Способ обнаружения устойчивых повреждений воздушных линий электропередачи напряжением 110-220 кВ в цикле автоматического повторного включения. 

УДК 621.311

СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ УСТОЙЧИВЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ НАПРЯЖЕНИЕМ 110220 КВ В ЦИКЛЕ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОВТОРНОГО

ВКЛЮЧЕНИЯ

Ю.В. ПИСКОВАЦКИЙ

Казанский государственный энергетический университет

Предлагается модернизация алгоритма действия автоматики повторного включения с целью предотвращения повторного включения линии электропередачи во время устойчивых повреждений. Устройство, использующее принцип импульсного локационного зондирования, вырабатывает при обнаружении устойчивого повреждения на линии электропередачи сигнал запрета на её включение.

Ключевые слова: автоматика повторного включения, обнаружение устойчивых повреждений, метод импульсного локационного зондирования.

Воздушные линии (ВЛ) имеют большую протяженность и проходят по открытой местности, поэтому они являются самым повреждаемым элементом электроэнергетической системы. На работу конструктивной части ВЛ оказывают воздействие механические нагрузки от собственного веса проводов и тросов, от гололедных образований на проводах, тросах и опорах, от давления ветра, а также изменения температуры воздуха. Из-за воздействия ветра возникает вибрация проводов (колебания с высокой частотой и незначительной амплитудой), а также пляска проводов (колебания с малой частотой и большой амплитудой). Указанные выше механические нагрузки, вибрации и пляска проводов могут приводить к обрыву проводов, поломке опор, схлестыванию проводов либо сокращению их изоляционных промежутков, что может привести к пробою или перекрытию изоляции. На повреждаемость ВЛ влияет и загрязнение воздуха. Часты отключения линий из-за грозовой деятельности, стихийных бедствий, перекрытий ветками деревьев и т.д. Причина большинства неустойчивых повреждений, как правило, не выявляется [1].

На рис. 1 для примера показано удельное число отключений на 100 км длины ВЛ напряжением 35-500 кВ в ОАО «Сетевая Компания» за период 19972007 гг.

Как видно из рис. 1, наиболее часто отключаемыми являются линии напряжением 110 кВ и 220 кВ. При этом протяженность ВЛ 35-500 кВ по цепям равна 12300 км, большую часть составляют ВЛ 110 кВ и 220 кВ - 6417 км и 1522 км соответственно.

В электрической сети возникают как устойчивые, так и неустойчивые повреждения изоляции и токоведущих частей.

Возможные причины отключений ВЛ 110-220 кВ иллюстрируются на рис. 2, на котором представлен архив отключений ОАО «Сетевая Компания» за период 2005-2007 гг.

Большинство повреждений являются неустойчивыми и после снятия напряжения с линии самоустраняются - это позволяет, используя автоматику, произвести повторное включение линии и возобновить работу. Все это повышает

© Ю.В. Писковацкий

Проблемы энергетики, 2011, № 5-6

надежность электроснабжения потребителей, предотвращает возможный экономический ущерб.

Рис. 1. Удельное число отключений на 100 км линии при нарушениях в работе воздушных распределительных сетей 35-500 кВ в ОАО «Сетевая Компания»

Рис. 2. Количество отключений на воздушных линиях напряжением 110-220 кВ в ОАО «Сетевая Компания» в 2005-2007 гг.

В настоящее время для возобновления питания потребителей используются устройства автоматического повторного включения (АПВ), которые включают линию после отключения ее релейной защитой. На линиях напряжением 110220 кВ используется трехфазное АПВ. Согласно статистике успешность действия АПВ на этих линиях составляет от 70 до 80 %. Остальные повреждения являются устойчивыми, линия включается на короткое замыкание, затем линия вновь отключается быстродействующей релейной защитой. Такие включения линии сопровождаются протеканием токов короткого замыкания, что приводит к износу оборудования, переходным процессам. Это негативно сказывается на работе электроэнергетической системы, а также уменьшает коммутационный ресурс выключателей.

Коммутационный ресурс наиболее распространенных выключателей представлен в таблице.

Таблица

Коммутационный ресурс выключателей

Номинальный ток Процентное соотношение от номинального тока

отключения, кА отключения

30-60% 60-100%

Маломасляные выключатели серий ВМТ-110, ВМТ-220

25 18 операций отключения 8 операций отключения

31,5 12 операций отключения 7 операций отключения

40 15 операций отключения 7 операций отключения

Элегазовые выключатели серий ВГТ-110, ВГТ-220, ВЭБ-110П

40 50 операций отключения 20 операций отключения

Масляные (баковые) выключатели се рии У-110

40 20 операций отключения 12 операций отключения

Воздушные выключатели серии ВВШ-110

25 30-15 операций отключения 10 операций отключения

Успешные и неуспешные АПВ на ВЛ напряжением 110-220 кВ ОАО «Сетевая Компания» в 2007 году составили 73 и 27% соответственно.

