CC BY
23
© Р.Г. Минуллин, Ю.В. Писковацкий, В.А. Касимов, Р.Г. Мустафин, В.Ю. Виноградов УДК 621.315.17
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛОКАЦИОННЫМ МЕТОДОМ НА ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С ОТВЕТВЛЕНИЯМИ
Р.Г. Минуллин1, Ю.В. Писковацкий1, В.А. Касимов1, Р.Г. Мустафин1, В.Ю. Виноградов2
1Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия 2Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ, г. Казань, Россия
Резюме: ЦЕЛЬ. Исследовать возможность определения локационным методом места повреждения воздушных линий электропередачи с ответвлениями. Разработать методику определения локационным методом ответвления, на котором произошло повреждение. Разработать модель линии электропередачи с ответвлениями, провести моделирование распространения локационных сигналов при наличии повреждений в виде обрыва и однофазного замыкания на землю с различными переходными сопротивлениями. Исследовать влияние переходного сопротивления в месте замыкания на параметры отраженных локационных сигналов. С учетом возможной нестабильности рефлектограмм оценить предельные значения переходного сопротивления в месте замыкания, при которых возможно определение места повреждения локационным методом. МЕТОДЫ. Для моделирования прохождения локационных сигналов по линиям электропередачи использована частотно-зависимая фазовая модель распространения в программном продукте PSCAD. Для учета возможной нестабильности рефлектограмм локационного зондирования при изменении температуры проводов использовано гиперболическое уравнение состояния провода в пролете и температурная зависимость сопротивления проводов. РЕЗУЛЬТАТЫ. В статье обоснована актуальность задачи определения места повреждения на линиях с ответвлениями в сетях с заземленной и изолированной нейтралью. Предложена и проанализирована методика определения ответвления, на котором произошло повреждение. Построена имитационная модель линии электропередачи, выполнено моделирование распространения локационных сигналов при отсутствии и наличии повреждений. В качестве повреждений рассмотрены: обрыв провода, замыкания провода с переходным сопротивлением от 0 до 6 кОм. Получены оценки нестабильности рефлектограммы для моделируемой линии, рассмотрено их влияние на возможность обнаружения повреждения с высоким переходным сопротивлением. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Предложен способ определения места повреждения на воздушных линиях электропередачи с ответвлениями, определены границы его применимости при обнаружении высокоомных замыканий на землю. Данный способ позволит сократить время определения места повреждения на линиях электропередачи, тем самым повысив надежность электроснабжения и безопасность потребителей.
Ключевые слова: воздушные линии электропередачи; ответвление; повреждения; обрыв; короткое замыкание; однофазное замыкание на землю; переходное сопротивление; определение места повреждения; локационный метод.
DETERMINATION OF THE LOCATION OF DAMAGE BY THE OTDROMETER METHOD ON POWER LINES WITH BRANCHES
RG. Minullin1, YuV. Piskovatskiy1, VA. Kasimov1, RG. Mustafin1, VYu. Vinogradov2
^Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russian Federation
2Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev, Kazan,
Russian Federation
Abstract: THE PURPOSE. Investigate the possibility of determining the location of damage to overhead power transmission lines with branches by the reflectometry method. Develop a method for determining the branch on which the damage occurred by the reflectometry method. Develop a model of a power transmission line with branches, to simulate the propagation of reflectometry signals in the presence of damage in the form of an open circuit and a single-
phase ground fault with various transition resistances. Investigate the influence of the transient resistance at the point of short circuit on the parameters of the reflected signals. Taking into account the possible instability of the reflectograms, evaluate the limiting values of the transition resistance at the fault location, at which it is possible to determine the location of the damage by the reflectometry method. METHODS. To simulate the passage of reflectometry signals along power lines, a frequency-dependent phase model was used in the PSCAD software product. To take into account the possible instability of the reflectograms of reflectometry sensing when the temperature of the wires changes, the equation of state of the wire in the span and the temperature dependence of the resistance of the wires are used. RESULTS. The article substantiates the urgency of the problem of determining the location of damage on lines with branches in networks with grounded and isolated neutral. A method for determining the branch on which the damage occurred is proposed and analyzed. A simulation model of a power transmission line has been built, modeling of the propagation of reflectometry signals in the absence and presence of damage has been performed. The following damages are considered: wire breakage, short circuit and single-phase ground fault of a wire with a transition resistance from 0 to 6 kOhm. Estimates of the instability of the reflectogram for the simulated line are obtained, their influence on the possibility of detecting damage with high transition resistance is considered. CONCLUSION. A method for determining the location of damage on overhead power transmission lines with branches is proposed, the limits of its applicability are determined for detecting high-resistance ground faults. This method will reduce the time for determining the location of damage on power lines, thereby increasing the reliability of power supply and consumer safety.
Keywords: overhead power lines; branch, damage; open circuit; short circuit; single-phase earth fault; transition resistance; fault location; reflectometry method.
