Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих методов и технических средств контроля изоляции линий электропередач 11
1.1. Анализ снижений изоляции линий электропередач 11
1.1.1. Виды и причины снижения воздушной изоляции линий электропередачи 13
1.1.2. Виды и причины снижения линейной изоляции линий электропередачи 15
1.1.3. Анализ причин снижения изоляции линий электропередач 19
1.2. Методы и технические средства дистанционного контроля воздушной изоляции линий электропередач 21
1.2.1. Анализ и классификация 21
1.2.2. Топографические методы 22
1.2.3. Высокочастотные методы 26
1.2.4. Низкочастотные методы 28
1.3. Особенности контроля изоляции посредством распространения высокочастотных сигналов по линиям электропередач 34
1.3.1. Анализ влияния параметров линий электропередачи на высокочастотное зондирование и определение диагностического парметра ..36
1.3.2. Анализ коронных и частичных разрядов - характеристик снижения изоляции 43
1.4. Выводы 47
Глава 2. Разработка новых методов и технических средств дистанционного контоля изоляции высоковольтных линий электропередач 49
2.1. Разработка высокочастотных методов контроля изоляции линий элек тропередач 49
2.1.1. Фазовые методы 49
2.1.2. Активные методы с применением сложных модулированных сигналов 58
2.2. Определение снижения изоляции линий электропередач от древесно-кустарниковой растительности 68
2.2.1. Анализ снижения изоляции от древесно-кустарниковой растительности 68
2.2.2. Особенности произрастания и классификация древесно-кустарниковой растительности 76
2.2.3. Методы контроля снижения изоляции 79
2.3. Разработка исследовательского комплекса для дистанционного контроля изоляции линий электропередачи 89
2.3.1. Особенности методов дистанционного контроля изоляции линий электропередач 89
2.3.2. Состав и принцип работы 90
2.3.3. Программное обеспечение 96
2.4. Выводы 98
Глава 3. Экспериментальные исследования дистанционного контроля изоляции линий электропередачи 100
3.1. Экспериментальные исследования распространения высокочастотных сигналов в линиях электропередач 100
3.1.1. Характеристика исследуемой линии электропередач 100
3.1.2. Уточнение трассы исследуемой линии электропередач 101
3.1.3. Исследование особенностей распространения ВЧ сигналов по линии электропередач
3.2. Экспериментальные исследования дистанционного контроля воздушной изоляции линий электропередач 114
3.2,1. Методика 114
3.2.2. Формирование эхограмм линии электропередачи 118
3.2.3. Анализ чувствительности к снижениям изоляции 119
3.3. Экспериментальные исследования дистанционного контроля линейной изоляции линий электропередач 129
3.3.1. Методика 129
3.3.2. Характеристики частичных разрядов линейной изоляции линий электропередачи 131
3.3. Выводы 137
Заключение 138
Литература 140
Приложения 153
- Виды и причины снижения воздушной изоляции линий электропередачи
- Анализ влияния параметров линий электропередачи на высокочастотное зондирование и определение диагностического парметра
- Активные методы с применением сложных модулированных сигналов
- Уточнение трассы исследуемой линии электропередач
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Надежное электроснабжение потребителей электрической энергии зависит от работы Единой Национальной Электрической Сети (ЕНЭС), в состав которой входят самые протяженные и одни из наиболее повреждаемых элементов - линии электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения 110-750 кВ (далее линии электропередач - ЛЭП) Линии электропередачи транспортируют большие потоки мощности (электрической энергии) на десятки и согни километров, осуществляя электроснабжение удаленных от источников генерации потребителей Отключения таких ЛЭП может привести к значительным ущербам для потребителей электрической энергии, а также разделению энергосистем Актуальной является задача не только исключить аварийные режимы работы при коротких замыканиях на ЛЭП с помощью средств релейной защиты и автоматики (РЗиА), быстро и точно отыскать место повреждения с помощью средств определения мест повреждения (ОМП), но и предупреждать аварийные режимы работы с помощью дистанционных методов и средств контроля изоляции ЛЭП
До сих пор, дистанционным способом осуществляли поиск только места повреждения, как правило, короткого замыкания Также решались задачи контроля изоляции ЛЭП средствами контактного и бесконтактного исполнения Вышеприведенные средства применяли при осмотрах линий электропередачи выездными бригадами или инженерно-техническим персоналом
