Koncepcja konstrukcji układu do lokalizacji położenia kątowego linii przesyłowej wysokiego napięcia w obiektach latających / PAR 2/2009 / 2009 / Archiwum / Strona główna | PAR Pomiary - Automatyka - Robotyka

(1)

Dr in. Janusz Tunio

Politechnika witokrzyska

KONCEPCJA KONSTRUKCJI UKADU DO LOKALIZACJI

POOENIA KTOWEGO LINII PRZESYOWEJ WYSOKIEGO

NAPICIA W OBIEKTACH LATAJCYCH

Tematem opracowania jest konstrukcja ukadu okrelajcego pooenie

wzgldem obiektu latajcego napowietrznej elektroenergetycznej linii przesyowej wysokiego lub redniego napicia. Przedstawiono sygnay emitowane przez tak lini z uwzgldnieniem towarzyszcych im zakóce oraz koncepcj ukadu wykrywajcego i lokalizujcego pooenie rozpatrywanej linii. Omówiono róne warianty konstrukcji poszczególnych bloków funkcjonalnych urzdzenia,

wskazano te niedogodnoci i zalety opcjonalnych rozwiza. Rozpatrywany ukad moe by czci urzdzenia sucego ochronie obiektu latajcego przed kolizj z lini przesyow lub te naprowadzeniu na ni rodka napadu

powietrznego.

A CONCEPT OF THE DESIGN OF A SYSTEM FOR

LOCATING THE ANGULAR POSITION OF A

HIGH-VOLTAGE POWER LINE TO BE MOUNTED IN AERIAL

VEHICLES

The paper is concerned with the concept of a system for detecting and determining the position of an overhead high- or medium-voltage power line in relation to an aerial vehicle. The analysis takes into account signals emitted by the line as well as the accompanying disturbances. The considerations include the advantages and disadvantages of different design variants for the particular functional blocks. The system can be used as part of a device for guiding an aerial vehicle onto a power line or for preventing their collision.

WSTP

Spodziewa si naley, e instalacja na pokadach obiektów latajcych urzdze do wykrywania i lokalizacji pobliskich linii przesyowych mogaby si przyczyni do zwikszenia bezpieczestwa lotów, zwaszcza na niewielkich wysokociach.

Napowietrzne linie przesyowe wysokiego napicia s obiektami technicznymi towarzyszcymi wspóczesnej cywilizacji od ponad stu lat; w polskich warunkach regu jest, e przewodz one prd zmienny o czstotliwoci 50 Hz i napiciu 110 kV lub jego wielokrotnoci. Ze wzgldu na znaczne wysokoci (nawet kilkaset metrów) i sab widoczno stanowi zagroenie dla nisko latajcych samolotów, szybowców czy motolotni. O znaczeniu problemu wiadczy przedstawiony na rys. 1 procentowy udzia kolizji migowców z liniami przesyowymi w USA; wikszo takich kolizji prowadzi w konsekwencji do mierci lub kalectwa ludzi oraz znacznych strat materialnych.

(2)

650 automation 2009automation 2009

Rys. 1. Udzia kolizji komercyjnych migowców z liniami przesyowymi (%) w USA w latach 1996 – 2000 (cakowita liczba wypadków 934) [4]

1.CHARAKTERYSTYKA LINII PRZESYOWYCH JAKO RÓDA PROMIENIOWANIA I OBIEKTU ATAKU.

Napowietrzne elektroenergetyczne linie przesyowe wysokiego napicia emituj pole elektryczne i magnetyczne o czstotliwoci 50 Hz. Warto natenia pola elektrycznego zmniejsza si bardzo wyra nie przy oddalaniu si od osi linii w bok oraz przy zblianiu si do konstrukcji supów. Wartoci natenia obu pól s w znacznym stopniu zalene od wysokoci nad powierzchni ziemi, na której dokonywane s pomiary. Ze wzgldu na fakt, e warto natenia pola elektrycznego nie jest zalena od obcienia linii a gównie od wartoci jej napicia, przyjto, e natenie pola elektrycznego jest wielkoci umoliwiajc wykrycie celu (linii napowietrznej); do okrelenia jego pooenia ktowego przydatna jest skadowa magnetyczna pola elektromagnetycznego.

