CC BY
61
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ
УДК 621.311
А. А. Жамалетдинов, В. В. Колобов, М. Б. Баранник
ГЕНЕРАТОРНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС «ЭНЕРГИЯ-ЗОНД» И СНЧ-АНТЕННА «ЗЕВС»
Аннотация
Разработана стратегия электромагнитных исследований на Кольском геодинамическом полигоне с применением генераторно-измерительного комплекса «Энергия-Зонд» в частотном диапазоне 1-533 Гц на основе СНЧ-антенны «Зевс». Предусмотрена возможность работы комплекса «Энергия-Зонд» от источника «Зевс», на порядок более мощного, но в более узком частотном диапазоне 44-188 Гц. Междисциплинарный характер разработки заключается в широких возможностях ее использования. Ключевые слова:
КНЧ генераторы, электромагнитные зондирования, линии электропередачи, генераторы постоянного тока, согласующее устройство, продольная компенсация.
A. A. Zhamaletdinov, V. V.Kolobov, M. B.Barannik
GENERATING AND METERING COMPLEX «ENERGY-SONDE» AND ULF-ANTENNA «ZEVS»
Abstract
A strategy for electromagnetic research on Kola geodynamic test site using a generating and metering complex «Energy-Sonde» in the frequency range of 1-533 Hz on the basis of the ULF-antenna «Zevs» is developed. There is a possibility of operation of the «Energy-Sonde» complex with more powerful «Zevs» source, but in a narrower frequency range of 44-188 Hz. Interdisciplinary and multipurpose nature of the development lies in the wide possibilities of its use. Keywords:
ultra low frequency transmitters, electromagnetic soundings, power lines, DC generators, matching unit, capacitive longitudinal compensation.
Комплекс «Энергия-Зонд» с генератором «Энергия-2». Генераторная часть комплекса «Энергия-Зонд» представлена двумя типами генераторов -«Энергия-2» и «Энергия-3».
На основе расчетно-теоретических работ создана оригинальная электрическая схема генераторной части комплекса «Энергия-Зонд» и согласующего устройства (СУ-1), обеспечивающего работу генератора «Энергия-2» мощностью 200 кВт при трех режимах его подключения к излучающим линиям «СпецЛЭП». Первый режим - подключение к северной линии длиной 55 км. Второй режим - подключение к южной линии длиной 60 км. Третий режим - подключение к двум линиям, соединенным параллельно.
КНЧ-генератор «Энергия-2» был разработан в 2009 г. и успешно прошел натурные испытания в ходе международного эксперимента «FENГСS-2009».
Структурная схема установки «Энергия-Зонд» с подключением генератора «Энергия-2» приведена на рис. 1. Генератор имеет следующие основные технические характеристики:
• питание от трехфазной сети напряжением 380 В частотой 50 Гц;
• максимальная выходная мощность 200 кВт;
• максимальный ток в нагрузке 300 А;
• максимальное напряжение на нагрузке - 1000 В;
• рабочий диапазон частот 0.001-500 Гц;
• ток в нагрузке формируется методом широтно-импульсной модуляции и может иметь форму синусоиды, меандра, усеченного меандра (при необходимости форма тока может быть произвольной).
Рис. 1. Структурная схема установки «Энергия-Зонд» с подключением генератора «Энергия-2»: ТСН п/с - питающий трансформатор собственных нужд электрической подстанции; RЛЭП - активное сопротивление проводов СпецЛЭП;
ЬЛЭП - индуктивность проводов СпецЛЭП; Rз - сопротивление заземления дальнего конца линии; ПП - повышающий преобразователь;
ВВ - высоковольтный выпрямитель; ВИ - высоковольтный инвертор;
СУ - согласующее устройство; СУРЗА - схема управления, регулирования, защиты и автоматики; ПУиИ - пульт управления и индикации
На основе расчетно-теоретических работ создана электрическая схема согласующего устройства СУ-1, состоящего из набора конденсаторов, обеспечивающих высокую эффективность компенсации реактивной составляющей излучающей антенны в диапазоне частот генерации от 5 до 533 Гц. Схема СУ-1 для генератора «Энергия-2» приведена на рис. 2. Выходной сигнал инвертора поступает на согласующее устройство продольной компенсации СУ-1. В состав СУ-1 входит 9 высоковольтных конденсаторов (С1 -С9) с различными номиналами емкости и 11 магнитных контакторов (КМ1-КМ11), с помощью которых конденсаторы коммутируются таким образом, чтобы обеспечить необходимую емкость СУ-1 для компенсации индуктивности антенны во всем диапазоне дискретных частот генерации. Необходимая конфигурация схемы коммутации контакторов собирается автоматически при смене частоты генерации при отключенном высоковольтном
инверторе (ВИ). Логические сигналы управления контакторами формируются в блоке формирования сигналов управления (БФСУ) и далее поступают на плату управления согласующим устройством (ПУСУ), где преобразуются в аналоговые сигналы, подаваемые непосредственно на магнитные контакторы.
