Анализ подходов к дистанционному определению нарушений изоляции магистральных линий электропередач

АНАЛИЗ ПОДХОДОВ К ДИСТАНЦИОННОМУ ОПРЕДЕЛЕНИЮ НАРУШЕНИЙ ИЗОЛЯЦИИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ

А.Л. КУЛИКОВ, А.А. ПЕТРУХИН, Д.М. КУДРЯВЦЕВ филиал ОАО “ФСК ЕЭС” - Нижегородское ПМЭС

Дистанционное определение мест повреждений на линиях электропередач

— сложная и актуальная задача, решение которой позволяет оценить время, в течение которого линия может находиться в рабочем состоянии с выявленным повреждением до вывода в ремонт, а также существенно сократить время нахождения линии в ремонте после ее аварийного отключения.

Актуальным является исследование чувствительных методов по отношению к КЗ — методов обнаружения угроз повреждений, связанных с нарушениями воздушной изоляции. В работе проводится определение чувствительности к нарушениям изоляции ЛЭП на опытах различных видов коротких замыканий.

Дистанционное определение места нарушения изоляции (ДОМНИ) на магистральных линиях электропередачи - сложная и актуальная задача, решение которой позволяет оценить время, в течение которого линия может находиться в рабочем состоянии с выявленным повреждением до вывода в ремонт, а также существенно сократить время нахождения линии в ремонте после ее аварийного отключения. Эта задача решается с помощью различных способов, описанных в ряде работ отечественных и зарубежных специалистов в области приборов и методов определения мест повреждения [1-4], в том числе в области релейной защиты и автоматики [4] на линиях электропередач.

До сих пор, классическим методом отыскания повреждений в электроустановках является внешний осмотр. Однако на воздушных линиях (ВЛ), имеющих, как правило, большую протяженность, осмотр занимает продолжительное время и применяется только в тех случаях, когда определен конкретный поврежденный участок.

Магистральные ЛЭП являются самыми протяженными объектами электроэнергетики (сотни километров) и одними из самых повреждаемых [4,5]. В схеме магистральных линий электропередач, как правило, предусмотрены специальные приборы, определяющие место повреждения (ОМП), точность которых зависит от длины линии и составляет 5-15% и более [4]. Методы определения мест повреждений обычно сводятся к определению места короткого замыкания (ОМКЗ). Однако довольно часто возникают повреждения ЛЭП без замыкания, которые сопровождаются увеличенными токами утечек. Повышенные токи утечки вызваны разрядами в воздушном промежутке, например, при нарушении габаритов фазных проводов, при низовых пожарах под ЛЭП, ударах молнии в ЛЭП и др. Актуальным является исследование чувствительных методов по отношению к КЗ - методов обнаружения угроз повреждений, связанных с нарушениями воздушной изоляции.

Определение чувствительности к нарушениям изоляции ЛЭП проводилось на опытах различных видов коротких замыканий. Апробация методов ДОМНИ с использованием ЛЧМ зондирующих сигналов осуществлялась на ЛЭП 220 кВ

© А.Л. Куликов, А.А. Петрухин, Д.М. Кудрявцев Проблемы энергетики, 2007, № 9-10

“Луч-Этилен II” филиала ОАО “ФСК ЕЭС” - Нижегородское ПМЭС в октябре 2006 года. Указанная линия проходит по территории Дзержинского и Балахнинского районов Нижегородской области, пересекает ряд инженерных сооружений: ВЛ 500, 220, 110, 35 кВ, линии связи, асфальтированную дорогу. ЛЭП 220 кВ “Луч-Этилен II” имеет принципиальную схему в соответствии с рис.1 и выполнена на железобетонных и металлических опорах (рис.2).

Рис. 1. Принципиальная схема ЛЭП 220 кВ “Луч-Этилен II”

ВЛ 220 кВ “Луч-Этилен II” имеет следующие параметры:

1) опора ПБ220-4, У220-2, У220-2+9+5, У-220-2+9;

2) фундаменты под анкерно-угловые опоры типа ТЗ-А-250, Ф5-А-250, ФС1-А-250, ФС2-А-250;

3) провод марки АС-240/32 сечением 275,7 мм2;

4) грозозащитный трос марки С-70 сечением 72,58 мм2;

5) поддерживающие и натяжные гирлянды из изоляторов типа ПС6-Б;

6) гасители вибрации для провода типа ГВН-4-22В, для троса типа ГВН-3-12;

7) заземление опор типовое, укладка лучевых заземлений из круглой стали;

8) линейно-эксплуатационная радиосвязь.

