CC BY
71
УДК 621.311.22
ДИАГНОСТИКА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
И.Ш. ФАРДИЕВ**, Р.Г. МИНУЛЛИН*, Е.В. ЗАКАМСКИЙ*,
В.В. АНДРЕЕВ*, Д.Ф. ГУБАЕВ**
*Казанский государственный энергетический университет **ОАО «Татэнерго»
Выполнены предварительные исследования физических особенностей электролиний с разветвленной структурой. Использованы методы импульсного и волнового зондирования. Получены аплитудно-временные рефлектрограммы отраженных сигналов, осуществлена их интерпретация. Разрабатывается дистанционный метод диагностики электролиний с разветвленной структурой.
В новых условиях хозяйствования в электроэнергетике страны, приведших к рыночным отношениям между производителями и потребителями электроэнергии, проблема энергосбережения становится наиболее актуальной. Одним из мероприятий по энергосбережению - уменьшению электрических потерь в распределительных сетях - является оперативное определение мест повреждения (ОМП) на линиях электропередачи в сочетании со своевременной диагностикой их технического состояния. Минимизация времени ОМП и профилактический ремонт линий обусловливают минимизацию финансовых потерь из-за недоотпуска электроэнергии и штрафных санкций.
Воздушные линии, имеющие большую протяженность, являются наименее надежными элементами энергосистемы. При этом определение места повреждения и восстановление поврежденных участков электролиний сети является наиболее сложной и длительной технологической операцией.
Особо остро эта проблема стоит для электролиний напряжением 6 - 35 кВ. Затруднения возникают из-за того, что в распределительных сетях применяется режим изолированной нейтрали, кроме того, они имеют разветвленную древовидную топологию. Поэтому методы диагностики, успешно используемые для электролиний напряжением 110 кВ и выше, в данном случае абсолютно неприемлемы.
Информационный поиск и анализ советско-российской и зарубежной технической литературы показал, что ни в РФ, ни в СНГ, ни за рубежом проблема оперативной диагностики состояния распределительных электросетей в настоящее время до конца не решена. Разнообразие видов и характеров повреждений пока не позволило найти какой-либо универсальный метод диагностики. Специалисты служб эксплуатации электросетей не имеют действенных и современных методов дистанционного ОМП, использующих последние достижения науки и техники. Это затрудняет обнаружение повреждений (особенно в осенне-весенние и зимние периоды), увеличивает время их поиска и приводит к финансовым потерям.
Сложность и неординарность ситуации требуют:
• фундаментального исследования физических процессов, происходящих в распределительных электросетях с древовидной топологией;
• выбора оптимального и результативного метода диагностики;
© И.Ш. Фардиев, Р.Г. Минуллин, Е.В. Закамский, В.В. Андреев, Д.Ф. Губаев Проблемы энергетики, 2004, № 7-8
• физико-технического обоснования метода;
• разработки технологии диагностики.
После критического обзора и оценки существующих методов ОМП на электролиниях был выбран метод рефлектометрии, то есть метод зондирования неоднородностей в проводящих металлических средах с помощью видеоимпульса (импульсный) и с помощью перепада напряжения (волновой).
При этом необходимо решать сложную физико-техническую задачу: распознавание на рефлектограмме импульсов, отраженных от различных неоднородностей (обрывы, короткие замыкания, места присоединения ответвлений, ухудшения изоляции и контактов и т.д.), по их полярности, амплитуде, форме и характерным искажениям. Задача распознавания принадлежности импульсов осложняется тем, что в разветвленных линиях, каковыми являются распределительные сети (6 - 35 кВ), имеют место
многократные отражения от каждой неоднородности, т.к. их сопротивления отличаются от волнового сопротивления воздушной линии.
Попытки модельного описания реакции на импульсное зондирование сети с древовидной топологией, даже простейшей конфигурации, привели к сложнейшим математическим выражениям, которые не имели технологической перспективы. Поэтому было решено вести фундаментальные исследования физико-технических особенностей сетей с древовидной топологией экспериментальным путем.