В работе на основе методов активной и пассивной локации предлагается обеспечить реализацию дистанционного принципа для контроля изоляции ЛЭП, что позволит в режиме реального времени получать информацию об отклонениях изоляции от нормативных уровней с рабочих мест диспетчерского и другого персонала энергосистем
Существенный вклад в развитие теории и техники контроля изоляции высоковольтных линий электропередачи, дистанционных принципов ОМП и техники высокого напряжения внесли Г Н Александров, Е А Ар-жанников, Г И Атабеков, В В Базуткин, И Г Барг, В В Бургсдорф, В Ф Быкадоров, А Н Висящев, А И Долгинов, Н П Емельянов, К П Кадом-ская, М В Костенко, Г С Кучинский, В В Ларионов, М Л Левинштейн, В И Левитов, Е М Медведев, М Ш Мисриханов, В.Ф Миткевич, Г С Ну-дельман, ГЕ Поспелов, ДВ Разевиг, А И Таджибаев, НН Тиходеев, Г М Шалыт, В А. Шуин, Н Н Щедрин, F Amarh, R S Gorur, G G Karady, M S Maims, Z M Radojevic, и др Отдельно необходимо выделить работы Н Н Тиходеева, с чьим именем связано обобщение отечественного и зарубежного опыта и развитие работ по исследованию изоляции воздушных линий электропередачи
Таким образом, актуальность предлагаемых в диссертации методов и средств дистанционного контроля изоляции высоковольтных линий электропередачи обосновывается
сокращением числа аварийных отключений, а следовательно снижения количества и длительности перебоев электроснабжения,
организацией системы мониторинга за техническим состоянием, а следовательно рациональная организация ремонтной кампании и др
Цель работы. Анализ существующих, разработка и экспериментальные исследования новых методов и технических средств контроля изоляции высоковольтных линий электропередачи 110-750 кВ на основе локационных подходов дистанционным способом с подстанций электрических сетей
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи
анализ и разработка классификации методов и средств контроля изоляции воздушных линий электропередачи, обоснование применения дистанционного подхода к определению снижения изоляции,
разработка новых методов и средств контроля изоляции высоковольтных линий электропередачи на основе пассивной и активной локации с применением быстродействующих микропроцессорных устройств,
проведение экспериментальных исследований по дистанционному контролю изоляции, выявление диагностических параметров и оценка чувствительности к уровням изоляции высоковольтных линий электропередачи
Объект и предмет исследования Объектом исследования являются методы и технические средства дистанционного контроля изоляции высоковольтных линий электропередачи Предметом исследования являются диагностические параметры и оценка чувствительности методов и средств контроля к изменениям изоляции высоковольтных линий электропередачи относительно нормативных уровней
Методика исследования. Разработанные в диссертационной работе научные положения используют нетрадиционные принципы анализа уровней изоляции линий электропередачи Решение поставленных в работе задач базируется на достижениях фундаментальных наук, таких, как теоретические основы электротехники, техника высоких напряжений, радиотехника, прикладной математический анализ и математическая статистика
Достоверность и обоснованность результатов работы. Разработанные в диссертационной работе теоретические положения реализованы в новых технических решениях и апробированы экспериментально на высоковольтных линиях электропередачи Результаты экспериментов не противоречат и дополняют результаты, полученные в исследуемой области другими авторами
Научная новизна и значимость полученных результатов:
Сформулированы основные требования к разрабатываемым методам и техническим средствам контроля изоляции на основе анализа недостатков существующих методов и характеристик ЛЭП
Разработаны методы и средства контроля изоляции высоковольтных линий электропередачи 110-750 кВ, обеспечивающие возможность дистанционной регистрации мест ее изменений с подстанций
Впервые получены точностные характеристики определения мест снижения изоляции высоковольтных линий электропередачи 110-750 кВ с подстанций дистанционным способом на основе локационных подходов
На основе экспериментальных исследований получены диагностические параметры определения мест снижения изоляции высоковольтных линий электропередачи 110-750 кВ, обладающие более высокой чувствительностью к ее изменениям
Впервые установлены предаварийные уровни изоляции высоковольтных линий электропередачи 110-750 кВ, определяемые с подстанций дистанционным способом
Практическая ценность работы
Результаты натурных испытаний подтвердили теоретические изыскания, доказали возможность регистрации ранней стадии развития повреждения за счет определения мест снижения уровней изоляции на основе локационных подходов дистанционным способом с подстанций.
