СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ В СИЛОВОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
METHOD TO DETECT LOCATION OF INSULATION DAMAGE IN POWER TRANSMISSION LINE

Изобретение относится энергетике, преимущественно к диагностике и отысканию мест повреждения изоляции в силовых линиях электропередач, и предназначено для дистанционного определения расстояния до места повреждения изоляторов воздушных линий электропередач, опорных изоляторов токопроводов, изоляции кабельных линий.
Известен способ дистанционного определения расстояния до места повреждения воздушных и кабельных линий, основанный на принципе импульсной рефлектометрии (Тарасов Н.А. Использование метода импульсной рефлектометрии для определения повреждений кабельных и воздушных линий, www.watson.ru.), при котором к диагностируемой воздушной линии подключается рефлектометр, отправляющий в линию прямоугольные импульсы зондирующего напряжения от единиц до сотен вольт. Выявление зоны нахождения повреждения происходит посредством обработки полученной рефлектограммы линии.
К недостаткам описанного способа можно отнести: малое напряжение зондирующего импульса, недостаточное для выявления дефектов изоляции; подверженность импульса явлениям затухания и искажения формы; непригодность применения при неустойчивых повреждениях линии и чувствительность к высокочастотным помехам.
x
х
Прототипом предлагаемого способа является способ дистанционного определения расстояния до места повреждения методом колебательного разряда (Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. - М.: Энергоиздат, 1982. - 312 с., ил.). Способ заключается в возбуждении колебательного процесса, что достигается зарядом емкости жилы силового кабеля от источника выпрямленного напряжения отрицательной полярности, который в данном способе является зондирующим напряжением, воздействующим на изоляцию. При пробое изоляции в месте дефекта в обе стороны от места повреждения будут распространяться волны положительной полярности. От входного конца кабельной линии, где включен источник высокого напряжения с большим выходным сопротивлением, волны отразятся с сохранением полярности, а дойдя вновь до места пробоя, отразятся с изменением полярности. Таким образом, фиксируется временной интервал Δt, кратный 0,5 периода колебательного процесса Т, с использованием которого вычисляется расстояние до места повреждения по формуле
X
X
где Δt=0,5T, υ - скорость распространения электромагнитной волны в линии.
Недостатком данного способа является невозможность применения при низком переходном сопротивлении в месте повреждения, когда исключаются явления «заплывающего» пробоя, т.е. отсутствует возможность возбуждения колебательного процесса в линии электропередачи.
Задача изобретения - разработка способа определения места повреждения изоляции в силовой линии электропередачи при любом переходном сопротивлении в месте повреждения, в том числе возможность применения при неустойчивых повреждениях линии.
Технический результат заключается в снижении чувствительности к высокочастотным помехам, снижении влияния явлений затухания и искажения формы зондирующего напряжения на результаты измерения расстояния до места повреждения изоляции, а также в сокращении времени и затрат на выявление дефектной изоляции линии, в том числе и дефектных изоляторов с остаточной электрической прочностью, которые невозможно выявить известными из уровня техники способами.
Технический результат достигается за счет применения способа определения места повреждения изоляции в силовой линии электропередачи, заключающийся в воздействии высоковольтным зондирующим напряжением на фазу одного из концов предварительно отключенной исследуемой силовой линии, измерении временного интервала, кратного периоду возбужденного в линии колебательного процесса. Независимо от величины остаточной электрической прочности изоляции, на силовой линии создают колебательный контур из фазного провода линии и предварительно заряженного высоковольтного накопительного конденсатора. При возникновении дефекта изоляции определяют расстояние до места повреждения изоляции по измеренному временному интервалу, кратному периоду возбужденного в линии колебательного процесса, при известных емкости высоковольтного накопительного конденсатора, удельных индуктивности и активного сопротивления петли «фазный провод - земля» или по отношению временных интервалов поврежденной и неповрежденной фаз при известной длине линии.
