CC BY
17
УДК 621.316.99
ао1: 10.20998/2074-272Х.2017.3.09
Д.Г. Колiушко, С.С. Руденко
ПРОГРАМА ДЛЯ 1НТЕРПРЕТАЦП РЕЗУЛЬТАТ1В ВЕРТИКАЛЬНОГО ЕЛЕКТРИЧНОГО ЗОНДУВАННЯ «VEZ-4A»
В робот було запропоновано алгоритм роботи програми для ттерпретацирезультатгв вертикального електричного зондування Грунту в рамках дгагностики стану заземлювальних пристроХв. Математичний апарат для реалгзацй алгоритму побудовано на баз1 метод1в точкового джерела струму, найменших квадратгв, Хука-Дживса та екв1валенту-вання. Наведено огляд та основш функци розробленоХ програми. Б1бл. 7, табл. 1, рис. 3. Ключовi слова: вертикальне електричне зондування, заземлення, Грунт, установка Веннера.
В работе был предложен алгоритм работы программы для интерпретации результатов вертикального электрического зондировании грунта в рамках диагностики состояния заземляющих устройств. Математический аппарат для реализации алгоритма построен на базе методов точечного источника тока, наименьших квадратов, Хука-Дживса и эквивалентирования. Приведено описание и основные функции разработанной программы. Библ. 7, табл. 1, рис. 3. Ключевые слова: вертикальное электрическое зондирование, заземление, грунт, установка Веннера.
Вступ. Одшею з основних задач першого етапу електромагнггно1 дiагностики стану заземлювального пристрою [1, 2] електроустановок рiзних клаав напруги е проведення вертикального електричного зондування грунту (ВЕЗ). Якють штерпретацп результат ВЕЗ та визначення структури грунту в значнш мiрi впливае на точшсть розрахунку нормованих електричних парамет-рш: опору заземлювального пристрою, напруги дотику та напруги на заземлювальному пристро'1.
На даний час вщомий ряд спецiалiзованих комп'ютерних програм для 1Б, 2Б та 3Б iнтерпретацГí ВЕЗ. Основою для 1х побудови е метод Дар-Заррук [3] або аналггичне чи засноване на методi оптично'1 аналоги рiшення задачi про електричне поле точкового джерела струму, розташованого на поверхш геоелект-рично'1 структури. При цьому розглядаеться джерело постшного, стащонарного або квазiстацiонарного струму [4, 5]. Проте, математичний апарат та спеща-лiзованi програми, що визначають структуру багато-шарового грунту на основi даних ВЕЗ, слугують для виртення вузькоспрямованих геологiчних задач та не адаптоваш до застосування при дiагностицi стану заземлювальних пристро'1в, а використання iснуючих унiверсальних палеток та методу модулiв е трудомю-тким i неоднозначним [6]. У рамках проведення елек-тромагнiтноí дiагностики стану заземлювальних при-стро1в застосовуються програми для штерпретацп ВЕЗ у виглядi дво- i тришарових геоелектричних структур, наприклад «ВЭЗ-2Авто» та «ВЭЗ-3», якi не дозволяють охопити вш iснуючi в УкраМ грунти.
Статистичний розподiл грунлв за числом шарiв в мкцях розташування енергооб'ектiв Украши показуе, що абсолютна бшьшкть грунтiв мають тришарову структуру - 72,7 %, близько 17 % е чотиришаровими i тiльки 8,3 % - двошаровими [2]. Таким чином, ство-рення програмного засобу для штерпретацп результа-^в ВЕЗ з числом шарiв не менше чотирьох дозволить охопити 98 % вшх грунтiв Украши в мiсцях розташування енергооб'ек^в.
Метою роботи е створення програмного засобу для штерпретацп результат вертикального електричного зондування чотиришарового грунту.
Матерiали дослiдження. Найбiльш поширеною для проведення ВЕЗ е установка Веннера, яка пред-
ставляе собою чотириелектродну симетричну систему (рис. 1). Мiжелектродна вiдстань е рiвною мiж усiма сусiднiми електродами й позначаеться величиною Ь. Глибина зондування складае половину вiдстанi мiж струмовими електродами АВ або 1,5 Ь [3]. Таким чином, збшьшення мiжелектродноí вiдстанi збiльшуе глибину зондування установки.
Результатом вимiру е залежшсть уявного пи-томого електричного опору (ПЕО) ру вщ мiжелект-родно'1 вiдстанi, яка визначаеться за вщомим вира-зом [4, 7]:
Ру = 2*^, (1)
де Ь - вiдстань мiж електродами; иУЕ5 - вимiряна на-пруга в ходi проведення ВЕЗ; 1УЕ5 - вимiряний струм в ходi проведення ВЕЗ.
