Г. М. ШАЛЫТ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
МЕСТ ПОВРЕЖДЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
ПЭ
МОСКВА ЭНЕРГОИЗДАТ 1982
ББК 31.279 1П18
УДК 621.311.1.004.63 : 621.317.334.4
Рецензент А. П. Кузнецов
Г. М. Шалыт
Ш18 Определение мест повреждения в электрических сетях. — М.: Энергоиздат, 1982. — 312 с., ил.
В пер.: 1 р. 20 к.
Рассматриваются методы и устройства, обеспечивающие выделе* ние поврежденного элемента электрических сетей всех видов и классов напряжения переменного и постоянного тока; даются способы опреде* ления расстояния до места короткого замыкания или обрыва линий и отыскания места повреждения линий непосредственно на трассе.
Для инженерно-технического персонала энергосистем, энерге* тиков промышленных предприятий, работников проектных организаций. Полезна студентам вузов электроэнергетических специальностей.
... 2302040000-573	„„	ББК 31.279
Ш-051(01)182	106'82	6П2.13
© Энергоиздат, 1982.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В современных условиях непрерывно возрастают требования к надежности и бесперебойности электроснабжения предприятий, учреждений, жилищных массивов и других объектов народного хозяйства. Поэтому предотвращение или быстрейшая ликвидация повреждений электрических сетей является важнейшей задачей. Определение мест повреждения — это сложная взаимосвязанная система операций, способствующих решению этой задачи. В последнее десятилетие в СССР и за рубежом достигнуты большие успехи в разработке и внедрении методов и средств поиска повреждений. Однако материалы по этой проблеме не систематизированы. Они содержатся в различных периодических изданиях или книгах, посвященных отдельным группам средств поиска.
Предлагаемая книга представляет собою попытку систематического изложения вопросов определения мест повреждения элементов электрических сетей всех видов и классов напряжения. В книге сначала рассмотрена система поиска повреждения в целом, а затем подробно освещены отдельные методы и принципы" построения аппаратуры. Материал в значительной части составлен по работам автора, но включает результаты исследований, разработок и обобщения опыта других отечественных и зарубежных специалистов.
Автор выражает признательность канд. техн, наук А. П. Кузнецову за ценные замечания, сделанные при рецензировании рукописи.
Все замечания и пожелания по книге просьба направлять в Энергоиздат по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10.
Автор
I*
ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на повышение качества изоляции и токоведущих частей электрооборудования, воздушных и кабельных линий, нельзя исключить их повреждений. Более того, удельное количество повреждений является достаточно устойчивой характеристикой определенного класса электрических сетей на каждом этапе их развития. Так, в 1967—1973 гг. в СССР и за рубежом для воздушных линий (ВЛ) 330—500 кВ этот показатель составил 0,25— 0,5 повреждений на 100 км длины в год [1 ].
Определение мест повреждения (ОМП) является наиболее сложной, а часто и относительно наиболее длительной технологической операцией по восстановлению поврежденного элемента сети. Это повседневная оперативная задача диспетчерских служб электрических сетей и систем.
В сетях средней электрической системы годовое количество повреждений исчисляется сотнями, а в питающихся от нее абонентских сетях. — тысячами. Затраты средств на ОМП составляют существенную часть эксплуатационных издержек в электросетях. Доля же капитальных затрат на устройства для ОМП в общих капитальных затратах относительно мала. Внедрение прогрессивных методов и средств ОМП дает значительный экономический эффект, обусловленный предотвращением перехода неустойчивых повреждений в устойчивые, сокращением перерывов электроснабжения, уменьшением объема ремонтных работ, снижением транспортных расходов по объезду трасс линий и т. п. В последней пятилетке в масштабах страны этот эффект исчислялся миллионами рублей в год.
Задачи определения поврежденного элемента сети и ОМП кабельных линий (КЛ) возникли с появлением сетей и КЛ. Актуальной же задача ОМП ВЛ стала лишь в последние десятилетия.
Теоретические основы определения поврежденных элементов и мест повреждения опираются прежде всего на научные достижения электроэнергетики. Развитие теорий 4
распространения электрических сигналов по многопроводным линиям, режимов электрических систем, токов КЗ, релейной защиты и автоматики обеспечило базу для становления теории ОМП. Здесь следует отметить работы Г. И. Атабекова, Л. Бьюли, Я. Л. Быховского, Л. Ве-депола, В. А. Веникова, А. И. Долгинова, Д. Карсона, М. В Костенко, Л. Г. Мамиконянца, Н. А. Мельникова, Г. В. Микуцкого, Л. И. Сиротинского, С. А. Ульянова, А. М. Федосеева.
Наиболее заметные успехи в развитии теории и практики ОМП были сделаны в послевоенные годы. При этом ведущая роль принадлежала советским ученым и инженерам. В области ОМП КЛ можно выделить работы Б. Л. Кофмана, А. К. Манна, В. В. Платонова, В. А/По-ловникова, В. К. Спиридонова, М. Б. Щедрина. Особенно серьезные достижения были сделаны по ОМП ВЛ как импульсными, так и низкочастотными методами. По первой группе методов необходимо отметить работы В. Л. Ба-киновского, Л. И. Брауде, А. С. Дадунашвили, В. П. Коваленко, В. Н. Новеллы. В 1957 г. по инициативе М. П. Ро-зенкнопа начались широкие исследования и разработки методики и измерительных средств по второй группе методов. Существенный вклад в эти работы внесли А. И. Айзен-фельд, Л. П. Баранаускас, Ю. С. Беляков, В. А. Бо-рухман, Б. В. Борозинец, А. Н. Висящев, Э. А. Геурков, В. Е. Казанский, В. М. Кискачи, В. М. Клейнер, А. А. Кудрявцев, А. П. Кузнецов, А. С. Малый, Н. А. Моралев, А. Я. Янаус.
Книга представляет первую попытку систематического изложения вопросов выделения поврежденных элементов и определения мест повреждения ВЛ и КЛ в электрических сетях всех типов и классов номинального напряжения. Совокупность операций по поиску повреждений рассматривается как единая взаимосвязанная система.
Книга построена таким образом, что в первых двух главах представлены материалы, знание которых полезно всем инженерам-электроэнергетикам, независимо от, их конкретной деятельности. В этих главах рассмотрен^ современная система поиска повреждений и дано описание основных характеристик всех известных методов ОМП. Последующие главы содержат материалы, необходимые персоналу электрических систем и промышленных предприятий, связанному с поиском мест повреждения, а также работникам, специализирующимся по этой проблеме в научно-исследовательских, конструкторских, проектных и
5
наладочных организациях. В этих главах при изложении теоретических вопросов достаточное внимание уделяется физической интерпретации рассматриваемых процессов, что облегчает усвоение материала.
В книге рассмотрены методы ОМП и основы построения структуры используемых измерительных средств. Подробное описание конструкций и технических деталей этих средств не приводится. Читатель может найти соответствующие материалы в заводских описаниях и специальной литературе по конструкции приборов, на которую сделаны ссылки в библиографии.
Часть первая
СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ
МЕСТ ПОВРЕЖДЕНИЯ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ОМП
1.1.	ВИДЫ И.ХАРАКТЕР ПОВРЕЖДЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ ,
Электрические сети состоят из отдельных элементов, связанных .между собою. Сточки зрения ОМП к отдельным элементам целесообразно отнести части электросети, которые можно выделить коммутационной аппаратурой (выключателями, разъединителями, рубильниками, автоматами). Сама же коммутационная аппаратура, расположенная в распределительных устройствах, входит по территориальному признаку в элемент «распределительное устройство» (РУ) или «комплектное распределительное устройство» (КРУ).
В сетях напряжением ниже 1000 В элементами являются щиты управления, на которых смонтированы рубильники, контакторные станции, автоматы, магнитные пускатели и т. д. В этих же сетях элементами являются «вводы» — предохранители с ножевидными контактами, позволяющими отделять подводящую к зданиям или сооружениям КЛ от внутренней проводки.
Таким образом, к элементам сети следует отнести КЛ и ВЛ, трансформаторы, РУ, щиты управления, вводы, а также электродвигатели и различные токоприемники (например, светильники, электропечи).
В элементах электрической сети возникают как устойчивые, так и неустойчивые повреждения изоляции и токоведущих частей. Неустойчивые повреждения могут самоустраняться, оставаться неустойчивыми или переходить при определенных условиях в устойчивые.
На ВЛ к неустойчивым повреждениям изоляции могут приводить набросы различных предметов на провода,
7
перекрытия гирлянды подвесных изоляторов, сближения фазных проводов при их вибрации (так называемая пляска проводов), приближение к проводам ветвей деревьев и кустарников.
В изоляции КЛ неустойчивые повреждения в большинстве случаев возникают вследствие специфических свойств бумажно-масляной изоляции. При ее пробое в разрядном промежутке создаются условия, способствующие гашению электрической дуги. Аналогичные явления имеют место в маслонаполненных силовых и измерительных трансформаторах.
На фарфоровых изоляционных конструкциях РУ неустойчивые повреждения обусловлены, как правило, случайными набросами или поверхностными перекрытиями при повышенном увлажнении или загрязненности.
Необходимо подчеркнуть, что количество неустойчивых повреждений значительно превосходит количество устойчивых. Так, по многолетним данным Мосэнерго на 500 автоматических отключений ВЛ НО—500 кВ приходится 100—120 устойчивых повреждений. По статистическим данным, собранным ПО Союзтехэнерго по электросистемам СССР, из 5941 повреждения ВЛ ПО— 500 кВ только 955, т. е. 16,2 %, были устойчивыми. Аналогичные данные характерны и для ВЛ электросистем других стран.
Примерно такая же доля от общего числа зафиксированных замыканий на землю приходится на устойчивые повреждения в кабельных сетях 6—10 кВ. На питающих центрах таких сетей фиксируются кратковременные (самоустраняющиеся) и устойчивые однофазные замыкания на землю. Причем число первых в 4—8 раз больше, чем вторых. Проведенный в течение двух лет в Московской кабельной сети Мосэнерго анализ более 1000 случаев кратковременных замыканий на землю (т. е. пробоев под рабочим напряжением) позволил проследить возникновение 79 устойчивых однофазных и междуфазных повреждений, а также выявить поочередным испытанием «подозреваемых» КЛ еще 27 повреждений.
Ниже приведено распределение кратности повторения кратковременных пробоев до устойчивого повреждения для указанных 106 кабельных линий (указано число повторений без учета полного пробоя —устойчивого замыкания):
Кратность повторения кратковременных пробоев............................ 1	2	3—10
Количество случаев, %............. 55	32	13
8
Распределение интервалов времени от первого кратковременного пробоя, относящегося к данному месту повреждения, до возникновения установившегося повреждения для этих же 106 случаев следующее:
Интервал времени 10—60 мин 1—24 ч 1—10 сут Более 10 сут Количество слу-
чаев, % ... .	25	35	23	17
Приведенные данные свидетельствуют о постепенности развития повреждений в кабельных сетях. При этом 82 % рассмотренных случаев относились к пробою изоляции КЛ, а 18 % — к пробою изоляции остальных элементов сети. Следует отметить, что по многолетним данным в кабельных сетях 6—10 кВ около 90 % причин автоматических отключений приходится на повреждения КЛ, а 10 % — на повреждения остальных элементов этих сетей.
В подавляющем большинстве воздушных сетей используется автоматическое повторное включение (АПВ). В кабельных сетях оно применяется редко. При успешном АПВ линия остается в работе. Если за время до отключения ВЛ удается выполнить ОМП, то, своевременно устранив дефект, можно предотвратить устойчивое повреждение. Таким образом, сочетание АПВ и ОМП является важной профилактической операцией, повышающей надежность электроснабжения. В зависимости от конкретных условий и номинального напряжения ВЛ количество успешных АПВ меняется от 45 до 90 %. Так, по данным [1 ] в США для ВЛ 220—360 кВ успешные АПВ составляют 77—90 %.
Сочетание сигнализации кратковременных замыканий на землю с ОМП в кабельных сетях также может существенно сократить число устойчивых повреждений.
По видам повреждения разделяются на КЗ (в сетях с изолированной нейтралью или компенсацией емкостных токов также «замыкания на землю») и обрывы. Основные повреждения — КЗ — делятся на однофазные (однополюсные) и междуфазные (двух- и трехфазные, как с «землей», так и без «земли»). Для сетей с изолированной нейтралью или компенсацией емкостных токов существенное значение имеют также двойные замыкания на землю, т. е. замыкания двух фаз на землю в разных точках электрически связанной сети.
В большинстве случаев обрывы проводов ВЛ или жил КЛ выявляются после отключения КЗ на линии. Однако встречаются случаи возникновения обрывов и без КЗ.
9
На КЛ напряжением ниже 1000 В возникают обрывы жил (растяжки) без КЗ в тройниковых соединительных муфтах вследствие отсутствия тока нагрузки, например, в ночное время.
Распределение КЗ по видам зависит от класса изоляции и конструкции элементов сетей. По данным [2 ] однофазные КЗ составляют примерно 65 %, двухфазные и двойные замыкания на землю — 20 %, двухфазные замыкания без земли — 10 %, трехфазные замыкания — 5 %. Из этих данных следует, что подавляющее большинство замыканий (примерно 85 %) связано с землей.
Для ОМП существенное значение имеет распределение повреждений по конструктивным элементам и причинам возникновения. Такое распределение представлено в табл. 1.1 по результатам работы [3], выполненной для ВЛ ПО—500 кВ в 14 энергосистемах.
Из табл. 1.1 следует, что ВЛ повреждаются вблизи опор значительно чаще, чем в промежуточной части пролета между опорами. Это обстоятельство важно для оценки вероятности ожидаемых значений переходных сопротивлений в месте КЗ. Около опор переходные сопротивления на землю существенно ниже.
Таблица 1.1
Причина повреждения	Количество случаев, % >
Перекрытие и разрушение изоляторов	57
Перекрытие с провода на тело опоры	3,8
Перекрытие с провода на проезжающие высоко-	3,3
габаритные механизмы	3,1
Обрыв грозозащитных тросов	
Падение провода на землю	2,4
Наброс металлических предметов на провода ВЛ	1.8
посторонними лицами	1.6
Перекрытие на расположенные на трассе деревья	
Прочие причины 1	27
Всего	100
1 В прочие причины входят случаи включения короткозамыкателей на ответвительных подстанциях (12%).
Представляет интерес распределение причин повреждения ВЛ в зависимости от вида воздействия на нее; Так, по данным анализа 2276 случаев повреждения ВЛ 35—750 кВ посторонние воздействия составили 42,9 % 10
и атмосферно-климатические—23,2 %. К посторонним воздействиям относятся загрязнения и перекрытия, вызванные птицами, прострелы изоляторов, набросы, наезды механизмов и низовые пожары. В 13 % случаев причины повреждения были связаны с недостатками конструкции, монтажа, ремонта и эксплуатации ВЛ; в остальных случаях причины повреждений установить не удалось.
Для ОМП КЛ важное значение имеет статистическое распределение повреждений по ее элементам. По данным анализа 3649 аварий КЛ 13,5 % повреждений приходится на соединительные муфты, 16,5 % — на концевые муфты и заделки, остальные 70 % — «целые» места кабеля. При этом на электрические пробои изоляции в «целом» месте приходится 40 % случаев.и на механические — 60 %. Характерным результатом профилактических испытаний КЛ является большая относительная повреждаемость концевых и соединительных муфт, достигающая суммарно 40—45 % (против 30 % при авариях). Это указывает, в частности, на эффективность профилактической отбраковки концевых и соединительных муфт.
Для выявления повреждений силового трансформатора существенное значение имеет их статистическое распределение по видам изоляции (на корпус, между обмотками, между витками). В частности, на основе анализа 376 повреждений трансформаторов было установлено, что 17,6 % случаев составили витковые замыкания. Этот тип повреждения не может быть выявлен испытанием повышенным напряжением.
1.2.	СТРУКТУРА СИСТЕМЫ ПОИСКА МЕСТ ПОВРЕЖДЕНИЙ
Разнообразие видов и характера повреждений, а также структуры и условий работы электрических сетей не позволяет получить какой-либо универсальный метод ОМП. Еще более сложно создать какую-либо универсальную аппаратуру. Достаточно отметить, что необходимо находить повреждения как в сверхмощных и сверхдальних электропередачах, так и во внутренних проводках к отдельным светильникам при расстояниях в несколько метров.
Для разного типа линий и сетей, а также видов повреждения к методам и устройствам ОМП предъявляются различные требования, обусловленные технико-экономическими факторами. Удовлетворить этим требованиям удается только при условии рассмотрения совокупности методов и средств ОМП как системы с единой структурой для
11
всех типов линий и сетей при любом характере повреждений.
Структурная схема приведена на рис. 1.1. Система ОМП включает четыре последовательные операции: опре-
деление поврежденного элемента; прожигание изоляции в месте повреждения; дистанционное ОМП; топографическое (трассовое) ОМП.
Выделение поврежденного элемента во многих случаях осуществляется автоматически при срабатывании селективной релейной защиты. Релейной защите электрических
сетей и систем посвящены
Рис. 1.1. Структурная схема системы ОМП в электрических се-' тях.
специальные монографии и учебники, например [2]. Поэтому вопросы выделения поврежденных элементов, осуществляемые автоматически на основе работы релейной защиты, в настоящей монографии рассматриваться не будут. Если при срабатывании релейной защиты
автоматически в ы д е л я етс я (отключается) группа элементов (например, последовательная цепочка линий,
РУ и трансформаторов), то выделение поврежденного элемента входит в систему ОМП.
Определение поврежденных элементов приходится осуществлять не только при авариях, т. е. внезапных КЗ, но и при профилактических испытаниях. Это относится
к испытаниям, одновременно охватывающим цепочки элементов или даже участки электрической сети. Способы
определения поврежденных элементов зависят от характеристик сетей и видов повреждений. Этим способам посвящается отдельная глава.
Вторая операция системы ОМП — прожигание. По существу это подготовительная операция, обеспечивающая возможность использования совокупности методов ОМП. Как будет показано ниже, многие методы ОМП применимы только при переходном сопротивлении в месте повреждения изоляции не более сотен и даже единиц омов (в отдельных случаях требуются десятые доли ома). Снизить переходное сопротивление — задача прожигания.
При профилактическом (во время испытаний) пробое изоляции КЛ переходные сопротивления составляют десятки мегаом и более. Во многих случаях остаются недопустимо большими для ОМП переходные сопротивления
12
и при аварийных повреждениях КЛ. Поэтому прожигание изоляции .КЛ в месте повреждения необходимо в подавляющем большинстве случаев. Для этой цели применяются специальные установки. Стоимость и габаритные размеры таких установок являются определяющими для всего передвижного комплекса средств ОМП КЛ. Методам и средствам прожигания изоляции в месте повреждения КЛ также посвящена отдельная глава.
Как правило, прожигание поврежденной изоляции ВЛ, РУ и трансформаторов не требуется. Это прежде всего связано с характером повреждений изоляции этих элементов. Повторная подача рабочего напряжения на предположительно поврежденный элемент является по существу операцией, аналогичной прожиганию. Эта операция позволяет подтвердить наличие повреждения и может привести к снижению переходного сопротивления. Повторное или многократное включение поврежденного элемента является операцией, входящей в систему ОМП. Для некабельной изоляции ее лишь условно можно называть прожиганием. Специальные методы и средства необходимы только для прожигания кабельной изоляции.
Общими требованиями к ОМП всех типов и классов линий электропередачи являются быстрота и точность. Наиболее быстро можно произвести дистанционное ОМП, заключающееся в измерении расстояния до места повреждения от конца или концов линии. Однако любое дистанционное ОМП обладает ограниченной точностью.
Для КЛ, проложенной в земле, нельзя достаточно определенно указать место раскопки трассы, соответствующее идеально точно измеренному расстоянию от конца линии. Ниже отмечаются факторы, делающие неопределенной задачу точного измерения расстояния до места повреждения. Расстояния до характерных точек трассы КЛ (поворотов, соединительных муфт и т. п.) в исполнительной документации указываются в планах, т. е. в горизонтальной плоскости. В действительности КЛ изменяет свое положение и по вертикали, что не отражается в документации.
Кабель укладывается в траншее без натяга, так называемой змейкой. Степень удлинения за счет такой непрямолинейной укладки учесть сколько-нибудь достоверно нельзя. Поэтому даже при хорошо ведущейся документации нельзя указать на трассе точку, соответствующую точному расстоянию от конца КЛ, с погрешностью меньше 1—2 %. Для КЛ длиною I = 3000 м соответствующая абсолютная погрешность составит ±(30 4-60) м. В усло-
13
виях усовершенствованных (асфальтобетонных) покрытий раскопка участка протяженностью 60—120 м совершенно недопустима.
В современных крупных городах абсолютная погрешность для ОМП подземных КЛ не должна превышать ±3 м. Даже для коротких КЛ с учетом неидеальности самого дистанционного измерения удовлетворить этому требованию одним дистанционным ОМП нельзя. Пусть, например, погрешность дистанционного измерения составит 1 %, погрешность топографического отсчета на местности —2 %, тогда для I — 200 м результирующая абсолютная погрешность А/ = ±200 К 0,012 + 0,022 = = ±4,5 м. Таким образом, дистанционное ОМП позволяет быстро указать фактически не место повреждения, а зону его расположения. Требованию точности дистанционное ОМП может удовлетворить лишь на очень коротких линиях (/ <Z 100м). Для подавляющего большинства длин КЛ необходим, следовательно, еще один метод ОМП — топографический (трассовый).
Топографическое ОМП — это определение искомого места на трассе, т. е. топографической точки расположения места повреждения. Точность современных топографических методов для КЛ не ниже ± 3 м. Но ограничиться использованием только топографических методов, обеспечивающих необходимую точность, тоже нельзя, так как при этом не удовлетворяются требования быстроты ОМП (не более нескольких часов). При использовании топографических методов необходимо перемещаться со специальной аппаратурой по всей трассе КЛ. Знание же указанной дистанционной зоны повреждения позволяет ограничиться пределами этой зоны, т. е. резко сократить время поиска.
Положение о необходимости применения не менее двух методов ОМП (дистанционного и топографического) распространяется. и на ВЛ в основном потому, что линейному персоналу (обходчикам) без топографических средств очень трудно обнаружить следы повреждения ВЛ. Даже верховые (с подъемом на опоры) осмотры на всегда позволяют найти следы перекрытия подвесных или штыревых изоляторов. Иногда, особенно при неустойчивых повреждениях, вообще не остается на трассе ВЛ следов перекрытия и протекания токов КЗ. Если имеются топографические средства, например указатели «поврежденных» опор, то можно делать верховой осмотр лишь одной опоры (иногда еще двух соседних). Время поиска резко сокращается. Таким образом, каждое повреждение надо опре-14
делять сначала дистанционно (найти зону), а затем топографически (найти место). Исключение составляют лишь очень короткие линии или проводки. Для них часто достаточен какой-либо один метод ОМП.
Отдельные методы ОМП представляют собою совокупность сложных операций. Например, ОМП на основе измерения параметров аварийного режима включает операции, связанные с автоматизированной системой диспетчерско-технологического управления. Эти вопросы будут
Рис. 1.2. Схема классификации методов ОМП.
рассматриваться ниже при описании соответствующих методов. Здесь лишь необходимо отметить, что ОМП является повседневной оперативной диспетчерской задачей для всех видов сетей электрических систем. Система ОМП — звено системы управления передачей и распределением электроэнергии. В настоящей монографии рассматриваются лишь специфические аспекты такой системы. При этом принимается во внимание необходимость удовлетворения более общих требований автоматизированной системы управления (АСУ) передачей и распределением электроэнергии.
На рис. 1.2 представлена схема классификации методом ОМП. В основу классификации положено разделение на: 1) дистанционные и топографические и 2) высокочастотные и низкочастотные методы. Последнее подразделение связано с принципиальным различием электрических процессов в объектах измерения (проводах и кабелях) в существенно разных частотных диапазонах.
Под низкочастотным диапазоном (fH) будем понимать частоты от нуля (постоянный ток) до нескольких килогерц.
15
При этом для воздушных линий /н =0^-1 кГц, для кабельных линий • fa = 0 -г-10 кГц. К высокочастотному диапазону (fB) отнесем частоты, превышающие несколько десятков килогерц. При этом для воздушных линий fB = = 30-5-1000 кГц, для кабельных линий /в — 60-5-10® кГц. Диапазоны частот 1—30 кГц для ВЛ и 10—60 кГц для КЛ не используются в практике ОМП. Это означает, что между двумя используемыми частотными диапазонами разница весьма существенная.
Теоретические основы соответствующих групп методов различаются более существенно, чем для групп дистанционных и топографических методов. Это обстоятельство и обусловило построение настоящей книги. После изложения основных вопросов системы поиска повреждений, которым посвящена первая часть, излагаются высокочастотные методы и в последней части — низкочастотные методы. Метод стоячих волн практического распространения не получил, и из высокочастотных используются только импульсные методы. В соответствии с этим вторая часть книги посвящена импульсным методам. Это тем более целесообразно, что они наиболее распространены и эффективны, а теоретические основы и методология их использования имеют специфические особенности.
В двух последующих параграфах будут приведены характеристики всех имеющих сколько-нибудь существенное значение методов ОМП. При этом описание методов, применяемых в настоящее воемя весьма редко, ограничивается изложенным в этих параграфах. Для широко распространенных методов здесь даются только основные характеристики. Подробное описание теоретических и практических аспектов этих методов приведено во второй и третьей частях книги.
1.3.	ХАРАКТЕРИСТИКА ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ МЕТОДОВ
Как видно из схемы классификации, приведенной на рис. 1.2, к высокочастотным относится только часть дистанционных методов ОМП. Прежде всего рассмотрим импульсные методы, принцип действия которых основан на измерении интервалов времени распространения электромагнитных волн (импульсов) по участкам линий.
По признаку использования для отсчета времени специально генерируемых импульсов или же возникающих в месте повреждения линии электромагнитных волн целесообразно разделить методы на локационные и волновые. В свою очередь волновые методы надо разделить 16
на двусторонние и односторонние по фиксации моментов прихода фронтов волн на обоих концах линии или на одном конце. При двусторонних измерениях необходима посылка так называемых хронирующих сигналов, обеспечивающих «привязку» к общему началу отсчета времени измерительных элементов на обоих концах линии. По периоду посылки хронирующих сигналов двусторонние волновые измерения целесообразно разделить на методы
с предварительным и с последующим хронирующими сигналами. Описанная классификация схематически по
Рис. 1.4. Трасса распространения импульсов и временные соотношения при локационном методе ОМП.
1 — линия; 2 — место повреждения; 3 —трасса распространения импульсов; 4—5 — зондирующий и отраженный импульсы.
Рис. 1.3. Схема классификации импульсных методов ОМП.
1 — импульсные методы; 2 — локационные методы; 3 — волновые методы; 4 и 5 — волновые односторонние и двусторонние измерения; 6 и 7 — предварительная и последующая посылки хронирующих сигналов.
казана на рис. 1.3. Классификация полностью охватывает все существенные различия между известными в настоящее время методами. Для удобства сопоставления этой классификации с употребляемой в США и Японии, где методы обозначаются буквами латинского алфавита, приведена табл. 1.2.
Локационный метод [4] основан на измерении времени между моментом посылки в линию зондирующего электрического импульса и моментом прихода к началу линии импульса, отраженного от места повреждения. Трасса распространения импульсов в поврежденной линии и временные соотношения показаны на рис. 1.4. Послав в линию импульс, измеряют интервал t„ — время двойного пробега этого импульса до места повреждения. Искомое расстояние до, места повреждения
17
где о — скорость распространения импульса в линии.
Локационные измерения подразделяется на автоматические и неавтоматические. Первые используются для ВЛ, включенных в находящуюся под рабочим напряжением электрическую сеть. При срабатывании релейной защиты запускается автоматический локационный искатель, который фиксирует искомое расстояние за время, меньшее одной десятой доли, секунды. Если в результате успешного АПВ линия остается в работе, то на основе полученного замера можно выполнить профилактический ремонт.
Таблица 1.2
Наименование методов по классификации, принятой в СССР			Наименование методов, используемое в США и Японии
Локационный			С, F, К
Волновые	Односторонние измерения		А
	Двусторонние измерения	с предварительной посылкой хронирующего сигнала	D. Р
		с последующей посылкой хронирующего сигнала	В, Е
Измерения в период горения дуги КЗ — важное условие ОМП на ВЛ. После погасания дуги на поврежденной ВЛ получить необходимый отраженный импульс при неавтоматической локации в большинстве случаев не удается. На КЛ неавтоматическая локация весьма эффективна.
Волновой метод двусторонних измерений [4] основан на измерении времени между моментами достижения концов линии фронтами электромагнитных волн, возникающих в месте повреждения.
На рис. 1.5, а показан один провод линий электропередачи длиной L, который в момент повреждения t = О заряжен до напряжения U, например, положительной полярности. При возникновении пробоя изоляции этого провода на землю в некоторой точке, удаленной от конца линии на расстояние Г, напряжение в этой точке становится равным нулю. Вследствие этого в месте повреждения возникают распространяющиеся в обе стороны элек-18
тромагнитные волны напряжением —I/, стремящиеся со скоростью v распространить нулевой потенциал по всей линии (рис. 1.5, б).
По истечении времени 4 = (L — l')/v фронт одной из волн достигает ближнего (левого на рис. 1.5, в) конца линии, спустя интервал t2 = l'/v фронт второй волны до-
Рис. 1.5. Диаграмма распространения волн и временные соотношения при волновом методе ОМП.
а — напряжение на линии перед повреждением; б — распространение волн непосредственно после пробоя; в — расположение фронтов волн в момент достижения одним из них конца линии; г — временные соотношения.
стигнет дальнего конца. Временные соотношения показаны на рис. 1.5; г. Интервал времени
Д^ — 4 4 —
21'	L
—   - • V	V
Если повреждение произошло в середине линии (/' = = L/2), то фронты волн достигают обоих концов одновременно: 4 = 4 и ~ 0- При Г > L/2 4 > 4 и Д/ >0 (положительная величина). При V <L/24<4 и можно измерить величину —Д/ = 4 — 4 >0- Учитывая, что длина линии L известна, можно из предыдущего уравнения определить расстояние до места повреждения:
д/
V.
Поскольку точность измерения интервала Д/ составляет единицы микросекунд, то с такой же точностью необходимо вести синхронный счет времени на обоих концах линии. Это при современном уровне техники требует посылки с одного (ведущего) конца линии на другой 19
(ведомый) хронирующих сигналов, обеспечивающих привязку моментов отсчета.
Волновой метод двусторонних измерений с предварительными хронирующими сигналами поясняется рис. 1.6. На обоих концах линии непрерывно ведут счет времени одинаковые счетчики. Со стороны ведущего конца (левого на рис. 1.6) периодически поступают хронирующие импульсы, обеспечивающие синхронность хода счетчиков
Рис. 1.6. Временные соотношения при волновом методе двусторонняя измерений с предварительными хронирующими сигналами.
а — момент возникновения повреждения; б — момент достижения фронтом волны ближнего от места повреждения конца линии; в — момент достижения фронтом волны дальнего конца линии; 1 — линия; 2 — место повреждения? 3 — трасса хронирующих сигналов; 4и5- ведущий и ведомый счетчики.
(счетчики могут синхронизироваться и непрерывными синусоидальными сигналами, это . не вносит существенных отличий). Поскольку время распространения хронирующих сигналов вполне определенное, то начало отсчета на ведомом конце в любой момент времени сдвинуто по отношению к началу работы ведущего счетчика на известное время t0 (рис. 1.6, а). Если хронирующие сигналы передаются по самой обслуживаемой линии, то t0 «=» L/v.
Хронирующие сигналы могут передаваться по какому-либо каналу связи, например радиорелейной линии. При этом интервал времени /0 также известен.
Возникающие в момент КЗ электромагнитные волны распространяются к обоим концам линии. В моменты достижения фронтами волн концов линии соответствующие счетчики останавливаются.
20
В соответствии с рис. 1.6 разность показаний счетчиков
А4 ,	,	2/' , 4 L
Д/ = t2 — tr = —--------Но------->
откуда
М
L — t$-v 2
V.
(1.1)
Волновой метод двусторонних измерении с после дующими хронирующими сигналами рассмотрен на рис 1.7
При этом методе измерений счетные устройства находятся в «ждущем» режиме. В нормальных условиях хронирующие сигналы не передаются. Возникновение КЗ (момент О
Рис. 1.7. Трасса волн и хронирующего импульса и временные соотношения при волновом методе двусторонних измерений с последующими хронирующими сигналами.
а — отсчет времени ведется без задержки; б — отсчет ведется с задержкой; 0 — момент возникновения повреждения; 1 и 2 — приход фронта волны к ведущему и ведомому концам линии; /' — запуск счета времени при исключении задержки; 3 — момент посылки хронирующего импульса; 4 — приход хронирующего импульса к ведущему концу линии; G =(L —/')/и; ti = Г/v; — длительность калиброванной задержки; /0 — длительность прохождения хронирующего импульса между концами линии.
на рис. 1.7) вызывает появление электромагнитных волн, распространяющихся к концам линии. При достижении фронтом волны ведущего конца линии (момент 1 на рис. 1.7) там начинается счет времени. Приход фронта волны к ведомому концу (момент 2) вызывает мгновенную или задержанную на заданное время t3 посылку хронирующего импульса (момент 3). Этот импульс, достигнув противоположного конца линии через интервал времени /0 (момент 4), останавливает там счет времени,
В соответствии с рис. 1.7 отсчитанный интервал времени
v
21'
21
Для исключения в ряде случаев относительно большого времени задержки t3 из результата отсчета запуск счета времени на ведущей стороне осуществляют не в момент прихода фронта волны (момент 1 на рис. 1.7, а), а в момент Г (рис. 1.7, б), т. е. с задержкой на ту же величину t3, что и в на ведомом койце. Тогда
Af =	— tv = (t0 — L/v) + 21'/v,
откуда следует, что расстояние Г может быть вычислено по формуле (1.1).
При передаче хронирующего сигнала по самой обслуживаемой линии
Волновой метод односторонних измерений используется как на включенных в сеть, так и на отключённых линиях [4, 5]. Реализуется он в двух разновидностях.
Первая разновидность предполагает измерение времени между моментом прихода к началу линии фронта волны, возникшей в месте повреждения, т. е. на расстоянии I от начала линии, и моментом вторичного прихода фронта волны после двух отражений (в начале линии и месте повреждения). Указанный интервал определяется как т = 2Uv, откуда искомое расстояние I = -£-v. Для отключенных линий этот метод называют методом колебательного разряда.
Вторая разновидность разработана в МЭИ для дальних передач постоянного тока [5] и предполагает измерение времени между моментом прихода к началу линии фронта волны, возникшей в месте повреждения и распространяющейся по волновому каналу (см. гл. 4) «провод— провод», и моментом прихода фронта аналогичной волны, распространяющейся по волновому каналу «провода— земля». Указанный интервал времени
где 1>В1 п и оп, з — соответственно скорости распространения фронтов волн по указанным выше каналам.
При этом искомое расстояние .__________________________Д/
1/Оп, 3 — 1/fn, п
Метод стоячих волн называют еще «высокочастотным» [6]. Он основан на измерении входного полного сопротивления поврежденной линии в широком диапазоне частот. 22
К началу линии, имеющей обрыв или КЗ, присоединяют генератор переменной частоты (ГПЧ) и вольтметр У-(рис. 1.8, а) и снимают зависимость показаний вольтметра от частоты. Характер этой зависимости показан на рис. 1.8, в. Изменения напряжения вдоль линии при КЗ и резонансе показаны на рис. 1.8, б. По мере изменения частоты входное сопротивление периодически меняется, вследствие чего меняются показания вольтметра. Для любого волнового канала (определенного подключения к проводам линии) характер изменения входного сопротивления аналогичен. Если взять для упрощения волновой канал линии
Рис. 1.8. Измерения методом стоячих волн.
а — принципиальная схема соединений; б изменение напряжения вдоль линии при резонансе; в — изменение напряжения в начале линии в зависимости от частоты; 1 — кабель; 2 — место КЗ.
без потерь, замкнутый на активное сопротивление R, то полное входное сопротивление z будет определяться следующим выражением:
Л	со/
s/zB+/tg— г = 2в----------— ’
1 + / (R/ZJlgL
где ZB — волновое сопротивление данного канала линии; I — длина линии; v — фазовая скорость распространения по данному каналу.
Пусть R = 0, т. е. на расстоянии I имеет место КЗ; тогда
при —= (2я? + 1) “Tj- значение z -> оо; при со//о = kn значение z= О,
где k — 0, 1, 2 ... — кратность соответствующей резонансной частоты. Последнему случаю соответствует резонансная частота генератора
f = со/2л = kvl2l.
Аналогично для линии на х. х. (разомкнутой) резонансная частота f = (2k + 1) v/4l.
Интервал между соседними резонансными частотами, соответствующими минимальным или максимальным показаниям вольтметра, в обоих случаях (обрыв или КЗ) составляет:
А/х = v/2lxt
откуда искомое расстояние до места повреждения 1Х = р/2Д/,.
23
Таким образом, по разности частот между соседними максимумами (минимумами) показаний вольтметра определяют расстояние до места повреждения.
При измерении с обоих концов линии расчет производится по формуле
/ _ 1 ___Му_____
где L — полная длина линии; и &fy — результаты измерений с соответствующей стороны.
При наличии переходного сопротивления в месте повреждения изоляции или шунтирующего сопротивления в месте обрыва диапазон колебаний входного сопротивления уменьшается. Еще более затрудняется измерение при существовании на линии неоднородностей, так как в этом случае возникают дополнительные стоячие волны, которые накладываются на волны, вызванные наличием повреждения. Для трехфазных линий включение генератора и вольтметра не на определенный волновой канал, а, например, по схеме «поврежденный провод—оболочка» дополнительно искажает картину стоячих волн из-за различных скоростей распространения волн по разным каналам. Поэтому для КЛ, где скорости разных каналов мало различаются, измерение по указанной выше схеме практически еще возможно. Для ВЛ при ОМП методом стоячих волн можно использовать только межпроводный канал.
Метод стоячих волн по всем показателям уступает импульсным методам. В СССР он никогда не использовался. За рубежом он применяется редко, только при отсутствии импульсной аппаратуры.
1.4.	ХАРАКТЕРИСТИКА НИЗКОЧАСТОТНЫХ МЕТОДОВ
Из низкочастотных дистанционных методов ОМП наиболее важное значение имеют методы, основанные на измерении параметров аварийного режима. Параметры аварийного режима (ПАР) — это такие составляющие или комбинации токов и напряжений промышленной частоты в аварийном режиме, по которым можно вычислить расстояние до места КЗ на ВЛ. Эти параметры фиксируется, т. е. измеряются и запоминаются непосредственно в период протекания токов КЗ в электроэнергетической системе, элементом которой является поврежденная ВЛ. Как и автоматическое импульсное ОМП, измерение ПАР осуществляется до автоматического отключения ВЛ высоковольтным выключателем.
Рассматриваемые методы подразделяются на односторонние и двусторонние в зависимости от расположения измерительных средств по сторонам (концам) ВЛ.
Наибольшее распространение получили двусторонние методы, позволяющие исключить влияние переходного сопротивления в месте КЗ на результат расчета искомого расстояния. При возникновении внезапного КЗ на включенной в сеть с глухозаземленной нейтралью ВЛ (НО— 750 кВ) специальные фиксирующие приборы (ФП) запоминают значения ПАР на концах поврежденной (ВЛ. 24
Эти заполненные значения вместе с заранее известными постоянными линии и примыкающей к ней сети используются для вычисления расстояния до места КЗ. Иногда используются показания ФП на соседних с поврежденной ВЛ. Вычисления могут производиться вручную, по графикам, номограммам и с помощью ЭВМ. В большинстве случаев в качестве ПАР служат напряжения и токи нулевой последов ате л ь н ости.
Односторонние методы позволяют непосредственно измерять расстояние до места КЗ. Однако в этом случае существенное влияние на результаты измерения оказывает
Рио. 1.9. Принципиальная схема определения места повреждения петлевым методом.
переходное сопротивление, особенно при наиболее распространенном виде повреждения — однополюсном КЗ. Эти методы стали использоваться лишь в последние годы.
Весьма ограниченное применение имеют в настоящее время два низкочастотных дистанционных метода: петлевой и емкостный.
Петлевой метод основан на измерении сопротивления постоянному току отрезков жил кабеля.^В тех случаях, когда жила, замкнутая в месте повреждения на оболочку, не имеет обрыва и, кроме того, в кабеле имеется одна «здоровая» жила, определение расстояния до места повреждения можно осуществить петлевым методом, основанным на использовании моста постоянного тока.
Четыре сопротивления А, В, С и D (рис. 1.9) образуют замкнутый четырехугольник; в одну диагональ его включен гальванометр Г, в другую — источник питания с ЭДС, равной Е (обычно батарея гальванических элементов). Если при’ включенной батарее стрелка гальванометра Г не будет отклоняться (нулевое положение), то должно выполняться следующее соотношение-
А/С = B/D.	(1.2)
25
Для осуществления схемы петлевого измерения необходимо на одном конце кабельной линии соединить поврежденную и неповрежденную жилы перемычкой (сечением не менее сечения жил кабеля), обеспечив контакт с малым сопротивлением. Обычно перемычка изготовляется из гибкого многожильного медного троса с надежными зажимами из латуни. На другом конце кабеля к этим же жилам присоединяется измерительный мост со стрелочным гальванометром и батареей. Сопротивления А и С подбираются на измерительном мосте, а В и D представляют собой сопротивление жил кабеля (рис. 1.9). При этом сопротивление петли В + D всегда равняется удвоенному сопротивлению жилы кабеля R, т. е. В + D = 27?.
