CC BY
29
ж» » - - ЦДД-ЩЦ» ^^^ » ^ - ЩД
УДК 621.391.8
ОБНАРУЖЕНИЕ СИГНАЛОВ ЛОКАЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ НА ФОНЕ ШИРОКОПОЛОСНЫХ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПОМЕХ НА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
Э.И. ЛУКИН, Р.Г. МИНУЛЛИН Казанский государственный энергетический университет
Рассмотрены особенности передачи высокочастотных сигналов по воздушным линиям электропередачи. Приведен анализ электрических помех при импульсном локационном зондировании воздушных линий электропередачи. Перечислены способы выделения сигналов локационного зондирования среди помех. Рассмотрены конкретные примеры обработки рефлектограмм.
Ключевые слова: воздушные линии электропередачи, высокочастотный канал, локационный метод, электрические помехи, сигналы технологической информации, аналоговая и цифровая фильтрация, метод усреднения.
Активное локационное импульсное зондирование позволяет оперативно обнаруживать гололедно-изморозевые отложения на проводах воздушных линий электропередачи (ЛЭП) [1] и определять расстояние до мест повреждения [2]. С помощью системы локационного зондирования осуществляется непрерывный контроль технического состояния воздушных ЛЭП. При этом локатор подключается к высоковольтному проводу через высокочастотный (ВЧ) канал [3].
Высокочастотные каналы, имеющиеся на воздушных ЛЭП напряжением 35 кВ и выше, в большинстве случаев используются для передачи сигналов технологической информации. При этом воздушные ЛЭП являются специфической средой распространения сигнала со следующими особенностями:
1) линии электропередачи создают среду передачи ВЧ сигнала в диапазоне 16-1000 кГц. Организация ВЧ связи по схеме «фаза-земля» является наиболее простым, надежным и дешевым решением, но характеристики полученного ВЧ тракта хуже, чем в схеме «фаза-фаза»;
2) существенная неравномерность частотных характеристик и значительное рабочее затухание, достигающее 60 дБ;
3) дополнительным недостатком является нестабильность указанных характеристик, связанная с погодными условиями, режимами электрических сетей, естественной деградацией характеристик элементов ВЧ тракта в результате старения;
4) характер помех в ВЧ тракте отличается от белого шума, а их уровень достигает +25 дБ.
Электрические помехи в ЛЭП, влияющие на результаты локационного зондирования, можно разделить на следующие категории:
1) помехи промышленной частоты и помехи, возникающие при переходных процессах в электрической сети;
2) помехи от коронирования линейных проводов;
3) помехи от частичных разрядов по поверхности изоляторов и коронирования элементов арматуры;
4) помехи при коммутационных переключениях в сети, при операциях разъединителями и выключателями высокого напряжения;
5) помехи, вызываемые наличием дуги короткого замыкания;
6) помехи от атмосферных разрядов;
7) помехи от соседних ВЧ каналов, длинноволновых и средневолновых радиостанций;
8) помехи, создаваемые аппаратурой ВЧ каналов телемеханики, релейной защиты, противоаварийной и системной автоматики.
Наиболее существенное влияние на локационное зондирование оказывают сигналы параллельно работающих систем телемеханики, связи и релейной защиты. Эти сигналы являются помехой при выделении и распознавании импульсов локационного зондирования и существуют в ЛЭП постоянно.
Таким образом, несмотря на все положительные выводы по применению локационного метода для контроля технического состояния ЛЭП, основную сложность и трудоемкость при локационном зондировании представляет выделение отражения от мест неоднородностей на фоне сигналов технологической информации.
Различие в сигналах локационного зондирования и сигналах ВЧ аппаратуры технологической связи состоит в том, что в первом случае используются видеосигналы в виде прямоугольных импульсов, во втором -применяются модулированные по амплитуде или частоте синусоидальные сигналы. При этом импульсы локационного зондирования являются периодическими, а сигналы ВЧ аппаратуры являются случайными во времени. Данные сигналы по отношению к импульсным сигналам локационного зондирования являются широкополосными асинхронными нестационарными помехами.
