CC BY
10
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2019.5.115-120 УДК 621.311
Д. В. Куклин
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГРУНТА И ИХ РЕШЕНИЯ
Аннотация
Ранее было создано устройство для измерения электрических параметров грунта. В процессе его разработки и использования был выявлен ряд практических проблем. В статье описываются данные проблемы, выполненные модификации устройства, а также дальнейшие усовершенствования, повышающие точность измерений и удобство использования. Ключевые слова:
измерительное устройство, удельное сопротивление, диэлектрическая проницаемость, частотная зависимость.
D. V. Kuklin
CHALLENGES DURING DEVELOPMENT OF MEASUREMENT DEVICE FOR SOIL ELECTRICAL PROPERTIES AND SOLUTIONS
Abstract
A measurement device for frequency-dependent electrical soil properties has been created earlier. During the development, a number of practical problems were identified. The article deals with these problems, their solutions and further improvements for increasing device measurement accuracy and usability. Keywords:
measurement device, resistivity, permittivity, dielectric dispersion. Введение
Ранее была проведена оценка параметров измерительного устройства частотно-зависимых параметров грунта (внутренний импеданс измерительных пробников, импеданс относительно «корпуса» и пр.) с использованием установок метода вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) [1]. Также были выполнены расчеты, касающиеся электромагнитного влияния между измерительными цепями [2, 3]. Поскольку импеданс между цепями измерения тока и напряжения должен быть высоким [1], была выбрана оптоволоконная развязка. После этого был создан и протестирован прототип измерительного устройства [4]. Затем с целью сокращения времени измерений была проведена модификация устройства, и в процессе дальнейшей эксплуатации выявлены прочие недостатки. В статье описываются дальнейшие усовершенствования, позволяющие повысить точность измерений и удобство использования устройства.
Краткое описание прототипа измерительного устройства электрических параметров грунта
Функциональная схема измерительного устройства и его подключение к электродам изображены на рис. 1. Измерительная установка состоит из трех основных частей: блок с платой управления (содержащей микроконтроллер),
генератором, схемой измерения тока и приемником; блок, содержащий пробник для измерения напряжения и передатчик; осциллограф.
Рис. 1. Функциональная схема измерительного устройства и его подключение
Fig. 1. Block diagram of the measurement device and its connection during
measurements
Для генерирования выбрана синусоидальная форма сигнала, поскольку это позволяет охватить необходимый частотный диапазон более простым способом. Генератор сигнала синусоидальной формы содержит микросхему цифрового вычислительного синтезатора (ЦВС) и усилитель. Необходимая частота задается микроконтроллером, находящимся в блоке управления. В устройстве имеется возможность контролировать амплитуду сигнала с помощью усилителя, регулируемого напряжением.
Схема измерения тока содержит шунт (подключенный между генератором и одним из электродов) и операционный усилитель. Сигнал с выхода операционного усилителя поступает в осциллограф.
Пробник измерения напряжения на рис. 1 представляет собой дифференциальный пробник с высоким входным импедансом. Выходное напряжение с пробника преобразуется в ток для питания светодиода передатчика. Сигнал, поступающий в приемник, преобразуется в напряжение и поступает в осциллограф.
Для оцифровки сигналов используется портативный осциллограф с частотой дискретизации 100 МГц. Он подключается к смартфону, который управляет осциллографом и служит для сохранения результатов измерений.
Поскольку разность фаз между током и напряжением должна измеряться точно [1], необходимо учитывать фазовые характеристики цепей измерения тока и напряжения. Для учета разности фаз применяется калибровка устройства измерения. Во время калибровки один и тот же сигнал используется в качестве входа для обеих цепей (тока и напряжения) и угол между выходными сигналами измеряется для каждой частоты. В процессе измерений электрических параметров грунта после измерения тока ДО и напряжения У(1) и применения к ним преобразования Фурье полученные при калибровке углы учитываются путем поворота тока или напряжения на значения данных углов, после чего рассчитываются удельное сопротивление и диэлектрическая проницаемость.
