CC BY
55
Сведения об авторах Бурцев Антон Владимирович,
старший инженер лаборатории высоковольтной энергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: [email protected]
Невретдинов Юрий Масумович,
ведущий научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: [email protected]
Смирнов Андрей Анатольевич,
ведущий инженер отдела буро-взрывных работ Управления ОАО «Апатит»
Россия, 184250, Мурманская область, г. Кировск, ул. Ленинградская, д. 1 Эл. почта: [email protected]
Фастий Галина Прохоровна,
научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: [email protected]
УДК 621.311
В.В.Колобов, М.Б.Баранник, А.А.Жамалетдинов
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ КНЧ-ГЕНЕРАТОРА «ЭНЕРГИЯ-2»
ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЗОНДИРОВАНИЙ В ХОДЕ МЕЖДУНАРОДНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА FENICS-2014*
Аннотация
Описан уникальный международный эксперимент FENICS-2014 по глубинным электромагнитным зондированиям с применением двух взаимно ортогональных воздушных ЛЭП. Рассмотрены работы по модернизации КНЧ-генератора «Энегия-2» мощностью 200 кВт. Приведены результаты разработки согласующего устройства для генератора «Энергия-2».
Ключевые слова:
эксперимент FENICS, электромагнитные зондирования, КНЧ-генератор, линии электропередачи, согласующее устройство, продольная компенсация.
V.V.Kolobov, M.B.Barannik, A.A.Zhamaletdinov
OPERATING EXPERIENCE OF ULF-GENERATOR «ENERGY-2»
FOR ELECTROMAGNETIC SOUNDING
DURING THE INTERNATIONAL EXPERIMENT FENICS-2014
Abstract
The world-unique international experiment FENICS-2014 on tensor deep frequency electromagnetic sounding with using of two mutually orthogonal power lines is described. Before the experiment the 200 kW ULF-generator «Energy-2» was upgraded. Electric circuit and construction of the generator are described. The results of electronic circuit design and selection electronic components of capacitive longitudinal compensation unit for «Energy-2» generator are presented.
Keywords:
FENICS experiment, ultra low frequency transmitter, electromagnetic soundings, power lines, matching unit, capacitive longitudinal compensation.
ж
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 13-05-12044).
52
На территории Балтийского щита особыми перспективами
при глубинных геофизических исследованиях обладают электромагнитные методы. Благодаря отсутствию проводящего осадочного чехла электромагнитные зондирования на кристаллических щитах позволяют с высоким разрешением получать косвенную информацию о вещественном
составе, флюидном режиме, температуре и напряженно-деформированном состоянии земных недр. Разрешение дискуссионных вопросов о природе и строении промежуточных проводящих слоев в земной коре, о параметрах «нормального» электрического разреза литосферы требует непрерывного совершенствования техники и методики электромагнитных зондирований с естественными и контролируемыми источниками. С 2006 года исследования выполняются в рамках международного эксперимента FENICS (Fennoscandian Electrical conductivity from results of soundings with Natural I (and) Controlled Sources). В Кольском научном центре РАН при творческом содружестве с Санкт-Петербургским филиалом ИЗМИРАН начиная с 2005 года совершенствуется техника
глубинных электромагнитных зондирований с использованием промышленных линий электропередачи и мощных КНЧ-СНЧ-генераторов. В ЦФТПЭС КНЦ РАН были разработаны генераторы «Энергия-1» мощностью 100 кВт и «Энергия-2» мощностью до 200 кВт, использовавшиеся в экспериментах FENICS-2007 и FENICS-2009 соответственно [1].