Исследования были выполнены [1 - 3]:
1) в лабораторных условиях на макетных образцах, состоящих из отрезков кабельных линий;
2) в полевых условиях на электролиниях действующих распределительных
сетей.
Можно применять два метода зондирования: волновой и импульсный.
Если в линии имеется только одна неоднородность (обрыв, замыкание, кабельная вставка и т.д.), то она может быть легко идентифицирована по одиночному отраженному сигналу в виде волны или короткого импульса.
Но такие простые участки в сетях встречаются редко. Реальная структура представляет собой основную линию с отходящими от нее многочисленными ответвлениями (отпайками), которые на концах нагружены на обмотки трансформаторов. В данном случае отпайки идентичны емкостной нагрузке -сигнал при отражении от места отпайки меняет свою полярность, а обмотки трансформаторов идентичны индуктивной нагрузке - отраженный сигнал при этом полярности не меняет. Кроме того, сигналы от места короткого замыкания отражаются с изменением полярности, а от места с обрывом - без изменения полярности. Причем от этих неоднородностей зондирующие сигналы отражаются многократно из-за несогласованности их сопротивлений с волновым сопротивлением линии. В итоге, на индикаторе, каковым является экран осциллографа с амплитудно-временной разверткой, получается суммарноразностная картина сигналов - так называемая рефлектограмма.
При волновом методе информация заключена в переднем фронте волны, которая существует длительное время. К сожалению, из-за сложения и вычитания многократные волновые отражения создают такую картину, в которой разобраться весьма сложно, т.к. сигналы складываются не только во времени, но и по амплитуде.
При импульсном методе применяются короткие импульсы, поэтому на результирующей рефлектограмме отраженные сигналы складываются, в
основном, только во времени. Это несколько упрощает рефлектограмму, где отраженные сигналы видны в виде отдельных импульсов, которые удается связать с неоднородностями, имеющимися в линии.
Как показали исследования, каждый вид неоднородности в линии обусловливает свой отраженный импульс с характерными изменениями амплитуды и формы. Таким образом, была составлена база рефлектограмм отраженных импульсов для их распознавания с целью определения вида и места повреждения в линии.
Распределительные сети имеют, в большинстве случаев, линии длиной не более 20 - 30 км. Полоса пропускания таких электролиний составляет примерно 1 - 5 МГц. Естественно, чем длиннее линия, тем меньше ее полоса пропускания из-за увеличения общей емкости линии.
Поэтому для измерений можно использовать рефлектометры (например, "Р5-10"), которые генерируют импульсы длительностью от 0,05 до 30 мкс и позволяют вести измерения на линиях длиной от десятков метров до 300 км или же рефлектометры (например, "Рейс-105Р"), генерирующие импульсы
длительностью от 0,007 до 10 мкс, что позволяет вести измерения на линиях длиной от единиц метров до 25 км.
В первом случае разрешающая способность рефлектометра находится в пределах 15 - 9000 м в зависимости от длительности выбранного импульса. В качестве индикатора используется электроннолучевая трубка, цифровой выход отсутствует. Во втором случае разрешающая способность находится в пределах 2 -3000 м. Индикатором служит жидкокристаллический дисплей, имеются: долговременная память на 200 рефлектограмм и цифровой выход для подключения компьютера.
Чем сложнее конфигурация линии, тем больше затухание зондирующего импульса в ней, тем больше должна быть его амплитуда. Обычно амплитуда зондирующих импульсов рефлектометров составляет 5 - 20 В.
Существующие промышленные рефлектометры универсальны, поэтому они могут использоваться как в стационарных, так и в полевых условиях.
Был проведен цикл лабораторных исследований макетов электролиний с использованием кабеля РК-75. Была реализована древовидная схема подключения к основному кабелю ответвлений с индуктивными нагрузками, имитирующими обмотки трансформаторов. Также имитировались подключения к линии конденсаторов связи, фильтров присоединения и заградительных фильтров. С помощью импульсного рефлектометра были сняты рефлектограммы для всех перечисленных ситуаций. Исследования проводились в режимах нормальных нагрузок, обрывов и замыканий на разных участках линии.
