Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов и средств регистрации аварийных режимов воздушных линий электропередачи и их координат 9
1.1 Обзор методов определения мест повреждения (ОМП) воздушных линий электропередачи 9
1.2 Методы, основанные на определении места КЗ по параметрам аварийного режима 11
1.3 Методы, основанные на эффекте бегущей волны 14
1.4 Топографические методы ОМП
1.4.1 Индукционный метод с помощью датчика магнитного поля 17
1.4.2 Индукционный метод с помощью датчиков электромагнитного поля 25
1.5 Задача определения координат установки датчиков 27
Выводы по главе 1 28
Глава 2. Теоретические основы распознавания аварийных режимов по изменению электромагнитного поля воздушной линией электропередачи 29
2.1 Физические основы измерения параметров электромагнитного поля проводника с током 29
2.2 Определение положения конденсаторных датчиков для распознавания аварийных режимов обрыва воздушных линий электропередачи 32
2.2.1 Математические модели 32
2.2.2 Анализ координат установки датчиков электрического поля 35
2.2.3 Компьютерное моделирование и результаты вычислений 37
2.3 Моделирование магнитного поля воздушной линии электропередачи при авариях 44
2.3.1 Анализ существующих методов 45
2.3.2 Система регистрации режимов короткого замыкания 46
2.3.3 Математические модели 47
2.3.4 Анализ координат установки датчиков магнитного поля 51
2.4 Блок-схема системы регистрации аварийных режимов 58
Выводы по главе 2 60
Глава 3. Метрологический анализ информационно-измерительной системы распознавания аварийных режимов
3.1 Анализ точности современных систем релейной защиты 61
3.2 Анализ влияния металлической опоры линии на работу конденсаторных датчиков 65
3.3 Анализ погрешности измерения электрического поля, обусловленной влиянием климатических факторов 72
3.4 Инструментальная погрешность информационно-измерительной системы распознавания 3.4.1 Структурная схема информационно-измерительной системы распознавания82
3.4.2 Погрешность ИИС, обусловленная нестабильностью пассивных элементов преобразователей 84
3.5 Влияние нестабильности сопротивлений дуги и земли на уставку компаратора88
Выводы по главе 3 90
Глава 4. Стенд для исследования алгоритмов распознавания аварийных режимов воздушных линий электропередачи 92
4.1 Информационно-измерительная система диагностики 92
4.2 Лабораторный стенд для исследования алгоритма диагностики 95
4.3 Результаты исследования диагностики обрыва ваз на стенде 97
Выводы по главе 4 101
Основные результаты и выводы 102
Список использованных источников
- Методы, основанные на определении места КЗ по параметрам аварийного режима
- Определение положения конденсаторных датчиков для распознавания аварийных режимов обрыва воздушных линий электропередачи
- Анализ погрешности измерения электрического поля, обусловленной влиянием климатических факторов
- Лабораторный стенд для исследования алгоритма диагностики
Методы, основанные на определении места КЗ по параметрам аварийного режима
Теория бегущей волны уже давно исследована с целью обнаружения повреждения и места аварий линий электропередачи. Основная идея этих методов основана на корреляции между "вперед" и "назад" бегущих волн вдоль линии. Принцип ОМП этой техники основывается на идентификации повреждений, инициированных прохождением сигнала высокой частоты напряжения/тока. По факту один сигнал или несколько последующих сигналов используются, чтобы определить место повреждения. Время прохождения сигнала используется для определения места повреждения. Метод оказался устойчивым к таким факторам, как: насыщенность трансформаторов тока (ТТ), переходное сопротивление и исходные параметры системы [8].
Методы бегущей волны для обнаружения аварии для кабелей и воздушных линий были зарегистрированы с 1931 года [8]. В течение 1940-х гг. методы широко применялись для использования на подземных кабелях. В течение многих лет методы бегущей волны были признаны как способ преодоления неточности и ограничения традиционных методов для обнаружения повреждений [8]. О многих методах бегущей волны широко сообщалось в течение 1950-х годов [8]. Системы бегущей волны обеспечивают точность лучше, чем что-либо другое, но постепенно они были заброшены из-за проблем надежности и технического обслуживания.