Введение
Воздушные линии электропередачи являются самым ненадежным элементом электроэнергетической системы, так как они имеют большие протяженности, проходят по открытой местности, подвержены атмосферным и антропогенным воздействиям. При эксплуатации воздушных линий возможны такие повреждения и ненормальные режимы работы как: обрыв проводов, междуфазные короткие замыкания (КЗ) и КЗ на землю (при заземленной нейтрали), а также однофазные замыкания на землю (ОЗЗ, при изолированной нейтрали).
Особенность работы сетей среднего класса напряжения, каковыми являются распределительные сети в Российской Федерации, заключается в том, что они в основном эксплуатируются с изолированной или компенсированной нейтралью. Это обуславливает чрезвычайно низкие аварийные токи в случае ОЗЗ, что не позволяет использовать методы определения расстояния до места повреждения (ОМП) по параметрам аварийного режима, которые широко применяются при мониторинге линий электропередачи напряжением 110 кВ и выше [1]. В сетях 6-35 кВ величина переходного сопротивления в месте замыкания, как правило, принимается не более 1 кОм, но в некоторых случаях может достигать 5-7 кОм [2]. Внедрение прогрессивных средств и оперативных методов определения места повреждения (ОМП) на проводах этих линий дает значительный технико-экономический эффект, обусловленный сокращением перерывов в функционировании этих линий, уменьшением недоотпуска электроэнергии потребителям, уменьшением времени и трудозатрат по поиску места повреждения и восстановлению ЛЭП в случае аварии [3-6].
В настоящее время на ВЛ напряжением 110 кВ и выше, кроме метода ОМП по ПАР, используются импульсные методы ОМП [3, 4]. Предельная погрешность импульсных методов в основном определяется частотными характеристиками измерительного канала и частотой дискретизации. Импульсные методы подразделяются на волновые методы (пассивные) и локационные (активные) [5]. Первые основаны на контроле импульсов (электромагнитных волн), возникающих непосредственно в месте повреждения, вторые - на генерации импульсов.
На ВЛ 6-35 кВ применяют различные топографические методы ОМП [6, 7], используют индикаторы короткого замыкания, способные передавать информацию о срабатывании по беспроводным каналам связи [8], системы мониторинга ОЗЗ на основе анализа высших гармоник [9], также ведутся исследования по применению импульсных методов - волнового [10-12] и локационного [13].
Применение локационного метода ОМП в электрических сетях представляет значительный интерес, так как этот метод: обладает малой погрешностью; является дистанционным; может применяться на воздушных и кабельно-воздушных линиях (КВЛ) электропередачи; процесс зондирования линии не привязан во времени к переходному процессу при обязательном наличии напряжения на линии (в отличии от волнового метода), поэтому ОМП может производиться и на отключенной линии.
Задача ОМП локационным методом на линиях без ответвлений не представляет сложности и процесс обнаружения повреждений легко поддается автоматизации. Воздушные линий напряжением 6-110 кВ зачастую имеют ответвления, в этом случае процесс ОМП усложняется [13], так как появляется некоторая неопределенность в расположении повреждения: на отпайке или на основной линии.
Таким образом, при реализации локационного метода на ВЛ с ответвлениями необходимо не только распознать «полезные» отраженные сигналы на фоне побочных отражений и различных видов электрических помех, но и использовать методику определения места расположения повреждения.
Материалы и методы
Методика определения места расположения повреждения
Принцип автоматического локационного обнаружения повреждений на линии электропередачи заключается в сравнении текущей рефлектограммы с эталонной. Повреждение проводов вызывает неоднородность волнового сопротивления, от которой появляется дополнительное отражение. По времени прихода отраженного от неоднородности сигнала с учетом скорости его распространения определяется расстояние до места повреждения. Однако как было сказано выше, неоднородность на одинаковом расстоянии от начала линии могут вызывать повреждения как на основной линии, так и на ее ответвлении. Для разрешения этой неопределенности была разработана специальная методика определения ответвления, на котором произошло повреждение. Рассмотрим ее принцип на примере линии с древовидной топологией, имеющей три ответвления (рис. 1).
Рис. 1. Модель линии с древовидной топологией
Fig. 1. Line model with tree topology
В первую очередь по расстоянию до нового отраженного импульса определяется участок рефлектограммы, на котором произошло повреждение и которому одновременно могут соответствовать несколько сегментов линии. В примере это могут быть участки рефлектограммы А-Б, Б-Г, Г-В', В'-Д', Д'-Е, Е-Ж' и Ж'-З (рис. 1). Если расстояние до повреждения находится на участках А-Б, Д'-Е, Ж'-З, то место повреждения определяется однозначно, и можно утверждать, что повреждена основная линия. В противном случае необходимо определить находится повреждение на ответвлении (и на каком) или же на основной линии. О повреждении на ответвлении будет свидетельствовать исчезновение отражения от конца этого ответвления. Так для повреждения на участке В'-Д' возможны три ситуации:
1) повреждение на ответвлении Б-В, тогда отсутствует отражение от конца в точке В';
2) повреждение на ответвлении Г-Д - отсутствует отражение от конца в точке - Д';
3) повреждение основной линии на сегменте В'-Д' - отсутствуют отражения от конца линии в точке -З и от начала и конца ответвления в точках Е, Ж'.