На рис. 1, а приведена схема кабельной линии длиной 153,9 м с тремя ответвлениями (размеры участков линии указаны на схеме), для которой были сняты эталонная рефлектограмма (рис. 1, б), когда концы ответвлений были разомкнуты (режим холостого хода - ХХ), и реальная рефлектограмма (рис. 1, в), когда в точке Ж ответвление замкнуто накоротко (режим короткого замыкания - КЗ).
Зондирование осуществлялось импульсами длительностью т = 15 нс, расчетная разрешающая способность, исходя из длительности импульса, при этом составила 4,5 м, диапазон измерений Б = 200 м, коэффициент укорочения К = 1,52.
1Q м Б 23,3 м А □-------------О------------О
107,4 м
10,7 м
В
U, В
к
U, В
Е 13,2 м З -о-----------------О
6,0 м
5,5 м
Д
а)
о
Ж
D = 2QQ м, т = 15 нс, К = 1,52 т. В - ХХ т. Д - ХХ т. Ж - ХХ т. З - ХХ
D = 2QQ м, т = 15 нс, К = 1,52 т. В - ХХ
Рис. 1. Результаты зондирования кабельной линии с ответвлениями: а) схема линии; б) эталонная рефлектограмма; в) реальная рефлектограмма (короткое
замыкание в точке Ж)
На рефлектограмме, показанной на рис. 1, б, хорошо видны импульсы, отраженные от неоднородностей линии. В местах присоединения ответвлений (точки Б, Г, Е) отраженные импульсы имеют отрицательную полярность, от разомкнутых концов ответвлений (точки В, Д, Ж) импульсы отражаются с положительной полярностью.
На рис. 1, в изображена рефлектограмма для той же конфигурации линии, но в точке Ж ответвление замкнуто накоротко. До точки Ж рефлектограмма имеет прежний вид. Но от точки Ж теперь отражается отрицательный импульс, соответствующий короткому замыканию.
Таким образом, метод импульсного локационного зондирования позволяет однозначно расшифровывать получающиеся при этом рефлектограммы линий с несколькими ответвлениями.
Для линии, представленной на рис. 1, а, можно написать уравнения для путей прохождения импульсов при однократном отражении от неоднородностей линии.
Уравнения для: т. Б А(-Б)А = -10 м (-11 м);
т. В АБВБА = 20,7 м (22 м);
т. Г АБ(-Г)БА = -33,3 м (-32 м);
т. Д АБГДГБА = 39,3 м (41 м);
т. Е АБГ(-Е)ГБА = -140,7 м (-142 м);
т. Ж АБГЕЖЕГБА = 146,2 м (148 м); т. З АБГЕЗЕГБА = 153,9 м (156 м), где знак минус перед буквой означает переворот импульса по фазе в этой точке.
Первая цифра в правой части уравнений - истинная длина участка линии, вторая цифра (в скобках) - длина, измеренная рефлектометром. Как видно из уравнений, с увеличением расстояния относительная ошибка уменьшается, а абсолютная ошибка остается в пределах 1 - 2 м. Таким образом, реальная разрешающая способность импульсного метода в 2-3 раза выше расчетной.
Были проведены натурные исследования на действующих электролиниях Пригородного РЭС Приволжских электрических сетей ОАО «Татэнерго». Измерения велись на воздушных линиях 10 кВ с несколькими ответвлениями, нагруженными на обмотки трансформаторов 10/0,4 кВ. Исследовались режимы нормальной нагрузки ответвлений, режимы обрывов и замыканий на фидере №23 подстанции «Аэропорт». Общая длина линии составляет 8890 м, на линии имеются 4 ответвления. Размеры участков линии указаны на схеме (рис. 2, а), концы ответвлений разомкнуты.
Зондирование осуществлялось импульсами длительностью в 1 мкс, расчетная разрешающая способность с учетом длительности импульса при этом составляла 300 м. Для ответвлений длиной 180, 120, 150 и 10 м длительность импульса, эквивалентная 300 м, обеспечивала волновой метод зондирования. Диапазоны измерений соответствовали 0...9 600 м (рис. 2, б) и 0....19200 м (рис. 2, в), коэффициент укорочения К = 1.