Недавно методы бегущей волны снова появились как альтернатива для определения места повреждения [8-13,25-27] в основном за счет желания более быстрого и точного определения места повреждения в сочетании с улучшением сбора данных: GPS-синхронизации времени и систем связи. Как правило, последние методы бегущей волны для воздушных линий могут быть разделены на три режима [8]: - односторонний режим на основе отклонения времени бегущей волны повреждения; - двухсторонний режим на основе отклонения времени бегущей волны повреждения; - односторонний режим на основе отклонения времени бегущей волны, генерируемой операцией выключателя.
Еще одним важным компонентом развития для технологии преобразователя является цифровая обработка сигналов, такая, как дискретное вейвлет-преобразование (ДВП), которое позволяет проводить анализ дискретных сигналов с определенными переходными процессами [8]. Вейвлет-преобразования были применены для решения проблем энергосистем в области анализа переходных процессов для автоматического обнаружения повреждений. Привлекательной особенностью вейвлет-анализа бегущих волн является автоматическая настройка ширины окна вейвлеты в зависимости от длительности переходных процессов в стадии изучения. Как результат - точная информация о времени прибытия сигналов, бегущих на разных скоростях по поврежденной линии. Эта информация затем используется, чтобы вычислить расстояние до точки повреждения вдоль наблюдаемой линии.
Методы бегущей волны ОМП не зависят от конфигурации сети и устройств, установленных в сети. Эти методы являются очень точными, но требуют высокой частоты дискретизации, и их реализация является более дорогостоящей, чем реализация методов на основе сопротивления.
В 1950-х годах, методы бегущей волны были классифицированы на типы А, В, С, и D в соответствии с их режимом работы. Каждый тип связан с одной конкретной реализацией или проектирований, и все основываются на напряжении, а не на токе волны [8]. Последние методы бегущей волны используют волны тока, работающие в режиме типа А и типа D, а также в режиме нового типа Е. Тип А и тип D опираются на ошибки бегущей волны повреждения, а тип Е использует ошибки бегущей волны операций выключателя.
Тип А - однотерминальный метод, который определяет место повреждения на основе времени между волной повреждения и волной отражения повреждения. Тип В - это двухтерминальный метод, который на каждом конце линии электропередачи обнаруживает ошибку, затем он отправляет сигнал на другой конец линии электропередачи. Время сигнала прибытия используется в поиске мест повреждения[82-84]. Пример типа В - прибор DSFL (фирма QualiTrol). Система на базе прибора DSFL (рис. 1.4) функционирует по двустороннему принципу обнаружения повреждений, т.е. приборы должны быть установлены на обоих концах линии. Точная привязка по времени обеспечивается за счет синхронизации с помощью GPS приёмника[ 105]. Тип С - это однотерминальный метод, и все это очень похоже на тип А, но он использует генерируемый импульс, чтобы найти повреждения. Тип D - это двухтерминальный метод, который использует время бегущей волны на противоположный конец линии электропередачи для определения места повреждения; локаторы на обоих концах линии электропередачи должны быть синхронизированы для этого типа, чтобы работать должным образом. Наконец, Тип Е - однотерминальный метод, который использует переходные процессы, возникающие, когда выключатель заряжает энергию на линии, чтобы найти режим повреждения. 1.4 Топографические методы ОМП
На основе принципа определения мест повреждения топографические методы разделят на следующие методы: индукционный метод; акустические методы; потенциальные методы и электромеханические методы.
Определение положения конденсаторных датчиков для распознавания аварийных режимов обрыва воздушных линий электропередачи
Для решения задач определения на опоре электропередачи оптимальных координат установки датчиков, в которых значения напряженности электрического поля для различных режимов имеют максимальные отклонения, разработана компьютерная программа. Эта программа позволяет производить расчет напряженности электрического поля для различных режимов работы в заданных координатах поперечного сечения воздушной линии электропередачи. На рисунке 2.6 изображена схема расчета напряженности поля трехпроводной линии для различных режимов.