Так как при одном и том же сечении жилы ее сопротивление пропорционально длине, то, используя (1.2), можно записать соотношение
lx = 2LC/(A + С), позволяющее после установления равновесия моста и фиксации значений А и С вычислить искомое расстояние 1Х.
Так как сопротивление жил кабеля мало по сравнению с сопротивлениями А и С моста, то соединительные провода от кабеля к мосту также оказывают влияние на результат измерений.
Напряжение батареи для питания моста зависит от переходного сопротивления в месте повреждения кабеля и может быть выбрано на основе следующих ориентировочных соотношений:
Переходное сопротивление в месте повреждения, Ом.................... 100	1000	10 000
Напряжение батареи, В........... 4—6	20—30	100—250
При больших переходных сопротивлениях (до 1 МОм) применяют высоковольтные реохордные мосты [7].
Установку равновесия моста производят постепенным подбором измерительных плеч А и С. После установки равновесия моста и подсчета значения I* необходимо поменять местами концы проводов, идущих от жил кабеля к мосту, и провести новое измерение. Если новому равновесию моста будут соответствовать сопротивления его плеч Аг и Съ то в результате этого измерения можно получить величину
г , Z _ 2LC1
Л1 + (?1 5
где 1У — расстояние от'места повреждения до конца кабеля, на котором установлена закоротка (рис. 1.9).
26
На основании двух измерений можно произвести проверку, имея в виду, что lx + L + ly — 2L. Если оба результата в сумме не составляют двойной длины кабеля и значительно отличаются от нее, то это означает, что плечи моста подобраны недостаточно точно и измерения следует повторить, проверив все контакты в схеме.
Погрешность при ОМП петлевым методом складывается из погрешности самого измерения и погрешности, связанной с неточным знанием трассы, длины линии и сечения ее участков.
Относительная погрешность измерения MJL при петлевом методе может быть ориентировочно оценена по формуле [7 ]
где А/ — ток небаланса гальванометра с внутренним сопротивлением 7?г, обусловливающий погрешность А/х.
Из этой формулы следует, что погрешность увеличивается пропорционально росту Аг (уменьшению чувствй-тельности гальванометра) и увеличению отношения переходного сопротивления к напряжению батареи Е. Медленнее погрешность растет с увеличением отношений С/А и сопротивления гальванометра к сопротивлению жил кабеля. Отношение С/А увеличивается до единицы при повреждениях вблизи дальнего от моста конца кабеля. Для снижения погрешности в этом случае рекомендуется производить повторное измерение с переменой концов проводов, т. е. измерять 1У вместо 1Х. На отношение /?г/(27?) влияет выбор типа гальванометра. При прочих равных условиях на кабелях меньшего сечения (возрастает 7?) измерения более точны.
Решающее влияние на точность мостовых измерений оказывают чувствительность гальванометра и отношение напряжения питания к переходному сопротивлению в месте повреждения. Поэтому для кабельных измерений применяют гальванометры с чувствительностью 10"6— 10“7 А/мм.
Область целесообразного использования петлевого метода весьма ограниченна. Его приходится использовать или при отсутствии импульсных приборов, или при расположении места повреждения в воде, когда переходное сопротивление не удается снизить прожиганием ниже нескольких килоом. Импульсные методы более удобны, точны и менее трудоемки. Серийно выпускаемые промышленностью мосты постоянного тока (типов УМВ и МО-6)
и универсальные кабельные мосты (типов РЗЗЗ и Р334) имеют сравнительно низкую чувствительность гальванометров. При пользовании этими мостами желательно подключать выносные дополнительные гальванометры с чувствительностью 10'7 А/мм.
Емкостный метод. При обрывах жил кабеля в некоторых случаях возможно применять емкостный метод. Расстояние до места обрыва определяется по значению измеренной емкости жил участка КЛ. Измерение производится с помощью мостов переменного тока, обычно на частоте 1000 Гц. В качестве нуль-индикатора используется телефон.
Мостами переменного тока можно измерять емкость при обрывах с сопротивлением изоляции в месте повреждения не менее 300 Ом. При меньших сопротивлениях точность измерения снижается ниже допустимого значения. Все жиль< кабеля, кроме измеряемой, заземляют для того, чтобы уменьшить влияние их емкости на результаты измерения. Измерение емкости на постоянном токе может быть применено лишь при таком обрыве жил кабеля, когда переходное сопротивление в месте обрыва превышает 20 МОм.
Из отечественных серийных устройств в настоящее время наиболее подходящим для измерения емкости является универсальный кабельный мост Р334.
Емкостный метод по точности и удобству измерений значительно уступает импульсному и должен применяться лишь при отсутствии импульсных приборов.
Все известные топографические методы относятся к низкочастотным. Наиболее распространенным и важным из них является индукционный, используемый на К Л и ВЛ, а также на внутренних проводках.
Индукционный метод основан на том, что вдоль трассы линии улавливают характер изменения магнитного поля, создаваемого протекающим по линии током. Используется как ток промышленной частоты и его высшие гармонические составляющие, так и ток повышенной частоты (0,4— 10 кГц) специального генератора. К индукционным устройствам методически удобно отнести и направленные (фазочувствительные) устройства, содержащие помимо датчиков магнитного поля еще и датчики электрического поля (например, штыревые антенны). Оператор с переносным приемным устройством перемещается вдоль трассы линии, определяя по различным признакам, находится ли он до или после места повреждения. Имеются в ряде случаев и признаки, характерные для самого места повреждения.
Акустические методы основаны на улавливании на трассе акустических (механических) колебаний, возникающих на поверхности грунта или асфальтобетонного покрытия при искровом разряде в изоляции КЛ. Оператор с акустическим датчиком и усилителем перемещается 28
в зоне ±(15-=-40) м, выделенной дистанционным методом, и определяет место максимального уровня приема по индикатору или на слух с помощью телефона. Искровой разряд в месте повреждения изоляции создается посредством специальных устройств, подключаемых на конце КЛ.
Потенциальные методы основаны на фиксации вдоль трассы электрических потенциалов, создаваемых протекающими по оболочке КЛ и в земле токами. Используются постоянный ток и переменный ток повышенной частоты (звукового диапазона). Оператор перемещается по трассе с двумя контактными стержнями или пластинами. В первом случае осуществляется непосредственное измерение разности потенциалов, во втором — через емкость пластин. Пластины используются при асфальтобетонных покрытиях на трассе КЛ. В переносное устройство входят усилитель и индикатор. Ток в поврежденную жилу подается с конца. КЛ.
Электромеханические методы основаны на фиксации механических усилий, создаваемых за счет энергии тока КЗ. Могут использоваться электродинамические усилия между током в токоведущих частях и наводимым током в расположенном вблизи датчике и электромагнитные силы, приложенные к якорю из магнитного материала. Электромеханические устройства (указатели) устанавливаются стационарно в РУ и на опорах ВЛ. Протекание тока КЗ через контролируемый объект сигнализируется с помощью блинкера. Восстановление исходного состояния указателя (возврат блинкера) в ряде конструкций осуществляется автоматически при включении ВЛ под напряжение.
Акустические, потенциальные и электромеханические методы удобно объединить в одну общую группу так называемых контактных методов, рассмотренных в гл. 9.
ГЛАВА ВТОРАЯ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВРЕЖДЕННОГО ЭЛЕМЕНТА
2.1. ПОВРЕЖДЕНИЯ В СЕТИ НАПРЯЖЕНИЕМ 110—750 кВ
Электрические сети ПО—750 кВ работают в СССР, как и в большинстве зарубежных стран, с глухозаземлен-ной нейтралью. При КЗ на землю и при междуфазных КЗ релейная защита работает на отключение поврежденного участка.
29
Для рассматриваемого класса сетей типичны следующие характеристики:
построение на основе ВЛ;
выделение элементов автоматическими выключателями;
использование АПВ, причем на ВЛ 500—750 кВ также и однофазного (ОАПВ);
снабжение элементов сети отдельной селективной релейной защитой, широкое использование резервных защит ближнего резервирования;
двустороннее питание отдельных участков ВЛ, радиальное питание встречается редко;
неприменение для профилактических испытаний ВЛ повышенного напряжения.
Сети напряжением ПО—220 кВ имеют специфические особенности:
наличие во многих случаях жестко присоединенных (без автоматических выключателей) ответвительных подстанций с силовыми трансформаторами;
частое применение короткозамыкателей и отделителей вместо автоматических выключателей на ответвительных подстанциях.
В СССР количество правильных действий релейной защиты превышает 99 % 12]. Этот показатель представляет собою выраженное в процентах отношение числа правильных срабатываний защиты к сумме правильных и неправильных срабатываний и отражает эффективность ее функционирования. Поэтому при автоматическом отключении какого-либо выключателя на подстанции ПО— 750 кВ следует сначала считать достоверным действие релейной защиты.
Первая операция с точки зрения выделения поврежденного элемента — фиксирование положения указательных реле (УР), называемых также блинкерами.
Подавляющее большинство автоматических отключений выключателей происходит при КЗ. Однако в отдельных случаях могут происходить автоматические отключения, обусловленные работой противоаварийной автоматики, например автоматической частотной разгрузки (АЧР). Отключения выключателей в этих случаях могут выполняться дистанционно с помощью устройств теле-отключения, например типа ВЧТО. В особых случаях на необслуживаемых подстанциях могут применяться действующие на отключение защиты трансформаторов от перегрузок. Соответствующие УР должны зафиксировать действие ВЧТО, защиты от перегрузок и т. п. 30
Существенным признаком происшедшего КЗ является снижение напряжения, которое не только фиксируется щитовыми и регистрирующими приборами, но и субъективно ощущается оперативным дежурным по кратковременному ослаблению освещения щита управления и звуковому эффекту, вызванному повышенными динамическими усилиями в ошиновке расположенных поблизости РУ» При удаленных КЗ эти явления сглаживаются.
При срабатывании защит от КЗ важное значение имеет вид сработавшей защиты (или защит). Наиболее однозначно на КЗ в поврежденном элементе указывает срабатывание защиты этого элемента от внутренних повреждений — основных защит с «абсолютной селективностью».
Абсолютной селективностью обладают защиты, которые принципиально могут срабатывать только в случаях КЗ на защищаемом элементе. К таким защитам прежде всего относятся различные дифференциальные защиты.
Во внутреннюю зону дифференциальных защит, кроме самого защищаемого элемента входят ошиновка и оборудование, расположенные внутри контура, охватываемого трансформаторами тока, к которым присоединены эти защиты. Поэтому даже правильное срабатывание дифференциальной защиты и отключение элемента выключателям^ не позволяют считать работу по выделению поврежденного элемента законченной. Наиболее существенное значение это обстоятельство имеет для ВЛ. Дело в том, что устройства ВЧ обработки и присоединения — заградители и конденсаторы связи, жестко присоединенные к ВЛ внутри защищаемой зоны, обладают недостаточно высокой надежностью*
Дополнительной информацией о повреждении собственно линии служит так называемое промежуточное расстояние1 до места повреждения, зафиксированное устройством автоматического ОМП. Также дополнительной информацией, служит отсутствие видимых признаков повреждения устройств ВЧ обработки и близлежащей ошиновки, что устанавливается наружным осмотром на открытых подстанциях с обоих концов ВЛ. Особенно срочно такой осмотр следует выполнить при неуспешном АПВ, которое фиксируется как соответствующим УР, так и фактами последовательности автоматических операций: отключение—включение—отключение и двукратным кратковременным снижением напряжения.
Свойства, аналогичные (с точки зрения выделения поврежденной ВЛ) свойствам дифференциально-фазной защиты, имеет быстродействующая направленная защита
* Большее «мертвой» зоны и меньшее длины ВЛ измеренное расстояние до места КЗ.
31
с ВЧ блокировкой. Абсолютной селективностью обладает газовая защита трансформаторов, срабатывание которой указывает на внутреннее повреждение в трансформаторе.
Защиты, которые по принципу действия могут срабатывать в качестве резервных при КЗ на смежных элементах с учетом селективности только при внешних КЗ, называются относительно селективными. К ним относятся: токовые и токовые направленные защиты, токовые и токовые направленные защиты нулевой последовательности, дистанционные защиты. Срабатывание первых ступеней этих защит, фиксируемое УР, свидетельствует с достаточно высокой вероятностью о повреждении именно защищаемого элемента. Вторые ступени выполняют кроме защиты некоторой, части элемента функцию дальнего резервирования. Последнюю функцию выполняют также третьи ступени. Поэтому факт срабатывания не первой ступени защит с относительной селективностью не позволяет делать сколько-нибудь достоверного заключения о поврежденном элементе. Необходимо получить и проанализировать информацию ср смежных элементов данной подстанции и соседних подстанций.
Важную информацию дают также автоматические осциллографы, которые запускаются на подстанциях НО— 750 кВ в аварийных режимах. По осциллограммам можно установить не только значения токов КЗ на ВЛ, но и последовательность во времени отключения отдельных элементов в сложных случаях, каскадную работу защит и т. п.
Особую осторожность следует проявлять, когда принимается решение о поврежденном элементе, если имело место срабатывание (УРОВ) устройства резервирования отказа выключателей. В этом случае более вероятным становится повреждение удаленного (по отношению к смежному с отключившимся выключателем) элемента.
В случае успешного АПВ ВЛ необходимо немедленно снять показание обслуживающего ее автоматического искателя повреждений. Если индикатор искателя показывает промежуточное расстояние, то наличие повреждения на отключившейся линии можно считать подтвержденным. Такую же информацию можно получить на основе показаний спёциальных ФП после выполнения необходимых оперативных расчетов (см. гл. 7).
В случае неуспешного АПВ ВЛ и отключения ее с обеих сторон при оставшейся в работе остальной сети действия персонала зависят от конкретных условий и регламентируются местными инструкциями. Эти конкретные условия, в частности, определяются запасом динамической 32
устойчивости, ответственностью линий, допустимостью включения б^з проверки синхронизма, допустимой' длительностью неполнофазных режимов, категорией токоприемников соответствующих участков сети и т. п. Отметим лишь операции, которые целесообразно выполнить после неуспешного АПВ ВЛ (включая и двукратные АПВ) только с позиций заключения о наличии повреждения на ВЛ.
Если на ВЛ установлен и сработал автоматический искатель, то необходимо немедленно снять ЙОкаМния его индикатора. Промежуточное расстояние, показанйбе индикатором, не только подтверждает наличие КЗ на ЙЛ, йо и является обоснованием для направления бригады обходчиков на трассу.
Если система ОМП по параметрам аварийного режима не является полностью автоматизированной, то от нее те же результаты, что и от автоматического искателя, можно получить не раньше чем через 15—40 мин. Поэтому, сняв показания ФП и подготовив их к следующему срабатыванию, целесообразно осуществить одностороннее включение ВЛ под напряжение. Автоматическое ее отключение от защиты подтверждает наличие КЗ на ВЛ.
При автоматическом отключении двух и более элементов сети целесообразно выполнить следующие операции:
проанализировать работу релейных защит по показаниям УР;
рассмотреть осциллограммы автоматических осциллографов (в случае немедленного проявления осциллограмм или иного быстрого способа визуализации);
снять показания автоматических искателей на отключившихся ВЛ и показания ФП и проанализировать эти показания;
осмотреть РУ и трансформаторы для выявления явных признаков повреждения (загорания, следов действия дуги, выбросов масла, деформации или разрушения ошиновки, разрушения изоляционных конструкций и т. п.);
обработать поступившие телефонные сообщения от представителей населения региона, видевших дуговую вспышку на трассе той или иной ВЛ.
Если различные признаки непротиворечивы и указывают на поврежденный элемент, то сначала . производят включение под напряжение остальньус элементов. После их успешного включения с оставшимй элементом поступают так же, как при автоматическом отключении только оДного элемента.
^2 Г. М. Шалит 287	33
При отсутствии явных признаков повреждения отключившегося силового трансформатора проводятся:
анализ масла;
проверка изоляции и целости обмоток с помощью мегаомметра; испытания посторонним источником напряжения изоляции обмоток между собой и по отношению к земле;
выявление витковых замыканий с помощью специальной методики и аппаратуры [8].
п/ст. В	п/ст . Г	п/ст.Д
Рис. 2.1. Схема участка сети с короткозамыкателями и отделителями.
Перекрытия изоляционных конструкций РУ 110—^ 750 кВ сопровождаются сильным световым и акустиче* ским эффектом и напоминают взрыв. Поэтому в большинстве случаев на обслуживаемых подстанциях выявление поврежденного РУ не представляет трудностей. На необслуживаемых подстанциях иногда могут отсутствовать явные следы перекрытия изоляции. Повторная подача рабочего напряжения на шины такого РУ представляет серьезный риск. В этом случае предпочтительнее испытание изоляционных конструкций от постороннего маломощного источника.
Рассмотрим теперь выявление поврежденного элемента на ВЛ с ответвлениями, снабженными короткозамыкателями и отделителями. Схема участка сети с двусторонним питанием от подстанций А и Б и двумя параллельными линиями JII и ЛИ. к которым без автоматических выключателей присоединены трансформаторы Т1—Т4 подстанций В. Г и Д, показана на рис. 2.1 (Ki—Кл — коротко-замыкатели; —О4 — отделители; О — разъединитель), 34
Короткозамыкатели создают увеличенный ток КЗ для действия защиты линий при повреждениях в трансформаторе, имеющей недостаточные чувствительность и быстродействие. Короткозамыкатели включаются при действии релейной защиты трансформатора (токовой, дифференциально-токовой, газовой). Отделитель должен действовать только в бестоковую паузу АПВ линии. Поэтому в схеме управления отделителем (отключающим все три фазы трансформатора от ВЛ) предусматривается контроль. отсутствия напряжения и тока в фазах отделителя. В ряде случаев контролируется только отсутствие тока в цепи короткозамыкателя.
Например, при возникновении КЗ в трансформаторе Т2 его защитой включается короткозамыкатель и затем защита линии Л1 отключает автоматические выключатели с обеих ее сторон. При исчезновении тока и напряжения в линии Л1 отделитель О2 отключается. После окончания бестоковой паузы линия Л1 включается от устройства АПВ в работу уже без трансформатора Т2.
Когда происходит успешное АПВ линии Л7, то прежде всего необходимо установить, было ли повреждение на ВЛ или в каком-либо трансформаторе. Включенное состояние короткозамыкателя и отключенное состояние отделителя одного из трансформаторов указывают на его повреждение. Необходимо срочное подтверждение этого факта способами, перечисленными ранее. Отсутствие сработавших короткозамыкателей и отделителей указывает на самоустранившееся неустойчивое повреждение ВЛ.
Неуспешное АПВ может произойти как из-за устойчивого КЗ на ВЛ, так и в случае отказа отделителя. Поэтому до начала обхода ВЛ необходимо установить положение всех короткозамыкателей и отделителей отключившейся линии. Для ускорения выделения поврежденного элемента на ВЛ ПО—220 кВ с несколькими ответвлениями используются направленные указатели поврежденных участков, контролирующие и фиксирующие направление мощности в аварийном режиме [9].
На рис. 2.2 изображена схема ВЛ с двусторонним питанием, к которой присоединены две ответвительные подстанции. Присоединение этих подстанций к ВЛ осуществлено разъединителями. Быстрое определение и отключение поврежденного участка позволяют ускорить восстановление электроснабжения подстанций.
При установке четырех направленных указателей (НУ) на питающих А, Б и ответвительных В, Г подстанциях легко выделить поврежденные участки 7, II или III
2*	35
(рис. 2.2). Повреждение в трансформаторе и нагрузке, как правило, селективно отключается плавким предохранителем /7/7. При КЗ на участке II все четыре НУ покажут направление мощности от шин в линию, при КЗ на участке III указатель НУГ покажет направление к шинам, а остальные — в линию. Наконец, при КЗ на участие / направление к шинам покажет указатель НУВ.
Направленные указатели подключаются к датчикам тока (фильтрам токов нулевой последовательности) и
Рис. 2.2. Схема ВЛ с подключением подстанций на ответвлениях разъединителями.
датчикам напряжения (фильтрам напряжений нулевой последовательности). Датчики тока — это обычно фильтры на магнитных трансформаторах, а датчики напряжения— измерительные конденсаторные вводы [9]. Направление мощности фиксируется и запоминается. Если необходимо реагировать также на КЗ, не связанные с землей, то используются фильтры составляющих обратной последовательности.
Перед восстановлением электроснабжения ответви? тельных подстанций (уже по одностороннему питанию) необходимо убедиться в исправности трансформатора и части сети, подключенной со стороны нагрузки. Эта необходимость вызвана тем, что может не сработать предохранитель трансформатора.
2.2. ПОВРЕЖДЕНИЯ В СЕТИ НАПРЯЖЕНИЕМ 6—35 кВ
Эти сети в СССР работают о изолированной нейтралью. Для компенсации емкостных токов однофазного замыкания на землю используются включаемые в нейтраль дугогасящие катушки. В этом случае сети называются ком-t)t>
пёнсированными. Сети 6—35 кВ имеют следующие основные особенности:
в городах они строятся на основе КЛ, в сельской местности — на основе ВЛ, имеются и смешанные участки, состоящие из КЛ и ВЛ;
элементы отделяются друг от друга в большинстве случаев неавтоматической коммутационной аппаратурой (р азъед и н ите л я м и);
Рис. 2.3. Схема участка сети с тремя питающими кабельными линиями.
кроме релейной защиты, действующей на отключение выключателей при междуфазных КЗ, используется защита от однофазных^ замыканий на землю («земляная сигнализация»), действующая на сигнал;
профилактические испытания КЛ и РУ проводятся повышенным напряжением.
На рис. 2.3 приведена типичная схема участка сети [10]. Центром питания ЦП является РУ генераторного напряжения электростанции или РУ 6—35 кВ понизительной подстанции. От ЦП отходят так называемые питающие КЛ или ВЛ. На рис. 2.3 показан участок сети с тремя питающими кабелями. На ЦП крупных городов число питающих! кабелей составляет несколько десятков.
37
Питающие кабели соединяют ЦП с распределительными пунктами (РП), которые располагаются в центрах электрических нагрузок города или сельского региона. От РП в различные стороны идут так называемые направления, содержащие линии и трансформаторные пункты или подстанции (ТП), соединенные между собой разъединителями. В подавляющем большинстве случаев цепочка КЛ или ВЛ соединяет два направления, идущие из разных РП. Так, на рис. 2.3 направление РП1— ТП6 связано цепочкой линий: ТП6—ТП5—ТП4—ТПЗ—ТП2—ТП1 с направлением РП2—ТП1. Стрелками показаны места деления (разрыва) сети. Так, в указанной выше цепочке место деления находится в ТПЗ на КЛ в сторону ТП4,
Рис. 2.4. Схема разветвленного участка сети.'
Автоматическими выключателями с релейной защитой оборудуются только центры питания и РП. В ТП кроме разъединителей в цепи присоединения трансформаторов устанавливаются высоковольтные, плавкие предохранители (ПП). В ряде случаев в цепи относительно мощных (750 кВ-А и более) трансформаторов устанавливаются автоматические выключатели с релейной защитой.
При повреждении какой-либо КЛ автоматически отключается выключатель направления. Так, при повреждении на участке ТП6— ТП5 отключается выключатель направления РП1—ТП6. Без напряжения оказывается участок ТП4—ТП6, а участок ТП1—ТПЗ продолжает питаться от РП2. Этот же результат может получиться, если не сработает предохранитель при повреждении трансформатора, например ТП4. Характеристики предохранителей и уставки защиты трансформаторов согласуются с уставками защиты направлений. Но в этих сетях приходится считаться с возможностью неселективных отключений.
При КЗ на питающих КЛ или ВЛ они отключаются с двух сторон автоматическими выключателями. Питание шин РП в этом случае обеспечивается либо вторым питающим кабелем, либо резервным кабелем от соседнего РП с помощью устройства автоматического включения резерва (АВР).
Цепочки линий и ТП (особенно в сельской местности) имеют древовидную структуру и могут быть весьма разветвленными. Пример нескольких таких связанных направлений приведен на рис, 2.4. Определение поврежден-38
Рис. 2.5. Структурная схема устройства УКЗ.
испытания повышенным
ного элемента в общем случае представляет довольно сложную задачу.
Рассмотрим требования к методике определения поврежденного элемента.
Первым и наиболее важным требованием является скорейшее восстановление питания отключившихся токоприемников и сохранение питания остальных токоприемников. Это означает, что критерием эффективности той или иной методики прежде всего является минимизация недоотпуска электроэнергии потребителям.
Вторым требованием является минимизация затрат труда, времени и средств на осуществление поиска. Следует при этом подчеркнуть, что удовлетворение условиям техники безопасности и противопожарной техники является обязательным.
Для выделения поврежденного элемента используются: указатели КЗ (УКЗ); устройства земляной сигнализации (УЗС); мегаомметры; передвижные установки для
напряжением; переносные указатели повреждения {У I).
В последние годы УКЗ и УЗС начали снабжать аппаратурой телесигнализации (ТС) для передачи информации на диспетчерские пункты.
Указатели короткого замыкания для сетей 6—35 кВ срабатывают при превышении током КЗ заданного значения [9]. Эти указатели в отличие от «направленных» целесообразно называть «токовыми». Однако они предназначены также для указания направления к месту КЗ. Расположенные в узловых точках сети сработавшие УКЗ показывают трассу протекания тока КЗ. Ток срабатывания должен превышать нагрузочные токи, но быть меньше минимальных аварийных токов междуфазного КЗ.
Структурная схема УКЗ представлена на рис. 2.5. К датчикам тока 1 присоединен измерительный орган 2 с заданной уставкой. При превышении током этой уставки орган 2 срабатывает, воздействуя на положение индикатора 3. Восстановление исходного состояния измерительного органа и индикатора осуществляется блоком восстановления 4 после отключения поврежденного элемента. Восстановление может осуществляться тремя способами: от датчика напряжения 5, поскольку на ВЛ восстанавливается напряжение; от датчика тока, реагиру-
39
ющего на нагрузочный ток ВЛ; вручную. Последний способ применяется редко, так как при этом значительна загрузка оперативного персонала.
В качестве датчиков тока используют трансформаторы тока в двух фазах ВЛ или специальные магнитные датчики, устанавливаемые. на изоляционном расстоянии от проводов линии [9 ]. Напряжение подводится к указателю с помощью емкостного отбора, который возможен как антенным путем, т. е. через дополнительный изолированный провод, подвешенный в одном пролете ВЛ, так и с помощью присоединения к рабочему проводу через подвесной изолятор. В качестве измерительного органа используются чаще всего электромагнитные реле.
Индикаторы делятся на стационарные и переносные. В последнем случае один индикатор используется для группы стационарных блоков, установленных на ВЛ и имеющих штепсельные розетки для подключения переносного индикатора. Стационарные индикаторы — это механические указатели, которые хорошо заметны с расстояния в несколько метров. Переносные индикаторы состоят из гальванической батарейки и лампочки, сигнализирующей о положении контактов стационарного блока. Контактный выход стационарного блока может быть также использован для телесигнализации.
Указатели КЗ могут устанавливаться как на ТП, так и на опорах ВЛ. По данным [11, 12] установка УКЗ только на узловых ТП сети 6—10 кВ сокращает время поиска повреждений на 28 ?7о.
Устройства земляной сигнализации делятся на стационарные и переносные. Первые устанавливаются в узловых точках сети, вторые переносятся оперативным персоналом в процессе поиска. При этом для сетей, состоящих из ВЛ, переносные устройства могут перемещаться вдоль трассы и обеспечивать не только выделение поврежденной ВЛ, но и ОМП. В кабельных сетях переносные устройства, так же как и стационарные, используются только на ТП для выделения поврежденного элемента. Общие теоретические основы действия УЗС различного назначения будут рассмотрены ниже. JB этом параграфе отметим лишь те характеристики УЗС, которые важны для выделения поврежденного элемента сети.
Существенной характеристикой является способность реагировать на кратковременные или устойчивые замыкания на землю (ЗНЗ). Реагирование на кратковременные ЗНЗ оказывает помощь как для своевременного профилактического выделения очага повреждения, так и для 40
случая автоматического отключения направления из РП, Последний случай типичен для кабельной сети, так как КЗ в КЛ почти всегда связаны с ЗНЗ. Недостатком таких устройств является необходимость ручного восстановления исходного состояния. Этого недостатка лишены устройства, реагирующие на устойчивое однофазное замыкание. Однако они не срабатывают при кратковременных ЗНЗ и КЗ.
Переносные УЗС характеризуются абсолютным или относительным «замером». В первом случае для принятия решения о направлении на место повреждения необходима дополнительная информация о максимальном «замере» для неповрежденного направления.
Мегаомметры, используемые в процессе поиска поврежденного элемента сети 6—35 кВ, должны иметь возможно большее номинальное напряжение. В СССР это мегаомметры на 2,5 кВ, в Великобритании и ряде других стран — на 5 кВ. Для КЛ, поврежденных при КЗ, напряжения 5 кВ часто недостаточно, чтобы выяснить состояние изоляции, что, как уже отмечалось, связано со специфическими свойствами кабельной изоляции. Сопротивление изоляции, равное сотням и тысячам мегаом при напряжении 2,5—5 кВ, еще не свидетельствует об исправности КЛ. Поэтому приходится использовать передвижные испытательные установки.
Передвижные испытательные установки, обычно применяемые при профилактических испытаниях, имеют постоянное напряжение 30 кВ и более [13 ]. Однако в труднодоступных местах используются специальные малогабаритные устройства, переносимые вручную.
Указатели повреждения, используемые при поиске поврежденного элемента в ряде электрических сетей 6—10 кВ, действуют по принципу подключения одной фазы поврежденной цепочки КЛ и ТП к рабочему напряжению через выпрямитель, добавочный резистор и неоновую лампочку.
При отсутствии в проверяемой цепочке замыкания на землю емкость цепочки постепенно зарядится и неоновая лампочка светиться не будет. При наличии замыкания на землю через неоновую лампочку будет длительно протекать некоторый ток, вызывая ее свечение.
По существу подключение УП является также испытанием постоянным напряжением, значение которого близко к амплитуде фазного рабочего напряжения. Конструкция УП аналогична конструкции указателя напряжения с добавочным резистором и вольтметром, которые используются для измерения разности потенциалов в- местах деления сети, связывающей два ЦП. Электрическая прочность изоляционных цилиндров рассчитана на возможность прикосновения наконечника на краю цилиндра к рабочему напряжению. Использование УП разрешается в условиях различных сетей распоряжением, регламентирующим соблюдение правил по технике безопасности.
41
Выделение поврежденного элемента производится различным образом для автоматизированных и неавтоматизированных участков сети.
Автоматизация распределительной сети наиболее часто осуществляется по двухлучевой схеме. При этом в каждый ТП заходят два разных направления КЛ 6—35 кВ, питающие две раздельные секции с трансформаторами. При отключении какого-либо направления нагрузка со стороны 127—380 В оставшегося без напряжения трансформатора автоматически переключается с помощью контакторных станций на трансформатор, питающийся от другого направления («луча»). Все токоприемники сохраняют питание. В этих условиях выделение поврежденного элемента облегчается. Поэтому целесообразно сначала рассмотреть процесс поиска повреждений в неавтоматизированных участках сети.
Начнем рассмотрение со случая автоматического отключения направления из РП неавтоматизированной распределительной сети на примере схемы участка сети, изображенной на рис. 2.4. Участок содержит 13 ТП, питающихся от двух распределительных • пунктов РП1 и РПП. Поперечными стрелками показаны места деления замкнутой сети, обеспечивающие радиальное (одностороннее) питание каждого ТП в нормальном режиме.
При автоматическом отключении выключателя направления РПП—ТП4 без напряжения остаются трансформаторные пункты 4, 5, 6, S, 12 и 13 (рис. 2.4). Признаками автоматического отключения направления являются: возникновение на шинах центра питания ЦП, от которого производится электроснабжение РПП, снижение напряжения или кратковременное ЗНЗ, частичный сброс нагрузки с питающего кабеля ЦП—РПП, показание УЗС на этом кабеле со стороны ЦП.
При наличии ТС и телеизмерений (ТИ) в РП, передаваемых на диспетчерский пункт, обеспечивается однозначное указание номера отключившегося направления. Оперативный персонал может также использовать телефонные сообщения абонентов, получающих электроснабжение от соответствующих ТП, об исчезновении напряжения.
В случае отключения в результате КЗ направления РПП—ТП4 поврежденным элементом, может быть при селективной работе ПП трансформаторов одно из РУ указанных выше шести ТП или одна из соединяющих их семи линий. Задача оперативной бригады — выделить Один из этих 13 элементов, обеспечив включение остальных. 4ft
В [11, 12, 14] имеются материалы как по так называемой стратегии поиска, так и по алгоритмам и программам на ЭВМ, предназначенным оптимизировать процесс поиска. За основной критерий принимается минимизация недоотпуска потребителям электроэнергии. Если же берется допущение о равномерности нагрузок отдельных ТП, то за критерий принимается минимизация затрат времени на поиск.	,
Известные работы, например [12, 14], используют в качестве основных показателей наибольшую вероятность отыскания поврежденного элемента, либо максимальную эффективность затрат времени на каждом шаге поиска, либо, наконец, приближенную оценку на каждом шаге «глобального» критерия (результирующего недоотпуска энергии). Шаг поиска — это последовательное деление на две части оставшегося отключенным участка сети после очередного включения исправной части. В рассматриваемом примере (рис. 2.4) первым шагом поиска могут быть деление отключившегося участка в ТП 5 в сторону пункта 4 и проверка исправности участка в сторону ТП 4 и остальной части.
Если повреждение оказывается в остальной части, то выключатель в РПП в сторону ТП 4 может быть включен (ТП 4, 12 и 13 получают питание), а участок с ТП 5, 6 и 8 должен на втором шаге вновь делиться на две части.
Выбор точек очередного деления и составляет задачу рассматриваемых алгоритмов и программ. Исходной информацией являются топография расположения ТП, элек-. трическая схема соединений, элементы режима сети (нагрузки, уставки защит и т. п.). Разработанные алгоритмы и программы представляются полезными и целесообразными для расчетов эффективности внедрения УКЗ и различных мероприятий, ускоряющих поиск повреждений, и оценки каких-либо усредненных показателей по длительности поиска повреждений. Однако для практического руководства действиями оперативных бригад эти алгоритмы и программы в настоящее время рекомендованы быть не могут и их описание в настоящей книге нецелесообразно. Причины этого следующие.
1.	Предполагается, что выделение поврежденной части выполняется единообразно с равными затратами времени на процесс установления факта наличия или отсутствия повреждения. Так, в [11, 12] проверка участка мегаомметром считается исходной во всех случаях. На самом деле для изоляции КЛ проверка мегаомметром часто недостаточна. Более того, при КЗ в соединительных муфтах
43
(о чем заранее неизвестно) через 20—30 мин после очередного показания мегаомметра о низком сопротивлении повреждение «заплывает» и показания мегаомметра соответствуют как бы исправному кабелю (сотни и тысячи мегаом).
Даже применение УП и испытательных установок не исключает возникновения явления «заплывания». В этих условиях время на саму проверку изоляции занимает значительную долю, часто более существенную, чем на переезды между соседними ТП. Опытный персонал может оценить состояние изоляции по первому замеру и принять решение, например, о временном включении участка с поврежденным, но «заплывшим» дефектом изоляции, или о разгрузке ряда ТП по сети низкого напряжения. Введение такой дополнительной вероятностной информации в программы ЭВМ — дело, по крайней мере в настоящее время, неосвоенное.
2.	Во многих случаях, как показывает опыт эксплуатации, в процессе поиска повреждения возникает важная дополнительная информация. К ней относятся, например, сведения о раскопках на трассе КЛ, работе высокогабаритных механизмов на трассе ВЛ. Часто начало таких работ совпадает с днем возникновения КЗ, и оперативная бригада может узнать о них лишь в промежуточной стадии поиска. Привлеченный к ликвидации аварии эксплуатационный персонал имеет априорную информацию о слабых местах своего участка, которую он может сообщить в процессе поиска повреждения, но заранее по психологическим причинам сообщать не будет.
3.	Наиболее перспективным для ОМП в разветвленных сетях 6—35 кВ является использование ФП на головных участках (начале направлений) с УКЗ в местах разветвлений. Этот способ впервые применен в Белорусс-энерго [15]. Фиксирующие приборы, указывая расстояние до места КЗ (см. гл. 7), позволяют определить как бы радиус зоны расположения повреждения, а УКЗ позволяют уточнить поврежденный элемент.
Пусть ФП, установленный в РПП, показал, что расстояние до места КЗ составляет 1,5 км (см. пунктирную линию на рис. 2.4). Тогда можно утверждать, что повреждены линии ТП 12—13, или 5—6, или 5—8. Если при этом УКЗ в ТП 5 показывает направление в сторону ТП 8, то повреждена линия ТП 5—8.
На топографических схемах распределительной сети заранее наносят эквидистанционные линии, что существенно облегчает поиск. Описанный способ исключает 44
необходимость в поочередном делении отключенных направлений на части.
4.	Перспективой развития сетей 6—35 кВ является их автоматизация с исключением обесточения токоприемников при КЗ. На автоматизированных участках сети сохраняются лишь требования ускорения ликвидации ненормальных режимов и экономии трудовых затрат и средств на выполнение поиска.
При отключении из РП направления, все ТП которого питаются по двухлучевой схеме, оперативная бригада не должна заботиться об электроснабжении токоприемников, а лишь о последовательном выделении поврежденного элемента с помощью имеющихся информации и технических средств.
При автоматическом отключении питающего РП кабеля с двух сторон необходимо сначала убедиться, было ли КЗ. Признаками КЗ являются наличие снижения напряжения и показания УЗС, реагирующих на кратковременные ЗНЗ, на ЦП. Автоматическое отключение питающих кабелей может происходить и по причине их перегрузки. При отключении вследствие КЗ необходимо проверить КЛ мегаомметром или УП, или испытательной установкой. Следует подчеркнуть, что после КЗ мегаомметром проверяют не только сопротивление изоляции кабеля, но и целость токоведущих жил. Для этой цели на одном конце КЛ все три жилы, изолированные от заземлений, соединяют между собой. На другом конце каждую пару жил поочередно проверяют мегаомметром. Нулевое показание мегаомметра свидетельствует о целости жил.
При поиске места КЗ в распределительных сетях необходимо учитывать следующие особенности РУ и трансформаторов.
Повреждения ошиновки и разъединителей ТП в большинстве случаев заметны при осмотре. Если же следов происшедшего КЗ нет, а данные проверки состояния отходящих линий и трансформаторов ТП указывают на их исправность, то необходимо пофазное испытание изоляции РУ самого ТП повышенным переменным напряжением от испытательной установки. Отсутствие пробоев — достаточное основание для включения РУ под рабочее напряжение.
Плавкие предохранители на трансформаторах со стороны высшего напряжения устанавливаются с номинальным током, в 2—3 раза превышающим номинальный ток трансформатора. Поэтому основной причиной перегора
45
ния ПП является КЗ в самом трансформаторе и значительно реже в перемычках, присоединяющих его к сети.
Если проверка изоляции и целости обмоток трансформатора мегаомметром не выявила наличия неисправности, то этого еще недостаточно для заключения о возможности включения трансформатора в работу. Дело в том, что весьма распространенным видом повреждения трансформаторов является витковое замыкание. Отсутствие вит-кового замыкания проверяется с помощью специальной установки [8]. При необходимости срочной проверки исправности трансформатора его включают на х. х. со стороны низшего напряжения с установкой ПП на 10 % номинального тока. Перегорание вставки ПП указывает на наличие виткового замыкания.
При устойчивых однофазных замыканиях на землю выделение поврежденного элемента осуществляется на основе показаний УЗС. Хотя все токоприемники получают электроснабжение, необходимо минимизировать длительность нахождения сети в режиме однофазного замыкания. Это связано как с опасностью «пережога» (перехода в доежду-фазное КЗ) в месте замыкания, так и с вероятностью возникновения пробоя изоляции в другой точке сети вследствие перенапряжений (двойного замыкания на землю).
Для автоматизированных участков сети в этих условиях оптимальным является немедленное отключение направления или питающего кабеля от РП в соответствии с показанием УЗС. Если после этого ЗНЗ исчезнет, то выделение поврежденного элемента осуществляется последовательным делением отключенного участка. Все операции аналогичны описанным выше для случая КЗ. Только мегаомметром или испытательной установкой надо проверять лишь изоляцию одной фазы. Факт исчезновения ЗНЗ устанавливается в РП или ТП с помощью указателя напряжения. При поднесении указателя к токоведущим частям поврежденной фазы его лампочка не светится.
Для неавтоматизированных участков сети скорейшее выделение поврежденного элемента необходимо осуществлять без отключения групп элементов, так как это приводит к обесточению токоприемников. В большинстве случаев возможно поочередное отключение от сети только одного элемента, например КЛ между соседними ТП, В этих условиях селективные УЗС играют решающую роль в ускорении поиска.
Перемещения оперативной бригады по участку определяются следующими факторами:
взаимным схемным и топографическим расположением узловых точек сети;
наличием или отсутствием ТС положения УЗС;
наличием априорной или оперативной информации о раскопках или иных работах на трассах КЛ или ВЛ участка.
Если показания УЗС и дополнительная информация указывают на повреждение конкретного элемента, то он подлежит немедленному отключению от сети. Оперативные переключения, проводимые при этом для сохранения электроснабжения токоприемников, должны ислючать возможность переноса ЗНЗ с одного ЦП на другой. В противном случае происходит изменение баланса токов замыкания на землю и повышение вероятности «пережога» и двойных замыканий.