W opracowaniu [8] przedstawiono budow czujnika o waciwociach kierunkowych, umoliwiajcego wykrycie i lokalizacj emitujcego pole elektromagnetyczne urzdzenia elektroenergetycznego, którym jest np. linia przesyowa wysokiego napicia. W referacie konferencyjnym [9] zaprezentowano koncepcj lokalizacji punktowego i liniowego róda zmiennego pola elektrycznego o maej czstotliwoci (rys. 2).

W skad urzdzenia sucego do lokalizacji pooenia ktowego celu wchodz dwa wzajemnie prostopade czujniki Tp1 i Tp2. W opracowaniu [9] wyznaczono zalenoci napi na wyjciach czujników od któw ich odchylenia od prostej normalnej do osi linii przesyowej:

D D S D D D 3D

sin 2 sin cos 5 . 0 cos cos 2a E k u_I i (1)

(3)

(4)

Na rys. 3 przedstawiono obliczone wartoci unormowanych napi u1 i u2na wyjciach torów pomiarowych, ich ilorazu u1/u2 oraz logarytmu ln(u1/u2) w funkcji kta odchylenia czujnika i od normalnej do linii wysokiego napicia. Liniowa zaleno logarytmu z ilorazu

skutecznych wartoci napi na wyjciach czujników (d) od kta odchylenia osi symetrii zespou czujników umoliwia lokalizacj pooenia ktowego linii przesyowej.

2. KONCEPCJA BUDOWY BLOKÓW FUNKCJONALNYCH UKADU 2.1. Ukad zasilania

Warunkiem poprawnego funkcjonowania kadego ukadu jest poprawny dobór zasilania. W przypadku ukadów pracujcych w warunkach laboratoryjnych (stacjonarnych) zagadnienie staje si drugorzdne ze wzgldu na dostpno sieci elektroenergetycznej i caej gamy typowych zasilaczy stabilizowanych. W sytuacji, gdy urzdzenie pomiarowe zainstalowane jest na pokadzie wyposaonego w silnik i prdnic obiektu latajcego a nawet gdy obiekt latajcy jest pozbawiony prdnicy lecz posiada zdolno do przenoszenia na pokadzie róda zasilania w postaci akumulatora czy te baterii ogniw galwanicznych, problemem i koniecznoci jest jedynie zapewnienie poprawnej pracy wspomnianego róda oraz ewentualnie stabilizacji napicia zasilajcego urzdzenia pomiarowe a take ochrona ukadu pomiarowego przed zakóceniami wnoszonymi przez prdnic.

Powane problemy wystpuj w przypadku wyrobów wojskowych, gdy ukad pomiarowy jest jednym z bloków funkcjonalnych zapalnika zblieniowego czy te ukadu naprowadzania pocisku rakietowego lub bomby lotniczej. Okres gwarancyjny i czas magazynowania takich wyrobów to zazwyczaj kilkanacie lat, co jest okresem zbyt dugim na to, by akumulator lub bateria zachoway swoje waciwoci. Wprawdzie wyjtek od przedstawionej reguy stanowi baterie litowe o czasie skadowania rzdu 10 lat, istniej jednak inne ograniczenia ze wzgldu na bezpieczestwo przechowywanych wyrobów - w warunkach, gdy magazynowane wyroby zawieraj materiay wybuchowe, nie dopuszcza si w warunkach technicznych danego wyrobu lub dopuszcza z powanymi ograniczeniami, by zawierajcy materia wybuchowy i skadowany wyrób zawiera naadowane ródo energii elektrycznej, mogce przy zym zbiegu okolicznoci doprowadzi do wybuchu, zapocztkowujcego eksplozj innych wyrobów skadowanych w ssiedztwie.

