Способ измерения расстояния до места замыкания на землю
METHOD OF MEASUREMENT OF DISTANCE TO EARTH FAULT POINT

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано при измерении расстояния до места замыкания на землю в высоковольтных линиях.
В известном способе (Патент №2446533 от 27.03.12 г., бюл. №9. Патентообладатель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет" (КГЭУ), авторы Мустафин Р.Г. Котельникова Е.Е.) на подстанции на три фазы подаются высокочастотные напряжения и по закону Ома поделив значения высокочастотных напряжения на ток в поврежденной фазе, определяют расстояние до точки замыкания на землю.
Для определения поврежденного ответвления данной линии сравнивают значения фазных напряжений вторичных обмоток концевых трансформаторов поврежденных и неповрежденных ответвлений.
Можно выделить недостатки способа:
5
5
4
- четверть длины волны λ/4 с принятой в патенте частотой f=10 кГц при скорости волны с=3*10 км/с равна - λ/4=c/4f=3*10/4*10=7,5 км. Поскольку расстояния на фиг. 2 патента оказываются одного порядка с λ/4, то напряжения на вторичных обмотках концевых трансформаторов неоднозначно будут определять поврежденное ответвление в силу несовпадения фазных напряжений поврежденной и неповрежденных фаз по фазовому углу. В частности, на фиг. 2 источник высокочастотного сигнала удален для неповрежденных фаз от точек холостого хода 10, 11, а от поврежденной фазы - до точки короткого замыкания 9 и холостого хода 11 и поэтому возникнут угловые сдвиги между напряжениями (см. теорию цепей с распределенными параметрами), что приведет к неоднозначному определению поврежденного ответвления;
9
0
0
9
- если для точки замыкания на землю 9 соблюдается условие U=0, I≠0, то при расстоянии от источника питания до точки 9, равном примерно λ/4 (зависит от шунтирующего влияния другого ответвления), можно получить в начале линии U≠0, I=0 и согласно патенту расстояние пропорционально (U/0) = неопределенность;
- необходимость питания высокочастотным сигналом всех трех фаз подстанции;
- необходимость установки трансформаторов тока в трех фазах всех отходящих линий подстанции.
В качестве прототипа рассматривается способ определения расстояния до места замыкания на землю (Бурчевский В.А., Владимиров Л.В., Горюнов В.Н., Ощепков В.А. Дистанционное определение места повреждения в распределительных сетях методом стоячих волн. Омский государственный технический университет. Омский научный вестник, №3 (83) - 2009).
Суть способа заключается в подаче в поврежденную фазу отключенной линии высокочастотного напряжения относительно земли и при этом длина волны его соизмерима с длиной линии.
Согласно теории цепей с распределенными параметрами, напряжение (ток) в точке приложения при некоторой его частоте достигает максимума и расстояние до точки замыкания на землю однозначно связано с значением частоты. При этом добиваются максимума напряжения по вольтметру V1 изменением частоты генератора Г2 согласно фиг. 1.
К недостаткам способа можно отнести:
1
1
2
- наличие значительных погрешностей измерения, обусловленные ответвлениями линии. Согласно фиг. 1 при наличии замыкания на землю в точке К и при плавном увеличении частоты Г2 первый максимум напряжения будет иметь место за счет расстояния L от подстанции до точки К подключения ее к потребителю и на высокой частоте можно считать, что она работает в режиме холостого хода. Согласно теории цепей с распределенными параметрами, напряжение (ток) в точке приложения при некоторой его частоте достигает также максимума и для концевых точек холостого хода, расстояние до которых однозначно связано с значением частоты.
2
1
2
При дальнейшем повышении частоты можно получить следующий максимум для точки К1 с расстоянием от подстанции L (L>L), т.е. имеет место неоднозначность определения искомого расстояния. При большем количестве ответвлений, что обычно имеет место, указанная неоднозначность усиливается;
- по методу стоячих волн сигнал подается при отключенной линии и в ряде случаев при этом сопротивление в месте замыкания восстанавливается, т.е. становится очень большим и измерения провести оказывается невозможным.
Задача изобретения - повышение точности измерений.
Поставленная цель достигается тем, что измерение расстояния до места замыкания на землю в высоковольтных электрических сетях, включающий измерение напряжения, согласно изобретению в поврежденную фазу подают высокочастотный сигнал с длиной волны, значительно большей длины отходящей линии от подстанции; одновременно измеряют векторные значения напряжений поврежденной фазы в различных точках и с использованием известных значений комплексных сопротивлений между этими точками определяют фазные токи на этих участках. Определяют расстояние до точки замыкания на землю от ближайшей к ней точки измерения напряжения как отношение реактивной составляющей его к току.
