СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПОРЫ ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С ОДНОФАЗНЫМ ЗАМЫКАНИЕМ И НЕИСПРАВНОСТЬЮ ЗАЗЕМЛЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING OVERHEAD ELECTRIC POWER LINE TOWER WITH SINGLE-PHASE EARTHING AND EARTHING FAULT

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в распределительных сетях напряжением 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью, например, в нефтедобывающей отрасли.
Известен способ определения удаленности места однофазного замыкания в трехфазной линии электропередачи (ЛЭП), заключающийся в том, что определяют поврежденную линию из всех линий распределительной сети, отключают ее по обоим концам, после этого проводят измерения токов. Используя результаты измерений токов ЛЭП и заданную длину линий, определяют расстояние до места повреждения на воздушных ЛЭП расчетным путем по формуле (см. патент RU №2186404, кл. G01R 31/08, 04.11.2001).
Недостатком известного способа является невысокая точность и недостаточная достоверность отыскания места повреждения, так как результаты измерений зависят от многих факторов, в том числе от переходного сопротивления в точке 033. Кроме того, известный способ требует больших затрат времени и труда.
Известен способ определения расстояния до места однофазного замыкания на землю в распределительных сетях, основанный на регистрации электрической величины в аварийном режиме 033, а именно, регистрации напряжения на поврежденной фазе в начале линии в переходном процессе замыкания на землю и выделении частоты собственных колебаний линии, по которой определяют расстояние до места замыкания (см. патент RU №2216749, кл. G01R 31/08, 27.03.2001).
Недостатком известного способа является невысокая достоверность отыскания места повреждения, так как регистрируемая электрическая величина и выделяемая частота существенно зависят от параметров линий, особенно от изменяющейся емкости фаз воздушной ЛЭП.
Известен способ отыскания опоры воздушной ЛЭП с замыканием на землю, основанный на регистрации вблизи воздушной ЛЭП параметра аварийного режима в виде напряженности электромагнитного поля, обусловленной высшими гармоническими составляющими тока нулевой последовательности, т.е. тока однофазного замыкания на землю. Этот способ применяется на практике. На его основе разработаны приборы различного типа, например «Поиск-1», «Волна», «Зонд», «Спектр» и др., используемые в сетях 6-35 кВ для отыскания мест ОЗЗ. Опора с повреждением отыскивается путем обхода вдоль воздушной ЛЭП. У опоры с повреждением изоляции показания прибора в несколько раз больше, чем у других опор с нормальным состоянием изоляторов и крепления проводов (см. Кузнецов А.П. Определение мест повреждения на воздушных линиях электропередачи. - М.: Энергоатомиздат, 1989). Этот способ сравнительно простой.
Недостатком известного способа является низкая достоверность определения опоры с повреждением изоляции, вследствие зависимости измеряемых и контролируемых величин от нестабильного значения переходного сопротивления в точке однофазного замыкания, от изменяющейся емкости фаз воздушной ЛЭП, от случайного характера ряда факторов, влияющих на гармонические составляющие тока однофазного замыкания. В ряде случаев бывает трудно и даже невозможно определить место повреждения. Так, если от подстанции отходят всего две линии, примерно одинаковой длины, то при замыкании на землю на одной из них токи нулевой последовательности в начале обеих линий будут практически равны между собой. Следовательно, по приборам, основанным на способе контроля высших гармонических составляющих этих токов, определить поврежденную линию и опору будет практически невозможно. Аналогичная ситуация будет и при большем числе отходящих линий, если две из них имеют длины, превышающие суммарную протяженность остальных линий. Кроме того, известный способ требует больших затрат по времени, особенно на длинных ЛЭП. Для ускорения поиска требуется несколько бригад персонала, одновременно работающих на участках линии.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ для определения опоры ЛЭП с поврежденной изоляцией, основанный на контроле параметра аварийного режима в виде тока через опору на землю (см. Кузнецов А.П. Определение мест повреждения на воздушных линиях электропередачи. - М.: Энергоатомиздат, 1989). Этот ток контролируют с помощью трансформатора тока с разъемным сердечником. Магнитопровод состоит из двух половин, которые обхватывают несущую конструкцию железобетонной опоры или несущий уголок металлической опоры, т.е. токоведущая арматура опоры используется в качестве первичной обмотки трансформатора тока. К вторичной обмотке этого трансформатора подсоединяют сигнальный элемент, например, в виде пиропатрона и связанного с ним фиксирующего сигнального флажка. Такой способ реализован в применяемых на практике устройствах типа УПИ-1 (указатель опор с поврежденной изоляцией). Данный способ принят в качестве прототипа.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения - контролируют ток через опору на землю при исправном заземлении опоры, производят местную фиксацию повреждения.
