CC BY
118
Данилин Аркадий Николаевич,
заведующий лабораторией высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: danilin@ien.kolasc.net.ru
Колобов Виталий Валентинович,
старший научный сотрудник лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н. Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А
Сахаров Ярослав Алексеевич,
заведующий лабораторией геофизических наблюдений Полярного геофизического института КНЦ РАН, к.ф.-м.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.26А Эл. почта: sakharov@pgia.ru
УДК 621.311
Е.Д.Терещенко, М.Б.Баранник, В.Ф.Григорьев, В.В.Ивонин, В.В.Колобов,А.Н.Миличенко, П.И.Прокопчук, В.Н.Селиванов
РАЗРАБОТКА СОГЛАСУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА СТАЦИОНАРНОГО ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЭКСТРЕМАЛЬНО НИЗКОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА*
Аннотация
Представлены результаты работ по разработке и созданию согласующего устройства продольной компенсации для экспериментального образца мощного стационарного источника электромагнитного излучения экстремально низкочастотного диапазона, использующего в качестве излучающей антенны линию электропередач. Приведены расчетно-теоретические обоснования выбора схемотехнического решения и элементной базы согласующего устройства.
Ключевые слова:
КНЧ-генераторы, линии электропередачи, согласующее устройство, продольная компенсация.
E.D.Tereshchenko, M.B.Barannik, V.F.Grigorjev, V.V.Ivonin, V.V.Kolobov,
A.N.Milichenko, P.I.Prokopchuk, V.N.Selivanov
DEVELOPMENT OF MATCHING UNIT FOR STATIONARY EXTREMELY LOW FREQUENCY TRANSMITTER
Abstract
The results of development and construction of series capacitive compensation unit for stationary extremely low frequency transmitter for industrial power line, used as antenna, are presented. Aspects of electronic circuit design and selection of electronic components are given.
Keywords:
ultra low frequency transmitters, power lines, matching unit, series capacitive compensation.
* Работа выполнена в рамках государственного контракта Министерства образования и науки Российской Федерации № 16.515.12.5012 «Разработка метода электромагнитного
картирования в высоких широтах с использованием мощного контролируемого источника экстремально низкочастотного диапазона».
При использовании в качестве излучающих антенн линий электропередачи (ЛЭП) для обеспечения необходимой величины тока в антенне на частотах выше единиц герц возникает проблема компенсации индуктивной составляющей ЛЭП. На рисунке 1 приведена упрощенная структурная схема мощного КНЧ-СНЧ-генератора для геофизических исследований. Согласующее устройство (СУ) предназначено для компенсации индуктивной составляющей
и
полного сопротивления линии на частотах, когда реактивное сопротивление
линии начинает ограничивать силу тока в антенне. Величина емкости СУ при переходе на другую частоту генерации должна изменяться так, чтобы всегда сохранялся резонанс напряжений в индуктивной нагрузке. При работе на частотах, когда подключается СУ, высоковольтный инвертор (ВИ) формирует на выходе меандр, так как синусоидальность тока в линии обеспечивается резонансом.
Рис.1. Обобщенная структурная схема генератора КНЧ:
ТСН п/с - питающий трансформатор собственных нужд электрической подстанции; Ялэп - активное сопротивление проводов ЛЭП; Ьлэп - индуктивность проводов ЛЭП; Яз - сопротивление заземления удаленной подстанции; ПП - повышающий преобразователь; ВВ - высоковольтный выпрямитель; ВИ - высоковольтный инвертор; СУ - согласующее устройство (батарея компенсирующих емкостей); БФСУ - блок формирования сигналов управления; ПУиИ - пульт управления и индикации
В большинстве известных мощных генераторов КНЧ-СНЧ-диапазона (передатчик центра дальней связи с подводными лодками «Зевс» [1], генератор низких частот для исследования земной коры разработки НИИПТ Санкт-Петербург [2], КНЧ-СНЧ-генератор «Энергия-2» [3]) в качестве СУ применяют устройства продольной компенсации емкостного типа, представляющее собой дискретно-перестраиваемый конденсатор. Схема согласующего устройства выполняется в виде последовательно-параллельного соединения силовых конденсаторных батарей, и с помощью ключей, имеющих внешнее управление, изменяет свою структуру таким образом, что емкостное сопротивление согласующего устройства на каждой рабочей частоте будет равным индуктивному сопротивлению антенны. При этом последовательный колебательный контур, образованный антенной и согласующим устройством, оказывается настроенным в резонанс. Коммутация ключей может производиться как дистанционно устройствами автоматики [1], так и вручную персоналом [2, 3].