После отключения выделенного элемента ЗНЗ в сети должно исчезнуть.
При кратковременных замыканиях на землю фиксируются показания УЗС, реагирующих на этот вид повреждения. Элементы соответствующего участка кабельной сети поочередно выделяются и испытываются с помощью передвижной установки. Для ВЛ ограничиваются наружным осмотром.
2.3. ПОВРЕЖДЕНИЯ В СЕТИ НАПРЯЖЕНИЕМ НИЖЕ 1000 В
В подавляющем большинстве случаев сети переменного тока промышленной частоты напряжением 127— 380 В работают с глухозаземленной нейтралью. Электротранспортные сети работают на постоянном токе.
Сети 127—500 В, используемые для электроснабжения, имеют следующие основные особенности:
строятся на основе КЛ, ВЛ и их комбинаций;
коммутируются и защищаются в основном ПП, а рубильники, автоматы, магнитные пускатели, контакторные станции имеют сравнительно меньшую область использования;
профилактические испытания и проверки в эксплуатации не проводятся.
Плавкие предохранители характеризуются значительной вероятностью неселективного срабатывания (перегорания) при КЗ. Кроме того, они могут перегореть из-за плохого контакта, старения или надлома вставок, неправильной установки по номинальному току, перегрузки.
47
Поэтому определение поврежденного элемента всегда-начинают с замены ПП на исправный и соответствующий по номинальному току. Немедленное перегорание нового ПП указывает на наличие КЗ. Перегрузка приводит к относительно медленному разогреванию и расплавлению вставки.
Современные электросети 127—380 В строятся в большинстве случаев по схеме последовательного захода от одного ввода в здание к другому отрезками КЛ или ВЛ, соединяющими два соседних ТП.
Для установления, повреждения линии в случае сгорания ее ПП необходимо отключить все вводы и включить ПП этой линии с какой-либо одной стороны. Перегорание новых, калиброванных ПП, включенных в холостую линию, указывает на ее повреждение. Если линия остается в работе, то необходимо последовательно подключать присоединенные к ней вводы до установления факта КЗ в сети очередного ввода.
На КЛ и ВЛ напряжением ниже 1000 В часто возникают обрывы жил или проводов. Признаком этого является пониженное напряжение между фазами на участке за местом обрыва, ориентированном относительно питающей стороны. Такая линия после ее отключения от сети проверяется мегаомметром (напряжением 0,5 или 1 кВ). На одном конце все три жилы соединяют между собой, а на другом конце производят попарную проверку. Ненулевое показание' мегаомметра указывает на наличие обрыва.
Наиболее трудно выявить замыкание одной из жил КЛ на оболочку. Ток однофазного КЗ, несмотря на заземленную нейтраль трансформатора, во многих случаях оказывается недостаточным для перегорания ПП. Более того, часто этот ток соизмерим с током нагрузки из-за относительно большого значения как сопротивления заземления ТП, так и переходного сопротивления в месте повреждения. Например, для трансформатора 220 В при соответствующих сопротивлениях 1 и 4 Ом ток однофазного КЗ составит 220/Ц/3 (1 + 4)] « 25 А. Обычные нагрузки отходящих от ТП кабельных линий 220 В составляют 50—160 А. Выявить такое повреждение путем каких-либо измерений напряжений или токов фаз не представляется возможным.
Эксплуатационному персоналу следует очень внимательно анализировать сообщения представителей населения о возникновении электрических потенциалов на по-48
верхности земли и конструктивных элементах зданий и сооружений. Ток однофазного КЗ создает напряжения прикосновения и шага вблизи места повреждения КЛ. Такие повреждения можно определить с помощью импульсных измерений (см. , гл. 6).
Выявление поврежденных элементов или отрезков различных внутренних проводок зданий, сооружений, машин, установок производится с помощью вольтметров или контрольных ламп, мегаомметров (напряжением до 0,5 кВ), тестеров (или омметров). Основным приемом выделения поврежденного элемента является последовательное деление электрических цепей на части с логическим анализом результатов измерения напряжений или сопротивлений отдельных частей.
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ПРОЖИГАНИЕ ИЗОЛЯЦИИ В МЕСТЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ
3.1.	ТРЕБОВАНИЯ К МЕТОДИКЕ И ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ПРОЦЕССА ПРОЖИГАНИЯ
Основным назначением прожигания дефектной изоляции является снижение переходного сопротивления в месте дефекта, что позволяет применять методы, обеспечивающие быстрое и точное ОМП. Для большей части эффективных методов ОМП требуется, чтобы переходное сопротивление в месте повреждения было снижено до десятков, единиц или даже долей единиц ома. Кроме того, для наиболее результативного применения индукционного метода весьма желательно «перевести» однофазное повреждение в двухфазное. Все это достигается путем прожигания изоляции в дефектном месте с помощью специальных установок.
Прожигание производится за счет энергии, выделяющейся в канале пробоя. При этом происходит обугливание изоляции в месте повреждения и снижение переходного сопротивления. Следует отметить, что прожигание также позволяет непосредственно и просто выявлять повреждения в концевых разделках и на вскрытых кабелях по нагреву, появлению дыма и запаха гари.
Стоимость, габариты и масса устройства для прожигания являются определяющими для всего комплекса аппа-49
ратуры, используемой в процессе поиска мест повреждения кабелей. На прожигание приходятся в большинстве случаев и основные составляющие затрат труда и времени при ОМП кабелей. Методы и устройства для прожигания должны удовлетворять следующим требованиям:
1)	обеспечивать обугливание и разрушение изоляционного материала в месте повреждения. Кроме того, для применения большинства методов ОМП (импульсных, индукционных и т. д.) необходимо создание проводящего мостика за счет выплавления металлических частиц из жилы и оболочки и снижение переходного сопротивления до единиц и долей ома. Для применения же акустического метода необходимо разрушить проводящий мостик или исключить его образование;
2)	оказывать минимальное воздействие на неповрежденную изоляцию;
3)	иметь минимальные значения капитальных и эксплуатационных затрат;
4)	иметь минимальные габариты и массу;
5)	обеспечивать безопасные условия эксплуатации.
Как будет видно из дальнейшего, оптимальный режим прожигания реализуется при последовательном чередовании ступеней прожигания. Каждая ступень должна обеспечивать выделение максимальной энергии в минимальное время в поврежденном месте изоляции и обеспечивать наивысший КПД прожигания
П = l^np + W'n ’
где Ц7пр — энергия, выделяемая в месте повреждения; Wn — потери энергии в элементах схемы.
Основным видом изоляции силовых КЛ является бу-мажно-масляная изоляция. Ряд характерных свойств этой изоляции и вызывает необходимость в создании специальных устройств, обеспечивающих более или менее длительное выделение энергии в месте повреждения. В других видах изоляции (полиэтилен, поливинилхлорид и т. п.) условия прожигания существенно легче. Поэтому ниже будем вести рассмотрение применительно к бумажно-масляной изоляции. Изоляция трехжильных кабелей напряжением 1—10 кВ состоит из изоляции жил и поясной изоляции. Согласно ГОСТ 18410-73 толщины указанных частей изоляции следующие»
Номинальное напряжение кабеля, кВ	1	6
Толщина изоляции жилы, мм... .	0,75—0,85	2
Толщина поясной изоляции^ мм. . .	0,5—0,6	0,95
50
10
2,75
1,25
Толщина изоляции жилы кабелей 35 кВ с отдельно освинцованными жилами составляет 9—11 мм.
Изоляция состоит из лент кабельной бумаги толщиной 0,12 мм (реже 0,17 мм) и шириной около 15 мм, накладываемых с зазором 0,2—0,3 мм таким образом, чтобы очередной слой перекрывал зазоры предыдущего. Например, изоляция жил кабеля 6 кВ состоит из 18—20, а поясная — из 7—8 лент. Для придания кабелю жесткой округлой формы перед наложением металлической защитной оболочки используются бумажные заполнители. Бумажная изоляция под вакуумом пропитывается маслоканифолевым составом.
Электрическая прочность неповрежденной изоляции кабеля 6 кВ составляет 200—250 кВ, испытательное постоянное напряжение — 35—40 кВ. Поэтому повреждаются в подавляющем большинстве случаев явно дефектные места, причем протяженность дефектного участка измеряется долями миллиметра, реже миллиметрами. Первоначальный пробой кабельной изоляции лишь иногда носит характер радиального, т. е. проходящего по кратчайшему пути между жилой и оболочкой или между жилами. Поскольку напряженность электрического поля кабеля имеет как радиальную, так и тангенциальную составляющую, путь пробоя обычно существенно длиннее кратчайшего расстояния между электродами. При пробое за счет тепловой энергии происходит разложение пропитывающего состава, сопровождающееся газовыделением. При этом, с одной стороны, вытесняется пропиточный состав с трассы пробоя, снижая электрическую прочность, с другой стороны, поднимается давление в образующихся полостях, что повышает эту прочность. После пробоя давление снижается и полость начинает заполняться пропитывающим составом. Вследствие этого повторный пробой по сравнению с первым происходит обычно при несколько меньшем напряжении. При жирной пропитке напряжение пробоя может даже немного повыситься. Движение частиц массы/способствует также некоторому смещению трассы пробоя. Многократное повторение пробоев приводит к образованию более или менее устойчивого разрядного канала. Эту стадию процесса целесообразно назвать начальным этапом прожигания.
Место повреждения на этом эт^пе можно представить схемой замещения, изображенной на рис. 3.1, а, где С — емкость кабеля; Рр — разрядник, напряжение пробоя которого соответствует напряжению пробоя разрядного канала; гп— сопротивление, условно отражающее вы-
51
деление активной энергии при разряде емкости кабеля на разрядный канал; UQ и г0 — напряжение и внутреннее сопротивление источника, подключенного к КЛ.
Как показывают исследования [16], при пробое сопротивление канала значительно меньше волнового сопротивления кабеля. Поэтому после пробоя изоляции заряженного кабеля происходит процесс колебательного разряда с затратами энергии на активные потери в разрядном канале и кабеле. Коэффициент затухания силового кабеля а = (2,5-г-5) 10'4 с1/2/км. С учетом указанного значения а и опытных данных практически полное затухание процесса колебательного разряда для кабелей длиной от 0,1 до 5 км
Рис. 3.1. Схема замещения КЛ на различных этапах прожигания поврежденной изоляции.
а, б, в — начальный, промежуточный, заключительный этапы соответственно.
наступает через 50—300 мкс. Активными потерями в жилах и изоляции кабеля управлять не представляется возможным, но в схеме замещения ту часть активной энергии, которая выделяется в разрядном канале, можно всегда эквивалентировать потерями в таком сопротивлении гп, при разряде емкости С на которое выделится столько же тепла, сколько в действительных условиях.
При достаточно длительном повторении пробоев разложение пропиточного состава вблизи разрядного канала приводит к осушению прилежащей к нему области, что способствует возникновению обугливания стенок канала. Схема замещения для этого промежуточного этапа прожигания приведена на рис. 3.1, б, где гш — сопротивление, шунтирующее разрядный канал; г9 = Л/ш/Оо + гш) — эквивалентное сопротивление схемы. По мере обугливания стенок канала и прилежащей области изоляции значение сопротивления гш снижается. При прожигании на промежуточном этапе используются энергия разряда и тепло, выделяемые в сопротивлении гш (в обугленной изоляции).
Дальнейшее обугливание приводит к прекращению разрядов и образованию более или менее устойчивого проводящего мостика. Схема замещения для этого заключительного этапа прожигания представлена на рис, 3,1> в, 52
где гп, м — сопротивление проводящего мостика между жилой и оболочкой (или между двумя жилами) кабеля.
Для использования индукционного метода определения места повреждения, как уже отмечалось, требуется снижение значения гп> м до единиц и даже долей единицы ома. Для удовлетворения последнего требования недостаточно полного обугливания канала. Необходимо создание не угольного, а металлического проводящего мостика между жилой и оболочкой кабеля (либо между двумя жилами). Это достигается за счет выплавления с поверхностей жилы и оболочки металлических частиц, постепенно заполняющих разрядный канал. Выплавление происходит при токах в несколько десятков ампер.
3.2.	ПРОЖИГАНИЕ ИЗОЛЯЦИИ ОТ ИСТОЧНИКА ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Идеальный источник постоянного напряжения. Анализ
удобно проводить с помощью схем замещения, представленных на рис. 3.1. На начальном этапе прожигания
(рис. 3.1, а) ( процесс протекает следующим образом. От источника Uq емкость кабеля заряжается с постоянной времени rQC. Напряжение, приложенное к изоляции, изменяется по закону
tz = {/0(1	(з,2)
до напряжения пробоя (/пр разрядного канала (разрядника). После пробоя емкость кабеля разряжается через место дефекта. Приближенно (без учета индуктивности кабеля) можно записать:
Рис. 3.2. Изменение напряжения на разрядном канале при прожигании от идеального источника
постоянного напряжения.
u = Uwe't/(-r^.	0 - упр = °>95С/о:	6 -
D	Unp = 0-43С/0-
Внутреннее сопротивление ис- р °
точника составляет килоомы, а
чаще — многие десятки килоом. Сопротивление гп < <3 50 Ом, поэтому г0 гп и заряд емкости кабеля происходит во много раз дольше, чевд разряд. Изменение напряжения в месте пробоя в начальный период прожигания показано на рис. 3.2, а. В цепи источника питания про
текает ток
i= е-шг.с)г Го
(3.3)
53
В месте пробоя протекает ток
,пр = _^_е-^пО.	(3.4)
В начальный период прожигания напряжение пробоя мало отличается от ЭДС источника. Пусть для определенности С/пр = O,99t/o. Тогда согласно уравнению (3.2) напряжение, приложенное к изоляции, достигает напряжения пробоя разрядного канала через время f = 5г0С.
За один цикл заряда с учетом уравнения (3.3) источник расходует энергию
tr	5г 0С
^ист = ( dt [ е',/(г°С) dt = Uq и2прС.
J	'О J
о	О
Часть ее преобразуется в тепло, выделяющееся во внутреннем сопротивлении источника:
а часть расходуется на заряд емкости кабеля:
772 р 772 С w3 = гист - wn = и^с-------
А	м
Из последнего выражения следует, что независимо от сопротивления источника обе указанные части энергий равны друг другу. Энергия, запасенная при заряде, в процессе разряда переходит в тепло практически за время t" 5гпС. Действительно, с учетом уравнения (3.4)
Г
Гпр = J »пРГп di =	= IFs.
о
Таким образом, при безындукционном источнике на начальном этапе процесса прожигания полезно используется не более половины энергии источника, т. е. КПД (т|) составляет около 50 %.
Аналогично при Unv = О,977о получаем t' = 2,2г0С иг| = 44,4 %. Период повторения разрядов на начальном этапе прожигания определяется внутренним сопротивлением источника и емкостью кабеля и составляет (Зч-5) г0С. Время разряда во много раз меньше периода повторения. Ь4
Отношение времени заряда ко времени разряда называют скважностью, которая определяется как
А> = Гд/Гц,
Если принять переходное сопротивление в момент пробоя гп = 30 Ом, то для установки с внутренним сопротивлением г0 = 300 кОм скважность % = 10*, т. е. лишь одну десятитысячную часть времени процесса прожигания происходит выделение энергии в месте пробоя. Иными словами, в этих условиях активная часть процесса составляет примерно 1 с за 3 ч прожигания.
В процессе повторения пробоев происходит постепенное обугливание разрядного канала и прилегающих к нему участков изоляции. Это приводит к снижению разрядного напряжения. При том же самом источнике прожигания увеличивается частота пробоев (рис. 3.2, б), что видно из следующих рассуждений. Пусть t/up = O,43i/o, тогда из уравнения (3.2) время f = rQC и частота пробоев увеличивается в 3—4 раза. Обугливание стенок разрядного канала приводит также к снижению его сопротивления, которое становится сравнимым с внутренним сопротивлением источника, и начальный этап прожигания уже переходит в промежуточный, (рис. 3.1, б).
Напряжение на разряднике
/	1 + Го/гш х
Пока гш г0, процесс прожигания мало отличается от описанного выше. Когда шунтирующее разрядный канал сопротивление становится сравнимым с rQ, следует считаться с двумя явлениями. С одной стороны, протекание тока через стенки разрядного канала сопровождается выделением существенной части энергии, идущей на дальнейшее обугливание изоляции. С другой стороны, максимальное напряжение на разрядном канале снижается и при том же источнике может оказаться ниже разрядного напряжения. В самом деле, например, при гш = О,2го напряжение на разрядном канале снижается в 6 раз.
В этих условиях КПД прожигания начинает существенно снижаться. При отсутствии разрядов в установившемся режиме КПД составит
Л = Гт/(го + гш).
В случае гш = О,2го значение т] = 16,6 % . Единственным способом повышения эффективности прожигания является уменьшение внутреннего сопротивления источника,
65
т. е. замена источника прожигания. При г0 = гш значение т] = 50 %. Кроме того, максимальное напряжение, на разрядном канале увеличивается до 170/2. Если это значение оказывается выше напряжения пробоя канала, то возникают разряды, а следовательно, КПД прожига дополнительно возрастает.
Из изложенного вытекает необходимость изменения
параметров источника прожигания в процессе самого прожигания, поскольку выполнение источника высокого напряжения с малым внутренним сопротивлением затруд-
нено ввиду весьма большой массы такого источника. Практически после снижения напряжения разряда, обеспеченного установкой высокого напряжения с большим внутренним сопротивлением, следует подключить другой источник с меньшим
Рис. 3.3. Зависимость КПД прожи- напряжением и соответ-гания от относительной проводимо- ственно меньшим внутрен-сти разрядного канала.	ним сопротивлением. При
этом возрастает КПД прожигания и уменьшается скважность разрядов, т. е. процесс прожигания ускоряется.
Дальнейшее разрушение изоляции при прожигании приводит к прекращению разрядов и образованию в месте повреждения относительно устойчивого проводящего мостика. Схема замещения этого заключительного этапа прожигания показана на рис. 3.1, в. Проанализировав
этот этап аналогично предыдущему, получим:
Гп, м
Т| =--------j-------
Го + гп, м
Зависимость (3.5) графически представлена на рис. 3.3.
Идеальный источник с последовательно включенной индуктивностью. Для увеличения эффективности прожигания на постоянном токе в [13] предложено включать дроссель между источником постоянного напряжения [/0 и поврежденным кабелем. Схема прожигания для рассматриваемого случая показана на рис. 3.4.
При включении такой схемы могут возникнуть три режима [17]: колебательный (г0 < 2 J/L/C); критический (г0 =* 2 УЦС)\ апериодический (г0 >2]/L/C). Харак-66
тер изменения токов и напряжений в схеме показан на рис. 3.5. Наиболее эффективен для прожигания колебательный режим, так как в этом случае (рис. 3.5, б) напряжение на кабеле может достигать двойного напряжения источника, причем напряжение изменяется с частотой
Рис. 3.4. Схемы прожигания изоляции от идеального источника с последовательно включенным дросселем. а ** исходная схема; б — схема замещения.
Рис. 3.5. Изменение напряжения на кабеле и тока в контуре в схеме по рис. 3.4.
а « fi > ®0; б — ti < ®0.
со = у ©о — Р2, с этой же частотой изменяется и ток в контуре:
ис = и0 Г1-----cos (at - a) ;	(3.6)
i = sin ate^*,	(3.7)
(OL	J	'
где ®o — 1/l^LC — собственная частота контура; 0 » = r0!2L — декремент затухания; а = arcsin р/<оо-Потери в таком контуре
t	t
Wn = (i2r0 dt =	sin2 at dt,
n , J	(coL)2 J	f
о	о
а энергия прожигания принимается равной энергии, запасаемой емкости:
W =^£ = -Ж [1 _-2-COSH-<х)е-₽‘]2.
57
Выражение для КПД прожигания можно представить в следующем виде:
т) = №np/(Fnp + lFn) = 1/(1 + ГИД где
W7 —	— cos2 а—[1—sing sin (2(oZ—ot,)]	g.
^up cos2 a 1 *- cos (art — a) е~№
(D
Как следует из (3.6), напряжение на кабеле достигает наибольшего значения к моменту (&tm = л + а, тогда выражение (3.8) после преобразований будет иметь вид:
1	(М-а)/®
W = —!—-----------------.
U* 1 4- е-P (я+а)/01
<0
Для реальных установок добротность контура (рис. 3.4, б) Qo = w0L/r0^: 5. В этом случае a < 6°, а Ц7П» <S < 0,177. Соответственно КПД прожигания т| 84 %.
Рис. 3.6. Принципиальные схемы прожигания изоляции с помощью выпрямительных установок.
а ** еднополупериодное выпрямление; б двухполупериодное выпрямление; в » (грехфазное выпрямление; е » трехфазное выпрямление с последовательно включенным дросселем.
С повышением добротности контура до десяти КПД увеличивается до 92 % (при отсутствии дросселя максимальный КПД не превышает 50 %). Разряды будут следовать через время tm «=«# л/® = 1/(2/). Если частота колебаний / = 50 Гц, то tm с 0,01 с, т. е. прожигание будет эффективным.
Выпрямление с учетом индуктивности питающей цепи. При прожигании дефектной изоляции кабелей от выпрямительных установок (рис. 3.6) необходимо принимать во внимание индуктивность рассеяния питающего трансформатора. Для весьма приближенного учета влияния
индуктивности на процесс прожигания рассмотрим одно-полупериодное выпрямление при упрощающем условии медленного (относительно длительности полупериода питающего напряжения) заряда емкости (после чего будет легко перейти к двухполупериодному и трехфазному выпрямлению). Схема замещения начального этапа прожигания при однофазном (однопол у пер иодном) выпрямлении дана на рис. 3.7. На схеме: L — индуктивность рассеяния одной фазы питающего трансформатора; г0 — сопротивление, учитывающее активные потери в трансформаторе и прямое сопротивление вентиля Д; С — емкость кабеля; гп — переходное сопротивление разрядного канала при
Рис. 3.7. Схема замещения начального этапа прожигания от однофазной однополупериодной) выпрямительной установки.
пробое. Напряжение и показано включенным в цепь прожигания, так как его значение приведено ко вторичной обмотке трансформатора.
Точный расчет процессов в схеме на рис. 3.7 достаточно сложен. Однако с помощью ряда упрощений можно получить необходимое для предварительной оценки приближение. Рассмотрим сначала происходящие при прожигании процессы.
В первый отрицательный полупериод, когда вентиль открыт, емкость кабеля начинает заряжаться через индуктивность и активное сопротивление. Когда напряжение слева от вентиля становится по абсолютному значению меньше напряжения, до которого заряжена емкость кабеля, вентиль закрывается. В следующий отрицательный полупериод емкость кабеля зарядится до большего отрицательного напряжения и т. д. Если' в изоляции не произойдет пробоя (т. е. не пробьется разрядник Рр), емкость кабеля может зарядиться (в пределе) до амплитуды Umax питающего напряжения. Поскольку при использовании реальных прожигательных установок заряд кабеля продолжается не менее десятка, а чаще нескольких десятков периодов промышленной частоты, т. е. происходит мелкими порциями, то пренебрежем изменением напряжения на кабеле в течение полупериода. Тогда для каждого отдельно взятого полупериода можно заменить конденсатор С источником с напряжением иср. Эта предпосылка
59
позволяет воспользоваться результатами исследований [18], в соответствии с которыми за один период промышленной частоты среднее значение выпрямленного тока
/о	(3.9)
где Ло — коэффициент, зависящий от двух параметров:
Ф = arctg toL/fQ и ф = arccos wcp/t/m. (3.10)
Графически зависимость Aq от ф и ф показана, на рис. 3.8. Для данной выпрямительной установки величина ф постоянна, а угол ф уменьшается с ростом мср, т. е/ по мере заряда кабеля. Как видно из рис. 3.8, коэффи-
Рис. 3.8. Графики значений коэффициента До-Кривые 1—6 соответствуют углам <₽: /—75°; 2—60°; 3—45°; 4—30°; 5 — 15°; 3—0.
циент Ао с уменьшением углаф снижается, причем характер снижения можно приближенно описать уравнением
-(Л/2--Ф) Ло = А!  ---------i—,
u	cos ф
(3.11)
где А' — постоянная, определяемая из графика на рис. 3.8 при значении ф = 65-?7(Г, соответствующем началу заряда емкости С.
Приращение напряжения на кабеле равно отношению приращения заряда к емкости, т. е. dwcp = /Od//C.
Тогда с учетом выражений (3.9)—(3.11) можно записать:
d«cp = ££max	(3.12)
di
Пусть
* = <3|3>
тогда, обозначив
Д' 1
-тг- = — , получим:
^цср   ^тах di Ti
60
откуда
/	__г\
WCp = £/max X 1	£ T1 /•	(3.14)
С другой стороны, из (3.10) и принятого условия (3.13) следует:
^ср = ^max COS ( -х	"т7"^ = ^тах "т7”*
Следовательно, условие (3.13) накладывает ограничение на диапазон изменения переменной величины х = = t/x-L. Она может изменяться лишь в таких пределах, когда
sin х « 1 — е~х.	(3.15)
В интервале изменения х от 0 до л/2 равенство (3.15) соблюдается с относительной погрешностью не более 25 %. При х = л/2 напряжение на емкости кабеля достигает уже 80 % максимального значения (мср « 0,8(/тах).
Таким образом, можно сделать важный вывод: заряд емкости кабеля от выпрямителя практически аналогичен заряду от идеального источника постоянного напряжения. Постоянная времени заряда зависит при этом не только от емкости кабеля и активного сопротивления источника, но и от индуктивности рассеяния прожигательного трансформатора L. Влияние индуктивности отражается на значении коэффициента-Л
Величину г0/А' = гОэ целесообразно назвать эффективным внутренним сопротивлением выпрямительного источника прожигания. С учетом этой величины характеристики процесса прожигания и рассмотренные схемы замещения, относящиеся к различным этапам разрушения изоляции в месте повреждения, остаются справедливыми и при использовании выпрямительного источника.
Если применить не однополупериодный, а двухполу-периодный выпрямитель (рис. 3.6, б), то за один период промышленной частоты средний ток /0 удвоится. При этом удваивается и величина Д' и в формулах, полученных для вышерассмотренного случая однополупериодного выпрямителя, ?! следует заменить на т2 = rQC/2A'. Уменьшение вдвое постоянной времени заряда емкости кабеля соответственно ускоряет процесс прожигания.. При трехфазном выпрямлении (рис. 3.6, в) процесс подзаряда емкости приближается к картине заряда от идеального источника, что иллюстрируется рис. 3.9. Это также следует из сравнения формулы (3.2) с соотношением (3.14), в котором для случая трехфазного выпрямителя можно за-
64
тивности прожигания
Рис. 3.9. Изменение напряжения на выходе трехфазной выпрямительной установки.
менять на т3 = г^С/ЗА'. Если иметь в виду, что ЗА' =* = 0,664-0,78, то получим, что значение т3 лишь на 30 % больше постоянной времени при идеальном источнике постоянного напряжения. Для повышения КПД и эффек-целесообразно после вентилей включить дополнительный дроссель (рис. 3.6, г).
Источник с индуктивным накопителем энергии. В Новочеркасском политехническом институте разработано устройство .прожигания с индуктивным накопителем энергии, названное коммутационным [19]. Принципиальная электрическая схема прожигания дефектной изоляции кабеля с помощью коммутационной установки показана на рис. 3.10, а. Основными элементами установки являются: источник посто-состоящий из разделительного транс-
форматора Тр, двух полупер иодного выпрямителя Д и конденсатора фильтра Сф; дроссель Др; коммутирующий выключатель В и балластный конденсатор Cg. Управление схемой производится с помощью токового реле РТ.
явного низкого напряжения,
Рис. 3.10. Схемы прожигания от источника с индуктивным накопителем.
а «— принципиальная схема; б — схема замещения.
Расчетная схема замещения основной цепи коммутационной установки представлена на рис. 3.10, б. На схеме указаны: U — напряжение источника постоянного напряжения; гд — активное сопротивление, учитывающее потери в дросселе; L — индуктивность дросселя; В1 — ключ, размыкающийся после накопления энергии в дросселе; С —• суммарная емкость кабеля и балластного конденсатора; гк — сопротивление, учитывающее потери в кабеле; гп — переходное сопротивление в месте повреждения-в момент искрового разряда; Р — разрядник, замыкающийся при uG = (/пр.
В исходном состоянии контакты выключателя В (рис. 3.10, а) замкнуты и при включении установки ток в цепи дросселя начинает
нарастать по экспоненциальному закону (рис. З.П) с постоянной времени L/гд. Когда этот ток достигает значения /сР, определяемого уставкой токового реле РТ (см. рис. 3.10), последнее срабатывает и подает напряжение на обмотку быстродействующего коммутирующего выключателя В. Выключатель В также срабатывает, его контакты размыкаются, и энергия, запасенная в дросселе, расходуется на заряд емкости конденсатора Со и КЛ, возбуждая на них высокое напряжение. Если это напряжение больше напряжения (7Пр (рис. 3.11), то происходит разряд емкости конденсатора и кабеля через место повреждения. Так как ток в цепи дросселя в этот момент близок к нулю, то токовое реле возвращается в исходное положение, а контакты выключателя В замыкаются. Процесс коммутации повторяется до тех пор, пока электрическая прочность изоляции в месте повреждения и соответственно напря-
Рис. 3.11. Кривые изменения токов и напряжений при прожигании изоляции коммутационной установкой.
жение пробоя не снизятся настолько, что через дроссель и обмотку РТ в момент пробоя будет протекать ток, больший тока отпускания реле. Так как этот ток имеет то же направление, что и ток, протекающий через место повреждения, то создаются благоприятные условия для воз* никновения электрической дуги, поддерживаемой непосредственно источником напряжения U (см. рис. 3.10).
Амплитуда и частота импульсов высокого напряжения определяются параметрами установки и кабеля, а также режимом работы выключателя В (уставкой токового реле).
Как показано в [13], при относительном токе дросселя в момент размыкания контактов выключателя /£*== 0,4ч-0,9 выражение для наибольшего напряжения на емкости кабеля с погрешностью не более 2% можно представить в виде
t/c, max = 4/(1 + /£*<?де-яр/<2<в))»
где Од =	— добротность дросселя; <оо = 1/и ЕЙ — собствен-
ная частота контура; со = co0j/' 1 + гд/гк — р2/со§;
р = гд/2Ь + со tg 6/2 + 1/2Сгш;
гш — шунтирующее сопротивление стенок разрядного канала; tg 6 — тангенс угла диэлектрических потерь в изоляции кабеля на частоте со.
В процессе прожигания снижаются напряжение пробоя и сопротив* дение гш. При снижейии гш до значений, соизмеримых с гд (для гд =
63
= 80 Ом это существенно скажется при гш<400 0м), напряжение на кабеле снижается, что может привести к прекращению пробоев.
Существенным недостатком коммутационной установки является наличие контактов, рассчитанных на максимальное напряжение прожигания и ток дросселя, работающих в режиме «замыкание — размыкание».
3.3. ПРОЖИГАНИЕ ИЗОЛЯЦИИ НА ПЕРЕМЕННОМ НАПРЯЖЕНИИ
Нерезонансное прожигание- (рис. 3.12) производится с помощью йрвышающего трансформатора, вторичная обмотка которого присоединяется непосредственно к поврежденной жиле и оболочке (или другой поврежденной жилё), а первичная — к сети промышленной частоты. На рис. 3.12: Тръ — трансформатор повышающий; L и г0—
в)
Рис. 3.12. Схемы нерезонансного прожигания.
а — принципиальная схема; б — схема замещения для начального этапа; в — схема замещения для заключительного этапа.
индуктивность рассеяния и активное сопротивление трансформатора 7рп, приведенные ко вторичной обмотке; С — емкость КЛ; гп — переходное сопротивление разрядного канала; LK и гк— индуктивность и активное сопротивление кабеля; гп, м — сопротивление проводящего мостика в месте дефекта.
Амплитуда напряжения на кабеле (разряднике Рр) т j _________ Ifnax _____‘____Umax________
С, max —	тС [(ш£_1/'(шС)р ’
где <в = 2nf — круговая частот^; /тал; — амплитуда тока в £Сг0-контуре (рис. 3.12, б).
Значительная удельная, ёмкость силовых кабелей Приводит к необходимости потреблять большие токи/пгаХ для обеспечения достаточного напряжения Uc, max<
64
Так, трансформатор напряжением Umax *= 50 кВ при L = 200 Гн и г0 = 10 кОм обеспечит на трехжильном кабеле 6 кВ сечением 70 мм2 и длиной 3 км напряжение UCimax = 2,66 кВ, что составляет лишь 5,3 % напряжения источника при потреблении мощности 20 кВ-А.
Для кабелей длиною более 0,5 км нерезонансное прожигание на начальном этапе совершенно непригодно. Для коротких кабелей оно может быть оправдано лишь при отсутствии выпрямителей. От того же трансформатора, что в предыдущем примере, на кабеле того же типа, но длиною 0,4 км можно обеспечить около 50 % напряжения источника при потреблении 27 кВ*А.
Практически при прожигании на переменном токе сначала медленно с помощью регулировочных устройств поднимают напряжение на первичной обмотке прожигающего трансформатора. Поэтому до первого пробоя напряжение на разрядном канале можно рассматривать как установившееся. Первый пробой происходит в момент, соответствующий приближению напряжения на разрядном канале к максимальному. Разряд по характеру и длительности соответствует рассмотренному выше случаю при анализе схемы рис. 3.1.
Повторные процессы заряда емкости кабеля после быстрых разрядов происходят аналогично процессу включения rLC-цепи на синусоидальное напряжение [17].
На принужденную синусоидальную составляющую напряжения с частотой со накладываются еще две свободные составляющие. В случае г0 2 ]/ L/C они имеют апериодический характер с разными постоянными времени. При г0 < 2 I/ L/C колебательные составляющие с частотой соо = |/ 1/LC — г1/№ сдвинуты между собой по фазе на некоторый угол а, но затухают с одинаковой постоянной времени.
Максимальное напряжение на разрядном канале зависит от момента включения (момента предыдущего пробоя) и соотношения между частотами со и со0.
- В тех случаях, когда со соо, возникают перенапряжения и вероятность пробоя разрядного промежутка увеличивается.
Снижение частоты соо при прочих равных условиях увеличивает скважность разрядов. Если к этому добавить практическую невозможность обеспечения стабильного значения угла а, соответствующего значительным перенапряжениям, то становится очевидной нецелесообраз-
3 Г. М. Шалыт	65
ность нерезонансного прожигания на начальном этапе повреждения изоляции.
На заключительной стадии процесса прожигания (рис. 3.12, в), когда поврежденный участок изоляции представляет собой проводящий мостик, условия для прожигания на переменном токе улучшаются. При этом удовлетворяется соотношение
гп,м « 1/(соСК	(3.16)
Коэффициент полезного действия при прожигании можно считать равным отношению активной мощности Рп, м, выделяемой в месте повреждения, к суммарной активной мощности источника:
Рп, м п, м	Гп, м
11 —	~ Л +'к +'п, м *
Обычно удается обеспечить т] = 204-40 %. Подчеркнем, что условие (3.16) для кабелей длиной более 0,3 км выполняется при гп, м < 100 Ом, а для кабелей длиной более 2 км — при гп, м < 15 Ом.
Нерезонансное прожигание целесообразно использовать только на последнем этапе прожигания изоляции КЛ ограниченной протяженности.
Резонансное проживание на промышленной частоте. Использование явления резонанса на промышленной частоте для прожигания дефектной изоляции кабелей было предложено в [20]. В СССР этот способ начал применяться с 1960 г. [21]. При резонансном способе прожигания емкостное сопротивление кабеля компенсируется внешним индуктивным сопротивлением, что позволяет значительно снизить мощность источника, а при последовательном включении индуктивности — значение питающего напряжения. При работе резонансных установок по мере снижения переходного сопротивления в месте повреждения происходят шунтирование емкости кабеля и частичная расстройка резонансного контура, в результате чего напряжение на кабеле уменьшается. Когда возникает устойчивый проводящий мостик, то резонансный контур полностью расстраивается. При этом ток через место повреждения резко уменьшается, а возникающий проводящий мостик не разрушается.
Максимальное резонансное напряжение выбирается обычно таким образом, чтобы оно не превышало испытательного переменного напряжения, например 16—25 кВ, применяемого на кабельных заводах для испытания изоляции силовых кабелей с рабочим напряжением 6^—10 кВ соответственно.
Резонансные установки, используемые для прожигания дефектной изоляции кабелей, можно разделить на. две характерные группы: резонансные трансформаторы и установки с регулируемыми дросселями. Резонансные трансформаторы могут работать в режимах резонанса токов и резонанса напряжений. Установки с регулируемыми дросселями также работают в первом или втором из вышеуказанных режимов, но при последовательном или параллельном подключении дросселя к прожигаемому кабелю. Рассмотрим эти режимы.
66
Способ резонанса напряжений. Полная схема замещения для прожигания установкой, работающей в данном режиме, приведена на рис. 3.13, а. На схемах рис. 3.13 указаны: гм— активное сопротивление дросселя; L — индуктивность дросселя; гст — активное сопротивление, учитывающее потери в стали дросселя; С — емкость КЛ (и балластного конденсатора); гк — активное сопротивление, учитывающее потери в поврежденном кабеле; гп — переходное сопротивление в месте повреждения в момент разряда; В — ключ, замыкающийся при ис = Uпр (имитирует пробой); и — синусоидальное напряжение на зажимах вторичной обмотки питающего трансформатора; U — действующее значение того же напряжения.
Рис. 3.13. Схемы замещения и векторная диаграмма для установки', работающей в режиме резонанса напряжений.
а, б — схемы замещения; в — векторная диаграмма,
в)
<79
Полную разветвленную схему замещения (рис. 3.13, а) приведем к последовательной эквивалентной схеме (рис. 3.13, б) со следующими параметрами:
Г9 - Гк/[ 1 + (ГК<ОС)»] + гм + (Гст/шЬ)2+1;
СЭ = С[1 + 1/(гк<оС)*];
£ =___________!_______
Э I + (CDL/Гст)2 *
Тогда напряжение на кабеле
tfc =	----------—	----- .
(0Сэ <оСэ V + (u)L9— 1/соСэ)2
В условиях резонанса собственная частота контура равна частоте питающего напряжения, т. е.
(Oq = l/]/”	== (0.
При этом (оЬэ = 1/(соСэ) и ток в цепи увеличивается до 7 = U/r9„
Векторная диаграмма при резонансе напряжений дана на рис. 3.13, в.
3*	67
Если воспользоваться понятиями характеристического сопротивления р = VЬъ/С3 = 1/соСэ = со£э и добротности Q = р/гэ контура, то можно записать:
и0 = 4- U = ОУ-гэ
Рис. 3.14. Зависимости добротности резонансного контура от шунтирующего сопротивления (а) и емкости кабеля (б).
Реактивная мощность, возбуждаемая в контуре, и активная мощность также связаны через добротность:
Рр — QPa>
т. е. добротность является одним из основных параметров, опре-
деляющих работу резонансной установки.
Как показано в [13],
(3.17)
где гш — шунтирующее сопротивление стенок разрядного канала (должно быть включено в схеме рис. 3.13, а параллельно сопротивлению гк).
На рис. 3.14 показаны зависимости добротности всего контура прожигания от емкости кабеля С и сопротивления гш (отношения гш/р) при собственной добротности дросселя фд = 25. При изменении
в)
Рис. 3.15. Кривые изменения напряжения на кабеле при резонансном прожигании. а — включение при точной настройке контура; б — включение при расстройке контура: в —* режим прожигания.
отношения гш/р от 10 до 1 добротность контура уменьшается почти в 10 раз и резонансное прожигание переходит в прямое дожигание от источника, питающего резонансный контур. Однако при шунтирующих сопротивлениях гш = р мощность, выделяемая в канале, оказывается 68
недостаточной. Указанным обстоятельством можно объяснить малое распространение резонансных устройств за рубежом. На рис. 3.15 показаны кривые изменения напряжения на кабеле в различных режимах работы резонансной установки.
Способ резонанса токов. Полная схема замещения установки, работающей в режиме резонанса токов, дана на рис. 3.16, а, где приняты такие же обозначения, как и на рис. 3.13, а. Для резонансного трансформатора, работающего в режиме резонанса токов, L = = Ls2+ Lm — индуктивность, обусловленная потоком рассеяния вторичной обмотки и потоком взаимоиндукции: и = им — напряжение, создаваемое во вторичной обмотке потоком взаимоиндукции. Полную разветвленную схему замещения (рис. 3.16, а) приведем к параллельной эквивалентной (рис. 3.16, б). Эквивалентное сопротивление
Рис. 3.16. Схемы замещения и векторная диаграмма для установки, работающей в режиме резонанса токов.
а, б — схемы замещения; в — векторная диаграмма.
читывающее потери в параллельном резонансном контуре, опреде-яется как
/_______________1___________
1/гст+1/<+1/ги+1Аш ’
где = (coL)2/rM; ги — составляющая, зависящая от активных потерь в изоляции; гш — активное сопротивление, шунтирующее разрядный канал.
Для параллельного резонансного контура напряжение на емкости равно напряжению источника питания (рис. 3.16, б). При этом емкостный ток /с= Ubc превышает полный ток трансформатора:
/ = 1/^ = 1/ Kg2+(Z>L-6c)2,
г де g = l/r^; bL = 1/coL; = шС — соответственно активная, индуктивная и емкостная проводимости контура.
