in soils forming a bad contact with the grounding electrodes,
significant discrepancies between the measured values of those parameters and the
values calculated using conventional formulas often appear in practice, because
conventional formulas are derived assuming perfect contact between the electrodes and
surrounding soil. In such cases, backfill materials placed between the electrodes and soil
are sometimes used in practice, with the aim to eliminate contact resistance, as well as
to reduce the overall grounding resistance below the desired value (required by
standards).The aim of the research work presented in this dissertation is the development of a
general methodology for determining the optimal grounding system, taking into
consideration the influence of imperfect contact between the electrodes and surrounding
soil, as well as the influence of the use of backfill material, on the grounding system
resistance. A general algorithm for the optimal design of a grounding system installed in
the described conditions is developed and presented, based on a techno-economic
analysis, where the installation costs of grounding system structures obtained after
various modifications (using only the additional electrodes, only backfill material or
both) are compared under an assumption that all grounding systems have approximately
the same grounding system resistance (lower than the one required by standards).The available national and international standards, as well as scientific and
professional literature, do not offer any method or simplified analytical expressions for
calculating the grounding resistance, which would take into account the described
grounding system modifications. Hence, all algorithms and simplified formulas
necessary for conducting such a techno-economic analysis related to the design of the
optimal grounding system composed of one or more galvanically connected square loops (structures that correspond to typical transmission tower grounding system) are
developed in this dissertation. All of the algorithms and methods for the derivation of
simplified formulas, which are presented in this dissertation, are general and based on 3D FEM (Finite Element Method) modelling and numerical analysis of the obtained
results. Imperfect contact is modelled by air gaps placed between the grounding loop electrodes and surrounding soil.A method for taking into account the influence of imperfect contact between the
electrodes and surrounding soil when calculating considered grounding loop resistance
is developed and presented in detail. A general algorithm for determination of necessary
characteristics which backfill materials must possess in order to eliminate the contact
resistance, as well as a general algorithm for assessing the optimal quantity of the
selected backfill material intended for the necessary reduction of the grounding
resistance, are also developed and presented. For the considered case, simplified
formulas necessary to implement the above algorithms are derived. A new method for
deriving simplified formulas for calculation of theoretical (base) value of the grounding
system resistance, which can be applied to various types of grounding systems, is
presented and then applied to an example of a grounding system composed of one or
more galvanically connected square loops. A new formula for calculating the theoretical
value of the square loop grounding resistance, as well as a set of approximate formulas
for calculation of theoretical value of the grounding resistance of a grounding system
composed of several galvanically connected square loops (based on the use of
coefficients taking into account the proximity effects), are also derived. Afterwards, a
general algorithm for calculating the grounding resistance of complex grounding systems, including the contact resistance, is developed and presented. The proposed
algorithm is based on an additional test measurement, a set of simplified formulas for
taking into account the influence of imperfect contact between the electrodes and
surrounding soil when calculating the grounding resistance, and a set of simplified
formulas for calculating the theoretical grounding resistance of complex grounding
systems. Validation of accuracy of the derived formulas and reliability of the proposed algorithm is performed (i) by comparing the results obtained using the proposed formulas with those obtained by conventional calculation methods given in standards and handbooks, (ii) by computer simulations conducted on 3D FEM models, and (iii) by
measurements based on utilization of small scale wire models and the electrolytic tank.
Using the methods, algorithms and simplified formulas developed in this
dissertation, the number of necessary modifications after the installation of the initial
grounding system in a soil forming imperfect contact with the electrodes will certainly
be smaller than the number of necessary modifications if only conventional calculation methods are used), which will reduce the increase of the investment costs envisaged in the initial projec