С 23 августа по 8 сентября 2014 года проходил третий международный эксперимент FENICS-2014. Главной его особенностью являлась методика изучения взаимодействия электромагнитного поля с ионосферой и земной корой путем применения двух взаимно-ортогональных заземленных питающих линий - субширотной L1 и субмеридиональной L2 (рис. 1). В качестве L1 использовалась ВЛ 330 кВ ПС Выходной - Серебрянская ГЭС (Л-401) протяженностью 109 км, в качестве L2 - ЛЭП 154 кВ Л-154 длинной 120 км. На время эксперимента линии отключались от потребителей. В качестве источника токов крайне низкой частоты в питающих линиях использовался усовершенствованный генератор «Энергия-2», формировавший в излучающих ЛЭП ток в частотном диапазоне 0.094-194 Гц амплитудой до 200 А. Генератор размещался на электрической подстанции «Выходной» (п/с 200).
Эксперимент FENICS-2014 проходил в два этапа. На первом этапе (с 23 по 30 августа) ток генерировался в субширотной линии L1. На втором этапе (с 1 по 8 сентября) ток генерировался в субмеридиональной линии L2. Генерация тока проводилась в ночное время - с 01:00 до 05:00 ч московского времени по единому расписанию частот. Расписание и режим подачи тока в излучающие ЛЭП были согласованы с диспетчерскими службами ОАО «Колэнерго», ОАО «СО ЕЭС» Карельского ПМЭС, ОАО «СО ЕЭС» Кольского РДУ и со всеми участниками эксперимента.
Измерения создаваемых электромагнитных полей проводились исследовательскими группами Финляндии, Польши, Украины. На территории России измерения проводились не только в пределах Балтийского щита, но и на Шпицбергене, в Нижнем Новгороде, на Саянах, в Магадане и на Камчатке.
53
Рис.1. Схема расположения питающих линий и «ближних» точек регистрации сигналов в эксперименте FENICS-2014:
L1, L2 - питающие линии; 1-7 - положение измерительных станций
В отличие от предыдущих опытов в ходе эксперимента FENICS-2014 обеспечивалась фазовая привязка результатов измерений на полевых точках к току генератора с точностью не хуже 1 мс. Это позволяет привести к одному начальному моменту сигналы, измеренные в разное время и от разных ЛЭП, для последующей тензорной обработки данных по аналогии с магнитотеллурическими зондированиями (МТЗ). Кроме того, наряду с частотным (синусоидальным) режимом проводились сеансы генерации тока прямоугольной формы (меандр) с периодом 0.2 с и длительностью до 64 мин. Это позволяет выполнять обработку данных как в спектральном виде, так и в режиме накопления.
Схема, устройство и принцип работы КНЧ-генератора
«Энергия-2» подробно рассмотрены в [2]. Здесь лишь приведем его структурную схему (рис. 2). Выходной высоковольтный инвертор (ВИ) генератора, выполненный на основе современных IGBT-модулей, работает в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ), что позволяет формировать
54
в излучающих линиях ток произвольной формы, в том числе синусоидальной. Как отмечалось авторами в [2], опыт проведения работ по программам FENICS-2007 и FENICS-2009 при размещении КНЧ-СНЧ-генераторов «Энергия-1» и «Энергия-2» на электрической подстанции п/с 200 показал, что при работе генератора в режиме ШИМ высокочастотные помехи могут воздействовать на аппаратуру ВЧ-связи и телеметрии подстанции размещения, приводить к ее сбоям и отказам, что недопустимо.
Рис.2. Структурная схема КНЧ-генератора «Энергия-2»:
ПТ - повышающий трансформатор; ВВП - высоковольтный выпрямитель;
ВИ - высоковольтный инвертор; ФНЧ - фильтр низкой частоты;
СУ - согласующее устройство (батарея компенсирующих емкостей);
СУРЗА - система управления, регулировки, защиты и автоматики;
АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ПК - персональный компьютер;
GPS - модуль ГЛОНАСС/GPS синхронизации времени
Были разработаны методы решения данной проблемы электромагнитной совместимости. Как показал опыт, главный путь проникновения помех, приводящих к сбоям в работе аппаратуры ВЧ-связи и телеметрии подстанции размещения, - контур заземления подстанции. Одним из способов исключения этого влияния является перенос точки заземления выхода высоковольтного инвертора как можно дальше от контура заземления общеподстанционного пункта управления, в котором расположен релейный зал. Важным фактором также является наличие надежной металлосвязи с контуром заземления подстанции в конкретной точке подключения заземляющего кабеля. Клемма
кабеля подключается либо в штатных местах заземления на контуре подстанции (например место заземления пожарных машин), либо используются заземляющие шины защитных аппаратов, качество металлосвязи которых с контуром заземления находится на особом контроле. После выбора точки подключения с помощью клещей-тестера заземления производится контроль качества металлосвязи. Для надежности используются два заземляющих кабеля, подключенных к различным точкам. В процессе генерации с помощью токоизмерительных клещей контролируется растекание токов на контур заземления.