Как показано в [13], выражение для добротности в случае резонанса токов совпадает с выражением (3.17) для последовательного контура. Энергетические и временные соотношения при резонансе токов также аналогичны соотношениям при резонансе напряжений. Хотя схемы одинаковы с точки зрения процесса прожигания, режимы работы их питающих трансформаторов существенно отличаются. При резонансе 69
напряжений с пробоем изоляции трансформатор переходит из режима нормальной нагрузки в режим х. х. При резонансе токов с пробоем изоляции трансформатор переходит в режим КЗ, который постепенно возвращается в нормальный режим (по мере раскачки контура). Это существенно снижает КПД резонансной установки, работающей в режиме резонанса токов.
3.4. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРОЖИГАНИЯ
Основные характеристики методов прожигания. Наибольшее значение в процессе прожигания дефектной изоляции имеет первый этап, когда энергия к месту повреждения поступает в форме периодических импульсов. Именно в этих условиях целесообразно рассматривать критерии для оценки методов прожигания.
Энергия заряда И73 (до нескольких сотен джоулей) накапливается либо непосредственно в самом кабеле, либо предварительно запасается в емкостных или индуктивных накопителях энергии, после чего с частотой колебаний контура переходит в энергию заряда КЛ. В момент пробоя энергия, запасенная в кабеле, расходуется в основном в месте повреждения.
Энергия каждого единичного импульса определяется параметрами поврежденного кабеля:
С т с
=	(3.18)
где т)р = 1^и/и73 — КПД разряда КЛ (можно принять т]р ж 1); С — разряжаемая емкость, в большинстве случаев это емкость кабеля, иногда к ней добавляется емкость балластного конденсатора.
Частота следования этих импульсов в общем случае определяется суммарным временем цйкла накопление — заряд — разряд:.
fU = 1/(/н + t3 + /р),
где /н — время предварительного запасания энергиихв емкостном или индуктивном накопителе; tB и /р — время заряда и разряда емкости кабеля.
В реальных условиях время разряда на три — пять порядков меньше времени заряда, что позволяет записать:
f„ = Wh + Q-
(3.19)
Мощность прожигания определяется из соотношений (3.18) и (3.19):
Р„, -	-  2 "7С,J 	(3.20)
70
Коэффициент полезного действия прожигания
П =	+ №п),	(3.21)
где - №п = №п,Р + №п>3 + IFn,H — потери энергии за один цикл, складывающиеся из потерь в элементах цепи разряда емкости кабеля, цепи ее заряда и цепи предварительного накопления энергии.
Для более детального анализа результирующий КПД метода прожигания выразим через КПД отдельных этапов:
П = ПрПзПн.	(3.22)
где г]3 = WJ1ГН — КПД заряда КЛ; г]н = 1ГН/(1ГИ + + ^п) — КПД емкостного или индуктивного накопителя энергии; W3 = t/2npC/2 — энергия заряда КЛ к моменту пробоя; WH = W3 + U7n, з — энергия, запасаемая в емкостном или индуктивном накопителе энергии.
При анализе рассмотрим четыре характерных метода прожигания: от источника выпрямленного напряжения, с емкостным накопителем энергии и последовательно включенной катушкой индуктивности, резонансное прожигание и прожигание с индуктивным накопителем энергии (коммутационный метод). Для упрощения анализа примем следующие допущения [13]. Источник выпрямленного напряжения рассматривается как идеальный, а пульсирующий характер зарядного тока и наличие индуктивности рассеяния питающего трансформатора учитываются соответствующим увеличением зарядного сопротивления. Энергия емкостного накопителя существенно больше энергии единичного разряда, что позволяет считать напряжение на выходе накопителя неизменным. Резонансная установка точно настроена. Ток срабатывания коммута-ционой установки соответствует максимальному возбуждаемому напряжению на емкости, равному напряжению пробоя.
Схемы замещения для рассматриваемых методов приведены на рис. 3.17. На схемах указаны: С — емкость кабеля; гп — переходное сопротивление в месте повреждения; г3 — эффективное зарядное сопротивление выпрямительной установки; Сн — емкость накопителя энергии; гд и Дд — активное сопротивление и индуктивность дросселя; гэ —.эквивалентное сопротивление контура, учитывающее потери в меди и стали дросселя (трансформатора), а также потери в диэлектрике кабеля; L — индуктивность резонансного контура; В1 — ключ, имитирующий пробой и замыкающий цепы разряда в момент пробоя; В2 — ключ, который при iL = /ср^ раз-
71
мыкает цепь дросселя; [7ИД — напряжение идеального источника постоянного напряжения; [70 — напряжение емкостного накопителя энергии; и = Umaxsin cot — напряжение питания резонансного контура; UnviT — постоянное напряжение питания коммутационной установки.
Поскольку в процессе прожигания дефектной изоляции кабелей происходят постепенное снижение электрической прочности изоляции в месте повреждения и уменьшение напряжения пробоя, то оценку методов целесо-
Рис. 3.17. Схемы замещения для анализа способов прожигания дефектной изоляции.
а — прожигание источником постоянного напряжения; б — источником с емкостным накопителем энергии и последовательно включенным дросселем; в — резонансной, установкой; е — источником о индуктивным накопителем энергии.
образно выполнить в зависимости от относительного напряжения пробоя
Unv* = Unp/U.	(3.23)
Для индуктивного накопителя энергии аналогичный смысл имеет относительный ток дросселя
Il* = /ср//оо.	(3.24)
В (3.23) и (3.24) U — наибольшее (нерегулируемое) напряжение на кабеле, которое для четырех рассматриваемых методов принимается равным соответственно (7ИД, 2t/o> Uc,max, рез» = QU max И Uc^max	QUпит» 100
установившееся значение тока дросселя.
Прожигание от источника постоянного напряжения. Накопление энергии импульса происходит в емкости кабеля. При этом время цикла t&t3 и г| = г|зт так как г|н =* = 1. Для схемы рис. 3.17, а справедливы соотношения 72
(3.2) и (3.3) с учетом того, что [70 = С7ИД и г0 = гв. Время заряда после очередного пробоя можно определить из (3.2), полагая и (t3) = [/пр:
t3 = r3C In - Um = raC\,	(3.25)
^ид — t'np где
~ — In  Um~ Unp .	(3.26)
u ИД
Логарифмический коэффициент запаса по напряжению Фи связан с относительным напряжением пробоя следующим образом:
^пр* = 1 -	•	(3.27)
Соотношения (3.25), (3.20) и (3.23) позволяют определить частоту импульсов и мощность прожигания:
f* = 1/&) = 1/(г8С0и);
Р _ "ид 7/2 - 'пр. ид - 2Гз^и ипр..
Выражение для потерь энергии в зарядном сопротивлении с учетом (3.3) и (3.25) запишем в виде
з и2 с
= J Pr3 dt= Uap* (2 - t/npJ. (3.28) о
Подставляя формулу (3.28) в (3.21) с учетом (3.18) и (3.23), получаем:
Лпр, ид = ^пр*/2-	(3.29)
Отметим, что наличие индуктивности рассеяния питающего трансформатора существенно повышает КПД прожигания выпрямительной установки.
Прожигание от источника с емкостным накопителем энергии и последовательно включенной катушкой индуктивности. В этом способе энергия предварительно запасается в емкостном накопителе, а затем с частотой колебательного ГдЬдС-контура (рис. 3.17, б) переходит в энергию заряда кабеля. В этих условиях справедливы соотношения
= ~h ^з*> Л = ЛнЛз*
Емкостный накопитель энергии представляет собой батарею конденсаторов, заряжаемую от сети переменного тока через выпрямитель. Наиболее целесообразно применение трехфазного выпрямителя, обеспечивающего 73.
относительно быстрый заряд и малые пульсации напряжения.
При заряде емкости кабеля напряжение на накопителе не должно существенно снижаться. Поэтому время до-заряда накопителя определим как
= ^н1	^н2 = (Ощ
где гв — активное сопротивление выпрямителя; Сн— емкость батареи конденсаторов накопителя, или, воспользовавшись выражением вида (3.26), после преобразований запишем:
tn = ГВСН In (1 — t/H2#)/(l - t/HU), (3.30)
где t/Hi* = Uп-JUmax — относительное напряжение на накопителе в начале заряда емкости кабеля; t/H2:j. = = UdUтах—относительное напряжение на накопителе в конце заряда емкости кабеля; Umax — амплитуда питающего напряжения.
Связь между напряжениями (7Н1 и [/н2 можно получить из энергетических соотношений (потерями при заряде кабеля пренебрежем):.
^3=^Н1-^Н2
CUc/2 = СМ2 - СМ2.	(3.31)
Напряжение на кабеле в конце заряда определяется суммой принужденной и свободной составляющих, которые можно принять равными соответственно [7Н2 и (/н1, т. е. Uc « (7Н2 + UHli и из (3.31) после преобразований получим:
Сн 1 + Unz/Uni С ” 1 - (/Н2/Сн1 '
Выбор емкости накопителя определяется допустимым снижением напряжения [7н2. Практически целесообразно принять (/н2 = 0,8Uttl. При этом из (3.32) получим С^С— — 9, а из (3.30) найдем, что
tn = In (1	0,8C/Hls|e)/( 1 (7hiJ.
Таким образом, для нормальной работы схемы емкость накопителя должна быть на порядок больше емкости кабеля. Коэффициент полезного действия емкостного накопителя зависит от относительного напряжения заряда и Угла сопротивления фазы выпрямителя:
Ф = arctg coLs/rB,
74
где Ls — индуктивность рассеяния вторичной обмотки повышающего трансформатора.
Угол сопротивления определяется параметрами повышающего трансформатора и составляет 60—75°, поэтому основной характеристикой накопителя является величина UH*. Анализ зависимости цн* (t) показывает, что эффективным можно считать увеличение напряжения на накопителе до UR1* = 0,74-0,8. Дальнейшее повышение напряжения, хотя и способствует росту КПД, но увеличивает время заряда в несколько раз. Практически целесообразно принять UH1* = 0,8.
Расчеты процесса заряда с учетом индуктивности рассеяния питающего трансформатора показывают, что при t/Hi* = 0,8 и ф = 604-75° КПД накопителя составляет 58—70 %, а время подзаряда при трехфазном выпрямлении определяется соотношением
tR = (2,74-4,3) гвСн.	(3.33)
Для определения времени и КПД заряда кабеля можно воспользоваться соотношениями (3.6) и (3.7) с учетом того, что в случае схемы 3.17, б имеем г0 = гд; L = Лд.
При добротности дросселя Qo = (оо£д/гд 5 с достаточной точностью можно принять <о0 р, а со « со0 и а « 0. Кроме того, для первого периода колебаний (со/ < л) приближенно примем « 1. Тогда после преобразований выражения (3.6) и (3.7) для схемы рис. 3.17, б можно записать в виде
6/0 .
I = -----7— Sin
ис = 2t70 sin2 (соо^/2).
(3.34)
Время заряда емкости кабеля найдем из (3.34) с учетом того, что «с (4) = ^np«2t/0 и ш0 = 1/КЬдС:
ta = 2Ljfi arcsin J/(3.35)
Выражение для частоты импульсов можно получить, подставив (3.33) и (3.35) в формулу (3.19). Мощность прожигания установки с емкостным накопителем при трехфазном выпрямителе с <р = 60° найдем из (3.20), (3.33) и (3.35):
772£72 Г
Рпр, е, н =---------7=^--------7= •	(3.36)
пр,е,н 1,35гвСн + /£дСагс5т/(7пр. v '
75
Потери энергии в контуре при СН^>С за время t3 определим с учетом (3.34) и того, что
Qo =	д’,
^3	Q
W'n. з = f dt =	(2ш</3 - sin 2(00Q.	(3.37)
о
ис (Q С
Энергию заряда IF8 = —— с учетом (3.34) запи-шем как
ТГ3 = 2^С81п4(о)о/з/2).
Выражение для КПД заряда кабеля установки с емкостным накопителем после преобразований получим в виде
Пз’ е’ = = w3 + Гп, з =	,	2<0р/3 - Sin 2(йо<з '	(3-38)
8Q0 sin4 (<в0/3/2)
Формулу для напряжения пробоя найдем из (3.35):
= sin2 (ш0?з/2).	(3.39)
Совместное численное решение уравнений (3.38) и (3.39) позволяет получить семейство зависимостей т|з,е,н(^пр*) при различных добротностях дросселя (рис. 3.18). Из рисунка видно, что в рассматриваемом методе КПД заряда кабеля весьма высок и в широком диапазоне изменения пробивных напряжений изменяется незначительно.
Прожигание с помощью резонансной установки. В случае схемы рис. 3.17, в выражения для напряжения на конденсаторе С и тока в цепи при включении на переменное напряжение или после разряда емкости кабеля через место повреждения имеют вид:
Wc = VC, max. рез (1 С	COS
i= —(&CUс, max, рез (1 — £ *гэЛ2 ^) sin (о/.
Пробой дефектной изоляции кабеля наступает при напряжении на емкости, близком к амплитудному значению.
Частота импульсов
/и = ГэЖ) = co/(2Qfl„).
Мощность прожигания
D ______ max, рез®^ j
-^пр, рез —	^пр*-
76
В условиях резонанса co2LC = 1 и потери энергии в контуре
772	Г
wn = с- mf рез (2#и - 2С7пр. - U*p,).	(3.40)
Формула (3.40) дает достаточно точные результаты при Q 5.
Рис. ,3.18. Зависимость КПД прожигания от относительного напряжения пробоя для установки с емкостным накопителем энергии при различных добротностях последовательно включенного дросселя.
Рис. 3.19. Зависимости КПД прожигания резонансной установки и КПД накопления для коммутационной установки от относительных напряжения пробоя и тока дросселя.
КПД прожигания определяется как
U2
Т1пр’рез = 2 (Ои - Упр.) ’	<3,41)
На рис. 3.19 приведена кривая т]пр, рез (^пр*), из ко-торой видно, что КПД резонансного метода повышается в процессе снижения пробивного напряжения. При < 0,1 расчеты по формуле (3.41) дают завышенные результаты (пунктирная часть кривой). Реальный ход кривой КПД, полученный при точном численном решении, показан штрихпунктирной линией.
Прожигание от источника с индуктивным накопителем энергии. В рассматриваемом методе энергия предварительно запасается в индуктивном накопителе, а затем с частотой колебаний гдЬдС-контура (см. рис. 3.17, г) переходит в энергию заряда кабеля. Здесь, как и в случае с емкостным накопителем, справедливы следующие соотношения* t	^з, Т|пр ЛнЛз*
77
Индуктивный накопитель энергии представляет собой дроссель высокой добротности, подключаемый к источнику постоянного напряжения. В схеме на рис. 3.17, г при замкнутом положении ключа В2 через дроссель протекает ток
ZL =	(1 _ е-<гд/£д
гд
Энергия, запасенная в магнитном поле дросселя, определяется током 7ср и с учетом (3.24) составляет!
/2 L	IJ2 L
П7 —	00 д 72	__ ПИТ Д Г2
w н 2
Время накопления

—
где — логарифмический коэффициент запаса дросселя по току, равный —tn-/oo-J"/cp .
Выражение для потерь энергии в дросселе и формула для КПД накопления коммутационной установки имеют вид, аналогичный (3.40) и (3.41):
и2 I
Wn, др =	(20,- - 21L. - /1.);
д
н-к Гн + ГС'п.др 2<^г —//.*)•
При уменьшении относительного тока дросселя КПД накопления увеличивается (см. рис. 3.19) так же, как КПД прожигания резонансной установки при снижении относительного пробивного напряжения. .
Дополнительно следует отметить, что в реальных условиях коммутационная установка питается от выпрямителя с емкостным фильтром, время дозаряда которого на 2—3 порядка меньше времени накопления энергии в дросселе. Последнее обстоятельство позволяет принять 1 > ^пит*^= 0,95, тогда КПД выпрямителя будет достигать 65—75 % при <р = 654-75°.
Для определения времени и КПД заряда кабеля надо рассмотреть гд£дС-цепь (см. рис. 3.17, г) в режиме, соот-78
ветствующем размыканию ключа В2, При этом можно
получить следующие выражения:
t3 = 1/ЛДС arcsin {/пр*;	(3.42)
Пз,к ^3+Vn,3	, , W3 + sin 2соо/3 * (3,43>
"Г"	2Q0 sin2 co0/3
Совместное численное решение уравнений (3.42) и (3.43) позволяет получить семейство зависимостей т)3>к = = Н^пр*) ПРИ различных добротностях дросселя. ’ При снижении напряжения пробоя КПД заряда коммутационной установки также уменьшается.
Сравнительная оценка систем прожигания. Как отмечалось выше, для обеспечения необходимого переходного сопротивления в месте повреждения кабеля используются различные системы прожигания. Под системой прожигания подразумеваются не отдельные устройства, а совокупность методов и средств, обеспечивающих конечный результат прожигания (от одиночных разрядов до устойчивого проводящего металлического спая).
Приведенные выше соотношения позволяют объективно оценить любые рассмотренные системы прожигания, провести количественную оценку различных вариантов и выбрать наиболее эффективный. Отметим, что КПД прожигания не только отражает степень использования потребляемой из сети электроэнергии (это в целом ряде случаев несущественно), но, в первую очередь, показывает, какая часть энергии выделяется в месте повреждения и какая в самой установке. Последняя же составляющая энергии определяет массу и размеры установки. Мощность прожигания прежде всего характеризует скорость процесса, т. е. определяет производительность труда при выявлении мест повреждения.
Наиболее эффективным является прожигание от идеального источника постоянного напряжения с последовательно включенной индуктивностью. Здесь в широком диапазоне пробивных напряжений обеспечивается высокий КПД прожигания. В реальных условиях роль идеального источника постоянного напряжения играет мощный емкостный накопитель энергии с трехфазной выпрямительной установкой.
Установки постоянного тока с индуктивным накопителем энергии имеют несколько меньшую эффективность вследствие-более длительного накопления энергии в дрос
79
селе, для них также требуется коммутационная аппаратура, рассчитанная на полное напряжение прожигающей установки.
Реальные установки выпрямленного напряжения (особенно однополупериодные) имеют худшие показатели вследствие того, что накопление энергии происходит путем заряда емкости кабеля импульсами тока в проводящие части периодов.
Устройства переменного тока, в том числе и резонансные, эффективны только при сниженных значениях относительного пробивного напряжения. В этих условиях они могут конкурировать с однополупериодными выпрямительными установками.
Опыт эксплуатации убедительно подтвержда'ет приведенные выше теоретические выводы. Наибольший эффект дают прожигательные установки, использующие трехфазное выпрямление, а также двухполупериодное выпрямление. Установки со специальной последовательно включенной на выходе катушкой индуктивности, предложенные в [13], пока серийно не выпускаются. Роль катушки индуктивности в определенной степени играет индуктивность рассеяния трансформатора выпрямителя. Это относится к мощному источнику без. специальной батареи накопительных конденсаторов.
Прожигание на постоянном токе является основным в СССР и за рубежом. Даже в ГДР, где появились первые резонансные прожигательные установки, сейчас они практически не используются. В СССР результаты использования резонансных установок хуже, чем трехфазных и двухполупериодных выпрямительных устройств. .
Опыт применения установок с индуктивным накопителем еще мал. Задачей ближайшего будущего является выпуск серийных устройств постоянного тока с трехфазным выпрямителем и последовательным дросселем.
3.5.	РЕЖИМЫ И ПРИЕМЫ ПРОЖИГАНИЯ
Допустимые напряжения при прожигании бумажно-масляной изоляции. Для правильного выбора максимальных напряжений и режимов прожигания большое значение имеют возможные перенапряжения на неповрежденной изоляции. Этот вопрос заслуживает подробного рассмотрения.
Электрическая прочность исправных кабелей с бумаж-но-масляной изоляцией во много £аз превышает рабочее напряжение.
80
Начальная ионизация в слабонёравномерном электрическом поле для бумажно-масляной изоляции возникает при напряженности £н = 12 кВ/мм в случае переменного напряжения и Ен = 40 4-60 кВ/мм при постоянном напряжении. Начальная ионизация даже на переменном напряжении (100 всплесков в секунду) не является опасной, и изоляция с такой ионизацией может работать тысячи часов. В случае постоянного напряжения начальная ионизация имеет постоянную времени около сотен секунд, т. е. в тысячи раз менее интенсивна. Критическая ионизация, воздействие которой даже в течение долей секунды снижает напряжение начальной ионизации, а в течение нескольких секунд может приводить к пробою, в случае переменного напряжения возникает при Екр = 30 кВ/мм.
Применяемые в современных условиях уровни испытательных напряжений (например, для кабелей 6 кВ эти уровни составляют 40—50 кВ постоянного напряжения и 16 кВ переменного напряжения) и размеры изоляции (2,95 мм для кабелей 6 кВ) приводят к напряженностям, в 2—3 раза меньшим, чем соответствующие начальной ионизации в исправной изоляции. Ниже приведены значения напряжений, которые могут вызвать начальную, ионизацию для кабелей различных номинальных напряжений: / >
Номинальное напряжение кабеля, кВ. .1	6	10
Переменное испытательное напряжение, кВ ............................. 15	35	48
Постоянное испытательное напряжение, кВ ............................. 48	118	160
Превышение испытательных напряжений вдвое еще не приводит к начальной ионизации. Если к этому, добавить,, что напряжение критической ионизации на переменном токе в 2,5 раза выше, чем начальной, то можно сделать следующий важный вывод: при напряжениях, которые практически могут возникнуть в процессе прожигания, нельзя повредить исправную изоляцию кабеля. По-иному обстоит дело с концевыми разделками кабельных линий. Например, исправная концевая разделка кабельной линии 6 кВ может быть перекрыта по поверхности при выпрямленном напряжении 60—80 кВ. Кроме того, на кабельной линии в момент прожигания одного дефектного места может иметься еще и другое, электрическая прочность которого лишь на несколько киловольт выше испытательного напряжения.
Одновременное отыскание двух и более мест повреждения значительно сложнее, чем раздельное. Поэтому
81
целесообразно ограничить максимально ’ допустимое напряжение при прожигании величиной выпрямленного напряжения:
^Апах- < (1,05 ч- 1,1)^исп>
(3.44)
где Г7ИСп — испытательное напряжение.
Точное определение соответствующего этой величине переменного напряжения затруднительно. Однако ориентировочно можно принять
игах ~
= UmaxJ]/2k,
(3.45)
где k — коэффициент запаса, учитывающий большую интенсивность ионизации в случае переменного напряжения.
При выборе значения k надо иметь в виду следующее. Во время прожигания от источника выпрямленного напряжения к изоляции в период заряда практически прикладывается не постоянное, а сравнительно медленно изменяющееся монополярное переменное напряжение. Поскольку постоянная времени заряда составляет 0,05— 1 с, то эквивалентная этому процессу частота имеет порядок от единиц до десятка герц. Во время разряда фактически прикладывается также переменное напряжение в виде затухающих колебаний частотой от 20 кГц до 1 МГц длительностью в несколько периодов этих колебаний. При прожигании от источника переменного напряжения процесс разряда идентичен указанному выше, а заряд происходит с частотой 50 Гц.
Вблизи напряжения начальной ионизации повышение ее интенсивности на порядок соответствует повышению напряжения на несколько киловольт. Поэтому для ориентировки примем k = 1,34-1,4. Тогда для кабелей 6 кВ из (3.44) найдем, что Umax_ = 35-1,1 = 38,5 кВ, и из формулы (3.45) получим:
Umax- = 38,5/0/2.1,4) = 19 кВ.
Это значение примерно вдвое ниже напряжения начальной ионизации и, следовательно, безопасно для неповрежденной изоляции. Превышение отмеченных выше уровней напряжений при прожигании можно исключить за счет рационального конструирования прожигательных установок и правильного выбора режимов прожигания.
На рис. 3.20 показана схема замещения для начального этапа прожигания с питанием от источника постоян-82
ного напряжения. Рассмотрим, при каких условиях могут на емкости кабеля (конденсаторе С) возникнуть напряжения, превышающие UQ. Одним из таких условий является наличие колебательного характера г0ЬС-кон-тура. Колебания имеют место, если г0 < 2 ]^ЫС.
Условие колебательного характера контура можно ориентировочно представить также в виде г0 < (144-100) кОм. В реальных условиях это соотношение довольно часто выполняется. Следовательно, при заряде напряжение на изоляции может составить (1,5 4-1,75) [70-Поэтому испытание изоляции, а иногда и определенную часть начального этапа процесса прожигания целесообразно вести при включенном последовательно с источником резисторе гдоб, сопротивление которого (десятки
Рис. 3.20. Схема замещения для анализа перенапряжений в процессе прожигания.
КИЛООМ) ДОЛЖНО уДОВЛеТВОрЯТЬ УСЛОВИЮ Го + гдоб 2 V L/C. После снижения пробивного напряжения до t/0/(l»4 4-1,6) резистор гдоб следует закоротить.
Другой причиной повышения напряжения на изоляции может быть погасание дуги в месте пробоя при значительном положительном напряжении на конденсаторе колебательного разрядного СЛпгп-контура. Как показывают испытания и многолетний опыт эксплуатации, дуга в месте пробоя гаснет, как правило, в момент приближения к нулевому значению напряжения на кабеле, т. е. при пробое происходит полный разряд. Но при «заплывающих» пробоях иногда, а нечасто, как указано, например, в [22], могут возникнуть специфические условия. Они заключаются в том, что дуга гаснет при значительном положительном напряжении U0CT на разрядном промежутке, а следовательно, и на конденсаторе С. В повторном процессе (если он имеет колебательный характер) кабель зарядится до еще большего отрицательного напряжения: до —UQ—(+£/0Ст)- Если пробивное напряжение разрядного промежутка также возрастает, а погасание дуги вновь произойдет в положительный полупериод собственных колебаний разрядного контура, то возможно дальнейшее повышение напряжения на изоляции. В подавляющем большинстве случаев сам разрядный йромежу-83
ток исключает повышение напряжения, являясь как бы ограничивающим разрядником.
Изложенное выше позволяет сделать следующие выводы:
1.	В качестве выпрямительной установки для первой части начального процесса прожигания следует использовать испытательные установки с добавочным резистором сопротивлением в несколько десятков килоом.
2.	Максимальное ‘напряжение прожигательных выпрямительных установок должно быть не выше (0,5-4-0,7) ^исп-
3.	Длительное прожигание (более 20—30 мин), не сопровождающееся существенным снижением пробивного напряжения, производить не следует.
При прожигании с помощью резонансных установок любых типов максимальное напряжение на кабельной изоляции превышает напряжение на вторичной обмотке трансформатора в Q раз (Q — добротность резонансного контура). Следовательно, амплитуда выходного напряжения трансформатора резонансной установки должна удовлетворять условию
< итах JQ^Umax-/(y 2- 1.4Q) = -^-.
Приемы прожигания. Обобщение опыта работы инженеров и мастеров, специализирующихся на прожигании изоляции КЛ с целью определения места повреждения, подкрепленное детальным^ анализом процесса прожигания, позволяет рекомендовать ряд прогрессивных приемов ведения этого процесса.
Чередование ступеней прожигания. В процессе прожигания необходимо по мере снижения напряжения пробоя переходить на следующую ступень прожигания. Как только по параметрам установки представляется возможность включить более мощную ступень на параллельную работу (или отдельно), это надо немедленно выполнять. Под более мощной ступенью понимается установка с меньшим внутренним сопротивлением и большим, током.
Очень часто переход на более мощную ступень прожигания приводит сначала к «заплыванию», т. е. к подъему пробивного напряжения. При этом следует вернуться к предыдущей ступени более высокого напряжения, а затем после снижения напряжения пробоя переходить на следующую ступень. «Задерживаться» на какой-либо ступени нецелесообразно. Дело в том, что «заплывание», 84
т. е. притекание в разрядный канал пропитки из соседней с каналом области изоляции, ограничено, а прожигание до малых сопротивлений без захвата и осушения определенного объема прилегающей изоляции невозможно?—При неизменных порциях энергии, подаваемой в разрядный канал, процесс захвата соседних участков изоляции более медленный, чем при чередовании ступеней.
Рис.3.21. Принципиальные схемы прожигания.
а — для разрушения металлического спая; б — для перевода однофазного замыкания в двухфазное; УВВ — выпрямительная высоковольтная установка; В — выпрямитель; Рр — разрядник; Cq — балластный конденсатор; ВГ — газотронный выпрямитель.
Рекомендуется на промежуточном этапе прожигания создавать последовательно с разрядным каналом дугу на штанговом переключателе установки. .Для этого необходимо изолированной от высокого напряжения штангой при вклю.ченной установке медленно размыкать выключатель, слегка изменяя расстояние между подвижным и неподвижным контактами, но не допуская погасания дуги.
Разрушение металлического спая. Если на КЛ было ЗНЗ, т. е. через место повреждения достаточно длительно протекал ток 10 А и более, то в этом месте образуется, металлический спай между жилой и оболочкой. При некоторых методах определения места повреждения (например, акустическом) необходимо этот спай разрушить. Во многих случаях, хотя далеко не всегда, это удается достигнуть с помощью устройства, питающегося от выпрямителя В (рис. 3.21, а).
Значение емкости конденсатора Сб должно быть не менее 1—1,5 мкФ, пробивное напряжение разрядника
85
Рр — около 20—25 кВ. Бросок тока при пробое разрядника в этом случае достигает сотен ампер и под действием динамических усилий спай в кабеле может быть разрушен. Повторение пробоев для разрушения спая следует вести 10—20 мин. Если за это время не удается добиться желаемого результата, то дальнейшие попытки нецелесообразны.
Перевод замыкания жилы на оболочку в замыкание между жилами. Применение индукционного метода дает хорошие результаты при отыскании мест замыкания между жилами трех- или четырехжильного кабеля. Довольно часто в Московской кабельной сети Мосэнерго однофазное замыкание кабеля 6—10 кВ удается перевести в между-жильное путем применения методики прожигания, предложенной В. М. Бронштейном. Схема цепи прожигания показана на рис. 3.21, б.
В период прожигания изоляции жилы А с помощью выпрямителя ВГ, обеспечивающего напряжение 5—10 кВ и ток 1—3 А, к этой жиле через разрядник Рр подключают импульсную установку, состоящую из емкости двух неповрежденных жил В и С относительно оболочки, балластного конденсатора Сб (необязателен) и выпрямителя высокого напряжения УВВ (на полное испытательное напряжение).
Емкость периодически заряжается до напряжения пробоя разрядника Рр, которое устанавливается равным 20— 25 кВ, и импульс тока разряда разрушает образующийся под влиянием тока от выпрямителя ВГ проводящий мостик в разрядном канале. Периодическое создание и разрушение проводящего мостика увеличивает объем разрушения изоляции. Наличие при этом напряжения на других жилах кабеля в переходном режиме увеличивает вероятность пробоя с этих жил на поврежденную. Пробой характеризуется невозможностью поднять напряжение от установки УВВ и прекращением срабатывания разрядника. Однофазное замыкание удается перевести в междуфазное не во всех случаях.
Прожигание изоляции для ОМП акустическим методом. Для применения акустического метода отыскания МП вида жила — оболочка необходимо ограничивать ток прожигания. При токах через МП более нескольких ампер возможно металлическое спаивание жилы с оболочкой, что исключает применение акустического метода. Разрушение же металлического спая, как отмечено выше, возможно далеко не всегда. Поэтому, предполагая применить акустический метод ОМП, последние ступени 86
прожигания использовать не следует. С другой стороны, нецелесообразно ограничиваться только первой ступенью прожигания, так как с увеличением объема разрушения изоляции увеличивается часть энергии разряда, создающая акустический эффект.
«Заплывающие» пробои. Если повторение пробоев в течение десятков минут не приводит к снижению пробивного напряжения, то можно заключить, что пробой происходит в соединительной муфте (гораздо реже подобные явления возникают в концевых муфтах). Сначала необходимо убедиться визуальным осмотром, что нет повреждения концевой разделки (муфты) на противоположном от места подключения установки конце КЛ. После этого следует прекратить прожигание и определять МП комбинацией методов колебательного разряда и акустического.
3.6.	ПЕРЕДВИЖНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРОЖИГАНИЯ
В настоящее время установки, применяемые в кабельных сетях для ОМП, монтируются на шасси микроавтобусов либо обычных автобусов. Описание различных передвижных установок приведено в [13, 21, 22].
Ниже будут даны наиболее существенные сведения о современных ^передвижных установках, которые обычно предназначены для испытания КЛ и ОМП на них. Основной объем установок занимают устройства для прожигания дефектной изоляции и создания искрового разряда при акустическом методе ОМП.
В этих же передвижных установках расположены приборы для неавтоматической локации, приборы, использующие метод колебательного разряда, индукционные кабелеискатели и универсальные приемники (для индукционного и акустического поиска), приборы для контактного метода. В установках имеются специальные барабаны для присоединения к жилам измеряемого кабеля, контуру заземления, питающей сети 380 или 220 В. Имеются также коммутационная и управляющая аппаратура и измерительные приборы контроля режимов испытания и прожигания.
В передвижных установках обеспечиваются условия безопасности с помощью блокировочных контактов, .ограждений и других средств. Подавляющее большинство прожигательных устройств обеспечивает прожигание выпрямленным током. При этом обязательно применяется несколько ступеней напряжения и тока. На последних ступенях, т. е. ступенях низкого напряжения, иногда
87
используют переменный ток (нерезонансное прожигание) промышленной или повышенной (около 1000 Гц) частоты.
В последние годы вместо ламповых выпрямителей применяются полупроводниковые диоды или специальные диодные столбы. Широко используется параллельная работа двух ступеней прожигания, когда переход на следующую ступень осуществляется автоматически.
Приведем данные ряда прожигательных установок. Установка для прожигания изоляции кабелей типа ВТ5000 фирмы Seba dynatronic (ФРГ) имеет шесть ступеней прожигания на выпрямленном токе
Напряжение, кВ ............. 14	8	4	1,2	0,22	0,06
Ток, А...................... 0,5	0,8	1,5	6,0	30,0	ПО
Рис. 3.22. Схема параллельной работы двух прожигательных установок. 1 — выключатель; 2 — диодный столб; 3 — установка HPG70; 4 — установка BT5000.
Выходная мощность на каждой ступени около 7 кВ «А. Установка ВТ5000 может быть использована совместно с установкой HPG70 на 70 кВ и ток 0,05 А по схеме, приведенной на рис. 3.22. Выключатель 1 отключен. Диодный столб 2 выполнен на полное напряжение (70 кВ) установки 3 и на максимальный ток (ПО А) установки 4. Этот столб обеспечивает параллельную работу обеих установок. При пробое от высоковольтной установки может происходить автоматический подхват дуги установкой с большим током. Установка ВТ5000 имеет шесть быстродействующих электромагнитных переключателей ступеней прожигания. При устойчивом режиме прожигания от установки ВТ5000 включается выключатель 1.
Фирма Bal ton (Бельгия) выпускает прожигающую установку типа EDC6000. Установка имеет четыре ступени прожигания на выпрямленном напряжении (24, 12, 6, 3 кВ) и одну ступень прожигания на переменном напряжении (500В). Длительная мощность прожигания составляет на постоянном токе 6 кВт на каждой ступени 88
и 4,5 кВ «А на переменном токе. Питание установки производится от сети (220 ± 22) В. Основным элементом установки. является трансформатор с магнитно-шунтовым устройством, обеспечивающим стабилизацию выходного тока на всех ступенях прожигания. Трансформатор имеет девять вторичных обмоток: восемь одинаковых, используемых для питания мостового выпрямителя (3 кВ; 0,25 А), и одну (500 В; 9 А), используемую для прожигания на переменном токе. Выходные цепи выпрямителей с помощью переключателя соединяются последовательно, смешанно и параллельно, обеспечивая на выходе установки напряжения 24, 12, 6 и 3 кВ.
Мощность прожигательных установок на выпрямленном напряжении. (мало изменяющаяся при переходе от одной ступени к другой) для КЛ напряжением до 15 кВ в СССР, Англии и США составляет 10 кВ-А, в ФРГ и Бельгии 5—7 кВ* А, в ГДР 1—2 кВ-А. Опыт эксплуатации и анализ параметров установок показывает, что оптимальное значение мощности составляет 6—8 кВ «А. При этом максимально должны учитываться приведенные выше соотношения, связывающие КПД и сопротивление проводящего мостика в МП, например соотношение (3.5),
Часть вторая
ИМПУЛЬСНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
МЕСТ ПОВРЕЖДЕНИЯ
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ ПО ЛИНИЯМ
4.1.	ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССОВ
РАСПРОСТРАНЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ
ПО СИСТЕМАМ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПОСТОЯННЫМИ
При подключении источника ЭДС Е к проводу линии напряжение в точке подключения становится в начальный момент времени (t = 0) равным £, а в остальных точках линии оно еще равно нулю. Процесс проникновения электрической энергии во все более удаленные от начала участки линии, т. е. участки системы с распределенными постоянными, происходит с конечной скоростью.
Характер этого процесса волновой: вдоль провода от его начала к концу движется электромагнитная волна (ЭМВ). Если бы в проводе не было активных потерь и он располагался в вакууме над идеально проводящей поверхностью, то эта ЭМВ перемещалась бы со скоростью света с = 3* 105 км/с. В таких условиях распространение энергии идет строго вдоль провода, без потерь, а волна называется плоской.
При расположении провода с активным сопротивлением над землей с конечной проводимостью ЭМВ перестает быть плоской. Ее энергия частично расходуется в проводе и земле, волна как бы проникает в эти среды. Форма волны (особенно ее фронт) искажается, и уже нельзя строго говорить о скорости движения всей волны, поскольку отдельные частотные ее составляющие перемещаются с разным замедлением.
Процесс распространения волн усложняется еще более для группы проводов, параллельно расположенных над поверхностью земли. Подключение ЭДС Е к одному проводу в общем случае обусловливает появление напряжений и движущихся ЭМВ в остальных проводах. Энергия 90
распространяется в пространстве, окружающем все провода, проникая в них и в землю.
Процесс распространения зависит от числа, взаимного расположения, материала и размера проводов, йх удаленности от поверхности земли, а также характеристик последней. Существенное значение также имеет частотный диапазон, в котором сосредоточена основная часть энергии движущихся волн. Распространение энергии в различных совокупностях параллельных проводов идет как бы по определенным волновым каналам.
Для однородных участков энергия по отдельным волновым каналам распространяется независимо. В местах нарушения однородности происходит перераспределение энергии между каналами. В общем случае в этих местах возникают отраженные (движущиеся в обратном направлении) и преломленные волны, а также происходит излучение энергии в пространство.
Частотный спектр излучения лежит в основном вне диапазона частот, в котором производят импульсные измерения на ВЛ. Поэтому для случая ВЛ излучение учитывать не будем. Для силовых КЛ, всегда снабженных металлической наружной оболочкой, при импульсных измерениях ЭМВ экранируются этой оболочкой и практически в землю не проникают. Кроме того, характер распространения ЭМВ в КЛ обусловливается диэлектрической постоянной и потерями в изоляции. В случае ВЛ диэлектрическими потерями можно пренебречь, так как диэлектрическая проницаемость воздуха весьма близка к единице.
Хотя в верхней части диапазона частот, используемых для импульсных измерений на КЛ, происходит излучение энергии на концах линии, его учет не сказывается на методике измерений и ниже приниматься во внимание не будет.
Распространение энергии по ВЛ — более сложный процесс, чем распространение по КЛ, ввиду отсутствия в последнем случае влияния земли. Поэтому до тех пор, пока не требуется учета специфики КЛ, будем вести изложение в основном применительно к ВЛ.
Существуют простые и ясные соотношения и методические положения, обусловившие эффективность импульсных измерений. К таким положениям относятся:
1.	При наличии на однородном участке линии какого-либо включения, например КЗ или обрыва, от этого места волна (или импульс напряжения) отражается и возвращается к месту измерения; по времени двойного про-
91
бега волны легко вычислить соответствующее расстояние.
2.	Скорости распространения по разным волновым каналам и для различных частотных составляющих спектра электрического импульса различаются не столь существенно, чтобы исключить возможность импульсных измерений, их различия лишь обусловливают определенные погрешности и условия возникновения недостоверных отсчетов.
По конкретному волновому каналу, характеризуемому волновым сопротивлением ZB и фазовой скоростью распространения Уф синусоидального сигнала [26 ] или групповой скоростью распространения V импульсного сигнала [27 ], этот сигнал распространяется без отражений до точки нарушения однородности линии. Ниже будем говорить просто о скорости распространения импульса в определенном волновом канале, имея в виду, что при пробеге по каналу деформация импульса за счет некоторого различия скоростей отдельных частотных составляющих его спектра находит отражение в импульсной характеристике.
Отражение и преломление импульсов в точках нарушения однородности линии (место повреждения, разветвление, соединительная муфта, транспозиционная опора ВЛ и т. п.) используются при импульсных измерениях для определения расстояния до этих точек. Четкое представление об особенностях отражения и преломления импульсов в самых различных условиях имеет решающее значение для правильности измерений. Поэтому будем рассматривать вопросы отражения и преломления импульсов с последовательным усложнением задач.
Сначала рассмотрим одноволновые системы. К ним относятся силовые кабели, в которых каждая изолированная жила расположена в отдельной металлической оболочке, коаксиальные кабели связи, одножильные контрольные кабели. Одноволновые процессы происходят и в симметричных трехпроводных или многожильных кабелях, когда на них подаются импульсные сигналы между двумя жилами, а повреждения и неоднородности связывают только эти же жилы (междужильные КЗ, обрыв обеих жил в одной точке, утечка в изоляции между указанными жилами, подключение другого с тем же количеством жил симметричного кабеля ко всем жилам и т. п.).