Разработаны и реализованы программы экспериментальных исследований по дистанционному контролю изоляции на действующих высоковольтных линиях электропередачи
Разработаны и апробированы технические средства, которые могут стать прототипами для создания промышленных образцов приборов дистанционного контроля изоляции высоковольтных линий электропередачи 110-750 кВ на основе локационных подходов
Реализация результатов работы. Экспериментальные результаты по дистанционному контролю изоляции высоковольтных линий электропередачи получены в период 2004-2007 гг в ходе натурных экспериментов на объектах филиала ОАО «ФСК ЕЭС» - Нижегородское предприятие магистральных электрических сетей
Выводы и результаты экспериментальных исследований разработанных методов и технических средств дистанционного контроля изоляции используются для рациональной эксплуатации и ремонта ЛЭП, а также для создания промышленных приборов для установки на подстанциях магистральных электрических сетей
Основные положения, выносимые на защиту:
1 Фазовый метод, методы с применением частотно-
манипулированных и линейно-частотно-модулированных сигналов и средст
ва контроля изоляции высоковольтных линий электропередачи 110-750 кВ
Применение эхограммы, полученной на основе разработанных методов, в качестве портрета, отображающего точность определения места снижения изоляции и чувствительность к снижению уровня изоляции высоковольтной линии электропередачи 110-750 кВ
Применение коэффициента отражения и отношения сигнал/шум в качестве диагностических параметров для определения уровня изоляции высоковольтных линий электропередачи 110-750 кВ
4 Стандартизация уровня помех, допустимого уровня изоляции,
предаварийного уровня снижения изоляции, аварийного уровня снижения
изоляции высоковольтных линий электропередач
Личный вклад соискателя. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит постановка задачи, анализ существующих методов и средств контроля изоляции линий электропередачи, разработка новых методов и технических средств, реализация программ экспериментальных исследований, анализ результатов
Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 4 международных и 2 всероссийских научно-технических конференциях, в том числе на Молодежной научно-технической конференции Нижегородского Государственного Технического Университета (Нижний Новгород, 2004 г), научно-технической конференции «Актуальные проблемы электроэнергетики» (Нижний Новгород, 2004 г), Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (Бенардосовские чтения, г Иваново, 2005 г ), Международной научно-технической конференции ПЭИПК (Минск, 2004 г ), 77-ом заседании Международного научного семинара им Ю Н Руденко «Методические вопросы исследования надежности больших систем электроэнергетики» (г Вологда, 2007г), II Международном радиоэлектронном форуме «Прикладная радиоэлектроника Состояние и перспективы» (г Харьков, 2006 г)
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 9 печатных работ, получен 1 патент на полезную модель
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, библиографического списка и трех приложений Общий объем работы составляет 214 страниц, в том числе основного текста 152 страниц, включая 64 рисунка, 19 таблиц и 13 страниц библиографического списка (148 наименований)
Виды и причины снижения воздушной изоляции линий электропередачи
В электрических сетях возникают как устойчивые, так и неустойчивые повреждения [12,75]. Неустойчивые повреждения, называемые также преходящими, могут самоустраняться или переходить в определённых условиях в устойчивые. . На ЛЭП к неустойчивым повреждениям могут приводить набросы различных предметов на провода, грозовые перекрытия гирлянд подвесных изоляторов, сближение фазных проводов при ветре или "пляске проводов" и т.д. Количество неустойчивых повреждений значительно превосходит количество устойчивых. По статистике устойчивые повреждения составляют 20-30%. В сети 500кВ количество устойчивых повреждений линии ещё меньше (около 20%). Распределение КЗ по видам зависит от вида изоляции и конструкции элементов сети. Однофазные КЗ составляют примерно 65%, двухфазные на землю - 20%, двухфазные без земли - 10%, трёхфазные - 5%.
Трёхфазные КЗ в природе встречаются крайне редко. Как правило, трёхфазные КЗ возникают из-за ошибок оперативного персонала: отключение разъединителя под нагрузкой, подача напряжения на заземлённое оборудование. По статистике более 85% повреждений связано с замыкание на землю. Двухфазные повреждения возникают, как правило, на транспозиционных опорах. Согласно таблице 1.1., характерными повреждениями ВЛ являются: пережоги, повреждения и обрывы проводов и тросов, механические повреждения опор, повреждения изоляторов и др. По данным поиска мест повреждения В Л 110-500 кВ при помощи фильтров присоединения в энергосистемах были определены основные причины этих повреждений, связанных с устойчивыми и неустойчивыми короткими замыканиями.
