Определение места повреждения на воздушных линиях электропередачи в распределительных сетях Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.311 ». В. БОЛДЫРЕВ

Л. В. ВЛАДИМИРОВ В. А. ОЩЕПКОВ

Омский государственный технический университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ НА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ__________________________

В статье рассмотрено дистанционное определение места повреждения при однофазном замыкании на землю в сетях 6—35 кВ методом стоячих волн. Приведен пример расчета собственной резонансной частоты линии, построен график распределения тока вдоль линии при возникновении стоячих волн. Представлена структурная схема устройства для определения места повреждения и алгоритм поиска.

Ключевые слова: определение места повреждения, метод стоячих волн.

Данная работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, гос. контракт N° 16.516.11.6091.

Надежность и бесперебойность электроснабжения имеет большое значение для промышленных предприятий, учреждений и объектов сельского хозяйства. Поэтому предотвращение и быстрая ликвидация повреждения электрической сети является важной задачей. Повреждения в распределительных электрических сетях зачастую возникают из-за изношенности линий электропередачи. Изоляция кабельных линий в ходе эксплуатации теряет свои диэлектрические свойства, и происходит ее пробой. Воздушные линии, протяженность которых в нашей стране значительна, также довольно часто выходят из строя. Разрушаются изоляторы, возникают обрывы проводов из-за погодных условий, нередко происходит умышленное повреждение электрических сетей. Наиболее распространенным видом повреждения в распределительных сетях является однофазное замыкание на землю (033). Как правило, в распределительных сетях не предусмотрено защит от 033. Если не выполнить отключение поврежденного участка, то возможно дальнейшее развитие аварии. В кабельных линиях возможен переход однофазного замыкания в междуфазное, что сопровождается отключением линии. В сетях, выполненных воздушными линиями, нередко происходит разрушение опор. Наиболее продолжительной процедурой при ликвидации повреждения электрической линии, как кабельной, так и воздушной, является определение поврежденного участка. Для этого используются различные методы и средства определения места повреждения (ОМП). Наибольшее распространение получили устройства, предназначенные для кабельных линий.

Технические средства ОМП по назначению и принципу действия подразделяют на дистанционные и топографические [1]. Дистанционные средства ОМП устанавливаются непосредственно на подстанции и служат для определения поврежденного участка. Топографические приборы поиска являются переносными и предназначены для точного определения МП на трассе линии и используются оперативновыездными бригадами.

В распределительных сетях наибольшее распространение получили петлевой метод и импульсные (локационные) методы [2]. Петлевой метод использует измерение сопротивления до места повреждения. При этом поврежденная фаза соединяется перемычкой с неповрежденной, и полученный контур подключается к источнику постоянного тока. Петлевой метод обладает существенным недостатком: он применим только при устойчивых металлических замыканиях, а большинство однофазных замыканий на землю носят неустойчивый характер. Кроме того, при использовании этого метода на точность измерений большое влияние оказывает сопротивление соединительных проводов [3].

Импульсные (локационные) методы ОМП основаны на измерении времени между моментом посылки в линию зондирующего электрического импульса и моментом возвращения к началу линии импульса, отраженного от МП. Недостаток метода состоит в том что при определении места повреждения возникают затруднения в получении отраженного импульса достаточной амплитуды. Кроме того важную роль играет разветвленность электрической сети.

Также для определения расстояния до места повреждения может быть использован метод стоячих волн. Суть метода стоячих волн в том, что к отключенной поврежденной линии присоединяют источник периодического (синусоидального) сигнала высокой частоты. При достаточно высоких частотах линию электропередачи следует рассматривать как длинную линию, т.е. как линию с распределенными параметрами. При совпадении частоты источник испытательного напряжения и собственной резонансной частоты линии в начале линии амплитудное значение напряжения (тока) будет максимальным.

При синусоидальном напряжении источника питания напряжение в любой точке длинной линии можно представить в виде суммы двух слагаемых:

и = и- • еЛ(М + и-- еЛ(М+^ (1)

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011

а)

Рис. 1. Прямая (а) и отраженная (б) волны

в начале линии

где ит — комплексная амплитуда прямой волны напряжения, В;

ит — комплексная амплитуда обратной волны напряжения, В;

у — постоянная распространения; х — расстояние от начала линии до рассматриваемой точки, м.

Распространение волны характеризуется постоянной распространения, которую представляют в виде

у = а + ,

(2)

где а — коэффициент затухания, характеризует изменение амплитуды волны на единицу длины линии; р — коэффициент фазы.

Точка, фаза колебаний в которой остается постоянной, перемещается по линии с фазовой скоростью:

2я!