Полное электрическое сопротивление нулевой последовательности проводов ЛЭП складывается из продольного активно-индуктивного сопротивления и поперечного активно-емкостного. Активные потери в изоляции ЛЭП пренебрежимо малы, поперечная емкостная проводимость учитывается при расчете конденсаторного согласующего устройства. Оценим продольное сопротивление проводов ЛЭП с учетом проникновения магнитного поля в землю.
При использовании ЛЭП в качестве антенны для глубинного зондирования фазные провода объединяются между собой, образуя единый проводник. Для упрощения расчетов будем считать, что фазные провода образуют расщепленный провод с радиусом расщепления, равным радиусу Я описанной окружности, пересекающей центры каждого провода, как показано на рис.2. Эквивалентный радиус расщепленной фазы определяется по формуле г = ПпгЯ”-1 , где Г - радиус составляющей расщепленного
провода, т.е. радиус фазного провода ЛЭП; Я - радиус расщепления; п = 3 - число фаз. Для промежуточных опор П220-3 и ПМ220-5 радиус расщепления получается примерно одинаковым (5.3 и 5.2 м соответственно), эквивалентный радиус = 0.95 м, а средняя высота подвеса эквивалентного провода Н = Н + dH = 13 м (с учетом длины гирлянды и стрелы провеса для ненаселенной местности).
Рис.2. К расчету параметров эквивалентного провода
Продольное комплексное сопротивление Z ^ эквивалентного провода с учетом
проникновения магнитного поля в провода фаз и грунт вычисляются как сумма трех составляющих - собственного индуктивного сопротивления эквивалентного провода , внутреннего активного сопротивления проводов с учетом взаимного влияния
токов и сопротивления , учитывающего потерю мощности в земле от
протекающего в ней обратного тока (все слагаемые являются погонными):
3
1
н
.
Индуктивность линии без потерь определяется по формуле:
(1)
2л Гу
где /и0 = 4л-10 7 Гн/м.
При осесимметричном распределении плотности тока внутри проводов внутреннее сопротивление трех параллельных фазных проводов:
к\Р\ 1о(У)
7 _ 2лт ^ (кхт) 1 (3)
7 А — 5
А 3
где £1 =1.4^ 1.7 - поправочный коэффициент, учитывающий многожильную структуру фазных проводов; кх &--------- - волновое число материала провода;
V Р
Р - удельное сопротивление материала провода; /0, ^ - функции Бесселя первого рода нулевого и первого порядка.
Сопротивление 7 ^ по формуле Карсона имеет вид:
I -2ЛИ-,
7, — ^ I_______________________________________________е ' . М.
2Л »Л + Л 2 + Ш 0 (4)
Р
где р - удельное сопротивление грунта.
Можно подчеркнуть, что эта составляющая не зависит от наличия расщепления и вообще от всех параметров линии кроме средней высоты подвеса.
При наличии на линии глухозаземленного грозозащитного троса сопротивление уменьшается за счет взаимоиндукции петли трос - провод. С учетом того, что токи в тросе и линии имеют встречное направление, получаем:
X ?■
X = -0 - , (5)
хт
где X - сопротивление нулевой последовательности ВЛ с тросом; Х0 - сопротивление нулевой последовательности ВЛ без троса; Х^ - сопротивление взаимоиндукции провод - трос; Хд - сопротивление собственно троса в нулевой последовательности.