На рисунке 2.7 показан интерфейс программы моделирования выбора положения датчика, где приведены обозначения линий графиков для различных режимов с указанием нормально функционирующих фаз. Для удобства работы в едином окне представлена вся информацию о моделируемой ситуации.
Из анализа представленных графических зависимостей напряженности в следует, что для идентификации режимов работы линии датчик на опоре целесообразно устанавливать в координатах х = 1 м, к = 7 м, поскольку значения напряженности в данном случае для большинства режимов отличаются. Однако при этом варианте невозможно отличить режим обрыва фазы С от нормального режима, так как значения напряженности в данных значениях координат совпадают. Поэтому необходимо в координатах х = -1 м, к=1 м установить второй датчик. Оба датчика, установленные в этих координатах, позволяют идентифицировать все аварийные режимы работы воздушной линии. На рисунке 7, г на вертикальных линиях с координатами х= 1 м;х = -\ м обозначены значения напряженности электрического поля, разность между которыми превышает порог чувствительности (0,02 кВ/м).
Выводы: Из анализа графических зависимостей (рис. 2.9) следует, что наиболее целесообразно устанавливать датчик в координате х=2ш, к=5м. Однако невозможно отличить режимы обрыва фазы А и нормальной. Поэтому необходимо использовать второй датчик, расположенный в координате JC=0M,
Выводы: Из анализа графических зависимостей (рис. 2.10) следует, что наиболее целесообразно устанавливать датчик в координате JC=3M, к=6м. Однако невозможно отличить режим обрыва фазы А и нормальной режим. Поэтому необходимо использовать второй датчик, расположенный в координате JC=0M, к=6ш.
Общие выводы: Разработанная программа позволяет определять координаты установки датчиков электрического поля, в которых значения напряженности электрического поля для различных режимов имеют максимальные отклонения, а следовательно, и более различимые идентификационные признаки аварийных режимов.
Одна из основных проблем современной энергетики - низкая надежность воздушных линий электропередачи. Особенно актуальна эта проблема для России, поскольку линии электропередачи имеют большую протяженность и проходят по степной, горной, лесной и болотной местности. На линии электропередачи воздействуют климатические нагрузки - ветры и гололед. Оперативное определение места и вида аварии позволяет сократить время восстановления линии электропередачи и тем самым повысить показатель надежности - среднее время безотказной работы. Для регистрации аварийных режимов разработана информационно-измерительная система (ИИС) [17, 24], которая позволяет по изменению электромагнитного поля воздушных линий, вызванному аварийными режимами, определять место и вид аварии. Предложенная система [17, 24] проще в монтаже и эксплуатации, чем существующие системы контроля аварийных режимов воздушных линий электропередачи, содержащие измерительные преобразователи линейных токов и напряжений. Задача разработки - по измерению электромагнитного поля, создаваемого всеми проводами линии, идентифицировать аварийный режим. В разработанной ИИС для расширения идентификационных признаков аварийных режимов осуществляется раздельный контроль электрической и магнитной составляющих поля. Основная задача проектирования ИИС - обоснованный выбор координат установки измерительных преобразователей, позволяющих достоверно идентифицировать аварийные режимы. Функции пространственного распространения электромагнитного поля зависят от геометрических параметров опор и подвесов линии. Конструкции опор и подвесов воздушных линий разнообразны, поэтому для оперативного внедрения ИИС необходимы компьютерные методы проектирования. Разработана компьютерная программа для определения координат установки измерительных преобразователей магнитного поля.
