Внимание! Это ознакомительный вариант работы с системой, войдите или зарегистрируйтесь.
Размещение рекламы | Пользовательское соглашение | Тарифы
, Гость!
Режим : Trial 
Войти...
Регистрация...

Для организаций:
информационный буклет


Институт повышения квалификации специалистов релейной защиты и автоматики

  Союз образовательных сайтов
Онлайн Электрик > Электронная конференция «Электроэнергетика. Новые технологии»

Дата приоритета: 29.03.2012
Код ГРНТИ: 45.53.99
Сертификат участника: Скачать
Прислать статью

Система компенсации убывания электрического поля в массиве горных пород

Семенов М.А., доцент кафедры электротехники и электромеханики
Санкт-Петербургский государственный горный университет

     Одним из средств оповещения шахтеров, работающих под землей, об аварийных ситуациях являются системы радиосвязи, использующие в качестве физического канала для распространения электромагнитных волн полупроводящую среду – массив горных пород. Принцип действия таких систем заключается в однонаправленной передаче низкочастотного радиосигнала сквозь горный массив от антенно-фидерного устройства (АФУ), расположенного на поверхности шахты, к персональным приемникам, которыми оборудуются головные светильники всего подземного персонала. Системы радиосвязи подобного рода являются высоконадежными, обеспечивают гарантированную доставку сообщения об аварии персонально каждому работнику шахты. Они не подвержены аварийным разрушениям и могут функционировать до аварии, во время аварии и после неё. Другие системы радиосвязи, построенные на проводных или кабельных линиях, как правило, разрушаются при авариях. При этом подземный персонал шахты или рудника лишается радио или телефонной связи с поверхностью [1].
     В настоящее время известны системы связи, использующие радиоканал, действующий через толщу горных пород: «Земля-3М», «Радиус-2». «СУБР-1СВМ» и другие. Аварийное оповещение эти системы осуществляют путем преобразования принятого радиосигнала в кодовое мигание лампы головного светильника шахтера. Речевое оповещение в этих системах отсутствует. Хотя оповещение голосом в аварийных ситуациях является более предпочтительным. Ведь шахтер должен узнать не только, что произошла авария, но и понять ее характер, возможные последствия, а также уяснить безопасные пути выхода на поверхность [2].
     Дальность действия вышеуказанных систем связи в значительной степени зависит от электрической проводимости горных пород и частоты передаваемых сигналов. Например, комплекс связи «СУБР-1СВМ» обеспечивает прохождение и прием сигналов оповещения с вероятностью не менее 95% на глубину до 1000 м и по простиранию шахтного поля до 10 км в полосе частот 1050-1150 Гц с чувствительностью индивидуальных приемных устройств не хуже 10 мкА/м [3].
     Полоса частот голосового оповещения составляет 300-3500 Гц, т.е. несколько шире, чем у «СУБР-1СВМ». Поэтому была выполнена оценка дальности распространения и степени затухания сигналов этой полосы частот. Для выполнения расчета была принята средняя интегральная проводимость среды (пород горного массива) s=10-2 См/м, характерная для таких пород, как антрациты, алевролиты, аргиллиты, мокрые глины, кварц-серицитовые сланцы и другие [4]. Расчет выполнялся в соответствии с методикой, представленной в [5]. Результаты расчета показали, что сигналы частот 3000-3500 Гц достигают дальности 500 м в глубину массива, обеспечивая при этом для приемных устройств чувствительность в пределах 10 мкВ/м. [2].Сигналы частот 300-500 Гц распространяются на глубину более 1000 м, значительно превосходя минимальный уровень чувствительности в 10 мкВ/м. Кроме того выяснилось, что напряженность электрического поля на частоте 3500 Гц и дальности передачи 500 м уменьшилась в 24 раза по сравнению с напряженностью на частоте 300 Гц. Следовательно, для увеличения дальности распространения высоких частот речевого диапазона необходимо компенсировать их затухание. Для этого предлагается увеличить коэффициент усиления сигналов высоких частот не менее чем в 24 раза по сравнению с усилением сигналов низких частот [6].
     Для решения этой задачи необходимо в оконечный каскад наземного передатчика, входящего в состав АФУ, ввести корректирующую цепь из последовательно соединенных индуктивности L и емкости С, включенных последовательно с нагрузкой Rн (антенной передатчика), как показано на рис.1.