Транспозиция проводов в виду малой протяженности ВЛ не применялась.

На рис. 2 показан вид трассы исследуемой линии, а на рис. 3 - вид опоры, которая была выбрана для проведения опытов коротких замыканий на линии. Двухцепная опора (рис. 3) исполнена по схеме горизонтального расположения фаз. Исследуемая цепь “Луч-Этилен II” расположена с левой стороны (рис. 3).

Рис. 2. Линия, выбранная для имитации коротких замыканий © Проблемы энергетики, 2007, № 9-10

Исследования по определению чувствительности к нарушению изоляции “провод-земля” проводились по разработанной авторами программе. Применялось высокочастотное излучение в ЛЭП, которая была выведена в ремонтное состояние (отключена и заземлена с обоих сторон). Имитировался 31 вид короткого замыкания: однофазное (рис. 3, а), двухфазное и трехфазное (рис. 3, б) металлические короткие замыкания; 9 видов неметаллических однофазных коротких замыканий на каждой фазе; а также проводилось измерение в отсутствии искусственного нарушения изоляции “провод-земля”.

Рис. 3. Имитация металлических коротких замыканий: а - однофазное металлическое КЗ,

б - трехфазное металлическое КЗ

Программа опытов КЗ была построена от “сильных” к более “слабым” повреждениям ЛЭП (увеличивая сопротивления замыкания). К наиболее “сильным” повреждениям ЛЭП были отнесены металлические КЗ, обладающие наименьшими сопротивлениями замыканиями на землю. Для имитации металлических КЗ (рис.3) применялись переносные заземления. В контуре заземления проводника фазы участвовало тело опоры, которое обладает небольшими индуктивно-активными сопротивлениями (менее 10 Ом), и сопротивление заземления опоры (менее 10 Ом). Каждый вид КЗ фиксировался лабораторным комплексом автоматического локационного искателя мест повреждений (АЛИМП) (рис.4) с подстанции “Луч”. При этом через высокочастотное присоединение одной фазы ВЛ 220 кВ “Луч-Этилен II” осуществлялось зондирование и прием отраженного сигнала. Определение расстояния до места нарушения изоляции ЛЭП “провод-земля” проводилось для всех трех фаз.

К “слабым” нарушениям воздушной изоляции ЛЭП были отнесены неметаллические КЗ, у которых сопротивления замыкания может достигать до нескольких Мом. В процессе исследований чувствительности к нарушениям изоляции ЛЭП “провод-земля” были проведены дистанционные измерения лабораторным комплексом АЛИМП неметаллических КЗ. Имитация

неметаллических КЗ производились с помощью заземления фазного провода через переключаемый блок сопротивлений. Набор сопротивлений включал в себя 4 активных и 5 емкостных сопротивлений, с помощью которых имитировались различные виды нарушений изоляции. Монтаж переключаемого блока сопротивлений был выполнен на траверсе опоры. Блок сопротивлений размещался в металлическом корпусе, присоединенном вместе с одним из выводов к зачищенной от ржавчины траверсе заземленной опоры, а другим выводом присоединен с помощью переносного заземления к фазному проводу. Таким образом, между фазным проводником и контуром заземления обеспечивалось дополнительное сопротивление. К имитируемым нарушениям воздушной изоляции были отнесены сокращенные, по сравнению с требованиями [6, 7], габаритные расстояния от объектов с нулевым потенциалом до фазного провода. Примером такого нарушения может быть создание угрозы перекрытия на древесно-кустарниковую растительность, [6, 7] (рис. 5), низовые пожары, удары молнии и т.д.

