СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В РАЗВЕТВЛЕННОЙ ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ, СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА МЕЖДУФАЗНОГО КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В РАЗВЕТВЛЕННОЙ ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ И УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ИХ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DETECTION OF SINGLE-PHASE EARTH FAULT LOCATION IN RAMIFIED OVERHEAD POWER TRANSMISSION LINE, METHOD FOR DETECTION OF PHASE-TO-PHASE SHORT CIRCUIT IN RAMIFIED OVERHEAD POWER TRANSMISSION LINE AND DEVICE FOR CURRENT AND VOLTAGE MONITORING FOR THEIR REALISATION

Изобретение относится к техническому обслуживанию разветвленной линии электропередач (ЛЭП) устройствами контроля тока и напряжения и может быть использовано для определения места однофазного замыкания на землю в ЛЭП с изолированной нейтралью и междуфазного короткого замыкания в ЛЭП любого класса напряжений.
Известен способ определения места однофазного замыкания на землю в разветвленной воздушной ЛЭП с изолированной нейтралью, основанный на применении активной импульсной локации места повреждения с регистрацией времени прихода отраженных зондирующих импульсов от неоднородности в линии (Аналитический обзор. Методы и аппаратура определения мест повреждений в электросетях. - Казань: ИЦ "Энергопрогресс", филиал ОАО "Татэнерго", 2002. С.40). При его использовании в разветвленной электрической сети сравнивают рефлектограммы аварийной линии с рефлектограммами, полученными при исправной линии электропередач.
Недостатком способа является невозможность выделения конкретного ответвления электрической сети, в котором произошло повреждение.
Известен способ определения мест повреждения линий электропередач распределительных сетей по патенту РФ №2292559, МПК 2007 - прототип, в котором используют зондирующие импульсы с разными частотами заполнения и анализируют время прихода переднего фронта отраженных импульсов. Частоту заполнения импульса (fm) определяют амплитудно-частотными характеристиками k(f) силовых трансформаторов, включенных в каждом ответвлении распределительных сетей, исходя из условий
km(fm)=0,
ki(fm)≠0 при i=1÷n; i≠m, m=1÷n,
где n - число ответвлений, а i - номер ответвления, в котором произошло повреждение линии, определяют по наличию во всех рефлектограммах отраженного импульса с одинаковым временем запаздывания и отсутствием отраженного импульса с частотой заполнения (fi) от i-го силового трансформатора, соответствующего i-го ответвления.
Недостатком способа является необходимость проведения предварительного исследования силовых трансформаторов, установленных в конце каждого ответвления.
Общим недостатком рассмотренных локационных способов является то, что их трудно автоматизировать, все они требуют обслуживания квалифицированным персоналом.
Известен способ определения места однофазного замыкания на землю в разветвленной воздушной ЛЭП с изолированной нейтралью (Кузнецов А.П. Определение мест повреждения на воздушных линиях электропередачи. - М.: Энергоатомиздат, 1989. С.94), в котором с помощью датчиков электрического и магнитного поля фиксируют аварийный сигнал, содержащий гармонические составляющие. Из аварийного сигнала выделяют одиннадцатую гармонику, гармонические составляющие сигналов напряжения и тока усиливают и подают на фазосравнивающую схему, и в зависимости от того, находятся в противофазе или совпадают сигналы тока и напряжения, стрелка миллиамперметра, с нулем в середине шкалы отклоняется налево или направо, указывая направление к месту замыкания на землю. Гармонические составляющие аварийных сигналов напряжения и тока фиксируют бесконтактным измерением в разных точках, перемещаясь под воздушной ЛЭП вдоль ее ветвей.
Недостатком способа является необходимость перемещения аварийной бригады вдоль всех веток воздушной линии электропередачи и невозможность определения места междуфазного короткого замыкания вследствие его кратковременности.
Известен способ определения места однофазного замыкания на землю в разветвленной воздушной ЛЭП с изолированной нейтралью по патенту РФ №2248583, МПК G01R 31/08, 2005, который является усовершенствованием предыдущего способа в части сравнительного анализа амплитуд гармоник. Из аварийного сигнала, полученного бесконтактным измерением гармонических составляющих сигналов напряжения и тока мобильным методом в разных точках, перемещаясь под воздушной ЛЭП вдоль ее ветвей, после разложения сигналов в ряд Фурье, выделяют гармонику, у которой суммарная амплитуда электрического и магнитного полей наибольшая относительно нормального режима. Поврежденную ветку определяют по максимальной величине суммарной амплитуды электрического и магнитного полей выделенной гармоники. Место повреждения определяют по смене знака разности фаз электрического и магнитного полей выделенной гармоники.