При конфигурировании схемы СУ-1 для формирования необходимой суммарной емкости одновременно должны включаться несколько магнитных контакторов, что приводит к возникновению в этот момент больших пусковых токов по шине питания втягивающих обмоток. Для ограничения этих токов в микропрограмму контроллера БФСУ заложен оригинальный алгоритм включения нужных контакторов с некоторой задержкой (последовательно). Такой алгоритм также обеспечивает снижение механической вибрации и акустического шума в момент конфигурирования емкости СУ. Внешний вид разработанного СУ-1 приведен на рис. 3, б. Для сравнения на рис. 3, а приведена фотография внешнего СУ, использовавшегося ранее в генераторе «Энергия-2» в ходе эксперимента «РЕ№С8-2009».
Антенна (ЛЭП) Н> ¿л
'.их
-тАА-
2._с_с_с_с_с_с_с_с_с_'
ВИ Выход БУСУ
СУРЗА
Рис. 2. Функциональная схема согласующего устройства СУ-1 генератора «Энергия-2»: БУСУ - блок управления согласующим устройством; КМ1-КМ11 - магнитные контакторы
Рис. 3. Внешний вид согласующего устройства генератора «Энергия-2», использовавшегося ранее (а) и вновь разработанного (б)
Комплекс «Энергия-Зонд» с генератором «Энергия-3» Генератор «Энергия-3» разработан на базе двухканального КНЧ-генератора «Энергия-2М», предназначенного для подачи сигналов одинаковой частоты, но разной амплитуды и фазы, в две ортогональные заземленные антенны для получения управляемой диаграммы направленности. Принцип действия и конструкционное исполнение генератора «Энергия-2М» подробно изложены в [1]. При разработке генератора «Энергия-3» учитывалось, что нагрузкой генератора будет одна из линий СпецЛЭП, а также возможна работа на параллельно соединенные линии СпецЛЭП.
Функциональная схема генератора «Энергия-3» приведена на рис. 4. Высоковольтный инвертор (ИНВ) состоит из двух идентичных инверторов (канала А и канала В), имеющих общую схему управления. В состав каждого инвертора входят два силовых полумостовых ЮВТ модуля, схемы драйверов управления ЮВТ модулями (ДРВ), конденсаторы звена постоянного тока (СИНВА, СИНВВ), дроссель выходного фильтра НЧ (Ьф), а также датчики выходного тока (ДТ А, ДТ В) и напряжения шины звена постоянного тока (ДН А, ДН В). Подача напряжения с выходов генераторов постоянного тока (ГПТ) на входы инвертора осуществляется магнитным контактором КМ. СОП - схема ограничения перенапряжений - задействована для быстрого разряда конденсаторов (СШ) звена постоянного тока инвертора канала А.
Так как выходная мощность генератора «Энергия-3» ограничена суммарной мощностью питающих генераторов постоянного тока П-72, составляющей 29 кВт, в инверторе задействован только один канал А. Силовая часть канала В не задействована. В генераторе используется система управления регулирования защиты и автоматики (СУРЗА) от генератора «Энергия-2М» с измененной программой управления центрального микроконтроллера.
