Устройство для измерения расстояния до места повреждения линий электропередачи

Предложенное устройство относится к импульсной технике и электроизмерениям и может быть использовано при создании приборов для автоматического определения расстояния до места обрыва и короткого замыкания в линиях электропередачи и связи.

Известно устройство для определения расстояния до места повреждения в линиях электропередачи и связи [Патент на изобретение РФ, 1247793, МПК G01R 31/11, 05.1986], основанное на локационном методе определения расстояния до места повреждения: в линию посылают зондирующие сигналы, принимают отраженные от неоднородностей волнового сопротивления и повреждения сигналы и определяют место повреждения по временной задержке отраженных импульсов относительно зондирующих. Зондирующие и отраженные сигналы поступают в стробоскопический преобразователь, преобразуются в аналоговый сигнал, который регистрируется на экране электронно-лучевой трубки в виде импульсной характеристики линии.

Информация о временной задержке отраженных импульсов относительно зондирующего импульса с учетом коэффициента укорочения электромагнитных волн в линии при ручном совмещении фронта зондирующего и отраженного сигналов на экране электронно-лучевой трубки с помощью датчиков расстояния и укорочения преобразуется в блоке цифровой индикации в информацию о расстоянии или коэффициенте укорочения импульсов в линии.

Устройство содержит тактовый генератор, генератор быстрого пилообразного напряжения, генератор зондирующих импульсов, датчик опорного напряжения, датчик напряжения масштаба, генератор медленного, пилообразного напряжения, датчик укорочения, элемент сравнения стробоскопический преобразователь, блок осциллографической индикации, аналого-цифровой преобразователь, коммутатор, мультиплексор и блок цифровой индикации.

Этому устройству присущи следующие недостатки: ограниченная точность измерения из-за использования в устройстве электронно-лучевого индикатора; необходимость визуального анализа импульсной характеристики для выделения полезного сигнала о повреждениях на фоне отражений от муфт и неоднородностей волнового сопротивления, переотражений от несогласования сопротивлений генератора и линии; погрешность измерения расстояния из-за неточности задания коэффициента укорочения и соответственно скорости распространения импульса.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для измерения расстояния до места повреждения линий электропередачи и связи, и это устройство - прототип [Патент на изобретение РФ 2098838, Способ определения расстояния до места повреждения и длины проводов и кабелей линий электропередачи и связи и устройство для его осуществления, МПК G01R 31/11, 10.12.1997].

Устройство содержит генератор зондирующих импульсов, входом соединенный с тактовым генератором, а выходом - с первым коммутатором, вход и выход которого подключены к функциональному приемнику, а второй выход подключен к детектору, соединенному с первым входом элемента сравнения, а ко второму входу элемента сравнения подключен формирователь порогового напряжения, а выход элемента сравнения соединен с формирователем начала и окончания счета, формирователь порогового напряжения соединен с генератором зондирующих импульсов, с формирователем импульсов начала и окончания счета непосредственно и через формирователь импульсов записи и обнуления, тактовый генератор также соединен с функциональным приемником, с формирователем импульсов начала и окончания счета и с измерительной цепью: датчиком расстояния, соединенным с формирователем импульсов записи и обнуления, датчиком укорочения с вторым коммутатором, аналого-цифровым преобразователем и блоком индикации.

Этому устройству присущи следующие недостатки:

1. Низкая точность определения места повреждения, обусловленная большой погрешностью методической составляющей, а именно погрешностью задания коэффициента укорочения. Эта составляющая в отличие от инструментальной составляющей (0,2-2%) может достигать десятков процентов. Это связано с тем, что скорость распространения импульса в линии зависит не только от конструкции линии и материалов провода и изоляции, но от климатических факторов: влажности, температуры, гололеда и ветра. Если влияние конструкции и материалов учитывается и корректируется при испытании участка линии с известным размером, то зависимость параметров линии и соответственно коэффициента укорочения от климатических факторов в известных устройствах не учитывается.