Вариант устройства, реализующий предлагаемый способ, изображен на фиг. 2а, где основой является известное устройство (Фиксатор направления короткого замыкания. Патент №2328752, Рос. Федерация, МПК H02G 7/16; G01R 31/00, №2005128914; заявл. 15.09.2005; опубл. 10.07.2008. Бюл. №19. Гаджибабаев Г.Р., Гайдаров P.M.) передачи информации об участке междуфазного короткого замыкания.
ФИНКЗ состоит из приемного (ПрУ3), устанавливаемого на подстанции и передающих (ПУ4-ПУ7) устройств, устанавливаемых на опорах высоковольтной линии. ПУ4-ПУ7 и ПрУ3 соединяются с фазами линии через высоковольтные резисторы (ВВР8-ВВР12) 3 мОм соответственно. В рабочем режиме линии через них ПУ получает питание.
Передающие устройства ФИНКЗ, предназначенные для срабатывания при токах междуфазного короткого замыкания, в данном случае служат для срабатывания от высокочастотного тока Г2.
2
1
2
x
зам.
зем
x
При замыкании фазы на землю высокочастотный ток I от Г2 протекает к точке замыкания на землю К согласно фиг. 2б по контуру: Г2 - участки сопротивлений фазного провода Z, Z, Z - активное сопротивление места замыкания на землю R - участки сопротивлений земли R, R. Ток в ответвлении с ПУ7 принят практически равным нулю, что подтверждаются нижеприведенными расчетами.
Согласно фиг. 2а при этом магнитным полем высокочастотного тока охватываются датчики тока ПУ5 и ПУ6, которые, срабатывая, посылают в линию импульсы постоянного напряжения, как описывается ниже.
Временные диаграммы работы ПрУ3, ПУ4-ПУ7 приведены на фиг. 3
1
1
4
В момент t=0 замыкания фазы на землю Г2 выдает в поврежденную фазу высокочастотное напряжение, одновременно являющееся стартовым сигналом ПрУ3 и всех ПУ. При этом происходит поочередное открытие по времени соответствующих каналов S-S ПрУ3. Сработавшие ПУ5 и ПУ6 выдают сигналы в линию после момента их срабатывания за заранее заданные интервалы времени.
1
2
2
3
3
4
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Согласно фиг. 3 выходные сигналы ПУ4-ПУ6 принимаются ПрУ3 за интервалы времени t-t, t-t, t-t, t-t соответственно и для распознавания сработавших ПУ. Сработавшие ПУ5, ПУ6 измеряют ортогональные составляющие фазных высокочастотных напряжений через свои ВВР и посылают их значения в линию в виде импульсов постоянного напряжения модулированные по ширине импульсов. Для ПУ5 ортогональные составляющие соответствуют интервалам t-t, t-t, а для ПУ6 - t-t, t-t.
U
U
I
2
3
уд
уд
2
Принципиальная схема участка линии согласно фиг. 2а приведена на фиг. 2б, где по измеренным высокочастотным комплексным напряжениям , , известным значениям удельных сопротивлений фазы Z и земли R, длины участка L определяют ток  по закону Ома
U
U
U
U
2a
2b
3a
3b
уд
где , , ,  - ортогональные составляющие (активная и реактивная соответственно) напряжений. При отдалении от места замыкания на землю более 20 м, как известно сопротивление земли считается равным нулю - R=0.
x
3
2
U
Расстояние L от точки измерения напряжения  до места замыкания на землю (К) определяют по известной формуле:
x
зам
x
u
i
u
i
уд
x
где ϕ - аргумент комплексного сопротивления Z+R+R, определяемый как разность начальных фаз напряжения ψ и тока ψ, т.е. ϕ=ψ-ψ, x - реактивная составляющая Z.
u
3b
3a
i
b
a
a
b
Здесь ψ=arctgU/U, ψ=arctgI/I, где I, I - ортогональные составляющие (активная и реактивная соответственно) тока.
зам
x
x
Как известно, активные сопротивления R+R участка длиной L не вносит погрешности при измерении расстояния.
Благодаря использованию способа можно получить следующие преимущества:
- отсутствует необходимость установки трансформаторов тока для отходящих линий подстанции;
- при отсутствии ответвлений между точками замера напряжений погрешности в измерении тока практически отсутствует;
- по относительно высокому уровню высокочастотного тока передающим устройством легко определить поврежденное ответвление и отстроиться от помехи с частотой 50 Гц;
- активное сопротивление в месте замыкания на землю не вносит погрешности в определение расстояния.