При замыканиях с ненулевым переходным сопротивлением возможны ситуации, когда отражения от концов линии и ответвлении не исчезли полностью, и в этом случае анализируется амплитуда этих импульсов, а поврежденный сегмент определяется по факту уменьшения амплитуды отражения от его конца. Кроме того, по степени затухания отраженного от конца поврежденного сегмента сигнала, могут быть получены оценки значения переходного сопротивления в месте замыкания, что может дополнительно упростить поиск повреждения на трассе.
Таким образом может быть определен поврежденный сегмент. Полярность отраженного импульса определяет тип повреждения: если полярность отраженного импульса положительная, то произошел обрыв проводов, если же отрицательная - то короткое замыкание или однофазное замыкание на землю.
В результате анализа данной методики был выявлен ряд недостатков: 1) невозможно определить поврежденный сегмент при наложении разных отраженных импульсов друг на друга (например, при совпадении точек В' и Д', невозможно указать на каком именно ответвлении произошло повреждение); 2) если есть несколько повреждений в разных местах ЛЭП, то достоверно определяется только ближайшее к началу линии повреждение, второе может быть не определено из-за того, что сигнал за поврежденный сегмент не проходит; 3) рефлектограммы имеют определенную нестабильность из-за изменения температуры проводов или образования на них гололедных отложений. Первые два недостатка могут проявиться пренебрежимо редко. Географическая обусловленность строительства реальных линий электропередачи практически обнуляет вероятность полного наложения разных отраженных импульсов. Вероятность множественных локальных повреждений также достаточно мала. Изменение температуры проводов под воздействием нагрузочных токов и метеофакторов влияет на затухание и время распространения неаварийных отраженных сигналов, вызывая их малые смещения во времени и по амплитуде. Данное влияние может быть учтено путем установки соответствующих доверительных интервалов. Образование гололедных отложений на проводах приводит к увеличению затухания и времени распространения локационных сигналов, однако локационным методом данная ситуация может быть распознана и учтена [14].
Имитационная модель линии электропередачи с ответвлениями
Для исследования особенностей распространения локационных сигналов по линиям электропередачи с ответвлениями была разработана имитационная модель в программной среде PSCAD. ВЛ может иметь несколько отпаек, различные опоры и марку провода на участках линии, а также возможно наличие кабельных вставок, поэтому в модели линия разбивается на сегменты, в пределах которых основные параметры сегмента линии остаются неизменными.
К основным параметрам сегмента линии относятся параметры, на основании которых рассчитываются матрицы собственных и взаимных сопротивлений и проводимостей проводов [15]. Для воздушного участка линии задаются: количество и расположение проводников в пространстве относительно земли, радиус и удельное сопротивление проводника, удельное сопротивление земли, относительная магнитная проницаемость земли. Если имеется кабельная вставка, то дополнительно задается относительная диэлектрическая и магнитная проницаемость изолятора, радиус изолятора. Ответвление моделируется путем параллельного подключения нескольких сегментов линии.
Как правило, распространение по ВЛ локационных сигналов, имеющих спектр до 1 МГц, длится не более единиц мс, поэтому при моделировании была использована фазовая частотно-зависимая модель [16].
Для проведения имитационного моделирования распространения локационных сигналов по линии электропередачи была построена линия с одним ответвлением (для лучшей наглядности) с типичными для воздушных ЛЭП 6-10 кВ проводами марки АС 70/11 и опорами П10-1. Моделируемая линия имеет длину 3800 м, ответвление длиной 1300 м на расстоянии 800 м от начала линии. Повреждения моделируются на основной линии и на ответвлении на одинаковом удалении от начала линии - 1300 м.
Следует отметить, что согласно результатам проведенных ранее исследований [13] тип заземления нейтрали при распространении локационных сигналов по проводам ВЛ не играет решающей роли. В связи с этим имитационная модель для линии 6-10 кВ с достаточной степенью достоверности описывает распространение сигналов и для линий более высокого класса напряжений, и из-за отсутствия принципиальных отличий приводятся результаты моделирования только для одной линии.
Для исследования влияния температуры провода на распространение сигналов по линии электропередачи необходимо учесть изменение сопротивления, длины провода и изменение его положения в пролете. Для описания удлинения провода и изменения положения провода в пролете при изменении его температуры использовано уравнение состояния провода в пролете [17].