H
На фиг.1 представлена схема замещения одной фазы линии без учета влияния соседних фаз, на фиг.2 приведен колебательный контур, образованный индуктивностью петли «фазный провод - земля» и емкостью накопительного конденсатора C, на фиг.3-11 приведены осциллограммы высоковольтного зондирующего напряжения, полученные в результате компьютерного моделирования при различном расстоянии до места повреждения и емкости высоковольтного накопительного конденсатора.
0
0
0
0
л
х
H
Полная схема замещения одной фазы линии без учета влияния соседних фаз содержит следующие параметры: L - удельную индуктивность, Гн/км, r - удельное активное сопротивление, Ом/км, С -удельную емкость, Ф/км, g - удельную проводимость, См/км. Физическая длина линии представлена параметром l, а расстояние до места повреждения изоляции линии - параметром l, коммутация высоковольтного накопительного конденсатора C на линию производится ключом К1.
Рассмотрим примеры реализации способа.
H
0
0
Рассмотрим способ определения места повреждения изоляции в силовой линии электропередачи с использованием известных емкости высоковольтного накопительного конденсатора C, удельных индуктивности L и активного сопротивления r петли «фазный провод - земля» с помощью схемы замещения, проиллюстрированной на фиг.1.
H
Способ заключается в воздействии на исследуемую фазу одного из концов предварительно отключенной силовой линии высоковольтным зондирующим напряжением. Независимо от величины остаточной электрической прочности изоляции на силовой линии как при высоком переходном сопротивлении в месте повреждения, так и при низком типа «металлическое» замыкание создают колебательный контур из фазного провода линии и предварительно заряженного высоковольтного накопительного конденсатора C, коммутируя его ключом К1 на исследуемую фазу одного из концов диагностируемой линии. Использование данного способа позволяет также выявлять неустойчивые повреждения, в том числе «заплывающий» пробой, когда в месте повреждения происходит частичное восстановление электрической прочности.
X
H
X
Полученный колебательный контур, образованный индуктивностью петли «фазный провод - земля» L и емкостью высоковольтного накопительного конденсатора C (фиг.2) имеет частоту собственных колебаний контура ω, определяемую без учета и с учетом затухания (потерь) по формулам (2) и (3) соответственно:
X
X
X
X
H
где ω=2πf или ω=2π/Т - частота собственных колебаний контура, образованного емкостью высоковольтного накопительного конденсатора C и индуктивностью линии;
X
f - частота колебаний переходного процесса;
X
Т - период колебаний переходного процесса;
X
0
X
X
0
X
Х
L=L·l, r=r·l - индуктивность и активное сопротивление линии до МП на расстоянии l;
0
0
L, r - удельные индуктивность и активное сопротивление линии.
X
X
Для исключения влияния волновых процессов и повышения точности целесообразно определять период колебаний переходного процесса Т на основе измерения временного интервала, кратного нескольким значениям периода колебаний переходного процесса Т.
X
Определение расстояния до дефектного изолятора производят по периоду колебаний переходного процесса Т с использованием удельных параметров линии и расчетных выражений, полученных на основе исходных соотношений для частоты колебательного контура. Определение расстояния в предлагаемом способе реализуется на основе следующих соотношений:
а) для колебательного контура без потерь и известной удельной индуктивности петли «фазный провод - земля»:
б) для колебательного контура с учетом потерь и известных удельных индуктивности и активного сопротивления петли «фазный провод - земля»:
X
где l - расстояние до МП, м;
X
Т - период колебаний переходного процесса;
0
L - удельная индуктивность разрядной петли «фазный провод - земля»;
H
C - емкость накопительного конденсатора;
0
r - активное сопротивление разрядной петли «фазный провод - земля», определяемое с учетом поверхностного эффекта на частоте колебательного процесса.
Использование высоковольтного зондирующего напряжения с амплитудой много больше амплитуды высокочастотных помех позволяет снизить влияние высокочастотных помех, а также влияние явлений затухания и искажения формы напряжения на результаты измерения расстояния до места повреждения изоляции. Снижение влияния затухания и искажения формы обусловлено измерением временного интервала на начальных участках колебательного процесса изменения зондирующего напряжения, а в известном способе (прототипе) вдоль поврежденного участка распространяется волновой процесс и измеряемый временной интервал определяется пробегом электромагнитной волны двойного расстояния до места повреждения, при этом происходит затухание и изменение формы напряжения, что искажает измеряемый временной интервал.
