СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЛОКАЛИЗАЦИИ ПОВРЕЖДЕННОГО УЧАСТКА ВОЗДУШНОЙ ИЛИ КАБЕЛЬНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
SYSTEM FOR AUTOMATIC LOCALIZATION OF A DAMAGED PART OF AN AIR OR CABLE POWER LINE

Предлагаемое изобретение относится к электроэнергетике, а именно к устройствам, предназначенным для обеспечения эксплуатации электрических сетей.
Одной из распространенных аварийных ситуаций в линиях электропередачи напряжением 6-10 кВ является обрыв фазного провода воздушной линии электропередачи и, как правило, возникающее при этом однофазное замыкание на землю. При этом электрические сети напряжением 6-10 кВ, образованные воздушными линиями, работают в основном в режиме изолированной нейтрали, при котором обрыв провода и его падение на землю не приводят к срабатыванию релейной защиты сети и, соответственно, снятию напряжения с линии. Такие воздушные линии могут находиться в работе длительное время, пока не будет обнаружено повреждение. Это создает опасную ситуацию для жизни людей и животных, оказавшихся вблизи места обрыва, а также может стать причиной возникновения пожара.
Еще одной современной проблемой, препятствующей своевременному обнаружению аварийных ситуаций на линиях электропередачи является постепенный переход воздушных линий 6-10 кВ на самонесущий изолированный провод, обрыв которого не всегда сопровождается возникновением ОЗЗ.
Защита от однофазного замыкания на землю на кабельных линиях (КЛ), как правило, действует на сигнал. Предложенное решение направленного определения ОЗЗ позволяет сразу выводить сигнал на отключение при фиксации замыкания после устройства защиты.
Все вышеперечисленные факторы негативно влияют на время поиска и устранения неисправностей как на воздушных, так и на кабельных линях электропередачи, а также требуют значительных ресурсов персонала для мониторинга линий.
Несмотря на наличие достаточно большого количества существующих способов и устройств защиты, предназначенных для сигнализации и/или отключения сети при возникновении обрыва провода воздушных линий напряжением 6-10 кВ, в настоящее время отсутствует их широкое практическое внедрение из-за малой степени их универсальности.
Таким образом, актуальной является проблема внедрения системы автоматической локализации поврежденного участка воздушной или кабельной линии электропередачи, которая обеспечит выполнение следующих задач:
- обнаружение аварийных процессов на воздушных и кабельных линиях электропередачи 6-10 кВ;
- обнаружение обрыва фазных проводов без возникновения однофазного замыкания на землю;
- работа в любых типах электросетей, как воздушных, так и кабельных: в радиальных сетях, а также в разомкнутых, замкнутых кольцевых сетях, кольцевых сетях с питанием с двух сторон, с автоматическим или ручным восстановлением энергоснабжения;
- упрощенное масштабирование и перенастройка системы при изменении конфигурации сетей;
- принцип управления из единого центра с минимальными потребностями по инспектированию контролируемой линии персоналом.
Известно устройство для определения места повреждения линии электропередачи (патент РФ №2724352, МПК G01R 31/08, опубл. 23.06.2020), состоящее из двух полукомплектов, каждый из которых подключен к соответствующему концу линии электропередачи и содержит блок измерителя напряжений и токов линии электропередачи, вход которого подключен к концу линии электропередачи, блок сравнения, пороговый элемент, блок приема сигнала глобального точного времени от спутниковой системы, первый канал связи, выход блока измерителя напряжений и токов линии электропередачи соединен с первым входом блока сравнения, второй вход блока сравнения соединен с выходом порогового элемента, отличающееся тем, что введены блок записи ВЧ сигнала, блок определения метки времени прихода электромагнитной волны и вычислитель места повреждения, первый вход блока записи ВЧ сигнала соединен с выходом измерителя напряжений и токов, второй вход блока записи ВЧ сигнала соединен с выходом блока сравнения, третий вход блока записи ВЧ сигнала связан с выходом блока приема сигнала глобального точного времени спутниковой системы, вход блока определения метки времени прихода электромагнитной волны соединен с выходом блока записи ВЧ сигнала, блок определения метки времени прихода электромагнитной волны через порт связи соединен с вычислителем и через первый канал связи связан с аналогичным портом блока определения метки времени прихода электромагнитной волны второго полукомплекта.
