Способ определения места повреждения кабельной электрической линии
METHOD FOR DETERMINING THE LOCATION OF DAMAGE TO A CABLE ELECTRIC LINE

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для определения места повреждения кабельной линии (далее - линии).
Известен способ определения расстояния до места повреждения на линии электропередачи [RU 2475768 C1, МПК G01R 31/08, опубл. 20.02.2013], согласно которому на каждом из концов линии измеряют токи и напряжения, выделяют из измеренных токов и напряжений аварийный сигнал, вычисляют коэффициент эксцесса выделенного аварийного сигнала внутри скользящего временного окна, сравнивают вычисленный коэффициент эксцесса с величиной порога, фиксируют момент превышения порога с помощью спутниковой навигационной системы и вычисляют расстояние до места повреждения по разности моментов превышения порога, зафиксированных на концах линии.
Недостатком данного способа является недостаточная точность определения места повреждения линии электропередачи по причине возможности искажений формы исходного сигнала в зависимости от параметров самой линии и измерительных приборов. При этом может появляться различная временная задержка между возникновением фронта волны переходного процесса и моментом его обнаружения, что также негативно влияет на точность определения места повреждения.
пр
погон
пр
ост
ост
погон
Также известен способ определения расстояния до места обрыва проводов линии электросвязи [RU 2315330 C1, МПК G01R 31/08, опубл. 20.01.2008], в котором рассчитывают величину электрической емкости проводов кабеля с исходящим концом, расположенном на одном объекте, и входящим концом, расположенным на другом объекте, по меньшей мере на одной паре проводов кабеля длинной L, выбранной в качестве контрольной. Входящий конец замыкают на резистор, при этом предварительно осуществляют градуировку контрольной пары проводов путем их разрыва при отключении резистора, замера величины электрической емкости разорванного провода контрольной пары С и вычисления величины погонной электрической емкости С=С/L, затем осуществляют постоянный контроль величины электрического тока в контрольной паре, а в случае уменьшения тока ниже заданной величины производят замеры начального и конечного напряжений на контрольной паре проводов, время заряда электрической емкости уцелевшего участка контрольной пары проводов от исходящего конца кабеля С, а расстояние до места обрыва кабеля определяют делением С на С.
Недостатком данного способа является сложность устройства прибора для измерения времени заряда электрической емкости, входящего в состав изобретения. Кроме того, при малой протяженности линий, измерение их электрической емкости не обеспечивает требуемую точность, что приводит к появлению существенной погрешности в определении места повреждения.
Наиболее близким (прототип) к заявляемому техническому решению является способ определения места повреждения кабельных и воздушных линий электропередачи, при осуществлении которого достигается технический результат, заключающийся в повышении точности определения места повреждения линий электропередач за счет комбинированного применения волнового анализа процессов, протекающих в электросетях, и волнового метода двухсторонних измерений [RU 2733825 C1, МПК G01R 31/08, опубл. 07.10.2020]. Суть изобретения состоит в том, что измеряют мгновенные значения тока и напряжения на частоте 50 Гц и частоте 10 кГц тока и напряжения датчиками, расположенными на концах линии электропередачи. Сравнивают мгновенные значения тока и напряжения в высокочастотном диапазоне для определения по взаимной фазе этих параметров направления на однофазное замыкание на землю. Сравнивают мгновенные значения тока и напряжения в низкочастотном диапазоне для определения факта однофазного или междуфазного замыкания на линии электропередач. При возникновении волновых процессов в контролируемой линии производится осциллографирование контролируемых на обоих концах линии значений напряжения путем аналого-цифрового преобразования с частотой дискретизации 1 МГц с точной привязкой к единому астрономическому времени посредством использования глобальной системы спутникового позиционирования и с последующим вычислением расстояния до места повреждения электропередачи по разности времени прихода фронта волны на каждый из концов линии электропередачи.
Недостатком данного способа является то, что он имеет ограниченную применимость, так как может быть использован лишь для одного типа повреждения - короткого замыкания линии и не охватывает другой - ее обрыв.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение диапазона применимости способа с возможностью определения координаты для обоих типов повреждения линии.
При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, основанного на использовании предварительно настроенных теоретических амплитудно-координатных (АКХ) характеристик входного тока линии, для каждого типа повреждения, с помощью которых по результатам измерений действующего значения входного тока линии с тем или иным видом повреждения, подключенной к синусоидальному регулируемому генератору с заданными значениями напряжения и частоты, определяют координату места ее повреждения.
При этом частота регулируемого генератора задается равной расчетной частоте, а ее величину выбирают из условия, при котором физическая длина неповрежденной линии электропередачи не должна быть больше четверти длины электромагнитной волны тока и напряжения в ней, а амплитудное значение расчетного напряжения и равное ему напряжение генератора выбирают из диапазона, соответствующего его паспортным данным.