55
Для уменьшения воздействия высокочастотных помех на оборудование подстанции также является необходимым применение эффективного фильтра низких частот (ФНЧ на рис. 2). В качестве ФНЧ в генераторе «Энергия-2» используется дроссель, расчет и практическая реализация которого приведены в [2].
Применение вышеописанных мер обеспечило отсутствие неконтролируемых воздействий на оборудование связи и телеметрии п/с 200 в процессе работы генератора в ходе эксперимента FENICS-2009. В то же время проблема воздействия ВЧ-составляющих выходного тока генератора, формируемого методом ТТТИМ. на оборудование подстанции потенциально сохраняется. Поэтому основным направлением модернизации генератора «Энергия-2» при подготовке эксперимента FENICS-2014 являлась разработка схемотехнических и программных решений по совершенствованию блока управления ВИ с целью формирования выходного синусоидального тока генератора методом однополярной ШИМ. Ранее высоковольтный инвертор генератора «Энергия-2» работал в режиме двуполярной ТИМ, для которой формы выходного напряжения и тока в нагрузке (после выходного фильтра ФНЧ) для одного периода генерируемой частоты соответствуют приведенным на рис. 3. Форма сигналов для однополярной ШИМ приведены на рис. 4.
Рис. 3. Форма выходного напряжения ВИ (U) и тока в линии (I) при двуполярной ШИМ
Рис. 4. Форма выходного напряжения ВИ (U) и тока в линии (I) при однополярной ШИМ
Обозначим отношение несущей частоты ШИМ к частоте генерации как N = /frEH . Для генератора «Энергия-2» при частоте несущей
ШИМ 5-10 кГц и диапазоне рабочих частот 0.1-200 Гц величина N составляет 25-100000. При таких достаточно больших отношениях несущей и модулирующей частот спектральный состав выходного напряжения имеет
56
регулярный характер. На рис. 5 приведены типовые спектральные составы выходного напряжения инвертора для однополярной и двуполярной ШИМ с учетом первой группы гармонических составляющих, имеющих максимальную энергию [3]. Спектры приведены для единичного коэффициента регулирования, равного отношению амплитуды выходного синусоидального напряжения к напряжению звена постоянного тока ВИ, то есть для работы генератора в режиме без ограничения выходного напряжения. Как видно из рисунка, применение однополярной ШИМ уменьшает амплитуды высокочастотных гармоник в выходном сигнале генератора, что обеспечивает более эффективную фильтрацию ВЧ-составляющих несущей ШИМ в выходном токе генератора после ФНЧ.
Рис. 5. Типовой спектр импульсного напряжения на выходе инвертора при однополярной (а) и двуполярной (б) ШИМ
Функциональная схема высоковольтного инвертора генератора «Энергия-2» приведена на рис. 6. Для увеличения выходного тока инвертора полумостовые IGBT-модули Q1, Q3 и Q2, Q4 соединены попарно в параллель.
Упрощенная электрическая схема ВИ, подключенного к нагрузке в виде ЛЭП, приведена на рис. 7, где ^ЛЭП - сопротивление линии, ЬЛЭП - ее индуктивность, а ЬдР - индуктивность выходного дросселя инвертора.