На рисунке 3 в качестве примера расчета представлена частотная зависимость полного сопротивления нулевой последовательности ЛЭП «Уренгой - Пангоды». На частотах ниже 1 Гц сопротивление соответствует сопротивлению линии на постоянном токе (порядка 5 Ом), на частоте 10 Гц оно уже составляет 8 Ом, а затем линейно растет с частотой и при 200 Гц достигает значения 100 Ом. Это означает, что ток, выдаваемый генераторным устройством в ЛЭП, будет резко уменьшаться с частотой при постоянном напряжении на выходе. На рисунке 4 показана частотная зависимость действующего значения тока генератора при напряжении 700 В. Ток падает от 150 А при 1 Гц до 7 А при 200 Гц. Такой ток может оказаться недостаточным для создания электромагнитного поля, необходимого при глубинном зондировании, поэтому требуется компенсация индуктивного тока в линии. Компенсация по условию резонанса позволит более чем в 6 раз увеличить ток в линии на высоких частотах, как показано на рис.4.
Рис. 3. Частотная зависимость полного сопротивления ЛЭП
Рис. 4. Частотная зависимость действующего значения тока генератора
Введем понятие эффективности согласующего устройства Ке =
I,.
где 1сол - ток при полном согласовании (реактивная составляющая сопротивления линии равна нулю), 1несогл - ток без использования компенсации. На рисунке 5 приведена зависимость эффективности СУ от частоты. Видно, что использование согласующего устройства оправдано для частот выше 5 Гц. На более низких частотах индуктивная составляющая падения напряжения несущественна.
Рис. 5. Частотная зависимость эффективности согласующего устройства
На рисунке 6 приведена зависимость расчетной эффективности согласующего устройства от частоты при различной дискретности установки емкости согласующего устройства для ЛЭП с индуктивностью 0.1-0.17 Гн. Под дискретностью понимается минимальный шаг изменения емкости СУ.
Ке
1-
-_2
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 £ Гц
Рис.6. Частотная зависимость эффективности согласующего устройства:
1 - при идеальном согласовании, 2, 3, 4 - при дискретности установки емкости согласующего устройства 16, 30 и 60 мкФ соответственно
В идеальном случае согласующее устройство должно иметь электрическую схему, приведенную на рис.7, и состоять из п конденсаторов Сі-Сп, емкость которых определяется следующим выражением: С = С, С'2 = С ■ 2, С3 = С ■ 22,... Сп = С ■ 2я-1. Суммарная емкость СУ
определяется параллельным соединением конденсаторов в необходимой конфигурации с помощью ключей К1-Кп. При этом емкость согласующего
устройства изменяется в диапазоне Ссу є [с, с С с шагом дискретности установки емкости согласующего устройства АСсу = С .
Рис. 7. Электрическая схема идеального согласующего устройства
Практическая реализация такого идеального СУ сложна, а при определенных требованиях к диапазону частот и степени согласования - невозможна. Поэтому целесообразным является создание СУ из ограниченного набора емкостей.
В ходе работ по созданию экспериментального образца мощного стационарного источника электромагнитного излучения экстремально низкочастотного диапазона (далее источник ЭНЧ), выполняемых ЦФТПЭС КНЦ РАН, была предложена схема согласующего устройства, состоящая из 9 конденсаторов и 11 коммутаторов. Значение минимальной емкости конденсатора Сь определяющая дискретность установки емкости СУ, составляет 16 мкФ. Как видно из рис.6 (кривая 2), на частотах генерации менее 50 Гц эффективность полученного СУ близка к идеальной.