Prób uporania si z tym problemem jest przedstawione w patencie [6] rozwizanie polegajce na tym, e ukad elektroniczny wyrobu bojowego oraz sponka zapalajca jego ukadu wykonawczego zasilane s z baterii kondensatorów elektrolitycznych o znacznej pojemnoci. Bateria kondensatorów adowana jest w chwili opuszczania przez wyrób wyrzutni rakietowej czy te pokadu samolotu bombowego. Kilkunastoletni okres pewnego dziaania kondensatorów umoliwia niezawodne funkcjonowanie wyrobu w okresie gwarancyjnym a zarazem umoliwia bezpieczne jego magazynowanie.

Konsekwencj przyjcia powyszego rozwizania jest konieczno zastosowania elementów elektronicznych (gównie ukadów scalonych) o bardzo maym poborze mocy; zasilajca ukad elektroniczny bateria poczonych równolegle kondensatorów o pojemnoci 6600 PF (3x2200 PF) zapewnia zasilanie ukadu pobierajcego prd o wartoci 1 mA przez okoo jedn minut.

(5)

2.2 Ogólna budowa ukadu lokalizacji

Na rys. 4 przedstawiono schemat blokowy ukadu sucego do lokalizacji pooenia ktowego napowietrznej linii wysokiego napicia, stanowicej ródo promieniowania elektromagnetycznego niskiej czstotliwoci.

Rys. 4. Schemat blokowy ukadu lokalizacji pooenia ktowego linii wysokiego napicia Podstawowym czonem ukadu lokalizacji jest zespó dwóch identycznych wzajemnie prostopadych czujników o waciwociach kierunkowych, z których kady skada si z cewki o znacznej liczbie zwojów i indukcyjnoci osadzonej na rdzeniu z materiau ferromagnetycznego (prt ferrytowy lub z wyarzonej stali niskowglowej). Celem poprawy dobroci ukadu wejciowego przewidziano równie opcj, w której obydwie cewki zostay poczone z kondensatorami o pojemnoci rzdu kilku PF, tworzc równolege obwody o czstotliwoci rezonansowej 50 Hz.

Uzyskane na wyjciach czujników sygnay napiciowe zostaj doprowadzone do ukadów wzmacniajco – filtrujcych, zapewniajcych wzmocnienie napiciowe rzdu 107 oraz tumienie sygnaów zakócajcych.

Otrzymane na wyjciach ukadów wzmacniajco – filtrujcych sygnay napiciowe o przebiegach sinusoidalnych zostaj doprowadzone do ukadów obróbki i logarytmowania, gdzie podlegaj wyprostowaniu, filtracji (przeksztaceniu AC/DC) oraz logarytmowaniu. Sygnay napiciowe z wyj w/w ukadów s odejmowane we wzmacniaczu rónicowym, którego wzmocnienie jest nastawiane w taki sposób, by ukad odczytu wskazywa warto kta odchylenia osi obiektu latajcego od prostej normalnej do osi linii przesyowej wysokiego napicia. Sygna na wyjciu wzmacniacza rónicowego moe by doprowadzony do bloku naprowadzania obiektu latajcego na lini przesyow (ukadu regulacji automatycznej), stanowic ekwiwalent wielkoci regulowanej (kta odchylenia osi obiektu od linii celu).

2.2.1. Budowa ukadu wzmacniajco – filtrujcego

Uproszczony schemat ukadu w jednym kanale przedstawiono na rysunku 5. Wzmocnienie i filtracja sygnau w zbudowanym i zbadanym ukadzie modelowym odbywa si w trzech stopniach. Pierwszym stopniem jest wzmacniacz pomiarowy zbudowany w oparciu o ukad scalony INA-128 produkowany przez firm Burr – Brown.