Результаты моделирования и обсуждение
Моделирование обрыва проводов линий электропередачи
Моделируемой линии с одним ответвлением (рис. 2, а) соответствует исходная рефлектограмма (рис. 2, б), на которой видны положительный импульс, отраженный от
конца линии в точке Г, и положительный импульс, отраженный от конца ответвления в точке В, а также отрицательный импульс, отраженный от начала ответвления в точке Б. Полярности данных импульсов обусловлены тем, что концы линии и ответвления не нагружены, и отражение в режиме холостого хода происходит с сохранением полярности импульса, в отличии от отражения в месте ответвления, где происходит уменьшение сопротивления из-за распараллеливания линии.
800 м 500 м
2500 м
я
в
г
¡300 м
а)
Исходное состояние
I
Ф-
б)
г
"С"
К-
В т. Д' обрыв на основной линии I
При обрыве провода ВЛ появляется дополнительный
импульс положительной
полярности (выделен жирно), отраженный от места повреждения в одной из точек ВЛ Д' или Д" (рис. 2, в, д). При этом в случае повреждения основной линии импульс, ранее отражавшийся от конца линии в точке Г, исчезает (отмечено овалом на рис. 2, в). А при возникновении обрыва на ответвлении исчезает импульс, отражавшийся от конца ответвления в точке В (отмечено овалом на рис. 2, д).
Для определения расстояния до места обрыва необходимо сравнить полученную аварийную рефлектограмму с эталонной рефлектограммой, эту операцию можно выполнить, используя разностный метод, при котором из массива значений отраженных сигналов текущей рефлектограммы вычитается массив значений эталонной рефлектограммы. Таким образом формируется разностная рефлектограмма. В модельных условиях при отсутствии помех эталонная и текущая
рефлектограммы в точности совпадают до места
неоднородности, поэтому значения разностной рефлектограммы до места неоднородности будут равны нулю, и место повреждения четко определяется по первому импульсу (выделен жирно) на расстоянии 1300 м (рис. 2, г, а также рис. 2, е).
В результате вычитания, на разностных рефлектограммах на рисунке 2, г и рисунке 2, е, видны положительные импульсы,
отраженные от места обрыва в точках Д' и Д'' соответственно. При этом если повреждение произошло на основной линии, то в конце линии в точке Г на рисунке 2, г виден разностный отраженный импульс, обозначенный штриховым овалом. Если повреждение произошло на ответвлении, то виден разностный импульс, отраженный от конца ответвления в точке В на рисунке 2, е, обозначенный также штриховым овалом. Моделирование замыканий проводов линий электропередачи
В первую очередь рассмотрим случай замыкания с нулевым переходным сопротивлением, что соответствует КЗ для линий с заземленной нейтралью, а для линий с
Рис.
I, м
ответвлением
2. Схема воздушной линии с модельные рефлектограммы при обрыве линии: а - условная схема линии; б - исходное состояние; в -рефлектограмма при обрыве на основной линии в т. Д'; г -разность рефлектограмм в и б; д - рефлектограмма при обрыве на ответвлении в т. Д''; е - разность рефлектограмм д и б
Fig 2. Scheme of an overhead line with a branch and model reflectograms in case of a line break:
a - conditional line diagram; b - initial state; c - reflectogram in case of a break on the main line, point Д'; d - the difference between the reflectograms c and b; d - reflectogram in case of a break at the branch in t. D"; e - the difference between the reflectograms d and b
изолированной нейтралью - ОЗЗ. При возникновении повреждения на основной линии появляется отрицательный импульс в точке Д' (выделен жирно) на рефлектограмме, представленной на рисунке 3, в, а импульс, ранее отражавшийся от конца линии в точке Г, исчезает (отмечено сплошным овалом на рис. 3, в). При возникновении замыкания на ответвлении в точке Д'' отраженный импульс появляется в том же месте рефлектограммы, однако исчезает отражение не от конца линии, а от конца ответвления в точке В (отмечено сплошным овалом на рис. 3, д).
Рис. 3. Схема воздушной линии с ответвлением и модельные рефлектограммы при замыкании: а - условная схема линии; б - исходное состояние; в -рефлектограмма при замыкании на основной линии в т. Д'; г - разность рефлектограмм в и б; д -рефлектограмма при замыкании на ответвлении в т. Д''; е - разность рефлектограмм д и б Fig 3. Diagram of an overhead line with a branch and model reflectograms when closed: a - conditional line diagram; b - initial state; c - reflectogram when shorting on the main line, point D"; d - the difference between the reflectograms c and b; д - reflectogram when closing on a branch in t. Д"; e - the difference between the reflectograms d and b
параметры зондирующего сигнала и независимо проводится поиск повреждения.