Для проведення штерпретацп в основу програми закладеш вирази для визначення уявного ПЕО ру як функцп вщ величини Ь у багатошаровому середовищi з плоско-паралельними межами подiлу при проведен-нi ВЕЗ установкою Веннера:
- при двошаровш структурi [7]:
Ру =Р1 ]1 + 4 X К 2,17
п=1
Ь
д/ь2 +(2пН )2 ^4 Ь2 + (2пИ )2
,,(2)
де И - глибина подiлу шарiв у двошаровiй та спiльна мiра у тришаровiй моделях; К2Д = (р2 - рх)/( р2 + р\) -
© Д.Г. Кол1ушко, С.С. Руденко
Ь
коефщент неоднорщностц n - номер члену ряду; L - ввдстань м1ж найближчими електродами;
де Kj+ij - коефщент неоднорiдностi грунту, який ви-
при тришаровiй структурi:
значаеться як K
j+ij
_ Р j+1 ~ Р j ;
Ру _ Pli
1 + ЧП
n_1
(ink ) V4L4 (ink )
.(3)
де д„ - коефiцieнт розкладання пщнтегрально! функци [4].
Формули (2) i (3), отриманi на пiдставi виразу для потенцiалу електричного поля точкового джерела струму у багатошаровому середовищi [4], при розта-шуванш його та точки спостереження на поверхш грунту. При цьому (3) було отримано з застосуванням методу невизначених коефщента.
У рамках вдосконалення методики електромагш-тно! дiагностики стану заземлювального пристрою, на основi аналогичного вирiшення задачi про електричне поле точкового джерела струму, розташованого на поверхш чотиришарового провiдного напiвпростору з плоско-паралельними межами подiлу, авторами було розроблено математичний апарат [5] для штерпретацп результата зондування та екывалентування [2] бага-тошарових структур у розрахунковi моделi.
З метою побудови програмного засобу авторами використано отримане ранiше рiшення [5] вказано! задачi за умови розташування точки спостереження на поверхш чотиришарового грунту. У вказаному ви-падку уявний ПЕО буде мати вигляд:
Kn - коефщенти,
Р j+1 + Р j
отриманi у результат розкладання функци, що харак-теризуе багатошарове середовище; n - номер члену ряду; kur - шльшсть членiв ряду.
Функцiя, що характеризуе багатошарове середовище, мае вигляд [5]:
ZW Fz (л)
(5)
(
Py _ pi+PI E
j _i
4K
j+l, j
kur
•E
n_0
^L2 + (hj + inf
(4)
^4L2 + ( + 2nf
де Fz (Л) визначаеться, як:
Fz (Л)_ 1 - K2i1e-2Л - K32e-2Л - K43e~21h3 + + K 2,K 32e-2Л() + K 21K 4,3е-2Л(з-h1) + + K32 K 43e ~2A(h3-h2)- K 21K32 K 43e ~2l(h3-h1).
Значення Kn з виразу (4) знаходиться при розв'язаннi за методом найменших квадрапв системи рiвнянь, складено! для апроксимаци функци, що характеризуе багатошарове середовище (5), за методикою, наве-деною в [5], з урахуванням числа шарiв грунту та hn=2n.
На пiдставi виразiв (1) - (4) i з використанням методу найменших квадратiв для апроксимаци функци, що характеризуе багатошаровий грунт, у програм-ному середовищi Delphi була розроблена програма для штерпретацп результатiв ВЕЗ у виглядi чотири-шарово! геоелектрично! структури «VEZ-4A», штер-фейс яко! наведено на рис. 2.
Розроблена програма дозволяе виконувати як ш-терактивну, так i автоматичну iнтерпретацiю результата ВЕЗ.
Рис. 2. Робоче вжно программ для штерпретацп багатошарових грунтш «VEZ-4A»
L
L
KnL
KnL
При апроксимацп функцп, що характеризуе бага-тошарове середовище, слiд розглядати штервал змiни безрозмiрного параметру Ле [0; го]. Необхщна кшь-кють члешв ряду kur визначаеться вiдносною похиб-кою апроксимацп Dcp вихiдноí функцп (5), рекомен-доване значення яко'! (див. рис. 2) не бшьше 1 %. При цьому FZ (Л) = 1 при Л-го.
Особливiстю програми е те, що алгоритм окрiм стандартних також мютить наступнi блоки (див. рис. 3):
- блок автоматично'! штерпретацп у виглядi дво-шарово'! моделi Block 1;
- блок штерактивно'! штерпретацп у виглядi дво-шарово'! моделi Block 2;
- блок штерактивно'! штерпретацп у виглядi три-шарово'! моделi Block 3;
- блок штерактивно'! штерпретацп у виглядi чоти-ришарово'! моделi Block 4.