Недостатком рассматриваемого устройства является то, что оно не является универсальным, так как отсутствуют возможности каскадирования для использования в сетях сложной топологии, также отсутствует возможность локализации аварийного участка сети, что сильно ограничивает область его применения.
Известно выбранное в качестве прототипа интеллектуальное устройство для обеспечения эксплуатации воздушных линий электропередачи (патент РФ №2707386, МПК G01R 31/02, опубл. 26.11.2019), включающее в себя закрепляемые на опоре воздушной линии электропередачи механический разъединитель линии с управляющим приводом, оснащенным электрическим исполнительным механизмом, и блок управления приводом, содержащий устройство для приема и передачи информации о состоянии системы на диспетчерский пункт и устройство индикации состояния системы, отличающееся тем, что управление механическим разъединителем линии может осуществляться дистанционно посредством передачи управляющих команд по каналу беспроводной связи стандарта GSM, блок управления приводом содержит контроллер электрического исполнительного механизма, микропроцессорный контроллер сбора и передачи информации, включающий модуль ближней радиосвязи, блок управляющих элементов, блок индикаторов состояния системы дистанционного секционирования воздушных линий и блок приема-передачи информации по каналу беспроводной связи стандарта GSM, при этом микропроцессорный контроллер сбора и передачи информации посредством модуля ближней радиосвязи связан с по меньшей мере тремя идентичными внешними датчиками аварийного процесса на линии, каждый из которых размещен непосредственно на проводе воздушной линии электропередачи и содержит размещенные в корпусе датчик тока, датчик напряжения, батарейный блок питания, и микропроцессорный управляющий блок, сравнивающий полученные значения тока и напряжения со значениями уставок тока короткого замыкания, включающий модуль ближней радиосвязи и индикаторный модуль.
Недостатком предлагаемого устройства является наличие механического разъединителя сети, что ведет к дугообразованию при осуществлении коммутации, а также снижению надежности. Также рассматриваемое устройство не обеспечивает нужную точность определения факта и направления аварийных процессов на линии, что обусловлено только одним способом определения наличия аварии.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого изобретения, является повышение точности определения факта и направления аварийных процессов на линиях электросетей, а также повышение универсальности применения системы, связанное с возможностью локализации аварийного участка в автоматическом режиме.
Технический результат достигается тем, что предлагается система автоматической локализации поврежденного участка воздушной или кабельной линии электропередачи, содержащая по меньшей мере один блок сбора и передачи информации, который посредством модуля ближней радиосвязи связан с тремя идентичными индикаторами короткого замыкания, каждый из которых размещен непосредственно на фазном проводе линии электропередачи и содержит размещенные в корпусе датчик тока, датчик напряжения, батарейный блок питания, и микропроцессорный управляющий блок, сравнивающий получаемые значения тока и напряжения со значениями уставок тока короткого замыкания, включающий модуль ближней радиосвязи и индикаторный модуль, при этом система дополнительно содержит по меньшей мере один реклоузер, содержащий вакуумный коммутационный модуль, систему измерения токов и напряжения, и модуль дистанционного управления, содержащий управляющий контроллер и модуль связи стандарта GSM, и по меньшей мере одно выполненное в корпусе устройство регистрации и анализа электрических параметров линии электропередачи, на фронтальной панели которого расположены элементы индикации, а также управляющие элементы, выполненные в виде кнопок, а электрическая схема которого образована центральным вычислительным процессорным блоком, комбинированным блоком питания, блоком оцифровки входных сигналов тока и напряжения с линии электропередач, блоком комбинированного интерфейса пользователя, блоком энергонезависимой памяти, схемами защиты и блоком внешних интерфейсов, при этом комбинированный блок питания включает в себя схему питания от электрической сети и резервный аккумулятор, комбинированный интерфейс пользователя включает в себя управляющие элементы, жидкокристаллический дисплей и индикаторные светодиоды, а блок внешних интерфейсов включает интерфейс для взаимодействия с внешним приемником глобальной системы спутникового позиционирования и модуль связи стандарта GSM, при этом блок сбора и передачи информации индикаторов короткого замыкания, устройство дистанционного управления реклоузером и устройство регистрации и анализа электрических параметров линии электропередачи посредством связи стандарта GSM соединены с сервером сбора и обработки информации.