Рис. 4. Исследовательский комплекс методов ДОМНИ ЛЭП

При зондировании ЛЭП применялся импульс амплитудой до 140 В и длительностью 16 мкс (рис. 6). Зондирующий импульс был сформирован с помощью линейно частотной модуляции в полосе 400-2400 КГц и огибающей функции вида

Оее(и,V) := [и • 4 (1 - и)]'’.

В качестве аргумента и принимались значения функции

и = ( г +1)/( N +1),

где г - дискретные отсчёты времени; №=80 - количество временных отсчётов в сигнале, V =2.

Обработка и анализ отражённых сигналов от естественных и искусственных неоднородностей ЛЭП проводились на основе дальностных портретов ЛЭП - эхограмм.

© Проблемы энергетики, 2007, № 9-10

Рис. 5. Схема исследований чувствительности неоднородностей линии и разрешающей способности лабораторного комплекса АЛИМП

Рис. 6. Временная зависимость напряжения для зондирующего импульса

Последние получались путем когерентного накопления результатов 24 зондирований, что позволило повысить отношение сигнал/шум до 20 дБ. В результате свертки накопленных отраженных сигналов и зондирующего для разных вариантов повреждений были получены эхограммы (портреты ЛЭП) (рис. 7).

На рис. 7 приведены эхограммы, зарегистрированные с фазы В, для однофазных коротких замыканий на фазах А,В и С (SIG_A - кз фаза А, SIG_B - кз фаза В, SIG_C - кз фаза С, SIG_CL- отсутствие кз). Анализ рис. 7 позволяет сделать вывод о возможности регистрации коротких замыканий на других фазах с помощью однофазного исполнения измерений лабораторным комплексом АЛИМП.

Кроме опытов коротких замыканий на ЛЭП в ходе экспериментов были проведены измерения при различных искусственных емкостных и резистивных неоднородностях (рис. 5, 6). Цель измерений состояла в построении зависимости отношения сигнал/шум (SNR) от параметров искусственной неоднородности (определялся порог чувствительности методов активного зондирования по выявлению нарушений изоляции ЛЭП).

Присоединение переключаемого блока сопротивлений производилось на 40-й опоре на расстоянии ~12,1 км от ПС «Луч», откуда осуществлялось © Проблемы энергетики, 2007, № 9-10

одностороннее зондирование. Регистрацию расстояний до мест КЗ характеризуют эхограммы на рис.7.

14 16

Дальность, км

Рис. 7. Примеры эхограмм, зарегистрированных с фазы В

Дополнительно эхограммы зондирований ЛЭП позволили определить расстояния до мест пересечения с другими ЛЭП.

Рис. 8. Определение расстояний до мест пересечений с другими ЛЭП

Отдельный всплеск эхограммы характеризует пересечение с двумя линиями 110 кВ (рис. 7) на расстоянии 5,4 км от подстанции “Луч” (рис.8). Амплитуда этого всплеска соизмерима с амплитудой импульса КЗ на расстоянии 12,1 км и объясняется локальным изменением емкостного сопротивления (наличием скопления опор пересекающих и параллельных ЛЭП (рис.8)). При анализе эхограммы необходимо учитывать затухание по дистанции. При этом следует выделить стационарные неоднородности, вызванные конструкцией ЛЭП и неоднородности, порожденные ее повреждением.

На эхограмме рис. 7 показан импульс на расстоянии 7,9 км, который характеризуется повышенной емкостью за счет приближения опоры исследуемой ЛЭП к металлической опоре другой линии (рис. 9).

Рис. 9. Расположение опор параллельных ЛЭП близ исследуемой линии

Идентификация нарушения изоляции основана на чувствительности к емкостному сопротивлению между фазным проводником и землей. Таким образом, чувствительность лабораторного комплекса АЛИМП позволила выявить емкостные изменения на землю, вызванные близлежащими объектами.

Зависимость отношения сигнал/шум (SNR) от величины ёмкости Сш, через которую поочередно произведено однофазное заземление каждого фазного провода, приведена на рис.Ю. Аналогичная зависимость для активного сопротивления Rm представлена на рис. ll. Регистрация зависимостей реализовывалась с фазы В.

Отношен не 60  сигнал/шум,

10...................................................................................