Sygna wejciowy doprowadzony jest bezporednio pomidzy wejcia wzmacniacza pomiarowego. Celem uproszczenia rysunku pominito na nim kompensacj wejciowego

(6)

poprzez dobór rezystora R*.

Rys. 5. Schemat blokowy ukadu wzmacniajco – filtrujcego

Wzmocniony w ukadzie U1 sygna z czujnika doprowadzony jest poprzez sprzenie pojemnociowe (kondensator C1) do zbudowanego z dwóch ukadów scalonych typu

LMF-100 (nowsza wersja ukadu MF-10) pasmowoprzepustowego filtru Butterwortha 8 rzdu o charakterystyce amplitudowej przedstawionej na rysunku 6. Projektowanie filtru przeprowadzono w oparciu o [1, 2] a zaoenia konstrukcyjne, szczegóowy schemat i charakterystyk amplitudow przedstawiono w [3]. Ukad LMF-100 podobnie jak MF-10 wymaga doprowadzenia sygnau zegarowego o czstotliwoci 100 razy wikszej od czstotliwoci rodkowej filtru. Fakt, e sygna zegarowy wytwarzany jest na ogó przez generatory, których czstotliwo jest okrelona poprzez waciwoci rezonatora kwarcowego sprawia, e czstotliwo sygnau zegarowego jest bardzo stabilna i w praktyce niezalena od zmian wartoci napicia zasilajcego i temperatury otoczenia. Zalet zastosowanego filtru jest bardzo prosta budowa, wad konieczno dodatkowej budowy generatora sygnau zegarowego, najczciej zreszt z zespoem dzielnika czstotliwoci. Konieczno spenienia powyszych uwarunkowa zwiksza dodatkowo wymiary geometryczne ukadu oraz warto pobieranego przez niego prdu.

Sygna wyjciowy z zespou filtrów poprzez kondensator sprzgajcy C2 doprowadzony jest

do drugiego stopnia wzmacniajcego, zbudowanego równie ze wzmacniacza pomiarowego INA-128.

Wzmacniacz pomiarowy typu INA-128 charakteryzuje si niskim napiciem zasilajcym (sumaryczne napicie ju od 4 V, nieznacznym poborem prdu (rzdu 700PA) i dryftem temperaturowym oraz znacznym wzmocnieniem sygnau rónicowego (wedug producenta do 104, w praktyce 5*103). Cechy te powoduj, e mona go stosowa w ukadach o niewielkim poborze mocy, niekiedy równie zasilanych z baterii kondensatorów. Do tego ostatniego zastosowania nie nadaje si jednak ukad LMF-100 (a tym bardziej MF-10), który wprawdzie moe by zasilany napiciem cakowitym poczynajc ju od wartoci 4 V, jednake pobór prdu przez pojedynczy ukad jest rzdu 10mA, co sprawia, e staje si nieprzydatny do zastosowa mikromocowych, zwaszcza zasilanych z baterii kondensatorów. W przypadku koniecznoci budowy ukadu filtru aktywnego o bardzo maym poborze prdu mona zastosowa przedstawiony na rysunku 7 filtr modelujcy zmienne stanu, zbudowany ze wzmacniaczy operacyjnych TLE-2021 i TLE2022 [ 3]. Waciwoci tego filtru s gorsze od przedstawionego uprzednio filtru zbudowanego z ukadów LMF-100. Podstawow wad jest

(7)

moliwo przestrojenia i zmiany wartoci czstotliwoci rodkowej na skutek zmian wartoci rezystancji i pojemnoci zastosowanych elementów dyskretnych, gównie na skutek zmian wartoci temperatury otoczenia a take starzenia si elementów. Powoduje to, e niecelow staje si w tym przypadku budowa filtru o znacznej dobroci Q > 10, jednake fakt, e filtr taki obcia ródo zasilania prdem rzdu 0,6 mA sprawia, e moe by zastosowany np. jako blok funkcjonalny zasilanego z baterii kondensatorów ukadu zapalnika zblieniowego w pocisku rakietowym przeznaczonym do obezwadniania linii wysokiego napicia.