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является низкая достоверность определения опоры с повреждением изоляции, вследствие того, что известный способ основан на контроле только лишь тока через опору на землю. Однако отсутствие тока через опору или очень малая его величина (в пределах нечувствительности средств контроля) не означает, что на опоре нет повреждения изоляции. При поврежденном изоляторе ток будет равен нулю из-за обрыва в цепи заземления арматуры изолятора. Ток может быть близок к нулю из-за недопустимо большого сопротивления заземления опоры вследствие высыхания или оплавления грунта. Кроме того, применяемым в качестве датчика тока трансформатором тока с разъемным «твердым» магнитопроводом при сложной форме несущей конструкции опоры трудно проконтролировать все токоведущие элементы опоры на землю. Именно по этой причине применяемые устройства типа УПИ-1 и аналогичные достоверно работают только при токах повреждения 200-300 А и более и нашли применение только на ЛЭП напряжением 110 кВ и более.
В сетях 6-35 кВ этот известный способ определения опоры с повреждением изоляции может быть использован только при двойных (двухместных) замыканиях на землю, но тоже только при условии исправности заземления опор.
Сложность задачи определения опоры с повреждением изоляции и однофазным замыканием на землю в сетях 6-35 кВ состоит в следующем:
- эти сети работают с изолированной или компенсированной нейтралью, ток замыкания на землю невелик и может иметь значения около 1-10 А в зависимости от протяженности ЛЭП и режима нейтрали;
- режим 033 может быть длительным по причине несрабатывания защиты на подстанции или по требованиям бесперебойности питания потребителей;
- из-за длительного протекания тока через опору на землю возможно высыхание грунта и существенное увеличение переходного сопротивления заземления опоры, особенно железобетонной опоры;
- возможно нарушение целостности проводников заземления арматуры крепления изоляторов, в результате чего повреждение изолятора вызовет не замыкание на землю, а замыкание на арматуру опоры, что обусловит (создаст) высокий потенциал на опоре относительно земли и опасность электротравм у опоры.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - повышение достоверности определения опоры ЛЭП с повреждением изоляции и возникающими при этом однофазными замыканиями двух видов (замыкание на заземленную арматуру опоры и замыкание на арматуру опоры при неисправности заземления), и контроль превышения величины фактического сопротивления заземления опоры над нормируемой величиной.
З
З
З
З
З.НОРМ.
З
З.НОРМ.
З
Ф
З.НОРМ.
Ф
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе определения опоры воздушной линии электропередачи с однофазным замыканием и неисправностью заземления, основанном на контроле тока через опору на землю при исправном заземлении опоры и местной фиксации повреждений, одновременно контролируют ток через опору на землю I и напряжение на опоре относительно земли U, используют величины тока и напряжения для анализа аварийной ситуации, который проводят по заданному алгоритму, по результатам анализа логическим путем выявляют признаки повреждений на опоре двух видов и формируют сигнал о повреждении соответственно: при I>0 и U≤U - сигнал об однофазном замыкании на землю; или при I=0 и U<U≤U - сигнал об однофазном замыкании на арматуру опоры и неисправности цепи заземления, где U - нормируемая величина напряжения на опоре относительно земли; U - фазное напряжение сети, используя сформированный сигнал о повреждении, проводят одновременно местную фиксацию факта повреждения конкретного вида у опоры с повреждением и дистанционную в пункте диспетчерского контроля, для чего сигнал о виде повреждения преобразуют в кодированный сигнал, содержащий в коде признак вида повреждения и регистрационный номер опоры, передают его по линии связи или по радиоканалу на расстояние, где проводят декодирование сигнала и фиксацию поврежденния; и кроме того, измеренные ток и напряжение одновременно используют для вычисления величины фактического сопротивления заземления опоры, сравнивают полученный результат с нормируемой величиной сопротивления заземления, и по наличию превышения фактического сопротивления заземления над нормируемой величиной формируют еще и сигнал о превышении сопротивления заземления и проводят местную и дистанционную фиксацию факта неисправности заземления опоры.
