Способ автоматического повторного включения кабельно-воздушной линии электропередачи

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для кабельно-воздушных линий электропередачи.

Согласно Правил устройства электроустановок [Правила устройства электроустановок (ПУЭ) 7-е издание (утв. Приказом Минэнерго от 08.07.2002. №204] п. 3.3.2. «… Должно предусматриваться автоматическое повторное включение (АПВ) воздушных и смешанных (кабельно-воздушных) линий всех типов напряжений выше 1 кВ. Отказ от применения АПВ должен быть в каждом отдельном случае обоснован».

Однако в электротехнической практике отсутствуют типовые технические решения, обеспечивающие АПВ кабельно-воздушных ЛЭП высокого напряжения (например, 110 кВ и выше).

Для обеспечения экономической эффективности высоковольтные кабельно-воздушные ЛЭП применяют в зоне мегаполисов. При этом с точки зрения безопасности и предотвращения травматизма людей, целесообразно реализовать АПВ кабельно-воздушных ЛЭП при повреждениях на воздушных участках и запретить АПВ при повреждения на кабельных участках. Действительно повторная подача высокого напряжения на высоковольтный кабель, проходящий в зоне жилых построек, может привести к существенному ущербу, травмированию и даже гибели людей. При этом особую опасность представляют переходы кабельных участков в воздушные, выполняемые, как правило, непосредственно на опорах ЛЭП. Следует отметить, что на высоковольтных кабелях, как правило, отсутствует механизм самоустранения повреждения и для повторной подачи напряжения они должны испытываться.

Поэтому для эффективного АПВ высоковольтных кабельно-воздушных ЛЭП необходимо с высокой точностью определить, на каком из участков (воздушном или кабельном) произошло повреждение и при устранении повреждения на воздушном участке реализовать АПВ ЛЭП.

С точки зрения изложенной логики, существующие способы АПВ ЛЭП [Например, Богорад A.M., Назаров Ю.Г. Автоматическое повторное включение в энергосистемах. - М.: «Энергия», 1969] для кабельно-воздушных линий непосредственно не применимы.

Известен способ автоматического повторного включения линии электропередачи [Патент РФ №2365013 МПК Н02Н 3/06, опубл. 20.08.2009 г.], при котором АПВ производится в случае положительного результата диагностики состояния ЛЭП, диагностику состояния ЛЭП проводят путем приема и анализа на каждой фазе непрерывных высокочастотных сигналов, содержащих, по крайней мере, один информационный признак работоспособности ЛЭП или наличия устойчивого повреждения, при этом прием и анализ высокочастотных сигналов осуществляют на одном конце линии, а информативные признаки формируют на основе собственных и взаимных сопротивлений фаз ЛЭП на разных частотах.

Однако применение известного способа и соответствующих устройств АПВ затруднительно на кабельно-воздушных ЛЭП из-за отражений непрерывных высокочастотных сигналов в местах соединения кабельных и воздушных участков, поскольку каждый из участков существенно отличается по значениям волновых сопротивлений.

Наиболее близким техническим решением к предполагаемому изобретению является способ, реализованный в устройстве АПВ кабельно-воздушных ЛЭП, разработанном в результате НИОКР в ПАО «МОЭСК» [Догадкин Д., Марин Р., Ширшова Е., Исмуков Г., Куликов А., Линт М., Подшивалин А. Устройство автоматического повторного включения кабельно-воздушных линий электропередачи мегаполисов // Электроэнергия. Передача и распределение. №5(38). 2016, с. 114-119]. Основу указанного технического решения составляет патент на полезную модель [Патент на полезную модель РФ №1655635 Устройство автоматического повторного включения кабельно-воздушной линии электропередачи Н02Н 03/06, G01R 01/00, опубл. 27.10.2016 г., Б.И. №30].

Устройство автоматического повторного включения кабельно-воздушных линий электропередачи, содержит генератор зондирующих импульсов, приемник зондирующих импульсов, блок обработки информации, причем выход приемника зондирующих импульсов подключен к первому входу блока обработки информации. Согласно предложения введены коммутатор, высокочастотное присоединение и блок волнового определения повреждения ЛЭП, причем высокочастотное присоединение предназначено для подключения к концу воздушного участка ЛЭП, вход-выход коммутатора подключен к высокочастотному присоединению, первый и второй выходы коммутатора подключены соответственно ко входам блока волнового определения повреждения ЛЭП и первому входу приемника зондирующих импульсов, первый выход блока волнового определения повреждения ЛЭП подключен ко второму входу блока обработки информации, второй выход блока волнового определения повреждения ЛЭП подключен ко входу генератора зондирующих импульсов и первому входу коммутатора, первый и второй выходы генератора зондирующих импульсов подключены соответственно ко второму входу коммутатора и второму входу приемника зондирующих импульсов, первый выход блока обработки информации является выходом сигнала повторного включения, а его второй выход является выходом информации о месте повреждения.