Недостатком способа является необходимость перемещения аварийной бригады вдоль всех веток воздушной линии электропередач и невозможность определения места междуфазного короткого замыкания вследствие его кратковременности.
С помощью прибора "Квант" (Техническое описание. - М.: Научно-производственная фирма "Радиус", 2004) осуществляется более простой алгоритм способа определения места однофазного замыкания на землю в разветвленной воздушной ЛЭП с изолированной нейтралью, выбранного за прототип. Последовательно путем обхода ЛЭП переносным прибором "Квант" во всех точках обхода регистрируют лишь суммарную амплитуду высших гармоник тока вблизи частоты 550 Гц. Используют свойство высших гармоник тока, генерируемых в месте однофазного замыкания на землю, замыкаться на землю через емкость сборных шин подстанции. Таким образом, при последовательном обходе ЛЭП от ее начала до конца поврежденного ответвления место однофазного замыкания на землю определяется как точка, в которой замеренная сумма амплитуд высших гармоник значительно меньше, чем в предыдущих точках.
Недостатком способа является необходимость перемещения аварийной бригады вдоль воздушной линии электропередач и невозможность определения места междуфазного короткого замыкания вследствие его кратковременности.
Известно устройство для дистанционного контроля состояния провода воздушной линии электропередачи (патент РФ №2222858, МПК H02J 13/00, 2004), которое содержит корпус и размещенные в корпусе блок питания и измерительно-передающий модуль. Варианты изобретения предусматривают введение в измерительно-передающий модуль средства сопряжения с каналом сотовой телефонии общего пользования и/или приемника сигналов глобальной системы позиционирования с определителем его положения в трехмерной системе координат.
Недостатками прототипа являются необходимость использовать платные каналы сотовой телефонии общего пользования, а также использование периодически заменяемых источников электроэнергии в блоке питания.
Выбранное в качестве прототипа устройство для контроля электроэнергетических систем (патент РФ №2143165, МПК H02J 13/00, G01R 15/06, 1999) содержит подключенный к высоковольтной сети высоковольтный измерительный модуль, включающий в себя магнитно-связанный с высоковольтной сетью пассивный преобразователь сетевого тока с резисторной нагрузкой и/или электрически связанный с высоковольтной сетью пассивный преобразователь сетевого напряжения. Высоковольтный измерительный модуль дополнительно содержит блок вторичного электропитания на основе периодически заменяемого аккумулятора, включающего в себя выпрямительный мост, стабилитрон и диод, к которому подключены магнитно-связанный с высоковольтной сетью низковольтный питающий трансформатор тока и/или электрически связанный с высоковольтной сетью и включенный в цепь пассивного преобразователя сетевого напряжения низковольтный питающий трансформатор напряжения, активный преобразователь сигналов измерительной информации на основе микроконтроллера, соединенный с пассивным преобразователем сетевого тока и/или пассивным преобразователем сетевого напряжения и блоком вторичного электропитания и имеющий радиочастотный и/или оптический выходы для преобразованных сигналов измерительной информации.
Недостатками устройства являются использование низковольтного питающего трансформатора напряжения с заземленным выводом, что увеличивает стоимость устройства и понижает надежность его функционирования, необходимость создания и эксплуатации системы высокочастотной связи для передачи на пункт сбора измерительной информации, а также использование периодически заменяемых аккумуляторов в блоке питания.
Задачей изобретения является повышение скорости и удобства определения места повреждения в разветвленной воздушной ЛЭП.
Технический результат достигается тем, что в способе определения места однофазного замыкания на землю в разветвленной воздушной ЛЭП с изолированной нейтралью, по которому фиксируют время прихода переднего фронта импульса, в начале ЛЭП и в конце каждого ответвления устанавливают на проводах высоковольтной ЛЭП устройства контроля тока и напряжения, число которых на единицу больше числа контролируемых веток, в качестве переднего фронта импульса используют скачок фазного напряжения, возникающий в месте повреждения при однофазном замыкании на землю, одновременно всеми устройствами регистрируют время прохождения скачка напряжения в единой шкале времени, синхронизированной от спутниковых сигналов глобальной системы позиционирования, передают их в диспетчерский центр для автоматической обработки, где для зафиксированных времен от каждой пары устройств контроля тока и напряжения разностно-дальномерным способом определяют поврежденную ветку, а для зафиксированных времен от пары устройств контроля тока и напряжения, одно из которых находится на поврежденной ветке, разностно-дальномерным способом определяет место повреждения на этой ветке.