Для выявления части устойчивых повреждений предлагается использовать локационный метод. Данный метод позволяет на отключенной линии произвести необходимые измерения и обнаружить такие повреждения ВЛ, как обрывы и короткие замыкания, в случае, если сопротивление изоляции в месте повреждения меньше волнового сопротивления ВЛ (металлические короткие замыкания). Метод локационного зондирования линии относится к импульсным методам диагностики ВЛ.

Импульсные методы измерения базируются на теории распространения импульсных сигналов вдоль линий. В простейшем случае линия представляет собой два проводника, изолированных друг от друга. Это может быть воздушная линия или кабельная линия. Импульсные сигналы распространяются в линии с очень большой скоростью, которая зависит от вида изоляции между проводниками. Так, например, в воздушных линиях, где изолятор - воздух, скорость распространения импульсных сигналов близка к скорости света. Используемые при импульсных методах зондирования сигналы имеют очень малую длительность - от единиц наносекунд до десятков микросекунд (в зависимости от длины измеряемой линии). В связи с тем, что длительность этих импульсов значительно меньше времени прохождения их вдоль всей линии, такие короткие импульсы при распространении по линии в каждый момент времени могут присутствовать только на коротком участке (располагаться локально).

Если линия однородная и не содержит повреждений, то импульсный сигнал беспрепятственно распространяется от начала до конца линии. Если же на его пути встречаются неоднородности, например нарушение изоляции между проводниками, то часть энергии этого импульса преломляется и проходит через эту неоднородность, а часть отражается и начинает распространяться в обратном направлении - к началу линии.

Если же на линии имеется короткое замыкание или обрыв, то вся энергия импульса отражается и возвращается к началу линии. Измеряя время между моментом посыла в линию импульса и моментом прихода отраженного импульса, можно определить расстояние до места повреждения [2].

Графическое изображение отраженных от неоднородностей линии амплитуд

импульсов, расположенных с задержкой относительно зондирующего импульса, называют рефлектограммой.

Ранее метод импульсного локационного зондирования применялся для определения расстояния до места повреждения на ВЛ 330-500 кВ, но из-за большой амплитуды импульса (порядка 1500 В) его применение стало невозможным, так как создавались помехи аппаратуре высокочастотной релейной защиты и автоматики (РЗ и А), а также аппаратуре связи. Ввиду бурного развития микроэлектронной базы в настоящее время стали доступны новые алгоритмы обработки информации и выделения полезного сигнала из помех, соответственно можно снизить амплитуду зондирующего импульса с целью уменьшения влияния активного зондирования на устройства РЗ и А.

Таким образом, используя этот метод можно предотвратить включение линии от АПВ при заведомо устойчивых повреждениях. Для этого после отключения ВЛ действием РЗ запускается устройство локационного зондирования, сравниваются эталонная и аварийная рефлектограммы линии и, исходя из результатов сравнения, делается вывод о наличии устойчивого повреждения на линии. Если повреждение устойчивое, то АПВ блокируется, а рефлектометр продолжает зондировать линию. Как только повреждение устранилось, блокировка с АПВ снимается и производится включение линии. Следовательно, применяя устройство локационного зондирования можно не только предотвратить включение ВЛ при устойчивых коротких замыканиях (КЗ), но и подать разрешающий сигнал на включение линии, если повреждение самоустранилось за время, превышающее время бестоковой паузы АПВ. В этом случае уменьшается вероятность неуспешных АПВ, а также можно отказаться от АПВ с несколькими циклами. Кроме того, данный метод позволяет предотвратить включение ВЛ при устойчивых КЗ, когда включение осуществляется оперативным персоналом.

При реализации данного метода выполняются следующие операции:

1) посыл в линию импульса напряжения;

2) прием импульсов, отраженных от места повреждения и от неоднородностей волнового сопротивления;

3) выделение импульсов, отраженных от места повреждения, на фоне помех (цифровая фильтрация);

4) сравнение аварийной и эталонной рефлектограмм линии (производится разностным методом) [3];

5) в случае устойчивого повреждения - выдача сигнала блокировки АПВ и дальнейшее зондирование линии.

Все эти операции реализованы в приборе, получившем название устройство импульсного локационного зондирования линии, или рефлектометр.

Функциональная схема устройства показана на рис. 3.