V _ Т, (3)

где Г — частота переменного напряжения, Гц.

Если считать момент времени фиксированным (например, 1 = 0) и рассматривать изменение мгновенного значения напряжения вдоль линии в зависимости от координаты X, то каждое из слагаемых в

(1) описывает гармоническую волну напряжения. Волна, описываемая первым слагаемым, носит название прямой или падающей волны. Волна, описываемая вторым слагаемым в (1), называется обратной или отраженной. Если падающая синусоидальная волна затухает (убывает по амплитуде) при движении от начала линии к концу (рис. 1а), то отраженная волна затухает при перемещении от конца линии к началу (рис. 1б).

Если частота источника питания совпадает собственной частотой линии, то напряжение в начале линии достигает максимума (рис. 2).

Выражение для определения собственной частоты длинной линии

Ї = — 41,

(4)

где 1 — длина линии, м;

V — скорость распределения волны вдоль линии, м/с.

То есть частота источника настраивается в резонанс с собственной частотой участка длинной линии до места повреждения. Исследуя изменение амплитуды напряжения или тока при плавном повышении частоты источник, можно зафиксировать первую частоту при которой наблюдается максимум напряжения (тока). Тогда расстояние до места повреж-

дения:

1 _ v

к 4^ ' (5)

где ^ — частота источника испытательного напряжения, при которой наблюдается максимум напряжения (тока) в начале линии.

Можно поступить и по-другому: зафиксировать две частоты ^ и 1:2, которым соответствуют два следующих друг за другом максимума напряжения.

1 _ v

к 2Г - Г2). (6)

Выражения (5) и (6) позволяют определить расстояние до места замыкания по методу стоячих волн.

Данный метод относится к высокочастотным т.к. частота источника при настройке в резонанс с линией может достигать нескольких мегагерц. Так, при скорости распространения волны v= 300000 км/ с и расстоянии до МП 1к= 1км частота источника должна быть ^ = 300 кГц, а при 1к= 100 м ^ = 3 МГц. Однако следует учитывать, что в реальных линиях

*

Рис. 3. График распределения тока вдоль линии

Рис. 4. Структурная схема прибора для определения расстояния до места замыкания линии на землю.

МК - микроконтроллер; ЖКД - жидкокристаллический дисплей; КЛАВ - клавиатура; ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь; ГЕН - генератор; БП - блок питания; УМ - усилитель мощности; ИТ - измеритель тока

скорость распространения волны будет несколько ниже.

В качестве использования метода стоячих волн рассмотрим некоторую линию. Предположим, что в конце линии произошло однофазное замыкание на землю. Необходимо определить частоту источника испытательного напряжения, при которой возникает эффект стоячих волн и построим графики распределения напряжения и тока в линии при данной частоте.

Длина линии 1 = 1к =3,24 км; удельное активное сопротивление линии г0 = 0,241 Ом/км удельная индуктивность линии Ь0 = 0,0013 Гн/км; фазовая скорость (скорость распространения волны) Уф = 300000 км/с.

Удельные параметры линии соответствуют воздушной линии напряжением 35 кВ выполненной проводом марки АС-120. Кроме того, будем рассматривать данную линию как линию без потерь.

Определим собственную частоту линии:

АРЕЗ

= =

300000

=---------= 23148 Гц.

41

4 • 3,24

(7)

Зная собственную частоту линии, можно определить частоту источника испытательного напряжения:

^ = 2ірЕЗ = 2 • 23148 = 46296 Гц .

(8)

Тогда фазовый коэффициент определяется следующим выражением:

Ввод длины линии

= І. П

Подключение прибора к неповрежденной линии

Гэнерация частоты ґ=300000/2*1- ,,

і г

Измерение значения тока в линии а = / п

і-= Л, - А1.

1

= 1-0

Подключение прибора к поврежденной линии

Генерация частоты Г=300000/2*Ь ,

і Г

Измерение значения тока в линии а = 1 п

1~,= І-. - АІ

Вычисление расстояния до обрыва линии \.=300000/2*(12- ґ }

Рис. 5. Графическое изображение алгоритма

ь ю 2 • 3,14 • 46296 ппгп ,

В = Юд/Ь0С0 =-----=---------------= 0,969 рад / км (9)

^ 0 0 УФ 300000 ■ (9)

Волновое сопротивление линии:

^с =

0,0013 0,008 • 10

-6

= 403,11 Ом.