Моделирование однофазных замыканий с ненулевым переходным сопротивлением
Для замыкания разностные рефлектограммы (рис. 3, г, е) вычисляются аналогично случаю с обрывом провода. На разностных рефлектограммах видны
отрицательные импульсы,
отраженные от места повреждения соответственно в точках Д' и Д''. При этом если замыкание произошло на основной линии, то в конце линии в точке Г на рисунке 3, г присутствует разностный отраженный импульс,
обозначенный штриховым овалом. Если повреждение произошло на ответвлении, то виден разностный импульс, отраженный от конца ответвления в точке В, обозначенный штриховым овалом на рисунке 3, е.
Таким образом,
исчезновение отражения от конца линии или конца ответвления является достаточным источником информации о местонахождении повреждения проводов линии (на основной линии или ответвлении). Кроме того, использование разностных рефлектограмм
позволяет применять локационный метод при наличии большого количества ответвлений, когда визуальный анализ
рефлектограммы затруднен. При этом необходимо выполнение требования: достаточность
разрешающей способности
локационного зондирования при конкретной длине и конфигурации линии, т.е. необходимо, чтобы отраженные импульсы были предельно короткими и на рефлектограмме не накладывались друг на друга и выделялись раздельно, что может быть обеспечено за счет разбиения линии на отдельные участки (например, по удаленности от начала), для каждого из которых подбираются свои оптимальные
При повреждении в виде обрыва или замыкания с нулевым переходным сопротивлением локационные сигналы не распространяются за место повреждения из-за их полного отражения от такой неоднородности волнового сопротивления. Однако при однофазном замыкании на землю с ненулевым переходным сопротивлением часть энергии сигнала распространяется за место повреждения и отражается от конца линии (или ответвления). В результате на аварийной рефлектограмме присутствуют как отражение от
так
и
Рис. 4. Схема воздушной линии с ответвлением и модельные рефлектограммы при ОЗЗ на основной линии в т. Д': а - условная схема линии; б -исходное состояние; в - рефлектограмма при ОЗЗ с переходным сопротивлением 400 Ом ; г - разность рефлектограмм в и б; д - рефлектограмма при ОЗЗ с переходным сопротивлением 1 кОм; е - разность рефлектограмм д и б
Fig 4. Diagram of an overhead line with a branch and model reflectograms for SPL on the main line, including D': a - conventional line diagram; b - initial state; c -reflectogram at OZZ with a transfer resistance of 400 Ohm; d - the difference between the reflectograms c and b; e - reflectogram at SPE with a contact resistance of 1 kOhm; e - the difference between the reflectograms d and b
места повреждения отражение от конца поврежденного сегмента ВЛ. Чем больше переходное сопротивление
замыкания, тем меньше амплитуда отражения от места повреждения и тем больше амплитуда отражения от конца поврежденного сегмента, при этом амплитуда отражения от конца неповрежденного сегмента сохраняется. Сохранение
амплитуды отражения от конца неповрежденного сегмента может использоваться как
дополнительный диагностический признак.
Было проведено
моделирование влияния величины переходного сопротивления в месте замыкания на амплитуды отраженных сигналов в диапазоне от 0 до 6 кОм. В качестве характерных примеров на рисунке 4 представлены рефлектограммы при однофазном замыкании на землю на основной линии с переходными сопротивлениями 400 Ом и 1 кОм.
Согласно рисунку 4 амплитуда отражения от места повреждения при переходном сопротивлении 1 кОм примерно в 2 раза меньше, чем при переходном сопротивлении 400 Ом и в 5 раз меньше, чем при нулевом переходном сопротивлении (рис. 3). Для отражения от конца поврежденного сегмента
наблюдается противоположная тенденция. При повреждении на ответвлении, а не на основной линии данные закономерности сохраняются, потому
соответствующие рефлектограммы не приводятся, и в таблице 1 приведены среднеквадратические отклонения (СКО) амплитуды отраженных сигналов при различных переходных сопротивлениях ОЗЗ на ответвлении. При отсутствии повреждений СКО амплитуды отраженного сигнала от конца ответвления составило 28,82 о.е.
Таблица 1
Изменение СКО амплитуды отраженных и разностных сигналов
при различных переходных сопротивлениях ОЗЗ на ответвлении_
Переходное сопротивление, Ом 0 100 400 1000 6000
СКО отражения от места повреждения, о.е. 26,18 18,48 9,84 5,11 1,08
СКО отражения от конца ответвления, о.е. 3,16 6,44 15,30 21,33 27,26
СКО разностного сигнала в месте повреждения, о.е. 26,01 18,42 9,77 5,04 1
СКО разностного сигнала в конце ответвления, о.е. 27,68 22,58 13,84 7,62 1,59
Таким образом, при переходном сопротивлении 6 кОм уменьшение СКО амплитуд импульса, отраженного от конца поврежденного сегмента, и соответствующего разностного сигнала составляет примерно 5,5 % от величины СКО отражения от конца ответвления на рефлектограмме без повреждений.