2. Сложность выделения на фоне помех полезной информации - отраженного от места повреждения импульса, поскольку в устройстве функциональный приемник представляет собой дифференциальный усилитель, на второй вход которого полается экспоненциальный сигнал, т.е. выполняется аддитивная операция (сложение), а не мультипликативная - умножение коэффициента усиления усилителя на экспоненциальную функцию, как указано в описании устройства. Таким образом, в устройстве не корректируется коэффициент усиление сигнала по экспоненциальному закону в зависимости от времени возвращения отраженного сигнала и не повышается отношение сигнал/шум.

3. Логические операции в устройстве реализованы на элементной базе, что усложняет технологический процесс изготовления и ограничивает функциональные возможности устройства.

Техническим результатом заявленного измерительного устройства для определения места аварии воздушных линий электропередачи является повышение точности измерения расстояния до места повреждения линии электропередачи при воздействии внешних факторов за счет более обоснованного выбора значения коэффициента укорочения заявленного устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для измерения расстояния до места повреждения линий электропередачи, содержащее генератор зондирующих импульсов, входом соединенный с тактовым генератором, а выходом - с коммутатором, вход и выход которого подключены к функциональному приемнику, а второй выход подключен к детектору, соединенному с первым входом элемента сравнения, а ко второму входу элемента сравнения подключен формирователь порогового напряжения, а выход элемента сравнения соединен с формирователем начала и окончания счета, формирователь порогового напряжения соединен с генератором зондирующих импульсов, с формирователем импульсов начала и окончания счета непосредственно и через формирователь импульсов записи и обнуления, который соединен с датчиком расстояния, к которому подключен тактовый генератор, также соединенный с формирователем импульсов начала и окончания счета, и блок цифровой индикации, причем в устройство введен блок укорочения, содержащий микроконтроллер, к аналоговым входам которого подключены датчики температуры провода, температуры воздуха, диэлектрической проницаемости воздуха и удельной проводимости земли, а к выходу подключен блок цифровой индикации и через цифроаналоговый преобразователь функциональный приемник, выполненный на базе операционного усилителя с неинвертирующим входом, при этом фотосопротивление первого оптрона функционального приемника, соединяющее инвертирующий вход усилителя с землей, через светодиод первого оптрона соединено с формирователем экспоненциальной функции, представляет собой цепь, состоящую из фотосопротивления второго оптрона и конденсатора, на вход которой подается прямоугольный импульс с генератора зондирующих импульсов, а сопротивление формирователя экспоненциальной функции через второй оптрон соединено с микроконтроллером через цифроаналоговый преобразователь.

Указанное отличие позволяет осуществлять коррекцию скорости прохождения локационного и отраженного импульсов по линии электропередачи. Коррекция выполняется по функциональным зависимостям параметров длинной линии, которые зависят от внешних климатических факторов и измеряются соответствующими датчиками. Управление скоростью осуществляется через блок задания коэффициента укорочения рефлектометра. Отличительным признаком является введение блока укорочения, содержащего микроконтроллер, к аналоговому входу которого подключены датчики внешних климатических факторов вычисляющих реальную фазовую скорость перемещения импульса в линии и соответственно значительно повышает точность определения расстояния до места аварии; функционального блока, который изменяет коэффициент усиления по экспоненциальному закону и компенсирует уменьшение амплитуды, что приводит к повышению точности регистрации отраженного импульса.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства для измерения расстояния до места повреждения линий, на фиг. 2 - схема функционального приемника, на фиг. 3 - схема установки датчиков и подключения к линии устройства, на фиг. 4 - схема время-импульсная диаграмма, поясняющая работу устройства.

Устройство для измерения расстояния до места повреждения линии электропередачи (фиг. 1) содержит тактовый генератор (ТГ) 1, низкочастотный выход 1 которого соединен с входом генератора зондирующих импульсов (ГЗИ) 2, выход которого соединен с коммутатором (К) 3, управляющим процессом измерения. Выход К 3 соединен с функциональным приемником (ФП) 4, осуществляющим коррекцию отраженного импульса в зависимости от времени его возвращения. Выход ФП 4 соединен с детектором (Д) 5, выход которого подключен к первому входу элемента сравнения (ЭС) 6. Выход ЭС 6 соединен с формирователем импульсов начала и окончания счета (ФИНОС) 7, выход которого соединен с входом формирователя импульсов записи и обнуления (ФИЗО) 8 и с первым входом формирователя порогового напряжения (ФПН) 9, а ко второму входу ФПН 9 подключен выход ФИЗО 8. Третий вход ФПН 9 соединен с ГЗИ 2. Выход ФПН 9 соединен со вторым входом ЭС 6. К выходу ФИЗО 8 подключен датчик расстояния (ДР) 10, который соединен с блоком укорочения (БУ) 11, содержащий микроконтроллер (МК)12, к аналоговым входам которого подключены датчики температуры провода 13, температуры воздуха 14, диэлектрической проницаемости воздуха 15 и удельной проводимости земли 16. Выход МК 12 соединен через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 17 с входом ФП 4 и с блоком цифровой индикации (БЦИ) 18. Низкочастотный выход ТГ 1 соединен с ФИНОС 7, а высокочастотный выход соединен с ДР 10.