Рассматривая одноволновые системы, будем упрощенно именовать их однопроводными, так как большинство из них представляют системы «провод — земля» либо «жила — оболочка». Для отмеченного выше случая 92
выделения двух жил многопроводной системы (обе жилы находятся в одинаковых условиях) будем иметь в виду неточность применения термина «однопроводный». Далее последовательно будут рассмотрены двухпроводные, трехпроводные и многопроводные системы,
4.2.	РАСПРОСТРАНЕНИЕ ИМПУЛЬСНОГО СИГНАЛА ПО ОДНОРОДНОМУ УЧАСТКУ
НЕСИММЕТРИЧНОЙ МНОГОПРОВОДНОЙ ЛИНИИ
Математическое решение задачи распространения синусоидальных сигналов по системе параллельных проводов, расположенных вблизи поверхности земли, осуществлено на основе так называемых телеграфных уравнений. [26]. Переход к этим уравнениям от более строгих уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла) выполняется на основе ряда допущений. В частности, ' пренебрегают неоднородностью конструкции и провесом проводов, эффектом близости в самих проводах, наличием периодически расположенных изоляционных элементов, концевыми эффектами, излучением. Возможно также решение на основе так называемых волноводных уравнений [28]. При этой результаты решения по обеим методикам, необходимые для методологии импульсных измерений, не совпадают, но остаются допустимыми по условиям точности и достоверности. Ниже используются телеграфные уравнения, однако в приложении 1 приведены характеристики решений, полученных из двух разновидностей исходных уравнений.
Распространение синусоидального сигнала частоты (Oi в р-проводной линии с параллельными проводами над землей, имеющей конечную проводимость, описывается матричными * телеграфными уравнениями
-Л/(Л)=уи,
где U и I — столбцовые матрицы (векторы-столбцы) напряжений и токов в проводах в некоторой точке х поперечного разреза линии; z и у — полные квадратные матрицы продольных удельных сопротивлений и поперечных удельных проводимостей линии.
Если обозначить напряжение в начале линии (х = 0) через UH и считать длину линии бесконечной или (что то же
* Здесь и далее будем изображать матрицы полужирным шрифтом.
93
самое) идеально согласованным конечный участок линии, то решение матричных уравнений (4.1) можно записать в виде [29]
U = <Tr‘i*UH;
I = rrnxZ^UB,
(4.2)
где Zw — у"1 {у z}1/2 —квадратная матрица волновых сопротивлений; Га = {z у}1/2 и Г££ = {у z}1/2— матричные коэффициенты распространения для волн напряжения и тока.
При этом отраженных волн не будет, а бегущие волны напряжения и тока будут затухать соответственно матричным экспоненциалам. Сигналы вдоль разных проводов затухают и смещаются во времени неодинаково. Энергия распространяется в пространстве вокруг проводов, в том числе и в земле. Удобно рассматривать распространение волн по так называемым волновым каналам, т. е. в «модальных» координатах. Это означает, что можно так подобрать величины сигналов в проводах, чтобы все сигналы распространялись с общей скоростью и одновременно затухали по одному и тому же экспоненциальному закону. Каждый волновой канал имеет свою «моду» распространения. Число независимых «мод» равно числу проводов.
Приведение напряжений и токов к модальным координатам (индекс «М») осуществляется матричным преобразованием
Um = 87*0;
(4-3)
где матрицы S„* и S71 должны удовлетворять матричному преобразованию подобия [30].
Подстановка (4.3) в (4.1) приводит к следующим выражениям:
им = е~^ин, м;
1м = е Til*ZjFf MUH, м*’
Tel — S„ (zy) gu, т л = sr’ (yz) sz; Zif, м = su 'Zir.Si,
(4.4)
(4.5)
94
где элементы и — комплексные множители показателя степени, соответствующие коэффициентам затухания, и фазы распространяющихся волн.
Соотношения (4.5) определяют матричное преобразование подобия. Матрицы и y?i — диагональные.
Поскольку матрица м не зависит от координаты %, а соотношения между векторами-столбцами тока и напряжения определяются этой матрицей, то
Тel = Til — V1J	1	(
t = s-1; s„ = {sr’h = s.)	( '
Индекс t означает транспонирование матриц.
Таким образом, для любой f-й модальной составляющей (любого ьго волнового канала)
’ 2
Yi
О
^м,г — £	м, Ь
О ... О........О
у! • • • о.....о
zyS = S^yzS?1.
о о
О .. . у2 .; . О
О ............. -2
Yp_
е. соб-одно-
Нахождение показателей распространения уь т. ственных чисел матрицы Г = zy, производится временно с нахождением преобразующей матрицы S (или обратной ей S"1), т. е. собственных векторов матрицы Г. Собственные векторы однозначно связаны с элементами матрицы S"1.
В соответствии с соотношениями (4.3)
UM = S-4J; IM = SJ.
Если обозначить
и (4.6) имеем:
Ml
М2
Um =
>
U =
#12 . . . Ctip ^22 . . . (12р
2
^21
9
мр__
L«px
РР-Л
Р —
ТО
М2
^Мр — ЯрЛ + Яр2^2 + • • • + aDpUp*
95
Модальные составляющие отражают разложение напряжений на проводах по собственным векторам матрицы zy.
В приложении 2 приведен алгоритм отыскания величин Sny при известном произведении zy, определяемом параметрами линии и проводимостью земли. Реализована программа на ЭВМ. Хотя матрицы S и Zw в общем случае комплексные, их мнимая часть достаточно мала и ее можно не учитывать в практических задачах; погрешности во многих случаях не превышают 3 %. В приложении 1 приведен алгоритм нахождения приближенных чисто вещественных значений матриц S и ZWi пригодных для задач ОМП. Реализована программа на ЭВМ.
Обратимся теперь к первому из уравнений (4.2). Оно справедливо для любого значения частоты сох. Следовательно, для непрерывной последовательности частот получим функциональную зависимость
U (ш) =	(ю) *UH (со)	(4.2а)
или в модальных координатах
UM(0) = e-v«o)^M(4	(4.4а)
Соотношения (4.2а), (4.4а) показывают, что матрицы — функции е~Ге (<0) х и е—v х — есть не что иное, как передаточные функции участка многопроводной линии длиною х. В самом деле, включая в начало линии (х = 0) вектор-столбец напряжений, являющихся функцией частоты со, получаем на конце участка длиною х вектор-столбец выходных напряжений, являющихся функцией частоты.
Поскольку	в (4.4а) является диагональной
матрицей, то, приняв UH, м (со) =
, получим
_1 _
(°)) =	*, т. е. выражение для напряжения
в функции частоты на конце участка длиною х линии, на вход которой по всем волновым каналам воздействует единичный импульс (импульс Дирака). Частотный спектр этого импульса имеет постоянную амплитуду и бесконечную ширину. Если-теперь ввести в обозначения для начала участка длиною I индекс I, а для конца — индекс II, то можно записать:
= к (со) и]<й;	== kM (со) UlM(0, (4*8)
96
где
к (ю)w 1; км (со) = e~v (о) г.
Для получения связи типа (4.8) во временной области необходимо использовать интегральное преобразование Фурье. Как показано в [31]
оо	оо
Un t = J h (t — т) Uj (t) dr = J h (r) Ux (t — t) di. >—00	—oo
(4-9)
Для модальных координат
оо
h(0 = 4~ f e-v (®) ‘e-^1 da, (4.10)
Функция h (t) является матричной импульсной характеристикой однородного (в общем случае многопроводного) участка длиною I несимметричной линии. В модальных координатах матрица h (t) — диагональная и каждому волновому каналу соответствует своя импульсная характеристика оо
/г(. (/) = -!_ f е~^(а}1е-'а‘da.	(4.11)
J V J
—00
Энергия любого реального импульсного сигнала распределена по частотному спектру неравномерно. Если принять во внимание только ту часть частотного спектра, в которой содержится подавляющая часть энергии импульса (например, 90 или 95 %), то вместо интегрирования в бесконечных пределах можно установить конечные пределы. В этом случае
®в f e-vi^'e-i^da (4.1
При этом надо так выбрать значения нижней сон и верхней сов граничных частот, чтобы аналогичные интегралы в пределах от —оо до сон и от (ов до оо в сумме были значительно меньше интеграла (4.11а).
На ВЛ выбор сон и сов относительно прост, так как фильтры присоединения и заградители, устанавливаемые на ВЛ, имеют вполне определенную рабочую полосу частот. В этих условиях целесообразно применять только сравнительно узкополосные радиоимпульсные сигналы,
4 Г, М, Шалыт	97
для которых отношение Дсо/соо <• 0,54-0,8, т. е. эффективная (по энергии) полоса частот (Дсо) меньше средней частоты спектра сигнала соо.
Для КЛ и внутренних проводок применяются в основном широкополосные видеоимпульсные сигналы. Для правильного выбора значений сон и сов требуются при этом дополнительные расчеты.
Как показывают исследования и эксперименты [31J, при реально используемых (для ОМП линий электропередачи) импульсных сигналах с вполне допустимой точностью в интервале [сон, сов] можно принять
S = const; = const.	(4.12)
Это означает, что матрицы преобразования (в частности, собственные векторы) и волновые сопротивления считаются неизменными.
Для любого волнового канала ВЛ, КЛ и внутренних проводок при условиях (4.12) в интервале [сон, сов] практически можно принять
ai =	|
Pi = Рог “1“	/
где + jfit = уг- (со) — постоянная распространения i-ro волнового канала; Лг, Bh р0/ и бг- — постоянные коэффициенты.
При условии (4.13) интеграл (4.11а) имеет следующее решение [31 h
hi (0 =  ----------А (ZJ sin (<оА + Д + г), (4.14)
где
Sin z — sln в*1 "Ь ~~ а cos в*1 (g~aQ — egQ).
(^1 + и2) (e2aQ + e~2aQ — 2 cos
д = j/" e2aQ + e~2aQ 2 cos 2Q/f e
= 4" ^5	= (®в	Q e (coB
$on== A ily ci = Bt*Z;
Д = po.Z; S = SzZ;
(4.15)
I — длина участка линии.
Таким образом, для анализа и расчета импульсных сигналов, занимающих определенный ограниченный ча-98
стотный спектр и прошедших участок линии произвольной длины Z, необходимо и достаточно знать постоянные распространения волновых каналов	вол-
новые сопротивления каналов (или матрицу м), распределение составляющих по каналам allt а12, ..., арр (или матрицу S'1). Значения этих величин для той или иной частоты или совокупности частот расчетным путем и многочисленными экспериментами определены специалистами по ВЧ каналам по проводам ВЛ 35—750 кВ. Импульсные сигналы с достаточным приближением можно рассчитывать по средним арифметическим значениям вышеназванных величин для полосы частот А/ = 50 ч-70 кГц.
Следовательно, расчеты распространения импульсных и синусоидальных сигналов опираются на одни и те же исходные данные, которые имеются, в частности, в [32— 35]. В каждом волновом канале расчет ведется независимо, так как матрица h (t) диагональная. Перераспределение энергии между волновыми каналами происходит только в точках нарушения однородности структуры линии. В этих точках возникают отражения и преломле-нйя импульсных сигналов, что ниже будем рассматривать в линиях различного типа, постепенно усложняя задачи.
4.3.	ОДНОПРОВОДНЫЕ ЛИНИИ
Если в какой-либо точке однородной однопроводной
линии с волновым сопротивлением z подключается сосре-
доточенное сопротивление или линия с другим волновым сопротивлением, то в этой точке должны выполняться определенные граничные условия. Приход в эту точку прямой волны, которую в этом случае называют падающей, вызывает появление обратной волны, называемой отраженной. Параметры отраженной волны зависят от граничных условий. Рассмотрим несколько частных слу
Рис. 4.1. Падение электромагнитной волны на конец линии, замкнутой на активное сопротивление.
чаев, интересных с точки зрения методики ОМП.
Активное сопротивление в конце линии. На рис. 4.1 показана однопроводная линия с волновым сопротивлением г, на конце которой включен резистор сопротивлением R. Граничное условие для конца линии» и Ш,
4*
99
где uni — мгновенные значения тока и напряжения в конце линии.
Падение волны и (t) вызывает появление отраженной волны напряжения и (t) при выполнении условия
и (t) + и (/) = и = IR.	(4.16)
Для волн тока справедливо условие i (t) — i (t) = i или с учетом того, что и (t)/z = i (/),
u (/) — и (t) __ .	(4 J?)
Из уравнений (4.16) и (4.17) получаем’
u(t) = и (0 (/? - z)/(R + z) = u (t) k0.	(4.18)
<	— z	, ,
где k0 =	----коэффициент отражения, представля-
ющий собой отношение напряжения отраженной волны к напряжению падающей.,
Из (4.16) имеем:
« = (1 + kofU (t).
Для короткозамкнутой линии R = 0;	k0 =	—1.	От-
ражение волны напряжения происходит	без	изменения
амплитуды, но с переменой полярности.,
Для линии, разомкнутой на конце,
k0 = lim -1 ~	=	1.
Я->оо lT*/K
Отражение волны напряжения происходит без изменения амплитуды и полярности.,
При R — z коэффициент k0 = 0 и отраженной волны не возникает. Этот случай называют согласованием линии. При R < z отраженная волна напряжения имеет знак, противоположный знаку падающей; при R > z знаки отраженной и падающей волн напряжения совпадают.
Для краткости далее будем именовать волну напряжения просто волной, если же в отдельных случаях придется рассматривать волны тока, то это будет специально оговариваться.
Переход волны с одного провода на другой. Пусть (рис. 4.2) волна и (t) набегает по линии с волновым сопротивлением zx на линию с волновым сопротивлением z2. Тогда для точки перехода справедливо граничное условие и = tz2.	(4.19)
100.
С другой стороны,
и = и + и; и — и
(4.20)
Решая совместно уравнения (4.19) и (4.20), получаем:
(4-21)
и = и-----г— = икп,
4- 2а	П’
где kn — коэффициент преломления, kn = 2z2/(zj + z2).
(4.22)
Z1 Al
U(t
Рис. 4.2.
- 5)
Рис. 4.3.
Рис. 4.2. Изменения напряжений при переходе волны с одной линии (с волновым сопротивлением Zj) на другую (z2).
а — напряжение падающей волны в некоторый момент времени (t = 0); б-* напряжения волн в момент времени i = Ы/v при < zt; и, и и и — падаю* щая, отраженная и преломленная волны.
Рис. 4.3. Схема узла из п + 1 одинаковых линий.
Напряжение и соответствует напряжению волны, распространяющейся по линии с волновым сопротивлением z2 (вправо от точки перехода на рис. 4.2). Эта волна называется преломленной.
Так как всегда kB 0, то проходящая преломления волна сохраняет полярность падающей. При изменении г2 от 0 до оо коэффициент kn изменяется от 0 до 2.
На рис. 4.3 показана схема узла, в котором соединяются п + 1 одинаковых линий с волновым сопротивлением г. При набегании волны и (t) на узел по одной из линий граничное условие для узла в силу одинаковости линий запишется в виде
и = izln, где и и i — мгновенные значения напряжения и резуль-
101

*1 ч- z2
п
тирующего тока в узле. Это означает, что данный случай сводится к предыдущему (рис. 4.2) при замене z2 на z/n и ?1 на z. В результате имеем:
^0=4^; ^п=-4л-	(4-23)
0	1 + fl U П + 1	v z
При п = 1 kQ = 0, kn = 1. Фактически волна без отражения переходит с одной линии на другую, идентичную первой. При п 2 происходит отражение с изменением полярности напряжения по отношению к падающей волне (k0 < 0). Амплитуда преломленной волны тем меньше, чем больше линий в узле.
Общий метод определения отраженных волн. Пусть по линии с волновым сопротивлением z набегает волна
Рис. 4.4. Падение волны и (t) на пассивный двухполюсник. а — принципиальная схема; б— схема замещения.
и (t) на пассивный двухполюсник Д (рис. 4.4, а). Тогда совместное решение уравнений (4.20) при zx = z позволяет записать следующее выражение, связывающее напряжение на зажимах двухполюсника Д (т. е. на конце линии) и ток в конце линии:
2и = и zr\
Этому выражению соответствует схема замещения, представленная на рис. 4.4, б. Рассмотрение схемы позволяет сформулировать следующее правило: если на узел падает волна напряжения и (/), движущаяся по линии с волновым сопротивлением z, то напряжение и ток в этом узле будут такими же, как и при подключении источника напряжения 2и (t) с внутренним сопротивлением z непосредственно к рассматриваемому узлу.
Таким образом, определение напряжений отраженной и преломленной волн в узле в общем случае сводится к расчету схемы с сосредоточенными параметрами.
При наличии в узле только активных сопротивлений и отходящих линий форма отраженных волн повторяет форму падающих. Расчет связан только с алгебраическими операциями (аналогично расчету цепей постоянного тока). 102
При наличии в узле индуктивностей или емкостей отраженные и преломленные волны по форме отличаются от падающих. Расчет переходного процесса в схеме замещения при этом связан с решением дифференциальных и интегральных уравнений классическим или операторным методом.
Обозначим через ZBX (р) входное сопротивление пассивного двухполюсника в операторной форме и через U (р) изображение напряжения падающей волны и (/)..
Рис. 4.5. Падение волны на конденсатор, включенный в конце линии. а — принципиальная схема; б — расчетная схема замещения; в — график напряжения отраженной волны для случая а = О
Тогда будут справедливы следующие операторные выражения [36]:
2U (р) = U (р) + ZI (р);
U (р) + U (р) = U (р)-
Дх (Р) = У (р)Н (Р).
где U (р) и 1 (р) — соответственно изображения напряжения и тока на входе двухполюсника (в узле).
Из этих уравнений получаем:
^.(р) = ^(р)тЧбЙт
^Вх \Р) г & ИЛИ
у (р) = у (р) Ко (р).
где /<0 (р) =  f в* ,, ~ 7— коэффициент отражения в one-ZBX \Р) Т
раторной форме.
Пример 4.1. Рассмотрим падение волны и (г) = е по линии с волновым сопротивлением Z на конденсатор емкостью С (рис. 4.5,а). Из схемы замещения, представленной на рис. 4.5, б, имеем:
Z (р) = 1/рС; й(р) = 1/(р 4- а)
(по Лапласу);
Ко (р) =
(1/pQ-Z .
(1/pO + Z ’

103
В соответствии с таблицей оригиналов и изображений [37]
й-«/(гС)
V	4
В случае прямоугольной единичной волны а = О «(/)=!—2е*</(2С).
График изменения напряжения отраженной волны в этом случае показан на рис. 4.5, в. При t <с гС имеем и (t) « — 1, т. е. для начала
Рис. 4.6. Подключение активных и пассивных элементов к промежуточной точке линии.
/— подключение активного двухполюсника Л; 11 •₽- подключение резистора Я; III — подключение генератора с ЭДС Е (0 и внутренним сопротивлением /?0; а — принципиальные схемы; б — схемы замещения.
фронта волны емкость представляет собой как бы короткозамкнутый провод. Для t гС имеем и (/) ~ 1, т. е. после заряда конденсатора он представляет собой как бы место обрыва цепи.
Подключение активного двухполю с н и к а к л и н и и. На рис. 4.6, а показано подключение активного двухполюсника А к линии в промежуточной точке, напряжение в которой равно и (t). Возникающие в этом случае волны можно определить с помощью расчета схемы, представленной на рис. 4.6, б (случай /), где и0 (t) — напряжение на рубильнике; П — пассивная часть активного двухполюсника (источники закорочены). 104
Определив ток в цепи I, можно найти распространяющиеся по линии в обе стороны от места подключения двухполюсника волны:
i и = и = -и- Z.
Пример 4.2. К линии, заряженной по всей длине до постоянного напряжения и0, подключается в промежуточной точке резистор сопротивлением R. Схема замещения для этого случая представлена на рис. 4.6,6 (случай II). Ток в этой схеме
— и0 =	2«0
R + z/2	2R+z'
Амплитуда направляющихся в обе стороны от МП волн тока равна Z/2, а волн напряжения
-> *- I	иог
U-U-"2Z	2R+z'
При замыкании линии накоротко R = 0, и = и = —и0, т. е. в обе стороны направляются волны, равные по амплитуде и противоположные по знаку напряжению на линии в момент КЗ.
Пример 4.3. К линии, заряженной до напряжения и0, подключается импульсный генератор с внутренним сопротивлением и ЭДС Е (t). Из схемы замещения, показанной на рис. 4.6, б (случай ///), имеем:
£(/) —ц0 .
£o+*/2 ’
тогда
*- -» i	z
и = и = Y 2 = [Е (0 — *ol 2R ' + 2*
При подключении генератора к незаряженной линии (ио=О)
4-	2
u=u = E(t)	+ г .
Многократные отражения волн. До сих пор рассматривалось лишь появление отраженных и преломленных волн в различных случаях. Однако преломленные волны, распространяясь дальше по линии, могут встретить на своем пути сосредоточенные элементы, линию с другим волновым сопротивлением или разветвление нескольких линий. При этом вновь возникают отраженные и преломленные волны. Отраженные волны, распространяясь в обратном направлении, также испытывают повторные отражения и преломления. При рассмотрении многократных отражений, преломлений и наложений целесообразно различать понятия «волны» и «импульсы» (импульсные сигналы). Волны возникают при переходном процессе в предварительно заряженной линии или с установив
. 105
шимся вдоль нее током, например, при КЗ (пробое изоляции), аналогично тому, как показано на схеме рис. 4.6.
Распространяющаяся прямоугольная волна по мере своего продвижения постепенно изменяет потенциал всех точек линии, затем отражается от ее конца или точки нарушения однородности и, продвигаясь, вновь изменяет потенциалы всех точек линии.
Волны — это как бы прямоугольные импульсы, длительность которых превышает время их пробега по всей линии. Импульсы могут иметь любую длительность и форму.
Результирующий потенциал в любой точке линии равен сумме потенциалов всех волн, прошедших через эту точку до рассматриваемого момента времени, смещенных относительно друг друга на разность времени их появления в этой точке.
Поскольку в реальных линиях волны затухают, то такой процесс наложения сдвинутых и со временем уменьшающихся по амплитуде волн заканчивается установившимся режимом. Последнему соответствует стационарное распределение потенциалов (и токов) вдоль линии и на ее концах. Так, при включении на постоянное напряжение щ разомкнутой на конце линии установившемуся режиму соответствует наличие одинакового напряжения uQ вдоль всей линии. При посылке же в отключенную от сети линию коротких измерительных импульсов напряжения в установившемся режиме (после полного затухания измерительных импульсов, претерпевших несколько отражений от конца и начала линии) вдоль всей линии потенциал станет равным нулю.
Многократные отражения при посылке короткого импульса в поврежденную линию. Прежде всего поясним понятие «короткий импульс». При подаче импульса напряжения длительностью т в линию бесконечной длины в момент времени т + А/ в начале линии напряжения не будет, а фронт импульса продвинется по линии на расстояние (т + A/) v. При А/ -> 0 напряжение будет на части линии длиной /и = хи, т. е. импульс как бы занимает отрезок линии длиной /и. Более длительный импульс занимает соответственно большую часть линии. Условимся понимать под коротким импульсом такой, длительность которого удовлетворяет условию
/и < L/S,	(4.24)
где L — длина линии; S — кратность (для определенности примем S 10).
106
Рис. 4.7. Схема подачи короткого импульса в линию, имеющую замыкание на землю через переходное сопротивление.
Кратность характеризует, на какой части линии в данный момент размещается импульс. Условие (4.24) показывает, что понятие «короткий импульс» имеет смысл лишь применительно к длине какой-либо линии. Импульс, короткий для одной линии, может быть длинным для другой. На рис. 4.7 показана схема подачи короткого прямоугольного импульса напряжением Е на однопроводную линию, имеющую на расстоянии /12 замыкание на землю через переходное сопротивление 7?п- Вправо по линии (в соответствии с примером 4.3) начинает распространяться со скоростью v импульс напряжения
и = Ez/(R0 + г).
Прежде чем начать рассматривать процесс распространения этого импульса, определим коэффициенты отражения и преломления в трех граничных точках: /, 2 и 3.
Для точки 1 коэффициент &01 = (7?0 — z)/(7?0 + z).
Следует подчеркнуть, что для приходящей справа волны источник Е следует считать закороченным и отражение определяется только сопротивлением 7?0. Для простоты написания примем 27?О/(7?О + г) = &п1, хотя фактически в точке 1 преломления волн не происходит. Такое написание соответствует включению вместо резистора 7?0 линии бесконечной длины с волновым сопротивлением 7?0.
Коэффициенты отражения и преломления в точке 2 для импульсов, приходящих как справа, так и слева, могут быть получены из схемы замещения, представленной на. рис. 4.8, а.
Параллельно соединенные сопротивления 7?п и z заменим эквивалентным сопротивлением
Яэ = Яп2/(Яп + *)•
Тогда в соответствии с выражениями (4.18) и (4.22) ^п2 = 2/?э/(7?э + z) = 27?п/(27?п + z);
k02 =	— z)/(R3 + z) = — z/(2Ra 4- z).
Из формулы для коэффициента отражения можно сделать важный вывод: при любом значении переходного сопротивления в месте повреждения изоляции коэффи
107
циент отражения отрицательный. Исключение представляет повреждение на конце линии. На рис. 4.8, б приведена зависимость коэффициентов отражения и преломления в месте повреждения от отношения 7?п/г.При 7?п = = 0 (металлическое КЗ) feo2 = —1, йп2 = 0. С ростом 7?п коэффициент отражения по модулю уменьшается, а коэффициент преломления растет. Уже при 7?п = 4Z коэффициент feo2 « —0,1, a fen2 = 0,9, т. е. отраженный импульс составляет лишь 10 % падающего, а большая часть энер-
кп2>к 02
Рис. 4.8. Схема замещения (а) и графики изменения коэффициентов отражения и преломления для места повреждения линии (б).
гии остается в преломленной волне. На разомкнутом конце линии (в точке 3 на рис. 4.7) ko3 = 1.
Примем, что рассматриваемая линия неиска_жающая. На участках 1-2 и 2-3 затухание определяется значениями а12 = е а1212 и a23 = е а2312 соответственно. Определив исходную волну, коэффициенты отражения, преломления и затухания (а'), можно приступить к построению пространственно-временной сетки [36]. Для рассматриваемого случая сетка построена на рис. 4.9.
По горизонтали откладываются длины участков /12 и Z23. По вертикали откладывается время. Из начальной точки 0 проводится наклонная линия под углом ф к горизонтали, причем ctg ф = v, где v — скорость распространения волны в линии. В точке пересечения наклонной линии с вертикалями 2-2 и 3-3 под теми же углами вновь проводятся наклонные линии до пересечения с соседними вертикалями, включая вертикаль 1-1, и т. д. Наклонные линии соответствуют распространяющимся волнам. В точке 2 каждый раз возникают отраженные и преломленные волны, в точках 1 и 3 — только отраженные. Непосредственно на сетку наносятся значения напряжения волн, которые изменяются при движении от узла к узлу соответственно значениям а12, а23 и коэффициентам отражения и преломления. Получение необходимых произведений коэффициентов нетрудно проследить по рис. 4.9.
108	\
Как уже подчеркивалось выше, напряжение в произвольный момент в некоторой точке соответствует сумме напряжений всех волн, прошедших точку к этому моменту с учетом их сдвига во времени.
Напряжение для начала линии (точка 1) показано на рис. 4.9 в виде надписей на стрелках, направленных влево. На этом же рисунке в масштабе дано изменение указанного напряжения во времени, рассчитанное для определенности ттри следующих условиях: Rq= 0,5z;	= 0,5z;
ос-12 — 0,8; ОС23 == 0,68; Z23 = 1,75 /12.
Посылаемый в линию импульс и —	г) = 1 (показан
не в масштабе). Первый отраженный от МП импульс возвращается к началу линии через время 2/12/и, имея отрицательный знак, еще через
Рис. 4.9. Пространственно-временная сетка для схемы рис. 4.7.
2/12/v возвращается повторный отрицательный отраженный импульс, существенно меньший первого из-за затухания и дополнительных потерь энергии на преломление и отражение. Если бы /?0 было не меньше, а больше z, то повторный отраженный импульс имел бы' положительный знак (Z^oi > 0).
Через интервал времени 2/13/и к началу линии приходит положительный импульс, претерпевший отражение от конца линии (точка 5) и дважды преломленный в точке 2. Далее на рис. 4.9 показан импульс, соответствующий третьему пробегу двукратного расстояния до МП. Амплитуда этого импульса составляет лишь 0,23% исходной амплитуды. Очевидно, что с последующими отражениями можно не считаться. Построение сетки обычно и заканчивают после того, как очередные импульсы становятся в несколько десятков или сотен раз меньше исходных.
4.4. ДВУХПРОВОДНЫЕ СИММЕТРИЧНЫЕ ЛИНИИ
Это линии, состоящие из двух проводов, расположенных вблизи поверхности земли. К таким линиям можно отнести всевозможные внутренние проводки, двухпроводные ответвления от трехпроводных наружных сетей,
109
двухжильные кабели в общей металлической оболочке, двухпроводные линии и проводники постоянного тока.
В двухпроводных симметричных линиях имеются два волновых канала [38]: нулевой, т. е. канал «оба провода— земля» (оболочка), и межпроводный, т. е. канал «провод— провод» («жила—жила»).
В таких линиях собственные и взаимные удельные сопротивления и проводимости для обоих проводов одинаковы: Зц = ?22> ?12 = ?2Ь У11 = У22') У12 = Уж*
В соответствии с этим матрица
zy =	2ц ^12 . 212 2ц _		Уп У\2 . У\2 Уп .	—	711 712 .712 711.	= yz,
2	I	2	I
где Y11 = Z11//H + Z12//12; Т12 = Z12*/ll + Zll£/12-
В этом результате легко убедиться перемножением. Равные друг другу матрицы zy и yz — симметрические, что обеспечивает выполнение равенств S = S,; S"1 = = S71, т. е. преобразование токов и напряжений проводов к модальным координатам одинаковое.
Используя, преобразование подобия (4.7), можно получить:
Проведем проверку:
711
.712
712
Ун.
S^zyS =
7ii + 712 ч 0	7о О
О 711 — 712.	. О ' у2
Действительно, получена диагональная матрица квадратов коэффициентов распространения 70 = 7п + 712 — для нулевого канала и у2 = уц — у?2 — для межпроводного канала, где
7о = «о + /р0; 7 •= а + /р.
Скорости распространения составляют:
vQ =* ш/р0; v — ш/р.
ПО
Из соотношения матрицу волновых натах:
(4.5) можно получить и диагональную сопротивлений в модальных коорди-
" z0 О
О г
(4.26)
Таким образом, межпроводный (быстрый) волновой канал двухпроводной симметричной линии характери
зуется волновым сопротивлением г, затуханием а и скоростью распространения у, а нулевой (медленный) —
соответственно г0, а0 и у0.
Соотношениям (4.25), (4.26) соответствует уравнений
ui = wo + и J . h =	+ 1 »	— Vol
и2 = Ио — i2 = io — и’ =	,
система
(4-27)
где индексы 1 и 2 относятся к первому и второму проводам, индексы 0 и штрих (') — к нулевому и межпроводному каналам.
Напряжения и волны, относящиеся к тому или иному каналу, называют составляющими. Граничные условия для напряжений и токов проводов можно на основе соотношений (4.27) перевести в граничные условия для составляющих. Если удается удовлетворить граничные условия, например для нулевых составляющих независимо от значений межпроводных составляющих, то можно рассматривать медленные волны независимо от быстрых. Если же граничные условия для одной составляющей зависят от другой, то в соответствующих граничных точках приход медленных волн вызывает появление быстрых и наоборот. Приведем несколько примеров.
Пример 4.4. Отражение волн от конца разомкнутой симметричной линии. Граничные условия на конце каждого провода: i1 = Q = i0 + i'; t*2 = 0 = t’o—i'• Из этих условий следует:
i0 = 0; i' = 0.	(4.28)
При падении волны i0 можно согласно (4.17) записать: для первого провода
70 _ 70 — г = г0 -Ь для второго провода
Складывая эти уравнения с учетом граничных условий (4.28), получаем:
t0 = <0; I' = 0; I' = 0;
Uq = CqZq = IqZq = а0; и* =0; и' = 0; u0 =	-j-u0 = 2u0.
Ill
При падении волны i* можно записать: для первого провода
Т-— Г — T0 = Z' + Z0;
для второго провода
— i' -|~ 1Г — tg = — i' 4» Zg.
Вычитая второе уравнение из первого с учетом граничных условий (4.28), получаем:
t — Z , Zg = 0, tg —— О,
и' = и’*, uQ = 0; и0 = 0; и = и' + и' = 2и'.
Таким образом, при падении медленных волн на разомкнутом конце возникают только медленные отраженные волны, при падении быстрых— только быстрые.
Пример 4.5. На конце обоих проводов включены резисторы с одинаковым сопротивлением R. Граничные условия на концах проводов:
tZj = ij/?, (tg ”|“ t )	~~ Пд "4” U » ^2 == ^2^> (tg У R ~~ t/g U >
откуда следует:
(4.29)
Граничные условия для составляющих независимы.
При падении волны и0 можно записать: для первого провода
-> ,
н0 + н0 + и' = и0 + и' = *0# + * Л;
►
=/0 + Г;
для второго провода
и0 + мо ~ и' = мо ~’и' =	““
to tg 4“ i = tg — i •
(4.30)
(4.30а)
Складывая попарно уравнения для напряжений и токов, получаем:
-> «-	-> *-
ttg 4“ Wg =	^0 ““ Ч) = Ч)*
Умножая последнее уравнение на г0 и складывая оба уравнения,, получаем:
t0 = u02/(R + г0).
Подставив этот результат.в исходные уравнения (4.30), (4.30а), найдем:
->	2R	,	<-	->	R-z. . ]
И0 Но	р I 2	»	Ид	Мо	р I _ > I	/Л О1\
+ ?о • I	(4.31)
i' = 0; Z' = 0; и' = 0. j
112
Аналогично при падении волны и'
Wq — О,
(4.32)
Пример 4.6. На конце одного провода включен резистор тивлением R (рис. 4.10). Граничные условия:
сопро-
1*2 —
тогда
Ц i —
откуда
<о = i
(4.33)
Рис. 4.10. Расчетные схемы для линии с активной нагрузкой на конце одного провода.
а — принципиальная схема; б — однопроводная схема замещения; в — экви* валентная схема, соответствующая приходу медленной волны к концу линии; г — эквивалентная схема для быстрой волны.
Граничные условия (4.33) для обеих составляющих в отличие от предыдущих примеров взаимосвязаны.
При падении волны и0 можно записать:
для первого провода
34)
для второго провода
lQ — i* = 0,
113
Из этих четырех уравнений с учетом соотношений (4.27) следует:
<-	-* 2R + z — z0 .
“о = Ц> 2д + г+го .
<-	-> 2z
“------“о 2/? + г + го =	
->0 2R-f-z
“®-u»2 2/? + г4-г0 •
При падении волны и' можно записать : для первого провода
и' + и' + u0 = Uq + и' = 2i0R = 2i' Ry 4-	4-
if — i' — i0 = <о + Г = 2i0 = 2г;
для второго провода
— и' — и' + Uq = «0 — и’;	1
j
— i' -j- i — г0 = i0 — i' = 0. )
Из этих четырех уравнений с учетом соотношений .чаем :
2R + z0 — z ,
2 R + z0 + 2
2R + 2o .
2R + z0 + z *
(4.35)
(4.36)
(4.36a)
(4.27) полу-
(4.37)
<-	2z0
Из рассмотрения уравнений (4.33), (4.34) и (4.36), а также результатов их решения (4.35) и (4.37) следует, что им соответствует однопроводная схема замещения, представленная на рис. 4.10, б, если считать, что она относится ко второму (неповрежденному) проводу. В самом деле, в любой момент времени на этой схеме
i0 = i'; uQ — (—и') = щ + uf = 27? iQ.
Последнее уравнение не отличается от (4.33), если принять, что в междупроводной части схемы напряжение равно —и'. Но при напряжении и' на первом проводе напряжение на втором проводе действительно равно —и'.
Следовательно, схема замещения рис. 4.10, б справедлива для второго провода. В дальнейшем будем писать на схеме замещения не —и', а и', имея в виду, что соответствующие значения относятся ко второму (неповрежденному) проводу.
Определение отраженных и преломленных волн в полученной однопроводной схеме не отличается от уже рас-04
смотренного в § 4.3. При приходе волны м0, т. е. слева на схеме рис. 4.10, б, справедлива схема с сосредоточенными параметрами (рис. 4.10, в), а при приходе волны и' — схема, представленная на рис. 4.10, г. Легко проверить, что амплитуда и полярность отраженных и преломленных (в другую часть схемы) волн описываются формулами (4.35) и (4.37).
Таким образом, при использовании однопроводной схемы замещения двухпроводной линии приходящие слева
Рис. 4.11. Расчетные схемы для случая подключения сопротивления гп в промежуточную точку линии.
а — принципиальная схема; б — однопроводная схема замещения; в и г — эквивалентные схемы для прихода медленной и быстрой волн.
со скоростью и0 волны отражаются и преломляются, причем преломленные волны имеют уже другую скорость (и). Аналогичные соотношения справедливы и для волн, приходящих справа.
Пример 4.7. В промежуточной точке линии на одном из проводов включена на землю цепь, имеющая сопротивление гп (р)« Уравнения для токов и напряжений в этом примере должны записываться в операторной форме. Опуская ниже для краткости записи знак оператора, запишем граничное условие (рис. 4.11, а):
Ч&и = ui = Uj + и'.
(4.38)
При падении волны Uq справедливы уравнения: для первого провода
Щ + «о +	= ио + и' = *к2п; '
t’o — *о	= *о +	+ *к»
(4.39)
115
для второго привода
получаем:
Zo —
Решая эти четыре уравнения с учетом соотношений (4.27),
Аналогично рассматривая падение волны и', можно получить:
(4.40)
(4.41)
Из анализа исходных уравнений (4.39), а также и результата их решения (4.40) и аналогичного решения (4.41) для падения волны и' следует, что уравнениям (4.39) соответствует однопроводная схема замещения, представленная на рис. 4.11, б. Как и в предыдущем случае, она относится ко второму (неповрежденному) проводу. Определение отраженных и преломленных волн в полученной однопроводной схеме производится аналогично рассмотренному в § 4.3.
Для случая прихода волны uQ в точку подключения zn справедлива схема рис. 4.11, в, а для волны и' — схема рис. 4.11, г. Покажем для примера, что расчет отраженных и преломленных волн по схеме рис. 4.11, в дает результаты, тождественные решениям по формулам (4.40).
Для схемы рис. 4.11, в эквивалентное сопротивление в точке разветвления
Л 2 = г° + г/2> _ 4гй?п + гог
9 г0 + 2гп + г/2 4гд + 2г0 + z *
JI6
Тогда рассматриваемая схема сводится к простейшей (см. рис. 4.1), в которой в качестве сопротивления z служит z0, а в качестве 7? сопротивление z3:
k0 = (гэ — г0)/(гэ + z0); kn = 2z0/(z3 + z0).
Подставляя в эти формулы выражение для z3, получаем: ^0 = ~Zo/(4zn + г + ?о);	= (4гп + г)/(4гп + г + г0),
следовательно,
«о = «<&> = — «о 4гп +°г+2о;
_ А _ 4гп + z «о - «о«п — «о 42п + г _|_ го •
Полученные выражения тождественны формулам (4.40). Остается теперь получить напряжение и' на сопротивлении z/2 в схеме, представленной на рис. 4.11, в:
,	г/2	__4гп + z z/2
U	2г1Г+г/2 ““Чгп + г + г» 2гп+г/2 ’
и' = иог/(4га + г + г0)..
Сравнение этого выражения с формулой (4.40) показывает, что они отличаются знаками. Но это вытекает из принятого нами условия, что схема замещения относится к неповрежденному проводу. Как видно из рис. 4.11, б, при приходе волны и0 в, междупроводной части схемы преломленная и отраженная волны равны друг другу:
и' = и' = w0z/(4zn + z + Zo)-
Подчеркнем, что эти волны распространяются уже не со скоростью и0, а со скоростью v. Таким образом, схема на рис. 4.11, б полностью отражает все соотношения схемы рис. 4.11, а, т. е. двухпроводная система сводится к однопроводной.
Пример 4.8. В промежуточной точке линии между проводами включено сосредоточенное сопротивление гп (р). Опуская, как и в предыдущем примере, знак оператора, запишем граничное условие (рис. 4.12, а):
t/j — и% = или
^0 ”1“	“ («0 “	= ^RZni У? = l*KZn/2.
Из последнего выражения ясно, что граничное условие не зависит от нулевой слагающей. При падении волны и0 отраженные волны не розникяют. Волна продолжает распространяться так же, как и при Отсутствии сопротивления za
117
При падении волны и' можно записать: для первого провода
и' -|- и' = и';
для второго провода
Г — i = i' + tK = Г + 2u'/zn-
Рис. 4.12. Схемы подключения сопротивлений и источников напряжения к линии. /
I — двухпроводные схемы; II •— схемы замещения; а сопротивление гд в промежуточной точке линии; б — сопротивление zn на конце линии; в источник с внутренним сопротивлением г в начале линии.
Из этих уравнений с учетом (4.27) получим:
и'= — и'г/(г + ?п); и'' = u'znl(z + *п);
(4.42)
*к = 2u'/(z 4» Zn)-
В частности, при гп = 0 (двухполюсное КЗ)
—и'; и'=0; ZK = 2u'/z.