Блок управления Генератор импульсов

1 1

г *

Блок обработки рефлектограмм Приемник

Сигнал блокировки АПВ Рис. 3. Функциональная схема устройства блокировки АПВ © Проблемы энергетики, 2011, № 5-6

С генератора импульсов зондирующие импульсы подаются в линию. Отраженные импульсы поступают с линии в приемник, в котором производятся необходимые преобразования над ними. С выхода приемника преобразованные сигналы поступают в блок обработки рефлектограмм, где производится обработка (цифровая фильтрация) и сравнение аварийной рефлектограммы с эталонной разностным методом. Цифровая фильтрация осуществляется следующим образом: для каждой рефлектограммы строится спектограмма путем разложения в ряд Фурье отраженных от неоднородностей импульсов локационного зондирования. Так как сигналы локационного зондирования широкополосные, а технологические сигналы узкополосные, можно эти сигналы разделить. Предложена цифровая фильтрация, при которой выполняются следующие операции:

1. Разложение (анализ) рефлектограммы при наличии помех на спектральные составляющие по частоте;

2. Подавление гармонических составляющих помех в спектральном разложении;

3. Восстановление (синтез) рефлектограммы с использованием оставшихся гармонических составляющих.

Разработано программное обеспечение для цифровой фильтрации, в котором реализован вышеописанный алгоритм.

В случае устойчивого повреждения выдается сигнал блокировки АПВ. Все блоки импульсного рефлектометра функционируют по сигналам блока управления. Пуск устройства осуществляется от РЗ.

С целью подтверждения долговременной стабильности рефлектограмм ВЛ на подстанции «Бугульма-110» филиала ОАО «Сетевая компания» Бугульминские электрические сети было установлено устройство локационного зондирования ВЛ, которое начало функционировать в режиме непрерывного круглосуточного слежения за состоянием воздушной линии «Бугульминская-1» 29 октября 2009 года, на настоящее время снято свыше 4000 рефлектограмм ВЛ.

Устройство импульсного локационного зондирования должно быть постоянно подключено ко всем фазным проводам линии. Это осуществляется через существующие на линии устройства высокочастотной обработки - фильтры присоединения и конденсаторы связи. У линий высокого класса напряжения (220 кВ и выше) обычно имеются высокочастотные каналы по всем фазным проводам - они обеспечивают диспетчерскую связь, работу высокочастотных защит, передачу команд противоаварийной автоматики, сигналов телемеханики и т.д. На ВЛ 110 кВ в основном обрабатывалась одна фаза, но в настоящее время на всех новых и реконструированных подстанциях обрабатываются все фазы. На ВЛ напряжением 35 кВ и выше обычно организуется ВЧ связь для передачи технологической информации в диапазоне частот 30-1000 кГц. Эти каналы и может использовать устройство локационного зондирования. Метод импульсной рефлектометрии позволяет определять следующие повреждения на воздушных линиях: обрывы, однофазные КЗ, межфазные КЗ.

Наиболее распространенной схемой присоединения ВЧ аппаратуры к ЛЭП является схема «фаза-земля», как показано на рис. 4, а. В провода ЛЭП с обоих концов «врезаются» ВЧ заградители (ВЗ), а аппаратура уплотнения (АУ), каковой является аппаратура телемеханики, релейной защиты и речевой информации, подключается через высокочастотный кабель (ВК) к проводам линии с помощью фильтра присоединения (ФП), в составе которого находится конденсатор связи (КС). При зондировании рефлектометр присоединяется к проводам ВЛ параллельно с аппаратурой уплотнения.

Можно присоединить ВЧ аппаратуру по схеме «фаза - фаза» как показано на рис. 4, б. При этом выходные клеммы рефлектометра присоединяются через два фильтра присоединения и два конденсатора связи к двум фазным проводам.

Затухание высокочастотного тракта в этом случае получается меньше, чем при схеме «фаза — земля», поэтому предполагается использовать именно этот способ присоединения устройства [4].

ВЗ

:КС

Ф »ВКв АУ

»

1—твзт-

гщ

X КС --

X

КС ±КС

Ф Ь

X

ф

к ВК и *-4

ВК

АУ

а) б)

Рис. 4. Схемы присоединения ВЧ аппаратуры: а - «фаза-земля»; б - «фаза-фаза»

На рис. 5 в качестве примера показаны рефлектограммы, снятые с реальной воздушной линии электропередачи 110 кВ «Рыбная Слобода - Камская». Для реализации метода локационного зондирования использовался цифровой рефлектометр РЕЙС-205. Были установлены следующие параметры зондирующего импульса: длительность 2 мкс, напряжение 22 В.

На рис. 5, а приведена схема этой линии, протяженность по трассе составляет 29700 м.