ФП 4 (Фиг. 2) выполнен на базе операционного усилителя 19 с неинвертирующим входом. Коэффициент передачи усилителя 19 определяется отношением сопротивления 20 обратной связи к фотосопротивлению 21 первого оптрона 22, который осуществляет связь с гальванической развязкой фотосопротивления 21 с оптическим сигналом источника первого оптрона 22, который управляет коэффициентом усиления усилителя 19. Вход первого оптрона 22 соединен с формирователем экспоненциальной функции, которая представляет собой цепь из фотосопротивления 23 и конденсатора 24, вход которого соединен с ГЗИ 2 через К 3. Постоянная времени цепи, состоящей из фотосопротивления 23 и конденсатора 24, τ=R_ф2С где R_ф2 - фотосопротивление 23, Ом, С - емкость конденсатора 24, Ф; задается значением фотосопротивления 22 второго оптрона 25, который осуществляет связь с гальванической развязкой фотосопротивления 23 формирователя экспоненциальной функции с оптическим сигналом источника второго оптрона 25, который через ЦАП 17 управляется МК 12.

На фигуре 3 изображена схема установки датчиков и подключения к линии устройства для измерения расстояния до места повреждения линии электропередачи, где 3 - это коммутатор, соединенный с линией электропередачи; 12 - микроконтроллер; 13 - датчик температуры воздуха, устанавливается непосредственно на провод, к которому подключен КЗ; 14 - датчик температуры воздуха; 15 - датчик диэлектрической проницаемости воздуха, датчики 14 и 15 устанавливаются на отдельную опору; 16 - датчик удельной проводимости земли, представляющий из себя два штыря, воткнутые в землю, соединенные с электронным блоком, входящий в комплект с датчиком. Поскольку линия является протяженной, то и внешние факторы являются общими для всей линии, то расстояние установки датчиков относительно опоры линии не важна.

Устройство работает следующим образом (Фиг. 4). МК 12 устанавливает два режима работы: режим измерения, режим установки коэффициента укорочения электромагнитной волны в линии электропередачи. В режиме установки коэффициента укорочения работает БУ 11. В режиме измерения до места повреждения работают все блоки структурной схемы, кроме БУ 11.

ГЗИ 2 на основе импульсов (фиг 4.а) ТГ 1 вырабатывает зондирующие импульсы с заданными параметрами: длительность и периодом, импульсы для функционального изменения порогового напряжения и окончания счета.

К 3 осуществляет коммутацию зондирующих и отраженных импульсов на объект измерения и вход ФП 4, а также коммутацию отраженных усиленных ФП 4 импульсов на вход Д 5 (фиг. 4.б).

Д 5 преобразует двухполярный входной сигнал в однополярный положительный сигнал, который поступает на первый вход ЭС 6. Если амплитуда сигнала не превышает пороговый уровень напряжения ФПН 9, то ЭС 6 не регистрирует превышения и не осуществляется измерение (фиг. 4.в). В следующем такте ФПН 9 уменьшает пороговый уровень напряжения, и если ЭС 6 не срабатывает, то процесс повторяется. При превышении по амплитуде входным сигналом опорного уровня на выходе ЭС 6 формируется сигнал (фиг. 4.г), формирующий импульс окончания счета в ФИНОС 7 (фиг. 4.д), запрещая прохождения тактовых счетных импульсов на ДР 10. Количество подсчитанных импульсов ТГ 1 за время задержки отраженных импульсов относительно зондирующих (фиг. 4.е) в ДР 10 соответствует расстоянию до места повреждения. Одновременно запускается ФИЗО 8, который формирует импульс обнуления счетчика (фиг. 4.ж) и импульс записи в регистр ДР 10. Результат измерения передается в МК 12, в котором вводится поправка на результат измерения по коэффициенту укорочения. Результат измерения регистрируется БЦИ 18.