Измерения токов с помощью магнитных датчиков в энергетике известны и исследованы [47]. Один из недостатков этого метода - на результат измерения влияют внешние электромагнитные помехи и фоновые магнитные поля. Поэтому для повышения точности измерения токов используют несколько магнитных датчиков, установленных в пространстве вокруг линии. Сигналы с матрицы датчиков фильтруются и обрабатываются с помощью микропроцессорного устройства [48]. Основными элементами ИИС являются датчики магнитного поля. Создаваемое воздушными линиями магнитное поле является сравнительно слабым. В настоящее время на основе достижений в области полупроводниковой техники и технологии различными фирмами разработаны датчики магнитного поля, имеющие высокие показатели точности и чувствительности при небольших габаритах и низкой стоимости. В ИИС для измерения магнитного поля целесообразно использовать магниторезистивные датчики. В зарубежной системе мониторинга воздушных линий [49] используются магниторезистивные датчики, которые установлены на каждой опоре. Сигналы терминалов о виде аварийных режимов передаются на пульт управления по радиоканалу. В системе мониторинга воздушных линий [49] измеряются продольные и поперечные составляющие магнитного поля, а затем с помощью алгоритма на пульте управления осуществляется обработка информации с датчиков и определяется место аварии. В качестве идентификационных признаков в системе используются токи короткого замыкания (КЗ), так как оно - наиболее частая причина аварий и технологических нарушений в электроэнергетической системе. В системах с изолированной нейтралью замыкание одной фазы на землю называется простым замыканием [50]. Полный ток замыкания состоит из периодической и апериодической составляющих. В высоковольтных сетях (35 кВ и выше) апериодическая составляющая исчезает через 0,1...0,3 с, а в сетях низкого напряжения она практически незаметна [50]. В статье проведен анализ идентификационных признаков для ИИС контроля аварийных режимов в линии 6...35 кВ. При моделировании введены следующие допущения: учитывается только периодическая составляющая, переходное сопротивление «провод-земля» равно нулю.
Анализ погрешности измерения электрического поля, обусловленной влиянием климатических факторов
Зависимость диэлектрической проницаемости воздуха от дождя и снега. Из вышеприведенного анализа следует, что влажность и температура воздуха не оказывают существенного влияния на погрешность измерения напряженности электрического поля Е0, создаваемого проводами линии. Однако, вода с довольно высокой диэлектрической проницаемостью может оказывать влияние на погрешность измерения при дожде и снеге. Поэтому анализ влияния этих погодных факторов на точность измерения напряженности электрического поля
Среднее поле и правило Максвелл-Еарнетта. На рисунке 3.8 представлена смешанная среда со сферическими включениями, которые имеют диэлектрическую проницаемость є2 и случайные координаты в среде с диэлектрической проницаемостью Є\. Смешанная среда может быть представлена эквивалентно однородной средой с эффективной диэлектрической проницаемостью є. Эффективная диэлектрическая проницаемость зависит от диэлектрических проницаемостей Є\ и "2, а также от объемных концентрацией компонентов и определяется формулой Максвелла-Гарнета[60]: Є = ±+ 3f±
Интенсивность дождя характеризуется слоем или объемом дождевых осадков, которые выпадают за определенную единицу времени. Данный показатель может иметь значение в пределах от 0,25 мм/ч до 100 мм/ч [61].
На рисунке 3.9 изображена зависимость диэлектрической проницаемости от дождя, а на рисунке 3.10 совмещены зависимости диэлектрической проницаемости от влажности и дождя. Из совмещенных зависимостей (рис. 3.10) следует, что дождь оказывает еще меньшее влияние, чем влажность. 1.000714
Зависимость диэлектрической проницаемости воздуха при снегопаде и слоя снега. Снег - форма атмосферных осадков, состоящая из мелких кристаллов льда. По статистическим данным [63] средняя интенсивность снегопадов на Камчатке изменяется от 0,9 до 1,8 см/ч, а максимальное значение интенсивности достигает 5-12 см/ч. Интенсивность снегопада приблизительно похожа на интенсивность дождя. Диэлектрическая проницаемость воздуха при снегопаде зависит от его интенсивности. Диэлектрическая проницаемость льда меньше проницаемости воды. Поэтому влияние снега в воздухе действует на диэлектрическую проницаемость воздуха меньше, чем влияние воды в дожде. Так что погрешность измерения напряженности электрического поля, вызванная изменением диэлектрической проницаемости из-за снегопада незначительна. Объемная концентрация снега/определяется формулой [60]:
Диэлектрическая проницаемость льда Є2 3,2. Диэлектрическая проницаемость воздуха в расчетах принимается равной единице (і« 1).