Так как ВИ генератора выполнен по мостовой схеме, то для перехода на однополярную ШИМ требовалось изменить только сигналы управления драйверными схемами IGBT-модулей. Для этого микропрограмма
и схема управляющего блока инвертора были переработаны таким образом, чтобы сигналы на затворах ключей ВИ соответствовали эпюрам напряжений Uyni-Uyn4, приведенным на рис. 8.
57
Рис. 6. Функциональная схема высоковольтного инвертора генератора «Энергия-2»: ДРВ1-ДРВ4 - драйверы IGBT-модулей; С1-С54 - электролитические конденсаторы звена постоянного тока инвертора; С56-С58 - снабберные емкости; Q1-Q4 - полумостовые IGBT-модули; ДН - датчик напряжения; ДТ1, ДТ2, ДТ3 - датчики тока; Lдp - дроссель выходного фильтра низких частот (ФНЧ); СУ - согласующее устройство
Рис.7. Упрощенная схема высоковольтного инвертора, подключенного к нагрузке в виде ЛЭП
58
Рис.8. Эпюры, поясняющие формирование сигналов управления ключами ВИ при однополярной ШИМ
При однополярной модуляции, как видно из рис. 8, в кривой выходного напряжения в течение одной полуволны модулирующего сигнала формируются импульсы только одной полярности, а вместо импульсов напряжения противоположной полярности формируется интервал с нулевым напряжением (нулевая полочка). При этом при изменении длительности импульсов напряжения, соответственно, изменяется длительность нулевой полочки таким образом, чтобы период несущей частоты (/шим) оставался постоянным. В этом случае одна пара силовых транзисторов - VT1 и VT4 на рис. 7 - переключается с частотой сигнала модуляции (/ГЕН) в моменты 0, п, 2п и т.д., а вторая пара транзисторов - VT2, VT3 - переключается с несущей частотой. Формирование импульса на выходе ВИ, например, положительной полярности обеспечивается при одновременном включении транзисторов VT1 и VT2. Поскольку транзистор VT2 переключается с высокой частотой, то при его выключении транзистор VT1 остается включенным, что приводит к замыканию тока нагрузки, запасенного в индуктивности нагрузки и дросселя, через транзистор VT1 и диод VD3. При этом на выходе инвертора напряжение равно сумме падений
59
напряжения на транзисторе и диоде, то есть близко к нулю. Аналогично создается нулевая полочка и при формировании отрицательной полуволны гладкой составляющей: при выключении транзистора VT3 ток нагрузки замыкается через транзистор VT4 и диод VD2. Таким образом, полярность гладкой составляющей выходного напряжения определяется включением транзисторов VT1 или VT4, а высокочастотное заполнение и, соответственно, форма гладкой составляющей - переключением транзисторов VT2 или VT3. Отметим, что в реальной схеме ВИ диоды VD1-VD4 являются антипараллельными диодами, входящими в полумостовые IGBT-модули Q1-Q4 (рис. 6).
Как видно из временных диаграмм работы ключей инвертора в режиме однополярной модуляции, приведенных на рис. 8, два ключа из четырех работают в низкочастотном режиме коммутации, что сокращает суммарные динамические потери в IGBT-модулях инвертора, уменьшает их суммарное тепловыделение и увеличивает КПД инвертора. Таким образом, переход на однополярную ШИМ не только приводит к уменьшению амплитуд высокочастотных гармоник в выходном токе, но и облегчает режим работы силовых модулей ВИ, что увеличивает надежность работы генератора.