В режиме установки коэффициента укорочения работает БУ 11.

Фазовая скорость V_ф определяется соответственно с помощью выражения:

где ω - частота, Гц; β - коэффициент фазы длинной линии, который определяется по формуле:

I

где С₀ - поперечная емкость между прямыми и обратными проводами, Ф; L₀ - индуктивность петли, образованной прямыми обратным проводами, Гн; R₀ - продольное активное сопротивление прямого и обратного проводов, Ом; G₀ - поперечная активная проводимость утечки изоляции между прямым и обратным проводами, См.

Отклонения параметров линии R₀, L₀, С₀, G₀, обусловленные влиянием климатических факторов, вызывают отклонение коэффициента фазы и соответственно фазовой скорости

Зависимость активного сопротивления от температуры провода определяется следующей зависимостью [Марголин Н.Ф. Сопротивление воздушных линий передачи / Н.Ф. Марголин - М.: Мособлполиграф, 1937. - 61 с.]:

где R₀₂₀ - табличное значение удельного сопротивления при температуре провода 20°С, Ом; α - температурный коэффициент электрического сопротивления, Ом/град; t_пр - температура провода, °С.

Полное сопротивление провода определяется выражениями [Марголин Н.Ф. Сопротивление воздушных линий передачи / Н.Ф. Марголин - М.: Мособлполиграф, 1937. - 61 с. ]:

где R_пр - активное сопротивление линии, Ом; X_L - реактивное сопротивление линии, Ом; ƒ - частота сети, Гц; r_пр - радиус провода, м; γ - удельная проводимость земли, См/м.

Величина относительной диэлектрической проницаемости газов ε_r зависит от температуры при постоянном давлении. Для сухого воздуха ε_r в интервале температур от -60 до +60°С можно считать постоянным и приблизительно равным 2⋅10^-6 °С^-1. Однако дождь и снег оказывают значительное влияние на удельную емкость линии. Кроме того, влажность и температура воздуха оказывают влияние на токи утечки, т.е. поперечную удельную проводимость линии.

Коэффициент затухания α (ω) определяется с помощью формулы:

По измеренным с помощью датчиков параметрам: температуры провода 13, температуры воздуха 14, диэлектрической проницаемости воздуха 15 и удельной проводимости земли 16 и заданным функциональным зависимостям с помощью МК 12 вычисляются скорость распространения импульса в линии или коэффициент укорочения. МК 13 вычисляет также значение сопротивления для коэффициента затухания линии, поступающее через ЦАП 17 на вход ФП 4. Затем по вычисленным значениям определяется расстояние до места аварии.

ФП 4 работает следующим образом (Фиг. 4): на вход цепи из фотосопротивления 23, второго оптрона 25 и конденсатора 24 с ГЗИ 2 поступает прямоугольный импульс (фиг. 4.а) и в цепи возникает переходный процесс U(1-е^-t/τ), где U - амплитуда импульса, В; с постоянной времени τ=R_Ф2С. Сигнал с формирователя экспоненциальной функции поступает на вход первого оптрона 22 через светодиод 21, который изменяет фотосопротивление 21 по экспоненциальному закону R_ф1e^-t/τ (фиг. 4.з), где R_ф1 - фотосопротивление 21, Ом; а коэффициент усиления усилителя 19 по закону Ке^t/τ (фиг. 4.и), где K - коэффициент усилителя без коррекции. Для полной компенсации затухания отраженного импульса в линии Ue^-αt необходимо, чтобы постоянная времени была равна величине, обратной коэффициенту затухания линии τ=1/α.

Таким образом, конструкция завленного устройства позволяет значительно повысить точность измерения расстояния до места повреждения линии электропередачи за счет автоматической коррекции скорости перемещения импульса, зависящей от внешних факторов, по измеренным с помощью соответствующих датчиков величинам внешних факторов и вычисленными с помощью микроконтроллера сигналами коррекции.