(4.43)
От места двухполюсного КЗ происходит полное отражение между-проводных составляющих с переменой полярности. Схема замещения для рассматриваемого примера показана на рис. 4.12, а, что легко проверить расчетом отраженных и преломленных волн» 118
Пример 4.9. На конце линии между проводами включено сопротивление гп (р). Опуская знак оператора, запишем граничные условия (рис. 4.12, б):
— ^2 = ^КгП> И. —	*2 —
откуда
и' = *к*п/2; Г = 1к;	= i'znft.
I
При падении волны и' для первого провода справедливы выражения
и' + w' = t'zn/2.; V — i'<== i'.
Из этих уравнений с учетом (4.27) следует:
и' = и
/ “*>	2zn
и = и'----------Л
(4.44)
.	4и'
I =
Очевидно, что рассматриваемому примеру соответствует однопроводная схема рис. 4.12, б. В частности, при гП = 0 имеем и' = —и'; и' = 0; iK = 2w7z.
От места двухполюсного КЗ на конце линии, так же как и в промежуточной точке, происходит полное отражение междупроводных составляющих с переменой полярности. При zn = 2z имеем и' =0; и' = и', т. е. отражения не происходит. Линия согласована по междупроводной составляющей.
Пример 4.10. Включение генератора напряжением Е с внутренним сопротивлением г на один из проводов в начале линии (рис. 4.12,. в). Граничные условия:
для первого
провода
для второго
откуда с учетом
провода
t’o — t*o =
(4.27) получаем:
(4.45)
Нетрудно проверить, что этому случаю соответствует изображенная на рис. 4.12, в схема замещения для [—и'} на втором проводе.
Однопроводная расчетная схема двухпроводной линии при расположении особых точек на одном проводе. Под особыми точками будем понимать такие, в которых присоединение элементов (источников, сосредоточенных сопротивлений или дополнительных проводов) производится лишь к одному из проводов линии. Если в каких-либо
119
точках линии одинаковые элементы присоединяются к обоим проводам (по отношению к земле) или осуществляется включение элементов между проводами, то такие точки не считаются особыми.
Составление расчетной однопроводной схемы для системы симметричных двухпроводных линий проводится в соответствии с рассмотренными примерами на основе следующих правил.
1.	Во всех точках линий, где симметрия схемы не нарушается (обрыв обоих проводов или конец линии,
Рис. 4^.13. Пример сложной двухпроводной системы. а — двухпроводная схема; б — схема замещения.
разветвление линий, подключение одинаковых сопротивлений на землю к обоим проводам, включение элементов между проводами и т. п.), нулевая и междупроводная части схемы не связаны. При нарушении симметрии возникает связь между указанными частями схемы.
2.	При включении одинаковых сопротивлений (по отношению к земле) к обоим проводам эти сопротивления подключаются без изменения параметров к нулевой и междупроводной частям однопроводной расчетной схемы.
3.	При включении каких-либо сопротивлений между проводами эти сопротивления, уменьшенные вдвое, подключаются к междупроводной части схемы.
4.	Полные сопротивления, подключенные лишь к одному проводу, удваиваются и включаются между соответствующими точками междупроводной и нулевой частей расчетной схемы.
На рис. 4.13, а показан пример системы двухпроводных линий с одним источником, имеющим внутреннее сопротивление г,, и четырьмя сопротивлениями, включение
ними в различных точках системы. Участки симметричных линий имеют разные параметры и длину: /х; z0!;
hi* гоц; ?и; hn* *oiib zin- Однопроводная расчетная схема для такой системы показана на рис. 4.13, б. Рассмотренные выше примеры и сформулированные правила позволяют легко объяснить место каждого элемента на этой схеме.
Расчет токов и напряжений в полученной однопроводной системе аналогичен рассмотренному в п. 4.3 расчету с помощью пространственно-временной сетки. Для упрощения построения этой сетки целесообразно вместо двух скоростей распространения v и у0 использовать только одну, соответствующим образом изменив длины участков одной части схемы. Условие приведения длины участка к другой скорости распространения
^л/^Д = ^п/^п = ^д>
где /д, Уд и /д — соответственно действительные длина, скорость и время распространения волны по участку; /п — длина участка, приведенная к скорости распространения уп.
Для задач, возникающих при ОМП, расчетные схемы удобно приводить к скорости для быстрых волн у. Тогда для приведения длин участков нулевой части расчетной схемы справедливо соотношение /п = Поскольку У Уо, то /ц /дг
Если нужно найти одну и ту же точку линии в обеих частях приведенной схемы, то ее можно отсчитать в нулевой цасти схемы от какой-либо особой точки в соответствии с отношением /д = l^v^lv.
Построение пространственно-временной сетки для двухпроводной линии рассмотрено в [38].
Однопроводная расчетная схема двухпроводной линии при расположении особых точек на обоих проводах. Обратимся вновь к примеру 4.7 и изменим его условия только в одном: сопротивление ?п присоединяется не к первому, а ко второму проводу.
Тогда при падении волны uQ вместо уравнений (4.39) надо записать:
для первого провода
«о + «о + и' = и0 + и';
J21
для второго провода
Uq U —
к
Решая эти уравнения с учетом соотношений (4.27), получаем:
= —и —г°
04zn + ? + z0 ’
4гп + z
Uq = и0 -л--Г-Н----
и и 4zu + 2 + z0
U* =и!' = uQ
2
4zn + г + г0 *
От формул (4.40) приведенные выражения отличаются только знаком при и' = и'.
При падении волны и', рассуждая аналогично, находим
и' = и'
**	2о
«0 = Uq = и -----------Г-2—;----.
4zn + z + ?0
Эти выражения отличаются от формул (4.41) только знаком при Uq = uQ.
Таким образом, присоединение сопротивления ?п не к первому проводу, а ко второму приводит только к изменению полярности волн, переходящих из одной части расчетной схемы в другую (из нулевой в междупроводную или наоборот). При расположении особых точек на обоих проводах остаются справедливыми все четыре приведенные выше правила составления однопроводной расчетной схемы двухпроводной линии. Кроме того, добавляется еще одно правило: при подключении какого-либо полного сопротивления к небазовому проводу оно удваивается и включается между соответствующими точками между-проводной и нулевой частей расчетной схемы, причем к его обозначению добавляется поперечная пунктирная линия с надписью —1, означающая, что переход волн с одной части схемы в другую в этом месте сопровождается изменением полярности. За базовый провод выбирается в общем случае тот, на котором больше особых точек. 123
На рис. 4.13, б пунктиром показано изменение расчетной схемы в случае присоединения полного сопротивления zn не к первому, а ко второму проводу. Расчет результирующих напряжений производится практически так же, как это было изложено выше. Разница лишь в том, что перед соответствующими коэффициентами преломления ставится знак минус.
4.5. ТРЕХПРОВОДНЫЕ ЛИНИИ
Трехпроводная симметричная линия, К таким линиям прежде всего относятся трехжильные силовые кабели. С существенными погрешностями к трехпроводным симметричным линиям можно отнести ВЛ 0,127—35 кВ с треугольным расположением проводов [32].
Как уже отмечалось, при междупроводных повреждениях и включении источника импульсов по схеме «провод—провод» система оказывается одноволновой (однопроводной). Для многих практических задач ОМП распространение импульсов в трехпроводной линии можно рассматривать при расположении особых точек (точек нарушения симметрии) только на одном проводе. При этом характер процессов аналогичен случаю двухпроводной линии, так как два находящихся в одинаковых условиях провода как бы соответствуют одному проводу двухпроводной линии. Матрица преобразования в этом случае имеет вид:
S =
1
1
— 1/2
, а обратная ей S”1 =
Г1/3
2/3
(4.46)
Обе матрицы симметрические, S = Sf. При этом для модальных составляющих щ и и' можно записать (при и в = ис\.
" uQ 1 Г 1/3
J = L 2/3
2/3 I Г иА ’
—2/3 _ _ Ub 2
(4.47)
где Л, В, С — обозначения проводов.
Аналогичные соотношения записываются и для токов.
Остается справедливым и сведение системы к однопроводной расчетной схеме. Меняются лишь некоторые количественные соотношения, На рис, 4,14 приведены пред-
123
ставляющие наибольший интерес примеры расчетных схем, а в табл. 4.1 — соответствующие им расчетные
формулы. В таблице принято q = z0/z.
Полные напряжения на проводах равны:
11д = и0 + и'‘>
ив = ис = Uq — u'/29 а полные токи
iA = iQ + i'\
= Iq = Iq f /2.
Волны напряжений и токов связаны следующими соотношениями:
и0 = Voi Щ) = VoJ
и = i z; и = t z.
Необходимо еще раз подчеркнуть, что в однопроводных расчетных схемах, где имеется связь между нулевой и между-проводной составляющими (случаи б—ё),. к узловым точкам должны подходить волны +uQ и —-ц'.
В симметричных схемах (например, случаи ж, з, и) составляющие не зависят друг от друга.
Для случая обрыва одного провода (рис. 4.14, е) расчетная схема имеет такой же вид, как и при одно-
Рис. 4.14. Однопроводные схемы замещения для различных случаев включения или повреждения на симметричной трехпро-воднон линии.
полюсном КЗ, но поскольку отраженные волны и волны, меняющие скорость, имеют другие знаки, то на расчетной схеме пунктиром проставлена линия с коэффициентом 124
Таблица 4.
Выражения для составляющих отраженной волны
«о
и'
а
б в
г
д
е
ж в и
— («0 + и')
и0 (Згд + 2z — г0) — и'2г0
З^п 4“ 2z 4~ го
Uq (2 — q) — u'2q
2 + g
(“»+ ТГ7
г0
-> 1
“° 3
2z
2г 4- Zq
(«0 + «') 6гп + 2г + z0
З^п 4“ 2z 4" го
4u0 + u' (2 — q)
24-Q
(“° +	2 + q
—1. Во всех остальных случаях использование однопроводной расчетной схемы не отличается от изложенного ранее, включая и построение пространственно-временной сетки.
Если источник импульсов или какие-либо сопротивления включены между двумя проводами симметричной трехпроводной линии, то нулевая составляющая отсутствует. Третий провод «не участвует» в 'процессе распространения волн. Междупроводные составляющие отраженных и преломленных волн рассчитываются по следующим формулам:
для конца линии
и' = и' (zn — 2г)/(2г + гп); и' = u'2zu/(2z 4~ гп);
125
для промежуточной точки линии
и' = —u'z/(z + гп); и' = u'zj(z + zn).
При zn = О (двухполюсное КЗ) в обоих случаях
и1. = —и' — 0.
При двухполюсном обрыве промежуточная точка не имеет физического смысла и справедливы соотношения
и' = и'\ и' = 2и'.
В приведенных формулах z — волновое сопротивление междупроводного канала в расчете на один провод; zn — сопротивление, включенное между проводами (знак оператора для упрощения опущен).
При расположении особых точек на всех трех проводах расчетные соотношения усложняются. Наиболее целесообразно в этих случаях использовать трехпроводную схему с непосредственным составлением системы уравнений для каждой особой точки. Системы уравнений содержат соотношения между составляющими (йо, ив, Wc, io, 1'а, 1в и ic) и полными напряжениями и токами
Ug»	и ioj*
Ц А ^А I ^0, Ub = Ub + Uq', UC — Uc I Wo,
и A + Ub + Uc — 0;
соотношения между волнами тока и напряжения
Ио = W, ид = iAz; ив = iez;
Г	“% f
Uq = tCZ,
(4.48)
(4.49)
а также граничные условия в данной точке.
В качестве примера рассмотрим случай двухполюсного КЗ между проводами Л и В в промежуточной точке линии. На каждом проводе в месте замыкания преломленная волна напряжения (обозначение не имеет стрелки наверху) складывается из падающей и отраженной, а волна тока представляет их разность.
Пусть на МП падают междупроводные волны иА, ив
и иа (знак штриха в обозначении падающих волн для 126
простоты опущен), алгебраическая сумма амплитуд которых равна нулю. Тогда имеем:
для напряжений
->	г	<*
ил + Ua 4” Uq = Ua*,
Ub + и'в + Uq — Ub*,
uc 4“ uc 4- w0 = uc*, для токов
Кроме того^
и A + и'в + u'c = 0; i'A + is + i'c = 0; и a = lo^o + i'az;
ub = ioZo + i’bz; uc = »o?o + i'cz; uA = uB.
Из этих 12 уравнений определяются величины иА, ив, Uc, Uq, ua, ub, uc, I'a, I'b, i’c, io и tKi где iK — ток ответвления КЗ.	x
В табл. 4.2 приведены расчетные формулы и значения напряжений, подсчитанные при q = zjz = 1,7 для приведенного выше и некоторых других случаев. При однополюсном КЗ поврежденным считается провод Л, при двухполюсном — провода А и В. Формулы для случаев повреждений на других проводах получаются круговой перестановкой индексов. При приходе к месту повреждения нулевой волны отраженные волны рассчитываются так же, как это рассмотрено выше.
Несимметричная трехпроводная линия. Это наименование в основном относится к одноцепным ВЛ НО— 750 кВ с горизонтальным расположением проводов. При другом расположении проводов одноцепных ВЛ их характеристики имеют промежуточное значение между характеристиками симметричных линий и линий, рассматриваемых ниже [32, 33].
Параметры обычно применяемых стальных тросов не оказывают существенного влияния на распределение волновых составляющих по проводам и затухание соответ-127
Таблица 4.2
Величина
Напряжение в МП при однополюсном КЗ
на конце линии		в промежуточной точке линии	
Формула	Значение при q = 1,7	Формула	Значение при q = 1,7
на конце линии
Напряжение в МП при двухполюсном КЗ
в промежуточной точке линии
иВ
ис
~и«
“А
и'в
— 0,08и А ’ А
ив + 0,54иА
ис + 0»54ua
0,92ua
2wd
а
+ 0,54нл *	’ А
2 -* 2 +q А	— 0,54ил	Й 1 Со	1 1 II	R 4 1 R 4 to
				2
1 -> 2 + ^ А	0,27иа	“а	1 1 R 4 to II	UB UA 2
1 •ТТЛ	 Цд 2 -\-q а	0,27и.	ис	0	
1 го	— 0,46ua ’ А	0	0	
го ~|- -о •о к 1 р’	0,46м А 1 А	f а"1 1	1	
1 “в+ 2+q иА	uD + 0,27ал В 1	А	~ис	uc 2	
Шалыт
Продолжение табл. 4.2
	Напряжение в МП при		однополюсном КЗ		Напряжение в МП при двухполюсном КЗ	
Величина	на конце линии		в промежуточной точке линии			
	Формула	Значение при q = 1,7	Формула	Значение при q = 1,7	на конце линии	в промежуточной точке линии
to
о
		2			1 ->			
ис	2иг О	+ О	иА 2 +q А	2иг + 0,54и А	ис~	h тг-;— и л г 2 + <? А	ис + 0,27иА	2иг с*	ис
	—	2<? * 2-j-q А	' — 0,92и	—	го •о	— 0,46wa	0	0
«А		0	0		0	0	-«С	2
ив		 2.0 - 2 + ^ “А	2ио — 0,38и, D	-А	0Q f 3	о 1 + сч 	ив — 0, 19иа	-«С	иС 2
и6	2ис 4	a -\-q А ।	2и„ — 0,38и А (>	2u 4 С*	1 to	2й„— 0,19и4 G	А	2иг О	ио
ствующих каналов. Были проведены расчеты распространения радиоимпульсов по ВЛ 330—500 кВ с помощью ЭВМ без учета и с учетом двух стальных тросов при условии их заземления по концам. В одиннадцати случаях разница расчетов амплитуд и крутизны огибающих сигналов в проводах не превышала 3 %. Таким образом, одноцепные ВЛ со стальными тросами можно приближенно рассматривать как трехпроводные линии.
Как показали расчеты и эксперименты [32—35], для ВЛ ПО—750 кВ с горизонтальным расположением проводов можно независимо от проводимости земли в частотном диапазоне 30—1000 кГц принять приближенно:
S Sw ль S/ ль S/ I =
1 1 " 0 1
-1 1.
— 2
1
s-1 =
1/2
1/3
- 1/3	1/6 -
0	- 1/2
1/3 v 1/3 _
(4.50)
Это означает, что в такой ВЛ имеются три волновых канала (в порядке увеличения затухания).
Первый канал: средний провод — два крайних провода; волновое сопротивление z19 коэффициент затухания а19 скорость vx.
Второй канал: провод—провод (крайние); z2, а2, d2.
Третий канал (нулевой): все три провода — земля; ?о, «о, Ц)-
Если напряжения волн на проводах равны и19 и2 и и3, то модальные составляющие определяются из соотношения
(4.51)
130
В первом канале сумма амплитуд одинаковых волн крайних проводов равна и противоположна по знаку амплитуде волны в среднем проводе. Во втором канале амплитуды волн равны и разнополярны для первого и третьего проводов. В третьем канале все волны одинаковы. В граничных точках (местах нарушения однородности ВЛ) происходит перераспределение энергии между волновыми составляющими, которые для основных расчетных случаев, встречающихся при решении задач ОМП, могут быть вычислены по нижеприведенным формулам.
В табл. 4.3 даны формулы для расчета волн при различных схемах подключения генератора импульсов к линии, в табл. 4.4 — для отраженных сигналов при различных видах однополюсных КЗ (наихудший расчетный случай по отношению к междуфазным КЗ) и в табл. 4.5 — для отраженных сигналов от места транспозиции проводов. Приведенные соотношения для однополюсных обрывов отличаются от соответствующих им случаев КЗ переменой знака. Кроме расчетных формул, в таблицах приведены значения напряжений в относительных единицах^ при q = z-Jz2 = 0,85 и qQ = z^Zq = 0,54, где zlf z2 и zQ — соответственно волновые сопротивления первого, второго и нулевого (третьего) каналов. Последние условия приемлемы для приближенных расчетов как линий с обычными, так и с расщепленными проводами. Qhh также используются при приближенных расчетах ВЧ каналов.
Переходное сопротивление R задается в табл. 4.4 отношением Rlzr. Был охвачен диапазон изменения этого отношения от нуля до единицы, т. е. 0 < Rlz± < 1, что соответствует переходным сопротивлениям до 350 Ом. В наиболее вероятном диапазоне (R = 04-20 Ом) все соотношения между составляющими меняются не более чем на 10 %, что существенно упрощает анализ.
Необходимые соотношения между составляющими в граничных точках получаются из решения систем алгебраических уравнений в общем случае для трехпроводных линий по трем граничным условиям для напряжений на каждом проводе и трем граничным условиям для токов на каждом проводе. Граничные условия на проводах имеют вид: uk +	= Uk\ ik — ik — ik, где k — номер
провода.
При этом составляющие на проводах соответствуют соотношениям (4.51). Приведем два примера.
5*	131
Таблица 4.3
Схема	Расчетные формулы для составляющих	Напряжение в относительных единицах (Е = 1) на проводе		
		1	2	3
		о G ZX -1 II	~н со| гч	ьэ| tq	о>| tT]	0,165 0,5 0,33	— 0,33 0 0,33	0,165 — 0,5 0,33
3*	 2-	 't	— Е	21	 (J)	Zi 3z2 + 2Zo = е	32 2	 <2>	z, + 3z2 + 2z0 и - Р __2£о__ 0	г, + Зг2 + 2z0	0,12 0,43 0,45	— 0,24 0 ' 0,45	0,12 —0,43 0,45
•<Е		и(1. —		 £ (1)	з W(2) = 0 W(0) =~ Е	— 0,33 О 0,33	0,66 0 0,33	-0,33 0 0,33
21				
I—-/гп)	 N>Ca4	о N N +	«* £	о	“ t щ	II 3 1	§ II *3 II т-<	О f г"	t	— 0,26 0 0,48	0,52 0 0,48	— 0,26 0 0,48
,L__	~и* = — Е	+ г/го (П	3 + 2z/z0-J-z/zt "(2) = ° ->* _	1 + z/zt w(0)	3 + 2z/z0 + z/z, '	— 0,305 0 0,39	0,61 0 0,39	— 0,305 0 0,39
2T				
				
132
Продолжение табл. 4.3
Схема	Расчетные формулы для составляющих	Напряжение в отно^ сительных единицах (Е = 1) на проводе		
		1	2	3
3	=	0>5Е	— 0,5	1	— 0,5
Ylfe		U(2) ~ 0	0	0	0
	W(0) = 0	0	0	0
		 Г*	“(1) = °	0	0	0
1 1	и = Е	1	о	— 1
фф	“(2)			
X ±	“(0) = 0	0	0	0
				
+	2	г
“(1) —	з	Е
“(2) = 0
“(0) =	“	Е
“(1) ~ з Е	— 0,33	0,66	-0,33
“(2) =£	1	0	-1
“(0) =-з“ Е	0,33	0,33	0,33
* Числовые значения при z = z,.
133
Схема
Расчетные формулы для составляющих
*	21 4“ 3z2 4“ 2?о 4“ 127?
**	3z2 4“ 2z0 4“ 127?
1	1 Zj 4“ 3z2 4- 2z0 4“ 127?
л	3z2
“8~“2~ Ui г1 + Зг2 + 2z0 + 12Я
t	2z0
“°	°- ui Z1 + 3z2 + z0 + 12#
u2 = u2 = 0
*-	->	2z0
“° = “0 = "1 ^+zo + 6^
_	____________3z2____________
2	2 zi 4“ 3z2 4“ 2zo 4“ 127?
zt + 2z0 4- 127?
2	2 2i 4“ 2z0 4“ 3z2 4“ 127?
_	___________2z0___________
°	2 2i 4“ 2zq 4“ 3z2 4“ 127?
134
Таблица 4.4
	Напряжение в относительных единицах при Я/zj				
	0	0,03	0,06 ч	0,3	1
	—0,12	—0,117	—0,112	—0,086	—0,054
	0,88	0,883	0,888	0,914	0,946
	—0,427	—0,41	—0,394	—0,30	—0,19
	—0,45	—0,43	—0,42	—0,32	—0,20
	—0,52	—0,49	—0,47	—0,36	—0,22
	0,48	0,51	0,53	0,64	0,78
	0	0	0	0	0
	0,96	0,92	0,89	0,67	0,43
	—0,12	—0,117	—0,112	—0,086	—0,054
	—0,43	—0,41	—0,39	—0,30	—0,19
f	0,57	0,59	0,60	0,70	0,81
	—0,45	—0,43	—0,42	—0,32	—0,20
135
Схема
Расчетные формулы для составляющих
____________£1___________
2i + 3z2 + 2z0 + 127?
___________3z2
2i + 3z2 + 2z0 + 127?
___________2z0_____________
U<> Zi + 3z2 + 2z0 + 12/?
21 4-3z2+ 127?
2i + 3z2 + 2z0 + 127?
=	= Ц) “75----i----i—
2zzl + z0 + 67?
u2 = u2 = о
<-	-> z0
U<>	2zi+za + 6R
-*	2 (zj + 3/?)
2z1 + zo + 6/?
136
Продолжение табл. 4.4
	Напряжение в относительных единицах при				
	0	0,03	0,06	0,3	1
	—0,12	—0,1.17	-0,112	-0,086	-0,054
	—0,43	—0,41	—0,39	—0,30	—0,19
	—0,45	—0,43	—0,42	—0,32	—0,20
	0,55	0,57	0,58	0,68	0,80
	0,26	0,25	0,24	0,18	о,и
•	0	0	0	0	0
г	—0,48	—0,46	—0,44	—0,33	-0,21
	0,52	0,54	0,56	0,67	0,79 «
137
Таблица 4.5
Схема	Расчетные формулы для составляющих	Напряжение в относительных единицах при £i/z2 ® 0,85
Q,67q (1 — t?)
1 +3t3q + q2
—0,0185
—0,462
—0,0593
0,5
0
Пример 4.11. Подключение генератора напряжением Е к крайнему (первому) проводу при заземлении двух остальных проводов (схема 1 табл. 4.3). Граничные условия:
для первого провода щ — Е = uj) +«<2) + w(oh
для второго провода и2 = 0 = — 2u(i> +	’>
для третьего провода и3 = 0 = u(tj — и(2> + и(0).
Решение этих трех уравнений приводит к следующим соотношениям:
-* Е
=т:
«(1)	=-g-.
Пример 4.12. Подключение крайнего (первого) провода через сопротивления R к земле и приход составляющих и(1) к месту подключения по первому волновому каналу (схема 1 табл. 4.4). Для граничных 138
условий можно написать шесть уравнений (для простоты написания скобки в индексах опущены):
+ «1 + w2 + и0 = «1 + м2 + «о»
— 2wj — 2ut + Uq = — 2и± + wo,’
«1 +	— $ + «о = wi —	+ «о;
Hj __	— U2 Uq ________ Ui «1 . W2 । #2 I Hq . Щ .
?i Zi z2 z0 ~ ~zT''~ R ' z2 ' R Zq R ’
	 2цх	2И1	и0 _	2^1 и0 . г Z1	z0 ~	zx + z0 ’
«1	«1 ?1	гх	, «2	«0	“1	U* , Wp 	1 	 маш ——		1 |м Z2	Z0	Zi	Z2	Zq
где 1, 2, 0 — индексы волновых составляющих и волновых сопро* тивлений для них.
Совместное решение этих шести уравнений приводит к следующим результатам:
____________ X____________•
Zi -|“ 3z2 4“ 2zq 4“ 127?
н2 = — Ui
Zi 4“ 3z2 4“ 2z0 4- 12/? ’
w0 = — Hi
2z0
3z2 4“ 2z0 4" 12/?
U1 = U1 Zi + Зг2 + 2г0 + 12/? *
Аналогичным образом были рассчитаны все схемы табл. 4.3, 4.4 и 4.5.
4.6. р-ПРОВОДНЫЕ ЛИНИИ
Для симметричной р-проводной линии с расположением особых точек на одном проводе (например, однополюсное повреждение одной жилы многожильного контрольного кабеля) справедлива однопроводная расчетная схема, рассмотренная в § 4.5.
Отличие заключается лишь в том, что в одинаковых условиях находятся не два (как в трехпроводной линии), а (р — 1) проводов. В соответствии с этим
Wi = и' 4- w0; и2 = и3 = . . . = Up = [ — и'/(р — 1)] +
= i 4“ i(h ^*2= Ц = • • • = ip = I — /(Р	0] +
139
На схемах рис. 4.14 в этом случае вместо 2z, 3zn и 2zn следует записать (р — 1) z, pzn и (р — 1) zn соответственно. В остальном расчет отраженных и преломленных волн не отличается от изложенного в § 4.5.
Несимметричная многопроводная линия. На рис. 4.15 показана схема узла х, в котором к р-проводной нёсим-метричной линии подключен произвольный пассивный р-полюсник гп, отражающий повреждение поперечного типа (без обрыва линейных проводов). Если в некоторый момент времени k (k = s0, 1, 2, 3...) на этот узел по р-проводам набегает волна, т. е. столбцовая матрица напряжений U*, то отраженную волну Ux можно определить на основе следующих соотношений [29, 40]:
б* = и: - и*;
Рис. 4.15. Падение волны на произвольный пассивный многополюсник, включенный в р-про-
где U* — столбцовая мат-
Za — Z(jy
водную линию.
рица результирующего напряжения в узле; — квадратная матрица волновых сопротивлений проводов (в фазных координатах).
Если квадратная матрица zn состоит не только из активных сопротивлений, то матричные формулы (4.52) относятся к операторным изображениям напряжений и сопротивлений.
В [29] обоснован способ замены реактивных сосредоточенных элементов схем отрезками линий. При определенных ограничениях частотного спектра импульсных сигналов и достигаемой точности многополюсник za может быть, в частности, представлен только активными сопротивлениями и отрезками линий. Далее знак оператора будем опускать.
Столбцовая матрица U* для правой части линии представляет собою преломленную волну. Поэтому матричный коэффициент преломления можно записать как
(4.52а)
а матричный коэффициент отражения в виде
k0 = 2Za (zw + zj-1 -1,	(4.526)
140
где
“10..
0 1..
0 "1
— единичная матрица.
0 0..
Учитывая, что при операциях с матрицами делению соответствует обращение матриц, можно отметить аналогию выражения (4.52а) с формулой для однопроводного случая (4.22).
Формулы типа (4.52) могут быть получены и для волновых каналов (модальных координат). При этом следует иметь в виду, что в общем случае
Ч SUM, zw Sz^.^ MS^, Szn, I = sf'Im-
Матричная проводимость у = = S? yM s-i.
Во многих случаях S/1 ~ S и S/ ж S"1, тогда zw = Sz^mS"1; zn = = Szn, MS г;
У — $Ум$~1; 1 = SIM;
Во всех случаях
^п, м == $ ^npS;
k0,M = S-ik0S = S~i (kn- 1)S.
Рис. 4.16. Схема узла сети, в котором сходятся п различных р-проводных линий.
В заключение этого раздела кратко рассмотрим в общем случае алгоритм расчета импульсных напряжений в узлах систем линий методом бегущих волн, предложенным М.. В. Костенко [40] и развитым для матричного случая А. И. Долгиновым [29].
Функции напряжения U (/) или тока I (t) представляются рядом ординат или «цифровых волн» (чисел) относящихся к fe-му временному интервалу. Текущее время t = k \t зависит от выбранного расчетного шага А/. Любой режим представляется в виде суммы прямых и обратных волн.
На рис. 4.16 показан узел х, в котором сходятся п, различных р-проводных линий с волновыми проводимостями Yt = Zi* i и включена сосредоточенная проводимость Yx.
В каждый А-й интервал волны могут приходить в узел х и уходить от него по всем линиям. При этом приходящая по линии i волна напряжения (столбцовая матрица) обозначается а уходящая UX3i-.
141
Записываем уравнения:
/
S (Uz, х + иж,,) = их; i=i
п
I,,= YZUZ(JC;
UZ=-YZU,1Z;
I, = YXUX,
откуда [ n	'j—1
Ux = 2 E(Yz + YJ SY(Ui(„ U=1	)
или в более простой форме
Ux = 2 (Уэ + YJ"1 Уэиэ,
п
где Y„ = Yz — эквивалентная проводимость всех ли i=i п
ний узла; U9 = Yg1	YtUf> x—эквивалентная волна.
Рис. 4.17. Схема двух узлов сети с произвольным числом р-провод-ных линий.
На рис. 4.17 показаны два узла х и у, к каждому из которых подключено произвольное число р-проводных линий, а узлы соединены пассивным многополюсником Z. В n-й временной интервал к узлам с эквивалентным сопротивлением пучков линий Zx и Z2 приходят эквивалентные волны Ulx и U2i/.
Тогда выражения для напряжений в узлах [29] имеют вид:
U, = 2 (Zx + Z + Z2r [Z2UU + (Z + ZJ U2J.
ГЛАВА ПЯТАЯ
ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ИМПУЛЬСНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ НА ЛИНИЯХ
6.1.	ВИДЫ ПОМЕХ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ
На ВЛ действуют различного рода помехи, «маскирующие» полезный импульсный сигнал, используемый для дистанционного ОМП. Рассмотрим характеристики этих помех.
1.	Помехи, связанные с коронированием линии. Как показано в ряде исследований, например в [32], удельная мощность помех от короны в ограниченной полосе частот равномерно распределена по частотному спектру. Это означает, что помехи от короны можно рассматривать как гауссов шум с равномерной спектральной плотностью NQK. Наличие модуляции уровня помех от короны во времени за счет изменения напряжения промышленной частоты (три пика в период) для высоких (f >75 кГц) частот не изменяет характера этого распределения, а лишь отражается на выборе величины А/Ок.
2.	Помехи от совокупности различных ВЧ каналов на подстанции и в окружающей системе (исключая выделенные ниже помехи от соседних каналов). Эти помехи связаны с неидеальностью заградителей на линиях, прямыми наводками на импульсную аппаратуру на подстанции, попаданием рабочих частот (приема) каналов связи в полосу приема импульсного искателя и т. д.
Проведенными ВНИИЭ многочисленными измерениями на подстанциях, где использовались импульсные искатели, установлено, что эти помехи также можнЬ принять в первом приближении за гауссов шум с равномерной спектральной плотностью NQc. Это приближение обусловлено следующим. В современных энергосистемах СССР, когда полосы частот обычных ВЧ каналов не превышают 3 кГц, а общее число каналов на паре параллельных ВЛ превышает 15, выделение свободной полосы в 25—80 кГц связано с серьезными затруднениями.
При включении искателя производится выбор его полосы частот из условий отстройки лишь от рабочих частот соседних каналов, т. е. каналов по той же или параллельной ВЛ. Линии с частично параллельной трассой уже практически не учитываются.
3.	Известные по частоте и уровню узкополосные сигналы от соседних ВЧ каналов.
143
4.	Помехи от дуги КЗ.
5.	Случайные одиночные импульсные помехи от блу^ ждающих волн.
6.	Импульсы отражений от неоднородностей линии, функционально связанные с зондирующим сигналом.
Помехи, указанные в пп. 1—5, являются случайными и аддитивными, т. е. не зависящими от передаваемых импульсных сигналов, а помехи п. 6 — сигналы детерминированные, так же как и полезные сигналы отражения от места повреждения; последние помехи иногда называют мультипликативными.
По первому виду помех имеются многочисленные исследования и данные измерений, по второму виду также накоплен значительный опыт измерений на подстанциях, что позволяет принять в полосе 1 кГц абсолютный уровень помех равным нулю.
Полностью известные помехи устраняются с помощью частотных фильтров. Помехи, возникающие в месте КЗ на ВЛ, имеют ряд характерных особенностей. Как показали экспериментальные исследования [41 ], на выходе широкополосного (100 кГц) фильтра присоединения эти помехи распределяются во времени следующим образом.
1.	Период установления дуги характеризуется интенсивными помехами с амплитудой 100 В и более, длительностью 2—4 мс (в большинстве случаев до 2 мс).
2.	В период устойчиво горящей дуги на фоне распределенных помех низкого уровня наблюдаются отдельные импульсы с амплитудой 15—30 В и длительностью у основания около 1 мс. Большие всплески были зарегистрированы лишь в двух случаях. Импульсы отмеченных амплитуд следуют не чаще 1—2 раз в период промышленной частоты. Иногда имеют место более частые импульсы, но с амплитудой, в 2—3 раза меньшей. При металлическом КЗ амплитуда импульсов примерно вдвое меньше.
3.	В период отключения линии помехи обусловлены разрывом дуги в выключателе. За счет разновременности отключения трех его. фаз длительность этих помех может достигать 20—30 мс. Амплитуды импульсов достигают сотен вольт, количество их более 200 в миллисекунду.
Пример экспериментальной осциллограммы таких помех, именуемых далее дуговыми, приведен на рис. 5.1. Осциллограмма представлена в виде пяти выборочных отрезков, на которых отмечено время в миллисекундах, прошедшее с момента начала КЗ.
Характер изменения дуговых помех во времени при КЗ на ВЛ схематично представлен на рис. 5.2. Интервал 144
]__
140
160
i_________________________________I_________
320	340
Рис. 5.1. Осциллограмма помех при КЗ на ВЛ НО кВ.
1 — до начала КЗ; 2 — в период установления устойчивой дуги; 3 и 4 — в период устойчивой дуги; 5 — во время отключения КЗ высоковольтным выключателем.
Рис. 5.2. Схематичное временное распределение помех при КЗ.
а — начало КЗ; б — начало пика помех в очередной полупериод промышленной частоты; в => начало расхождения контактов выключателя.
145
tQ является участком «высокого» уровня помех, идущих практически непрерывно, 10 < 4 мс. Под «высоким» следует понимать такой уровень, когда линейная (неискаженная) передача сигнала с помехой практически невозможна. Разрядник, защищающий изоляцию фильтра присоединения, обязательно срабатывает. Это означает введение ограничения, обусловливающее полное подавление сигнала помехой. Следовательно, в период времени /0, т. е. до 3—4 мс с начала КЗ, проводить импульсные измерения не представляется возможным. Их целесообразно осуществлять в интервале времени /раб, т. е. после окончания интервала /0 и до начала интервала /откл, характеризующего отключение высоковольтного выключателя ВЛ. В интервале /раб надо лишь отстраиваться от кратковременных (длительностью /п) пиков помех.
Помехи от блуждающих волн также можно рассматривать как отдельные кратковременные пики, следующие друг за другом несравненно более редко, чем при дуговых помехах. Поэтому отстройка от них осуществляется попутно с отстройкой от дуговых помех.
Помехи, вызванные отражениями импульсного сигнала от неоднородностей на ВЛ, зависят от вида неоднородностей (транспозиция проводов на опорах, переходы через водные преграды, изменение типа опор, переходы с бестросового участка на участок, защищенный тросом, и т. п.). Наибольшие уровни отраженных импульсов характерны для мест ответвлений от ВЛ, узлов транспозиции, мест перехода от двухцепного участка линии к одноцепному.
При импульсных измерениях на ВЛ неавтоматическими искателями в общем случае имеют место те же виды помех, что и рассмотренные выше для автоматических искателей (кроме дуговых). Отсутствие дуговых помех существенно упрощает условия обеспечения помехоустойчивости измерений. Еще лучше в этом отношении обстоит дело с внутренними проводками, силовыми и контрольными кабелями. Уровень ВЧ помех там значительно ниже, чем на ВЛ.
При неавтоматической локации важную роль играет влияние напряжения промышленной частоты и ее гармоник (/ < 1 кГц). На отключенной со всех сторон ВЛ имеет место наведенное напряжение промышленной частоты. Особенно велико оно (десятки киловольт) на отключенной цепи двухцепной ВЛ при работе другой цепи.
Для КЛ уровни наводок промышленной частоты значительно меньше, но с ними также следует считаться, 146
включая и условия безопасности. Наводки от высших гармоник (0,1 < f < 1 кГц) существенно меньше, чем от напряжения промышленной частоты.
5.2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
ВЫЯВЛЕНИЯ СТРУКТУРЫ ПРИЕМНИКА ПРИ АВТОМАТИЧЕСКОМ ИМПУЛЬСНОМ ОМП
Вместе с импульсным сигналом S (/), отраженным от места повреждения, в приемник поступают различные помехи G (/). (Не будем пока учитывать мультипликативные помехи.) В результате на его входе суммарный сигнал
у (0 = S (0 + G (0.
В зависимости от интенсивности и характеристик помех суммарный сигнал в той или иной степени отличается от отраженного импульса. Как отмечалось выше, импульсы помех даже в режиме устойчивого КЗ достигают 30 В, а иногда и 250 В. Кроме того, уже на линиях длиной 300 км происходит затухание сигнала в 500 и более раз. Это означает, что для выполнения, например, условия S (/)
5G (t) надо иметь амплитуду зондирующего (посылаемого) импульса, превышающую 75 000 В. Поэтому обеспечивать подавление помех просто увеличением уровня зондирующего сигнала технически и экономически нецелесообразно.
Следовательно, по принятому суммарному сигналу «реализации смеси сигнала с помехой» у (/) необходимо получить возможно более полную информацию о сигнале или, по крайней мере, о каком либо параметре этого сигнала (например, моменте т0 прихода его фронта). Поскольку в общем случае отсутствует полная информация о помехе, то из смеси нельзя точно выделить измеряемый параметр сигнала. Прием из детерминированного превращается в вероятностный.
Согласно теории идеального приема сигналов, сопровождаемых помехами, задачей идеального приемника является возможно более полное разрушение ненужной и сохранение нужной информации [42—44]. На выходе идеального приемника выявляется распределение вероятностей возможных значений измеряемого параметра (апостериорное распределение), вычисленное на основе принятой реализации смеси сигнала с помехой и статистических данных о сигнале и помехе, известных априорно.
147
Пусть определяется параметр т, причем т0 — истинное значение момента прихода отраженного от места повреждения импульса. Принимается реализация
r/(O = SG-To) + G(O.	(5.1)
Совместная плотность распределения вероятностей зависимых событий имеет вид [43]:
w (у, т) = W (у) w (т Iу) = W (т) ш (у|т).	(5.2)
Из (5.2) можно найти искомую плотность апостериорного распределения вероятностей измеряемого параметра:
w (т | у) = kw (т) L (т),	(5.3)
где w (т|у) — условная плотность вероятности параметра т при фиксированном у (/); w (т) — априорная плотность распределения вероятностей измеряемого т; k = — ------
нормирующий коэффициент пропорциональности, не зависящий от т.
Функция L (т) = w (у|т) при фиксированном у (t) не является распределением вероятностей. Она рассматривается как функция т и носит название функции правдоподобия. Как следует из (5.3), для получения w Му) лишь образование L (т) требует обращения к у (0.
Следовательно, основной операцией идеального приемника является формирование функции правдоподобия.
Если на вход приемника поступает п сигналов с одинаковыми значениями измеряемого параметра т, то при формировании w (т | у) результаты предыдущих наблюдений можно рассматривать как априорные для последующих:
п
wn (т I у) = kw (т) П Ц (т).	(5.4)
i=i
В формуле (5.4) берется произведение п функций правдоподобия, относящихся к каждому наблюдению. При этом wn(x\y)— плотность конечного апостериорного распределения после приема п сигналов.
Персонал энергосистем, естественно, интересуется не распределением вероятностей, а значением измеряемого параметра. Поэтому к выходу идеального приемника в общем случае подключается решающее устройство, фиксирующее искомое значение параметра. Подчеркнем, что апостериорное распределение иуп(т|у) содержит наиболее полную информацию о возможном значении параметра т. Это позволяет применить в различных ситуациях 148
разные вычислительные операции или правила принятия решения о значении измеряемого параметра.
Полную длину линии L, на которой определяется место повреждения, можно разбить на произвольное число т отрезков, длиной Um. Если зафиксировать в качестве начала отсчета времени момент t = 0 посылки в линию фронта зондирующего импульса, то повреждению на i-м отрезке (рис. 5.3) соответствует интервал времени прихода фронта отраженного импульса
Л/ = tt — i = 1, 2, 3, .... т. (5.5)
Рис. 5.3. Схема разбиения линии на участки.