З
З
З
З
З.НОРМ.
З
З.норм.
З
Ф
З.НОРМ.
Ф
Признаки заявляемого способа, отличительные от способа по прототипу, - одновременно контролируют ток через опору на землю I и напряжение на опоре относительно земли U; контролируемые величины тока и напряжения используют для анализа аварийной ситуации на опоре, который проводят по заданному алгоритму; по результатам анализа логическим путем выявляют признаки повреждения на опоре двух видов и формируют сигнал о повреждении, соответственно: при I>0 и U≤U - сигнал об однофазном замыкании на землю; или при I=0 и U<U≤U (где U. - нормируемая величина напряжения на опоре относительно земли; U - фазное напряжение сети) - сигнал об однофазном замыкании на арматуру опоры и неисправности цепи заземления; осуществляют, используя сформированный сигнал о повреждении, одновременно местную фиксацию факта повреждения конкретного вида у опоры с повреждением и дистанционную в пункте диспетчерского контроля, для чего сигнал о виде повреждения преобразуют в кодированный сигнал, содержащий в коде признак вида повреждения и регистрационный номер опоры; передают сигнал по линии связи или по радиоканалу на расстояние, где проводят декодирование сигнала и фиксацию повреждения; измеренные ток и напряжение одновременно используют для вычисления величины фактического сопротивления заземления опоры; полученный результат сравнивают с нормируемой величиной сопротивления заземления, и по наличию превышения фактического сопротивления заземления над нормируемой величиной формируют сигнал о превышении сопротивления заземления и проводят местную и дистанционную фиксацию факта неисправности заземления опоры.
При анализе известных технических решений заявителем не выявлена совокупность признаков, отличающих заявляемое техническое решение от прототипа, приводящая к повышению достоверности выявления опоры ЛЭП с повреждениями в электрической сети. Также не выявлено использование для целей определения опоры ЛЭП с повреждениями одновременно и тока через опору на землю и напряжения на опоре относительно земли. Следовательно, можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
Предлагаемый способ определения опоры воздушной ЛЭП с повреждениями поясняется функциональной блок-схемой, представленной на чертеже. На схеме показаны:
1 - опора воздушной ЛЭП, на которой контролируют повреждения в виде однофазных замыканий двух видов, а также возможную неисправность заземления опоры;
2 - гибкий датчик тока, которым опоясывают опору и контролируют ток через опору на землю;
3 - измерительный электрод, который помещают в грунт около опоры на расстоянии 15-20 м и используют его с применением изолированного проводника для контроля напряжения на опоре относительно земли;
4 - измерительный изолированный проводник, который прокладывают от арматуры крепления изоляторов и используют для контроля напряжения на опоре;
5 - измерительно-логический модуль, где с использованием контролируемых величин тока и напряжения по заданному алгоритму проводят анализ аварийной ситуации, выявляют признаки и делают логическое заключение о виде повреждения на опоре двух видов и соответственно формируют сигналы для фиксации фактов повреждения конкретного вида;
6 - блок деления, где вычисляют величину фактического сопротивления заземления опоры;
З.ФАКТ.
З.НОРМ.