Важной частью схемы КНЧ-генератора является согласующее устройство (СУ на рис. 2), предназначенное для компенсации индуктивной составляющей полного сопротивления ЛЭП 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 контуре СУ - индуктивность нагрузки. При работе на частотах, когда подключается СУ, высоковольтный ВИ формирует на выходе меандр, так как синусоидальность тока в линии обеспечивается резонансом. Схема согласующего устройства продольной емкостной компенсации выполняется в виде последовательно-параллельного соединения силовых конденсаторных батарей и с помощью ключей изменяет свою структуру таким образом, что емкостное сопротивление согласующего устройства на каждой рабочей частоте равно индуктивному сопротивлению антенны. Вопросы разработки и практической реализации СУ, близкого к идеальному, то есть обеспечивающего согласование с излучающей линией во всем диапазоне рабочих частот, но состоящего из ограниченного набора конденсаторов, рассмотрены авторами ранее в работах [4, 5]. При подготовке к эксперименту FENICS-2014 было разработано СУ для генератора «Энергия-2», предназначенное для согласования с нагрузкой в виде ЛЭП, имеющей индуктивность 0.12-0.2 Гн. В этом диапазоне лежит индуктивность ВЛ Л-401 и Л-153/154 при работе генератора, подключенного к линии, в диапазоне частот 10-200 Гц. На рис. 9 приведена упрощенная принципиальная схема СУ. Соединение перемычки X18 закорачивает СУ, и линия подключается непосредственно к выходу ФНЧ ВИ. Такое соединение применяется на частотах ниже 10 Гц. При выборе типов используемых конденсаторов учитывалось, что при обеспечении полной компенсации индуктивности ЛЭП и работе на максимальной выходной мощности генератора напряжение на конденсаторах СУ может достигать величины 4-6 кВ [2, 4]. В разработанном СУ применены конденсаторы на номинальное напряжение 6-10 кВ. Внешний вид разработанного СУ продольной емкостной компенсации КНЧ-генератора «Энергия-2» приведен на рис. 10.
60
Рис.9. Принципиальная схема согласующего устройства генератора «Энергия-2», использовавшегося в ходе эксперимента FENICS-2014:
ЛЭП - линия электропередачи; Х1-Х18 - разъемные перемычки;
С1-С17 - конденсаторы СУ
Рис.10. Внешний вид СУ генератора «Энергия-2», использовавшегося в ходе эксперимента FENICS-2014
Зондирования в ходе эксперимента FENICS-2014 проводились на частотах: 0.094, 0.382, 0.642, 0.942, 1.922, 3.822, 6.422, 9.422, 19.42, 38.22, 64.22, 94.22, 194.2, 0.194 Гц. Согласующее устройство применялось
на частотах 6.422 Гц и выше при работе по генерации КНЧ-токов в линии Л-401 и от 9.422 Гц и выше - для Л-154. В течение первых сеансов уточнялось значение требуемой емкости СУ - контур ССУ - ЬЛЭП настраивался в резонанс. Для этого определялась емкость СУ, при которой выходной ток был максимальным. Уточненные значения емкости СУ (ССУ) для частот генерации, требующих компенсации индуктивности линии для ВЛ Л-401 и Л-154, приведены в табл.
61
Уточненные значения емкости СУ
Таблица
№ частоты f Гц Ссу, мкФ
для ВЛ Л-401 для ВЛ Л-154
7 6.422 3216 -
8 9.422 1510 1974
9 19.42 371 560
10 38.22 101 140
11 64.22 34 51.4
12 94.22 17.1 23.4
13 194.2 4.8 5
В течение всего сеанса генерации осуществлялась запись формы выходного тока с помощью внешнего модуля АЦП, подключенного через интерфейс USB к портативному ПК с установленным ПО PowerGraph. На один из каналов АЦП подавались метки точного времени от ГЛОНАСС/GPS приемника (рис. 2). На рис. 11 приведены типовые экспериментальные графики зависимости силы тока в излучающих линиях L1 (ВЛ Л-401) и L2 (ВЛ Л-154) от частоты генерации. Увеличение амплитуды тока на частотах более 6 Гц связано с подключением согласующего устройства продольной емкостной компенсации.