В предлагаемом изобретении корпус устройства регистрации и анализа электрических параметров линии электропередачи может быть выполнен стандартизированной формы с возможностью установки на панель щита управления комплектного распределительного устройства электросети.
В предлагаемом изобретении блок сбора и передачи информации может быть связан с индикаторами короткого замыкания посредством канала ближней радиосвязи стандарта Bluetooth.
В предлагаемом изобретении индикаторы короткого замыкания могут быть закреплены на фазном проводе посредством быстросъемного крепления.
В предлагаемом изобретении выключение реклоузера при фиксации ОЗЗ может осуществляться по сигналу устройства регистрации и анализа электрических параметров линии электропередачи.
При монтаже предлагаемой системы автоматической локализации поврежденного участка воздушной или кабельной линии электропередачи, устройства регистрации и анализа электрических параметров линии электропередачи, выполненные в стандартизированных корпусах, могут монтироваться в релейных отсеках ячеек комплектных распределительных устройств (КРУ), на панелях распределительных щитов, возможен монтаж в пунктах секционирования столбового исполнения (реклоузер). Устройство подключается к трансформаторам тока, установленным в контролируемой ячейке КРУ, и к трансформатору напряжения, установленному на контролируемой секции/ системе шин, что позволяет напрямую взаимодействовать с контролируемой линией электропередач, повышая точность определения аварийных ситуаций на линии.
За счет своей конструкции, данные устройства сочетают функции измерения основных параметров электрической энергии и селективного обнаружения повреждения линии в сетях любой топологии и типом нейтрали. Использование оцифровки входных сигналов и их последующей процессорной обработки дает возможность повышения точности обнаружения факта и направления аварий на контролируемой линии. Алгоритмы встроенного программного обеспечения позволяют выполнять настройку конфигурации устройства. Программное обеспечение имеет широкий функционал, который в том числе позволяет выполнять: обновление программного обеспечения устройства, просмотр и экспорт журнала регистрируемых аварий, сброс аварийной индикации, квитирование аварии, просмотр входных сигналов в режиме реального времени.
Индикаторы короткого замыкания монтируются на фазные провода линии электропередач для выявления в режиме онлайн аварийных ситуаций на участках распределительной электрической сети, попадающих в зону действия устройств. Индикаторы короткого замыкания предназначены для определения поврежденного участка линии электропередач с любым типом нейтрали (изолированная, компенсированная, резистивная, глухозаземленная) с односторонней запиткой или кольцевых линиях с двухсторонней запиткой, и позволяют определять следующие типы аварийных ситуаций - короткое замыкание (КЗ), однофазные замыкания на землю (ОЗЗ), межфазное короткое замыкание (МФЗ), включая определение аварийной фазы и направление аварийной ситуации.
Аварийный участок распределительной сети определяется путем анализа сработавших и не сработавших датчиков индикаторов короткого замыкания, распределенных по трассе.
Блоки сбора и передачи информации, монтируемые на опоры линий электропередачи, осуществляют сбор информации от датчиков аварийного процесса на линии и передачу собранной информации на сервер сбора и обработки информации.
Наблюдаемость участков сети выполняется непрерывно и обеспечивается контроль в нормальных и аварийных режимах работы сети.
Сервер сбора и обработки информации осуществляет сбор параметров с подключенных устройств, анализ аварийных ситуаций и выдает команды на локализацию аварийных участков сети посредством управляемых реклоузеров.
Изобретение поясняется чертежами:
На фиг. 1 показан вариант размещения предлагаемой системы автоматической локализации поврежденного участка воздушной или кабельной линии электропередачи на опорах воздушной линии электропередачи. Обозначены следующие позиции:
1 - Опора воздушной линии электропередачи;
2 - фазный провод ВЛ;
3 - реклоузер;
4 - щит управления реклоузером, в котором установлены модуль дистанционного управления реклоузером и устройство регистрации и анализа электрических параметров линии электропередачи;
5 - блок сбора и передачи информации;
6 - индикатор короткого замыкания;
7 - трансформатор напряжения.
На фиг. 2 показана структурная схема предлагаемой системы автоматической локализации поврежденного участка воздушной или кабельной линии электропередачи. Обозначены следующие позиции:
3 - реклоузер
5 - блок сбора и передачи информации;
6 - индикатор короткого замыкания;
8 - сервер сбора и обработки информации;
9 - устройство регистрации и анализа электрических параметров линии электропередачи.
