УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И СВЯЗИ
DEVICE FOR FAULT LOCATION OF POWER TRANSMISSION LINES AND COMMUNICATION LINES

Заявляемое изобретение относится к области энергетики, а именно, к средствам радиолокации, предназначенным для обнаружения и контроля координат повреждений линий электропередач/связи, и может быть использовано в системах дистанционного определения места повреждения высоковольтных линий (ВЛ), преимущественно трёхфазных, обладающих большим количеством неоднородностей.
Из предшествующего уровня техники известен способ, в котором в линию подаются зондирующие импульсы, которые отражаясь от мест повреждения и неоднородностей, поступают в приемно-регулирующее устройство, потом в измерительное устройство. Фиксируется интервал времени между зондирующим и отраженным от места повреждения импульсом. Этот интервал времени пропорционален расстоянию от начала линии до места повреждения (Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. - М.: Энергоиздат, 1982, с. 188).
В данном способе не учитывается затухание сигналов в испытуемой линии и, как следствие, реализация способа дает низкую чувствительность к повреждениям при большой протяженности испытуемой линии.
Известно устройство, содержащее формирователь зондирующих импульсов (ФЗИ), фильтр присоединения (ФП), конденсатор связи (КС), входное устройство, блок памяти, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микро-ЭВМ, блок синхронизации, при этом фильтр присоединения соединен с «землей» и через конденсатор связи соединен с испытуемой линией, а также связан с выходом формирователя зондирующих импульсов и с аналоговым входом входного устройства, выход которого соединен с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя, а выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом микро-ЭВМ, выходы которой соединены с входом блока синхронизации и с входом записи данных блока памяти. Выходы блока синхронизации соединены с входом формирователя зондирующих импульсов, с входом выбора номера частичного интервала блока памяти и с входом синхронизации аналого-цифрового преобразователя. Выход блока памяти соединен с управляющим входом входного устройства (патент № 2654378 на изобретение «Способ определения места повреждения линий электропередач с большим количеством неоднородностей», дата подачи 24.05.2017 г., опубликовано 17.05.2018 г.).
Данное изобретение имеет ряд недостатков. В частности, это касается определения места повреждения, расположенного вблизи устройства, т.к. сигнал от самой отпайки и от неполного повреждения приходят с одинаковой задержкой. Устройство не позволяет выявить тип повреждения, т.к. не учитываются фазовые соотношения.  Кроме того, нет разделения на отраженный и зондирующий сигналы,  а также выделения отраженного сигнала и по этой причине  вблизи устройства появляются «мертвые» зоны.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является устройство определения места повреждения линий электропередачи и связи, содержащее генератор зондирующих импульсов, вычислительный блок, первый выход которого соединен со входом генератора, приемник, имеющий два входа и вторым входом связанный со вторым выходом генератора, а выходом - со входом вычислительного блока, при этом генератор зондирующих импульсов имеет блок памяти, цифро-аналоговый преобразователь и усилитель мощности, вход блока памяти является входом генератора, выход усилителя мощности является первым выходом генератора, при этом устройство дополнительно содержит коммутатор, направленный ответвитель и блок передачи информации, причем первый выход генератора соединен со входом направленного ответвителя, второй выход генератора является выходом цифро-аналогового преобразователя, соединенным со вторым входом приемника, вход/выход ответвителя соединен с входом/выходом коммутатора, а выход соединен с первым входом приемника, вход коммутатора связан со вторым выходом вычислительного блока, вычислительный блок третьим выходом соединен с входом блока передачи информации, n выходов коммутатора связаны с n проводами линии электропередачи (патент РФ             № 2400765 на изобретение «Способ определения места повреждения линий электропередачи и связи и устройство для его осуществления», дата подачи 18.12.2008 г., опубликовано 27.09.2010 г.).
Недостатком прототипа, является, прежде всего, то, что уровень отраженного от неоднородностей линии сигнала, в том числе, от мест повреждений, расположенных на больших расстояниях, значительно меньше, чем от неоднородностей, расположенных вблизи генератора зондирующих импульсов, что не позволяет увеличить мощность зондирующих сигналов и, соответственно, дальность определения места повреждения.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является сохранение эффективной работоспособности устройства при увеличении затухания сигнала в процессе эксплуатации линии в случае добавления отпаек (потребителей), или изменения погодных условий (дождь, туман, температура и т.п.), или износа различных элементов линии, таких как изоляторы, разъединители, разрядники, или увеличения протяженности самой линии.