Этот дискретный интервал смещен от начала отсчета на величину
t = \tl =---I,
	mv
где v — скорость распространения фронта импульса (наиболее быстрой его составляющей).
Каждому элементарному участку i соответствует свой временной интервал. Процесс измерения можно рассматривать как установление принадлежности момента прихода импульса т0 к одному из элементарных временных интервалов. Тогда для любого Лго интервала необходимо установить, имеется ли в принимаемой реализации только помеха или сигнал (отраженный импульс) в смеси с помехой. Последняя ситуация называется двухальтернативной [45].
Задача состоит в том, чтобы по результатам некоторой последовательности наблюдений, относящихся каждый раз к г-му временному интервалу (по отношению к моменту посылки зондирующего импульса), т. е. к выборке значений смеси, принять одну из двух гипотез. Первая гипотеза НА утверждает, что имеет место событие А — наличие отраженного импульса в выборке, вторая гипотеза Нв (событие В) — в выборке только помехи.
149
Согласно формуле Байеса [45] апостериорные вероятности, т. е. условные вероятности событий А и В, определяются как
п(Л|»Ч-	Р(У\А)Р(А)	Ч
Р ' 1У’ Р (У I Л) р (Л) + р (у I В) р (В) ’ I	„
п / п | ,Л____р(у\В)р(В)	' • ’
.	'У'	Р(У\А)р(А)+р(у\В)р(В)’ )
где р (А) и р (В).— априорные вероятности событий А и В.
Условные вероятности р (у | Л) и р (у | В) представляют собой вероятность того, что и-мерный вектор у (п — размер выборки) попадает в область dV = dyLdy2... ...dyn при условии, что имеет место событие А или событие В.
Через плотности вероятности можно записать: p(y\A)=w(y\A)dV-, р(у\В) = w(y\B)dV. }
Из (5.6) и (5.7) следует отношение
Р(А\у) = w(y\A)p (Л) Р (В | у) w (у | В) р (В)
Если
Р (Л | у) , Р(В|у)^ ’
(5.8)
(5-9)
т. е. более вероятно наличие отраженного импульса, чем его отсутствие, то принимается гипотеза НА, в противном случае — гипотеза Нв.
Отношение w(y\A)/w(y\B) = k	(5.10)
называется отношением правдоподобия. Для получения именно этой величины нужна выборка значений у.
Для каждого элементарного временного интервала необходимо, следовательно, определять отношение правдоподобия К и сравнить его с некоторым пороговым значением
= р (В)/р (А).	(5.11)
Из (5.8)—(5.11) можно записать правило принятия решения:
Х>-^- = Х0.	-	(5.12)
р(Л) °	х '
Если нет никаких априорных данных о вероятностях событий А и В, т. е. если они могут считаться равнове-150
роятными р (Л) = р (В), то правило принятия решения упрощается: X > 1. В различных условиях выбор порогового значения Хо определяется каким-либо критерием, связанным с вероятностями возникновения и опасностью тех или иных ошибок принятия решения.
Пусть 1 означает наличие сигнала (отраженного импульса) и 0 — его отсутствие; соответственно и HQ — гипотезы о наличии и отсутствии сигнала, а и Уо — области принятия соответствующих гипотез при получении сигнала у. При двух возможных событиях и двух гипотезах возможны следующие четыре случая [45]:
Событие ....................... 1	1 О О
Гипотеза...................... Нг	Но	Но	Н±
Решение ...................... Qn	QOi	Qoo	Qic
Два случая соответствуют ошибкам: решение Q01 — пропуск измерения; решение Qlo — ложное измерение. Случаи Qn и Qoo — правильные решения. Эти термины базируются на аналогичных определениях теории радиолокации («пропуск сигнала», «ложная тревога»).
Рассмотрим потери от ошибочных решений. Ограничим рассмотрение потерь только одним аспектом — сравнением пропусков с ложными измерениями. При устойчивых повреждениях пропуск измерения приводит к увеличению времени ОМП на величину То1. Потери, связанные с не-доотпуском электроэнергии потребителям, увеличением потерь энергии в сетях и другими факторами, в первом приближении пропорциональны времени Т^.
Ложное измерение устойчивого МП приводит к увеличению времени отыскания повреждения на Т1о. При ложном измерении (принимаемом персоналом за истинное) линейная бригада сначала выезжает на указанное место и производит тщательный осмотр прилежащего более или менее значительного участка линии. Лишь убедившись в отсутствии на нем МП, приступают к равномерному осмотру всей остальной линии, как это делается при пропуске измерения. Следовательно, Г10=фТ01, где относительная стоимость потерь ф > 1. Опыт эксплуатации сетей показывает,' что ф = 1,54-3.
В случае неустойчивых повреждений (успешное АПВ) потери следует связывать с вероятностью предотвращения будущего устойчивого повреждения, обусловленного развитием дефекта. К таким дефектам и неблагоприятным для трассы ВЛ условиям можно отнести частичное разрушение гирлянды изоляторов дугой, приближение веток растущих деревьев к проводам, наличие чрезмерно боль-
151
того числа поврежденных изоляторов в гирлянде. При ложном.измерении вероятность предотвращения будущего повреждения ниже, чем в случае пропуска измерения.
Тщательное обследование ошибочно указанной зоны значительно затягивает момент перехода к осмотру всей остальной линии, увеличивая вероятность возникновения устойчивого повреждения. Это позволяет в первом приближении считать потери от ложного измерения при успешных АПВ в раз большими, чем от пропуска. Таким образом, для ОМП можно принять
/710 = (1,54-3) Л01,	(5.13)
где /710 и /701 — потери при ложном измерении и пропуске измерения.
Рассмотрим теперь критерии для выбора порогового значения отношения правдоподобия. Если априорные вероятности наличия и отсутствия сигнала обозначить Pi и Ро, а условные вероятности (при принятом сигнале у) для ложного измерения и пропуска соответственно а и р, то средние ожидаемые потери составят [45]:
Н = П01Р1 ₽ + пыРо «•	(5-14)
Параметр р называется риском.
Известны критерии, минимизирующие как риск (Байеса и минимаксный), так и вероятности ошибок (идеальный наблюдатель Котельникова—Зигерта и наблюдатель Неймана—Пирсона). Для ОМП представляется удобным применить минимизацию риска.
Критерий Байеса приводит к следующему условию:
X>^io£!L = X	(5.15)
“01Р1
где А, =	_ отношение правдоподобия (ана-
логично выражению 5.10).
Подставив в (5.15) соотношение (5.13), получим:
= Ао.	(5.16)
Таким образом, пороговое значение отношения правдоподобия зависит от отношения априорных вероятностей отсутствия и наличия сигнала и относительной стоимости потерь. Для локации линий в отличие от радиолокации характерным является возможность оценки априорных вероятностей в значительной части практических задач.
Поэтому минимаксный критерий [44], применяемый при неизвестных ро и pt, использоваться не будет.
152
Критерий идеального наблюдателя [42] минимизирует среднюю вероятность ошибок, приписывая пропуску и ложному измерению одинаковый вес (стоимость -потерь). Это противоречит принятому выше представлению о разной стоимости потерь для ОМП.
Критерий Неймана—Пирсона [45] исходит из минимизации величины р при условии а 8, где 8 — наперед заданная величина. Для ОМП можно из условий экономичности задаться некоторой достаточно малой величиной, например а= 8 = 0,01 4- 0,03, определить на ее основе относительный порог принятия решения о наличии сигнала, а затем минимизировать р или (что то же самое) максимизировать вероятность правильного обнаружения. Однако использование критерия Байеса представляется более эффективным.
Обратимся к классификации помех, которая была сделана в § 5.1. Первые два вида случайных помех можнЪ в дальнейшем рассматривать как один (NQ) на следующих основаниях. Во-первых, согласно [46] при композиции нормальных законов распределения вновь получается нормальный закон, причем математические ожидания и дисперсии суммируются. Во-вторых, часто в практических условиях на подстанциях уровни NQK и Woc существенно различны и надо считаться лишь с одной (большей) величиной.
Аддитивные помехи от дуги КЗ имеют определенное априорное временное распределение иуд (/).-Помехи в виде белого шума, от дуги КЗ и одиночных импульсов можно рассматривать как независимые случайные процессы, так как ни теоретически, ни экспериментально не обнаружено каких-либо существенных связей между вероятностными характеристиками этих процессов.
Как известно [46], плотность распределения системы независимых случайных величин равна произведению плотностей распределения отдельных величин, входящих в систему. Следовательно можно записать:
w (Уъ Уъ) =	(z/i) ш2 (у2),
где (r/J и w2 (i/2) — плотности распределения для реализации смеси сигнала с помехами соответственно в виде, например, белого шума и от дуги КЗ; w (уъ у2) — плотность распределения при одновременном действии помех обоих видов.
Из статистической независимости распределений для реализаций уъ y2l . . yk следует:
f/г • • •. Z/t) = а»1(т|^1)ау2(т(г/2) . . . ®*(т|уА). (5.17)
Это означает, что вместо одновременного рассмотрения совокупного действия помех всех перечисленных видов можно рассматривать действие различного рода помех отдельно, т. е. независимо.
153
В отношении же полностью известных мешающих сигналов надо отметить, что их наличие не изменяет характера распределения случайных процессов, а лишь смещает числовые характеристики этих процессов. Поэтому влияние известных факторов также можно рассматривать отдельно.
Таким образом, целесообразно последовательно находить операции, представляющиеся приближением к оптимальным, для получения апостериорных условных плотностей w (tI^), w (т| г/2), •••, ^(т1%) при учете влияния каждого фактора отдельно. Если, в частности, для некоторого-значения т = т0 каждое распределение имеет максимум, то согласно (5.17) и композиционное распределение также имеет максимум при т = т0. Если такого совпадения максимумов не произойдет, то, строго говоря, надо находить условия для максимума результирующего распределения. Приближением к такому решению является следующий путь составления необходимых операций. Для учета каждого фактора приемник на основе формулы (5.3) должен формировать свои функции правдоподобия:
М (Т) = fi [Уг (т)]; '
А2 (т)	/2(^/2 (^)j,	(5 jgj
Lk (т) = fk {Ук ('r)l. .
Будем сначала искать операции для формирования этих функций. Результирующие операции определим из дополнительного условия: совокупность операций для формирования этих функций не должна содержать взаимного разрушения информации. Иными словами, способствуя выявлению сигнала при помехах одного вида, операции не должны допускать ухудшения выявления сигнала в помехах другого вида.
5.3.	ОПЕРАЦИИ ПРИ ПОМЕХАХ В ВИДЕ БЕЛОГО ШУМА
Будем считать, что в обслуживаемую линию подается последовательность из п радиоимпульсов, причем п = 1 соответствует одиночному радиоимпульсу. Принимаемые во время каждого из п циклов сигналы одинаковы, так как флуктуациями коэффициента отражения на ВЛ можно пренебречь. Необходимая структура операций в этих условиях, соответствующих радиолокационным задачам, достаточно широко исследована (например, [44, 45, 47 ]). 154
В информационном отношении достаточным является приемник, формирующий функцию q (т), являющуюся мерой взаимной корреляции принятой реализации у (t) и сигнала S (t — т) для всех значений т:
<7 (т) = J у* (/) S (t - т) dr, (5.19)
° т
где Wo — спектральная плотность шума (в частности, 2V0 = NOc, если NQc W0K); Т — интервал измерений; у* (/) — функция, сопряженная у (/).
Для радиоимпульса с частотой наполнения со0 справедливо соотношение Q (т) = | q (т) |, где Q (т) — огибающая, медленно меняющаяся по сравнению с колебанием частоты со0.
При энергии сигнала
Е = +- f |S(/-t)|Mt т
*(5.20)
важнейшим параметром, характеризующим прием сигнала в гауссовом шуме, является отношение пиковой мощности сигнала к мощности шума в функции q (т)
% = 2Е/М0.	(5.21)
Если на вход приемника поступают п сигналов с одинаковым значением измеряемого параметра т, то для случая известной начальной фазы справедливо соотношение
Re (т)
’ w (т | у) = kw (т) е 1=1	,	(5.22)
а для случайной общей начальной фазы группы сигналов — выражение
w (т I У) = kw (т) /0
(5.23)
где /0 — модифицированная функция Бесселя первого рода нулевого порядка.
В первом случае необходимо когерентное суммирование реализаций, во втором после когерентного суммирования надо выделить результирующую огибающую. В данном случае когерентное суммирование — это суммирование ординат радиоимпульсов, некогерентное— суммирование ординат огибающих радиоимпульсов. •
155
Если же начальные фазы всех импульсов в группе случайны и взаимно независимы, то результирующее апостериорное распределение
п
S I" 'о [С/ (П]
w (т | у) = kw (т) е1=={	.	(5.24)
Формирование w (т | у) включает некогерентное суммирование реализаций.
Выделение огибающей осуществляется детектором, который должен иметь характеристику f (х) = 1п/0 (х). При х 1, т. е. для сильных сигналов In /0 (х) « х, имеет место линейное детектирование, при х-<^ 1, т. е. для слабых сигналов In /0 (х) & х2/4, — квадратичное детектирование.
Проанализируем необходимые операции для импульсных измерений на линии при наличии белого шума. Если зондирование производится одиночным импульсом, то сначала необходимо пропустить смесь сигнала с помехой через оптимальный линейный фильтр. Далее, считая, что априорное распределение w (т) достаточно равномерно, следует зафиксировать значение, при котором 7?е q (т) максимально. Такой^ прием , называется методом максимального правдоподобия.
В этих условиях потенциальная точность характеризуется максимальной среднеквадратичной погрешностью
(5.25)
где %! = (2E1)/(N0); Ег — энергия одиночного импульса! I — среднеквадратичная круговая ширина спектра огибающей сигнала;
/ 00
£ __ _ / J со21 S (<о) р dco
 / ”°°
/	оо	’
j I S (ф) Р d(0
-00
S (со) — частотный спектр огибающей сигнала.
Если производятся зондирование и идеальный прием группы из п радиоимпульсов, то каждый импульс необходимо пропустить через линейный4 оптимальный фильтр. Затем согласно соотношению (5.23) производятся когерентное суммирование реализаций, выделение результирующей огибающей и определение на ней значения т, соответствующего максимуму этой огибающей.
156
Полная энергия сигнала Е увеличивается (х — пщ) и значение ошибки снижается в [/ п раз по сравнению с фиксацией одиночного сигнала:
Ат0 =
(5.26)
Существенно, что в этом случае сигнал можно считать сильным при х > 1. Если п велико, то допустимая энергия отдельных импульсов может быть и малой (х3 < 1).
При взаимно независимых случайных начальных фазах ВЧ наполнения группы из п импульсов согласно соотношению (5.24) входная смесь сигнала с помехой проходит оптимальный линейный фильтр и попадает на детектор с характеристикой, близкой к In /0 (х). Суммирование п реализаций производится после детектора. Далее также фиксируется максимум суммарной реализации.
Если каждый сигнальный импульс такой некогерентной группы удовлетворяет условию хх 1, то потенциальная погрешность также определяется выражением (5.26). Для слабых импульсов (х, < 1), считая сигнал сильным после суммирования, получаем:
Дт0 =
/2 ёХ1 Vп
(5.27)
т. е. ошибка увеличивается в ]/ 2/Хг раз.
Когерентное суммирование практически несравненно более сложная операция, чем суммирование продетектиро-ванных (низкочастотных) огибающих. Поэтому оценим, имеются ли другие основания для сохранения информации о начальных фазах колебаний. По условиям реализации системы присоединения и обеспечения полосы частот А/ = 254-80 кГц нижняя граница частоты наполнения радиоимпульса для автоматической локации ВЛ /0 = = 75 кГц. Длительность полу периода этой частоты 772 = = 6,6 мкс, что соответствует времени двойного пробега импульса по участку линии длиною около 1 км. С точки зрения требований к точности ОМП ВЛ нет практической необходимости фиксировать расстояния в долях километра, а следовательно, измерять доли полупериода частоты наполнения.
Начальная фаза принятого радиоимпульса по отношению к начальной фазе зондирующего принципиально может содержать информацию о характере повреждения
157
(КЗ или обрыв). Однако извлечение этой информации возможно лишь при дополнительных условиях: поврежденный провод известен и фазовые соотношения в системе присоединения стабильны, что представляет достаточно сложную задачу. В то же время линейному персоналу необходимо выезжать на место повреждения в любом случае (независимо от вида и характера поврежде-
ние. 5.4. Структура операций, выполняемых в приемнике импульсных сигналов на линии.
а — при помехах в виде белого шума; б — при дуговых помехах; в — при совокупном действии всех видов помех на трехпроводной линии.
ния). Если к этому добавить, что в случаях обрывов (более редких, чем КЗ) чаще всего происходит неуспешное АПВ, т. е. длительное отключение линии, позволяющее определить вид повреждения другой аппаратурой, то станет очевидной излишность автоматически добываемой информации о характере повреждения, т. е. начальной фазе принимаемого сигнала.
Изложенный в этом разделе материал позволяет изобразить структуру операций, выполняемых над смесью «сигнал — гауссова помеха», согласно рис. 5.4, а. После 158
оптимального фильтра ОФ включен детектор Д, затем сумматор 2Р огибающих для п реализаций и решающий блок Р для определения искомого значения т. Используем теперь отношение правдоподобия для выбранного нами случая некогерентных импульсов с постоянной амплитудой. Для дальнейшего вместо энергии сигнала и помехи удобно оперировать напряжениями. Обозначим через А амплитуду огибающей напряжения сигнала, через р, — амплитуду огибающей напряжения i-й выборки смеси сигнала с помехой, через а — среднеквадратичное (действующее) значение помехи (шума).
Тогда из формул (5.10), (5.11) и (5.24) в соответствии с [48] имеем:
п
X = ЛЦуМ =	= Г1 е.Л2/2а2J /Лрл >х (5 28)
w (у | В)	*	и \ а2 /	’
i""” А
где зус,ш — плотность распределения для аддитивной смеси «сигнал—шум» (для гипотезы А «сигнал есть»);
— плотность распределения для шума (для гипотезы В «сигнала нет»).
Прологарифмировав уравнение (5.28), получим:
п
In 70 (Лр,/о2) > In + пЛ2/2о2. 1=1
(5.29)
Как уже отмечалось выше, преобразование вида In /0 (к) может быть ,приближенно заменено линейной функцией. Поэтому суммирование выборочных значений огибающей после линейного детектора практически полностью реализует оптимум. Считая
In /0 (Apjtf) Аре/а2,
(5.30)
из соотношений (5.29) и (5.30) получаем:
п
1=1
(5.31)
Формула (5.31) означает, что суммируются огибающие принимаемых реализаций с выхода линейного детектора и сравниваются с заранее установленным порогом. При таких операциях вероятность ложного и правильного 159
измерений может быть найдена из следующих соотношений 148]:
для ложного измерения
F = 1 (1-0(0!)]»	(5.32)
|п*о
где ех  ------г=—;
V п
О
— табулированная функция;
для правильного измерения
Я = у11-ф<е*)Ь	(5-33)
гг2	Л 2
2 л? |п Хо — » 2^
ГДб 2 ~	/2п(1 +?12/о?)
По формулам (5.32) и (5.33) . при заданных F и D могут быть определены два других параметра, например необходимое число циклов зондирования п и допустимое соотношение «сигнал—помеха» А/о.
5.4. ОПЕРАЦИИ ПРИ ДУГОВЫХ ПОМЕХАХ
Рассмотренное ранее временное распределение дуговых помех (рис. 5.2) вызывает необходимость в автоматическом осуществлении фиксации начала КЗ и задержки начала зондирования на время tQ > 4 мс от начала КЗ. Далее в интервале /раб можно выполнять зондирование, если обеспечить отстройку от влияния пиков помех, возникающих каждые полпериода промышленной частоты (Т/2) и длящихся от единиц до нескольких десятков периодов.
Наименьшая длительность интервала импульсных измерений имеет место при однократной посылке импульсного сигнала. Максимальная длительность зависит от длины обслуживаемой ВЛ (L) и определяется как 7И = = L/v для обменного (хронирующего) импульса волнового устройства и tu = 2L/v для локационного устройства. 160
Поскольку для обычных (не сверхдальних) линий L
300 км, то /и < 2 мс и при однократном зондировании линии
< 772 <С ^раб*
Очевидно, что интервал времени tr между моментом посылки импульсного сигнала в линию и началом очередного пика помех (рис. 5.2) может рассматриваться как непрерывная случайная величина, значения которой равномерно распределены в интервале от 0 до 772. Определим вероятность попадания пика помехи в интервал измерений /и, т. е. найдем вероятность того, что t' < /и + /п. При этом будем считать продолжительность пика помех /п постоянной величиной. Для равномерного распределения плотность
<Р (/') = 2/Т, а интегральная функция распределения для /и + /п — t’ г
F (f) = F4- Q = J dt = -2 (Zn + <n).	(5.34)
0
Эта вероятность представляет собой в общем случае сумму пропуска и ложного измерения, так как пик помех может как подавить сигнал, так и обусловить ложный отсчет. При обычных конструкциях искателей однократного действия фиксация случайного пика помех приводит к ложным измерениям. Таким образом, при однократной посылке сигнального импульса вероятность ложного измерения равна отношению суммы времени измерения и пика помех высокого уровня к полупериоду промышленной частоты.
Поскольку 772 = 10 мс, tn = 0,3-?2 мс и /и = 0,2-н 3 мс, согласно формуле (5.34) вероятность ложного измерения составляет 0,05—0,5. Это позволяет сделать вывод о низкой эффективности (с точки зрения рассматриваемого важнейшего критерия) применения волнового искателя повреждений с однократным хронирующим сигналом внутри интервала /раб и локационного искателя с однократным зондированием.
Как показывает анализ осциллограмм, периодические помехи высокого уровня связаны с процессом гашения и зажигания дуги в области перехода тока КЗ через нулевое значение. Они не занимают Стационарного положения в каждый полупериод промышленной частоты, а существенно смещаются то в одну, то в другую сторону от указанного момента (флуктуируют). Однако в некотором интервале в районе середины участка между двумя переходами тока КЗ через нулевое значение вероятность появления пика помех относительно
6 р. м. Шалыт	161
невелика. Это обстоятельство и используется в способе ОМП, характеризующемся операциями, структура которых показана на рис. 5.5. После возникновения КЗ, пуска устройства (блок 1) и окончания задержки на время t0 (блок 2) начинает работать блок 3 фиксации момента перехода тока КЗ через нулевое значение. Далее осуществляется задержка (блок 4) на время = 3 ч- 4 мс, после чего посылается зондирующий импульс (блок 5). Интервал измерения /и оказывается размещенным вблизи середины полупериода, отсчитанного от момента перехода тока КЗ через нулевое значение. В ряде случаев такая система целесообразна для практического использования.
Однако ожидать гарантированно высокой вероятности правильных измерений в описанной системе не следует. Приходится обращаться к многократной посылке импульсных сигналов и статистической обработке результатов п
Начало КЗ
Рис. 5.5. Структура операций при однократном зондировании с фиксацией момента перехода тока КЗ через нулевое значение. v
измерений. Прежде всего для исключения возможной синхронности накопления помех по отношению к промышленной частоте необходимо наложить ограничение на выбор частоты следования зондирующих импульсов:
Тс =/= 77(26),
где k — любое целое число.
Это удобнее, чем иметь переменный период Тс.
Из-за вынужденного ограничения уровня принимаемых реализаций за п циклов зондирования количество полезных импульсов, поступающих в приемник, меньше п и равно:
Го = («Го — Ыа)/Тс,
где nTG — длительность зондирования; b — число пиков помех длительностью попавших в интервал зондирования, причем с округлением до ближайшего большего . 2мТс целого числа о = —
Тогда
г0 = и(1 -2/п/Т).	(5.35)
Все сигнальные импульсы (общее количество г0) синхронно попадут в один и тот же временной интервал А/, определяемый формулой (5.5) относительно начала соответствующего цикла зондирования. Импульсы же помех
будут статистически распределяться в различные временные интервалы. Длительность коротких импульсов, из которых состоят помехи внутри интервала tn, того же порядка, что и длительность элементарных интервалов А/ = 2L/(mv) и длительность зондирующих импульсов. Эти короткие импульсы помех чередуются с более длинными паузами. Поскольку интервал tn < Т/2 [обычно T/(2tn) = 54-30], то повторная группа помех (второй интервал tn) распределяется так же случайно относительно распределения первой группы, как случайно распределяются по элементарным временным интервалам А/ короткие импульсы в каждой группе.
Вероятность попадания одного случайного импульса длительностью А/п в один произвольный цикл зондирования в некоторый определенный временной интервал hAt = А/п согласно закону равной вероятности определяется как
Р =	(5.36)
т. е. равна отношению длительности этого импульса к длительности одного цикла зондирования (времени двойного пробега импульса по линии). За п циклов зондирования (п независимых опытов) вероятность попадания импульсов помех в тот же временной интервал г раз согласно частной теореме о повторении опытов должна подчиняться биномиальному распределению [46]
Рпп = rl(ranLr), Рг(1 -P)n-r = V(1 -РГ-, (5.37)
где Сгп — число сочетаний из п элементов по г.
Характеризуя реализацию для данного временного интервала А/г- числом попавших в него импульсов, можем в соответствии с (5.6) считать у = г, а условную вероятность приема только помех (гипотеза В) получим на основе формулы (5.37) в виде
р(у\В) = р(г\В) = p(r\S =0) =-7V^L__pr(i^p}n-r9
'	(5.38)
Отметим, что р (у\В) — не непрерывная функция, а ряд распределения (многоугольник распределения) случайных величин, принимающих значения целых положительных чисел: г — 1, 2, 3, ..., причем г < п. Поэтому здесь оперируем не с плотностями вероятностей, а непосредственно с вероятностями событий.
6*	163
Вероятность гипотезы А (в смеси «сигнал—помеха» имеется сигнал) для данного временного интервала Д^ может быть записана в виде смещенного на величину г0 распределения, т. е. с учетом того, что у = г — г0, получим:
Р {у М) = Р (г - Го М) = Р (г - г0) | S 0) = рг_Га> „ =
(5.39)
п!
(г — г0) I [п — (г — г0)] 1
р^о(1-р)"-.С-го).
Рис. 5.6. График рг>п= f («)•
Практически наиболее важный набор значений рг> „ или Рг-г,,, п может быть найден из графика рис. 5.6, рассчитанного для разного разбиения длины линии L на участки. На рис. 5^6 р = Мт, где т — число участков. 164
Значение р отражает точность ОМП. Из графика видно, что для р < 0,05,	15 и г^4 значение рг, п < 10“2,
т. е. вероятность накопления помех в виде четырех импульсов за 15 циклов зондирования меньше одного процента. Отношение правдоподобия по аналогии с формулой (5.10) с учетом соотношения (5.7) можно получить делением уравнения (5.39) на (5.38).
Учитывая, что нас интересует отношение правдоподобия для заданного числа полезных импульсов
0 2 У в 8 10 п
Рис. 5.7. График hmin = f (п).
Z 3	¥ 5 л
Рис. 5.8. Графики F = = f (п) и 1—F =	(п).
g= 1/Р-
г0 (т. е. для заданной уставки порога срабатывания), при г > г0 можно записать:
л Р(у\А) __
Р 0/1 В) PrQi п
(5.40)
Наличие сигнала становится более правдоподобным (X растет) по мере приближения уставки г0 к числу посланных полезных импульсов л.
На рис. 5.7 приведены рассчитанные на ЭВМ значения Kmin при различных уставках срабатывания г0, различном числе циклов зондирования (посланных импульсов л) и различном разбиении линии на участки.
165
Выбор порогового значения для отношения правдоподобия определяется, как и выше, на основе формул (5.6), (5.12) и (5.16): X > Хо. При выбранном пороговом уровне, когда равенство = Хо обеспечивается значением числа принятых импульсов г = г0 = гП9 можно по формуле (5.38) найти вероятность ложного измерения F:
п	д |
F = 1 - S РЧ1 - РГ-Г Vi(n-r)i •	(5.41)
На рис. 5.8 приведены в качестве примера зависимости F и 1 — F от п.
Таким образом, в этом параграфе установлены все структурные операции, которые необходимо осуществлять для выделения полезного сигнала из дуговых помех. Структура операций приведена на рис. 5.4, б. Главной операцией является счет импульсов, принимаемых в каждом определенном временном интервале.
Приемный тракт включает линейный приемник ЛП, ограничитель О, счетчик импульсов СИ и счетное пороговое устройство СПУ9 фиксирующее число импульсов. Приемник открывается через время задержки /0 после начала КЗ (/0	3-?4 мс) и закрывается через интервал вре-
мени /раб до начала отключения линии.
По сравнению с рассмотренными дуговыми помехами импульсы от блуждающих волн имеют несравненно более низкую вероятность появления и накопления в заданном временном интервале. Поэтому специальных мер подавления для них не требуется.
5.5. ОПЕРАЦИИ ПРИ ПОМЕХАХ,
ВЫЗВАННЫХ НЕОДНОРОДНОСТЬЮ ЛИНИИ
По мере распространения вдоль линии импульсные сигналы деформируются, т. е. затухают по амплитуде и искажаются по форме. Если линия имеет длину, например, несколько сотен километров, то амплитуда импульса может уменьшиться в десятки и сотни раз. При этом импульс, отраженный от места незначительной неоднород-, ности, расположенной вблизи начала линии, имеет у входа приемника существенно большую амплитуду, чем импульс, отраженный от места КЗ, расположенного вблизи конца линии.
Попытаемся найти операции, обеспечивающие наилучшее выявление полезных импульсов. Подчеркнем, что сигналы, отраженные от мест неоднородностей, столь же де-№
терминированы, как и сигналы, отраженные от места КЗ, и отыскиваемые операции не относятся к статистическим. Для какого-либо волнового канала, например,, канала «провод—провод» симметричной линии или «провод— провод (крайние)» линии с горизонтальным расположением проводов и определенной формы зондирующего импульса в первом приближении можно'записать:
^М, о = W (Z) w	(О,	(5.42)
где UMt о — амплитуда отраженного импульса на входе приемника; U3 — амплитуда зондирующего импульса; kB — коэффициент, зависящий от способа подключения генератора зондирующего импульса к трем проводам линии; f (Z) — некоторая функция, отражающая изменение амплитуды импульса по мере пробега участка Z; kQ — коэффициент отражения.
В реальных линиях всегда выполняется условие
k0, iA>, И > V > 1,5	2,	(5.43)
где kOt п — коэффициент отражения от места повреждения (КЗ или обрыв); kOt н — коэффициент отражения от места нарушения однородности; v — коэффициент запаса.
Однако на входе приемника за счет различных значений затухания принимаемые полезные импульсы могут быть существенно меньше отраженных от мест нарушения однородности. Поэтому предложено подвергать принимаемые сигналы усилению, изменяющемуся во времени по закону, обратному закону их затухания в линии:
^ус = р = k р (y/j >	(5.44)
где kYC — результирующий коэффициент усиления; k' — начальное значение коэффициента усиления; и — скорость распространения импульса данной формы по данному волновому каналу; t— время пробега импульсом участка Z.
В соответствии с соотношениями (5.42) и (5.44) напряжение на выходе усилителя
=	=	(5.45)
т. е. напряжение UB не зависит от расстояния Z.
Независимо от расположения мест повреждения и неоднородности согласно соотношению (5.43) всегда обеспечивается следующее неравенство:
<4, В	п _ *о, п . -	(5.46)
£7В, н & UBkBkQt и kQt н
167
Для радиоимпульсов, спектр которых занимает узкую полосу частот Д/ по сравнению со средней частотой спектра f0, можно приближенно принять
тогда согласно (5.44)
/гУС = kfe2al = k'e2avt.	(5.47)
Усилители с подобным feyG названы функциональными. Для лучшего выявления преимуществ такого усилителя рассмотрим три режима усиления отраженных импульсов: линейное усиление, не зависящее от времени; усиление до
Рис. 5.9. Соотношения между амплитудами импульсов при различных способах усиления.
а — линейное усиление; б — усиление до ог* раничения; в — функциональное усиление;
I — зондирующий импульс; II — отраженный от места повреждения импульс; III —« отраженный от узла транспозиции импульс.
ограничения, не зависящее от времени; усиление, изменяющееся во времени по закону, обратному закону затухания импульсов в линии.
В первом режиме амплитудные соотношения между различными отраженными импульсами на выходе усилителя такие же, как и на его входе. На рис. 5.9, а схематически показаны три импульса: I — зондирующий, II— отраженный от места удаленного КЗ, III — отраженный от места транспозиции, расположенной недалеко от начала линии. Из-за значительно большего затухания второго импульса он меньше третьего. При линейном усилении это соотношение сохраняется. На рис. 5.9, б эти же импульсы показаны после максимального усиления до ограничения. Все три импульса становятся одинаковыми. Импульсы на выходе функционального усилителя показаны на рис. 5.9, в. Импульс «повреждения» II больше импульса III, относящегося к месту транспозиции.
Операция указанного изменения во времени коэффициента усиления позволяет получить еще один важный результат: независимо от расстояния до места повреждения значение полезного сигнала на выходе функционального усилителя приемника остается приближенно постоян-168
ным. Таким образом обеспечиваются априорные сведения о величине сигнала перед его статистической обработкой вместе с помехами.
5.6.	ОПЕРАЦИИ ПРИ СОВОКУПНОМ ДЕЙСТВИИ
ВСЕХ ВИДОВ ПОМЕХ
Для получения структуры операций, обеспечивающих наилучшее выявление сигнала при совокупном действии помех, в соответствии с (5.17) необходимо применить те из сформулированных в предыдущих параграфах операций, которые не разрушают информацию о сигнале при помехах любого вида. Рассмотрим с данной точки зрения поочередно все операции. При этом будем считать, что линейные операции выполняются раньше нелинейных.
1.	Оптимальная линейная фильтрация для сигналов, не подавленных вынужденным ограничением при действии дуговых помех. Эта операция полностью сохраняет информацию о сигнале и не вносит изменений в соотношение уровней отражений от мест повреждения и мест нарушения однородности.
2.	Изменение усиления по закону, обратному закону затухания импульсов в линии (ниже для краткости будем именовать изменяемое усиление), на первый взгляд представляется нелинейной операцией. Однако если пренебречь изменением усиления за время действия полезного сигнала ти, имея в виду, что ти ta = 2Uv, то эту операцию практически можно считать линейной. В самом деле, в любой данный момент времени t сигнал и помехи усиливаются одинаково. Изменению во времени в равной мере подвергается усиление и сигнала, и помехи,
Отношение сигнала к гауссовой помехе (Л/а) не изменяется и остается минимальным для дальнего конца линии (где произошло наибольшее снижение амплитуды сигнала в сравнении с зондирующим импульсом). Не подавленные вынужденным ограничением сигналы сохраняют свою форму, информация о них не разрушается. Число импульсов помех не меняется.
3.	Суммирование реализаций за п циклов зондирования в общем случае противоречит счету числа импульсов в заданном временном интервале за те же п циклов. Результат суммирования зависит от амплитуд импульсов сигнала и помех, а результат счета не зависит.
Попытаемся введением нелинейной операции (ограничения) сделать операции суммирования и счета эквивалентными, Пусть максимальное значение помеху от дуги КЗ
169
ограничено на уровне А (величина полезного сигнала). Как отмечалось выше, А = const при любом т за счет изменения усиления. Тогда суммарное напряжение г импульсов составит г А и формулы (5.38)—(5.41) останутся справедливыми для суммирования реализаций (здесь амплитуд импульсов) при условии
г = у/А.	(5.48)
Суммированное после п циклов зондирования напряжение у оказывается в г раз больше амплитуды сигнала А, равной уровню ограничения амплитуды помех. В частности, накопленный г0 раз полезный сигнал обеспечит на интервале А^ напряжение r0A = yQ.
Отметим, что при совокупном действии помех и при уровне ограничения t/orp = А из-за гауссовых помех, противофазных в отдельных реализациях сигналу, через порог может пройти сигнал, меньший А. В реализациях, когда гауссовы помехи совпадают по фазе с сигналом, последний не может превысить значения А из-за ограничения. Эффективность накопления для гауссовых помех снижается, для дуговых же помех высокого уровня остается, прежней. Некоторый подъем порогового уровня при достаточном п уравновесит влияние гауссовых помех, но повысит эффективность накопления дуговых помех. Поэтому суммирование за счет связанного с ним ограничения может несколько снизить помехоустойчивость по сравнению со счетом числа импульсов. Ограничение на уровне полезного сигнала А также может изменить влияние гауссовых помех на результат. Влияние ограничения существенно зависит от отношения А/о. Чем меньше это отношение, тем выше надо поднять порог ограничения (£/огрЛ4), чтобы существенно не нарушить полученные выше оптимальные соотношения.
Исследование прохождения сигнала совместно с гауссовым шумом через' систему с ограничителем рассматривалось в ряде работ. В частности, в [49] показано, что на выходе ограничителя с порогом А напряжение сигнала не меньше 0,8 А при относительном уровне ограничения t/0rp/o = 1 4-3 и отношении сигнал/шум Uc/o = 2 4-4. Таким образом, с допустимым приближением приемник поступающих с линии импульсов включает линейный оптимальный фильтр, функциональный усилитель, ограничитель и синхронный (для выделения временных интервалов) сумматор реализаций с выхода детектора.
170
Вернемся теперь к рассмотрению отдельных синусоидальных помех от ВЧ каналов с известными частотой и амплитудой (помехи от соседних каналов). Для отстройки от этих помех желательно применить полосовые частотные фильтры с полосой пропускания AF, сдвинутой от рабочих частот указанных помех. Как показано в [47], замена оптимального фильтра полосовой фильтрацией при условии AFt = 0,2 4-1,0 (где т — длительность треугольного или прямоугольного радиоимпульса) снижает отношение сигнал/шум на выходе не более чем на 0,6 дБ. В большинстве случаев такое снижение допустимо и полосовые фильтры (полосовые усилители) могут одновременно решать две задачи: ослабление известных и снижение случайных помех.
Отраженные от МП импульсы распространяются в сторону приемника в общем случае по всем проводам линии. Следовательно, полезную информацию можно получить со всех проводов. Помехи также имеют место на всех проводах. Если установить в качестве критерия оптимальности максимальное отношение энергии сигнала к энергии помехи, то исследования и эксперименты показывают, что оптимальным является суммирование модулей, принимаемых с трех проводов реализаций (смеси «сигнал— помеха»).
Суммирование модулей также обладает инвариантностью к виду повреждения. Полярность и величина импульсов, изменяющиеся в зависимости от того, какой из проводов закорочен или оборван, не имеют значения. При посылке радиоимпульсов должны суммироваться модули огибающих реализаций, одновременно принимаемых с трех проводов.
Все сказанное выше о структуре приемника автоматического импульсного устройства ОМП на ВЛ позволяет принять в качестве близкой к оптимальной схему, представленную на рис. 5.4, в. В этой схеме К — ключ; связывающий полосовые фильтры Ф всех фаз с линией через время /0 послё КЗ и разрывающий эту связь через интервал времени /раб. После детектора Д включены сумматор модулей с трех проводов 2М0Д, функциональный усилитель ФУ, ограничитель О, сумматор реализаций Sp, т. е. накопитель амплитуд за п циклов. Далее включен решающий блок Р — пороговый элемент для выделения временного параметра — момента времени т, однозначно определяющего искомое расстояние до места повреждения I.
5.7.	ДАЛЬНОСТЬ АВТОМАТИЧЕСКОГО ИМПУЛЬСНОГО ОМП
На дальность ОМП импульсными методами при оптимальной структуре приемника влияют следующие факторы:
1)	энергия зондирующих импульсов генератора £3;
2)	затухание в системе присоединения устройства к линии апр = 2^3 + ян, г + аФ» где аэ — затухание в элементах схемы присоединения при прямоугольной форме входного импульса; ан,г — затухание вследствие несогласования внутреннего сопротивления генератора с входным сопротивлением линии; аф — затухание, обусловленное отличием формы зондирующих импульсов от прямоугольной;
3)	затухание ак вследствие неполного отражения импульсов от места КЗ;
4)	затухание ал для локационного сигнала при двойном (туда и обратно) пробеге по линии и затухание ал/2 для хронирующего (обменного) импульсного сигнала при одном пробеге по линии;
5)	уровень помех аш.
При гауссовых помехах необходимо обеспечить для принимаемого отраженного полезного сигнала заданное отношение = 2E/NQ или Uc/o. Желательно иметь > 1, но при многократном зондировании допустимо и < 1 при условии, что п%1 = % > 1, где п — число циклов зондирования. Было также установлено, что при наличии еще и дуговых помех эффективная замена операции счета импульсов суммированием требует выполнения условия UJq 1,7 4-2,3. Это обстоятельство ограничивает нижний предел Xi. Подчеркнем, что отношение амплитуды сигнала к среднеквадратичному значению помех не равно отношению энергий.
Практически при многократном зондировании (п > 5) отношение UJo > 1,7 4-2,3, если > 0,3-?0,5. Однако, учитывая требование однозначности отсчета, принимаем условие Xi 1. При этом погрешность отсчета временных интервалов
А. л 1	I	1
At = Дт0 =---7=	---7=7- с----7=-,
£ VЩП	&f V КгП	VП
а погрешность в отсчете расстояния
= <5-«)
где V(S) — фазовая скорость распространения синусоидального сигнала с частотой, соответствующей частоте наполнения радиоимпульса, по волновому каналу s.
