Способ определения места повреждения на линиях электропередачи и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для отыскания мест коротких замыканий на воздушных линиях электропередачи. Способ определения места повреждения на линиях электропередачи заключается в том, что в качестве источника питания используют предварительно заряжаемый от источника постоянного тока конденсатор, емкость которого выбирают из условия обеспечения колебательного характера разряда его в контуре первая поврежденная фаза - вторая поврежденная фаза линии, измеряют либо частоту колебаний разрядного тока, протекающего в цепи конденсатора, либо величину разрядного тока с двух сторон от места подключения конденсатора к линии и о направлении поиска места повреждения судят по наибольшей из соответствующих указанных величин. Устройство для реализации способа содержит первую 17 и вторую 18 изолирующие штанги, на первой из которых установлены источник 19 питания, преобразователь 20, выпрямитель 21, конденсатор 22, первый измерительный прибор 23 и токопровод 24 для подключения к линии электропередачи. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для отыскания мест коротких замыканий на воздушных линиях электропередачи.

Целью изобретения является ускорение и повышение достоверности определения направления поиска места повреждения.

На фиг. 1 представлена линия электропередачи; на фиг. 2 показано размещение элементов устройства, реализующего способ определения места повреждения на линиях электропередачи; на фиг. 3 изображена функциональная схема устройства.

Суть предлагаемого способа заключается в том, что предварительно заряженный конденсатор с емкостью, выбранной из условия обеспечения колебательного характера его разряда в контуре первая поврежденная фаза - вторая поврежденная фаза, подключают к поврежденным проводам отключенной линии, имеющей короткое замыкание в некоторой точке, измеряют либо частоту колебаний разрядного тока, протекающего в цепи конденсатора, либо величину разрядного тока с двух сторон от места подключения конденсатора и о направлении к месту повреждения судят по наибольшей из указанных соответствующих величин. После отключения линии в результате действия релейной защиты отыскание места начинают с выявления поврежденного участка. Для этого конденсатор подключают к проводам поврежденных фаз в начале линии, измеряют частоту колебаний разрядного тока конденсатора, затем поочередно отключают линейные коммутационные аппараты и после отключения очередного аппарата вновь измеряют частоту колебаний разрядного тока конденсатора и по изменению частоты колебаний тока выявляют поврежденный участок. При первом подключении конденсатора, когда все линейные коммутационные аппараты находятся во включенном состоянии, частота колебаний разрядного тока имеет наибольшее значение. Это значение частоты при заданной емкости конденсатора определяется суммарными эквивалентными параметрами проводов участка линии до места короткого замыкания и трансформаторных подстанций с оставшейся нагрузкой, находящихся на этом участке. Параметры участка линии и трансформаторных подстанций, находящихся за местом повреждения, шунтируются и практически не влияют на значение частоты разрядного тока, так как при устойчивом коротком замыкании, вызвавшем отключение линии, активное переходное сопротивление в месте повреждения близко к нулю.

При изменении расстояния от начала линии до места короткого замыкания в пределах от 0,5 до 10 км эквивалентные активное сопротивление R_л и индуктивность L_л проводов линии с напряжением 10 кВ могут изменяться от R_л ≈ 0,4-1,3 Ом, L_л ≈ 0,00127 Г до R_л ≈ 8-26 Ом, L_л≈ 0,0254 Г для проводов марки АС 25. ..АС 70. Если, например, емкость конденсатора, выбранная из условия обеспечения колебательного характера разряда ((R_л< 2)), равняется С = 0,5 10 Ф, то при указанных эквивалентных параметрах частота свободных колебаний разрядного тока, определяемая по формуле ω = , при первом подключении конденсатора находится в пределах от ω = 8800 с^-1(f = 1400 Гц) до ω = 39600 с^-1 (f = 6300 Гц).

До тех пор, пока с помощью линейного коммутационного аппарата не отключат участок линии с коротким замыканием, частота колебаний разрядного тока практически остается постоянной, равной ее первоначальному значению и не выходит за пределы нижней границы ее возможных значений (1400 Гц).

После отключения места короткого замыкания с помощью линейного коммутационного аппарата значения эквивалентных параметров контура разряда конденсатора увеличиваются, что приводит к резкому снижению частоты колебаний разрядного тока. Эквивалентные параметры контура разряда конденсатора в данном случае определяются параметрами трансформаторных подстанций, подключенных на участке линии от ее начала до места установки линейного коммутационного аппарата. Параметры проводов линии практически не влияют на частоту колебаний тока ввиду их малой величины.