Указанная задача решается за счет увеличения уровня зондирующего сигнала на выходе усилителя мощности при неизменном динамическом диапазоне приёмника.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является увеличение дальности определения места повреждения линий электропередач и связи при сохранении точности измерения расстояния до места повреждения в любых линиях электропередач, как однородных, так и неоднородных, при произвольно изменяющейся фазовой скорости на различных участках линии.
Указанный результат достигается тем, что устройство определения места повреждения линии электропередач и связи, включающее генератор зондирующих импульсов, соединенный с приёмником, вычислительным блоком и направленным ответвителем, которые связаны между собой, при этом направленный ответвитель и вычислительный блок через коммутатор подключены к линии электропередач и связи, согласно изобретению дополнительно оснащено блоком компенсации, первый вход которого связан с выходом направленного ответвителя, второй вход – с четвертым выходом вычислительного блока, а его выход подключен к первому входу приёмника.
Предлагаемое к защите изобретение поясняется чертежами, где
Фиг. 1 – принципиальная схема устройства определения места повреждения линий электропередач и связи;
Фиг. 2 -  принципиальная схема блока компенсации.
Фиг. 3 – фрагмент двухпроводной линии с одной отпайкой, волновые сопротивления которых равны w.
Заявляемое устройство содержит генератор зондирующих импульсов  1, в состав которого входят блок памяти 2, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 3 и усилитель мощности (УМ) 4, а также направленный ответвитель (НО) 5, коммутатор 6, дифференциальный приемник сигналов 7, вычислительным блок 8 и блок передачи информации 9 (фиг. 1).
При этом первый выход вычислительного блока  8 соединен с входом генератора 1. Приёмник сигналов 7, имеющий два входа, вторым входом связан со вторым выходом генератора 1, а выходом - с входом вычислительного блока 8. Вход блока памяти 2, входящего в состав генератора  зондирующих импульсов 1, одновременно является входом самого генератора, а выход усилителя мощности (УМ) 4 является первым выходом генератора  зондирующих сигналов. Направленный ответвитель (НО) 5, вход которого соединен с первым выходом генератора 1, коммутатор 6, вход/выход которого соединены с входом/выходом направленного ответвителя 5, вход коммутатора 6, связан со вторым выходом вычислительного блока 8, третий выход которого, в свою очередь, соединен с входом блока передачи информации 9, а также n выходов коммутатора 6 связаны с n проводами линии электропередачи и связи.
Устройство дополнительно снабжено блоком компенсации 10, первый вход которого соединен с выходом направленного ответвителя 5, а второй вход – с четвертым выходом вычислительного блока 8. Выход блока компенсации соединен с первым входом приёмника сигналов 7 (фиг. 2).
Известно, что при распространении сигнала слева направо по линии от точки подключения отпайки (потребителей) к линии (фиг. 3), сигнал частично отражается, а частично распространяется снизу вверх по отпайке и слева направо по линии. При этом отраженный сигнал распространяется справа налево к приёмнику сигнала, и его величина при полном согласовании линии и отпайки на концах, определяется, исходя из следующего соотношения
U отр/Uпад = (w-0,5w)/(w+0,5w)                          (1)
или
Uотр = Uпад/3                                                        (2), где
U отр – величина отраженного сигнала;
Uпад - величина падающей волны;
w – величина волновых сопротивлений.
При этом величина прошедшего сигнала находится в соотношении с падающей волной, как U прош = 0,61Uпад. (Основы радиотехники. А.А. Харкевич. – 3-е изд., стер. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007).
Таким образом, прошедшая волна уменьшается при прохождении отпайки слева направо на 4,2 дБ, причем отраженная от повреждения волна при прохождении отпайки справа налево затухает на точно такую же величину, т.е. при прохождении одной отпайки отраженная от повреждения волна на входе приёмника уменьшается на 8,4 дБ. Следовательно, суммарное затухание сигнала при N отпайках будет в N раз больше, чем от одной.
В предлагаемом к защите техническом решении дополнительно введен блок компенсации 10, который через первый вход связан с выходом направленного ответвителя и вторым входом с четвертым выходом вычислительного блока 8. Установление дополнительной взаимосвязи четвертого выхода вычислительного блока 8 со вторым входом блока компенсации позволяют вычесть из отраженного сигнала все негативные составляющие - помехи, возникающие от неоднородностей линии, расположенных левее места повреждения и снизить на первом входе приёмника 7 уровень помех, а также сформировать сигнал до величины, не вызывающей его перегрузки.
