Моделирование распространения импульсных сигналов по однопроводной и трехпроводной линиям

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ ПО ОДНОПРОВОДНОЙ И ТРЕХПРОВОДНОЙ

ЛИНИЯМ

Л.М. РЫБАКОВ, Э.А. КЛЕНОВ Марийский Государственный Университет

В статье представлена эквивалентная схема замещения участка трехпроводной линии.Исследовано влияние нагрузки линии на форму сигнала. Проанализировано затухание сигнала на линии для частоты 40 МГц.

Любой дефектный изолятор рассматривается как обычный источник переменного тока [1, 2]. На рис. 1 показана эквивалентная схема источника ВЧ -сигналов, где: Е - ЭДС источника ВЧ - сигналов; - его эквивалентное

внутреннее сопротивление; 2н - эквивалентное внешнее сопротивление нагрузки, подключенной к сети.

Рис. 1. Эквивалентная схема источника ВЧ - излучений

От источника ВЧ-сигналы попадают в отходящие от него провода, а через распределенную емкость - в провода соседних фаз ВЛ, а по ним распределяются на значительные расстояния (например, по ВЛ они передаются на расстояние до нескольких десятков километров). По однопроводной линии ВЧ-сигналы проходят вдоль линии и возвращаются к источнику по земле, замыкаясь через нагрузку и распределенную емкость между проводом и землей. По двухпроводной линии сигналы распространяются двумя путями: первый, симметричный, когда ток ВЧ - сигналов, уходя от источника по одному проводу, возвращается к нему по другому. Второй, несимметричный, когда токи распространяются одновременно по обоим проводам и возвращаются по земле.

Если от источника сигналов отходят три провода, то всегда между каждой парой будет существовать свое симметричное, а между каждым проводом и землей - свое несимметричное напряжение. И то, и другое может быть измерено измерителем ВЧ-сигналов в любых точках линии. При этом на антенну воздействуют в основном электрические поля, образующиеся между несущим сигнал проводом и землей за счет распространений несимметричных токов. Коэффициент переноса (К) характеризует собой ослабление сигналов на пути их

© Л.М. Рыбаков, Э.А. Кленов

Проблемы энергетики, 2007, № 9-10

распространения от проводов ВЛ в антенну и выражается отношением

напряжений между несущим сигнал проводом и землей к напряжению между

проводом антенны и землей:

U h С св + С 2

K = —н = —----------,

Ua ССВ

где Uн - напряжение между несущим сигнал проводом и землей; Ua -напряжение между проводом антенны и землей.

Напряженность поля на расстоянии l от линии рассчитывается по

выражению

( 2 п • Н • h2 л

E = 1,62 • U/l • sin

v

l • к

где Е - действующее значение напряженности поля; I - расстояние между излучателем и приемной антенной; X - длина волны; к - высота расположения провода фазы ВЛ, генерирующей высокочастотное электромагнитное излучение; к2 - высота приемной антенны.

Схема связи антенны с ВЛ при небольшом расстоянии между ними показана на рис. 2.

Рис. 2. Схема емкостной связи несущего сигнал провода с антенной: 1 - антенна; 2 - измеритель сигналов ВЧ-излучений; С1 - емкость несущего сигнал провода относительно земли; Ссв -емкость между несущим сигнал проводом и антенной; С2 - емкость антенны относительно земли

Рассмотрим распространение импульсных сигналов по трехпроводной линии. В качестве модели трехпроводной линии использовалась линия напряжением 10 кВ с треугольным расположением проводов, длиной 15 км и габаритами, характерными для реальных воздушных линий 10 кВ, используемых в распределительных сетях.

Линия длиной 15 км была разбита на участки по 1 км. На рис. 3 приведена эквивалентная схема участка линии длиной 1 км. В эквивалентной схеме учтены емкостные и индуктивные связи между фазными проводами, а также емкости проводов относительно земли. При расчете емкостей между фазами также учитывалось влияние земли, но отражение сигнала от начала и конца линии,

равно как и влияние локальных неоднородностей (сосредоточенная емкость и индуктивность опор и изоляторов, повороты линии и пр.), во внимание не принимались. Параметры линии рассчитаны для провода АС 70, наиболее распространенного на линиях 10 кВ.

На линию (на разные фазы и в разных участках линии) подавался одиночный экспоненциальный импульс единичной амплитуды. Длительность фронта импульса - 5 нс, длительность спада - 25 нс. Параметры импульса были определены в результате экспериментальных лабораторных исследований образцов изоляционных элементов, имеющих воздушные включения.