Номинальная мощность трансформаторных подстанций, применяемых в электрических сетях напряжением 10 кВ, может быть от 25 до 630 кВА. При оставшейся неотключенной мощности нагрузки S_н, составляющей 20% от номинальной мощности S_нт трансформатора, и ее коэффициенте мощности cos ϕ = 0,98 их эквивалентные параметры лежат в диапазонах от R_тн ≈ 7 Ом, L_тн ≈ 0,35 Г (ТП-630/10) до R_тн ≈ 225 Ом, L_тн ≈ 8 Г (ТП-25/10).

В общем случае на рассматриваемом участке линии в зависимости от места установки коммутационного аппарата число трансформаторных подстанций с большой вероятностью может лежать в диапазоне n = 1-10. Следовательно, суммарные эквивалентные параметры контура разряда конденсатора после отключения короткого замыкания могут принимать значения от R_эн ≈ 0,7 Ом, L_эн ≈ 0,035 Г до R_эн ≈ 22,5 Ом, L_эн ≈ 0,8 Г. При принятом значении емкости конденсатора С = 0,5 мкФ и данных значениях эквивалентных параметров условие обеспечения колебательного характера разряда ((R_эн< 2 ) также выполняется, и частота колебаний может иметь значения от ω = 1580 с^-1 (f = 250 Гц) до ω = 6280 с^-1 (f = 1000 Гц).

Таким образом, после отключения короткого замыкания частота колебаний разрядного тока конденсатора снижается более чем в 1,5-2 раза по сравнению с ее первоначальным значением. По этому признаку выявляется поврежденный участок линии.

Для того, чтобы определить направление к месту короткого замыкания, находясь при этом на линии, конденсатор подключают к поврежденным проводам с одной и с другой сторон от предварительно отключенного линейного коммутационного аппарата. В данном случае в направлении короткого замыкания частота колебаний разрядного тока имеет большую величину, чем в направлении неповрежденного участка. Это может служить признаком для правильного выбора направления поиска повреждения.

Если на линии нет коммутационных аппаратов, то конденсатор подключают к поврежденным проводам линии в любой точке. Подобные результаты будут, если подключение конденсатора к линии производят на участке между двумя коммутационными аппаратами. При таких вариантах подключения разряд конденсатора осуществляется одновременно на два участка линии: поврежденный и неповрежденный. Частота свободных колебаний разрядного тока, протекающего как в цепи конденсатора, так и в обе стороны от места его подключения, одна и та же и определяется суммарными эквивалентными параметрами двух указанных участков. Поэтому в данном случае измеряют величины разрядных токов, протекающих в обе стороны от места подключения конденсатора. В направлении места короткого замыкания ток имеет большую величину, чем в направлении неповрежденного участка. По этому признаку и определяют направление поиска места повреждения.

Чтобы характер разряда конденсатора при таком его подключении был колебательный, емкость конденсатора необходимо выбирать исходя из следующего условия C < где R_эп и L_эп - эквивалентные активное сопротивление и индуктивность поврежденного участка линии, которые определяются в основном параметрами проводов участка линии от места подключения конденсатора до места короткого замыкания, т.е. R_эп ≃ R_л; L_эп ≃ L_л.

Реализация способа осуществляется в следующей последовательности.

Пусть линия электропередачи (фиг. 1) содержит магистральную часть от выключателя 1 до точки 2. К магистральной части линии подключены отпайки 3, которые в свою очередь имеют отпайки 4. К каждой из отпаек подключены трансформаторные потребительские подстанции 5. Кроме того, на линии установлены коммутационные аппараты (разъединители) 6, 7, 8. Места подключения устройства для реализации способа обозначены 9-16, К1, К2 - условные места коротких замыканий на линии. При коротком замыкании, например, в точке К1 конденсатор подключают в начале линии в точке 9 измерения. При этом сначала определяют, между какими фазами линии произошло короткое замыкание. Для этого конденсатор поочередно подключают между фазами A-B, B-C, A-C и каждый раз измеряют частоту колебаний разрядного тока. Поврежденные фазы линии определяют по наибольшему значению из трех измеренных частот. Далее отключают разъединитель 6 либо разъединитель 8 и снова измеряют частоту колебаний разрядного тока конденсатора при его подключении. Так как на отключаемых с помощью разъединителей 6 и 8 отпайках нет короткого замыкания, то частота колебаний тока практически не изменяется. Поэтому отключают следующий разъединитель 7. После отключения этого разъединителя частота колебаний разрядного тока снижается более чем в 1,5-2 раза ввиду того, что цепь короткого замыкания нарушилась. Таким образом, находясь в начале линии, по факту снижения частоты колебаний разрядного тока конденсатора определяют, что место короткого замыкания находится на участке линии между разъединителем 7 и концом линии (точка 2).

