Z E S Z Y T Y N A U K O W E P O L IT EC H N IK I ŚLĄ SK IEJ Seria: E L E K T R Y K A z. 191
2004 N r kol. 1633
A rtu r P A S IE R B E K
Instytut E lektrotechniki T eoretycznej i P rzem ysłow ej. Zakład E lektrotechniki i Inform atyki
PRAKTYCZNA WERYFIKACJA KOMPUTEROWEGO SYSTEMU DO POMIARU NATĘŻENIA POLA
ELEKTRYCZNEGO
S tre szc ze n ie . W prezentow anej pracy zam ieszczono wyniki badań lab oratoryjnych i tere
now ych prototypow ego czujnika i system u pomiarowego przezn aczo n eg o do p om iaru natężenia p o la elektrycznego. P odczas badań szczególną uwagę zw rócono na dokładność pom iaru oraz na p aram etry eksploatacyjne (łatw ość obsługi, b ezpieczeństw o personelu dokonującego pom iarów , obszar zastosow ań).
P R A C T IC A L V E R IF IC A T IO N O F T H E CO M PU TER B A S E D E L E C T R IC FIE L D IN T E N S IT Y M E A S U R E M E N T SY S T E M
S u m m a ry . The pap er describes results o f laboratory tests and practical verification o f the com puter based m easurem ent system w ith six-electrode sensor. T his system is used to m easure electric field around high voltage devices. Accuracy o f the m easurem ents and exploitation properties (user friendliness, safety, applications) have been exam in ed during tests.
1. W P R O W A D Z E N IE
P rototypow y czujnik m a kształt kuli, na pow ierzchni której zn ajd u je się sześć odizolow anych od siebie przew odzących elektrod rozm ieszczonych ja k na rys. 1. W ew nątrz znajduje się układ elektroniczny zasilany z baterii.
E lektrody p om iarow e Sx, S ’x , SY, S ’Y, Sz, S ’z są połączone w ew n ątrz czujnika z elektronicznym układem pom iarow ym (rys. 2).
Z m ienne pole elektryczne, w którym um ieszczam y czujnik podczas pom iarów , indukuje na p o w ierzchniach elektrod ład u n ek o zm ieniającej się gęstości w czasie. T o z k o lei pow oduje przepływ p rądu przez p o łączenia w ew nątrz elektrod. W układzie różnicow ym następuje o dejm ow anie prąd ó w z przeciw ległych elektrod (oddzielnie dla każdej pary) i przetw o rzen ie na sygnał napięciow y. U zyskana w artość napięcia je s t proporcjonalna do w artości n atężenia po la działającego w kierunku zgodnym z w ektorem norm alnym rozpatryw anej pow ierzchni.
N astępnie sygnał napięciow y podaw any je s t na w ejście przetw ornika analogow o-cyfrow ego (A /D ). U zyskana po przetw orzeniu cyfrow a reprezentacja wyniku p rzesy łan a je s t do nadajnika,
106 A. Pasierbek a następnie w postaci sygnałów św ietlnych w yprow adzona na zew nątrz św iatłow odem . Do p o m iaru w szystkich trzech składow ych w ektora E użyto oddzielnych to ró w pom iarow ych.
Rys. 1. Czujnik sześcioelektrodowy - rozmieszczenie elektrod Fig. 1. Six electrode sensor - electrode location
Rys. 2. Czujnik sześcioelektrodowy - schemat blokowy Fig. 2. Six electrode sensor - block diagram
Z astosow any do p om iarów czujnik prototypow y (rys. 3) je s t ko n stru k cją now ą, nie p o d d a n ą w eryfikacji dośw iadczalnej. Z aistniała w ięc realna p o trzeb a przebadania zrealizow anego prototypu. S zczególnie w idoczna gdy uw zględni się fakt, że podczas w y prow adzania teoretycznego rów nania p rzetw arzan ia w prow adzono szereg założeń upraszczających [3],
P raktyczna w eryfikacja kom puterow ego.. 107
Rys. 3. Zdjęcie czujnika prototypowego Fig. 3. Photo of the sensor prototype
Rys. 4. System pomiarowy z czujnikiem sześcioelektrodowym Fig. 4. Measurement system with six electrode sensor
O pracow any przez autora system pom iarow y (rys. 4), w skład którego w chodzi oprogram ow anie pom iarow e, został zaprojektow any i w ykonany od podstaw [3, 4, 5]. W obec tego w ym agał on gruntow nego przebadania nie tylko w laboratorium , ale rów n ież w terenie.