Наблюдаемые изменения амплитуд отраженных сигналов при изменении переходного сопротивления зависят от коэффициента отражения электромагнитной волны. Коэффициент отражения К от места повреждения с переходным сопротивлением Я при волновом сопротивлении линии 2 описывается соотношением К = -2 / (2 + 2Я). Используя эту зависимость, можно оценить при каких предельных значениях переходного сопротивления расстояние и место повреждения еще могут быть определены.
В первую очередь на предельные значения будет влиять соотношение сигнал/шум принимаемого сигнала. Линии электропередачи, как правило, имеют значительную протяженность и разветвленную структуру, что в конечном итоге приводит к уменьшению амплитуды сигналов на рефлектограмме линии. Однако отношение сигнал/шум может быть повышено при помощи увеличения энергии излучаемого в линию сигнала, а также за счет применения метода накопления, заключающегося в когерентном суммировании получаемых рефлектограмм и расчете усредненной рефлектограммы. В результате накопления амплитуда случайных и несинхронных помех уменьшается при сохранении амплитуды полезного отраженного сигнала, и отношение сигнал/шум возрастает пропорционально корню из числа накоплений.
Вторым фактором, влияющим на предельное значение переходного сопротивления обнаруживаемых замыканий, является нестабильность рефлектограммы из-за воздействия на линию электропередачи условий эксплуатации (нагрузочные токи) и метеофакторов (температура окружающей среды, солнечная радиация, осадки, ветер).
Моделирование температурной нестабильности отраженных сигналов
Для исследования влияния температуры провода на стабильность рефлектограмм локационного зондирования были смоделированы изменения, происходящие при минимальных и максимальных температурах провода.
При увеличении температуры провода происходит: увеличение сопротивления провода, его удлинение, из-за этого увеличивается стрела провеса в пролете. Эти факторы влияют на условия распространения сигналов: увеличение сопротивления увеличивает затухание сигналов, уменьшение высоты провода над землей также увеличивает затухание и дополнительно уменьшает скорость (увеличивает время) распространения сигналов, удлинение провода увеличивает длину пути распространения сигналов. Таким образом, при увеличении температуры на рефлектограммах происходит уменьшение амплитуды отраженных сигналов и кажущееся увеличение расстояния до неоднородностей.
На рисунке 5 приведены участки рефлектограмм с импульсом, отраженным от конца моделируемой линии, при температурах провода -40 и +40 °С. Отражение от конца линии при минимальной температуре проводов приходит раньше и имеет большую амплитуду, по сравнению с отражением при максимальной температуре. При этом изменение СКО амплитуд отраженных сигналов при изменении температуры провода от -40 до +40 °С менее 1 %, а СКО разностного сигнала составило примерно 3,7%.
© Р.Г. Минуллин, Ю.В. Писковацкий, В.А. Касимов, Р.Г. Мустафин, В.Ю. Виноградов U. о.е.
120 100 SO 60 40 20 о
А -Л ......... Гпр = -40 °С
-Т пр = +40°С
¿Г
->
3800 3S50 3900 3950 h м
Рис. 5. Сигналы, отраженные от конца Fig 5. Signals reflected from the end of the simulated моделируемой линии, при температуре проводов line at a wire temperature TPR of -40 ° С (dashed TnP -40 °С (пунктирная линия) и +40 °С line) and +40 ° С (solid line) (сплошная линия)
Таким образом, если на данной линии замыкание будет вызывать изменение СКО амплитуды импульса, отраженного от конца поврежденного сегмента, более чем на 3,7 %, то такое замыкание может быть достоверно обнаружено и определено его местоположение. Для моделируемой в работе линии согласно таблице 1 замыкание с переходным сопротивлением 6 кОм может быть обнаружено, так как оно вызывает большее изменение. Для произвольной линии предельное переходное сопротивление обнаруживаемого замыкания может быть определено с использованием приведенной выше зависимости коэффициента отражения от величины сопротивления в месте повреждения.
Кроме того, возможно уменьшение влияния температуры проводов на применимость ОМП локационным методом за счет организации контроля и учета изменений температуры проводов в режиме реального времени.
Заключение
Определение места повреждения в виде замыкания или обрыва провода ЛЭП относится к сложным и наиболее длительным операциям по восстановлению. В распределительных электрических сетях 6-35 кВ наиболее частым видом повреждения является однофазное замыкание на землю, а в сетях 110 кВ и выше - короткое замыкание. Для определения расстояния до места повреждения может использоваться локационный метод, имеющий низкую погрешность. Для уточнения на каком из ответвлений линии произошло повреждение авторами разработана методика определения месторасположения повреждения путем анализа рефлектограмм локационного зондирования.