Большинство коротких замыканий (КЗ) (44,2%) связано с перекрытием и разрушением изоляторов, где главной причиной являются атмосферные перенапряжения. Перекрытия изоляторов вызываются загрязнением изоляции уносами промышленных предприятий, солончаковой пылью, химическими веществами при обработке посевов самолётами сельскохозяйственной авиации и др. Значительная часть КЗ ВЛ обусловлена включением короткозамыкате-лей на ответвительной подстанции (11,3%). Перекрытия с провода на тело опоры (2,6%) связаны со сближением провода при натяжении из-за понижения температуры, а также с наличием сильного бокового ветра. Относительно велика доля КЗ, обусловленных перекрытием с провода на проезжающие под линией высокогабаритные механизмы (4,6%). Такие КЗ вызывают пережог провода дугой с последующим его обрывом. Обрыв грозозащитного троса (2,7%) происходит из-за чрезмерных усилий при гололёде, а также из-за заводских дефектов линейной арматуры и некачественного монтажа. В большинстве случаев оборванный трос касается линейных проводов, находящихся под напряжением, вызывая металлические КЗ на землю. Падение провода ВЛ на землю часто происходит вследствие расщепления траверсы деревянных опор при грозе. Иногда провод падает на землю вместе с гирляндой из-за загнивания древесины траверсы. Короткие замыкания возникают также из-за падения опоры вместе с проводами. Такие повреждения составляют около 2,5%. Нередки ещё КЗ, являющиеся следствием преднамеренного наброса посторонними лицами металлических предметов на провода линии (3,5%). На ВЛ, трасса которых проходит по лесным районам, происходят перекрытия с проводов на деревья (5,7%») как из-за несвоевременной расчистки трассы от поросли и деревьев, так и из-за невыдержанных габаритов трассы при строительстве ВЛ (узкая просека). В последнем случае возможны частые перекрытия на деревья при воздействии ветровых нагрузок и сбросе гололёда. К прочим причинам (22,9%) относятся КЗ, возникающие при перегорании открытых плавких вставок ПО кВ из-за повреждений трансформаторов ответвительных подстанций, из-за лесных пожаров, ошибочных действий персонала подстанции и т.д. 1.1.2. Виды н причины снижения линейной изоляции линий электропередачи. Обнаружение снижения линейной изоляции имеет важное значение при контроле технического состояния линий электропередач [5,55,64,129,130,138]. Известны случаи многочисленных перекрытий гирлянд изоляторов в связи с их повреждением или загрязнением, особенно в промышленных районах. Рассмотрим причины повреждений подвесной и натяжной изоляции, относящихся к снижению линейной изоляции ЛЭП. Одним из основных критериев при оценке условий работы изоляторов являются токи утечки по гирляндам, которые увеличиваются в условиях загрязнения, в туманную погоду и т.п., а также изменяются при наличии в гирлянде поврежденных изоляторов. Исследования прошлых лет показывают, что в качестве основного критерия при выборе изоляции могут быть использованы длины путей токов утечки, отнесенные к 1 кВ рабочего напряжения. При этом в условиях небольшого загрязнения это отношение рекомендуется принимать около 2,5 см/кВ, в сильно загрязненных промышленных районах -порядка 3 см/кВ, а в условиях загрязненных районов и при наличии токопро-водящих осадков - на уровне 3,8-4 см/кВ. В настоящее время в России требования к изоляции для определенного класса напряжения ЛЭП и района по загрязненности выполняют применением соответствующего числа и типа фарфоровых, стеклянных, полимерных изоляторов.
Помимо длины утечки, значительное влияние на амплитуду токов утечки оказывает проводимость отложений на поверхности изоляторов. При нормальном эксплуатационном напряжении и нормальной влажности воздуха ток утечки не превышает 1 ма. Всякий раз, когда отложение смачивается росой или туманом, его проводимость возрастает. Вследствие нагрева, вызываемого протеканием тока утечки, возникают сухие зоны с большим сопротивлением, которые снова ограничивают ток до нескольких миллиампер. Этот "основной ток" переходит в броски тока утечки, аналогичные импульсам, которые возникают при частичном перекрытии сухих зон или на смежных ребрах с сильно загрязненными участками. Броски токов утечки могут достигать нескольких сотен миллиампер и вызывать перекрытие изолятора при критическом загрязнении. Ранее, для получения непрерывной записи тока утечки на всех стадиях развития с момента, когда чистый изолятор был установлен на стенде, до момента загрязнения, вызывающего перекрытие, применялся регистрирующий прибор непрерывного действия - "осциллоск-рит". Этот прибор позволял сразу получить кривую измеряемой величины. Его частотная характеристика предположительно была линейной в диапазоне от 0 до 140 Гц, верхний предел по частоте - примерно 165 Гц. Поскольку токи разряда протекают в течение нескольких полупериодов, частотная характеристика осциллоскрита позволяла получить надежную запись амплитуды бросков тока утечки. Осциллоскрит имел 12 регистрирующих элементов и позволял производить сравнительные испытания 12 различных типов изоляторов. Кроме того, он имел градуировочное устройство с отметчиком времени. Скорость перемещения ленты регулировалась путем изменения передаточного числа редуктора. В процессе испытания применялась преимущественно скорость 62 мм/ч. Последовательно с осциллоскритом был включен логарифмический усилитель. Выбор логарифмической шкалы объяснялся тем, что диапазон измеряемых величин, начиная с небольшого основного тока до бросков тока, охватывает величины четырех порядков. В результате измерения производили без перехода с одного предела на другой и получали отсчет каждого мгновенного значения с одной и той же относительной погрешностью.