H
0
0
Применение способа определения места повреждения изоляции в силовой линии электропередачи с использованием известных емкости высоковольтного накопительного конденсатора C, удельных индуктивности L и активного сопротивления r петли «фазный провод - земля» позволяет сократить время и затраты на выявление дефектной изоляции линии и определение расстояния до нее, в том числе и дефектных изоляторов с остаточной электрической прочностью, которые практически невозможно выявить известными из уровня техники способами, за исключением визуального осмотра или проведения комплекса испытаний изолятора непосредственно. Предлагаемый способ основан на формировании колебательного контура до места повреждения изоляции и может быть реализован на воздушных и кабельных линиях, а также токопроводах однофазного и трехфазного исполнения. Отличительной особенностью способа является высоковольтное зондирование линии электропередачи напряжением от 100% фазного до 50% испытательного напряжения изоляции линии, что позволяет применять его для выявления дефектных изоляторов, в том числе полимерных, имеющих повышенную остаточную электрическую прочность.
К основным преимуществам способа можно отнести следующие: высокий уровень зондирующего напряжения, достаточный для перекрытия ослабленной изоляции, снижение чувствительности к высокочастотным помехам, имеющим низкий уровень сигнала, а также возможность применения при повреждениях изоляции неустойчивого характера.
Рассмотрим способ определения места повреждения изоляции в силовой линии электропередачи с использованием периода колебаний переходного процесса поврежденной фазы и периода колебаний, полученного на неповрежденной фазе при известной длине линии с помощью схемы замещения, проиллюстрированной на фиг.1.
H
Способ заключается в воздействии на исследуемую фазу одного из концов предварительно отключенной силовой линии высоковольтным зондирующим напряжением. Независимо от величины остаточной электрической прочности изоляции на силовой линии как при высоком переходном сопротивлении в месте повреждения, так и при низком типа «металлическое» замыкание создают колебательный контур из фазного провода линии и предварительно заряженного высоковольтного накопительного конденсатора C, коммутируя его ключом К1 на исследуемую фазу одного из концов диагностируемой линии. Использование данного способа позволяет также выявлять неустойчивые повреждения, в том числе «заплывающий» пробой, когда в месте повреждения происходит частичное восстановление электрической прочности.
X
H
X
Полученный колебательный контур, образованный индуктивностью петли «фазный провод - земля» L и емкостью высоковольтного накопительного конденсатора C (фиг.2) имеет частоту собственных колебаний контура ω определяемую без учета и с учетом затухания (потерь) по формулам (6) и (7) соответственно:
X
X
X
X
H
где ω=2πf или ω=2π/Т - частота собственных колебаний контура, образованного емкостью высоковольтного накопительного конденсатора Cи индуктивностью линии;
X
f - частота колебаний переходного процесса;
X
Т - период колебаний переходного процесса;
X
0
X
X
0
X
X
L=L·l, r=r·l - индуктивность и активное сопротивление линии до МП на расстоянии l;
0
0
L, r - удельные индуктивность и активное сопротивление линии.
X
X
Для исключения влияния волновых процессов и повышения точности целесообразно определять период колебаний переходного процесса Т на основе измерения временного интервала, кратного нескольким значениям периода колебаний переходного процесса Т.
X
Х
Σ
Определение расстояния до дефектного изолятора производят с использованием отношения периода колебаний переходного процесса Т при пробое дефектной изоляции на расстоянии l и периода колебаний переходного процесса Т, определенного при зондировании неповрежденной фазы линии при имитации повреждения в конце линии, или используя отношение временных интервалов с одинаковой кратностью указанных периодов колебания переходного процесса. Определение расстояния в предлагаемом способе реализуется на основе формулы:
X
где T - период колебаний переходного процесса;
Σ
T - период колебаний переходного процесса при искусственном пробое в конце ВЛ;
Х
l - расстояние до МП, м;
Σ
l - полная длина ВЛ, которую можно упрощенно задать топографической длиной ВЛ или более точно определить с учетом провеса провода, а также путем предварительного замера способом импульсной рефлектометрии или другим способом.