После определения поврежденного участка поиск места короткого замыкания продолжают непосредственно на этом участке. Для этого конденсатор подключают к линии в любой точке участка и направление к месту повреждения определяют по большей из двух амплитуд разрядных токов, измеренных с обеих сторон от места подключения конденсатора. Если конденсатор подключают в точках 10 или 11, то большая амплитуда тока будет с левой стороны от места подключения конденсатора (в направлении точки К1). Количество промежуточных измерений на линии может быть любым в зависимости от ее конфигурации и места нахождения ОВБ.

Если короткое замыкание произошло в точке К2, то при определении поврежденного участка снижение частоты колебаний разрядного тока происходит после отключения разъединителя 6. Коммутации разъединителями 7 и 8 на изменение частоты практически не влияют. Следующее подключение конденсатора при данном повреждении производят на поврежденном участке перед отпайкой 4 в точке 12. Наибольшая амплитуда разрядного тока при этом будет в направлении повреждения (к точке К2).

Если поиск места короткого замыкания начинают прямо с трассы линии, то конденсатор поключают к линии с двух сторон от любого предварительно отключенного разъединителя, например в точках 13 и 14, и по большей частоте колебаний разрядного тока определяют поврежденные фазы линии и направление поиска места повреждения. При коротком замыкании в точке К1 частота колебаний имеет большее значение при подключении конденсатора к поврежденным фазам линии в точке 14. Частота колебаний разрядного тока при измерениях в точке 13 имеет значительно меньшие значения и одинаковые при подключениях конденсатора между разными фазами. При коротком замыкании в точке К2 результаты измерений в данных точках противоположны описанным.

Если подключения конденсатора производят с двух сторон от отключенного разъединителя 7 (в точках 15 и 16), то при коротком замыкании в точке К1 наибольшая частота колебаний будет при измерениях в точке 16, а при повреждении в точке К2 - в точке 15.

Устройство для реализации способа содержит первую 17 и вторую 18 изолирующие штанги (фиг. 2). На первой изолирующей штанге 17 установлены источник 19 питания, преобразователь 20, выпрямитель 21, конденсатор 22, первый измерительный прибор 23 и первый токопровод 24 для подключения к линии электропередачи. Источник 19 питания подключен к преобразователю 20 (фиг. 3). В качестве источника питания используют гальванические элементы или аккумуляторы. Преобразователь 20 преобразует постоянное напряжение источника питания в переменное напряжение заданного уровня (до нескольких сотен вольт). К выходу преобразователя подключен выпрямитель 21. При необходимости в качестве выпрямителя 21 можно использовать схемы выпрямления с умножением напряжения. Источник питания, преобразователь и выпрямитель в совокупности образуют источник постоянного тока. Первый выход выпрямителя 21 соединен с первой обкладкой конденсатора 22 и с первым входом первого измерительного прибора 23 и подключен к первому токопроводу 24 для подключения к линии электропередачи. Второй выход выпрямителя соединен с второй обкладкой конденсатора 22 и с вторым входом первого измерительного прибора 23 и через тросик 25 подключен к второму токопроводу 26 для подключения к линии электропередачи, установленному на второй изолирующей штанге 18 (фиг. 2). На этой же штанге установлены индукционный преобразователь 27 тока и второй измерительный прибор 28.

Магнитопровод индукционного преобразователя тока имеет П-образную форму и установлен на штанге так, что при подключении второго токопровода 26 к проводу линии электропередачи он охватывает этот провод. Выводы обмотки индукционного преобразователя тока соединены с соответствующими входами второго измерительного прибора 28, в качестве которого может использоваться милли- или микроамперметр.

Первый измерительный прибор 23 содержит делитель 29 напряжения, формирователь 30 импульсов, одновибратор 31, логический элемент ИЛИ-НЕ 32, десятичный счетчик 33 импульсов, дифференцирующую цепь 34, интегрирующую цепь 35, дешифратор 36 и индикатор 37 (фиг. 3). Делитель 29 напряжения входами подключен к первому и второму входам измерительного прибора, а выходом соединен с входом формирователя 30 импульсов, и служит для согласования уровней напряжения. Выход формирователя 30 импульсов подключен к входу одновибратора 31 и к первому входу логического элемента ИЛИ-НЕ 32, выход которого соединен с первым входом десятичного счетчика 33 импульсов. Выход одновибратора 31 подключен к вторым входам логического элемента ИЛИ-НЕ 32 и десятичного счетчика 33 импульсов и к входам дифференцирующей 34 и интегрирующей 35 цепей. Выход десятичного счетчика 33 соединен с первым входом дешифратора 36, к второму и третьему входам которого подключены выходы соответственно дифференцирующей 34 и интегрирующей 35 цепей. Выход дешифратора 36 соединен с входом индикатора 37.