(10)

Л , км

к

л

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

207

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011

Длина волны при этом будет равна:

. 2р 2 • 3,14

к _ — _----------_ 6,28 км. (11)

Р 0,969 ( )

В соответствие с выражением (11) длина волны испытательного сигнала пропорциональна расстоянию до места повреждения. Это и лежит в основе метода стоячих волн.

При коротком замыкании в конце линии распределение тока и напряжении в линии описывается следующей системой телеграфных уравнений:

U = jI2 Zc sin px I = U2 cos px'

(12)

или используя мгновенные значения тока и напряжения, полагая, что начальная фаза равна нулю, (Ф = 0):

u = I2mZC sin Px • sin(wt + 90 )

0ч'

= U2m • sin Px • sin(wt + 90 ) i = I2m cos Px • sin Wt

(13)

где 12т — амплитудное значение тока, А; и2т — амплитудное значение напряжения, В; х' — расстояние от рассматриваемой точки до начала линии, км.

Согласно (13), напряжение опережает ток на 90 грдусов. Построим графики распределения тока и напряжения в линии при частоте ^ = 21:рез = 2.23148 = = 46296 Гц. Амплитудное значение напряжения испытательного сигнала и =200 В.

т

На рис. 3 представлена зависимость действующего значения тока в начале линии от частоты источника испытательного напряжения I = Д^).

Метод стоячих волн применим для определения расстояния до места повреждения на отключенных воздушных линиях. Так же он может быть использован в сетях различных классов напряжения.

Метод стоячих волн предполагает измерение полного входного сопротивления поврежденной линии в широком диапазоне частот. Следовательно, в приборе для определения расстояния до места однофазного замыкания на землю, реализованного по этому методу, должны быть высокочастотный генератор синусоидального сигнала, измеритель входного сопротивления линии, управляющая часть для автоматического определения и расчета параметров линии, клавиатура для ввода начальных данных и дисплей для вывода результатов.

Измерять входное сопротивление легче всего измерением тока, текущего по линии, при поддержании напряжения на входе постоянным.

Структурная схема устройства, основанного на методе стоячих волн, представлена на рис. 4. Вся структурная схема разделена на две основные части — управляющую и силовую. В управляющую часть входят микроконтроллер, клавиатура, дисплей. В силовую часть — цифро-аналоговый преобразователь, высокочастотный генератор, усилитель мощности, измеритель тока. Кроме того, к силовой части относится блок питания всего устройства.

Рассмотрим алгоритм определения расстояния до места повреждения.

Сначала прибор подключается к неповрежденной фазе рассматриваемой линии, и задается длина этой линии. Сперва определяют начальную частоту, с которой проводятся измерения. В тоже время измеряется ток в линии. Плавно изменяя частоту сигнала, определяется частота, соответствующая максимальному значению тока. Это частота резонанса неповрежденной фазы. Затем измерения выполняются для поврежденной фазы и аналогично вычисляется ее резонансная частота. Зная отношение резонансных частот и длину неповрежденной фазы, можно определить расстояние до места повреждения. Графическое изображение алгоритма представлено на рис. 5.

Библиографический список

1. Гельфанд, Я. С. Релейная защита распределительных сетей / Я. С. Гельфанд. — М. : Энергоатомиздат, 1987 — 368 с.

2. Шабанов, В. А. Определение места повреждения в распределительных сетях при однофазных замыканиях на землю : учеб. пособие / В. А. Шабанов. — Уфа : Изд-во УНГТУ, 2003. — 96 с.

3. Сирота, И. М. Режимы нейтрали электрических сетей / И. М. Сирота, С. Н. Кисленко, А. М. Михайлов. — Киев : Наук. думка, 1985. — 264 с.

БОЛДЫРЕВ Игорь Владимирович, инженер кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий». ВЛАДИМИРОВ Леонид Вячеславович, ассистент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».

ОЩЕПКОВ Владимир Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».

Адрес для переписки: e-mail: [email protected]

Статья поступила в редакцию 06.09.2011 г.

© И. В. Болдырев, Л. В. Владимиров, В. А. Ощепков

Книжная полка

621.3/М76

Молчанов, А. П. Курс электротехники и радиотехники / А. П. Молчанов, П. Н. Занадворов. - 4-е изд., стер. - СПб. : БХВ-Петербург, 2011. - 597 с. - 1БВЫ 978-5-9775-0544-4.

В книге излагаются основные особенности процессов в электрических цепях и радиоэлектронных устройствах и методы их анализа. Анализ дается на основе спектрального метода исследования. Объем сообщаемых сведений соответствует программе курса физических основ радиоэлектроники в университетах и рассчитан на специалистов, использующих методы радиоэлектроники в физическом эксперименте.