Модель сферы тестировалась помощью Matzler [62] и следует отметить, что полученные результаты с помощью модель сферы значительно отличаются от экспериментов. Кроме моделей смешения существуют эмпирические отношения для диэлектрической проницаемости сухого снега [62]
Из проведенного анализа следует, что влажность и температура воздуха не оказывают существенного влияния на точность измерения напряженности электрического поля. На основе проведенного анализа может быть получена полная погрешность датчика ИИС, поскольку остальные блоки являются стандартными и их характеристики известны. Существенное влияние на погрешность измерения оказывает слой снега и поэтому конденсаторный датчик напряженности электрического поля должен быть установлен на высоте, которая превышает возможную высоту снежного покрова. Кроме того, датчик должен быть защищен от попадания воды и снега, поскольку может быть нарушена нормальная работа датчика из-за высокой диэлектрической проницаемости воды и снега.
Система содержит блок первичной обработки информации, в состав которого входят датчики двух величин: напряженности электрического поля Е и индукции магнитного поля В. Датчики электрического поля представляют собой конденсаторы емкостью С, а датчик магнитного поля представляет собой магниторезистор, который измеряет индукцию магнитного поля в двух перпендикулярных направлениях. Датчики 1 и 2, регистрируют суммарную вертикальную напряженность электрического поля Е, а датчик магнитного поля НМС1002 регистрирует индукцию магнитного поля В по двум координатам.
Структурная схема системы[80] показана на рисунке 3.13. В этой системе центральный микроконтроллер собирает электромагнитные сигналы от датчиков через усилители, затем обрабатывает информацию и регистрирует аварийные режимы. В то же время он передает информацию о режиме работы в устройство GSM. Кроме того, эта схема имеет следующие функции: сохранение информации об аварийных режимах в реальном времени в память EEPROM, монтаж, настройка и контроль системы осуществляется с помощью кнопок, компьютера и ЖК-индикатора.
Звено датчика описывает преобразование электрического поля Е и напряжение конденсаторного датчика с образцом С. Звено усилителя позволяет регулировать сигнал соответственно с входным сигналом АЦП. Звено фильтра фильтрует высокочастотные гармоники, чтобы сглаживать сигнал. Звеном АЦП является аналого-цифровой преобразователь, который расположен внутри микропроцессора.
Лабораторный стенд для исследования алгоритма диагностики
Отсюда можно сказать, что относительная погрешность измерения индукции магнитного поля и напряженности электрического поля одинакова. Погрешность в основном зависит от разрешения АЦП, поэтому для повышения точности измерения напряженности электрического поля стоит повысить количество бит АЦП путем использования внешней АЦП.
Влияние нестабильности сопротивлений дуги и земли на уставку компаратора Регистрация аварийных режимов воздушных линий осуществляется при срабатывании компараторов, сравнивающих заданное значение величины для аварийного режима и измеренное значение этой величины с помощью датчиков. Достоверность регистрации аварии определяется точностью датчика и интервалом отклонений заданного значения величины. Необходимо отметить, что интервал отклонений может значительно превышать погрешность датчика, особенно при контроле токов короткого замыкания. Это обусловлено тем, что в цепь при коротком замыкании на землю входит участок земли и при межфазном замыкании участок дуги.