На эталонной рефлектограмме, (рис. 2, б), в месте присоединения ответвлений (точки Б, Г, Е) отраженные импульсы имеют отрицательную полярность, от концов ответвлений (точки В, Д, Ж) импульсы отражаются с положительной полярностью. Реальная разрешающая способность волнового метода тоже в 2 - 3 раза выше расчетной, т.к. начала отражений от концов ответвлений, находящихся на расстоянии 120 -180 м, хорошо различаются.
3150 м
U, В
U, В
Б 7QQ м Г 49Q м Е 4480 м З 7Q м О-----------О----------О--------------Q-O К
180 м
О
В
120 м
150 м
о
Д
О
Ж
10 м
О
И
а)
D = 9600 м, т = 1 мкс, К = 1
т. В - ХХ
т. Д - ХХ
т. Ж - ХХ
т. И - ХХ
т. К - ХХ
Г Е
/
В
Д
L, м
б)
D = 19200 м, т = 1 мкс, К = 1 т. В - ХХ
т. Д - подкл. трансформатор т. Ж - КЗ двухфазное т. И - подкл. трансформатор т. К - ХХ
L, м
В Д Ж
в)
Рис. 2. Результаты зондирования воздушной линии с ответвлениями: а) схема линии; б) эталонная рефлектограмма; в) реальная рефлектограмма (короткое
замыкание в точке Ж)
На рис. 2, в изображена реальная рефлектограмма для той же линии, но в точках Д и И подключены силовые трансформаторы, а в точке Ж создано двухфазное короткое замыкание. В отличие от эталонной рефлектограммы, реальная рефлектограмма снята при другом масштабе по оси ОХ, т.к. диапазон измерений составляет 0.19 200 м. На реальной рефлектограмме (рис. 2, в) видны без изменения формы и полярности все однократно отраженные импульсы, которые наблюдаются в точках Б, В, Г, Д, Е на рис. 2, б. Но импульс, отраженный в точке Ж, изменил свою полярность на отрицательную и просуммировался с отрицательным импульсом, отраженным в точке Е. Короткое замыкание в точке Ж зашунтировало отражения от точек И и К.
Итак, волновой метод локационного зондирования также дает возможность однозначно расшифровывать рефлектограммы линий с древовидной топологией при высокой разрешающей способности.
Измерения рефлектограмм осуществлялись с помощью промышленного рефлектометра "Рейс-105Р". С использованием вышеописанной методики расстояния до мест обрывов и коротких замыканий определялись с погрешностью менее 1 %.
Анализ многочисленных рефлектограмм показывает, что процесс их формирования отраженными импульсами достаточно сложен и не всегда поддается четкой идентификации. Среди импульсов, принадлежность которых распознается однозначно, имеются устойчивые отражения, причина их появления явно не проглядывается. Возможно, они обусловлены дефектами в электролинии (нарушения изоляции, повышенные сопротивления в местах спайки проводов и т.д.). Все эти обстоятельства являются предметом дальнейших исследований.
Зондирование осуществлялось на обесточенных электролиниях. Однако, используя высоковольтные конденсаторы емкостью 5-10 тыс. пФ, можно подключить зондирующее устройство к электролинии, находящейся под напряжением. Тогда диагностику линии можно осуществлять в ее рабочем состоянии.
Систему диагностики можно сделать автоматической с использованием персонального компьютера, который будет осуществлять времязадающие, обрабатывающие, распознающие функции, а также подавать сигнал тревоги в случае появления нештатной ситуации (хищение проводов) с указанием места происшествия. Автоматическая система диагностики будет следить за состоянием электролиний без участия человека и оперативно оповещать диспетчера обо всех нарушениях в подконтрольных распределительных электросетях.
На рис. 3 приведен пример совместной компьютерной обработки двух рефлектограмм: эталонной, снятой при штатной ситуации, и реальной, снятой при нештатной ситуации на фидере № 23 подстанции «Аэропорт».