B adania takie zostały przeprow adzone, a uzyskane w yniki p ozw oliły n a określenie podstaw ow ych w łaściw ości m etrologicznych i użytkowych czujnika i w spółpracującego z nim system u pom iarow ego.
2. W Z O R C O W A N IE P R Z Y R Z Ą D U
W zorcow anie przeprow adzono zgodnie z zaleceniam i n orm y IEC 833 w je d n o ro d n y m p olu elektrycznym w układzie pokazanym n a rys. 5 [3],
108 A. P asierbek
Rys. 5. Schemat układu zastosowanego do wzorcowania czujnika Fig. 5. Scheme o f the sensor calibration system
Po um ieszczeniu czu jn ik a p om iędzy okładkam i kondensatora, tak by w skazanie dla w y b ranej p ary elektrod było m aksym alne, p rzeprow adzono po m iary w zakresie od 0 do 10 kV /m co 1 kV /m . N astępnie proces pom iarow y pow tórzono dla pozostałych p ar elektrod. U zyskane w yniki przedstaw iono w tabeli 1.
Tabela 1 Wyniki pomiarowe oraz błędy pomiaru natężenia pola elektrycznego czujnikiem sześcioelektrodowym
pomiędzy okładkami kondensatora płaskiego
E Ex Ey Ez AEz AEy AEz 8Ex 5Ey 5Ez
kV/m kV/m kV/m kV/m kV/m kV/m kV/m % % %
0 0,06 0,06 0,06 0,06 0,06 0,06 - - -
1 1 , 0 1 1,03 1,07 0 , 0 1 0,03 0,07 1 , 0 3,0 7,0
2 1,96 1,98 2,07 -0,04 -0 , 0 2 0,07 -2 , 0 -1 , 0 3,5
3 2,93 3,09 3,00 -0,07 0,09 0 , 0 0 -2,4 3,0 0 , 0
4 3,89 4,07 4,10 -0 , 1 1 0,07 0 , 1 0 -2 , 8 1 , 8 2,5
5 4,97 4,96 5,13 -0,03 -0,04 0,13 -0 , 6 -0 , 8 2 , 6
6 6 , 0 2 6,09 5,98 0 , 0 2 0,09 -0 , 0 2 0,4 1,5 -0,4
7 6 , 8 6 7,07 7,03 -0,14 0,07 0,03 -2 , 0 1 , 0 0,5
8 7,78 8 , 0 1 8,23 -0 , 2 2 0 , 0 1 0,23 -2 , 8 0 , 2 2,9
9 8,98 8 , 8 6 9,06 -0 , 0 2 -0,14 0,06 -0,3 -1 , 6 0,7
1 0 9,82 9,78 10,25 -0,18 -0 , 2 2 0,25 -1 , 8 -2 , 2 2,5
1 0 , 6 10,32 1 0 , 1 1 10,84 -0,28 -0,49 0,24 -2,7 -4,7 2,3
N a podstaw ie danych z tabeli 1 sporządzono charakterystyki p rzetw arzania trzech torów pom iarow ych. Z u zyskanych w yników m ożna w nioskow ać, iż czujnik m a lin io w ą charak te
rystykę przetw arzan ia oraz że nachylenie charakterystyk dla poszczególnych to ró w p o m ia
row ych je s t różne od je d n o ści (przypadek idealny). W y stęp u ją rów nież różnice p om iędzy poszczególnym i kanałam i (0,979 dla kanału x, 0,967 dla kanału y, 1,015 dla k anału z).
P rz y cz y n ą tych rozbieżności je s t niedokładne w ykonanie elektrod czujnika co w konsekw encji prow adzi do w ykazyw ania p rzez czujnik w łaściw ości kierunkow ych.
