Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ состояния вопроса и обоснование задач исследования
1.1. Повреждения в электрических сетях 8
1.2. Обзорный анализ методов и средств определения мест повреждений в кабельных линиях 13
1.3. Обзорный анализ методов и средств определения мест повреждений в воздушных линиях 25
1.4. Обоснование задач исследования 36
Глава 2. Разработка способов определения мест повреждений в кабельных и воздушных линиях электрических сетей
2.1. Исходные положения 40
2.2. Закономерности изменения начальной фазы тока в поврежденной кабельной линии 42
2.3. Анализ основных причин изменения фазового сдвига при регистрации скачка начальной фазы тока в поврежденной кабельной линии 54
2.4. Методика и результаты экспериментальных исследований закономерностей изменения фазового сдвига в сигнале индукционного датчика относительно начальной фазы тока в кабеле 68
2.5. Новые способы определения мест повреждений в кабельных линиях и их классификация 85
2.6. Способы повышенной точности дистанционного определения мест повреждений в воздушных линиях.97
2.7. Выводы 115
Глава 3. Разработка и исследование устройств определения мест повреждений в кабельных линиях
3.1. Исходные положения.117
3.2. Устройство, использующее принцип обратной связи. 118
3.3. Устройство на основе передачи опорного сигнала. 122
3.4. Устройство на основе задержки начальной фазы сигнала во времени 125
3.5. Результаты испытания и внедрения устройства, использующего задержку начальной фазы сигнала во времени 128
3.6. Измерительные схемы перспективных устройств на постоянном токе. 134
3.7. Выводы 141
Глава 4. Разработка и исследование устройств определения мест повреждений в воздушных линиях
4.1. Исходные положения 142
4.2. Новые устройства определения мест повреждений на отключенной линии 143
4.3. Устройства дистанционного определения мест повреждений по параметрам аварийного режима 152
4.4. Высоковольтные измерители тока. 172
4.5. Выводы 178
Заключение 180
Литература. 183
Приложения. 191
- Обзорный анализ методов и средств определения мест повреждений в кабельных линиях
- Закономерности изменения начальной фазы тока в поврежденной кабельной линии
- Результаты испытания и внедрения устройства, использующего задержку начальной фазы сигнала во времени
- Устройства дистанционного определения мест повреждений по параметрам аварийного режима
Введение к работе
Актуальность работы. В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года", утвержденных ХХУІ съездом КПСС, предусмотрен дальнейший ускоренный рост энерговооруженности народного хозяйства. Потребление электроэнергии в народном хозяйстве страны намечается довести в 1985 г. до 1550-1600 млрд. кВт»ч.[і]. В связи с этим в современных условиях непрерывно возрастают требования к повышению надежности и бесперебойности электроснабжения промышленных предприятий.
Наименее надежным элементом в системе внутреннего электроснабжения промышленных предприятий являются линии электропередачи. Несмотря на непрерывное улучшение качества их строительства и эксплуатации, удельное количество повреждений остается значительным. Так, для большинства кабельных линий оно достигает (0,09-0,12) 1/год«км [62].
В настоящее время определение места повреждения является наиболее сложной, а часто и наиболее длительной операцией по восстановлению поврежденной линии электрической сети. Связанные с этим перерывы в электроснабжении приводят к недовыпуску промышленной продукции и снижению её качества [75]. Применение прогрессивных технических решений для ОМП позволит повысить надежность внутреннего электроснабжения промышленных предприятий, улучшить качество работы электроустановок за счет снижения времени восстановления поврежденных линий. Поэтому исследование и разработка новых способов и устройств поиска повреждений в линиях электропередачи является актуальной научной задачей.
Работа выполнялась в соответствии с координационным планом научно-исследовательских работ Минцветмета СССР (от 31.12.75).
Целью работы является установление механизма возникновения и основных закономерностей изменения фазовых сдвигов, регистрируемых в процессе поиска повреждений в кабельных и воздушных электрических сетях напряжением 6-Ю кБ, для разработки новых способов ОМП и реализующих их устройств, что позволит повысить надежность внутреннего электроснабжения промышленных предприятий.