Эффективными методами отстройки от асинхронных помех являются аналоговая фильтрация с помощью различных полосовых фильтров и цифровая фильтрация с помощью различных программных алгоритмов, реализуемых в микропроцессорных устройствах.
ВЧ аппаратура в каналах ЛЭП обычно обеспечивает двухстороннюю связь, т.е. передатчики находятся на обоих концах тракта, но работают на разных частотах, чтобы не мешать друг другу. При этом они занимают узкие полосы частот в пределах тонального диапазона 0,3-3,4 кГц. Для обеспечения прохождения сигналов ВЧ аппаратуры такого рода используются узкополосные фильтры присоединения и заграждающие фильтры, имеющие полосы пропускания в пределах тонального диапазона частот.
Но узкополосные фильтры не оптимальны для условий импульсного локационного зондирования. Эксперименты показывают [1], что для локационного зондирования ЛЭП в большинстве случаев используются импульсы длительностью 0,5-6 мкс в зависимости от длины зондируемой линии. При этом для таких импульсов требуются полосы пропускания ВЧ фильтров, соответственно, в диапазоне от 160 кГц до 2000 кГц. Это условие приходит в противоречие с возможностями обычных узкополосных фильтров присоединения и заграждения, применяемых на ЛЭП. При локационном зондировании желательно применять фильтры присоединения и заграждения, полосы пропускания которых захватывают большую часть разрешенного для энергетиков диапазона частот 16-1000 кГц. В этом случае большая часть энергии импульса будет введена в ВЧ тракт ЛЭП и отраженный импульс будет иметь
большую амплитуду, чем при применении узкополосных фильтров, составляющих ВЧ обработку ЛЭП.
Для выделения периодических сигналов локационного зондирования среди случайных сигналов ВЧ аппаратуры можно использовать режим усреднения (накопления). Сущность цифрового накопления заключается в том, что одну и ту же рефлектограмму считывают несколько раз и вычисляют среднее значение. В связи с тем, что асинхронные помехи носят случайный характер, после цифрового накопления их уровень значительно снижается. Разница в амплитудах между полезным отраженным сигналом и асинхронной помехой (соотношение сигнал/шум) будет тем больше, чем больше будет количество усредняемых рефлектограмм.
Рассмотрим проявления сигналов канала технологической связи на рефлектограммах локационного зондирования.
Был выполнен прямой эксперимент на действующей линии 110 кВ, соединяющей подстанции «Рыбная Слобода» и «Камская» длиной 29 700 м (рис. 1).
Зондирование осуществлялось рефлектометром РЕЙС-205 при длительности импульса 3 мкс и амплитуде 22 В. На ЛЭП было создано искусственное короткое замыкание между фазами А и С с помощью переносного заземления (ПЗ).
П/ст
«Рыбная Слобода»
29 700 м
П/ст «Камская»
а)
б)
в)
г)
д)
1 Усреднение 30
г
Усреднение 1
' Д
Г
l, м
Рис. 1. Обнаружение сигналов, отраженных от места короткого замыкания, на фоне помех методом
усреднения рефлектограмм [22.07.2009]
Работающие на линии связные передатчики ВЧ аппаратуры АВС 1-2 УХЛ 4.2 «Нептун» имели амплитуду выходных сигналов, равную 8 В. ЛЭП была оборудована фильтрами присоединения (Ф) типа ФПМ 6400 (полоса пропускания 51-1000 кГц) с конденсатором связи (КС) СМП 66 V3-6400 и заградительными
фильтрами (ВЗ) 3ВС-200 (полоса пропускания 160-1000 кГц). Передатчики работали на частотах 894 и 938 кГц при полосе пропускания 4 кГц.