0 ---------------------------------------------------------------------.-------------

0 200 400 600 800 1000 1200

Сш, пФ

Рис. 10. Зависимость отношения сигнал/шум от величины емкости однофазной неоднородности

Отношение сигнал/шум, ~'

Фаза В

дБ

30

25

Фаза А

20

Фаза С

15

10

5

0J---------------------------------------------.-----,------.-----,

О 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

Rin, кОм

Рис. 11. Зависимость отношения сигнал/шум от величины активного сопротивления однофазной неоднородности

Сопоставительный анализ рис. 7, 10, 11 позволяет сделать вывод, что эхограмма характеризует высокую чувствительность локационного метода ДОМНИ даже к небольшим значениям емкости (десятки пикофарад) повреждения и слабую зависимость к его активному сопротивлению. С увеличением величины емкости шунтирования фазного провода кривые рис.10 асимптотически приближаются к величинам, соответствующим опытам металлических коротких замыканий.

Поскольку зондирующий импульс излучался и принимался только по фазе

В, величины амплитуд пиков для соседних фаз много меньше чем для фазы В. Разница SNR «В» - SNR «А» составляет 15,3дБ, а SNR «В» - SNR «С» равна 24,7дБ.

Оценка затухания в линии производилась путем линейной аппроксимации фона рассеяния (сигналов, шумов, помех в ЛЭП) в зависимости от расстояния (времени) (рис. 12).

Уровень,

дБ о

-20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Дальность, км

Рис. 12. Затухание фона рассеяния в зависимости от расстояния © Проблемы энергетики, 2007, № 9-10

Прямая линия на рис. 12 характеризует среднюю величину фона рассеяния (сигналов, шумов и помех в ЛЭП) со скоростью спада около 0,5 децибел/км (прямая линия).

По среднему затуханию можно спрогнозировать потенциальную дальность определения расстояния до места повреждения рассматриваемой линии. При выбранных энергетических параметрах зондирующего сигнала и пороге обнаружения 13дБ выше уровня дисперсии шумов, получим следующие значения: Ьа = 79,3 Км - для фазы «А»; ЬЬ = 104,8Км - для фазы «В»; Ьс = 63,6Км - для фазы «С».

Увеличение дальности диагностики ЛЭП может быть достигнуто увеличением числа накоплений (более 24), мощности зондирующего сигнала, а также зондированием по каждой фазе при одновременном приеме по всем 3-м фазам.

Групповая скорость распространения сигнала в линии участвует в расчете расстояния до повреждения, может быть откалибрована по проектной документации или реальному профилю трассы конкретной ЛЭП с учетом длин кабелей высокочастотного присоединения на концевых подстанциях.

2 SLop — 2 Lcab

VgLshot =

TpropC 0 — 2 Lcabyfs

где Vg - групповая скорость распространения зондирующего сигнала в магистральной ЛЭП, отнесенная к скорости света; Slop - сумма расстояний между опорами по проектной документации или реальному профилю трассы ЛЭП; Tprop

- время распространения зондирующего сигнала; С0 - скорость света в воздухе; Lcab - длина кабеля ВЧ-присоединения; е - диэлектрическая проницаемость кабеля.

После калибровки групповой скорости можно определить расстояние до места КЗ по формуле

Г

Lshot = Lcab + Vg

Tshort —

LcabJe

C 0

где Tshort - измеренное время распространения сигнала до места КЗ.

Разрешение (точностные характеристики измерения расстояния) на эхограмме (рис. 6) определяется эффективной длительностью свёрнутого импульса и составляет 218 метров. Точность определения места положения может быть улучшена с помощью метода наименьших квадратов (МНК). Потенциальная точность оценки по МНК составит

тр_е ет =-----,

q

где Tp_e -эффективная длительность свёрнутого импульса; q - отношение сигнал/шум в разах.

Например, для фазы «В» SNR составляет 53дБ, q = 447, тогда потенциальная точность определения расстояния составит около 0,5 м.

Следует заметить, что реальная точность будет зависеть от погрешности калибровки групповой скорости Vg. Очевидно что, групповая скорость зависит

от температуры и погодных условий. Однако экспериментальные данные о влиянии погодных условий на групповую скорость в данный момент отсутствуют.