Идея работы заключается в том, что в основу предлагаемых способов ОМП и реализующих их устройств могут быть положены фазовые измерения по принципу обратной связи, дифференциального приема сигнала тока и передачи опорного сигнала (для кабельных линий), а для воздушных линий - нелинейное преобразование параметра аварийного режима (ПАР), учитывающее влияние нагрузки сети.
Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:
- установлено, что при чисто реактивной нагрузке тангенс уг
ла фазового сдвига тока за местом повреждения прямо пропорциона
лен входному сопротивлению отрезка кабеля от места повреждения
до нагрузки, определяемого его длиной, волновым сопротивлением
и значением комплекса сопротивления нагрузки, и обратно пропорционален величине сопротивления в месте повреждения;
установлен механизм и основные закономерности изменения дополнительно регистрируемого при определении места повреждения фазового сдвига, возникающего под действием вихревых токов в кабеле;
разработаны и классифицированы новые способы ОМП в кабельных линиях 6-Ю кВ, отличающиеся тем, что регистрируемый фазовый сдвиг выделяется по принципу обратной связи, сравнения с дополнительно передаваемым по цепи поврежденных жил опорным током или по принципу задержки начальной фазы сигнала тока во времени;
- разработаны рациональные способы дистанционного ОШ между-
фазных коротких замыканий в воздушных линиях 6-Ю кВ на основе
измерения параметров аварийного режима, отличающиеся тем, что
значение регистрируемого параметра преобразуется в промежуточ
ное - интервал времени с одновременной коррекцией влияния наг
рузки сети на результат измерения расстояния.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением аналитических методов теоретической электротехники, измерительной техники, математической статистики, подтверждена:
признанием отечественного приоритета предложенных решений, на которые получены авторские свидетельства СССР;
удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований (расхождение результатов не превышает IQ50;
положительным опытом эксплуатации устройств, реализующих новые предложенные способы ОШ в промышленных условиях.
Значение работы. Научное значение работы состоит в развитии теории методов ОШ, выражающемся в установлении механизма возникновения и основных закономерностей изменения фазовых сдвигов, регистрируемых в процессе поиска повреждений электрических сетей 6-Ю кВ, а также в разработке классификации способов ОШ.
Практическое значение работы заключается в разработке устройств для ОШ в кабельных и воздушных линиях 6-Ю кВ,- позволяющих значительно сократить время устранения повреждений в электрических сетях промышленных предприятий, что повышает надежность их электроснабжения.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Устройство для ОШ в кабельных линиях внедрено в условиях ПО "Лензолото" Минцветмета СССР с экономическим эффектом II830 руб. в год. Комплект устройств
для. ОШ в воздушных сетях 6-Ю кВ внедрен на предприятии "Южные ' электрические сети" Удмуртэнерго с экономическим эффектом 35466 руб. в год.
Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на Всесоюзной научно-технической конференции "Вопросы теории и проектирования аналоговых измерительных преобразователей" (г.Ульяновск, 1978 г.); научно-технической конференции "Компенсация токов однофазного замыкания в электрических сетях 6-35 кВ" (г.Челябинск, 1980 г.); научно-техническом семинаре "Повышение эффективности электроснабжения горных и металлургических предприятий" (г.Челябинск, 1983 г.); седьмой научно-технической конференции по эксплуатации и проектированию средств релейной зашиты и автоматики в энергосистемах ОЭС Урала (г.Свердловск, 1983 г.).
Публикация„ По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 9 авторских свидетельств СССР.
Объем работы, диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 120 страницах машинописного текста, содержит 68 рисунков, 5 таблиц, список литературы из 84 наименований и приложения.
Обзорный анализ методов и средств определения мест повреждений в кабельных линиях
Многообразие типов силовых кабелей, условий их эксплуатации и характера повреждений исключает возможность применения для целей ОШ какого-либо универсального метода или средства поиска.
Существующие метода ОШ подразделяются на два класса: дистанционные и топографические [75]. Назначением дистанционных методов и средств поиска является определение расстояния до точки повреждения, что позволяет ориентировочно установить его местоположение. Задача более точного ОШ решается средствами топографических методов.