P raktyczna w eryfikacja komputerowego.. 109
E, kV/m
Rys. 6. Charakterystyki przetwarzania czujnika Fig. 6. Characteristics o f the sensor
E, kV/m
Rys. 7. Błąd bezwzględny pomiaru dla różnych wartości natężenia pola elektrycznego Fig. 7. The absolute measurement error for different values o f electric field intensity
N a podstaw ie danych z badań laboratoryjnych sporządzono ch arakterystyki błędu w zg lęd nego i bezw zględnego pom iaru natężenia p o la elektrycznego. B ezw zględny błąd p om iaru nie przekracza w artości 0,3 kV /m w przedziale (0 — 10 kV /m ). O dpow iada to 3% pełnego zakresu pom iarow ego.
110 A. Pasierbek
E, kV/m
Rys. 8. Błąd względny pomiaru dla różnych wartości natężenia pola elektrycznego Fig. 8. The relative measurement error for different values o f electric field intensity
O prócz pom iarów przeprow adzonych p rzy stałym ustaw ieniu czujnika w stosunku do okładek kondensatora, przeprow adzono szereg po m iaró w przy stałej w artości skutecznej natężen ia p o la elektrycznego i zm iennym ułożeniu czujnika. P om iary te m iały w ykazać bezkierunkow ość w skazań czujnika lub je j zaprzeczyć. N a podstaw ie w cześniejszych pom iarów i u zyskanych w yników należało się spodziew ać, że w y stą p ią pew ne różnice w skazań p rzy zm ianach poło żen ia czujnika w ynikające z nieidealnego w y konania elektrod. Po przeprow adzeniu b adań dla trzech w artości n atężenia p o la elektrycznego 4 kV /m , 7,5 k V /m i 1 0 k V /m okazało się, że w skazanie w nieznacznym stopniu zależy od ustaw ienia czujnika.
U zyskane w yniki zam ieszczono w tabeli 2. N a ich podstaw ie m ożna w nioskow ać, że błąd bezw zględny w ynikający z kierunkow ości czujnika n ie przekracza 0,2 kV /m . W artość ta o d pow iada 2% pełnego zakresu pom iarow ego.
Tabela 2 Wyniki pomiaru natężenia pola elektrycznego dla różnych ustawień czujnika
w polu elektrycznym o natężeniu 4 kV/m, 7,5 kV/m i 10 kV/m E„ = 4,0 kV/m Ec = 7,5 kV/m En = 10,0 kV/m
E 8Ex 8 #Ex E 8Ex 8°Ex E 8Ex 8°Ex
kV/m kV/m % kV/m kV/m % kV/nt kV/m %
4,16 0,16 4,0 7,43 -0,07 -0,94 10,09 0,09 0,9
4,20 0 , 2 0 5,0 7,58 0,08 1,07 9,81 -0,19 -1,9
4,08 0,08 2 , 0 7,62 0 , 1 2 1,60 10,07 0,07 0,7
4,14 0,14 3,5 7,43 -0,07 -0,94 9,86 -0,14 -1,4
4,19 0,19 4,8 7,61 0 , 1 1 1,47 1 0 , 1 1 0 , 1 1 1 , 1
3,95 -0,05 -1,3 7,55 0,05 0,67 9,95 -0,05 -0,5
4,17 0,17 4,3 7,42 -0,08 -1,07 10,13 0,13 1,3
3,99 -0 , 0 1 -0,3 7,51 0 , 0 1 0,14 9,92 -0,08 -0 , 8
4,11 0 , 1 1 2 , 8 7,47 -0,03 -0,4 9,89 -0 , 1 1 -1 , 1
4,04 0,04 1 , 0 7,52 0 , 0 2 0,27 10,04 0,04 0,4
P raktyczna w eryfikacja kom puterowego. 111 N a podstaw ie danych z tabeli 2 sporządzono w ykresy ilustrujące uzyskane w yniki.