Вариант передающего устройства, реализующий предлагаемый способ приведен на фиг. 4.
Оно состоит из высоковольтных сопротивлений ВВР10 (3 шт. на три фазы), выпрямителя В13, источника информационного сигнала ИИС14, накопительной емкости С15, ключей К16-К24, полосовых фильтров ПФ25-ПФ27, логических элементов НЕ28, аналоговых сумматоров СУМ29, преобразователей переменного напряжения в постоянное ПР30-ПР33, компараторов КП34-КП36, логических элементов ИЛИ37, ждущих мультивибраторов ЖМ38-ЖМ40, дифференцирующих устройств ДУ41-ДУ42, запоминающих устройств ЗУ43, ЗУ44, преобразователя напряжения в длительность импульсов ПНДИ45.
Принцип работы передающего устройства заключается в следующем.
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
6
8
6
7
8
9
К трем фазам высоковольтной линии с фазными напряжениями U, U, U подключаются ВВР10, образующие делители напряжения с ПФ25-ПФ27, на выходах которых выделяются сигналы фазных напряжений высоковольтной линии (ключ К17 открыт). Эти синусоидальные сигналы преобразуются на выходах ПР30, ПР31, ПР32 в постоянные напряжения, пропорциональные фазным напряжениям U, U, U. Согласно схеме в компараторах КП34, КП35 и КП36 производится сравнение сигналов U, Uи U. На их выходах появляются напряжения логических 1 при снижении указанных сигналов заданных значений. Выходные сигналы указанных компараторов поступают на входы управления ключей К18, К19 и К20, на информационные входы которых поступают сигналы фазных напряжений U, U, U с выходов ПФ25-ПФ27 соответственно. Выходы указанных ключей подсоединены к входам СУМ29 и согласно вышеописанному на его выходе выделяется минимальное междуфазное напряжение в виде синусоидального сигнала при замыкании фазы на землю. Элемент ПР33 преобразует переменное выходное напряжение СУМ29 в постоянное и по переднему фронту ее появления на выходе ДУ41 появляется кратковременный импульс, открывающий К21 и поэтому происходит запись в ЗУ43 практически мгновенного значения (первой ортогональной составляющей) аварийного напряжения. Одновременно запускается выходным импульсом ДУ41 элемент ЖМ38, который через четверть периода промышленного тока на выходе ДУ42 формирует кратковременный импульс и через К22 в ЗУ44 происходит запись второй ортогональной составляющей. Выходной импульс ДУ41 также запускает ЖМ39 и ЖМ40, которые через фиксированные интервалы (для ПУ5 t и t на фиг. 3) от момента замыкания на землю открывают К24 и К23 соответственно и записанные ортогональные составляющие поступают на вход ИЛИ37 и далее на вход ПНДИ45. В ПУ5 интервалы t-t оказываются пропорциональными первой, а t-t - второй ортогональной составляющей благодаря модуляции интервала времени в элементе ПНДИ45. Аналогичные преобразования происходят в ПУ6. Выходной сигнал логической 1 ПНДИ45 закрывает К17 и открывает К16. В нормальном режиме работы линии, когда положения указанных ключей обратные через В13 заряжаются емкости ИИС14 (до напряжения 200-400 В, передаваемая в линию) и С15 (питает схему в режиме передачи сигнала). При открытом К16 в вышеуказанные интервалы происходит передача постоянного напряжения в линию через ВВР10, принимаемая ПрУ на подстанции (такой метод передачи сигнала опробован в вышеуказанном устройстве ФИНКЗ).
Вариант приемного устройства, реализующий предлагаемый способ приведен на фиг. 5.
Оно состоит из ВВР8 (3 шт. на три фазы), БВМН46 (см. фиг. 4), ПР47, ЖМ48-ЖМ50, фильтра низкой частоты ФНЧ51, ДУ52, ДУ53, К54-К59, ЗУ60, ЗУ61, И62-И63, преобразователей длительности в напряжение ПДН64-ПДН65, триггеров Тг66-Тг67, исполнительных элементов ИЭ68-ИЭ73.
Принцип работы приемного устройства заключается в следующем.