Технический результат достигается тем, что в способе определения места междуфазного короткого замыкания в разветвленной воздушной ЛЭП, по которому фиксируют аварийный сигнал в разных точках ЛЭП, место повреждения определяют путем совместной обработки полученных измерений, как наиболее удаленную от начала ЛЭП точку контура протекания аварийного тока, в разных точках ЛЭП устанавливают на проводах высоковольтной ЛЭП устройства контроля тока и напряжения, а в качестве аварийного сигнала используют амплитуду основной гармоники тока, превысившую установленный порог, и передают номера сработавших устройств в диспетчерский центр для их автоматической обработки.
Технический результат достигается тем, что в устройстве контроля тока и напряжения, который содержит подключенный к высоковольтной сети измерительный модуль, включающий в себя магнитно-связанный с высоковольтной сетью измерительный трансформатор тока с резисторной нагрузкой, и блок вторичного электропитания на основе выпрямительного моста, стабилитрона и диода. К блоку вторичного электропитания подключены магнитно-связанный с высоковольтной сетью низковольтный питающий трансформатор тока, активный преобразователь сигналов измерительной информации на основе микроконтроллера соединен с измерительным трансформатором тока и блоком вторичного электропитания, блок питания дополнительно снабжен ионистором и импульсным стабилизатором, а в устройство дополнительно введены датчик электрического поля, приемник спутниковых сигналов глобальной системы позиционирования и радиомодем нелицензируемого диапазона частот с режимом ретрансляции, при этом выход питающего трансформатора тока соединен с входом выпрямительного моста, выход которого соединен с катодом стабилитрона и анодом диода, катод которого соединен с положительным выводом ионистора и входом импульсного стабилизатора напряжения, выход импульсного стабилизатора напряжения соединен с входами электропитания микроконтроллера, радио-модема и приемника спутниковых сигналов глобальной системы позиционирования, выход резисторной нагрузки измерительного трансформатора тока соединен с входом аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера, датчик электрического поля соединен с аналоговым входом микроконтроллера, микроконтроллер, радио-модем и приемник спутниковых сигналов глобальной системы позиционирования связаны каналом последовательной асинхронной передачи данных, выход сигналов синхронизации приемника спутниковых сигналов соединен с входом микроконтроллера.
Кроме того, блок питания заявляемого устройства может быть снабжен средством подзарядки от дополнительно введенной солнечной батареи. Это позволяет дополнительно повысить надежность автономной работы устройства.
На чертеже представлена блок-схема устройства контроля тока и напряжения.
Заявляемое устройство состоит из питающего трансформатора тока 1, первичной обмоткой которого является прямолинейный фазный провод высоковольтной линии электропередач, который вторичной обмоткой соединен с диодным выпрямительным мостом 2, стабилитроном 3, диодом 4 и ионистором 5. Ионистор подключен к входу импульсного стабилизатора 6, выход которого соединен с микроконтроллером 7 и радиомодемом 8. Измерительный трансформатор тока 9 через нагрузочное сопротивление 10 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера 7. Датчик электрического поля 11 соединен с аналоговым входом микроконтроллера. Микроконтроллер 7, радиомодем 8 и выход сигналов синхронизации приемника 12 спутниковых сигналов глобальной системы позиционирования связаны каналом последовательной асинхронной передачи данных.
Использование ионисторов определено тем, что они по удельной мощности занимают промежуточное положение между химическими источниками тока и электролитическими конденсаторами, но в отличие от химических источников тока имеют более широкий температурный диапазон эксплуатации (сохраняют работоспособность при отрицательных температурах) и большее количество циклов в режиме зарядка - разрядка.
Заявляемые способы осуществляются следующим образом.
Установленные в выбранных точках ЛЭП на одноименных фазных проводах или всех фазных проводах устройства контроля тока и напряжения одновременно по факту возникновения или скачка напряжения, или превышения амплитуды основной гармоники фазного тока установленного порога регистрируют или время возникновения скачка напряжения в единой шкале времени, или амплитуду основной гармоники тока. Параметры зарегистрированных сигналов с использованием режима ретрансляции радиомодемов передаются в диспетчерский центр, где автоматически обрабатываются. Место повреждения определяется или по разностно-дальномерному способу или по амплитуде основной гармоники тока.