Рис. 3. Алгоритм роботи програми
До стандартних блоюв слщ вiднести наступш:
- введення експериментальних даних (Input of experimental data ру, L);
- визначення стандартного середньоквадра-тичного вщхилення (Determined the sample standard deviation);
- побудови кривих ВЕЗ (Plotting the curve of sounding);
- збереження проекту (Save project).
Методика та вирази для блоку е^валентування (не зазначено в алгоритм^, що були використаш в программ наведено в [2].
Запуск розрахунку та графiчне вщображення кривих ВЕЗ вщбуваеться при виборi вщповщно! мо-делi (Block 1 - Block 4).
Змшюючи параметри моделей - ПЕО шарiв та !х товщину - досягають найбшьшо! вiдповiдностi криво! ВЕЗ результатам експерименту. При цьому контроль за вщповщнютю здшснюеться двома способами:
1) вiзуальним порiвнянням експериментальних то-чок та розрахунково! криво! ВЕЗ на графку;
2) аналiзом значення стандартного середньо-квадратичного вщхилення А (!! найменше значення вщповщае максимальнiй точностi).
Змiнювати параметри моделей також можна двома способами:
1) безпосередшм введенням значення параметру в поле;
2) змшювати значення покроковим способом за до-помогою компоненту Delphi «UpDown».
Крок вказаного компоненту е плаваючим i зале-жить вiд абсолютного значення параметру.
Для автоматично! штерпретацп результа^в ВЕЗ у блощ «Автоматический расчет двухслойной модели» у роздш «Параметры расчета» необхщно задати граничш параметри пошуку (на початку роботи автоматично встановлюються згщно з мМмальним та ма-ксимальним значенням експериментально! криво! ВЕЗ, у подальшому можуть бути змiненi користува-чем), вiрогiднiсть помилки рош (типове значення 0,05) та надшнють розрахунку Я (типове значення 99 %). Слщ зазначити, що зi зменшенням рош та збшьшенням Я буде зростати час розрахунку.
Запуск процедури вщбуваеться при натисканш кнопки «Расчет» або кнопки «Space» на клавiатурi, а графiчне вщображення криво! ВЕЗ - при виборi вщ-повщного компоненту «CheckBox» для кожно! моделi грунту.
У блощ «Результаты» виводяться отримаш значення розрахунку параметрiв моделi (р1, р2 та h1), а також максимальне вiдхилення результатiв розрахунку вщ експериментальних даних S та достовiрнiсть моделi у (припустимi значення даних параметрiв оби-раються згщно з умовами задач^ що виртуеться, ре-комендоване ж значення S < 10 %, а у < 95 %). Якщо було отримано занадто велике значення S або низьке Y, то можливими варiантами задля пiдвищення точно-стi розрахунку е:
- збшьшення граничних параметрiв пошуку у роздш «Параметры расчета»;
- зменшення вiрогiдностi помилки рош та (або) збь льшення надiйностi розрахунку Я;
- видалення явно помилково! точки з блоку «Исходные данные», якщо вона не вщповщае тенденцп розмщення експериментально! криво! ВЕЗ.
Висновки.
1. Авторами розроблено алгоритм роботи програми, особливютю якого е можливють iнтерпрета-цГ! результатiв ВЕЗ в штерактивному або автоматичному режимi у виглядГ дво-, три- та чотиришаро-вого грунту.
2. Реалiзовано програму для iнтерпретацi! резуль-татiв ВЕЗ на базi математично! моделi з визначення
потенщалу електричного поля точкового джерела струму, розташованого у чотиришаровому провщно-му напiвпросторi.
3. Створена програма «VEZ-4A» дозволяе охопити близько 98 % грунпв в мюцях розташування енерго-об'ектiв Украши.
Розроблена програма для штерпретаци результа-тiв ВЕЗ була устшно використана при проведенi еле-ктромагнiтноï дiагностики стану заземлювальних пристро1в для 10 пiдстанцiй класом напруги 150 кВ, 20 пiдстанцiй класом напруги 110 кВ та ВРП-750 кВ Рiвненськоï АЕС у 2015-2016 рр.
СПИСОК ШТЕРАТУРИ
1. Випробування та контроль пристроïв заземления елект-роустановок. Типова iиструкцiя. СОУ 31.2-2167768119:2009 - [Чинний вщ 2010-03-29]. - К.: Мiипаливеиерго Украши, 2010. - 54 с. - (Нацюнальний стандарт Украши).
2. Колиушко Д.Г., Руденко С.С., Колиушко Г.М. Электрофизические характеристики грунта в местах расположения энергообъектов Украины // Електротехнжа i електромеханжа. - 2015. - № 3. - С. 67-72. doi: 10.20998/2074-272X.2015.3.10.