Элементы ВВР8 подключаются к высоковольтной линии и их вторые выводы - к входным выводам БВМН46. К выходу БВМН46 подключены элементы ПР47, ЖМ48, ДУ52, ДУ53, К54, К55, ЗУ60, ЗУ61, функционирующие аналогичным элементам фиг.4 и в результате происходит запись ортогональных составляющих напряжения поврежденной фазы на подстанции, отображаемые ИЭ68 и ИЭ69.
2
3
2
3
2
2
3
3
4
6
8
3
С выхода БВМН46 сигнал также поступает на вход ЖМ49 и при отключении линии (рассмотрен вариант передачи сигнала по отключенной линии) фазное напряжение исчезает и на его выходе появляются сигнал логической 1 в момент t (здесь приведена работа каналов 2 и 3 согласно фиг. 3, когда поступают на вход приемника импульсы постоянного напряжения сработавших ПУ5 и ПУ6). В момент t на его выходе появляется сигнал логического 0 и от спада заднего фронта импульса срабатывает ЖМ50. Согласно фиг. 3 за интервал t-t канал S приемного устройства находится в открытом состоянии, что соответствует логической 1. На интервалах t-t и t-t на выходе ФНЧ51 выделяются импульсы постоянного напряжения логической 1, поступающие в линию с выходов ПУ5 и ПУ6. При этом на выходе И62 выделяется сигнал логической 1. На выходе ПДН64 далее выделяются сигналы ортогональных составляющих ПУ5, поступающие на информационные входы К56 и К57. От переднего фронта выходного напряжения ФНЧ51 в момент t на верхнем выходе Тг66 устанавливается логическая 1, поступающая на вход управления К56. В момент t передним фронтом импульса на нижнем выходе Тг66 устанавливается логическая 1, поступающая на вход управления К57. Таким образом сигналы, пропорциональные ортогональным составляющим ПУ5 через К56 и К57 регистрируются ИЭ70 и ИЭ71. В момент t от заднего фронта выходного импульса ЖМ49 срабатывает ЖМ50 и далее происходит запись ортогональных составляющих ПУ6 в ИЭ72 и ИЭ73 аналогично записи ортогональных составляющих ПУ5.
Выбор значения частоты f=1000 Гц высокочастотного напряжения произведен исходя из условия, что для него цепь можно представить как линию с сосредоточенными параметрами для упрощения реализации предлагаемого способа.
5
5
3
При скорости с=3*10 км/с, длина волны равна - λ=c/f=3*10/10=300 км. Как известно, при длине линии меньше длины волны на порядок, получим линию с сосредоточенными постоянными и примем максимальное значение 30 км, что согласуется с существующими протяженностями сетей 6-35 кВ.
U
I
U
I
1
1
2
2
Удобно воспользоваться уравнениями линий с распределенными постоянными в виде зависимостей комплексных напряжения и тока ,  в начале линии от напряжения и тока в конце ,
0
0
-8
При распространенных значениях распределенных параметрах линии 10 кВ на частоте 50 Гц (затухание не учитывается) - индуктивность L=0,013 Гн/км (при индуктивном сопротивлении 0,4 Ом/км), емкость С=0,01 мкФ/км=10 Ф/км, можно получить волновое сопротивление . На рассматриваемой частоте 1000 Гц коэффициент распространения γ, равный коэффициенту фазы β будет - . Без учета затухания, вышеприведенные уравнения запишутся в виде
Эти уравнения, после подстановки полученных значений с достаточно высоким приближением примут вид:
U
к
1
2
зам
x
зeм
По этим уравнениям получены токи и напряжения участков при следующих заданных значениях по фиг. 2: =50 В, L=10 км, L=15 км, x=8 км, R=50 Ом, R=R=0 Ом. Сопротивления нагрузок ветвей линии на частоте 50 Гц можно считать на частоте 1000 Гц достаточно большими (режим холостого хода) и согласно (3) токи этих ветвей можно считать равными нулю.
I
U
U
3
2
j53°
j75°
В соответствии с (3) и фиг. 2 по вышеприведенным исходным значениям получены: =1 A, =83e В, =197e В.
2
уд
э
э
I
При заданном значении L, х=8 Ом/км (на частоте 50 Гц оно равно 0,4 Ом/км) и предполагая, что передающие устройства ПУ5, ПУ6 измеряют вышеприведенные расчетные значения, получим из (1) и (2) экспериментальные значения тока  и расстояния x:
I
U
U
U
U
э
2
3
2
зем.1
2
3
2
уд
э
j75°
j53°
=(-)/(Z+R)=(-)/(L х)=(197e-83e)/(15*8)=1,035 А; х=8,0056 км. Получено достаточно точное значение измеряемого расстояния, близкое к х=8 км.