Способ определения места однофазного замыкания на землю в разветвленной воздушной ЛЭП с изолированной нейтралью осуществляется пассивной многосторонней (в начале ЛЭП и в конце каждого ответвления) локацией аварийного сигнала с применением устройств контроля тока и напряжения, дополненных приемником спутниковых сигналов глобальной системы позиционирования. Устройства устанавливают в начале воздушной линии электропередач и в конце каждого ответвления. Измеряют времена прохождения фронта скачка напряжения, генерируемого при однофазном замыкании на землю, через расположение каждого устройства в единой шкале времени, которые передают на диспетчерский пункт, где их совместно обрабатывают по разностно-дальномерному способу. Для любой пары устройств, местоположение которых известно заранее, имеем зарегистрированные времена прохождения фронта скачка напряжения Ti и Tj, на основе которых составляем уравнения Ti=x/c и Tj=(Li+Lj+Pij-x)/c, где с - скорость распространения скачка напряжения по линии электропередач (близка к скорости света), х - расстояние от места повреждения до i-го устройства, Lj - длина j-й ветки, Pij - расстояние между началом i-й и j-й веток по магистральной линии, совместное решение уравнений определяет расстояние до места повреждения или до начала ответвления, где произошло повреждение, как x=(Li+Lj+Pij-c*(Ti-Tj))/2, а перебор всех возможных пар устройств позволяет уменьшить погрешность определения места повреждения.
Способ определения места междуфазного короткого замыкания в разветвленной воздушной ЛЭП осуществляется автоматическим определением контура протекания аварийного тока с использованием устройств контроля тока и напряжения в высоковольтном проводе ЛЭП. Устройства контроля тока и напряжения, установленные на фазных проводах в местах разветвления или более часто, работают автоматически по измерению параметров аварийного тока. Сигналом пуска для начала измерений каждого устройства контроля тока и напряжения является фиксация аварийного сигнала, которым для междуфазного короткого замыкания является превышение фазного тока заданного порога. Номер устройства передается в диспетчерский пункт. Собранная в диспетчерском пункте информация от всех датчиков совместно обрабатывается и определяется поврежденная ветка как ветка, на которой зафиксирован фазный ток с амплитудой, превысившей установленный порог, место повреждения ЛЭП определяется как область между соседними датчиками на ветке, которые зафиксировали и не зафиксировали превышение амплитуды фазного тока установленного порога.
Устройство работает следующим образом. При протекании по фазному проводу тока питающий трансформатор тока 1 преобразует его по величине, выпрямительный мост 2 преобразует ток в постоянный и заряжает этим током ионистор 5, энергия которого может расходоваться для кратковременной работы микроконтроллера 7, радиомодема 8 и приемника 12 спутниковых сигналов глобальной системы позиционирования как в нормальном, так и в аварийном режимах. Стабилитрон 3 защищает ионистор от превышения на нем напряжения выше номинального значения, а диод 4 защищает ионистор 5 от разряда через входные цепи. Импульсный стабилизатор 6 преобразует изменяющееся постоянное напряжение на ионисторе в стабилизированное напряжение, необходимое для работы микроконтроллера 7, радиомодема 8 и приемника 12 спутниковых сигналов глобальной системы позиционирования. Измерительный трансформатор тока 9 с помощью нагрузочного сопротивления 10 создает напряжение, пропорциональное величине тока, которое дискретизируется по времени и оцифровывается с помощью таймера и аналого-цифрового преобразователя, входящими в состав микроконтроллера 7. Датчик электрического поля 11, соединенный со входом аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера 7, измеряет напряжение на фазном проводе. Замеренные параметры тока и напряжения по заданному алгоритму пересылаются в радиомодем 8 для передачи на центральный пункт с использованием ретрансляции через радиомодемы соседних устройств контроля тока и напряжения. Приемник 12 спутниковых сигналов глобальной системы позиционирования принимает сигналы точного времени, по которым микроконтроллер определяет время прохождения скачка напряжения при однофазном замыкании на землю.
Одновременная фиксация аварийного сигнала до отключения источника питания ЛЭП устройствами контроля тока и напряжения в проводе воздушной ЛЭП и совместная обработка результатов измерений предлагаемыми способами позволяет быстро и достаточно просто определить место повреждения.
Использование в устройстве контроля тока новых элементов позволяет повысить надежность функционирования устройства, уменьшить его стоимость за счет исключения трансформатора напряжения и замены его датчиком электрического поля, уменьшить стоимость его обслуживания за счет применения ионистора, радиомодема нелицензируемого диапазона частот с режимом ретрансляции и исключения использования платных каналов радиосвязи и сотовой телефонии, и применить предлагаемые способы определения места повреждения. Заявляемое устройство контроля тока и напряжения позволяет автоматизировать способ определения места однофазного замыкания на землю в разветвленной ЛЭП с изолированной нейтралью, основанный на регистрации высших гармоник тока.