Для обеспечения нормального функционирования устройства на противоположном конце воздушного участка ЛЭП высокочастотное присоединение подключается к ЛЭП, а вход второго блока волнового определения повреждения ЛЭП подключается к выходу высокочастотного присоединения.

Устройство работает следующим образом.

При повреждении на воздушном участке ЛЭП от точки повреждения к концам воздушного участка распространяются электромагнитные волны. Эти волны проходят высокочастотные присоединения, расположенные по концам поврежденного воздушного участка ЛЭП и регистрируются блоками волнового определения повреждения ЛЭП. Прежде, чем попасть в блок, электромагнитная волна проходит коммутатор.

По зарегистрированным временам прихода электромагнитных волн в блоке волнового определения повреждения производится расчет расстояния до места повреждения [Например, Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. - М.: Энергоатомиздат, 1982, стр. 19]

где L - длина поврежденного воздушного участка ЛЭП; v - скорость распространения электромагнитных волн по воздушному участку ЛЭП; t1 и t2 - соответственно время прихода электромагнитных волн в блоки определения повреждения.

Для обеспечения расчетов по указанному выражению информация о зарегистрированном времени t2 из второго блока передается (например, по радиоканалу) в первый блок для осуществления вычислений. С первого выхода блока волнового определения повреждения ЛЭП информация о месте повреждения поступает в блок обработки информации.

Дополнительно при поступлении электромагнитной волны от места повреждения в первый блок волнового определения повреждения со второго выхода этого блока передается сигнал на запуск генератора зондирующих импульсов и на коммутатор для подключения генератора через коммутатор и высокочастотное присоединение к воздушному участку ЛЭП.

Генератор зондирующих импульсов осуществляет зондирование ЛЭП. Со второго выхода генератора управляющие сигналы поступают на второй вход приемника для блокирования приемника при излучении каждого из зондирующих импульсов в ЛЭП. Эти управляющие сигналы дополнительно используются в приемнике для фиксации отсчета времени запаздывания между излучением в ЛЭП и приемом отраженных от повреждения зондирующих импульсов.

Приемник реализует прием отраженных зондирующих импульсов и обеспечивает расчет расстояния до места отражения. Если зондирующие импульсы отражаются от противоположного месту установки приемника конца воздушного участка ЛЭП (время запаздывания равно tз = L/v), то принимается решение, что на анализируемом воздушном участке ЛЭП отсутствует повреждение. В противном случае в приемнике фиксируется отражение от повреждения, регистрируется время запаздывания tзп и производится соответствующий расчет расстояния до повреждения по выражению

Сигнал о наличии повреждения на воздушном участке ЛЭП и месте повреждения, полученный по результатам зондирования, с выхода приемника поступает в блок обработки информации.

Блок обработки информации производит уточнение места повреждения, например, путем усреднения расстояния, полученного в результате расчетов по выражениям (1) и (2). Таким образом, производится точное определение места повреждения на воздушном участке ЛЭП, реализованное сначала пассивным волновым методом, а потом уточненное по результатам активного зондирования.

Факт самоустранения повреждения на воздушном участке ЛЭП регистрируется по результатам зондирования (случай t3 = L/v). При этом в блок обработки информации поступает сигнал из приемника об отсутствии повреждения.

В цикле АПВ (в течение интервала, выделенного на повторное включение) при самоустранении повреждения с первого выхода блока обработки информации выдается сигнал повторного включения (разрешения АПВ). При наличии повреждения, выявленного путем непрерывного активного зондирования воздушного участка ЛЭП, сигнал разрешения АПВ не выдается.

Дополнительно, при наличии повреждения со второго выхода блока обработки информации выдается уточненное значение расстояния до места повреждения воздушного участка ЛЭП.

Таким образом, функционально устройство предполагает выявление повреждений на воздушных участках и при их ликвидации разрешение на повторное включение кабельно-воздушной ЛЭП.

Однако опытный образец такого устройства АПВ достаточно сложен в реализации, так как включает в себя два устройства волнового определения мест повреждения (ОМП) и устройства активного зондирования с применением сложных модулированных высокочастотных сигналов.