R7

*ТХ6 IJ}« U)«. •ДЗ я_ « ч

•J7 '

кн

ció "С27 ТХ7 С» 7» тх* СМ см

h/'YVW. [_/ Т  V Л_]

ол

и

1.66 я 1.5 я і.«** 1.66 Я 1.5 я 1.66 я 1.66 я 1.5 я 1.66 я

С29 С27 сн CJ7 СМ CJ» с* (41 (42

Рис. 3. Эквивалентная схема замещения участка трехпроводной линии

Сигнал снимался с трех фаз линии для каждого километрового участка. Модель была просчитана с помощью программы Orcad 9.1. В результате получены графики, отражающие амплитудно-частотные характеристики линии на различном расстоянии от источника. Данные были обработаны в редакторе баз данных и получены величины сигнала в зависимости от удаления источника сигнала от места регистрации.

Далее было исследовано влияние нагрузки линии на форму сигнала. Изменение параметров линии, в частности нагрузки, влияет на параметры исследуемого сигнала. Например, уменьшение нагрузки приводит к увеличению амплитуды сигнала на отдельных частотах (появлению ярко выраженных пиков) и увеличению взаимного влияния проводов, что затрудняет диагностирование. Но также очевидно, что это влияние становится некритичным при более высоких частотах, начиная с 20 МГц, т.е. на реальных линиях с неизвестной заранее или переменной нагрузкой целесообразно проводить диагностирование на более высоких частотах.

В результате анализа характеристик сигнала на различном расстоянии от источника сигнала были выявлены характерные частоты 9, 27, 40 МГц, которые могут являться определяющими при диагностировании дефектов на линии. На этих частотах амплитудно-частотная характеристика линии имеет локальные максимумы, которые не изменяются при измерении сигнала в различных точках на протяжении всей линии. Однако измерение сигнала на частотах 9 и 27 МГц может не иметь информативной ценности при неизвестных параметрах исследуемой линии, поэтому наиболее оптимальным является использование тестовой частоты 40 МГц для оценки степени развития дефекта в изоляторе и его обнаружения.

Далее проанализировано затухание сигнала на линии для частоты 40 МГц.

Из графиков (рис. 4) можно сделать вывод, что сигнал на верхнем проводе

(фаза В), если к нему подключен генератор, монотонно уменьшается. Для него линия представляет собой фильтр низких частот с определенными параметрами, поэтому переизлучение при этом заметной роли не играет. Если же сигнал генератора подается на одну из крайних фаз, то переизлучение электромагнитных волн между проводами оказывает существенное влияние, в частности: напряжение на средней фазе превосходит по уровню напряжение на противоположной фазе, что может быть объяснено ее меньшей емкостью относительно земли, более близким расположением к излучающему проводу, большей емкостью между этими проводами.

Сравнивая графики рис. 4, можно сделать предположение о возможности определения фазы, на которой расположен генератор сигналов, по соотношению между уровнями сигнала на различных фазах. При этом дальность обнаружения дефекта на частоте 40 МГц составляет 7 - 9 км. При повышении чувствительности приборов появляется возможность увеличить дальность регистрации сигналов, обладающих положительной диагностической ценностью.

Малое затухание сигнала на частотах вблизи 9 МГц и слабое влияние отпаек и разветвлений на уровень сигнала на этой частоте позволяют использовать ее для обнаружения наличия отказавшего изолятора на линии и предварительной оценки расстояния до него. Далее производится измерение на более высоких частотах, на которых имеется возможность определить более точно место расположения дефектного элемента по особенностям распространения сигнала. При наличии разветвлений и отпаек измерение сигнала на частоте 40 МГц позволяет исключить влияние соседних присоединений, сигнал с которых претерпевает значительное затухание. На этой частоте также возможно определение дефектной фазы, генерирующей сигнал, по соотношению между уровнями сигнала на различных проводах линии.

11, мВ

60 -г

1 3 5 7 9 11 13 15

/, км

а) генератор сигнала подключен к фазе А

б) генератор сигнала подключен к фазе В

в) генератор сигнала подключен к фазе С Рис. 4. Зависимость уровня сигнала от расстояния, тестовая частота 40 МГц

Таким образом, получена эмпирическая зависимость напряженности поля от расстояния до проверяемой линии, которую можно рекомендовать к использованию как диагностический признак.

Установлено, что амплитудно-частотные характеристики являются диагностическим признаком оценки состояния изоляторов и определения расположения дефектного элемента на линии.

Определены частоты 9, 27, 40 МГц, которые позволяют сократить время поиска дефектных изоляторов.

Summary

In article is submitted the equivalent equivalent circuit of a site of a three-wire line. Is investigated the influence of loading of a line on the form of a signal. Is analysed the attenuation of a signal on a line for frequency of 40 MHz.

© Проблемы энергетики, 2007, № 9-10

Литература

1. Методы определения видов дефектов в изоляции электроустановок высокого напряжения регистрацией высокочастотных излучений: Отчет о НИР (промежуточный) / МарГУ; Руководитель Л.М. Рыбаков. - ХД №4-96. - Йошкар -Ола, 2001. - 73 с.

2. Вайда Д. Исследование повреждений изоляции: Пер. с венгр. - М.: Энергия, 1982. - 400 с.

Поступила 13.03.2007