CC BY
57
УДК 621.316.727
АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
В.Г. Курбацкий, д.т.н.. (Институт систем энергетики им.. Л.А. Мелентьева СО РАН,
г. Иркутск, kurbatsky@isem.seiлrk.ru); А.В. Струмеляк, кт.н. (Братский государственный университет, volandis@mail.ru)
Одной из актуальных проблем современной электроэнергетики является обеспечение безопасности персонала в зоне влияния электромагнитных полей. В статье представлен аппаратно-программный комплекс для измерения напряженности электрических и магнитных полей промышленной частоты.
Ключевые слова: аппаратный комплекс, программный комплекс, напряженность электрического поля, напряженность магнитного поля, электромагнитные поля промышленной частоты, эллиптическая поляризация.
Внедрение нового электрооборудования, повышение его энергоемкости, разработка новых и реконструкция старых энергообъектов до настоящего времени обусловливают актуальность проведения своевременной и достоверной оценки электромагнитной обстановки (ЭМО) и решения проблем влияния электромагнитного поля (ЭМП) в электрических сетях на персонал.
ЭМО энергообъектов складывается как из полей, создаваемых непосредственно силовым электрооборудованием, так и вследствие внешних ЭМП, спектр которых весьма разнообразен. Однако основное негативное воздействие на персонал в электрических сетях оказывают ЭМП промышленной частоты (ПЧ), создаваемые действующим электрооборудованием.
Существующие методы оценки воздействия ЭМП ПЧ на человека в отечественных электрических сетях базируются на действующих нормативных документах [1], предусматривающих измерение напряженности электрического поля (ЭП) Е, кВ/м, с погрешностью до 20 % и напряженности магнитного поля (МП) Н, А/м, с погрешностью до 10 %. При этом необходимо осуществлять измерения действующего значения синусоиды, амплитуда которой равна большей полуоси эллипса (эллипсоида), описываемого вектором ЭП (или МП) в заданной точке пространства.
Необходимо отметить, что большинство отечественных измерительных комплексов, предназначенных для измерения ЭМП ПЧ, в том числе и широко используемый в отечественных электрических сетях аппаратный комплекс П3-50 (номер сертификата в Госреестре 17638-98), являются системами направленного приема [2], в которых реализован способ измерения, не учитывающий ЭМП эллиптической и эллипсоидной поляризации. Это приводит к возникновению значительной погрешности, максимальная величина которой может достигать 41 %.
В [3] представлен способ измерения, позволяющий определять действующие значения на-пряженностей ЭП и МП ПЧ в соответствии с требованиями [1]. Суть его заключается в измерении
множества мгновенных значений напряженности поля по осям координат {Ех^ ЕУ|; и {Нх^ НУь Н2|} за период ПЧ и в последующем расчете действующих значений для ЭП и МП согласно выражениям
Е = ■
Н =
^шах ЕХ + Е« +
42 '
^шах Н X + Н X + Н X
Гг
(1)
(2)
Однако до настоящего времени аппаратно-программные комплексы (АПК), реализующие способ измерения ЭМП ПЧ в соответствии с выражениями (1) и (2), не разрабатывались, так как соответствующая элементная база практически отсутствует.
В данной статье предлагается оригинальная авторская разработка.
Аппаратный комплекс включает две основные части (рис. 1), соединенные оптической связью, измерительный зонд ЭП и МП, а также модуль интерфейса.
Сигналы с блоков 1-3 или 4-6, являющихся анизотропными датчиками ЭП и МП, через коммутатор аналоговых сигналов (КАС) (блок 7) поступают на предварительный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления (блок 8). В блоке 8 имеется усилитель-мультиплексор, реализующий по команде микроконтроллера № 1 (блок 11) переключение пределов измерений. Сигналы, усиленные в блоке 8, через фильтр основной гармоники второго порядка (блок 9) поступают на прецизионный выпрямитель сигнала (блок 10). С выхода блока 10 усиленный, отфильтрованный и выпрямленный сигнал поступает на аналоговые входы микроконтроллера № 1 (блок 11). В нем производятся преобразование сигналов в цифровую форму и их математическая обработка в соответствии с выражениями (1) или (2). В дальнейшем сигнал через оптические порты (блоки 12 и 13) поступает в микроконтроллер № 2 (блок 14) для запоминания и визуализации (блоки
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ ЗОНД
Датчик Ех
Датчик Еу
Датчик Еz
Датчик Нх
Датчик
Ну
Датчик На
КАС
зЬ
Блок питания
" Оптический порт
Микроконтроллер № 1
Оптическая связь
МОДУЛЬ ИНТЕРФЕЙСА
13 Оптический порт
Клавиатура
Дисплей № 1
Дисплей № 2
ГОБ-порт
Память 64 кБ
Микроконтроллер № 2
Рис. 1. Блок-схема аппаратного комплекса для измерения напряженности ЭМП ПЧ
16, 17, 19 и 22). В модуле интерфейса предусмотрен последовательный Ц5В-порт (блок 18) для передачи данных в /ВМ-совместимый компьютер. Обе части прибора - измерительный зонд и модуль интерфейса - имеют независимые источники питания (блоки 21 и 20 соответственно).