Необходимо отметить критерии выбора типов конденсаторов для СУ. Большие значения емкости согласующего устройства требуются для согласования на нижней границе частот генерации. В этом случае конденсаторы большой емкости будут задействованы только на низких частотах (менее 50 Гц), что позволят применить типы конденсаторов, не предназначенные для работы в компенсирующих устройствах промышленной частоты.
Из всей номенклатуры конденсаторов, выпускаемых современной отечественной промышленностью, для применения в разрабатываемом СУ можно выделить следующие типы:
• косинусные конденсаторы. Без ограничений подходят для применения в СУ при работе на частотах генерации 50 Гц и ниже. На частотах выше 50 Гц следует учитывать, что допустимое рабочее напряжение определяется формулой:
и = и • 50
доп ном
м
• накопительные конденсаторы. Такие конденсаторы обладают большими удельными энергиями и могут быть использованы в согласующем устройстве, но с определенными ограничениями. Амплитудное значение напряжения на выводах согласующего устройства должно быть меньше номинального для данного типа конденсаторов. Так, для конденсаторов серии К78-42 производства фирмы «ЭЛКОД» (Санкт-Петербург) такое соотношение должно быть не менее чем двукратным. Действующие значение токов, протекающих через выводы конденсаторов, не должны превышать значений, устанавливаемых заводом-изготовителем. Мощность потерь, определяемая тангенсом угла потерь и активным сопротивлением выводов с обкладками, не должна превышать установленных значений. Таким образом, эти ограничения позволяют применять конденсаторы такого типа только на низких частотах генерации.
Функциональная схема согласующего устройства источника ЭНЧ приведена на рис.8. Выходной сигнал инвертора поступает на согласующее устройство продольной компенсации СУ. В состав СУ 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 для компенсации индуктивности ЛЭП во всем диапазоне дискретных частот генерации. Необходимая конфигурация схемы коммутации контакторов собирается автоматически при смене частоты генерации при отключенном 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 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.
Рис. 8. Функциональная схема согласующего устройства источника ЭНЧ:
ЛЭП - линия электропередачи; СУ - согласующее устройство; ВИ - высоковольтный инвертор; БФСУ - блок формирования сигналов управления источника ЭНЧ; ПУСУ - плата управления согласующего устройства; ПУиИ - пульт управления и индикации; KMl-KMll - контакторы магнитные; С1-С9 - конденсаторы согласующего устройства;
Ul-Ull - твердотельные реле управления контакторами СУ; ZCC - zero crossing circuit (схема, обеспечивающая включение твердотельного реле при переходе коммутируемого напряжения через ноль)
В качестве коммутаторов КМ1-КМ11 используются трехполюсные магнитные контакторы типа КТИ-5115/115А/230В/АС3. Входные и выходные контакты коммутаторов объединены параллельно для обеспечения необходимой пропускной способности по току. Подача переменного напряжения 220 В на втягивающие обмотки контакторов осуществляется через твердотельные реле U1-U11. В схеме применены твердотельные реле KSD203AC2 фирмы Cosmo на номинальное коммутируемое напряжение 250 В и выходной ток до 7 А. Внутренняя структура такого реле приведена на рис. 8. Использование твердотельных реле вместо электромеханических обусловлено рядом достоинств первых [4], а именно:
• отсутствием электромагнитных помех в момент переключения;
• высоким быстродействием (время срабатывания - 8.3 мс);
• отсутствием акустического шума;
• отсутствием дребезга контактов реле;
• высоким сопротивлением изоляции между входом и выходом (напряжение пробоя между входом и выходом - 4000 В, сопротивление изоляции - 1010 Ом).
• большим количеством гарантированных переключений (не менее 109);
• малым энергопотреблением.