Для дистанционного ОШ наиболее широко применяются импульсный метод, петлевой метод и метод колебательного разряда [40,76, 81,83,84]. Наибольшего совершенства достигли импульсные устройства локационного типа. Так, приборы Р5-9 [40] , LMC 5000 [82] обеспечивают отсчет показаний непосредственно в километрах расстояния. При этом некоторые из них позволяют исключить индикацию сигналов, создаваемых муфтами, ответвлениями и их концевыми разделками, которые являются помехой при измерении.
Достаточно удобен в работе выпускаемый в ГДР локатор 80050, особенность которого - использование небольшой вычислительной машины, что позволяет автоматизировать как управление измерением, так и обработку результатов.
Для успешного применения импульсного метода величина переходного сопротивления в месте повреждения должна составлять не более нескольких Ом [40] . Дифференциальная локация позволяет определить повреждение при значении переходного сопротивления на уровне нескольких сотен Ом. Локация повреждения с большим сопротивлением возможна при подаче дополнительного напряжения, достаточного для начала и поддержания ионизации диэлектрического материала [55,82J . Петлевой метод измерения может быть применен при наличии в кабеле хотя бы одной неповрежденной жилы и при переходном сопротивлении до 10 кОм. Недостатком метода является относительная сложность измерения, что требует специальных навыков. Метод колебательного разряда используется при повреждениях вида "заплывающий пробой". Суть метода заключается в измерении полупериода колебательного процесса, возникающего после пробоя заряженного кабеля. Применение дистанционных методов является эффективным в случае большой длины поврежденной линии или невозможности использования топографических методов поиска. В условиях промышленных предприятий, в связи с относительно малыми длинами отдельных линий, совершенствование прежде всего топографических методов и средств поиска является актуальным. В настоящее время из топографических методов наибольшее применение нашли акустический метод, индукционный метод и метод шагового напряжения [66,75,84]. Акустический метод реализуется воздействием на кабель импульсов тока, которые вызывают в месте повреждения искровой раз - 15 ряд, сопровоадающийся излучением звуковой волны, Повреадение определяется с помощью акустического приемника, перемещаемого по трассе кабеля. Применение в приемнике двух разнесенных датчиков [3], совмещение операций определения трассы и поиска позволяют использовать данный метод для 0ЖІ с высокой эффективностью. Недостатком устройств, реализующих акустический метод ОМІ, является громоздкость используемых импульсных генераторов [40, 831. В связи с этим они применяются, как правило, в составе передвижной лаборатории. Индукционный метод ОМП позволяет создать устройства переносного типа. Суть метода сводится к тому, что по поврежденным жилам кабеля пропускают переменный ток, обычно звуковой частоты. Вдоль кабеля перемещается приемник, улавливающий сигнал тока. Так как цепь тока замыкается через повреждение, сигнал тока за повреждением должен отсутствовать или значительно ослабляться. Выполнение этого условия является основным признаком точного ОМП [21,40] . В табл. 1,1 приведены основные технические характеристики современных генераторов, разработанных для ОМП индукционным методом, В сравнении с импульсными генераторами они имеют значительно меньшие размеры и массу. Трудности применения данного метода возникают при поиске однофазных замыканий подземных кабелей [57], а также при повышенном переходном сопротивлении в месте повреждения. Для преодоления отмеченных трудностей используется компенсация одиночного тока в кабеле [5,7] или его сигнала в датчике [6] . Принципиально возможные технические решения поиска однофазных замыканий в кабелях рассмотрены в работах [40,57]. В случае повышенного переходного сопротивления предлагается использовать два дифференциально включенных датчика [84] , однако применение этого варианта встречает трудности из-за необходимости точной ориентации датчиков, а также большого влияния скрутки1 жил кабеля. Кроме этого, конструкция приемной антенны в этом случае получается очень громоздкой, что создает неудобство в работе. Топографический метод ОМП на основе измерения шагового напряжения получил распространение для поиска повреждений защитной оболочки подземных кабелей. Он заключается в том, что на трассе кабеля измеряют шаговое напряжение, создаваемое током от специального источника. Точное место повреждения регистрируется по специфической форме кривой распределения потенциала, которое образуется за счет протекания тока через место повреждения [?5,83, 84].