Анализ влияния параметров линий электропередачи на высокочастотное зондирование и определение диагностического парметра
Распространение волны (импульса) по линии - сложный процесс, зависящий от числа, взаимного расположения, материала и размера проводов и тросов, их удаленности от поверхности земли, от ее электропроводности [35,71,72]. Если бы в проводе не было активных потерь и он располагался в вакууме над идеально проводящей поверхностью, то волна перемещалась бы вдоль провода со скоростью света (300 м/мке). В реальной воздушной линии волна перемещается по петле "фаза-земля" со скоростью 275 м/мке и по петле "фаза-фаза" со скоростью 296 м/мке.
При измерениях на воздушных линиях электропередачи с горизонтальным расположением проводов рефлектометр, как правило, подключают по схеме "средний провод - крайний провод" или "средний провод - земля".
Распространение высокочастотного сигнала по линиям электропередач является сложным явлением и зависит от волнового сопротивления линии, волнового сопротивления земли, сопротивления заземления опор.
Количество видов волн, распространяющихся вдоль линии при переходном процессе, равно количеству параллельных фазных проводов и заземляющих тросов. Следовательно, для двухцепной линии с одним заземляющим тросом имеется семь различных видов бегущих волн, и при строгом анализе каждый из них должен быть рассмотрен отдельно. Так как в первом приближении напряжение в любой точке троса принимается равным нулю, количество видов распространяющихся волн может быть уменьшено до 6. Таким образом, в программе ЭВМ для исследования процессов в трехфазной линии используются 6 различных скоростей распространения волн, 5 из ко торых близки к скорости света, т.е. их значения при частоте 10 кГц лежат в пределах (2,93-2,99)х106 м/с; эти волны распространяются между землей и фазовыми проводами. При более высокой частоте значения скоростей распространения еще более приближаются к скорости света.
При расчетах неудаленного КЗ методом фазовых координат обычно используется скорость, равная скорости спета, что влечет за собой лишь незначительную ошибку. В расчетах методом симметричных составляющих для первой и нулевой последовательности используются индивидуальные. В состав ВЧ канала по ЛЭП входит ВЧ присоединение, в состав которого, как правило, включен кабель РК 75. Скорость распространения ВЧ сигналов в кабельных линиях. В кабельной линии скорость распространения волны значительно ниже чем в ЛЭП (порядка 160 м/мке) и примерно одинакова для любой петли. Зондирующие импульсы распространяются в кабельных линиях по определенным волновым каналам, определяемым режимом включения "жила - жила", "жила - оболочка" и другие варианты. Кабельными линиями, как правило, выполнены ВЧ присоединения от шкафов с оборудованием до непосредственно линии электропередач. Импульсный сигнал распространяется в линии с определенной скоростью, которая зависит от типа диэлектрика и определяется выражением: г- -т- 0.1) У Б где с - скорость света, у - коэффициент укорочения электромагнитной волны в линии, є - диэлектрическая проницаемость материала изоляции кабеля. Коэффициент укорочения показывает во сколько раз скорость распространения импульса в линии меньше скорости распространения в воздухе. В любом рефлектометре перед измерением расстояния нужно устано 38 вить коэффициент укорочения. Точность измерения расстояния до места повреждения зависит от правильной установки коэффициента укорочения. Величина / является справочной только для радиочастотных кабелей, для других типов кабелей не нормируется. Коэффициент укорочения можно определить импульсным рефлектометром по кабелю известной длины. Для многожильных и многопарных кабелей коэффициент укорочения, волновое сопротивление и затухание различны для каждого варианта включения, поэтому рекомендуются включения рефлектометра независимо от типа повреждения по схеме "жила - жила". При повреждении одной из жил можно использовать схему включения "поврежденная жила - неповрежденная жила". Включение рефлектометра по схеме "жила - оболочка" позволяет выявить поврежденную жилу методом сравнения. Волновое сопротивление линии в общем случае возрастает с увеличением высоты подвеса провода над землей. Для обычной линии с типовыми опорами и расположением проводов изменение сопротивления незначительно, но оно может быть заметным для пролетов над реками. Изменение высоты подвеса провода над землей приводит к изменению волнового сопротивления менее чем на 3 %.
Например, существует влияние на волновое сопротивление при частоте 100 кГц очень высоких опор (пролет над рекой) линии 275 кВ с фазным проводом 2x400 мм2. В этом случае с увеличением высоты подвеса провода волновое сопротивление увеличивается примерно на 10% для верхнего проводами на 20%) для нижнего. Эта разница вызвана изменением условий влияния поверхности земли. Для пролета над рекой при большой высоте подвеса нижний провод имеет наибольшее волновое сопротивление.