Рис.1. Оконечный каскад наземного передатчика с корректирующей цепью


     По существу представленный каскад является усилителем низкой частоты. Корректирующая цепь должна иметь преимущественно емкостный характер, чтобы с увеличением частоты ее общее сопротивление уменьшалось, а коэффициент усиления каскада увеличивался.
     Коэффициент усиления К в представленной схеме определяется следующим выражением

,
где Uвх, Uвых – входное и выходное напряжения каскада; h11 и h21 – входное сопротивление для переменного тока и коэффициент передачи тока биполярного транзистора;
,
ω = 2πf – частота передаваемого сигнала; τ = RC - постоянная времени электрической цепи, где R ≈ Rк– коллекторное сопротивление биполярного транзистора. Предполагается, что Rк >> Rн, где Rн – сопротивление антенны передатчика, представляющей собой рамку, расположенную горизонтально над зоной покрытия подземных работ, либо лучи из проводов, растянутых над подземными выработками и заземленных своими концами на обсадные трубы геологических скважин.
     Введенная корректирующая цепь имеет резонансную частоту

.


Эта частота должна быть меньше всех частот передаваемого спектра речевого сигнала и, тем более, частоты 3500 Гц. Из этих соображений получим LC< 2,1·10-9, а для дальнейших расчетов примем LC= 2·10-9.
     Вычислим значения, обозначенного слагаемого М для верхней частоты 3500 Гц (М1)
и нижней частоты 300 Гц (М2)

М1 = 2.37·10-12/τ²; М2 = 27,8·10-8/τ².

     Учитывая, что коэффициенты усиления на частотах 3500 Гц и 300 Гц должны различаться в 24 раза, возьмем их отношение и получим М2 – 576 М1 = 575. Подставим в полученное выражение значения для М1 и М2 и решая относительно τ, найдем τ = 2.2·10-5 с. Величина τ легко реализуется при различных значениях Rк и С. Возьмем Rк = 1000 Ом, тогда величина С = 0,02 мкФ, а с учетом LC= 2·10-9, получим L = 0.091 Гн.
     Полученные значения параметров элементов корректирующей цепи позволяют рассчитать коэффициент усиления К для всего диапазона частот речевого сигнала. Выполним приближенный оценочный расчет, приняв, что сопротивление нагрузки Rн имеет величину такого же порядка, что и входное сопротивление h11 биполярного транзистора, а коэффициент передачи h21 тока примем равным 50. Тогда величину К можно рассчитать по формуле

.


     Результаты расчета представлены на графике рис.2.а (кривая К). На рис.2,б показано убывание напряженности электрического поля в массиве горных пород со средней интегральной проводимостью 10-2 См/м (кривая Е) для этого же диапазона частот на дальности передачи 500 м.

а)
б)
Рис.2. а) Изменение коэффициента усиления оконечного каскада в диапазоне частот речевого сигнала; б) Напряженность электрического поля на дальности передачи 500 м при отсутствии корректирующего каскада