На рефлектограмме рис. 5, б, снятой при отсутствии повреждений на ВЛ, видны в точке А: зондирующий импульс положительной полярности, с сопутствующими колебаниями сигнала из-за недостаточности полосы пропускания фильтра присоединения, и отраженный от высокочастотного заградителя на конце линии в точке Г положительный импульс.

На рефлектограмме рис. 5, в, полученной при обрыве фазы А линии без контакта провода на землю на расстоянии 6600 м, в точке Б виден отраженный зондирующий импульс положительной полярности.

На рефлектограммах рис. 5, г, д полученных при двухфазных коротких замыканиях линии 110 кВ на расстояниях 17700 м и 29700 м от ее начала, в точках В и Г соответственно отчетливо видны отрицательные отраженные импульсы с амплитудными флуктуациями, которые свидетельствуют о коротких замыканиях проводов на этих расстояниях.

На рефлектограмме рис. 5, е, полученной при однофазном металлическом коротком замыкании линии на расстоянии 17700 м, в точке В виден отраженный зондирующий импульс отрицательной полярности.

Анализируя рефлектограммы, можно заключить:

1. Результаты измерений на ВЛ 110 кВ «Рыбная слобода - Камская» подтверждают теорию и наглядно доказывают возможность импульсного зондирования ВЛ.

2. Рефлектограмма ВЛ имеет характеристические (реперные) точки.

3. Метод импульсного локационного зондирования позволяет обнаруживать следующие виды повреждений: обрывы, однофазные КЗ, межфазные КЗ.

Таким образом, имея рефлектограмму линии, снятую при отсутствии повреждений на ней, и рефлектограмму, снятую после отключения линии от РЗ, и сравнивая их, можно однозначно определить наличие устойчивого повреждения на линии.

Исходное состояние

Обрыв! фазы А

Двухфазное короткой замыкание в конце

Двухфазное крроткое замыкание В

Однофазное короткое замыкание на

в \к

/, М

/, м

t-

/, м

Рис. 5. Рефлектограммы воздушной линии 110 кВ «Рыбная Слобода - Камская» при различных видах повреждений, где а - схема линии; б - рефлектограмма линии в исходном состоянии; в — обрыв фазы А на расстоянии 6 600 м.; г, д - рефлектограммы линии при двухфазном коротком замыкании на расстояниях 17 700, 29 700 м. от начала линии соответственно; е - однофазное короткое замыкание на землю на расстоянии 17 700 м

Выводы

Из анализа удельного числа отключений на 100 км линии при нарушениях в работе воздушных распределительных сетей 35-500 кВ в ОАО «Сетевая Компания» видно, что наиболее часто отключаемыми являются ВЛ напряжением 110 кВ. Применение импульсного локационного метода позволяет обнаруживать устойчивое повреждение на отключенной линии. Используя этот метод в цикле АПВ, можно предотвратить повторное включение линии на устойчивое повреждение, а также подать разрешающий сигнал на включение линии, если повреждение самоустранилось за время, превышающее время бестоковой паузы. Кроме того, данный метод позволяет предотвратить включение ВЛ при устойчивых КЗ, когда включение осуществляется оперативным персоналом.

Summary

Modernization of algorithm of automatic reclosing devices' action in order to prevent the reclosing of a transmission line during steady damages is offered. The device, using a principle of pulse location probing, develops a signal of an interdiction for its reclosing at the detection of steady damage on a transmission line.

Key words: automatic reclosing devices, detection of steady damages, a method of pulse location probing.

Литература

1. Овчаренко Н.И. Автоматика электрических станций и электроэнергетических систем: Учебник для вузов / Н.И. Овчаренко. Под ред. А.Ф. Дьякова. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2000. 504 с.

2. Минуллин Р.Г. Локационная диагностика воздушных линий электропередачи / Р.Г. Минуллин, И.Ш. Фардиев. Казань: Казан. гос. энерг. ун-т., 2008. 202 с.

3. Закамский Е.В. Локационный метод обнаружения повреждений в электрических распределительных сетях напряжением 6 - 35 кВ: дис... канд. тех. наук. Казань. 2004. 168 с.

4. Малышев А.И. Специальные измерения высокочастотных каналов по линиям электропередачи: Учебник для техникумов. 2-е изд., перераб. и доп. / А.И. Малышев, Ю.П. Шкарин. М.: Энергия, 1979. 304 с.

Поступила в редакцию 12 января 2011 г.

Писковацкий Юрий Валерьевич - ассистент кафедры «Релейная защита и автоматизация» (РЗА) Казанского государственного энергетического университета. Тел.: 8 (843) 519-42-42. E-mail: yura_kaz an@mail.ru.