Предлагаемая система автоматической локализации поврежденного участка воздушной или кабельной линии электропередачи работает следующим образом.
Устройство регистрации и анализа электрических параметров линии электропередачи 9 устанавливается в контролируемую ячейку КРУ электросети и подключается к электропитанию, трансформаторам тока 7, установленным в контролируемой ячейке КРУ и к трансформатору напряжения, установленному на контролируемой секции/ системе шин. Посредством блока внешних интерфейсов для повышения точности регистрации аварий на линии электросети к устройству может быть подключен приемник системы глобального спутникового позиционирования. Работа устройства регистрации и анализа электрических параметров линии электропередачи 9 основана на фиксации факта протекания аварийных токов в контролируемой линии. Электромагнитное поле тока в линии воспринимается посредством трансформаторов тока ячейки КРУ. Напряжение линии снимается трансформаторами напряжения ячейки КРУ. Контролируемые токи и напряжения через соответствующие входные схемы защиты, предохраняющие устройство от повреждения, поступают в блок оцифровки входных сигналов тока и напряжения с линии электропередач, где происходит их аналогово-цифровое преобразование для последующей обработки. Оцифрованные значения токов и напряжения поступают в центральный вычислительный блок, содержащий микропроцессор и оперативную память, где происходит анализ полученных величин и необходимые вычисления в соответствии с заложенным алгоритмом. Предлагаемое устройство регистрации и анализа аварийных процессов в электросетях ведет измерение мгновенных значений тока и напряжения, вычисляет значение амплитуды тока и напряжения, сравнивает полученные значения со значениями введенных базовых уставок, проводит анализ параметров. В случае превышения уставок, устройство на основе полученных данных определяет тип аварии и включает соответствующую индикацию аварийной ситуации посредством блока комбинированного интерфейса пользователя, а также передает параметры аварийного процесса на сервер сбора и обработки информации 8.
Наличие блока энергонезависимой памяти позволяет предлагаемому устройству регистрации и анализа аварийных процессов в электросетях сохранять во внутренней памяти время фиксации аварии (с точностью до секунды, а при условии использования внешнего приемника глобальной спутниковой системы позиционирования - с точностью до сотен мкс), максимальные и минимальные значения токов, измеренных в процессе фиксации аварии, тип аварии, и хранить в памяти данные о предыдущих авариях. Значения замеренных параметров, сохраненных в блоке энергонезависимой памяти, могут быть переданы на внешние устройства посредством релейного выхода или интерфейса RS-485 блока внешних интерфейсов.
После регистрации аварии, по истечении времени, установленного на таймере, либо при получении внешней команды посредством блока внешних интерфейсов, устройство возвращается в исходное состояние, выключает индикацию аварии блока комбинированного интерфейса пользователя и переходит в режим ожидания.
Три индикатора короткого замыкания 6 устанавливаются и закрепляются непосредственно на фазных проводах 2 линии электропередачи с помощью быстросъемных зажимов. Питание каждого датчика осуществляется с помощью батарейного блока питания. Связь индикаторов короткого замыкания 6 с блоком сбора и передачи информации 5 осуществляется по каналу ближней радиосвязи. Индикаторы короткого замыкания 6 непрерывно ведут контроль за линией электропередачи с помощью собственных датчиков тока и датчиков напряжения. Значения с датчиков тока и датчиков напряжения обрабатываются микропроцессорным управляющим блоком, сравниваются со значениями уставок тока короткого замыкания, и затем через канал ближней радиосвязи данные о состоянии линии передаются в блок сбора и передачи информации 5. В случае возникновения аварийного процесса соответствующая информация передается на сервер сбора и обработки информации 8.
Сервер сбора и обработки информации 8 накапливает и анализирует параметры контролируемой линии электропередачи, а также в соответствии со встроенными алгоритмами может выдавать команду реклоузерам 3 на отключение или подключение различных сегментов линии для локализации аварий.
Таким образом, при реализации предлагаемого изобретения удалось получить систему автоматической локализации поврежденного участка воздушной или кабельной линии электропередачи, обладающую повышенной точностью при определении факта и направления аварийных процессов на линиях электросетей, а также большей универсальностью применения по сравнению с прототипом.