Волновое сопротивление линии 400 кВ зависит от удельного сопротивления земли (верхний провод, последний отключающий полюс). При изменении удельного сопротивления от 10 до 1000 Ом хм волновое сопротивление меняется на 5,7% при частоте 1 кГц и на 3.2% при 100 кГц. Изменение волнового сопротивления происходит в основном из-за изменения "высокочастотной" индуктивности, вызванного влиянием различной глубины проникновения токов в землю.
Сопротивление заземления опор. Рассматривается только сопротивление заземления концевой опоры. У этой опоры ток, поступающий в фазный провод, возвращается через землю и тросы, распределяясь между ними в отношении, определяемом их волновыми сопротивлениями и сопротивлением заземления опоры. Последующих опор вдоль линии эти составляющие бегущей волны достигают одновременно, и следовательно, ток, протекающий через их заземления, очень мал. Таким образом, для рассматриваемых здесь коротких участков линий распределение бегущей волны между землей и тросом определяется главным образом сопротивлением заземления концевой опоры. Изменение волнового сопротивления зависит от сопротивления заземления концевой опоры. Принято, что сопротивление заземления других опор равны нулю, а удельное сопротивление земли 20 Ом X м . При сопротивлениях заземления 0-70 Ом волновое сопротивление увеличивается более чем на 10%. Однако, в подавляющем большинстве случаев сопротивление заземления находятся в пределах 1-10 Ом, так как опора соединена с малым сопротивлением заземления подстанции.
Активные методы с применением сложных модулированных сигналов
Перспективным является использование сложных модулированных сигналов для зондирования ЛЭП [140,145] в интересах решения задач дистанционного контроля изоляции ЛЭП. Такие сигналы обладают рядом особенностей в применении.
Во-первых, место снижения изоляции ЛЭП представляет собой не-флюктуирующий отражательный элемент. Поэтому время когерентного накопления отраженного сигнала от места изменения изоляции может быть достаточно большим (достигнуто большое отношение сигнал/шум). Целесообразно применение длинноимпульсных сигналов с линейной частотной модуляцией. Во-вторых, ЛЭП как среда распространения имеет диспергирующие свойства, поскольку линия обладает реактивным сопротивлением. Явление дисперсии может оказывать не только негативное воздействие (разрушая структуру широкополосного сигнала), но и использоваться в интересах процедуры его сжатия (ЛЭП можно представить, как сжимающий фильтр). Перспективно формирование сложных частотно-модулированных сигналов, адаптированных к характеристикам линии и месту снижения изоляции.
Дополнительно на условия распространения оказывают воздействие скин-эффект, влияние Земли, соседних ЛЭП и др., которые могут быть учтены в соответствующих алгоритмах адаптивной цифровой обработки.
В-третьих, спектр зондирующего сигнала при зондировании ЛЭП ограничен полосой существующих элементов высокочастотных присоединений: фильтров присоединений, конденсаторов связи, ВЧ заградителей. Здесь, потенциально достижимая полоса излучаемого сигнала может составлять до 1 мГц, что обеспечивает требуемую точность до места изменения изоляции до одного «пролета» ЛЭП. Дальнейшее повышение точностных характеристик возможно за счет длительного накопления отраженного сигнала и реализации процедур сверхразрешения.
Из совокупности сложных широкополосных сигналов наибольшее распространение для решения локационных задач получили ЛЧМ зондирующие сигналы ввиду простоты их формирования и обработки цифровыми (аналоговыми) приборами.
ЛЧМ сигналы имеют ряд специфических полезных свойств. Главное из них, присущее и другим сложным широкополосным сигналам, состоит в так называемом эффекте «сжатия». Если сигнал подать на частотно-зависимую линию задержки, время задержки сигнала в которой велико на малых частотах и уменьшается по мере нарастания частоты в ЛЧМ сигнале, то на выходе такой линии происходит «сжатие» сигнала в один период высокочастотного колебания путем суммирования амплитудных значений всех периодов сигнала.