Формирователь 30 импульсов служит для преобразования входного затухающего синусоидального сигнала в прямоугольные импульсы одинаковой амплитуды. Длительность каждого импульса равняется длительности полупериода входного сигнала. Одновибратор 31 предназначен для формирования импульсов регулируемой длительности. Сигнал на выходе одновибратора появляется при подаче на его вход первого импульса с выхода формирователя 30 импульсов. Дифференцирующая цепь 34 служит для формирования короткого положительного импульса, записывающего состояние десятичного счетчика 33 во входной регистр памяти дешифратора 36. Интегрирующая цепь 35, состоящая из резистора и конденсатора, служит для управления работой дешифратора 36 и индикатора 37. При заряженном конденсаторе интегрирующей цепи дешифратор 36 блокируется и индикатор 37 погашен. При разряде конденсатора этой цепи дешифратор включается в работу и индикатор зажигается.

Устройство для реализации способа работает следующим образом.

Первоначально после включения источника 19 питания (фиг. 2, 3) с помощью первой изолирующей штанги 17 подключают первый токопровод 24 к одному из проводов линии. До тех пор, пока не подключен второй токопровод 26 к другому проводу линии, происходит заряд конденсатора 22 от источника постоянного тока, состоящего из источника 19 питания, преобразователя 20 и выпрямителя 21. Причем заряд происходит в течение нескольких периодов частоты преобразователя и всегда до одного и того же уровня напряжения. При подключении с помощью второй изолирующей штанги 18 второго токопровода 26 к другому проводу линии происходит колебательный разряд конденсатора в образующемся контуре. Источник постоянного тока на процессы в контуре практически не влияет, так как имеет высокое выходное сопротивление.

Частота колебаний разрядного тока измеряется с помощью первого измерительного прибора 23, а амплитуда тока - с помощью второго измерительного прибора 28, причем ток предварительно преобразуется индукционным преобразователем 27 тока. Ввиду того, что разрядный ток протекает кратковременно, амплитуда тока оценивается по отклонению стрелки прибора в момент подключения второго токопровода 26 к проводу линии. Для того, чтобы измерить амплитуду тока с двух сторон от места подключения конденсатора, последний подключают к линии дважды. При первом подключении вторую изолирующую штангу 18 ориентируют так, чтобы индукционный преобразователь 27 тока располагался с одной стороны от второго токопровода 26, а при втором подключении - с другой стороны.

В качестве входного сигнала при измерении частоты колебаний используется напряжение на конденсаторе. До тех пор, пока разряд конденсатора 22 (фиг. 3) не происходит, переменный сигнал напряжения на выходе делителя 29 напряжения отсутствует и прямоугольные импульсы с выхода формирователя 30 не поступают. На выходе одновибратора 31 присутствует уровень логической "1", который удерживает счетчик 33 в нулевом состоянии. При этом конденсатор, входящий в состав интегрирующей цепи 35, заряжен и блокирует дешифратор 36, в результате чего индикатор 37 погашен. На выходе логического элемента ИЛИ-НЕ 32 сохраняется уровень логического "0".

Как только начинается разряд конденсатора 22, на выходе делителя 29 напряжения появляется переменный сигнал измеряемой частоты. Этот сигнал с помощью формирователя 30 преобразуется в последовательность импульсов прямоугольной формы, которые подаются далее на первый вход логического элемента ИЛИ-НЕ 32 и на вход одновибратора 31. Причем импульсы (уровень логической "1") на выходе формирователя 30 появляются в отрицательные полупериоды входного сигнала, а в положительные полупериоды сигнал равен нулю. Одновибратор 31 срабатывает при поступлении на вход первого импульса и формирует на выходе импульс заданной длительности с уровнем логического "0". Длительность этого импульса выбирается соизмеримой с длительностью разряда конденсатора 22.

Появление логического "0" на выходе одновибратора 31 разрешает работу счетчика 33 импульсов и приводит к формированию прямоугольных импульсов с частотой входного сигнала на выходе логического элемента ИЛИ-НЕ 32, причем импульсы (уровень логической "1") формируются, когда на обоих входах этого элемента присутствует уровень логического "0". Одновременно разряжается конденсатор в интегрирующей цепи 35, что приводит к включению в работу дешифратора 36 и индикатора 37. Импульсы с выхода логического элемента ИЛИ-НЕ 32 поступают на вход счетчика 33 до тех пор, пока на выходе одновибратора 31 сохраняется уровень логического "0". По истечении длительности импульса, формируемого одновибратором, вновь появляется сигнал логической "1" и поступление импульсов на вход счетчика прекращается, так как на выходе логического элемента ИЛИ-НЕ 32 устанавливается уровень логического "0".

