Физические основы диагностики повреждений воздушных линий распределительных электрических сетей

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДИАГНОСТИКИ ПОВРЕЖДЕНИЙ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

Р. Г.МИНУЛЛИН*, И.Ш. ФАРДИЕВ**

*Казанский государственный энергетический университет **ПЭО «Татэнерго»

Рассматриваются особенности обнаружения повреждений в воздушных линиях распределительных электрических сетей, имеющих древовидную топологию. Для обнаружения повреждений предлагается метод импульсного локационного зондирования с использованием промышленных рефлектометров. Обсуждаются способ расшифровки рефлектограмм и методика определения расстояния до повреждения и его вида (обрыв, замыкание, ухудшения изоляции и контактов).

Ключевой проблемой энергосбережения является бесперебойное снабжение потребителей качественной электроэнергией с минимальными издержками. Это же требование возникает в жестких условиях рыночных отношений, существующих в настоящее время между энергосистемой и потребителями. Поэтому задача определения места повреждения на воздушных линиях электропередачи крайне важна для обеспечения скорейшего восстановления питания в случаях неисправностей и аварий. В противном случае возникают значительные экономические потери.

Как показывает статистика [1], в сетях средней энергосистемы годовое количество повреждений исчисляется сотнями, а в питающихся от нее абонентских сетях - тысячами. Большую часть повреждений воздушных линий составляют замыкания и обрывы. Причиной их возникновения могут быть естественные и искусственные условия.

В естественных условиях замыкания могут возникать из-за удара молнии, коммутационных перенапряжений, воздействия ветра, роста деревьев, разрушения изоляторов, схлестывания проводов. Обрывы могут происходить из-за резких порывов ветра, падения деревьев, возникновения низких температур, обледенения проводов и т. д.

К сожалению, в последнее время участились случаи искусственного создания коротких замыканий на линиях с целью отключения релейной защитой питания электропроводов для последующего их хищения. Убытки от хищения электропроводов и варварского разрушения электролиний в настоящее время в энергосистемах достигают нескольких миллионов рублей в год.

Воздушные линии, имеющие большую протяженность, являются наименее надежными элементами энергосистемы. К тому же, определение места повреждения является наиболее сложной, а часто и наиболее длительной технологической операцией по восстановлению поврежденных участков или элементов электросети. Даже верховые осмотры не всегда позволяют найти следы перекрытия изоляторов. Иногда, особенно при неустойчивых повреждениях, вообще не остается на трассе следов перекрытия и протекания токов замыкания [1].

© Р. Г. Минуллин, И.Ш. Фардиев Проблемы энергетики, 2004, № 5-6

Для электролиний напряжением 6-35 кВ, составляющих основу распределительных сетей, до сих пор не существует реально используемых эффективных методов дистанционного определения места повреждений. Это обусловлено спецификой распределительных сетей, где применяется режим изолированной нейтрали. Кроме того, распределительные сети имеют сильно разветвленную древовидную топологию. Вследствие этого, методы диагностики, успешно используемые в электролиниях напряжением 110 кВ и выше, в данном случае абсолютно неприемлемы.

Тщательный информационный поиск и скрупулезный анализ отечественной и зарубежной технической литературы показал, что ни в РФ, ни в СНГ, ни за рубежом проблема оперативной диагностики состояния распределительных электросетей в настоящее время 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 определения места повреждения с использованием последних достижений науки и техники. Это затрудняет их обнаружение, увеличивает время поиска и приводит к экономическим потерям.

Поэтому сложность и неординарность ситуации потребовали тщательного исследования физических процессов, происходящих в распределительных электросетях, выбора оптимального и результативного метода диагностики, его физико-технического обоснования, разработки системы диагностики с последующей опытной эксплуатацией в реально действующих распределительных электросетях.

Цель исследования состояла в разработке технологии диагностики повреждений в воздушных электролиниях распределительных сетей напряжением 6 - 35 кВ, имеющих разветвленную топологию. При этом технология должна позволять обнаруживать неоднородности в электролиниях, каковыми являются обрывы, замыкания, ухудшение изоляции из-за неисправности изоляторов, приближение веток деревьев из-за их роста, ухудшение контактов в местах спайки проводов и сочленения с кабельными вставками и тому подобное.

В основу технологии диагностики положен метод рефлектометрии, использующий локационный принцип импульсного зондирования неоднородностей в проводящих металлических средах с помощью видеоимпульса (импульсный) и с помощью перепада напряжения (волновой) [1].

При этом решается сложная физико-техническая задача: распознавание на рефлектограмме импульсов, отраженных от различных неоднородностей (обрывы, замыкания, ухудшение изоляции и контактов и т.д.), по их полярности, амплитуде, форме и характерным искажениям. Задача распознавания импульсов осложняется тем, что в разветвленной линии (6 - 35 кВ), в отличие от одиночной длинной линии (110 кВ и выше), имеют место многократные отражения от каждой неоднородности, т. к. их сопротивления отличаются от волнового сопротивления воздушной линии.