Земля является плохим проводником электрического тока: проводимость ее в несколько раз меньше проводимости металлов. Однако поскольку площадь земли, через которую проходит ток, обычно весьма велика, земля оказывает сравнительно небольшое сопротивление по току. Грунт представляет собой дисперсное пористое тело, состоящее из трех частей: твердой, жидкой и газообразной. Электрическое сопротивление грунта характеризуется его объемным удельным сопротивлением р (сопротивлением куба грунта с ребром длиной 1 м). Значение р земли колеблется в широких пределах - от десятков до тысяч Ом на метр и зависит от многих факторов, в том числе от влажности, температуры, рода грунта, степени его уплотненности, а также от времени года [106]. Кроме того, в точке контакта провода с землей происходит нагревание грунта, в результате испаряется влага и соответственного изменяется сопротивление цепи и тока в цепи короткого замыкания. Заранее учесть изменение задаваемого значения практически невозможно
Сопротивление электрической дуги в месте КЗ учитывается введением в расчетную схему активного сопротивления дуги R%, которое определяется на основе вероятностных характеристик влияния устойчивой (непогасающей) дуги на ток КЗ. где /по - начальное действующее значение периодической составляющей тока в месте КЗ без учета дуги, кА; Xyz и R\z - соответственно суммарные индуктивное и активное сопротивление цепи КЗ, мОм; Кс - среднестатистический поправочный коэффициент, учитывающий снижение тока в начальный момент дугового КЗ по сравнению с током металлического КЗ. Значение Кс определяется по формуле:
В информационно-измерительной системе регистрации аварийных режимов [29] для идентификации режимов обрыва фаз линии используются два датчика напряженности электрического поля - конденсаторы, установленные в двух координатах под воздушной линией электропередачи. Координаты установки датчиков, позволяющие наиболее достоверно идентифицировать аварийные режимы, определяются с помощью компьютерной программы [29]. Идентификация режимов обрыва проводов фаз выполняется путем сравнения значений напряженностей поля, создаваемого проводами линии. В разработанной компьютерной программе не учитывается влияние на величину напряженности электрической проницаемости среды [67], электрического поля атмосферы и преграды - опоры [68], на которой установлены датчики. Кроме того, выходное напряжение датчиков зависит от геометрических параметров конденсатора [69]. По этой причине измеренное значение напряженности может отличаться от расчетного значения. Поэтому для оценки влияния всех этих факторов на достоверность идентификации аварийных режимов был разработан лабораторный стенд для исследования алгоритма идентификации режимов обрыва линий электропередачи. Стенд содержит макет воздушной линии, устройство измерения напряженности и блок обработки информации.
Информационно-измерительная система диагностики. Информационно-измерительная система диагностики режимов обрыва фаз линии (рис. 4.1) содержит два датчика - конденсатора 1 и 2, которые установлены под трехфазной линией, блоки аналоговой обработки информации 3 и 4, каждый из которых содержит усилитель, выпрямитель и фильтр, блок цифровой обработки информации 5, соединенный дисплеем 6. В блоке 5 сигналы преобразуются в цифровую форму, затем осуществляется алгоритм диагностики обрыва фаз. Информация измерения и диагностики регистрируется на дисплее 6.
В [29] определены оптимальные координаты положения датчиков, относительно положений проводов трех фаз А, В, С в пространстве. В статье рассмотрен случай, когда провода линии расположены в вершинах равностороннего треугольника с координатами: А(0, 11.73)м; В{\, 10)м; С(-1, 10)м. Два датчика, установленные в координатах х=\ш (горизонт), к=1ш (высота) и х=-\м, к=7м, позволяют идентифицировать все аварийные режимы работы воздушной линии[29].
Функциональная блок-схема системы (рис. 4.6) содержит центральный микроконтроллер [70], на вход которого поступают сигналы с датчиков через блок аналоговой обработки, а затем в микроконтроллере осуществляется цифровая обработка информации, по результатам которой определяются аварийные режимы. Информация о режиме работы с микроконтроллера поступает на компьютер и ЖК-индикатор [71]. Кроме того, эта схема позволяет выполнять следующие функции: сохранение информации об аварийных режимах в реальном времени [72] в памяти EEPROM [73]; монтаж, настройку и контроль системы с помощью кнопок, компьютера и ЖК-индикатора. Кроме того, блок питания -адаптер AC/DC 220В/+5В или батарея +5В
Для лабораторного стенда были разработаны две программы для микроконтроллера и компьютера. Программа для микроконтроллера (рис. 4.7) управляет следующими операциями: выполняет сбор информации (Es\, Es2) от датчиков, осуществляет идентификацию аварийных режимов и передачу информации на компьютер. В алгоритме предусмотрена коррекция параметров {Е\, Е2) в режиме, графически обозначенном в белых областях графика (рис. 4.3), это когда случайные помехи нарушают работу системы. Интерфейс программы показан на рисунке 4.8.