Значительно проще реализовать способ АПВ кабельно-воздушной линии, используя одностороннее волновое ОМП с формированием волновых портретов ЛЭП. Волновой портрет можно получить по временной диаграмме результатов переотражений волн, возникающих в месте повреждения от неоднородностей ЛЭП. Пример формирования такого портрета устройством одностороннего ОМП приведен на фиг. 1. На фигуре показана кабельно-воздушная ЛЭП, а также зависимость переотражений волн напряжений (токов) от времени.

Очевидно, что повреждениям на различных удалениях от концов ЛЭП будут соответствовать строго определенные волновые портреты, то есть определенные зависимости напряжений (токов) во времени. Примеры таких портретов для модели ЛЭП (фиг. 2а) на разных удаленностях от подстанции В приведены на фиг. 2б.

Таким образом, место повреждения кабельно-воздушной ЛЭП можно распознать по характерному волновому портрету, полученному на одном из концов ЛЭП. Распознавание волновых портретов целесообразно реализовать на основе вычисления и анализа взаимных корреляционных функций [например, Ширман Я.Д., Горшков С.А., Лещенко С.П., Братченко Г.Д., Орленко В.М. Методы радиолокационного распознавания и их моделирование. - Зарубежная радиоэлектроника, 1996, № 11, с. 3-63]. При этом фиксируется волновой портрет от повреждения на одном из концов ЛЭП, а затем вычисляется со всеми возможными портретами (соответствующие местам повреждений) взаимные корреляционные функции (фиг. 2б). Максимальному значению корреляционной функции будет соответствовать волновой портрет (место повреждения) ЛЭП, наиболее похожий с волновым портретом, зафиксированным в результате текущего повреждения ЛЭП. То есть, по максимальному значению корреляционной функции волновых портретов можно реализовать процедуру ОМП ЛЭП. Базу данных волновых портретов (аналогичных фиг. 2б) для ОМП ЛЭП можно сформировать с применением предварительного имитационного моделирования.

Путем разделения базы данных волновых портретов ЛЭП на две части, характерные соответственно повреждениям на воздушных или кабельных участках, и реализации последующей процедуры распознавания можно однозначно определить на каком именно участке (воздушном или кабельном) произошло повреждение ЛЭП.

Задача изобретения - упрощение способа автоматического повторного включения кабельно-воздушной линии электропередачи, а также обеспечение выдачи запрещающего сигнала на повторное включение, если повреждение произошло хотя бы на одном из кабельных участков ЛЭП.

Поставленная задача достигается способом автоматического повторного включения кабельно-воздушной линии электропередачи (ЛЭП), согласно которому при повреждении кабельно-воздушной ЛЭП фиксируют электромагнитные волны, распространяющиеся от места повреждения к концам ЛЭП с использованием блока волнового определения повреждения ЛЭП, определяют факт повреждения ЛЭП по зафиксированным электромагнитным волнам, производят расчет расстояния до места повреждения ЛЭП, выдают с блока обработки информации сигнал о возможности повторного включения кабельно-воздушной ЛЭП, а также информацию о расчетном расстоянии до места повреждения кабельно-воздушной ЛЭП. Согласно предложения производят предварительное имитационное моделирование ЛЭП и формируют на его основе базу данных волновых портретов, характерных для каждого из мест повреждений и разделенных на кабельные и воздушные участки, базу данных волновых портретов предварительно записывают в блок обработки информации, причем под волновым портретом понимают временную диаграмму результатов переотражений волн, возникающих в месте повреждения от неоднородностей ЛЭП и зафиксированных на одном из концов ЛЭП, формируют волновой портрет по зафиксированным электромагнитным волнам при повреждении ЛЭП в блоке волнового определения повреждения ЛЭП, производят распознавание сформированного волнового портрета ЛЭП в блоке обработки информации, заключающееся в определении поврежденного кабельного или воздушного участка ЛЭП, а также расстояния до места повреждения, при реализации распознавания используют базу данных волновых портретов и расчеты взаимных корреляционных функций сформированного волнового портрета и волновых портретов из базы данных, а по результатам распознавания выдают с блока обработки информации запрещающий сигнал на повторное включение кабельно-воздушной ЛЭП, если повреждение произошло хотя бы на одном из кабельных участков ЛЭП.

Предлагаемый способ автоматического повторного включения кабельно-воздушной ЛЭП может реализоваться устройством, представленным на фиг. 3.