Ввиду того, что длительность импульса, формируемого одновибратором, в процессе всех измерений остается постоянной, количество импульсов, сосчитанных счетчиком, зависит от частоты входного сигнала. Чем больше частота этого сигнала, тем большее количество импульсов поступает на вход счетчика за одно и то же время. При необходимости с целью повышения точности измерений время поступления импульсов на вход счетчика можно изменить путем регулировки длительности импульса одновибратора 31.

При возвращении одновибратора в исходное состояние в результате резко появляющегося на его выходе уровня логической "1" на выходе дифференцирующей цепи 34 формируется короткий положительный импульс, записывающий состояние счетчика во входной регистр памяти дешифратора 36. На индикаторе 37 высвечивается цифра, прямо пропорциональная частоте входного сигнала.

Формула изобретения

1. Способ определения места повреждения на линиях электропередачи, основанный на подключении к линии постороннего источника питания, измерении и сравнении между собой токов, протекающих в его цепи, отличающийся тем, что, с целью ускорения и повышения достоверности определения направления поиска места повреждения, в качестве источника питания используют предварительно заряженный от источника постоянного тока конденсатор, емкость которого выбирают из условия обеспечения колебательного характера разряда его в контуре первая поврежденная фаза - вторая поврежденная фаза линии электропередачи, конденсатор подключают в начале линии и измеряют частоту колебаний разрядного тока конденсатора, далее поочередно отключают линейные коммутационные аппараты и после каждого отключения аппаратов вновь подключают конденсатор и измеряют частоту колебаний его разрядного тока, сравнивают измеренные частоты и поврежденный участок линии определяют по факту снижения частоты колебаний разрядного тока конденсатора, измеренной после отключения очередного линейного коммутационного аппарата, более чем в полтора - два раза по сравнению с ее предыдущим значением.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что конденсатор подключают к линии с одной и с другой стороны от линейного коммутационного аппарата, который предварительно отключают, а направление поиска места повреждения определяют по большей из двух частот колебаний разрядного тока конденсатора.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что конденсатор подключают в любой точке линии, измеряют амплитуду разрядного тока в момент подключения конденсатора по обе стороны от места его подключения и направление поиска места повреждения определяют по наибольшему значению из двух измеренных амплитуд токов.

4. Устройство для определения места повреждения на линиях электропередачи, содержащее источник питания, преобразователь, первый и второй измерительный приборы, первый и второй токопроводы для подключения к линии электропередачи, тросик, соединенный первым концом с вторым токопроводом, и индукционный преобразователь тока, при этом источник питания подключен к преобразователю, первый токопровод соединен с первым входом первого измерительного прибора, выходы индукционного преобразователя тока соединены с входами второго измерительного прибора, источник питания, преобразователь, первый измерительный прибор и первый токопровод установлены на первой изолирующей штанге, второй токопровод - на второй изолирующей штанге, отличающееся тем, что дополнительно введены выпрямитель и конденсатор, установленные на первой изолирующей штанге, вход выпрямителя соединен с выходом преобразователя, первая обкладка конденсатора соединена с первым токопроводом и подключена к первому выходу выпрямителя, вторая обкладка конденсатора соединена с вторым концом тросика и с вторым входом первого измерительного прибора и подключена к второму выходу выпрямителя, индукционный преобразователь тока и второй измерительный прибор установлены на второй изолирующей штанге, причем магнитопровод индукционного преобразователя тока имеет П-образную форму и охватывает провод линии электропередачи, к которому подключают второй токопровод.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый измерительный прибор содержит делитель напряжения, формирователь импульсов, одновибратор, логический элемент ИЛИ-НЕ, десятичный счетчик импульсов, дифференцирующую и интегрирующую цепи, дешифратор и индикатор, первый и второй входы делителя напряжения подключены соответственно к первому и второму входам первого измерительного прибора, а выход соединен с входом формирователя импульсов, выход которого подключен к входу одновибратора и к первому входу логического элемента ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с первым входом десятичного счетчика, выход одновибратора соединен с вторым входом логического элемента ИЛИ-НЕ, с входами дифференцирующей и интегрирующей цепей и с вторым входом десятичного счетчика, выход которого соединен с первым входом дешифратора, второй и третий входы дешифратора подключены соответственно к выходам дифференцирующей и интегрирующей цепей, а выход дешифратора соединен с индикатором.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3