При этом происходит увеличение амплитуды выходного сигнала и уменьшение статистических шумов, так как суммируемые одновременно по этим периодам шумы не коррелированны. Форма спектра ЛЧМ сигнала зависит от базы импульса, определяемой произведением изменения частоты на длительность я=а -/.к=4к=/ч2/(2 ), (2.17) где р = dwldt - скорость изменения частоты. Увеличение базы сигнала при решении локационных задач достигается, как правило, расширением полосы спектра. При этом в пределах полосы модуль спектральной плотности практически постоянен и равен Um jx/2fi, (2.18) Приоритетным является увеличение длительности сигнала, так как спектр зондирующего сигнала ограничен полосой элементов ВЧ обработки (присоединений) ЛЭП. Поскольку отсутствуют изменение частотных характеристик ЛЭП и флюктуации отражений от места снижения изоляции, то принимаемый сигнал можно считать когерентным (с неизменяющейся фазовой структурой) даже на больших временных интервалах. время Рис.2.7 ЛЧМ импульс. л /. і і і і 0 і м— к ! „„„..„ / Рис. 2.8 Мгновенная частота ЛЧМ импульса. Рассмотрим пример реализации цифрового устройства контроля изоляции ЛЭП с использованием ЛЧМ сигнала прямоугольной огибающей (рис. 2.7). Отметим, что устройство выполнено по корреляционно-фильтровой схеме и может реализовать обработку и других сложных сигналов (ФМ, частот-но-манипулированных).
В начале измерений производят согласование выходного сопротивления генератора зондирующих импульсов с волновым сопротивлением линии. Формирование зондирующего сигнала производится путем расчета цифровых кодов мгновенных значений отчетов ЛЧМ импульса заданной длительности /„. Выбор параметров импульса (например, формы огибающей, длительности, ширины спектра и др.) производится, исходя из обеспечения требуемой точности измерений с учетом параметров ЛЭП. Отметим что, зондирующий сигнал является опорным для смесителя приемного тракта. Пусть излучаемый зондирующий сигнал имеет вид u,ond{t) = Um-Cos{2n-fJ + pt2l2\ t„ t lk\ (2.19) где Um - амплитуда; wH = 2jtfH - начальная частота; /3 = dw/dt - скорость изменения частоты. В случае зеркального отражения от места снижения изоляции (например, места короткого замыкания ЛЭП) на вход приемника отраженный им 63 пульс поступит с временной задержкой г3 по отношению к излученному импульсу (времени запуска генератора зондирующих импульсов („). Напряжение импульса, отраженного от места снижения изоляции, описывается следующим выражением uomp{t) = R0-Um-Cos{27fH{t3)+p{t,)l12y, (2.20) где R0 - коэффициент, характеризующий ослабление зондирующего импульса в процессе распространения по ЛЭП и отражения от места снижения изоляции ЛЭП. В силу идентичности характеристик излучаемого и опорного сигнала на выходе смесителя низкочастотная составляющая напряжения будет иметь вид и(0шт=В-Со (Р-т,-(+кнт,-/%2/2) = В.Со5(П( + У(т3)), (2.21) где В - амплитудный множитель; П = 2л/" = /?-г5 - разностная частота; Ч(тз) = Оиг3 - рт] 12) - набег фазы. Из приведенного выражения следует, что разностная частота Q = р-т3 однозначно определяется временем распространения зондирующего импульса до места снижения изоляции ЛЭП. Таким образом, процесс демодулирования принимаемого колебания на смесителе приемника с помощью опорного сигнала генератора зондирующих импульсов преобразует информацию о месте изменения изоляции, заложенную во времени запаздывания г3, в информацию, выраженную в частоте низкочастотной составляющей выходного напряжения смесителя. Сигнал выхода смесителя подлежит выделению фильтром нижних частот (ФНЧ). ФНЧ дополнительно не пропускает демодулиро-ванных сигналы с выхода генератора и отраженные импульсы от места перехода «генератор-линия», которые на выходе смесителя располагаются в области нулевых частот.
Уточнение трассы исследуемой линии электропередач
В связи с расхождением реальной трассы ЛЭП "Луч-Этилен II" с данными проектной документации потребовалось картографирование для оценки точности методов дистанционного контроля изоляции ЛЭП. Использовался картограф GPS тар 16 (рис.3.2), обеспечивающий требуемую точность определения координат до 20 метров.
Экспериментальные исследования показали требуемую работоспособность аппаратуры комплекса вычислительных средств и обеспечение заданной GPS синхронизации по концам ЛЭП. В результате испытаний было записано около 800 файлов сигнальной информации, которая в последующем была подвергнута обработке.