Поэтому для расшифровки рефлектрограмм потребовалось накопление определенных знаний путем экспериментального исследования всех возможных технических ситуаций в линиях, приводящих к созданию в них неоднородностей сопротивления в токовых энергонесущих проводах. На основе выполненных экспериментов разработаны математические методы, алгоритмы и программные средства для обработки рефлектограмм, идентификации повреждений с их

местоопределением и для индикации результатов зондирования на экране персонального компьютера.

Если в сетях имеются участки с линейной структурой, то 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 хорошо 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 и сигнал при отражении от места отпайки меняет свою полярность, а обмотки трансформаторов идентичны индуктивной нагрузке, отраженный сигнал при этом полярности не меняет [1]. От этих неоднородностей отражаются зондирующие сигналы, причем многократно, из-за несогласованности их сопротивлений с волновым сопротивлением линии. В итоге на индикаторе, каковым является экран осциллографа с амплитудно-временной разверткой, получается суммарно-разностная 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 зондировании применяются короткие импульсы, поэтому на результирующей рефлектограмме отраженные сигналы складываются, в основном, только во времени. Это значительно упрощает рефлектограмму, где отраженные сигналы видны в виде отдельных импульсов, которые удается связывать с неоднородностями, имеющимися в линии.

Как показали исследования, каждый вид неоднородности в линии обуславливает свой отраженный импульс с характерными изменениями амплитуды и формы. Таким образом был составлен словарь отраженных импульсов для распознавания рефлектограмм 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 [2].

Поэтому для измерений используются рефлектометры, 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 генерируют импульсы длительностью от 0,007 до 10 мкс и позволяют вести измерения на линиях длиной от единиц метров до 25 км.

В первом случае разрешающая способность рефлектометра находится в пределах 15 м - 9 км. В качестве индикатора используется электроннолучевая трубка, цифровой выход отсутствует. Во втором случае разрешающая способность находится в пределах 2 м - 3 км. 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, тем больше должна быть его амплитуда [2]. Обычно амплитуда зондирующих импульсов рефлектометров составляет 5 - 20 В.

Существующие промышленные рефлектометры универсальны, поэтому они используются 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. Имитировались подключения к линии конденсаторов связи, фильтров присоединения и заградительных фильтров [2]. С помощью импульсного рефлектометра были сняты рефлекто-граммы для всех перечисленных ситуаций. Исследования проводились в режимах нормальных нагрузок, обрывов и замыканий на разных участках линии.

Затем были проведены натурные исследования на электролиниях Пригородного РЭС Приволжских электрических сетей ПЭО «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.

Измерения рефлектограмм осуществлялись с помощью промышленных рефлектометров. С использованием вышеописанной методики расстояния до мест обрывов и коротких замыканий определялись с точностью до 2 % .

Анализ многочисленных рефлектограмм показал, что процесс их формирования отраженными импульсами достаточно сложен и не всегда поддается однозначной идентификации. Среди импульсов, принадлежность которых распознается однозначно, имеются устойчивые отражения, причина появления которых явно не проглядывается. Возможно, они обусловлены дефектами в электролинии (нарушения изоляции, повышенные сопротивления в местах спайки проводов и т. д.).

Разработанная технология диагностики повреждений электролиний проходит опытную эксплуатацию в Приволжских электрических сетях ПЭО «Татэнерго» с целью последующего тиражирования.

Обычно зондирование осуществляется на обесточенных линиях при снятом высоковольтном напряжении. Однако, используя высоковольтные конденсаторы емкостью 5 - 10 тыс. пФ, можно зондирующее устройство подключить к действующей электролинии. Тогда диагностику линии можно будет осуществлять в любое время, не отключая напряжения.

Систему диагностики можно сделать автоматической с использованием персонального компьютера, который будет выполнять функции: времязадающие, обрабатывающие, распознавания, подающие сигнал в случае появления нештатной ситуации с указанием места происшествия. Автоматическая система диагностики будет следить за состоянием электролиний без участия человека и оперативно оповещать диспетчера о всех нарушениях в подконтрольных распределительных электросетях.

В результате внедрения данного метода диагностики удастся 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 и повысит надежность работы электролиний путем планово-предупредительного ремонта

обнаруженных некачественных участков электролиний, 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 с целью хищения. Своевременные оперативно-розыскные меры позволят захватить нарушителей на месте преступления.

Summary

Here are discussed the features of damage detection in high-voltage lines of distributive electric systems with diversified topology .The method of impulse locative probing using industrial reflectometers is offered for damage detection.The authors discuss the way of decoding of reflectograms and the method to estimate the distance to the site of damage and its type (rupture, shorting, deterioration of contacts and isolation).

Литература

1. Шалыт Г. М. Определение мест повреждения в электрических сетях. - М.: Энергоиздат, 1982. - 308 с.

2. Ишкин В. Х., Цитвер И. И. Высокочастотная связь по линиям электропередачи 330-750 кВ. - М.: Энергоиздат, 1981. - 208 с.

Поступила14.06.2002