Также разработана имитационная модель линии электропередачи с ответвлением, с помощью которой выполнено моделирование повреждений в виде обрыва и замыканий с переходными сопротивлениями от 0 до 6 кОм на различных сегментах линии. Результаты моделирования подтверждают работоспособность предложенной методики определения места повреждения на линии электропередачи с ответвлением. Рассмотрены факторы, влияющие на применимость метода. Одним из основных факторов является нестабильность рефлектограмм из-за колебаний температуры проводов. В описанном примере отклонение отраженных импульсов при изменении температуры от -40 до +40 °С составило примерно 3,7 %, что определило предельное значение переходного сопротивления (6 кОм) в месте замыкания, которое может быть однозначно распознано локационным методом. Температурная нестабильность может быть дополнительно снижена при локационном контроле линии в режиме реального времени.
Полученные результаты доказывают, что локационный метод можно успешно применять для определения места таких повреждений, как обрыв, короткое замыкание, однофазное замыкание на землю с различными переходными сопротивлениями даже при наличии на линии ответвлений. Кроме того, описанные особенности распознавания разностных рефлектограмм позволяют реализовать алгоритм ОМП на линиях электропередачи в автоматическом режиме.
Работа выполнена в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых МК-3279.2021.4.
Литература
1. Касимов В.А., Минуллин Р.Г., Писковацкий Ю.В. Модельно-экспериментальное обнаружение локационным методом повреждений на проводах воздушных линий электропередачи // Электросвязь. 2019. №4. С. 65-71.
2. Шалин А.И. Влияние переходного сопротивления на поведение направленных защит от замыканий на землю в сетях 6-35 кВ // Сборник докладов 4 Всероссийской конференции по ограничению перенапряжений и режимам заземления нейтрали. 2006. Режим доступа: http://pnpbolid.com/wp-content/uploads/2019/10/iv-conference-2006-05.pdf. (Дата обращения: 01.10.2021).
3. Lachugin V.F., Platonov P.S., Alekseev V.G., et al. Traveling wave-based fault location system connected to busbar voltage transformers // Power Technology and Engineering. 2021. №55(2). pp. 282-290.
4. Qiao J., Yin X., Wang Y., et al. A multi-terminal traveling wave fault location method for active distribution network based on residual clustering // International Journal of Electrical Power & Energy Systems. 2021. №131.
5. Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. М.: Энергоиздат, 1982. 312 с.
6. Аржанников Е.А., Чухин А.М. Методы и приборы определения мест повреждения на линиях электропередачи. М.: НТФ «Энергопресс». 1998. 87 с.
7. Максимов Б.К., Арцишевский Я.Л., Лхамсурэн Э. Цифровые технологии сокращения времени поиска однофазного замыкания на землю в сети воздушных линий 10 кВ // Релейная защита и автоматизация. 2017. №3 (28). С. 27-32.
8. Тарасов, К.В. Использование индикаторов короткого замыкания в распредсетях 6-10 кВ / К.В. Тарасов // Электроэнергия: Передача и распределение. 2014. № 4. С. 73-74.
9. Kulikov A.L., Loskutov A.A., Pelevin P.S. Algorithm for identification of a damaged section on cable and overhead power lines based on recognition of wave portraits // Electricity. 2018. №3. pp. 11-17.
10. Федотов А.И., Вагапов Г.В., Абдуллазянов А.Ф, и др. Цифровая система мониторинга повреждений на линиях электропередачи // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2021. №1(23). С. 146-155.
11. Khuziashev R.G., Kuzmin I.L., Irkagalieva I.I., et al. Algorithms for Determining The Essential Features of The Travelling Wave for Fault Location Purpose // 2021 3rd International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE). 2021. pp. 15.
12. Новиков С.И., Кузьмин И.Л., Хузяшев Р.Г. Простейшие алгоритмы обнаружения сигналов переходного процесса напряжения в линиях электропередач // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2017. №7-8(19). С. 114-125.
13. Минуллин Р.Г., Фардиев И.Ш. Физические основы диагностики повреждений воздушных линий распределительных электрических сетей // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2004. № 5-6. С. 43-47.
14. Kasimov V.A., Minullin R.G., Piskovatskiy Yu.V., et al. Imitation and physical modeling of the influence of ice coating on the propagation of location signals on the wires of overhead transmission lines // International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering. 2019. V. 8. Is. 8. pp. 2836-2840.
15. Шуин В.А., Кутумов Ю.Д., Кузьмина Н.В. Выбор параметров моделей воздушных линий для расчетов переходных процессов при замыканиях на землю в сетях напряжением 6-10 кВ // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2021. № 5. С. 5-17.
16. Morched A., Gustavsen B., Tartibi M. A Universal Model for Accurate Calculation of Electromagnetic Transients on Overhead Lines and Underground Cables // IEEE Transactions on Power Delivery. 1999. №3(14). pp. 1032-1038.
17. Кессельман Л.М. Основы механики воздушных линий электропередачи / М.: Энергоатомиздат. 1992. 352 с.
Авторы публикации
Минуллин Ренат Гизатуллович- д-р. физ.мат. наук, профессор кафедры «Экономика и организация производства», Казанский государственный энергетический университет. E-mail:[email protected].