На рис. 1, а показана схема ВЧ тракта на ЛЭП «Рыбная Слобода-Камская». Сигналы связи, телемеханики или контрольной частоты, передаваемые по этой линии одновременно, представлены на рис. 1, б. Эти сигналы полностью подавляют импульсы локационного зондирования, которые, хотя и отражаются от неоднородности в виде короткого замыкания в точке В на расстоянии 17700 м от начала линии, но визуально не обнаруживаются.
На рефлектограмме линии (рис. 1, б) на фоне сигналов передатчиков АВС не удается выделить сигналы, отраженные от места короткого замыкания линии. Отраженный сигнал начинает проявляться при применении усреднения 10 и 30 рефлектограмм (рис. 1, в, г). При усреднении, равном 10 (рис. 1, в), отраженный сигнал, благодаря своему качеству (соотношение сигнал/шум равно 2/1), уже может использоваться в схемах цифровой обработки сигналов. При усреднении 30 рефлектограмм мешающие сигналы практически отсутствуют полностью (рис. 1, г).
Для сравнения на рис. 1, д показана рефлектограмма линии при отключенных передатчиках АВС. В точке В виден отрицательный импульс с сопутствующим затухающим колебательным сигналом. Кроме того, в точке Г виден отрицательный сигнал, отраженный от заградительного фильтра ВЗ. Этот сигнал является следствием наводки зондирующего сигнала с провода фазы С, к которому подключен рефлектометр, на провода фаз А и В. Этот наведенный импульс, распространяясь по проводам А и В, отражается от места их присоединения в точке Г к шинам подстанции «Камская» и распространяется в обратном направлении. Затем снова наводится на провод фазы С и регистрируется рефлектометром.
На рефлектограмме рис. 1, д в конце графика, в точке Д виден еще один сигнал, который по полярности и виду противоположен сигналу, отраженному в точке Г. Это так называемый кратник, т.е. импульс, дважды прошедший линию от ее начала в точке А до места короткого замыкания в точке В.
Таким образом, при локационном зондировании влияние широкополосных нестационарных помех, обусловленных наличием в ВЧ канале различных сигналов технологической информации, эффективно устраняется с помощью цифрового накопления. Чем большее число рефлектограмм будет усреднено, тем выше обеспечивается подавление помех, увеличивается соотношение сигнал/шум. Применение аналоговой фильтрации при локации воздушной ЛЭП прямоугольными импульсами эффективно, но только в случае применения фильтров с широкой полосой пропускания в переделах 16-1000 кГц. В таком случае большая часть энергии импульса будет передана в ЛЭП.
Summary
Features of transfer of high-frequency signals on electricity transmission air-lines are considered. The analysis of electrical noise at location sounding of electricity transmission air-lines is resulted. Ways of signal extraction of location sounding are enumerated. Concrete examples of processing reflectogramms are considered.
Key words: electricity transmission air-lines, the high-frequency channel, location method, electrical noise, signals of the technological information, an analogue and digital filtration, an averaging method/
Литература
1. Минуллин Р.Г., Губаев Д.Ф. Обнаружение гололедных образований на линиях электропередачи локационным зондированием. Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2010. 208 с.
2. Минуллин Р.Г., Фардиев И.Ш. Локационная диагностика воздушных линий электропередачи. Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2008. 202 с.
3. Особенности подключения локационной аппаратуры к линиям электропередачи для определения места повреждения / Р.Г. Минуллин, Ю.Я. Петрушенко, И.Ш. Фардиев, Д.Ф. Губаев, Э.И. Лукин // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2008. №7-8. С.60-70.
Поступила в редакцию 10 мая 2011 г.
Лукин Эдуард Ирикович - доцент кафедры «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем» (РЗА) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (432) 519-42-42; 8-927-67092200. E-mail: [email protected].
Минуллин Ренат Гизатуллович - д-р. физ.-мат. наук, профессор, заместитель заведующего кафедрой «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем» (РЗА) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (432) 519-42-38. E-mail: [email protected].