3. Шевнин В.А., Колесников В.П. Оценка глубинности ВЭЗ для однородной и слоистой среды // Георазрез. - 2011. - №1(8). - С. 1-9. - Электронный ресурс / Режим доступа: http://www.georazrez.ru/download/2011/08/Shevnin-Otcenka_glubinnosti_VEZ.pdf.
4. Бургсдорф В.В., Якобс А.И. Заземляющие устройства электроустановок. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 400 с.
5. Колиушко Д.Г., Руденко С.С. Интерпретация результатов вертикального электрического зондирования в виде четырехслойного геоэлектрического полупространства // Вюник НТУ «ХШ». - 2015. - №12(1121). - С. 324-329.
6. Колиушко Г.М., Колиушко Д.Г., Руденко С.С. К вопросу повышения точности расчета нормируемых параметров заземляющих устройств действующих электроустановок // Електротехнжа i електромеханжа. - 2014. - №4. - С. 65-70. doi: 10.20998/2074-272X.2014.4.13.
7. Петков О.О., Колiушко Д.Г., Шнк 1.Ю. Визначення па-раметрiв двошаровоï моделi Грунту за результатами вертикального електричного зондування, проведеного в райош розташування тдстанцш // Електрифжащя та автоматизацiя сшьського господарства. - 2004. - №2(7). - С. 3-11.
REFERENCES
1. Natsional'nyy standart Ukrayiny. SOU 31.2-2167768119:2009. Viprobuvannya ta kontrol' prystroyiv zazemlennya elektroustanovok. Tipova instruktsiya. [National Standard of Ukraine SOU 31.2-21677681-19:2009. Test and control devices, electrical grounding. Standard instruction]. Kyiv, Minenergovugillya Ukrayiny Publ., 2010. 54 p. (Ukr).
2. Koliushko D.G., Rudenko S.S., Koliushko G.M. Analysis of electrophysical characteristics of grounds in the vicinity electrical substation of Ukraine. Electrical engineering & electrome-chanics, 2015, no.3, pp. 67-72. (Rus). doi: 10.20998/2074-272X.2015.3.10.
3. Shevnin V.A., Kolesnikov W.P. Rating depth VES for the uniform and layered medium. Electronic Journal «GEORazrez», 2011, no.1(8), pp. 1-9. Available at: http://www.georazrez.ru/download/2011/08/Shevnin-Otcenka_glubinnosti_VEZ.pdf (Accessed 10 November 2013). (Rus).
4. Burgsdorf V.V., Yakobs A.I. Zazemlyayushchie ustroystva elektroustanovok [Grounding device of electrical installations]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1987. 400 p. (Rus).
5. Koliushko D.G., Rudenko S.S. Interpretation the results of the vertical electrical sounding as the geoelectrical half space with four layer. Bulletin of NTU «KhPI», 2015, no.12(1121), pp. 324-329. (Rus).
6. Koliushko G.M., Koliushko D.G., Rudenko S.S. On the problem of increasing computation accuracy for rated parameters of active electrical installation ground grids. Electrical engineering & electromechanics, 2014, no.4, pp. 65-70. (Rus). doi: 10.20998/2074-272X.2014.4.13.
ZPetkov A.A., Koliushko D.G., Link I.Y. Determination of parameters two-layer model of ground on the results for the vertical electric sounding conducted in the vicinity of substation. Electrification and automation of agriculture, 2004, no.2(7), pp. 3-11. (Ukr).
Поступила (received) 06.04.2017
Koniymm Денис Георгшович1, к.т.н., с.н.с., Руденко Сергт Сергшович1, m.h.c., 1 Нацюнальний техшчний ушверситет «Харкгвський полггехшчний шститут», 61002, Харкгв, вул. Кирпичова, 2, e-mail: [email protected]
D.G. Koliushko1, S.S. Rudenko1
1 National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», 2, Kyrpychova Str., Kharkiv, 61002, Ukraine. A computer program for interpretation of the data of vertical electrical sounding VEZ-4A.
Purpose. Creating a computer program for interpreting the results of vertical sounding the soil in the form of multilayer model most typical for Ukraine. Methodology. The algorithm of the program is constructed on determination the soil structure with the help of the method of point source current, method of analogy and method of equivalent. The option of automatic interpretation based on Hook-Jeeves method. The program is implemented in the programming language Delphi. Results. The computer program «VEZ-4A» has a possibility of the interactive and automatic interpretation sounding results in the multi-layered geoelectrical model. Originality. In first time the computer program for analyzing and interpreting results of the soil sounding by Wenner configuration was created on the base of the analytical solution for field of current point source located in four-, three- or two-layer structure. In paper the review is presented and basic functions of our program are analyzed. Practical value. The program «VEZ-4A» is created and adapted for use in the electromagnetic diagnostics of grounding of existing power plants and substations. References 7, tables 1, figures 3.
Key words: vertical electrical sounding, grounding, soil, Wenner installation.