Закономерности изменения начальной фазы тока в поврежденной кабельной линии
Выполненный обзор основных методов и средств 0МЇЇ в кабельных и воздушных линиях распределительных сетей 6-Ю кВ, анализ основных перспективных направлений их совершенствования показали, что в условиях промышленных предприятий задача быстрого и точного поиска повреждений не получила ещё удовлетворительного решения.
Применительно к кабельным линиям наиболее актуальным является совершенствование топографических методов и средств ОШ. Данные методы и средства являются, во-первых, основными при поиске места повреждения в кабельных линиях, особенно при их ограниченных длинах, во-вторых, они не достигли известного совершенства дистанционных методов и средств поиска. Так, используемые для ОМП комплекты приборов имеют большие габаритные размеры и значительную массу, определяемые, в основном, установкой для прожигания. Сравнительно большая мощность этой установки связана, в первую очередь, с особенностью применения индукционного метода ОМЕ, а именно - с необходимостью получения в результате прожигания металлического мостика в месте повреждения изоляции.
Очевидно, что применение нового метода ОШ, допускающего наличие повышенного переходного сопротивления, позволит снизить мощность установки для прожигания. В результате появится возможность создания переносного комплекта приборов на основе компактных устройств. Учитывая, что в условиях промышленных предприятий потребность в переносных комплектах приборов достаточно высока, задача разработки новых методов и устройств ОМП, допускающих повышенное переходное сопротивление, является одной из актуальных.
Проведенный анализ известных технических решений по ОМП показал, что при индукционном принципе регистрации тока в кабеле перспективным является фазовый метод измерения. Он позволяет использовать в качестве информативного параметра начальную фазу тока в кабеле, которая за местом повреждения достаточно резко изменяется. В процессе ОМП может регистрироваться фазовый сдвиг относительно начальной фазы другого тока равной частоты, являющегося в этом случае опорным. Данный метод ОМП, который целесообразно называть фазовым, может использоваться при повышенном переходном сопротивлении, - это является основным его достоинством.
Анализ известных технических предложений по реализации фазового метода ОМП показал, что они не отличаются достаточным совершенством. При этом отсутствие исследования особенностей применения фазового метода ОМП является серьезным препятствием для разработки на его основе совершенных способов и устройств для поиска повреждений.
Актуальность создания переносных комплектов приборов особенно возрастает в специфических условиях эксплуатации электрических сетей, с ростом энерговооруженности производства, внедрением высокопроизводительных машин. Например, такие приборы необходимы в условиях эксплуатации электрохозяйства на дражных полигонах. Повреждаемость кабелей, особенно марки КПШГ, здесь очень высокая, при этом возможности централизованной ремонтной службы крайне ограничены из-за разбросанности отдельных драг на большой территории.
Быстрое ОМП в воздушных линиях так же, как и в кабельных, возможно на основе совместного применения дистанционных и топографических методов поиска. Применительно к электрическим сетям 6-Ю кВ получили распространение способы ОМП, основанные на измерении ПАР. При этом дистанционные методы используются для ОМП междуфазных повреждений, топографические - для указания поврежденного участка воздушной линии.
Анализ методов дистанционного ОШ показал, что основным их недостатком является значительная погрешность при измерении. Известные способы и устройства ОМП, в которых более или менее устраняется этот недостаток, отличаются высокой степенью сложности. В связи с этим вопрос разработки совершенных способов дистанционного ОМП остается по-прежнему актуальным. Основными направлениями решения этого вопроса являются учет влияния нагрузки сети, повышение точности измерения ПАР.
Для измерения ПАР получили распространение фиксирующие приборы. Относительно широкому внедрению данных приборов способствовала их сравнительная простота. К числу недостатков применяемых в настоящее время фиксирующих приборов, как показал проведенный анализ, следует отнести их относительно низкую точность измерения ПАР, трудность организации с их помощью автоматической передачи результатов измерения. В связи с этим необходимо совершенствование данного типа устройств в направлении повышения их точности и удобства стыковки с устройствами телемеханики.