Оценка максимальной дальности обнаружения места КЗ на ЛЭП и времени поиска КЗ производилась на экспериментах по зондированию магистральной ЛЭП 220 кВ “Сергач-Арзамас” длиной 109 км. Для зондирования использовались линейно-частотно модулированные сигналы (ЛЧМ) с эффективной полосой 0,835 МГц, эффективной длительностью 6,57 мкс.

Для когерентного накопления отраженного сигнала произведено 600 зондирований, после чего была выполнена свертка с зондирующим сигналом. Результирующая эхо-грамма показана на рис. 13, на которой по горизонтали отложена длина линии в километрах, по вертикали - уровни сигналов и шумов в ЛЭП, выраженные в децибелах. Прямая линия соответствует аппроксимации, по методу наименьших квадратов, затухания реверберации в линии. Ее наклон составляет 0,225дБ/км.

Уровень, о лБ -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Дальность, км

Рис. 13. Аппроксимационная прямая, характеризующая затухание сигнала в ЛЭП

в режиме “на просвет”

Эффективность когерентного накопления высока и демонстрируется на рис. 14, где прямая - это темп идеального накопления р реализаций шумов в ЛЭП, кривая - темп реального накопления. Кривая накопления характеризуется изменением дисперсии шума по реализациям.

сигнал/шум,

дБ '

50

40

30

0

Рис. 14. Кривые накопления шумов © Проблемы энергетики, 2007, № 9-10

Таким образом, экспериментальные исследования по дистанционному определению мест нарушений изоляции магистральных ЛЭП методами активного зондирования позволили:

- регистрировать различные виды коротких замыканий с помощью однофазного исполнения измерений;

- определять нарушения изоляции, связанные с регистрацией емкостного сопротивления между фазным проводником и землей (изменение стрел провеса, угроза от ДКР);

- определять расстояния до мест транспозиции и пересечения с другими ЛЭП и объектами, находящимися под измеряемой линией или близ нее.

Summary

Remote definition of places of damages on electric mains - the complex and actual task, which decision allows to estimate time during which the line can be in working order with the revealed damage up to a conclusion in repair, and also it is essential to reduce time of a finding of a line under repair after its emergency switching-off.

The increased currents of outflow are caused by categories in an air interval, for example, at infringement of dimensions of phase wires, at local fires under electric lines, impacts of a lightning, etc. research of sensitive methods in relation to short circuits -methods of detection of threats of the damages connected with infringements of air isolation is Actual. In work definition of sensitivity infringements of isolation of electric lines on experiences of various kinds of short circuits is spent.

Литература

1. Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. -М.: Энергоатомзидат, 1982. - 312 с.

2. А.Н. Висящев. Приборы и методы определения места повреждения на линиях электропередачи: Учеб. Пособие. - Иркутск: Изд. ИрГТУ. - 2001. - Ч.1. -188 с.

3. Куликов А.Л. Цифровое дистанционное определение мест повреждений ЛЭП. / Под ред. М.Ш. Мисриханова. - Н. Новгород: Изв. Волго-Вятской академии гос. службы, 2006. - 315 с.

4. Аржанников Е.А., Лукоянов В.Ю., Мисриханов М.Ш. Определение места короткого замыкания на высоковольтных линиях электропередачи / Под ред. В. А. Шуина. - М.: Энергоатомиздат, 2003. - 272 с.

5. Современное состояние оборудования электрических сетей МЭС Центра РАО «ЕЭС России» и основные тенденции его обновления / М.Ш. Мисриханов, В.Н. Седунов, А.В. Васильев и др. // Повышение эффективности работы энергосистем: Тр. ИГЭУ. Вып. 4 / Под ред. В.А. Шуина, М.Ш. Мисриханова. - М.: Энергоатомиздат, 2001.

6. Межотраслевые правила по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок (с изм. и доп.). - М.: Изд. НЦ ЭНАС, 2003. - 192 с.

7. Правила устройства электроустановок. Раздел 2. Передача электроэнергии. Главы 2.4, 2.5. - 7-е изд. - М.: Изд. НЦ ЭНАС, 2004. -160 с. - ил.

Поступила 29.03.2007