В процессе измерения за один период ПЧ на микроконтроллер № 1 поступают 256 наборов мгновенных значений {Еж; Е-«; Е21} или {Нх^ Н-«; Ни}, по которым определяются действующие значения напряженностей ЭП или МП.
Предложенный аппаратный комплекс для учета ЭП и МП ПЧ обеспечивает:
- измерение действующего значения синусоиды, амплитуда которой равна большей полуоси эллипса (эллипсоида), описывающего вектор ЭП или МП в заданной точке пространства;
- отсутствие гальванической связи между измерительным зондом и модулем интерфейса, что способствует повышению точности измерения ЭП вследствие значительного снижения искаже-
ний картины поля;
- автоматический процесс измерения, практически исключающий влияние оператора;
- цифровую обработку результатов измерения, позволяющую значительно расширить возможности алгоритмического обеспечения;
- автоматическое управление пределами измерения при помощи электронных коммутаторов аналогового сигнала;
- выбор измеряемой величины (Е или Н) по команде с клавиатуры;
- современный Ц5В-интерфейс. Кроме того, небольшие габариты комплекса обеспечивают его мобильность.
Для анализа результатов измерений напряженности ЭП и МП ПЧ используется ПО верхнего уровня, то есть исполняемое на персональном компьютере, структурная схема которого представлена на рисунке 2.
Подпрограмма «Обмен данными с аппаратным комплексом» взаимодействует с низкоуровневым ПО микроконтроллера модуля интерфейса для получения результатов измерения, записанных в энергонезависимую память (рис. 1, блок 22). Кроме того, подпрограмма позволяет получать результаты измерений в режиме реального времени.
Подпрограмма «Калибровка аппаратного комплекса» предназначена для расчета и изменения калибровочных констант аппаратного комплекса, что существенно упрощает настройку и поверку измерительной системы.
Подпрограмма «Сортировка данных» необходима для выбора значений, по которым производятся построение графиков и гистограмм напряженности, а также расчет допустимого времени пребывания персонала.
Звуковой сигнализатор
Блок питания
8
9
10
4
18
Подпрограмма «Построение графиков и гистограмм» предназначена для получения зависимости напряженности ЭП и МП от времени или расстояния, а также формирования гистограмм распределения напряженности с целью текущей оценки ЭМО по исследуемым объектам электроэнергетики в целом.
Подпрограмма «Расчет допустимого времени пребывания персонала» дает возможность по результатам постоянных замеров определить в соответствии с требованиями действующих нормативных документов [1] допустимое время пребывания для персонала, находящегося в зоне влияния ЭМП ПЧ.
Разработанный АПК (см. табл.) позволяет произвести достоверные измерения ЭМП эллиптического характера и обеспечить качественный контроль текущих воздействий полей трехфазных электроустановок на персонал.
Основные технические характеристики АПК
Для апробации нового АПК были выполнены многочисленные измерения напряженности ЭП и МП в действующих электрических сетях Восточной Сибири.
В частности, результаты измерений (рис. 3.) ЭП (кривая 1.а) и МП (кривая 2.а), выполненные с помощью АПК, сопоставлялись с данными, полученными аппаратным комплексом П3-50 для ЭП (кривая 1.б) и МП (кривая 2. б).
Измерения проводились на высоте 1,8 м в поперечном сечении воздушной линии электропередачи 500 кВ, имеющей горизонтальную подвеску проводов, с точкой отсчета расстояния от центрального провода. Анализ показал, что наибольшие погрешности измерения напряженностей ЭП и МП прибором П3-50 зарегистрированы непосредственно под центральным проводом линии (фаза В) и оказались равными 27 и 34 % соответственно. При этом допустимое время пребывания персонала под центральным проводом, рассчитанное в соответствии с требованиями норм [1], составило 3,4 и 2,27 часа для кривых 1.а и 1.б соответственно.
Таким образом, неучет аппаратным комплексом П3-50 эллиптического характера ЭП или МП приводит к существенному необоснованному занижению допустимого времени пребывания персонала, что в целом может оказать негативное влияние на эффективность работы обслуживающего и ремонтного персонала в электрических сетях.
Литература
1. СанПин 2.2.4.1191-03 Электромагнитные поля в производственных условиях. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2003. 24 с.
2. Измеритель напряженности поля промышленной частоты П3-50. Паспорт. АОЗТ «ТАНО», 1998. 17 с.
3. Бирюков С.В. [и др.]. Расчет и измерение напряженности электрического поля в электроустановках сверх- и ультравысокого напряжения // Влияние электроустановок высокого напряжения на окружающую среду: пер. докл. Междунар. конф. по большим электрич. системам (СИГРЭ-86); под ред. Ю.П. Шкарина. М.: Энергоатомиздат, 1988. С. 6-13.
4. Курбацкий В.Г., Струмеляк А.В. Совершенствование средств измерений напряженности электрических и магнитных полей промышленной частоты // Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов: сб. тр. IV Всеросс. науч.-технич. конф. с междунар. участ. В 2-х т. Благовещенск: АмГУ, 2005. С. 210-213.
Параметр Величина
Диапазон измерения напряженности ЭП, кВ/м 0,001^100
Диапазон измерения напряженности МП, А/м 0,1^10000
Величина основной относительной погрешности, % ±5
Количество пределов измерения 3
Объем энергонезависимой памяти, значений 2032
Габариты прибора, мм 570x95x95
Вес, кг 0,39