     Выполненный расчет показал, что коэффициент усиления оконечного каскада АФУ с введенной цепью коррекции плавно увеличивается с величины 2,1 на частоте 300 Гц до 49,8 на частоте 3500 Гц, т.е. практически в 24 раза.      На рис.3 представлен график изменения напряженности электрического поля в точке приема (на глубине 500 м) с учетом введенной коррекции. Из рисунка видно, что на частотах от 300 до 1000 Гц наблюдается нарастание электрического поля примерно в 1,5 раза, а на частотах от 1000 до 3500 Гц его плавное убывание в 2 раза. Напряженность электрического поля на высокой частоте составляет 450 мкВ/м, что примерно в 45 раз превышает необходимую для устойчивой связи чувствительность. Это означает, что электрическое поле способно распространяться на большую глубину в массив горных пород, при этом дальность передачи речевого сигнала возрастает.
     Дальнейшие расчеты показывают, что высокая частота речевого диапазона при выбранных параметрах корректирующей цепи и величине коэффициента передачи тока биполярного транзистора (h21) достигает в глубину массива до 800 м, обеспечивая чувствительность в пределах 15 мкВ/м. Большее усиление можно обеспечить путем



Рис.3. Напряженность электрического поля на глубине 500 м после введения корректирующей цепи


выбора биполярного транзистора с высоким h21. Например, при h21 = 250 сигнал частотой 3500 Гц достигнет глубины 1000 м и обеспечит чувствительность в пределах 12 мкВ/м.

ЛИТЕРАТУРА

     1. Копаев А.Е. Радиосвязь под землей: проблемы и решения. Вестник связи №5, 2006. С. 45-47.
     2. Давыдов В.В. Шахтная беспроводная связь. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) №11, МГГУ, 2010. С. 221-228.
     3. Ферхо В.А., Веснин В.Н. Вопросы оснащения техническими средствами аварийного оповещения и определения местоположения персонала в подземных горных выработках рудников и угольных шахт. Горный журнал Казахстана №8, 2010. С. 47-50.
     4. Горная энциклопедия / под ред. Е.А. Козловского Т.4, М.: Советская энциклопедия, 1989 – 623 с.
     5. Драбкин А.Л., Проскуряков Р.М., Семенов М.А.Беспроводная передача информации с дневной поверхности на подземные выработки с помощью ретрансляторов/ Известия вузов «Горный журнал» №1, 2001. С. 105-109.
     6. Драбкин А.Л., Проскуряков Р.М., Семенов М.А. Система беспроводной импульсной однополосной передачи речевых сигналов через массив горных пород с использованием ретрансляторов/ Известия вузов «Горный журнал» №2, 2002. С. 107 – 111.


Библиографическая ссылка на статью:
Семенов М.А. Система компенсации убывания электрического поля в массиве горных пород // Онлайн Электрик: Электроэнергетика. Новые технологии, 2012.–URL: http://www.online-electric.ru/articles.php?id=9 (Дата обращения: 29.06.2017)

Библиографическая ссылка на ресурс "Онлайн Электрик":
Алюнов, А.Н. Онлайн Электрик: Интерактивные расчеты систем электроснабжения / А.Н. Алюнов. - Режим доступа: http://online-electric.ru.


____________
Комментарии:






Дистанционые курсы
Повышение квалификации по программе БС-6 "Безопасность строительства и качество устройства электрических сетей и линий связи" (удостоверение гос. образца)
www.online-electric.ru

Профессиональная переподготовка
Дистанционные курсы профессиональной переподготовки по программе «Проектирование, монтаж и эксплуатация систем электроснабжения»
www.online-electric.ru

SaaS, Облачные вычисления, программа расчета, пример расчета, Электроснабжение загородного дома, промышленных предприятий, электроснабжение дома, коттеджа, квартиры, электроснабжение зданий, цеха, города, микрорайона. Проект электроснабжения, электрификация, электрофикация, система электроснабжения, схемы электроснабжения, учебник по электроснабжению, договор электроснабжения, расчет электроснабжения, надежность электроснабжения, категории электроснабжения, промышленное электроснабжение, электрификация сельского хозяйства, проектирование электроснабжения онлайн!
Побелитель Конкурса Электросайт года                  
© ОНЛАЙН ЭЛЕКТРИК: Онлайн расчеты электрических систем Online-electric.ru, 2008-2017
© А.Н. Алюнов, 2008-2017 Свидетельство №16066 от 23.08.2010 года