Результаты испытания и внедрения устройства, использующего задержку начальной фазы сигнала во времени
Теоретическое описание данных закономерностей является сложной, самостоятельной задачей. Наиболее просто и с достаточной для практики точностью они могут быть установлены экспериментальным путем.
На рис. 2.14 показана структурная схема экспериментальной установки, содержащей генератор звуковой частоты, индукционный датчик, измерительные приборы и испытуемый образец кабеля. Сигнал датчика регистрируется в виде переменного напряжения, имеющего синусоидальную форму кривой и частоту тока генератора. С помощью формирователей F выделяются моменты времени перехода через нуль напряжения с датчика и тока в отрезке кабеля. Часто-томером 43-9 измеряется временной интервал t% между выделенными моментами, который в дальнейшем пересчитывается в значение сдвига Ц о между начальными фазами контролируемых напряжения и тока по формуле
Как известно, при перемещении датчика вдоль кабеля изменение его сигнала от действия скрутки жил является периодическим. В связи с этим при исследовании достаточно ограничиться измерением сигнала в пределах одного периода, т.е. шага скрутки жил. Учитывая это, в экспериментальной установке перемещение датчика имитируется вращением кабеля вокруг продольной оси % . При этом один оборот (360 градусов) соответствует шагу скрутки. Взаимное положение датчика и кабеля в пределах шага скрутки задается координатами oi , X » У (рис. 2.15). Координата & в процессе измерения остается неизменной.
Рассмотрим результаты экспериментов, устанавливающих степень влияния различных проводящих элементов конструкции кабеля марки АСБ на дополнительный фазовый сдвиг и закономерности его изменения. В экспериментах использованы пять физических моделей кабеля, отражающих его структуру с различной степенью приближения. Результаты проведенных измерений представляются графически. При этом с целью упрощения рассматривается изменение регистрируемых параметров сигнала в некоторой характерной области, составляющей четверть периода по углу Ы. .
Первая модель кабеля представляет собой два проводника диаметром I мм, расположенных на расстоянии 16 мм друг от друга. Данная модель отражает "идеальный" для фазовых измерений кабель, т.е. кабель, в котором вихревые токи не могут возникнуть. Эксперименталыше данные это подтверждают. Кривые под номерами I и 2 на рис. 2.16 показывают, что регистрируемый фазовый сдвиг (/. в рассматриваемой области остается неизменным, а напряжение сигнала изменяется практически от нуля до максимально возможного значения. Показанное пунктиром скачкообразное изменение фазового сдвига на границе области при с = 90 градусам происходит из-за смены направления движения тока относительно датчика. Измененный на 180 градусов фазовый сдвиг регистрируется в области 90 оС 270 градусов. При этом в данной области, как и в предыдущей его значение остается неизменным.
Отличие второй модели от рассмотренной выше заключается в том, что проводники симметрично расположены в цилиндрической свинцовой оболочке, взятой от реального кабеля марки АСБ. Данная модель позволяет установить влияние, оказываемое проводящей оболочкой кабеля. Как было показано в 2.3, в данном случае в оболочке индуцируются вихревые токи, искажающие пространственную структуру магнитного поля проводников с током. Кривые под номерами 3, 4 (рис. 2.16) это подтверждают. Фазовый сдвиг с изменением угла ос не остается постоянным. Так, при изменении от нуля до 60 градусов фазовый сдвиг изменяется приблизительно на 4,5 градуса. Характер изменения амплитуды сигнала в сравнении с первым случаем практически не изменился.
Из сравнения результатов измерений на двух первых моделях кабеля следует, что вихревые токи свинцовой оболочки являются существенной причиной изменения дополнительного фазового сдвига. При этом наименьшие изменения регистрируются вблизи максимума амплитуды сигнала.
Устройства дистанционного определения мест повреждений по параметрам аварийного режима
Структурная схема данного устройства, реализующего изложенный в главе 2 новый одноименный способ OMQ [17J, изображена на рисунке 3.1.