Совместимость исследовательского комплекса с другими электроэнергетическими устройствами обеспечивалась соответствующим низким спектральным уровнем излучаемого сигнала в рабочей полосе оборудования релейной защиты, телемеханики и ВЧ связи. Спектральная плотность мощности излучаемого сигнала выбиралась на 10 дБ ниже уровней сигналов связи, релейной защиты и помех в диапазоне 0-750 кГц. Специфических особенностей распространения ВЧ зондирующих сигналов не выявлено. Следует отметить достаточно низкое затухание на исполь 107 зуемых частотах зондирующих сигналов за полосой пропускания элементов ВЧ обработки ЛЭП (не более 15 дБ), что позволяет в перспективе расширить полосу зондирующих ЛЧМ сигналов до 5-20 МГц для улучшения временного (пространственного) разрешения и точностных характеристик определения мест снижения изоляции ЛЭП с активным зондированием. Каждый из ЛЧМ сигналов (длинный и короткий) и результаты его распространения в ходе экспериментов представлен множеством реализаций (до 200) во времени с шагом дискретизации 0,2 мкс, 2048 отсчетами из 14 разрядов. Отдельная реализация составила продоллсительность по времени 409,6 мкс, что при длине ЛЭП 21 км и групповой скорости распространения чуть меньше скорости света, соответствует пятикратному похождению зондирующими сигналами длины линии.
Последовательность обработки принятых сигнальных реализаций производилась в соответствии со следующими этапами: - определение (вычисление) отношения сигнал/шум для каждой реализации; - отбраковка реализаций с отношением сигнал/шум менее 8 дБ и формирование рабочей матрицы сигналов; - усреднение сигнала по реализациям (эквивалентно накоплению, с точки зрения отношения сигнал/шум, возрастание этого отношения пропорционально 101g(Np), где Np - число реализаций); - интерполирование усредненного сигнала для улучшения визуального эффекта эхо-грамм (цальностных портретов ЛЭП); - согласованная обработка (фильтрация) усредненного сигнала; - формирование эхо-грамм. На проведение экспериментов значительное воздействие оказали погодные условия. Так, во время отдельных зондирований ЛЭП шел мокрый снег, что порождало вспышки уровня помех до 30 дБ по сравнению с нормальными погодными условиями преимущественно из-за увеличения коронных разрядов.
Однако экспериментальные результаты показали достаточно высокую точность определения мест снижения изоляции ЛЭП. Оценка точности про изводилась по отражениям от неоднородностей конца ЛЭП при работе в режиме "на отражение". На рис.3.6 приведен нормированный результат свертки принятого и излученного ЛЧМ сигналов (кросс-корреляция), характеризующий точность определения мест снижения изоляции ЛЭП.
Эхо-грамма представляет собой результат накопленный кросс-корреляционной обработки (свертки) излученного и отраженного сигналов [18,86,103,123,141]. Его можно рассматривать как портрет ЛЭП в координатах, уровень сигнала - время прихода (дальность) отраженного сигнала. Представленная эхо-грамма получена на исследуемой ЛЭП со стороны ПС 500 кВ "Луч". Здесь по горизонтали отложено время (в микросекундах), по вертикали - уровень отраженного сигнала (дБ), приведенный к максимуму излученного. В начале координат (до 25 мкс) виден излученный сигнал с наложенными на него отражениями. Очевидно, что динамического диапазона исследовательского комплекса хватает для передачи без искажений смеси излученного и отраженного сигналов. На рис.3.7 временной диапазон 25-150 мкс представляет однократно отраженный сигнал, а 160-290 мкс - двухкратно отраженный (т.е. отраженный от конца ЛЭП и пришедший в обратном направлении). Значение времени около 150 мкс характеризует сигнал, отраженный от конца ЛЭП, а значение около 280 мкс - его кратный образ. Анализ рис.3.6 показывает, что предположительная чувствительность экспериментального комплекса на ЛЭП 220 кВ "Луч-Этилен II" составила около -бОдБ к уровню отраженного сигнала. Для формирования эхограммы по использовалось 130 реализаций, поэтому отношение сигнал/шум и чувствительность системы могут быть увеличены путем увеличения числа накоплений. На рис.3.8 представлена аналогичная рис.3.7 эхограмма, полученная для режима "на просвет". В этом режиме ЛЧМ сигнал излучался с ПС 500 кВ "Луч", а принимался и обрабатывался на ПС 220 кВ "Этилен". Основу обработки составляли процедуры компенсации шумов, накопления и вычисления взаимной корреляции излученного и принятого сигналов. На эхограмме представлены: - шумы на интервале времени 0-70 мкс с уровнем -54 дБ, обусловленные временем распространения излученного ЛЧМ сигнала с ПС 500 кВ "Луч" до ПС 220 кВ "Этилен"; - сумма ЛЧМ сигналов, излученного в прямом направлении и переотраженного от конца линии (распространившегося в обратном направлении) на временном интервале 70-230 мкс; - суммарная составляющая переотражений различных сигналов с разных концов линии и неоднородностей на фоне аналогичных по значению шумов (уровень суммарной составляющей не более 5 дБ уровня шумов и не позволяет идентифицировать параметры этой части сигнала).