Указанный технический результат достигается следующим образом. На первом этапе, например, по информации диспетчерской службы района электрических сетей, в зону которого входит аварийный участок, устанавливают конкретный вид повреждения линии - короткое замыкание или обрыв. Далее для зафиксированного вида повреждения, на основании теоретического расчета, строят амплитудно-координатную (АКХ) характеристику, представляющую собой зависимость амплитуды входного тока линии от ее переменной длины, задаваемой координатой места повреждения. Начальной точкой обеих (АКХ) характеристик являются значения входного тока неповрежденной линии известной длины с заданными первичными параметрами сопротивления, индуктивности, емкости и проводимости, отнесенными к единице длины линии, подключенной к синусоидальному источнику с фиксированными значениями частоты и напряжения. Далее определяют верхнюю границу частотного диапазона источника напряжения исходя из условия, при котором физическая длина неповрежденной линии не будет превышать четверти длины электромагнитной волны, которая в ней распространяется. Это условие делает (АКХ) характеристику однозначной, т.е. одному значению входного тока линии будет соответствовать одно значение координаты места ее повреждения.
На втором этапе линию с тем или иным видом повреждения подключают к синусоидальному регулируемому генератору и с его помощью задают те же параметры частоты и напряжения, которые использовались при расчете (АКХ) характеристик. Величина расчетного и экспериментального напряжений генератора выбирались из диапазона, соответствующего его паспортным данным.
Измеряют действующее значение входного тока линии с помощью высокочастотного амперметра и умножая это значение на , получают амплитуду тока на входе линии с повреждением, а по (АКХ) характеристике определяют координату места этого повреждения.
Возможный пример использования способа определения места повреждения кабельной электрической линии.
Дана кабельная линия длиной 10 км со среднестатистическими погонными параметрами:  Ом/км; Гн/км; Ф/км;  См/км.
Схема линии изображена на фиг. 1 и фиг. 2, где показаны режимы холостого хода и короткого замыкания линии соответственно. Обозначены:  - общая длина неповрежденной линии;  и  - длины участков линий после соответствующих видов повреждений; Х - координата повреждения;  - комплекс входного напряжения, питающего линию;  и  - комплексы входных токов холостого хода и короткого замыкания неповрежденной линии соответственно.
Параметры комплексных входных сопротивлений определяют по формулам [Основы теории цепей / Г. В. Зевеке, П. А. Ионкин, А. В. Нетушил, С. В. Страхов. - Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. М.: Энергия, 1975. - 752 с.: ил. [стр. 526, формулы (18.32) и (18.33)]:
, (1)
, (2)
где  - волновое сопротивление линии;
- угловая частота источника синусоидального напряжения на входе линии;
- его частота в [Гц];
и  - гиперболические функции: котангенс и тангенс;
;
- постоянная распространения линии.
Верхнюю границу частоты  определяют из условия, при котором длина электромагнитной волны в линии  будет в 4 раза больше физической длины линии , т.е. составит  км.
Используя формулу (3) [Основы теории цепей / Г. В. Зевеке, П. А. Ионкин, А. В. Нетушил, С. В. Страхов. - Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. М.: Энергия, 1975. - 752 с.: ил. [стр. 517, формула (18-16)], находят искомую .
, (3)
где  - фазовая скорость волны в линии.
Принимая значение  км/с для кабельных линий [Основы теории цепей / Г. В. Зевеке, П. А. Ионкин, А. В. Нетушил, С. В. Страхов. - Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. М.: Энергия, 1975. - 752 с.: ил. [стр. 525, рисунок (18-5)], определяют верхнее значение  = 4250 Гц.
Комплексы входных токов линии  и  определяют по формулам:
, (4)
, (5)
где ;
- амплитуда входного напряжения;
- начальная фаза напряжения.
Задаваясь значениями В, ,  Гц и заменяя константу  переменной , объединяют формулы (1), (2), (4) и (5):
, (6)
ХХ
где  - амплитудно-координатная характеристика (АКХ);
ХХ
- фазо-координатная характеристика (ФКХ).
, (7)
КЗ
где  - амплитудно-координатная характеристика (АКХ);
КЗ
- фазо-координатная характеристика (ФКХ).
ХХ
КЗ
Используя программный комплекс Wolfram Mathematica, строят (АКХ) и (АКХ) характеристики, которые даны на фиг. 3 и фиг. 4 - соответственно.
В ходе эксперимента линию с тем или иным видом повреждения подключают к синусоидальному регулируемому генератору и задают амплитуду напряжения  = 10 В и частоту  Гц.
Далее с помощью высокочастотного амперметра измеряют действующее значение тока на входе линии  и после умножения его на  получают амплитудное значение . По данному , используя соответствующий виду повреждения график фиг. 3 или фиг. 4 определяют координату места повреждения Х.
Пусть, к примеру, от диспетчерской службы поступила информация об обрыве линии, в результате замера получено значение тока  = 70 мА. Тогда, используя график на фиг. 3, получим координату повреждения линии Х = 6805 м.
Аналогичным образом можно поступить и в случае короткого замыкания на линии при помощи графика фиг. 4. Например, в результате замера получено значение тока  = 200 мА. Тогда, используя график на фиг. 4, получим координату повреждения линии Х = 1935 м.