Устройство (фиг. 3) содержит: блок присоединения 1; блок волнового определения повреждения ЛЭП 2; блок обработки информации 3; кабельно-воздушную линию электропередачи 4.

В качестве блока присоединения 1 могут выступать трансформатор (трансформаторы) тока или высокочастотные присоединения ЛЭП.

Следует отметить, что высокочастотные присоединения могут быть выполнены в соответствии со схемными решениями [например, Микуцкий Г.В., Скитальцев B.C. Высокочастотная связь по линиям электропередачи. - М.: Энергия, 1969], а блоки волнового определения повреждения ЛЭП 2 в соответствии со схемными решениями, например, канадской фирмы Qualitrol [http://www.qualitrolcorp.ru] или SEL [http://www.selinc.com].

Устройство работает следующим образом.

Перед реализацией способа автоматического повторного включения кабельно-воздушной ЛЭП выполняется имитационное моделирование всевозможных повреждений на различных удалениях от концов ЛЭП с получением волновых портретов. На основе полученной совокупности портретов формируется база данных волновых портретов, каждый из которых индивидуален и соответствует строго определенному месту повреждения ЛЭП. База данных волновых портретов разделяется на две части (группы), соответствующие воздушным и кабельным участкам ЛЭП. Разделение базы данных необходимо для реализации процедуры распознавания, целью которой является однозначное отнесение анализируемого по волновым портретам повреждения к группе воздушных или кабельных участков. При отнесении повреждения ЛЭП к группе кабельных участков выдается запрещающий сигнал на АПВ кабельно-воздушной ЛЭП, в противном случае АПВ разрешается. База данных волновых портретов перед реализацией способа АПВ кабельно-воздушной ЛЭП записывается в блок обработки информации 3.

Следует заметить, что волновые портреты при повреждении ЛЭП могут быть представлены как изменяющимися во времени зависимостями токов, так и напряжений. Например, если в качестве блока 1 присоединения выступает трансформатор (трансформаторы) тока, то волновые портреты соответствуют зависимостям тока во времени. Если, например, в качестве блока присоединения 1 выступает высокочастотное присоединение, то волновые портреты соответствуют зависимостям напряжения во времени.

Важно, что предлагаемый способ АПВ кабельно-воздушной ЛЭП использует одностороннюю регистрацию электромагнитных волн и распознавание по односторонним волновым портретам. Такое техническое решение существенно упрощает АПВ кабельно-воздушной ЛЭП и не требует применения сложного и дорогостоящего оборудования, а также высокоскоростных каналов связи. При этом блоки 1-3 устройства для реализации предлагаемого способа могут устанавливаться на любом из концов ЛЭП с учетом того, что база данных волновых портретов должна быть сформирована, исходя из конкретного места установки оборудования.

При повреждении кабельно-воздушной ЛЭП 4 от точки повреждения к концам ЛЭП распространяются электромагнитные волны. Эти волны отражаются от неоднородностей ЛЭП 4 и проходят через блок присоединения 1, расположенный на одном из концов ЛЭП. Электромагнитные волны фиксируются блоком определения повреждения ЛЭП 2, в котором происходит обнаружение факта повреждения кабельно-воздушной ЛЭП 4, а также формирование волнового портрета. В последующем сформированный волновой портрет поступает в блок обработки информации 3 для реализации процедуры распознавания. При распознавании используют записанную базу данных волновых портретов, а саму процедуру реализуют в блоке обработки информации 3 путем вычисления взаимных корреляционных функций поступившего с блока определения повреждения ЛЭП 2 волнового портрета с каждым волновым портретом из базы данных. Максимальное значение взаимной корреляционной функции характеризует «наибольшую степень схожести» волновых портретов между собой. Таким образом, волновой портрет из базы данных блока обработки информации 3, с которым достигается максимальное значение взаимной корреляционной функции, будет определять место повреждения кабельно-воздушной ЛЭП 4, исходя из условий предварительного имитационного моделирования. Место повреждения, соответствующее волновому портрету из базы данных, однозначно характеризует поврежденный участок (кабельный или воздушный) и расчетное расстояние до места повреждения. По результатам распознавания с выхода блока обработки информации 3 выдается запрещающий сигнал на повторное включение кабельно-воздушной ЛЭП, если повреждение произошло хотя бы на одном из кабельных участков. Дополнительно с другого выхода блока обработки информации 3 выдается информация о расчетном расстоянии до места повреждения.