В состав блока компенсации 10 входят блок памяти 11, первый вход которого связан с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 12, а выход - с цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) 13, при этом оба преобразователя подключены соответственно к первому и второму входам дифференциального усилителя 14, причем АЦП соединен с усилителем через аттенюатор (АТТ) 15, который служит для ослабления и плавного понижения интенсивности электрических колебаний.
Реализация упомянутой дополнительной связи четвертого выхода вычислительного блока со вторым входом блока компенсации обеспечивает одновременное поступление на первый вход блока компенсации отраженного сигнала, приходящего с поврежденного участка линии, и на второй вход – сигнала, хранящегося в блоке памяти блока компенсации, которые сравниваются друг с другом. Благодаря этому на вход приёмника не поступают сигналы, отразившиеся от неоднородностей, расположенных между усилителем мощности и повреждением, что позволяет значительно увеличить мощность зондирующих сигналов и, соответственно, определяемое расстояние  от генератора до места повреждения.
Осуществление изобретения.
Предварительно проводят калибровку устройства. Для этого в память вычислительного блока 8 и блок памяти 11 блока компенсации 10 вносят массив отраженных сигналов – эталонных образов, полученных с неповрежденной высоковольтной линии (ВЛ).
При прохождении от всех отпаек (неоднородностей) отраженных сигналов в блоке компенсации поступившие отраженные сигналы вычитаются из эталонных отраженных сигналов, хранящихся в блоке памяти блока компенсации.
При отсутствии в ВЛ повреждений разностные сигналы будут равны нулю. Любое повреждение в ВЛ, например, замыкание любой из фаз на землю, обрыв проводов, короткое замыкание двух фаз и  т.п. приводит к появлению разностного сигнала.
Известно, что уровень отраженного сигнала от повреждения на больших дальностях меньше, чем от неоднородностей, расположенных вблизи генератора,  направляющего зондирующие импульсы. Для исправления данного недостатка необходимо повысить мощность зондирующих сигналов, что позволит увеличить дальность определения координаты места повреждения.
В линию электропередач и связи от генератора 1 посылаются  усиленные зондирующие импульсы с заданной время-частотной модуляцией. Отраженный сигнал с выхода направленного ответвителя 5 поступает на первый вход блока компенсации 10, в котором он одновременно проходит на первый вход дифференциального усилителя 14 и через аттенюатор в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12, где преобразуется и затем поступает в блок памяти 11, где хранятся эталонные отраженные сигналы, соответствующие неповрежденной ВЛ. При отсутствии повреждения линии оба сигнала: эталонный и отраженный, компенсируют друг друга, т.е. разностный сигнал будет равен нулю. В случае повреждения ВЛ отраженный с линии сигнал будет отличаться от эталонного сигнала неповрежденной линии, при этом будет обнаружен «полезный сигнал», т.е. отраженный от реального объекта на фоне помех всех видов, который и будет проходить в дифференциальный приёмник 7. В результате анализа разностного сигнала поступающего с приемника в вычислительный блок 8 принимается решение о наличии или отсутствии повреждений в ВЛ.
Из приёмника 7 сигнал проходит на вход вычислительного блока 8, который может содержать комплекс электронных компонентов, включая микроЭВМ с шиной адресов данных, управления, модулем процессора, устройством управления клавиатурой, модулем памяти (на чертеже не показаны). В вычислительном блоке поступивший разностный сигнал подвергается обработке, после чего через третий выход вычислительного блока поступает в блок передачи информации, в котором формируется параметрический зондирующий сигнал.  Одновременно с этим из вычислительного блока отраженный сигнал проходит на  обработку в ЦАП 3 и затем в виде нового зондирующего сигнала поступает в ВЛ и через выход 2 генератора проходит на второй вход приёмника 7, в котором отраженный сигнал демодулируется.
Известно, что импульсная мощность зондирующего сигнала определяет дальность действия, при этом мощность зондирующего сигнала связана с мощностью сигнала на выходе передающего устройства.
Согласно заявляемому изобретению все  сигналы, отраженные от неоднородностей, расположенных между генератором зондирующих импульсов и повреждением остаются неизменными и компенсируются, т.е. разностный сигнал будет равен нулю. А на первый вход приёмника будет поступать именно тот сигнал, который содержит информацию, полученную с места повреждения,  и при котором обеспечивается заданное качество обнаружения, т.к. сигнал очищен от помех и сигналов, отраженных от расположенных ближе повреждения неоднородностей в линии. Это позволяет точно определить координаты места повреждения в любых линиях электропередач, как однородных, так и неоднородных при произвольно изменяющейся фазовой скорости на различных участках линии, и увеличить дальность, на которой определяются такие повреждения.