В качестве силового источника питания используются два автономных генератора постоянного тока (ГПТ-1, ГПТ-2) типа П-72 электроразведочной станции ЭРС-67 выходной мощностью до 14.5 кВт и напряжением до 500 В каждый. Разработана схема коммутации выходов ГПТ на основе ключа 8Л1, позволяющая реализовать одну из схем соединения ГПТ для питания звена постоянного тока высоковольтного инвертора. При верхнем положении 8Л1 на рис. 4, генераторы ГПТ-1 и ГПТ-2 соединены параллельно и обеспечивают выходное напряжение до 500 В и ток до 60 А. При нижнем положении 8Л1 генераторы включаются последовательно и формируют на звене постоянного тока инвертора напряжение до 1000 В, обеспечивая силу тока до 30 А. Выбор схемы подключения ГПТ определяется частотой генерации.
На основе расчетно-теоретических работ выполнен проект электрической схемы согласующего устройства генератора «Энергия-3», состоящего из ограниченного набора типономиналов конденсаторов, но обеспечивающего высокую эффективность компенсации реактивной составляющей излучающей антенны в диапазоне частот генерации до 533 Гц. Схема СУ-2 генератора «Энергия-3» приведена на рис. 5.
В состав СУ-2 входит 24 высоковольтных конденсатора (С1 -С24) с различными номиналами емкости и 14 перемычек (Х1-Х14) с помощью которых конденсаторы коммутируются таким образом, чтобы обеспечить
необходимую емкость СУ для компенсации индуктивности линии СпецЛЭП во всем диапазоне дискретных частот генерации. При обеспечении полной компенсации индуктивности линий СпецЛЭП выходное напряжение СУ-2 генератора на максимальной рабочей частоте может достигать 5 кВ, что учитывалось при выборе типов конденсаторов. Одновременное соединение перемычек Х2 и Х3 замыкает СУ-2, при этом антенна подключается через фильтрующий дроссель непосредственно к выходу инвертора генератора. Такое подключение применяется на частотах ниже 19.42 Гц, когда синусоидальность формы тока в антенне обеспечивается широтно-импульсной модуляцией.
Рис. 4. Функциональная схема генератора «Энергия-3»: АВСН - автоматический выключатель собственных нужд; ГПТ-1, ГПТ-2 - генераторы постоянного тока; ШУГПТ - шкаф управления генераторами постоянного тока; ИПТВ - источник постоянного тока возбуждения ГПТ; ОВ - обмотка возбуждения; КМ - контактор магнитный; ИНВ - инвертор; СОП - схема ограничения перенапряжений; СШ - конденсаторы звена постоянного тока инвертора; ДРВ - драйверы управления ЮВТ модулями; ДН А - датчик напряжения канала А; ДТ А - датчик тока канала А; Ьф - дроссель выходного фильтра НЧ; ИБП - многоканальный импульсный блок питания; АЦП - внешний аналогово-цифровой преобразователь; ОСЦ - осциллограф;
ПК - портативный компьютер
-I— СТ ::С2 -1-СЗ —I- С5 --Й --С7 ^ Со — й -С!!}-—
^ ^ 5» Ф ^ 1"Ф1"^
мнь
хз
И у ? : V у : V V У у~
-I- С13 -I- С14 -I- С15 — С!С — С17 -I- СИ -I- С19 — С2С — С21 X С22 -Ь С23 —
Х2
. С13 — СМ -I- С15 -I- С({ — С17 С18
Тх4 Т» Т*« Т*7 Т» Т
V М/ М/ V V V
111'И
_ С)9 = его -I- С21 -Ь С22 -I- С23 — С24
хю Т«г Т*« Ы
_лл_и
Рис. 5. Принципиальная схема согласующего устройства СУ-2 генератора «Энергия-3»: Х1-Х14 - разъемные перемычки; С1-С24 - конденсаторы СУ
Разработанный генератор «Энергия-3» обладает большей автономностью, чем генератор «Энергия-2», так как может быть оперативно размещен в месте удобном для подключения к любой из линий СпецЛЭП. Согласующее устройство генератора позволяет скомпенсировать индуктивность линий СпецЛЭП при работе на каждую из линий в отдельности и на две линии, соединенные параллельно, в диапазоне частот 19.42-533 Гц. Использование на нижних и верхних частотах различной схемы соединения генераторов постоянного тока, питающих выходной инвертор генератора, позволяет работать на первую и вторую линии СпецЛЭП без ограничения выходного напряжения практически во всем частотном диапазоне, при этом ток в антенне ограничивается только параметрами линии. Амплитудное значение тока в антенне уменьшается от 60 А на низшей частоте 0.192 Гц до 39 А на высшей частоте 533.2 Гц при работе на первую линию и от 46 А до 38 А соответственно при работе на вторую линию СпецЛЭП.