Рис.11. Зависимость силы тока в излучающих линиях Л-401 (L1) и Л-154 (L2) от частоты генерации
В ходе подготовки к проведению третьего международного эксперимента по глубинным электромагнитным зондированиям с контролируемыми источниками FENICS-2014 в ЦФТПЭС КНЦ РАН проведены работы по совершенствованию генераторной аппаратуры. Была проведена модернизация генератора «Энергия-2». Блок управления высоковольтным инвертором генератора и управляющая микропрограмма микроконтроллерной системы управления были переработаны таким образом, чтобы обеспечить формирование синусоидального тока в нагрузке - линии электропередачи - методом однополярной широтно-импульсной модуляции. Переход от двуполярной к однополярной ШИМ позволил уменьшить
62
амплитуду высокочастотных гармоник в выходном токе, а также увеличить КПД и надежность работы генератора за счет снижения суммарных динамических потерь в IGBT-ключах инвертора и улучшения теплового режима силовых модулей. Также было разработано согласующее устройство продольной емкостной компенсации для генератора «Энергия-2», позволяющее скомпенсировать индуктивное сопротивление излучающих линий Л-401 и Л-154 в диапазоне частот генерации 10-200 Гц. Фотография размещения генератора на п/с «Выходной» в ходе эксперимента FENICS-2014 в августе - сентябре 2014 года приведена на рис. 12. Применение модернизированного генератора «Энергия-2» позволило успешно провести международный эксперимент по глубинным электромагнитным зондированиям с использованием в качестве источника поля промышленных ЛЭП.
Рис. 12. Размещение генератора «Энергия-2» на п/с «Выходной» в августе 2014 года при проведении работ по генерации КНЧ-токов в воздушных ЛЭП Л-401 и Л-154 в ходе международного эксперимента по глубинным электромагнитным зондированиям с контролируемыми источниками FENICS-2014:
1 - автомобиль ЗИЛ-131, в кунге которого размещен генератор «Энергия-2»;
2 - согласующее устройство
Литература
1. Глубинные электромагнитные зондирования литосферы восточной части Балтийского (Фенноскандинавского) щита в поле мощных контролируемых источников и промышленных ЛЭП (эксперимент FENICS) /
A. А.Жамалетдинов, А.Н.Шевцов, Т.Г.Короткова, Ю.А.Копытенко,
B. С.Исмагилов, М.С.Петрищев, Б.В.Ефимов, М.Б.Баранник, В.В.Колобов, П.И.Прокопчук, М.Ю.Смирнов, С.А.Вагин, М.И.Пертель, Е.Д.Терещенко, А.Н.Васильев, В.Ф.Григорьев, М.Б.Гохберг, ВИ.Трофимчик, Ю.М.Ямпольский, А.В.Колосков, А.В.Федоров, Т.Корья // Физика Земли. - 2011. - № 1. - С. 4-26.
63
2. Колобов В.В., Баранник М.Б., Жамалетдинов А.А. Генераторно-измерительный комплекс «Энергия» для электромагнитного зондирования литосферы и мониторинга сейсмоактивных зон. - СПб.: СОЛО, 2013. - 240 с.
3. Крючков В.В., Малышков Г.М., Соловьев И.Н. Кодовое широтно-импульсное регулирование для инверторов // Практическая силовая электроника. - 2001. - № 1.
4. Разработка согласующего устройства стационарного источника электромагнитного излучения экстремально низкочастотного диапазона / Е.Д.Терещенко, М.Б.Баранник, В.Ф.Григорьев, В.В.Ивонин, В.В.Колобов, А.Н.Миличенко, П.И.Прокопчук, В.Н.Селиванов // Труды Кольского научного центра РАН. - 2012. - Т. 4, № 1. - С. 68-77.
5. Колобов В.В., Баранник М.Б., Прокопчук П.И. Генератор КНЧ-диапазона для глубинных электромагнитных зондирований с использованием ЛЭП специального назначения // Труды Кольского научного центра РАН. - 2014. - Т. 7, № 1. - С. 62-75.
Сведения об авторах
Колобов Виталий Валентинович,
ведущий научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: [email protected]
Баранник Максим Борисович,
научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: [email protected]
Жамалетдинов Абдулхай Азымович,
главный научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: [email protected]
64