Использование высоковольтного зондирующего напряжения позволяет снизить влияние высокочастотных помех и влияние явлений затухания и искажения формы напряжения на результаты измерения расстояния до места повреждения изоляции, а также сократить время и затраты на выявление дефектной изоляции линии, в том числе и дефектных изоляторов с остаточной электрической прочностью, которые невозможно выявить известными из уровня техники способами.
Использование высоковольтного зондирующего напряжения с амплитудой много больше амплитуды высокочастотных помех позволяет снизить влияние высокочастотных помех, а также влияние явлений затухания и искажения формы напряжения на результаты измерения расстояния до места повреждения изоляции. Снижение влияния затухания и искажения формы обусловлено измерением временного интервала на начальных участках колебательного процесса изменения зондирующего напряжения, а в известном способе (прототипе) вдоль поврежденного участка распространяется волновой процесс и измеряемый временной интервал определяется пробегом электромагнитной волны двойного расстояния до места повреждения, при этом происходит затухание и изменение формы напряжения, что искажает измеряемый временной интервал.
Применение способа определения места повреждения изоляции в силовой линии электропередачи с использованием периода колебаний переходного процесса поврежденной фазы и периода колебаний, полученного на неповрежденной фазе при известной длине линии, позволяет сократить время и затраты на выявление дефектной изоляции линии и определение расстояния до нее, в том числе и дефектных изоляторов с остаточной электрической прочностью, которые практически невозможно выявить известными из уровня техники способами, за исключением визуального осмотра или проведения комплекса испытаний изолятора непосредственно. Предлагаемый способ основан на формировании колебательного контура до места повреждения изоляции и может быть реализован на воздушных и кабельных линиях, а также токопроводах однофазного и трехфазного исполнения. Отличительной особенностью способа является высоковольтное зондирование линии электропередачи напряжением от 100% фазного до 50% испытательного напряжения изоляции линии, что позволяет применять его для выявления дефектных изоляторов, в том числе полимерных, имеющих повышенную остаточную электрическую прочность.
К основным преимуществам способа можно отнести следующие: высокий уровень зондирующего напряжения, достаточный для перекрытия ослабленной изоляции, снижение чувствительности к высокочастотным помехам, имеющим низкий уровень сигнала, а также возможность применения при повреждениях изоляции неустойчивого характера.
H
Л
H
Я
В результате компьютерного моделирования процесса высоковольтного зондирования на ВЛ 10 кВ длиной 3,12 км, при следующих соотношениях емкости высоковольтного накопительного конденсатора и суммарной емкости линии C/С=0,1; 1,0 и 10,0, получены осциллограммы напряжения при повреждениях на расстоянии одного пролета, в середине и в конце линии (фиг.3-11). Из осциллограмм видно, что при подключении предварительно заряженного высоковольтного накопительного конденсатора C происходит заряд силовой линии и при возникновении дефекта изоляции в линии возникает колебательный контур из фазного провода линии и высоковольтного накопительного конденсатора, имеющий частоту собственных колебаний. Используя период колебаний переходного процесса в линии или временной интервал, кратный ему, на основе приведенных соотношений (4), (5) и (8) определяют расстояние до места дефекта. Как видно из осциллограмм, для снижения погрешности определения расстояния соотношение емкости высоковольтного накопительного конденсатора и емкости петли «фазный провод - земля» выбирается в диапазоне от 1 до 10. При соотношении менее 1 существенное влияние на измерение временного интервала оказывает волновой процесс, что обусловливает значительную погрешность. Модель выполнена в программном пакете OrCAD 16.0 с количеством ячеек, равным количеству пролетов (n=52).