Rys. 6. Charakterystyka amplitudowa pasmowoprzepustowego filtru Butterwortha 8 rzdu o czstotliwoci rodkowej f0= 50 Hz i dobroci Q = 10 [3]

Cigy postp w zakresie produkcji podzespoów elektronicznych spowodowa, e w ostatnim czasie pojawiy si w sprzeday wzmacniacze operacyjne nowej generacji, szczególnie predysponowane do zastosowania w ukadach mikromocowych, zasilanych z baterii galwanicznych maej mocy czy te baterii kondensatorów elektrolitycznych.

W przypadku budowy takich ukadów do atrakcyjna wydaje si koncepcja zastosowania w stopniach wzmocnienia bloku wzmacniajco-filtrujcego wzmacniaczy pomiarowych najnowszej generacji produkcji firmy Texas Instrument typu INA-333 o znacznie korzystniejszych od INA-128 parametrach przy niemal zerowym dryfcie temperaturowym i znikomym poborze prdu. Wzmacniacz INA-333 wykonany zosta w opracowanej przez TI technologii zerowego dryftu, która wykorzystuje chroniony patentem filtr zaporowy z przeczanymi pojemnociami. Filtr ten eliminuje zakócenia impulsowe i zapewnia bardzo may poziom wejciowego napicia szumów wynoszcy 50nV/Hz. Ukad zbudowany jest w uniwersalnej konfiguracji wzmacniacza pomiarowego z trzema wzmacniaczami operacyjnymi. Prd spoczynkowy ukadu wynosi jedynie 75 µA a praca ukadu moliwa jest ju przy cakowitym napiciu zasilania tak maym jak 1,8 V, zastosowanie ukadu INA-333 maksymalizuje sprawno zasilania. Mae napicie niezrównowaenia 25 µV i may dryft temperaturowy 0,1 µV/°C pozwalaj na uzyskanie doskonaej precyzji i stabilnoci w dugim czasie eksploatacji [10].

(8)

wzmacniacz operacyjny typu OPA333 o napiciu zasilania 1.8V, poborze prdu przez jeden wzmacniacz okoo 17 µA, wejciowym napiciu niezrównowaenia 2 µV. Podobnie jak INA-333 ukad ten wykonany jest w technologii CMOS i zerowego dryftu.

Rys. 7. Filtr modelujcy zmienne stanu (na podstawie [ 8 ]): Auf = 10, Q = 20, f0 = 50 Hz, R1

= 30 k: , R2 = 900 k: , R3 = 900 k: , R4 = 300 k: , R5 = 318,5 k: , R6 = 300 k: , R7 =

318,5 k: , R8 = 300 k: , C1 = C2 =10 nF

Rys. 8. Charakterystyki amplitudowe filtru modelujcego zmienne stanu dla rónych wartoci dobroci Q: 1 – Q = 5, 2 – Q =10, 3 – Q = 20 [3]

2.2.2. Ukad obróbki sygnau i logarytmowania

Uzyskane w obu kanaach na wyjciach ukadów wzmacniajco – filtrujcych przemienne sygnay napiciowe o czstotliwoci 50 Hz podlegaj wyprostowaniu i filtracji a nastpnie logarytmowaniu. Celem minimalizacji liczby zastosowanych ukadów zdecydowano si na wykorzystanie po niezbdnych modyfikacjach nietypowego ukadu, omówionego w [7].

(9)

Schemat ukadu przedstawiono na rysunku 9. Ukad ten jest przetwornikiem napicia zmiennego na stae o charakterystyce logarytmicznej, umoliwiajcym uzyskanie w zakresie napi wejciowych od 3,3 mV do 3,3 V dokadnoci przetwarzania lepszej od 1 dB. Zmiany temperaturowe napicia wyjciowego s mniejsze ni 3 % na 10 ºC. Potencjometr PR1 suy do symetryzacji odczytów w obu kanaach.