При работе на две параллельно соединенные линии СпецЛЭП ток в антенне ограничивается суммарной мощностью питающих генераторов постоянного тока 29 кВт. При этом амплитуда тока в антенне лежит в диапазоне от 72 А на частоте 0.192 Гц до 42 А на частоте 533 Гц.
Измерительная часть комплекса «Энергия-Зонд». Измерительный парк комплекса «Энергия-Зонд» включает в себя две широкодиапазонные цифровые измерительные станции (УМТи-10 и КВВН-7) с комплексом программ обработки и интерпретации данных.
Цифровая измерительная станция 5-го поколения УМТи-10 компании «ВЕГА» стоимостью 1.5 млн руб. приобретена в связи с необходимостью выполнения исследований на современном международном уровне с применением лицензированной аппаратуры. Главными преимуществами УМТи-10, в сравнении со станцией КВВН-7, изготовленной ранее силами творческого коллектива, являются широкий динамический диапазон (24 разряда), широкий частотный диапазон (от 10-4 Гц до 10 кГц), высокая чувствительность (порядка 10 фТл/корень из Гц)
на частоте 1 кГц и полная автономность работы с записью данных на встроенный логгер. Внешний вид станции УМТи-10 приведены ниже на рис. 6-8.
Рис. 6. Измерительный блок станции VMTU-10 (вид сверху): калибр АЦП - разъем для калибровки каналов и для вывода на внешний АЦП;. LCD 12 В - ЖК дисплей контроля питания; USB - гнездо питания WiFi адаптера; Ethernet - гнездо для считывания информации либо по кабелю PC либо через Wi-Fi адаптер; Вкл-Выкл - тумблер включения-выключения; PC, GPS, ACS - индикаторы видов работы
25 см
Рис. 7. Измерительный блок станции VMTU-10 (вид сбоку):
12 В - гнездо питания; GPS - гнездо антенны GPS; N, S, E, W - подводящие гнезда концов симметричных электрических линий, в центре - гнездо «Земля»; Hx, Hy, Hz - подводящие разъемы индукционных магнитных датчиков
Рис. 8. Индукционные датчики IMS-007 (3 шт), входящие в комплект станции УМТи-10. Датчики находятся в транспортировочном боксе
Измерительная станция КВВН-7 изготовлена творческим коллективом ЦФТПЭС КНЦ РАН. Ее внешний вид приведен на рис. 9.
Ч-►
50 ст
Рис. 9. Внешний вид семиканальной цифровой станции КВВН-7: 1 - измерительная панель; 2 - индукционные датчики Нх, Ну, 3 - АЦП Е-440 и кабель к нему; 4 - ОР8 ВТ-359; 5 - кабели к магнитным датчикам
Динамический диапазон станции КВВН-7 составляет 20 разрядов. По своим шумовым характеристикам она практически не уступает лучшим мировым стандартам. Это можно видеть из рис. 10.
Рис. 10. Спектральные характеристики внутренних шумов станций КВВН-7 и VMTU-10 в сопоставлении с параметрами лучших мировых станций серии Lemi
Литература
Колобов, В. В. Генераторно-измерительный комплекс «Энергия» для электромагнитного зондирования литосферы и мониторинга сейсмоактивных зон / В. В. Колобов, М. Б. Баранник, А. А. Жамалетдинов. СПб.: СОЛО, 2013. 240 а
Сведения об авторах: Жамалетдинов Абдулхай Азымович
главный научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра Российской академии наук,
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл.почта: abd.zham@mail.ru
Колобов Виталий Валентинович
ведущий научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра Российской академии наук, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл.почта: 1 i@mail.ru
Баранник Максим Борисович