Писковацкий Юрий Валерьевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем», Казанский государственный энергетический университет, E-mail: [email protected]
Касимов Василь Амирович - д-р. тех. наук, доцент кафедры «Экономика и организация производства», Казанский государственный энергетический университет. E-mail:[email protected].
Мустафин Рамиль Гамилович - канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем», Казанский государственный энергетический университет, E-mail: [email protected]
Виноградов Василий Юрьевич - д-р. техн. наук, профессор кафедры Конструирование и технология производства электронных средств, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ. E-mail: [email protected].
References
1. Kasimov VA, Minullin RG, Piskovatsky YuV. Model-experimental detection by the location method of damage on the wires of overhead power lines. Electrosvyaz. 2019;4:65-71.
2. Shalin AI. Influence of transient resistance on the behavior of protective earth faults in 6-35 kV network. Collection of reports of the 4 th All-Russian conference on overvoltage limitation and neutral grounding mode. 2006. Access mode: http://pnpbolid.com/wp-content/uploads/2019/10/iv-conference-2006-05.pdf. Accesed to: 01.10.2021.
3. Lachugin VF, Platonov P, Alekseev V, et al. Damage localization system on a traveling wave with connecting busbars to voltage transformers. Energy and technology. 2021;55 (2):282-290. doi: 10.1007 / s10749-021-01353-9.
4. Qiao J, Yin X, Wang Yu. Multi-contact method for determining the location of a traveling wave damage for an active distribution network based on residual clustering. International Journal of Electrical Power & Energy Systems. 2021;131.
5. Shalyt GM. Determination ofplaces of damage in electrical networks. M .: Energoizdat, 1982. 312 p.
6. Arzhannikov EA, Chukhin AM. Methods and Devices for Determining Damage Locations on Power Lines. M .: NTF «Energopress». 1998. 87 p.
7. Maksimov BK, Artsishevsky YaL, Lkhamsuren E. Digital technologies for reducing the search time for a single-phase ground fault in a 10 kV overhead line network. Relay protection and automation. 2017;3 (28):27-32.
8. Tarasov KV. Use of short-circuit indicators in distribution networks 6-10 kV. Electricity: Transmission and Distribution. 2014;4:73-74.
9. Kulikov AL, Loskutov AA, Pelevin PS. Algorithm for detecting a damaged section of cable and overhead power lines based on the recognition of wave portraits. Electricity. 2018;3:11-17.
10. Fedotov AI, Vagapov GV, Abdullazyanov AF. Digital system for monitoring damage on power lines. News of higher educational institutions. Energy problems. 2021;1 (23):146-155. doi: 10.30724 / 1998-9903-2021-23-1-146-155.
11. Khuziashev RG, Kuzmin I, Irkagalieva I. Algorithms for determining the essential characteristics of a traveling wave for the purpose of localizing the site of damage. 2021 3rd International Youth Conference on Electronics, Electrical Engineering and Energy (REEPE). -2021. pp. 1-5. doi: 10.1109 / REEPE51337.2021.9388008.
12. Novikov SI. The simplest systems for detecting voltage transient signals in power lines / S.I. Novikov, I. L. Kuzmin, R.G. Khuzyashev. News of higher educational institutions. Energy problems. 2017;7-8 (19):114-125.
13. Minullin RG. Physical bases of diagnostics of overhead lines of distribution networks / R.G. Minullin, I. Sh. Fardiev. News of higher educational institutions. Energy problems. 2004;5-6:43-47.
14. Kasimov VA., Minullin R., Piskovatsky YuV. Imitation and physical modeling of the effect of icing on the propagation of location signals along the wires of overhead power lines. International Journal of Innovative Technologies and Research Techniques. 2019;8(8):2836-2840.
15. Shuin VA, Kutumov YuD, Kuzmina NV, et al. Selection of parameters of overhead line models for calculating transient processes in case of a ground fault in a 6-10 kV network. Bulletin of the Ivanovo State Power Engineering University .2021;5:5-17.
16. Morched A., Gustavsen B., Tartibi M. Universal model for accurate calculation of electromagnetic transients on overhead lines and underground cables. IEEE transactions for the delivery of electricity. 1999;3 (14):1032-1038.
17. Kesselman L.M. Fundamentals of the mechanics of overhead power lines. M .: Energoatomizdat, 1992. 352 p.
Authors of the publication
Renat G. Minullin - Kazan State Power Engineering University. E-mail: [email protected].
Yuri V. Piskovatskiy - Kazan State Power Engineering University, E-mail: [email protected]
Vasil A. Kasimov - Kazan State Power Engineering University. E-mail: [email protected].
Ramil G. Mustafin - Kazan State Power Engineering University, E-mail: [email protected]
Vasily Yu. Vinogradov - Kazan National Research Technical University named after A.N Tupolev. E-mail: [email protected].
Получено 13.10.2021г.
Отредактировано 23.10.2021г.
Принято 25.10.2021г.