Полный процесс измерения состоит из следующих этапов для каждой частоты: измерение разности фаз между выходными сигналами цепей измерения тока и напряжения (для одного и того же входного сигнала) во время калибровки; измерение тока I(t) и напряжения V(t) для конкретной установки ВЭЗ и грунта; применение преобразования Фурье к измеренному току и напряжению; корректировка разности фаз между 1(ю) и V(®) на значение угла, измеренного при калибровке; расчет удельного сопротивления и диэлектрической проницаемости.
Поскольку оптоволокно (его длина, изгибы и пр.) может влиять на амплитуду сигнала, необходима также калибровка амплитуды (причем во время калибровки оптоволокно не должно быть существенно изогнутым). В отличие от фазы, амплитуда относительно постоянна во всем диапазоне частот.
Модификация измерительного устройства
При использовании прототипа устройства выяснилось, что процесс измерения занимает ощутимое время, так как ток и напряжение измерялись осциллографом, а обработка результатов измерений выполнялась на компьютере. Те же действия можно производить внутри микроконтроллера, выполняя оцифровку сигналов при помощи аналого-цифрового преобразователя (АЦП), находящегося в самом устройстве.
Вышеописанные изменения были выполнены, и это привело к существенному сокращению времени измерений (которое стало сравнимо с временем, затрачиваемым на измерение стационарного удельного сопротивления грунта). Фотография усовершенствованного устройства представлена на рис. 2. Для оцифровки сигналов был использован внутренний АЦП микроконтроллера LPC4370. Этот же микроконтроллер применен для расчета электрических параметров.
Рис. 2. Усовершенствованное измерительное устройство Fig. 2. Improved measurement device
В модифицированном устройстве, однако, также обнаружились недостатки. Основной недостаток вызван взаимным влиянием напряжений между каналами АЦП, что может приводить к ошибкам измерений на высоких частотах. Также существует ошибка измерения диэлектрической проницаемости на низких
частотах. Прочие недостатки относятся к удобству использования устройства и являются менее существенными: отсутствует автоматический выбор токового шунта и амплитуды генерируемого сигнала, а также удобное отображение результатов измерений и управление устройством.
Ошибки измерения параметров грунта увеличиваются на частотах ниже десятков кГц и на частотах выше единиц МГц. В том случае, когда угол между током и напряжением близок к девяноста градусам (что происходит на высоких частотах), косинус угла близок к нулю и незначительная ошибка измерения угла приводит к значительной ошибке измерения удельного сопротивления (так как косинус угла находится в знаменателе при расчете удельного сопротивления). Ошибка измерения диэлектрической проницаемости на частотах порядка нескольких десятков кГц (и ниже) связана, по-видимому, с тем, что на низких частотах преобладает ток проводимости.
Дальнейшее усовершенствование измерительного устройства
В первую очередь, необходимо устранить ошибки, связанные с АЦП. Для этого нужно либо уменьшить импеданс источника [5], либо использовать два независимых АЦП для оцифровки сигналов тока и напряжения. Второй вариант более предпочтителен, так как он к тому же позволяет повысить частоту дискретизации и увеличить размер памяти (для сохранения измеренных величин). Уменьшения ошибки диэлектрической проницаемости можно добиться путем проведения нескольких измерений и использования усредненного результата.
Для удобства управления устройством, отображения результатов, а также получения дополнительных данных об измерении (координат, времени и пр.), была создана вспомогательная программа для смартфона. Программа также позволяет сохранять результаты измерений и открывать файлы с предыдущими результатами. Прототип программы представлен на рис. 3.
Рис. 3. Вид прототипа программы Fig. 3. Mobile application prototype
Как показала практика, в том случае, если расчеты электрических параметров выполняются при помощи смартфона (а не в устройстве), можно добиться существенного сокращения времени измерения, так как смартфон обладает более производительным процессором. Таким образом, устройство может только производить измерение напряжения и тока и отправлять данные на смартфон, после чего тот рассчитывает необходимые параметры, сохраняет результаты и т. д.