Rys. 9. Błąd bezwzględny pomiaru natężenia pola elektrycznego dla różnych ustawień czujnika Fig. 9. The absolute measurement error for different positions o f sensor
Rys. 10. Błąd względny pomiaru natężenia pola elektrycznego dla różnych ustawień czujnika Fig. 10. The relative measurement error for différent positions o f sensor
3. P O M IA R NATĘŻENIA P O L A E L E K T R Y C Z N E G O P O D L IN IĄ 400 kV
P odczas badań terenow ych czujnika p rzeprow adzono po m iary p o la w irującego. B adania przeprow adzone zostały w W ojkow icach K ościelnych p o d d w u to ro w ą lin ią o napięciu zn a
m ionow ym 400 kV. W ykonano szereg po m iaró w dla różnych położeń czujnika w przekroju poprzecznym linii i zadanej w ysokości. N a p odstaw ie uzyskanych p o m iaró w sporządzono ch a rakterystykę rozkładu natężenia p o la elektrycznego w funkcji p o ło ż en ia czujnika w p rzekroju
poprzecznym linii (rys. 11). O trzym ane w yniki porów nano z w ynikam i teoretycznym i [1]
uzyskując potw ierdzenie popraw nego działania system u pom iarow ego.
112__________________________________________________________________________ A. P asierbek
x, m
Rys. 11. Rozkład natężenia pola elektrycznego w przekroju poprzecznym dwutorowej linii 400 kV na wysokości 2,2 m od powierzchni ziemi
Fig. 11. Electric field intensity o f the two-way 400 kV power line cross section measured 2.2 m above a ground
Rys. 12. Pole elektryczne spolaryzowane eliptyczne Fig. 12. Elliptical polarization o f electric field
Jeżeli źródłem p o la elektrycznego są, co najm niej dw a p rzew o d y zasilane napięciem o p rzebiegu sinusoidalnym o różnych przesunięciach fazow ych, to w okół ty c h przew odów p ow staje p o le eliptyczne (rys. 12) lub w szczególnym przy p ad k u po le kołow e [2]. D okonując pom iarów n atężenia po la elektrycznego w kierunku trzech w zajem nie prostopadłych osi tw orzących kartezjański układ w spółrzędnych, m ożliw e je s t obliczenie pow ierzchni zakreślanej przez w irujący w ektor pola elektrycznego. O program ow anie pom iarow e um ożliw ia w ykonanie takich obliczeń, ja k rów nież w ykreślenie na ich p odstaw ie w ykresów
P raktyczna weryfikacja kom puterow ego. 113 trójw ym iarow ych. Obliczenia i w izualizacja w yników w ykonyw ane są w czasie rzeczyw istym , dlatego m ożliw a jest ciąg ła obserw acja zm ian zach o d zący ch w badanym obiekcie.
P rzykładow e wyniki otrzym ane podczas pom iarów p rzedstaw iono na rys. 12. N a uzyskanym w ykresie w yraźnie zarysowuje się kształt elipsy, a drobne odstępstw a od ideału spow odow ane są błędam i pomiarowymi. U zyskane w yniki prezen to w an e s ą w lokalnym układzie w spółrzędnych, którego p o cz ątek zn ajduje się w geo m etry czn y m środku czujnika, natom iast kierunki osi wyznaczone s ą przez je g o elektrody. O b ró t czujnika p o w oduje zm ianę poło żen ia otrzym anej krzywej.
P odczas pomiarów p o d lin ią 4 00 kV obserw ow ane b y ły zm ian y uło żen ia p o la eliptycznego w przestrzeni trójwymiarowej. P rzykładow e w y n ik i p o m ia ró w w p rzekroju pop rzeczn y m linii na w ysokości 2,20 m przedstaw iono na rysunku (1 3a-i).
a)
- = 36,24 b)
■ = 33,4
c)
= 19,43
d)
= 6,18
e)
2,49 f)
= 13,47
= 34,30 h)
■ 21,7 5 : 47,37
Rys. 13. Zmiany polaryzacji pola elektrycznego pod linią400 kV Fig. 13. Electric field polarization variation under 400 kV power line
Przedstawione na rys. 13 w ykresy p rze d staw ia ją zm iany p o la eliptycznego przy zm ianie położenia czujnika w p rzek ro ju poprzecznym linii. Rys. 13e p rzedstaw ia pole eliptyczne w osi sym etrii linii dw utorowej. W punkcie tym stosunek p ó łosi dużej do p ó łosi m ałej elipsy je s t najm niejszy, czego n ależało się spodziew ać ze w zg lę d u n a najw iększe oddziaływ anie przew odów obu linii.