7 - элемент, где сравнивают фактическое сопротивление заземления опоры с нормируемой величиной и при условии R>R. норм, формируют на выходе сигнал о неисправности заземления опоры;
8 - блок местной фиксации фактов повреждений на опоре, где сигналы о повреждениях преобразуют в световые или иные сигналы для персонала;
9 - блок, где сигналы о повреждениях на опоре преобразуют в кодированный телеметрический или радиосигнал, содержащий в коде признаки повреждений и регистрационный номер опоры;
10 - линия связи, по которой передают кодированный сигнал в виде проводной, оптоволоконной линии или радиоканал;
11 - блок дистанционной фиксации фактов повреждений на опорах линий распределительной сети, где декодируют поступающие по всем линиям связи сигналы и преобразуют их для централизованного диспетчерского контроля.
Способ осуществляют следующим образом.
З
З
З
З
З
З
На каждой опоре 1 ЛЭП одновременно контролируют параметры аварийного режима: ток через опору 1 на землю I и напряжение на опоре 1 относительно земли U. Для контроля тока сравнительно небольшой величины, например 1-30 А, что характерно для сетей 6-35 кВ с воздушными ЛЭП, используют гибкий датчик тока 2, которым опоясывают с минимальными просветами несущую конструкцию опоры 1 любой формы. Для контроля напряжения на опоре 1 применяют измерительный электрод 3, который помещают в грунт на расстоянии 15-20 м от опоры 1 и используют его в измерениях как точку нулевого потенциала земли. Второй точкой для измерений напряжения является: на железобетонных опорах - место соединения арматуры крепления изоляторов с заземляющим проводником опоры; на металлических опорах - любая точка несущей конструкции. Контролируемые электрические величины I и U подают на входы модуля 5 и входы блока 6. В модуле 5 с использованием величин тока I и напряжения U по заданному алгоритму проводят анализ аварийной ситуации, выявляют признаки повреждения на опоре двух видов:
З
З
З.НОРМ.
З.НОРМ.
З
З
З.НОРМ.
1) если через опору на землю протекает ток некоторой величины I>0 и одновременно напряжение на опоре относительно земли будет небольшой величины, например не превышает U≤U=10-300 В (где U - нормируемая величина напряжения на опоре относительно земли), то совпадение условий I>0 и U≤U - это признак повреждения на опоре первого вида, а именно, однофазное замыкание на землю;
З
З.НОРМ.
З
Ф
Ф
З
З.НОРМ.
З
Ф
2) если ток через опору отсутствует (или его величина мала в пределах чувствительности датчика тока), т.е. I=0 и одновременно величина напряжения на опоре большая и находится в пределах U<U≤U (где U - фазное напряжение сети), то совпадение условий I=0 и U<U≤U - это признак повреждения на опоре второго вида, а именно однофазное замыкание на арматуру опоры при неисправности заземления.
З
З
З.НОРМ.
З.норм.
З
По выявленному признаку делают логическое заключение о виде повреждения на опоре 1 и соответственно формируют сигнал о конкретном повреждении на первом или на втором выходах модуля 5. Например, в случае, если ток через опору I=1÷10 А и одновременно напряжение на опоре будет U=10÷100 В, то тогда при условии, что R=0 м (возможны и другие значения R и соответственно U), следует логическое заключение о первом виде повреждения: на опоре 1 повреждена изоляция (в виде перекрытия или разрушения изолятора или иное), возникло однофазное замыкание на землю через арматуру опоры 1 с исправным заземлением. Сигнал о первом виде повреждения появится только на первом выходе модуля 5.
З
З.НОРМ.
З
Ф
В другом случае, если ток через опору I=0 или имеет пренебрежимо малую величину и одновременно напряжение на опоре будет U<U≤U, т.е. по величине может быть близко к фазному напряжению сети, то тогда следует логическое заключение о втором виде повреждения: на опоре 1 повреждена изоляция, возникло однофазное замыкание на арматуру, имеющую контакт с опорой, однако, в цепи заземления арматуры изолятора имеется обрыв или сопротивление заземления опоры недопустимо велико. В этом случае сигнал о втором виде повреждения появится только на втором выходе модуля 5.
Сигнал с первого выхода модуля 5 поступает на первый вход блока 8 и соответственно блока 9.