При использовании микроконтроллера (для расчета параметров) одно измерение занимает порядка одной минуты (если измеряется по 2000 точек для оцифровки тока и напряжения на одну частоту, причем количество частот равно 21). С увеличением числа точек или количества частот время измерения может возрасти существенно. В том случае, когда используется смартфон, расчет параметров занимает единицы секунд (или доли секунды). Единственным фактором, заметно влияющим на время измерения (при использовании смартфона), является передача оцифрованных осциллограмм тока и напряжения на смартфон. В случае 6000 точек и 20 частот передача данных и расчет параметров занимают около 25 с (поскольку почти все время уходит на передачу данных, при 2000 точках этот процесс занял бы 7 с, т. е. скорость измерения была бы увеличена почти в десять раз по сравнению с применением микроконтроллера для расчета параметров в аналогичном случае). Дальнейшее сокращение времени измерения может быть достигнуто путем увеличения скорости передачи данных.
Если необходимо, чтобы расчеты выполнялись именно самим устройством, возможно использование более быстрых алгоритмов расчета преобразования Фурье.
Выводы
В статье представлено описание практических проблем, связанных с созданием измерительного устройства частотно-зависимых параметров грунта. Также описаны решения данных проблем и возможные варианты дальнейших модификаций устройства.
Стоит отметить, что, помимо использования численных способов определения разности фаз между током и напряжением и отношения их амплитуд, данное действие возможно выполнять также путем аналоговой обработки сигналов. Наличие шумов в измеряемых сигналах, однако, может усложнить применение данного подхода.
Литература
1. Куклин Д. В. Оценка параметров измерительного устройства электрических характеристик грунта // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2018. № 17 (8). C. 60-67.
2. Kuklin D. Using pole-dipole array for measurements of frequency dependent soil electrical properties // Far East Con-2018 — International Multi-conference on Industrial Engineering and Modern Technologies. 2018. P. 1-5.
3. Kuklin D. Numerical Analysis of Electromagnetic Coupling Effects in Measurements of Frequency Dependent Soil Electrical Properties // Progress in Electromagnetics Research. 2019. (79). P. 101-111.
4. Kuklin D. Prototype of a measurement device for frequency dependent soil electrical properties. Находится в печати.
5. LPC43xx/LPC43Sxx ARM Cortex-M4/M0 multi-core microcontroller, user manual UM10503 / Rev. 2.4, NXP Semiconductors, 2018. 1444 p.
Сведения об авторе
Куклин Дмитрий Владимирович
научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук», кандидат технических наук Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21 А эл. почта: kuklindima@gmail.com
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2019.5.120-125 УДК 621.311
В. В. Ивонин, А. Н. Данилин, Б. В. Ефимов, А. С. Карпов, А. А. Климов
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОБОЯ ГИРЛЯНДЫ ИЗОЛЯТОРОВ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
Аннотация
Представлены результаты экспериментальных исследований пробоя гирлянды подвесных изоляторов. Получены вольт-секундные характеристики гирлянды, состоящей из 1-3 изоляторов. Показано, что при пробое изоляторов на линии образуется волна с фронтами 0,10-0,12 мкс. Ключевые слова:
линия электропередачи, подвесной изолятор, пробой изолятора.
V. V. Ivonin, A. N. Danilin, B. V. Efimov, A. S. Karpov, A. A. Klimov
EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF HIGH VOLTAGE POWER TRANSMISSION LINE INSULATORS BREAKDOWN
Abstract
The article presents the results of experimental investigations of the high voltage insulators breakdown. The volt-second characteristics of 1-3 insulators are obtained. It has been shown that during the breakdown of insulators, a wave is formed on the line with fronts of 0,10-0,12 ps.
Keywords:
high voltage transmission line, suspension insulator, insulator breakdown. Введение
В районах с высоким удельным сопротивлением грунта при ударе молнии в опору или грозозащитный трос часто происходит обратное перекрытие гирлянд изоляторов высоковольтной линии.
При грозовом перекрытии гирлянды возникает короткое замыкание и, как правило, срабатывает защита, отключающая линию, но при этом в линии формируется волна с крутым фронтом. Амплитуда волны определяется волновым сопротивлением линии и временем перекрытия гирлянды. Величина волнового сопротивления составляет 0,5 Zw, где Zw — волновое сопротивление линии