114 A. P asierbek 4. P O D S U M O W A N IE
N a podstaw ie p rzeprow adzonych badań m ożna w yciągnąć następujące w nioski:
- B łąd p om iaru natężen ia p o la elektrycznego czujnikiem prototypow ym w całym zakresie pom iarow ym nie p rzek racza w artości 0,3 kV /m .
- C zujnik podczas pom iarów w ykazyw ał pew ne w łaściw ości kierunkow e. S pow odow ane je s t to niedokładnym w ykonaniem elektrod oraz błędam i elektronicznego toru p rzetw arzania sygnałów pom iarow ych. B łąd b ezw zględny w yw ołany k ierunkow ością czujnika nie p rzek racza w artości 0,2 kV /m . N ie m a w ięc po d staw do przypuszczenia, że otrzym ane n a drodze teoretycznej w nioski o b ezkierunkow ości czujnika są niepraw dziw e.
- C zujnik um ożliw ia popraw ny p om iar natężenia po la elektrycznego w iększego n iż m aksy
m alny zakres pom iarow y. M aksym alna m ierzona w artości m oże być -J3 razy w iększa od zakresu pom iarow ego. P rzypadek ten odpow iada takiem u usytuow aniu czujnika, p rzy którym w artość chw ilow a w każdym torze pom iarow ym nie przekracza m aksym alnej dopuszczalnej w artości, a składow e w ek to ra w kierunku każdej pary elektrod s ą takie sam e. P rzedstaw iony przy p ad ek je s t przypadkiem szczególnym i m ożliw ym do uzyskania podczas pom iarów p oprzez odpow iednie ustaw ienie czujnika. Jednak operator, aby móc dokonyw ać pom iarów pow yżej m aksym alnego zakresu, musi cały czas obserw ow ać przebiegi czasow e w torach x, y i z. Jeżeli chociaż w je d n y m z torów pom iarow ych zostanie przek ro czo n a dopuszczalna w artość, to w ów czas otrzym ane w skazanie obarczone je s t dodatkow ym błędem .
- Z m iany w skazań w yw ołane efektem zbliżenia m ożna pom inąć, gdy czujnik je s t w odległości w iększej niż 1 m od elem entów konstrukcyjnych obiektu badanego, w artość ta odpow iada około 10-krotnej średnicy czujnika.
- W pływ niejednorodności m ierzonego p o la m ożna pom inąć, gdy czujnik znajduje się w odległości w iększej niż 1 m od źródła pola.
- B adania terenow e potw ierd ziły p rzenośny charakter urządzenia. C zas potrzeb n y do p rzy gotow ania stanow iska p om iarow ego w terenie je s t krótszy niż 5 m inut. Ł atw ość k o n fi
guracji system u pom iaro w eg o i oprogram ow ania spraw ia, że p om iary m oże w ykonyw ać je d n a osoba.
L IT E R A T U R A
1. Baron B.: Pole elektryczne przesyłowej linii trójfazowej 400 kV. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej Elektryka z. 64, Gliwice 1979, s. 57-70.
2. Baron B., Gacek Z.: Problems o f univocal estimation o f electric field intensity round high voltage power equipment. 8th International Symposium On High Voltage Engineering. Yokohama, Japan 23-
27.08.1993.
3. Pasierbek A.: Miernik natężenia pola elektrycznego quasistacjonarnego z czujnikiem sześcioelektro- dowym. Warsztaty doktoranckie II OWD 2000. Istebna-Zaolzie 10.2000, s.178-182.
4. Pasierbek A.: Transmission o f measured signals from six electrode sensor to the measurement system by optical fiber link. Sesit Katedry Teoreticke Elektrotechniki z. XXI, Ostrava 12.02.2003, p.61-65.
5. Pasierbek A.: Zastosowanie magistrali USB w systemach pomiarowych. Konferencja ZKwE 2002.
Poznań-Kiekrz 22-24.04.2002, Poznań 2002, s. 135-137.
R ecenzent: Prof. d r hab. inż. S tanisław W incenciak
W płynęło do R edakcji dnia 25 m aja 2004 r.