В согласующем устройстве применены следующие типы конденсаторов: С1 - КЭПФ-6.3-200-2УХЛ1 - 16.47 (16.54 )* мкФ;
С2 - КЭПФ-4,0-300-2УХЛ1 - 30 (30.2) мкФ;
С3 - КЭПФ-4,0-150-2УХЛ1 - 60 (59.75) мкФ;
С4, С5 - КЭП2-2,1 -200-2У1 - 144(146.5, 145.9) мкФ;
С6 - К78-42-5000В - 400 (401.6) мкФ;
С7, С8 - К78-42-2500В - 1100 (1092, 1102) мкФ;
С9 - К78-42-2500В - 3000 (3290) мкФ.
Таким образом, разработанное согласующие устройство продольной компенсации для источника ЭНЧ состоит из достаточно ограниченного набора типономиналов конденсаторов, но обеспечивает высокую эффективность компенсации реактивной составляющей излучающей антенны (ЛЭП) в диапазоне частот генерации до 50 Гц. Исполнение СУ в виде отдельного законченного блока, полностью автоматизированное управление процессом перекоммутации конденсаторов, алгоритм последовательного включения нескольких контакторов, применение современной элементной базы обеспечивают требования по электробезопасности персонала, необходимую оперативность (скорость) конфигурирования емкости СУ при смене частоты генерации, надежность работы устройства, исключают ошибки коммутации ключей, вызванные человеческим фактором.
Литература
1. Как выглядят антенны сверхдлинных волн [Электронный ресурс]. URL: http://www.radioscanner.ru/forum/topic12739-2.html.
2. Мощный генератор низких частот для исследования земной коры / М.К.Гуревич, Л.А.Иванова, М.А.Козлова, А.В.Лобанов, А.В.Репин, Ю.А.Шершнев // Приборы и техника эксперимента. 2010. № 3. С. 61-67.
3. Повышающий преобразователь и система энергопередачи генератора «Энергия-2» для электромагнитных зондирований и мониторинга очаговых зон землетрясений / ЕД.Терещенко, В.Ф.Григорьев, М.Б.Баранник, А.Н.Данилин, Б.В.Ефимов,
В.В.Колобов, П.И.Прокопчук, В.Н.Селиванов, Ю.А.Копытенко, А.А.Жамалетдинов // Сейсмические приборы. 2008. Т.44, № 4. С. 43-66.
4. Скрипников А.С. Cosmo: в борьбе за развивающийся рынок // Компоненты и технологии. 2001. № 8. С. 22-24.
* Перед скобками приведены номинальные значения емкостей, заявленные производителем, а в скобках даны реальные значения, измеренные с помощью ЬС-метра. Реальные значения емкости конденсаторов нужны для более точного расчета необходимой суммарной компенсирующей емкости на конкретной частоте генерации и тем самым обеспечения лучшей компенсации индуктивности линии и, соответственно, увеличения величины тока в антенне.
Сведения об авторах Терещенко Евгений Дмитриевич,
директор Полярного геофизического института КНЦ РАН, д.ф.-м.н., проф.
Россия, 183010, г.Мурманск, ул.Халтурина, д. 15 Эл. почта: general@pgi.ru
Баранник Максим Борисович,
ведущий инженер лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН.
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: maxbar@ien.kolasc.net.ru
Григорьев Валерий Федосеевич,
помощник директора Полярного геофизического института КНЦ РАН.
Россия, 183010, г.Мурманск, ул.Халтурина, д. 15 Эл. почта: valgri@pgi.ru
Ивонин Виктор Владимирович,
студент КФ ПетрГУ,
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: ivoninviktor@mail.ru
Колобов Виталий Валентинович,
старший научный сотрудник лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики СевераКНЦ РАН, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: 1_i@mail.ru
Миличенко Александр Николаевич,
заместитель директора по общим вопросам Полярного геофизического института КНЦ РАН, Россия, 183010, г.Мурманск, ул.Халтурина, д. 15 Эл. почта: alexander@pgi.ru
Прокопчук Павел Иванович,
ведущий инженер лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН,
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: finsoft@mail.ru
Селиванов Василий Николаевич,
ведущий научный сотрудник лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: selivanov@ien.kolasc.net.ru