В блоке 8 этот сигнал преобразуют в световой сигнал или в сигнал смены цвета или положения блинкера, или в иной сигнал и тем самым осуществляют местную индикацию и фиксацию повреждения на опоре в виде однофазного замыкания на землю. В блоке 9 этот же сигнал преобразуют в кодированный телеметрический или радиосигнал. Затем кодированный сигнал передают по линии связи или по радиоканалу на пункт централизованного диспетчерского контроля 11. Здесь поступивший сигнал декодируют и дистанционно фиксируют повреждение на опоре в виде однофазного замыкания на землю и регистрационный номер этой опоры 1.
Аналогично сигнал со второго выхода модуля 5 поступает на второй вход блока 8 и соответственно блока 9.
Это соответствует второму виду повреждения на опоре 1. Все операции в блоке 8 и в блоке 9 происходят аналогично, как и при первом виде повреждения. Однако при этом и в блоке 8 и в пункте диспетчерского контроля 11 фиксируют второй вид повреждения на опоре 1, а именно однофазное замыкание на арматуру опоры 1 при неисправности заземления.
З.ФАКТ.
З
З
З.ФАКТ.
З.НОРМ.
В блоке 6 проводят вычисление величины фактического сопротивления заземления опоры 1 путем деления величины входных сигналов, т.е. получают значение R=U/I (Ом). В элементе 7 сравнивают фактическое сопротивление заземления опоры с нормируемой величиной и только при условии R>R формируют на выходе элемента 7 сигнал о неисправности заземления опоры 1.
Этот сигнал подают на третий вход блока 8 и соответственно блока 9.
В блоке 8 этот сигнал преобразуют в световой или иной сигнал и таким путем осуществляют местную индикацию и фиксацию неисправности заземления опоры 1. В блоке 9 этот же сигнал преобразуют в дополнительный признак кодированного сигнала о повреждениях на опоре 1. Затем передают кодированный сигнал в пункт централизованного диспетчерского контроля 11. Здесь после декодирования сигнала дистанционно фиксируют одновременно и повреждение на опоре 1 в виде однофазного замыкания и неисправность заземления опоры 1.
Для практического осуществления предлагаемого способа определения опоры воздушной ЛЭП с повреждениями могут быть использованы известные функциональные элементы и устройства. В качестве датчика тока 2 через опору 1 можно использовать трансформатор тока с гибким магнитопроводом или применить гибкий датчик тока, например, в виде тора Роговского. В функциональном модуле 5 можно применить аналоговые или цифровые измерительные и логические элементы. В блоке 6 для операции деления тоже можно использовать аналоговые или цифровые элементы. В блоке 8 для светового отображения контролируемых повреждений целесообразно применить маломощные неоновые или аналогичные индикаторы. Для преобразования сигналов о повреждениях на опоре и неисправности заземления опоры, кодирования и декодирования сигналов также могут быть использованы известные функциональные элементы и устройства.
Преимущество изобретения состоит в том, что из большого числа опор воздушных ЛЭП распределительной сети 6-35 кВ можно быстро и достоверно определить конкретную опору, на которой произошло однофазное замыкание, причем замыкание двух видов. При первом виде однофазного замыкания способ одновременно обеспечивает контроль превышения фактического сопротивления заземления опоры над нормируемой величиной. Это, в свою очередь, позволит быстро отключить ЛЭП с повреждением или, если отключение нецелесообразно по условию бесперебойности электроснабжения, оперативно выполнить действия по обеспечению безопасности в месте повреждения, по проведению ремонтных работ.
Кроме того, дистанционное выявление опоры с повреждением позволяет выявить и поврежденную из группы ЛЭП распределительной сети и, следовательно, обеспечить защиту от однофазных замыканий с абсолютной селективностью. Достоверное определение опоры с повреждением сокращает время и трудозатраты на отыскание опоры в электрической сети, уменьшает вероятность и опасность электротравм у поврежденной опоры, повышает безопасность и надежность электроснабжения потребителей.