В верхней части экрана дисплея видны эталонная и реальная рефлектограммы. Под ними изображена разностная рефлектограмма, на которой виден первый положительный импульс, соответствующий появлению неоднородности в линии. В нижней части экрана представлена схема электролинии с сохранением пропорций ее участков. Над схемой линии расположена расчетная рефлектограмма с указанием мест появления положительных и отрицательных импульсов, которые с помощью курсоров соотнесены с реально отраженными импульсами.
© Проблемы энергетики, 2004, N° 7-8
Анализатор места повреждения на ЛЭП
Файл Схема Место повреиодения О программе
І_1=1 Є41,4м
1_2=12340м
01_=112Э9м
На 1_=4050м от точки А - замыкание на отпайке.
Диап.: | 19200м
Построить
Выход
’ - — — п - — а: — — — —
□ □
■ гг ■
■ ■
■ ■
■ і ■
■■■
■
■ ■■
■ н □
□
п ■
□ а Сж ■
І_=404Є,1 м
Количество отпаек:
Применить |
№ Ычасток Длина, м Напр. =1
1 Линия (АБ) 3150
2 Отпайка (БВ) 180
3 Линия (БГ) 700
4 □тпайка (ГД) 120
5 Линия (ГЕ) 490
Л Пуск РеІрИІ Є
21:54
Рис. 3. Пример компьютерного анализа рефлектограмм для определения места повреждения (случай короткого замыкания)
В правой части экрана находится пиксельное пространство (увеличенная в несколько раз область вокруг курсора мыши), с помощью которого можно предельно точно вручную с помощью курсоров измерить любой участок линии. Результат измерения отображается в окне под пиксельным пространством. Ниже расположено окно ввода количества ответвлений и геометрических размеров участков линии.
В нижней левой части экрана находится окно, где сообщается результат взаимного анализа двух рефлектограмм с указанием вида повреждения (обрыв или короткое замыкание) и расстояния до него. Место произошедшего события указывается на схеме электролинии кружочком. В рассматриваемом примере произошло короткое замыкание на отпайке на расстоянии 4 050 метров от начала линии.
В результате широкого внедрения данного метода диагностики станет возможным заблаговременно предупреждать возникновение повреждений в электролиниях, своевременно обнаруживать вид повреждения и оперативно устанавливать его место. Все это приведет к значительному сокращению времени отключения потребителей при возникновении повреждений и аварийных ситуаций, повысит надежность работы электролиний путем плановопредупредительного ремонта обнаруженных некачественных участков электролиний, обеспечит потребителей бесперебойным и качественным электроснабжением, приведет к существенной экономической выгоде.
Кроме того, будет решена проблема хищения проводов электролиний, так как предлагаемая система диагностики будет также играть роль охранной сигнализации. При возникновении несанкционированных обрывов в линии диспетчер будет мгновенно получать сигнал тревоги с указанием места обрыва.
Данный метод диагностики и ОМП в распределительных сетях может быть применен на электролиниях напряжением 110 кВ и выше, а также на низковольтных связных и коммутационных сетях и на сетях передачи данных. Исследования выполнены на средства: фонда НИОКР ОАО «Татэнерго» за 2001 г.;
фонда НИОКР Республики Татарстан (грант Академии наук Республики Татарстан, проект 06-6.7-178/2002-Ф).
Summary
Preliminary investigations of physical peculiarities of electric power supply lines with diversified structure have been performed using the methods of impulse and wave probing. Temporal-amplitude reflectograms of reflected signals were recorded and their interpretation was performed. Remote control diagnostic method of electric power lines with diversified structure is being developed.
Литература
1. Минуллин Р. Г., Закамский Е. В. Определение мест повреждения в
электрических сетях напряжением 6-35 кВ импульсным методом //Доклады Российского национального симпозиума по энергетике. - Казань. -2001. - Т.2. - С. 62 - 64.
2. Минуллин Р. Г. Методы и аппаратура определения мест повреждений в
электросетях. - Казань: Энергопрогресс, 2002. -152 с.
3. Минуллин Р. Г. Физические основы диагностики повреждений воздушных
линий распределительных сетей. // Изв. вузов. Проблемы энергетики. -
2004. - № 5-6. - С. 43-47. Поступила 01.03.2004