Rys. 9. Schemat ukadu obróbki sygnau i logarytmowania (na podstawie [7]) 2.2.3 Budowa ukadu dopasowujcego i odczytu.

Ostateczny wynik obróbki sygnaów z obu czujników o waciwociach kierunkowych w postaci wartoci kta zawartego pomidzy dwusieczn kta zawartego pomidzy osiami czujników a lini celu dostpny jest w postaci wskazania wywietlacza cyfrowego LCD sterowanego przez przetwornik analogowo – cyfrowy (woltomierz cyfrowy) typu ICL 7106 (rys. 10). Poprawny odczyt wyniku pomiaru wymaga dopasowania wartoci rónicy sygnaów z wyj ukadów obróbki sygnaów i logarytmowania. Dopasowanie odbywa si poprzez zmian wzmocnienia wzmacniacza pomiarowego INA-128 za pomoc zmian wartoci rezystancji R*. Napicie na wyjciu WY tego ukadu po dopasowaniu jest liniow funkcj kta odchylenia czujników od linii celu i moe by wprowadzane do ukadu regulacji (naprowadzania) jako odpowiednik wielkoci regulowanej (kta odchylenia).

(10)

Wstpne badania ukadu lokalizacji pooenia linii przesyowych przedstawionego blokowo na rys. 4 wykazay poprawno przyjtej koncepcji lokalizacji celów liniowych w odlegoci od nich (linia 110kV) nie przekraczajcej 150 m. Prowadzone w przyszoci prace i badania zmierza bd do zwikszenia czuoci a tym samym zasigu ukadu. Problemem utrudniajcym praktyczne zastosowanie ukadu jest znaczna wraliwo ukadu logarytmujcego (rys. 9) od zmian temperatury otoczenia. Problemem jest równie dobór ukadów i wartoci elementów dyskretnych w taki sposób, by zminimalizowa pobór prdu przez ukad. Pozytywne rezultaty prac umoliwi zastosowanie takiego mikromocowego ukadu w urzdzeniach zasilanych energi z baterii kondensatorów elektrolitycznych.

1. Horowitz P., Hill W.: Sztuka elektroniki Cz. 1. WK . Warszawa 1996

2. Izydorczyk J., Konopacki J.: Filtry analogowe i cyfrowe. Wydawnictwo Pracowni Kom puterowej Jacka Skalmierskiego, Katowice 2003.

3. Koruba Z. Tunio J: Generation and reduction of slow-varying disturbances affecting the operation of systems for detection and location of electromagnetic fields from overhead power lines. Mechanics, vol. 26, No.3, 2007. AGH University of Science and Technology Press, Cracow, pp. 133-139.

4. Monsoo Park: Millimeter-wave polarimetric radar sensor for detection of power lines in strong clutter background. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in University of Michigan 2003.

5. National Semiconductor: LMF-100, High performance dual switched capacitor filter, July 1999.

6. Patent PL 162020.B1 – Ukad zasilania zapalnika do bomb lotniczych. 7. Sota S. Kotlewski H.: Ukady scalone liniowe i ich zastosowanie.

WNT, Warszawa 1977.

8. Szmitkowski J, Tunio J. i inni: Metoda i urzdzenie do monitorowania zagroe poraenia prdem elektrycznym w warunkach prowadzenia akcji ratowniczych. Sprawozdanie z realizacji projektu badawczego, Szkoa Gówna Suby Poarniczej, Warszawa 2003 r.

9. Tunio J., Koruba Z.: Koncepcja okrelenia pooenia ktowego róda promieniowania elektromagnetycznego maej czstotliwoci na przykadzie napowietrznych urzdze elektroenergetycznych VI Midzynarodowa Konferencja Uzbrojenia – Waplewo 2006. 10. http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/ina333.html

11. http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/opa333.html

Praca naukowa finansowana ze rodków na nauk w latach 2008 - 2010 jako projekt badawczy