Устройство состоит из блока генератора I и блока поиска 25. Первый из них подключается к поврежденным жилам кабеля и в процессе измерения остается неподвижным, второй - перемещается вдоль кабеля. При этом блок поиска 25 имеет с блоком генератора I прямую и обратную связи. Прямая связь осуществляется за счет индукционного приема сигнала тока, протекающего в кабеле, а обратная связь - посредством радиолинии, состоящей из передатчика 17 и приемника 6. Данная структура устройства позволяет наиболее сложные операции по селекции, запоминанию, измерению фазового сдвига выполнять в неподвижном блоке. В связи с этим упрощается перемещаемый блок, в котором может быть использован унифицированный приемник сигнала. Кроме этого, введение обратной связи позволяет более оперативно контролировать работоспособность всего устройства и фиксировать место повреждения кабеля.
Работает устройство следующим образом. Генератор 2 задает в поврежденных жилах кабеля 4 переменный ток в виде посылок, частота которых определяется управляемым мультивибратором 16, а частота заполнения постоянна и равна основной частоте генератора. С помощью блока поиска 25 сигнал тока генератора принимается и регистрируется оператором по индикатору 19, в качестве которого могут быть использованы головные телефоны.
Одновременно с регистрацией принимаемый сигнал через выпрямитель 20, коммутатор 24 и передатчик 17 передается в блок генератора I. Моменты передачи сигнала определяются из условия превышения его амплитудой некоторого уровня, заданного в пороговом устройстве 23. Входной сигнал порогового устройства формируется с помощью разделительного диода 21 и фильтра, в который входит конденсатор 22. Выходной сигнал порогового устройства 23 управляет коммутатором 24. Благодаря этому достигается селективная передача принимаемого сигнала тока.
В приемном устройстве блока поиска предусмотрена стабилизация уровня выходного сигнала за счет автоматической регулировки усиления по цепи: конденсатор фильтра 22 - вход регулировки усилителя 18.
Сигнал цепи обратной связи принимается в блоке генератора приемником 6, проходит коммутатор 8 и поступает на один из входов измерителя фазового сдвига 7. На другой вход измерителя подается сигнал с датчика тока 3, проходящий предварительно через фазосдвигающее устройство 14, выпрямитель 13 и коммутатор 9.
Таким образом, в результате измерения выделяется фазовый сдвиг между двумя пульсирующими напряжениями одной частоты, получаемыми после двухполупериодного выпрямления исходных сигналов. Благодаря этому изменение фазы принимаемого на трассе сигнала на 180 градусов за счет скрутки жил влияния на результат измерения не оказывает.
Выходным сигналом измерителя 7 является напряжение, величина которого пропорциональна фазовому сдвигу. Это напряжение управляет частотой мультивибратора 16 и через интегратор 15 фа-зосдвигающим устройством 14. При этом изменение начальной фазы осуществляется в сторону компенсации имеющего место фазового сдвига.
Фазосдвигающее устройство компенсирует медленный набег фазы в сигнале, возникающий за счет распределенных реактивных параметров кабеля, отклонения частоты, расстройки резонансных цепей. Интегратор 15 обеспечивает задержку компенсации для того, чтобы характерные для повреждения изменения начальной фазы принимаемого сигнала не успевали отрабатываться. В данном случае их сигналом изменяется частота манипуляции.
Разделительный диод II и емкость фильтра 12 формируют сигнал на входе порогового элемента 10, который управляет синхронной работой коммутаторов 8 и 9. Благодаря этому осуществляется сопряжение моментов измерения с максимальным или близким к нему значением амплитуды сигнала.
В процессе ОМП блок поиска перемещается вдоль кабеля. Оператор регистрирует сигнал тока и по изменению частоты посылок (манипуляции) фиксирует место, где произошел "скачок" фазового сдвига. Если блок поиска смещается назад за повреждение, то регистрируется изменение частоты посылок в противоположную сторону, что соответствует "скачку" фазового сдвига в обратном направлении .
Разработанное устройство в сравнении с аналогичными устройствами индукционного метода имеет более высокую точность и значительно большую область применения. Повышенная точность достигается за счет применения фазового метода измерения. При этом она обеспечивается стробированием моментов измерения по амплитуде сигнала и компенсацией медленных изменений фазы. Область применения расширяется за счет того, что устройство позволяет отыскивать повреждения как с низким, так и с повышенным переходным сопротивлением.