172
Определим теперь погрешность отсчета заданного уровня огибающей радиоимпульсного сигнала при отсутствии помех. Если послать в ВЛ зондирующий радиоимпульс с прямоугольной огибающей напряжением и, то после пробега им определенной длины линии I всегда можно с достаточным приближением деформированный импульс представить импульсом с косоугольным фронтом длительностью /н и крутизной
du/dt = const = 1//н.	(5.50)
Косоугольный фронт огибающей в первом приближении получается на выходе идеального фильтра с полосой пропускания А/, если подать на его вход прямоугольный радиоимпульс с частотой наполнения, лежащей в этой полосе [50]. Тогда
/н « 0,86/( А/).	(5.51)
Для каждой длины I пробега радиоимпульса по ВЛ можно подобрать некоторое значение /н, однозначно связанное с полосой пропускания А/ идеального полосового фильтра. Из (5.50) и (5.51) можно записать:
du/dt = 1,15А/.	(5.52)
Если задать относительную погрешность Aw* фиксации некоторого порогового уровня напряжения ип на фронте косоугольной волны &и/ип = Aw*, то с учетом (5.52) абсолютная погрешность в отсчете момента времени
А' = тгЙ-=°'86тГ’	<5-53’
а погрешность в отсчете расстояний
А/; = # v<s) = 0,43 v(s).	(5.54)
1Л]
Результирующую погрешность из-за неточности фиксации уровня сигнала и влияния помех согласно (5.49) и (5.54) можно представить в виде
Mt = /(W+W ~	+ А«?. (5.55)
Г П
При этом принято V(S) « 300 км/мс, а для получения в километрах А/ подставляется в килогерцах. По формуле (5.55) можно определять погрешность в отсчете расстояний при близком к оптимальному приемнике и длительности зондирующего радиоимпульса ти 1/А/. Для числа циклов зондирования п = 5-нЗ и погрешности фиксации 173
порога отсчета (срабатывания) Ди* = 0,2 4-0,4 значения выражения и = V1/я + приведены ниже:
Ди* ... . 0,2	0,2	0,2	0,3	0,3	0,а	0,4	0,4	0,4
п.........	5	10	15	5	10	15	5	10	15
. . . °*49	°’38	°»33	°’54	°’44	°’4	°’6	°»51	°’48
Из приведенных данных следует, что необходимо обеспечивать стабильность фиксации порога срабатывания не менее 20 %. Тогда доля составляющей Ди^ в общей погрешности еще не становится определяющей. Следует иметь в виду, что в величине Ди* отражается и неточность априорных сведений об амплитуде принимаемого импульса, в частности расхождение характеристик функционального усилителя и действительного затухания сигналов на ВЛ.
При Ди* <0,3 и п = 5-7-15 значение kni и = 0,334-0,54. В этих условиях можно ориентировочно принять и = 0,44. Тогда из (5.55) следует:
Mt^66/(Af).	(5.56)
По условиям эксплуатации достаточно иметь погрешность Д/, < 1,5 4-3 км.-Следовательно, необходимо, чтобы Д/ 224-44 кГц. Поскольку реальные помехи отличаются от гауссовых (особенно помехи от аппаратуры связи, защиты и автоматики, использующей ВЧ каналы по ВЛ), то следует принять хотя бы двадцатипроцентный запас:
Д/> 27 4-55 кГц.	(5.57)
Для автоматических локационных искателей типа ЛИДА принята полоса частот приемного полосового фильтра Д/ф = 55 кГц. Поскольку фильтры имеют практически недостаточно крутые спады амплитудно-частотных характеристик, то занимаемая искателем полоса Д/иск = 70 кГц. При этом допускается нулевой разнос рабочих частот ВЧ каналов от границы рабочей полосы искателя.
Целесообразно привести некоторые числовые данные, позволяющие давать весьма ориентировочную оценку дальности измерений при заданных параметрах зондирующего импульса или решать обратную задачу (определять параметры импульса по заданной дальности).
В теории ВЧ связи пользуются так называемыми абсолютными уровнями сигналов и помех?
Р = 101g -fa,
174
где Р — абсолютный уровень, дБ; р — мощность сигнала или помехи, Вт.
В табл. 5.1 приведены по данным [32] абсолютные уровни помех от короны в наихудших расчетных условиях (средние значения уровней помех от короны ниже на 5— 10 дБ в полосе 1 кГц) и помех локационным устройствам от ВЧ аппаратуры по данным наших измерений для типичных ВЛ с горизонтальным расположением проводов. Там же приведены удельные мощности (размерность Вт/Гц = Вт-с). Как видно, помехи от ВЧ каналов значительно выше помех от короны. В табл. 5.2 приведены значения составляющих затухания (снижение уровня сигнала) в системе присоединения устройства к линии и значения затухания вследствие неполного отражения от места КЗ. Таблица 5.3 содержит данные о затухании в первом волновом канале радиоимпульсов с различной частотой наполнения при двойном пробеге по ВЛ без транспозиций длиной 160 км. В табл. 5.4 максимально возможное затухание на ВЛ, состоящее из ал и дополнительного затухания ад, вносимого одним циклом транспозиции, подсчитано при различной длине участков между транспозициями и для разной частоты fQ. Участкам по 50 км соответствует двойной пробег линий длиной 150 км; по 65— 70 км — длиной 200 км; по 100 км — 300 км. Исходя из данных табл. 5.2—5.4, произведем ориентировочный выбор параметров зондирующего импульса для автоматического локационного ОМП обычных ВЛ, т. е. длиной до 300 км.
Таблица 5.1
Напряжение линии, кВ	^кор» ДБ, в полосе 1 кГц	^кор» ДБ, в полосе 1 Гц	к* IO"8 - Вт-с	^ВЧ» дБ’ в полосе 1 кГц	РВЧ’ ДБ»		^0С’’ IO"8. Вт.с
					в	полосе 1 Гц	
ПО	— 33	— 63	0,05	— 104-0	-	(304-40)	10* 100
220	— 21	— 51	0,8	— 104г0	—	(304г 40}	104? 100-
330	— 21	— 51	0,8	-104-0	—	(304г 40)	104? 100
500	— 12	— 42	6,0	— 104-0	—	(304г 40)	104? 100
750	— 16	— 46	1,9	— 104г 0		(304? 40)	104? 100
Радиоимпульс напряжением, например, 1500 В и длительностью 80 мкс обладает энергией £3 = 1,5 Вт с. При Xi ==• 1 =• 2£3/We используемая в расчете энергия зондирующего импульса может быть удвоена и в данном примере составит 3 Вт с, что соответствует абсолютному уровню = 36 дБ. В полосе 1 Гц гауссовы помехи от посторонних ВЧ каналов (табл. 5.1) составляют — 30 дБ. Перекрываемоезату-
175
Таблица 5.2
Подключение генератора импульсов	ан,г* ДБ	9 дБ	аф* дБ	2аэ, дБ	Суммарное затухание, ДБ
К трем проводам	0	17	4	10	31
К среднему про-	6	17	4	10	37
воду К крайнему про-	17	17	4	10	48
воду	X				
Таблица 5.3
Напряжение линии, кВ	Затухание, дБ, при частоте наполнения, кГц		
	’ 100	200	300
330	7	10	13
500	7,2	13,0	18
750	11,0	22,0	33
Таблица 5.4
Напряжение линии, кВ	Длина транспозиционного участка, км	^д» дБ, при f0, кГц			аЛг дБ’ при f0, кГц			аД °Л’ дБ’ при fo, кГц		
		100	,200	300	100	200	300	100	200	300
330	До			- —	9	12,5	21	9	12,5	21
	» 100		——	22	13	17,5	25	13	17,5	47
•	До 50			Ж*	6,8	13	21,5	6,8	13	21,5
500	»	65			22	9,0	17	28	9,0	17	50
	» 100		22	22	13,0	26	43	13,0	48	65
	До ,50			22	1TJ.5	21	31	10,5	21	53
750	»• 65		22	22	12,5	25	37	12,5	47	59
	» 100	22	22	22	21	41,5	61	43	63,5	83
хание составит Р3—Р^ц = 36—(—30) = 66 дБ. Необходимо выполнить следующее условие:
66дБ > апр + ак + ал = а.	(5.58)
В табл. 5.5 приведены сочетания характеристик генератора и ВЛ* удовлетворяющие условию (5.58).
Для зондирующего импульса напряжением 4000 В при tH = = 80 мкс энергия 2Е3 = 22 Втс, что в полосе 1 Гц соответствует абсолютному уровню 44 дБ. Перекрываемое затухание при этом составит Р3 — Рвч = 74 дБ. Для автоматических локационных искателей такой уровень зондирующих импульсов представляется близким к оптимальному, если I < 300 км.
176
Т а б л и ц а 5.5
	Подключение генератора импульсов	Линия	Максимальная длина, км	Максимальная частота наполнения fotnax> КГЦ	Затухание атах, ДБ
К	крайнему проводу	ПО—500 кВ без транспозиций	160	300	66
к	крайнему проводу	ПО—500 кВ с транспозициями	300	100	61
к	крайнему проводу	ПО—500 кВ с транспозициями	200	200	65
к	среднему проводу	НО—500 кВ с транспозициями	150	300	58,5
к	среднему проводу	750 кВ без транспозиций	160	200	59
к	крайнему проводу	750 кВ без транспозиций	160	100	59
к	крайнему проводу	750 кВ с транспозициями	200	100	60,5
к	среднему проводу	750 кВ с транспозициями	150	200	58
5.8. ВЫБОР И ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОЧЕЙ ПОЛОСЫ ЧАСТОТ АВТОМАТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСНЫХ ИСКАТЕЛЕЙ ПОВРЕЖДЕНИЙ
В условиях энергосистем СССР помехи от короны меньше по уровню, чем помехи от ВЧ каналов связи, релейной защиты и системной автоматики. Поэтому именно последние помехи обусловливают, выбор необходимой полосы частот. При выборе рабочей полосы частот автоматических искателей необходимо руководствоваться следующими положениями.
1.	Чем длиннее обслуживаемая ВЛ, тем более низкой должна быть средняя частота fQ (полоса частот искателя располагается симметрично относительно этой частоты).
2.	В рабочую полосу А/ не должны попадать рабочие частоты ВЧ передатчиков релейной защиты и системной автоматики, а также передатчиков связи (телемеханики), подключенных к проводам обслуживаемой или параллельной ВЛ. При этом следует учитывать, что передатчики ВЧ связи на том конце ВЛ, где установлен искатель, могут автоматически отключаться на время зондирования (40—60 мс). Это обеспечивается с- помощью блока входных цепей (ВВЦ) искателя повреждений. В этом блоке
177
имеются специальные реле, контакты которых рассчитаны на напряжение в несколько киловольт. Реле имеют как замыкающие, так и переключающие контакты.
Пример схемы присоединения генератора и блока входных цепей искателя к фильтрам присоединения фазных проводов одной из действующих ВЛ 500 кВ приведен на рис. 5.10. По фазному проводу А работают приемопередатчики связи и телемеханики ППСТ, по проводу С — устройство телеотключения ВЧТО и приемопередатчик
Рис. 5.10. Схема присоединения генератора Г и блока входных цепей БВЦ автоматического искателя повреждений к фильтрам присоединения ФП фазных проводов одной из ВЛ 500 кВ.
дифференциально-фазной защиты ПВЗД. В режиме ожидания искатель полностью отключен от обслуживаемой ВЛ. При срабатывании выходных контактов релейной защиты ВЛ переключающим контактом реле Р1 размыкается цепь от фильтра присоединения фазы А к ВЧ посту связи и замыкается цепь от этого фильтра к генератору зондирующих импульсов искателя. В линию проходит серия зондирующих импульсов и переключающий контакт Р1 возвращается в исходное положение. Одновременно с реле Р1 срабатывают реле Р2, РЗ и кратковременно замыкают приемные цепи искателя с фильтрами присоединения фаз В и С. Фиксируется искомое расстояние до места КЗ. Кратковременное (на 40—60 мс) отключение каналов связи существенно не сказывается на их работе. При этом полосу А/ искателя можно размещать в области рабочих частот отключаемых устройств.
3.	Генератор искателя повреждений подключается к одному проводу ВЛ, а приемник — ко всем трем проводам. Поскольку даже кратковременный разрыв цепей приемопередатчиков защиты и автоматики не рекомендуется, то целесообразно генератор подключать либо 178
к свободному фазному проводу ВЛ, либо к проводу с включенными устройствами связи и телемеханики.
На рис. 5.11 приведена диаграмма распределения частот ВЧ каналов по ВЛ, к фазным проводам которой присоединены различные устройства (рис. 5.10). Из диаграммы видна возможность принятия средней частоты рабочей полосы искателя /0	130 кГц. В полосе 70 кГц
(от fa =95 кГц до /в = 165 кГц) размещаются только частотные полосы кратковременно отключаемых устройств связи (телемеханики) на фазе Л. Приходящие от приемопередатчиков с противоположного конца ВЛ сигналы этих
Рис. 5.11. Диаграмма распределения рабочих частот устройств, присоединенных к ВЛ .500 кВ, для которой приведен рис. 5.10.
же частот существенно ниже по уровню, и от них приемник искателя повреждений может быть отстроен. Отметим, что сигналы с абсолютным уровнем «О» и ниже в полосе фильтров искателя не мешают его работе.
4.	Как показали проведенные испытания и опыт эксплуатации, зондирующие импульсы искателей повреждений длительностью до 80 мкс при напряжении на входе фильтра присоединения 1,6 кВ и при посылке до 16 импульсов в серии с интервалами между ними не менее 500 мкс не мешают работе устройств релейной защиты, автоматики, связи и телемеханики и не могут вызвать их неправильного, излишнего или неселективного срабатывания.
5.	Устройства ВЧ обработки и присоединения (заградитель и конденсатор связи совместно с фильтром присоединения) на всех трех проводах того конца ВЛ, где установлен искатель, должны иметь настройку, соответствующую рабочей полосе Д/ искателя. Из-за этого в ряде случаев необходимо устанавливать дополнительный заградитель. Наличие ВЧ обработки и ее настройка на другом конце ВЛ не имеют никакого значения для работы искателя.
179
6.	После выбора рабочей полосы А/ из условий отстройки от частот сигналов соседних ВЧ каналов необходимо проверить дальность действия искателя по методике, изложенной в предыдущем параграфе. Если выбранная предваритёльно средняя частота /0 оказывается сравнительно высокой, то может получиться, что искатель не охватывает всю длину обслуживаемой ВЛ. В этом случае необходимо либо установить искатели на обоих концах ВЛ с обслуживанием не менее половины длины с каждого конца, либо пересмотреть распределение частот всех ВЧ каналов по данной и параллельной ВЛ.
Как показали многочисленные измерения и опыт эксплуатации, уровень помех в полосе искателя от ВЧ каналов по смежным ВЛ не превышает нулевого и с этими помехами при выборе рабочей полосы частот искателя можно не считаться.
Следует обратить внимание еще на одно обстоятельство, связанное с выбором частоты /0 заполнения зондирующего радиоимпульса. Распространение этого радиоимпульса происходит по первому и второму волновым каналам трехпроводной ВЛ с разными скоростями и у2- При пробеге некоторого расстояния /м, удовлетворяющего соотношению /м/^(1) — /м/^(2) = т = 1/(2/0), синусоиды заполнения радиоимпульсов в двух волновых каналах оказываются сдвинутыми на полпериода и находятся в противофазе. Если к началу крайнего провода А линии с горизонтальным расположением проводов подключать генератор радиоимпульсов, форма которых показана на рис. 5.12, а, то возникнут составляющие, распространяющиеся по первому и второму, а также нулевому волновым каналам. Через 10—20 км нулевая составляющая практически затухнет и с нею далее можно не считаться.
После пробега расстояния /м (рис. 5.12, б) первая и вторая составляющие будут сдвинуты между собой на время т. При этом на среднем проводе В будет только первая составляющая, на проводе А — сумма первой и второй составляющих, а на проводе С — их разность. Напряжение и?, соответствующее начальной части фронта результирующих импульсов длительностью т на проводах А и С, остается равным напряжению первой составляющей, так как вторая составляющая отстает по времени. Остальная часть результирующего импульса (кроме части длиной т на его конце) на проводе А образуется разностью амплитуд соответствующих полупериодов колебаний, а на проводе С — их суммой. Амплитуда результирующего сигнала на проводе А резко умень-180
шается, на проводе С — соответственно увеличивается. Если именно на расстоянии /м произойдет однополюсное
КЗ (или обрыв) на проводе Л, то отраженный импульс будет минимальным. Поэтому зона, прилегающая к указанной точке, называется зоной минимального сигнала.
На рис. 5.12, б приведено изменение амплитуды радиоимпульса по мере пробега вдоль ВЛ 330 кВ. Генератор радиоимпульсов, форма которых показана на Рис. 5.12, а, подключен к фазе Л. Амплитуда первой составляющей на проводе Л обозначена w(i), хорошо видно, что зона минимального сигнала при fQ = = 160 кГц расположена на участке от 88 до 162 км.
Рис. 5.12. Форма радиоимпульса, подключаемого к проводу А, и изменение амплитуды импуль-
В табл. 5.6 приведены расчетные значения, центра зон минимального сигнала раз-
сов на проводах по мере их пробега вдоль линии.
а — форма радиоимпульса; б — из меиение амплитуды.
личных ВЛ при разных часто-
тах /0. Данные этой таблицы могут быть полезными при выборе средней частоты fQ рабочей полосы искателя в раз-
личных условиях.
Таблица 5.6
Напряжение, кВ	/о> кГц	ZM, км	и{ 1)	“(2)	иА	иВ	ис		и1 —— X и(1) х 100%
220	300	140	0,065	— 0,025	0,040	— 0,130	0,090	1,8	13
	200	130	0,102	— 0,051	0,051	— 0,204	0,153	2,0	17
330	200	97	0,100	— 0,046	0,054	0,200	0,146	1,85	13
	100	115	0,124	— 0,048	0,076	— 0,248	0,172	1,64	20
600	200	82	0,108	— 0,039	0,069	-0,216	0,147	1,60	15
	300	63	0,100	— 0,035	0,065	-0,200	0,135	1,54	И
	100	92	0,110	-0,043	0,067	-0,220	0,153	1,64	14
750	200	72	0,089	— 0,032	0,067	— 0,178	0,121	1,33	И
	300	60	0,076	— 0,024	0,052.	— 0,152	0,100	1,47	10
5.9. СТРУКТУРА ПРИЕМНИКА ПРИ НЕАВТОМАТИЧЕСКОМ ИМПУЛЬСНОМ ОМП
До конца 60-х годов все импульсные приборы для ОМП ВЛ и КЛ выполнялись с возможностью измерений только в реальном времени. Это означает, что не произво-
181
дилось каких-либо специальных преобразований импульсных сигналов или смеси этих сигналов с помехами. На индикаторах, например электронно-лучевых трубках (ЭЛТ), воспроизводятся импульсные сигналы с масштабом на линии развертки, соответствующим времени пробега этих сигналов’ по измеряемым ВЛ и КЛ. Помехоустойчивость при такой структуре построения приборов оказывается весьма ограниченной.
В неавтоматических искателях время измерения Ти на несколько порядков превосходит время процесса распространения электрических сигналов по линии ^и. Человек способен осмыслить показание какого-либо индикатора за время Ти = 14-3 с. Для воздушных линий /и < 14-3 мс, для кабельных линий tn < 0,14-0,2 мс. Следовательно, Ти//и 1034-Ю4. .
Таким образом, без снижения производительности труда при измерениях оказывается возможным осуществлять просмотр (локацию) любой точки линии тысячи и десятки тысяч раз. Это обстоятельство заставляет обратиться к поискам статистических резервов помехоустойчивости, точности и разрешающей способности для неавтоматических локационных измерений на линиях.
При оптимальной фильтрации напряжение сигнала в присутствии помех обрабатывается так, чтобы накопить все составляющие этого сигнала и путем их сложения образовать пиковый выброс сигнала на выходе. Однако можно поставить задачу по-другому: «освободить» все значения сигнала от наложенных на него помех, т. е. выделить сигнал по возможности в чистом виде. Если это удастся, то открывается доступ не только к моменту пика сигнала, но и к другим его точкам, в том числе и к начальным точкам фронта. Улучшаются условия отсчета по точности и разрешению. Речь, следовательно, идет о восстановлении сигнала, заключенного в смеси с помехами, за счет статистической обработки последовательности реализаций сигнала. Как известно [46], шумы в электрических цепях представляют собой стационарный случайный процесс (т. е. его вероятностные свойства не зависят от времени). Для таких процессов математическое ожидание (т. е. статистическое среднее значение шума от среднего по времени) равно статистическому среднему (х). Среднее значение по времени за промежуток Т для слу-Чайной величины х определяется как хт = у J xdt
й является случайной величиной, зависящей от Т, но не 182
зависящей от начала отсчета t0. Используем следующую теорему (неравенство) Чебышева [46]. Если случайные величины х19 х2, ..., xN взаимно независимы и имеют одно и то же среднее значение х и одно и то же среднеквадратичное отклонение аь то вероятность отклонения среднего арифметического значения х от среднего значения х на величину не меньшую, чем т] > 0, при N —* оо стремится к нулю, как бы мала ни была т], или, другими словами, вероятность того, что среднее арифметическое значение будет сколь угодно мало отличаться от среднего (математического ожидания), стремится к достоверности при безграничном увеличении числа Л/
р (| х — х |) > л = oi/Nt]2.
Следовательно, если иметь весьма большую (N = = 103—гЮ4) выборку независимых значений напряжений шума для одного и того же значения т времени задержки относительно начальной точки зондирующего импульса, то усреднение этой выборки будет с достаточно высокой достоверностью давать математическое ожидание пгш напряжения шума для данного т.
Неравенством Чебышева можно пользоваться для весьма приближенной оценки вероятности отклонения от математического ожидания, превосходящего наперед заданное малое число, если известно среднеквадратичное отклонение Oi. Так, при л = 0,05oi и N = 104 р (| х — х| > > л = 1/(0,052-104) = 0,04. Следовательно, отклонение более 5 % имеет вероятность, равную лишь 4 %.
Неравенство Чебышева дает грубую оценку, поскольку справедливо для различных законов распределения случайных величин. При известных законах распределения соответствующие вероятности отклонения меньше. Рассмотрим случай нормального распределения. Согласно [46], если р (т — пг) < ер = 0, то для доверительной вероятности 0 (с этой вероятностью отклонение меньше ер можно считать достоверным событием) величины ер и th определяются по соотношениям
__ #
ер = /р5/I/N-, т=^ Xi/N, i=i
где	n
£(*; — т)2
1=1
~ f (₽»	— табулированная функция [46].
/83
Для р = 0,999 mN — 1	120 имеем = 3,29, тогда
для N = 104 получаем ер/о = 0,033.
Таким образом, при нормальном распределении выборок шума отклонение в 3,3 % от среднеквадратичного Имеет вероятность не более 0,1 %. По указанным соотношениям легко подсчитать, что при N = 104 и нормальном распределении 4 %-ную вероятность получаем для откло-
нения в 2 % от среднеквадратичной величины (а не 5 % по оценке с неизвестным распределением).
Таким образом, из выборки для N значений шума можно с высокой степенью достоверности получить математическое ожидание шума:
N
Рис. 5.13. Структура импульсных измерений со статистической обработкой смеси «сигнал—помеха».
/72ш
Z, ш*
Если делать выборку при наличии сигнала величиной (7С, то получится смещенное значение:
N
^С,ш— N
Z=1
Изложенные предпосылки позволили предложить способ измерения [51 ], структура «которого показана на рис. 5.13. Блок 1 формирует тактовые импульсы, которые с периодом следования Тс/2 запускают блок 2, осуществ
ляющий задержку на регулируемое, но точно калиброванное время т. Блок 3 делит частоту следования такто-. вых импульсов на два, и поэтому генератор зондирующих импульсов 4, посылающий импульсы в линию, запускается с периодом Тс, т. е. через такт.
В зависимости от установленного оператором времени задержки т после тактового импульса запускается блок формирования измерительного импульса 5. Во время действия этого импульса открывается блок 6 приема напря-184
жения с линии, которое усиливается по необходимому закону усилителем 7. Принимаемые кратковременные импульсы напряжения с помощью блока коммутации 8 поочередно передаются на два одинаковых блока 9а и 96, каждый из которых производит усреднение принимаемых величин.
При фиксированной задержке т эти кратковременные (как бы мгновенные) значения для каждого нечетного такта (имеются отраженные полезные сигналы и шум) усредняются в блоке 9а отдельно, для каждого четного такта (имеется лишь шум) усредняются в блоке 96 также отдельно. Усреднение производится в течение 1—3 с (десятки тысяч тактов), затем блок 10 осуществляет вычитание усредненных величин, и на его выходе образуется разностное напряжение, которое может быть измерено индикатором. Для значений т, относящихся к точкам линии, не содержащим отражений, получим:
U = ягш -|- 0 — /п1П = 0.
Для значений т, относящихся к некоторому мгновенному значению напряжения отраженного сигнала (7С, получим:
“Н Uq	= Uс.
Плавно изменяя т, можно воспроизводить по точкам весь отраженный сигнал.
Может возникнуть опасение, что операция вычитания делает неэффективным предложенный метод при помехах, мощность которых превосходит мощность сигнала (pMUl > > 1), так как вычитание близких значений дает большую погрешность. Однако вычитаются не энергии помех, а средние значения. Для большинства случайных электрических помех (например, белого шума) математическое ожидание равно нулю, хотя дисперсия (а значит, и энергия) может быть достаточно велика. При усреднении шумовые выбросы обоих полярностей компенсируются. Вычитанием же компенсируется влияние помех, имеющих отличное от нуля среднее значение.
Из изложенного вытекает следующая методика определения необходимого количества циклов зондирования N для помех с нормальным распределением.
1.	Задаются значением допустимой погрешности AU (в относительных единицах), доверительной вероятностью р и значением а = а/t/, отражающим отношение помеха/сигнал.
2.	Определяется величина е^/о = At//а.
185
3.	Поскольку всегда Л7 > 120, то для получения значений можно пользоваться следующими данными:
р	.	. ........... 0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7
Zr	.............. 0,126	0,253	0,385	0,524	0,674	0,842	1,036
р	.	. ........... 0,8	0,9	0,95	0,98	0,99	0,999
/р	.............. 1,282	1,645	1,960	2,33	2,58	3,29
Далее определяется значение
Например, при а = 2, Д<7 = 0,05 и р = 0,999 количество циклов N = 1,7-104.
.Следовательно, погрешность не превосходит 5 % с вероятностью 0,999 при мощности помех, в 4 раза (а2 = 4) большей мощности сигнала, если N 1,7-104.
Вернемся к изложенному выше способу измерений. Усреднение выборочных значений происходит для четных и нечетных тактов в течение одинакового.времени в одномл том же интервале измерений. Только точки отсчета чередуются. Таким образом обеспечиваются условия, когда статистическое среднее равняется усредненному из средних значений во времени. Практически фиксируется не идеальная ордината напряжения на входе приемника, а некоторое значение напряжения и (/) в интервале времени Д/. За 2W циклов зондирования (за интервал времени Та = 2Л//И) фиксация продолжается лишь в течение времени /ф = где Д/ <С ^и- Поэтому практически целесообразно проводить усреднение с помощью интегрирования:
*ф	ТИ
U = "лГТТ" f и(М= ' а/Лу [ udt
N Д/ J N М J о	о
Равенство этих интегралов объясняется тем, что в интервале (0, Ти) напряжение равно нулю на всех участках, кроме участков Л/Д/ = /ф. Интегрирование, вообще говоря, искажает распределение вероятностей. Белый шум с равномерной спектральной плотностью F (со) = 2а после прохождения линейной системы с импульсной переходной-функцией h (/) имеет автокорреляционную функцию [47]:
R(t) = a J h (v) h (v + 0 dv.
-оо
Если производить интегрирование с помощью интегрирующего усилителя (в аналитическом отношении это /?С-цепочка с постоянной времени р = kRC, где k — коэффициент усиления), то некоррелированный шум оказывается преобразованным в коррелированный с длительностью корреляции р = kRC. Выбор постоянной времени р /и = Тс/2 обеспечивает условия одинаковости щу» мовых составляющих на выходах обоих интеграторов /36
(четных и нечетных тактов). Физически это объясняется тем, что интегрирующие устройства отфильтровывают ВЧ составляющие (быстрые изменения шумового колебания).. Таким образом, описанное выше идеальное усреднение практически реализуется интегрированием с большой постоянной времени. Реализацию операции, эквивалентной делению интеграла на N&t, можно обеспечить за счет введения отрицательной обратной связи (см. гл. 6). Поэтому на рис. 5.13 блоки 9а и 96 фактически представляют собой интеграторы.
Длительность измерительного импульса определяет реальную продолжительность «момента» отсчета. Возникает вопрос об оптимальной относительной длительности измерительного и зондирующего импульсов. В самом деле, при очень малой относительной длительности возникают трудности в получении такого узкого измерительного импульса, обеспечении широкой полосы пропускания для его тракта и длительности процесса просмотра полезного сигнала по множеству точек. Наоборот, при относительной длительности, близкой к единице, исчезают преимущества метода перед оптимальной фильтрацией, так как весь сигнал рассматривается как одна временная точка.
Оптимум следует искать на основе теоремы Котельникова [42]: реализация сигнала полностью определяется значениями, взятыми через интервалы t' = 1/(2/м) = = л/о)м, где /м — максимальная частота спектра сигнала. Следовательно, оптимальная длительность измерительного импульса tr = 1/(2/м). Например, при = 10 МГц f = 50 нс, а при = 500 МГц г = 1 нс. Последнее значение длительности принято для измерительного импульса в серийном приборе типа Р5-8.
ГЛАВА ШЕСТАЯ
ИМПУЛЬСНЫЕ ИСКАТЕЛИ ПОВРЕЖДЕНИЙ
6.1.	ХАРАКТЕРИСТИКИ ИМПУЛЬСНЫХ ИСКАТЕЛЕЙ
На рис. 6.1 представлена общая структурная схема импульсных искателей повреждений. Она охватывает автоматические и неавтоматические локационные устройства, волновые искатели одностороннего действия и основной комплект для двусторонних волновых искателей. Что касается остальной части двусторонних искателей, то ее особенности ясны из материала, изложенного в гл. 1.
187
Структурную схему (рис. 6.1) сначала рассмотрим применительно к автоматическим искателям, а потом отметим отличия остальных систем. Искатель непрерывно
находится в режиме ожидания, т. е. состоянии готовности к срабатыванию. При возникновении повреждения запускается блок управления 1, Он запускается либо от устройств релейной защиты, либо от собственного пускового органа, реагирующего, например, на уровень ВЧ помех на линии. Блок 1 в зависимости от конкретных ха-
рактеристик устройств производит подключение генератора зондирующих импульсов 3 и пуси	приемно-регулирующего устройства 5
Рис. 6.1. Общая структурная схема импульсных искателей повреждений.
к определенной линии (проводам линии), выбор' диапазона дальности и частотного диапазона, коммутацию элементов регулировки усилительного тракта приемно-регулирующего устройства, относящихся к данной линии. Программа работы блока 1 устанавливается заранее, при наладке искателя на группе линий.
Во всех случаях от блока 1 запускается тактовый блок 2, синхронизирующий работу генератора 5, измерительного устройства 4 и приемно-регулирующего устройства 5,
Зондирующие импульсы, подаваемые в обслуживаемую (подключенную блоком 1) линию, отражаются от МП или неоднородностей. Отраженные импульсы поступают в приемно-регулирующее устройство, а потом в измерительное устройство, где фиксируется интервал времени между зондирующим и отраженным от МП импульсами, пропорциональный искомому расстоянию.
В неавтоматических локационных искателях нет не
обходимости в автоматическом блоке управления 1, Волновые искатели одностороннего действия не имеют генератора зондирующих импульсов 3. Основные комплекты волновых двусторонних искателей, устанавливаемые
на ведущем конце линии, могут иметь вместо генератора зондирующих импульсов генератор хронирующих сигналов или совсем не иметь блока 5, если генератор хронирующих сигналов находится в дополнительном комплекте. В блоках 4 и 5 волновых искателей измеряются временные интервалы, соответствующие пришедшим с линии фронтам волн или импульсам, пришедшим с противоположного конца (от дополнительных комплектов).
188
Общими для всех видов искателей являются следующие характеристики:
1.	Дальность измерения. Она зависит от мощности и частоты следования зондирующих (хронирующих) импульсов и их числа за цикл измерения (для автоматических устройств), а также от чувствительности измерений. .
2.	Погрешность измерения обычно указывается в процентах от диапазона дальности устройства.
3.	Разрешающая способность — это минимальное расстояние . между соседними неоднородностями, которые удается различить при измерениях.
4.	Способ выдачи результата измерения. Это изображение импульсов и масштабных меток на экране ЭЛТ осциллографа, фотография импульсов и меток,. показание цифрового счетчика, магнитная запись и т. п.
5.	Характеристики электропитания, климатические и прочностные параметры, число часов наработки на один отказ, ремонтопригодность, условия безопасности. Эти характеристики аналогичны соответствующим характеристикам устройств релейной защиты и автоматики энергосистем.
6..	Стоимость изготовления и эксплуатации.
7.	Масса и габаритные размеры.
8.	Потребляемая мощность.
Две последние характеристики весьма существенны лишь для неавтоматичёских искателей, являющихся в основном переносными приборами.
Автоматические искатели имеют дополнительные характеристики:
9.	Вероятности ложного измерения и пропуска измерения. Эти характеристики в настоящее время фирмами (заводами-изготовителями) не даются, но могут быть полу-чены из статистических сведений по эксплуатации или расчетным путем. Ориентировочно о них можно судить по совокупности признаков, зависящих от типа искателя, кратности зондирования (значения числа и), частоты следования зондирующих . импульсов, времени задержки хронирующего сигнала, подключения приемника к одной, двум или трем проводам линии, вида операции над смесью «сигнал—помеха».
10.	Собственное время измерения. Это интервал времени между пуском устройства и окончанием процесса измерения (запоминания) расстояния. В полное время измерения дополнительно входит интервал от начала КЗ до пуска искателя.
189
11.	Число циклов автоматической работы. Это количество срабатываний и запоминаний результатов измерения без вмешательства персонала.
Собранные ВНИИЭ сведения по 60 энергосистемам СССР показали, что из 5024 случаев автоматических отключений в 142 случаях (2,8 %) отключались в течение нескольких секунд две линии и в 10 случаях (0,2 %) более двух линий (в том числе 1 раз 6 линий). Таким образом, целесообразно иметь один-два цикла автоматической работы.
12.	Количество одновременно обслуживаемых линий.
Рассматривая ниже отдельные устройства, будем сравнивать их по важнейшим характеристикам.
6.2.	ЗОНДИРУЮЩИЕ ИМПУЛЬСЫ
Как показали исследования [52—54], фазочастотные характеристики (ФЧХ) волновых каналов силовых КЛ для частот f > 30 кГц с достаточно высокой точностью аппроксимируются прямой линией. Это означает, что фазовая скорость для f > 30 кГц практически остается неизменной. Для разных волновых каналов одной и той же КЛ скорости распространения весьма близки (их разли-, чие значительно меньше 1 %). Это физически объясняется экранированием электромагнитного поля металлической наружной оболочкой, препятствующей проникновению энергии в грунт.
Линейность ФЧХ может быть принята для КЛ с резиновой, пластмассовой и бумажно-масляной (пропитанной) изоляцией. В [54] показано, что для КЛ с этими же видами изоляции амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) единообразны и для любых волновых каналов аппроксимируются с приемлемой точностью экспонентой. На рис. 6.2 приведены примеры нормированных АЧХ кабельных линий.
Единообразный и достаточно близкий к монотонному характер АЧХ КЛ обеспечивает возможность согласования частотного спектра зондирующего импульса с этой АЧ%. Задача согласования сводится к подбору формы и длительности т3 зондирующего импульса; при которых основная часть амплитудного спектра отраженного импульса So (со) по подавляющей части энергии расположена в той же полосе частот, что и спектр зондирующего импульса S3 (со):
50 (со) = S3 (со) К (со),
190
где К (со) — коэффициент передачи участка волнового канала КЛ длиною 2/ (для двойного пробега импульса).
При прямоугольном зондирующем видеоимпульсе длительностью т3 кабельная линия длиной I является оптимальным фильтром, если отраженный от ее короткозамкнутого или открытого конца импульс, вернувшись к началу, превратится в квазитреугольный длительностью по основанию примерно 2т3 (рис.6.3). Для участка любой длины I любого волнового канала существует своя критическая
Рис. 6.2. Нормированные АЧХ волновых каналов кабельных линий.
а — канал «жила—жила» кабеля СБЗХ120,. 10 кВ, I = 10 м; б — канал «три жилы — оболочка» того же кабеля; в — канал «жила—жила» кабеля ШРПЛЗХ0.75, 1 кВ, I = = 15 м.
6)
длительность ткр = т3,4 при которой этот участок представляет собой оптимальный фильтр.
С ростом длительности т3 при постоянной амплитуде зондирующего импульса повышается чувствительность, т. е. дальность измерений, так как увеличивается амплитуда отраженного импульса. Одновременно уменьшается разрешающая способность, так Как отраженный импульс удлиняется и отражения от соседних неоднородностей накладываются друг на друга. На pise. 6.4 это повышение чувствительности показано в виде отношения амплитуд Л0М3 отраженного и зондирующего импульсов, здесь же рассмотрено и снижение разрешающей способности в форме отношения некоторой минимальной для данной КЛ длительности т0> min к длительности отраженного импульса соответствующей заданному значению та.
191
Как показано в [54], близкая к оптимальной длительность прямоугольного зондирующего импульса
опт б,4ф/,
где I — длина КЛ; 4? — коэффициент, определяемый по АЧХ соответствующего волнового канала.
С достаточной для практики точностью коэффициент передачи
К (о) = е-^1,
откуда In К (со) = —2ф(о/. Последняя зависимость графически представляет собой прямую линию, по которой при
заданных со и I возможно определить ф.
Значительное повышение разрешающей способности
О 0,2 0,6	1,01,мхе
Рис. 6.4. Графики изменения чувствительности (Л0М3) и разрешающей способности (TOmZ/Ao) в зависимости от длительности зондирующего импульса т3 при ОМП КЛ.
Рис. 6.3. Квазитреугольный отраженный импульс, полученный после пробега прямоугольным зондирующим импульсом участка волнового канала КЛ оптимальной длины.
обеспечивает применение сдвоенного импульса (рис. 6.5, а). Два прямоугольных одинаковых по длительности импульса имеют разную полярность. Второй импульс отстает по времени на интервал т3 и имеет регулируемую амплитуду. При амплитуде первого импульса А амплитуда второго составляет nA, где 0 < и, < I. На рис. 6.5, б приведены нормированные спектры такого зондирующего импульса для различных п, причем через S2 (со) обозначен спектр «сдвоенного» импульса, через Sj (0) — значение спектральной характеристики одиночного импульса (и = 0) при (о = 0.
С ростом п спектр обогащается более высокими частотами, так как максимум S2 (со) смещается вправо по оси частот, а это значит, что увеличивается разрешающая способность. Частотный спектр отраженного импульса является произведением спектра зондирующего импульса и коэффициента передачи КЛ длиною 21 (за счет двойного пробега). Регулировкой коэффициента коррекции п можно 192
добиться уменьшения длительности отраженного импульса. Отраженный импульс становится однополярным. Для каждой длины двойного пробега 2/ существует значение п, когда отраженный импульс минимален по длительности, т. е. обеспечивается максимальная разрешающая
Рис. 6.5. Форма двухполярного зондирующего импульса (а) и кри
вые изменения его частотного спект
ра (б) при различных значениях коэффициента коррекции и, причем
s2 (®) =
2
Ss (0) = (1 — п)Лт3;
= Ч" (1 +п) Лтз!
\ 1з /
способность. На лицевую панель искателя выводится ручка потенциометра «Компенсация», плавно регулирующая амплитуду второго импульса. Компенсируется по-
Рис. 6,6. Отраженные сигналы для КЛ с двумя шунтирующйми сопротивлениями («утечками») при отсутствии (а) и наличии (б) корректирующего импульса противоположной полярности.
вышенное затухание более высоких частотных составляющих. По сравнению с зондированием монополярным им пу л ьсом	р азрешающая
способность повышается в 5,4 раза.
На рис. 6.6 показаны сиг-
налы, отраженные от двух шунтирующих сопротивлений (7?ш1 — 200 Ом и /?ш2 = = 420 Ом), имитирующих утечки на расстояниях /Л1 = — 100 м и 1х2 = 120 м. Вол-
новое сопротивление испытываемого кабеля РПШ-0,75х2 всего несколько десятков ом,
поэтому отыскание таких утечек достаточно сложная задача. При отсутствии компенсации (рис. 6.6, кривая а) ^выявить наличие второй (более удаленной от места измерения) утечки не представляется возможным. Видно лишь незначительное изменение кривизны хвоста импульса,
7 Г. М. Шалыт
193
отраженного от первой утечки. Введение компенсации с п = 0,6 (рис. 6.6, кривая б) позволяет четко зафиксировать вторую утечку в виде отдельного отраженного импульса. Впервые двухполярный импульс с регулированием величины п применен в неавтоматических искателях типа Р5-10.
Для выделения полезного импульса, т. е. отраженного от МП, на фоне множества импульсов, отраженных от неоднородностей КЛ, эффективно использовать в ка
Рис. 6.7. Упрощенные импульсные характеристики для КЛ с дополнительно включенными сосредоточенными элементами, имитирующими неоднородности волнового сопротивления.
честве зондирующего сигнала наложение видеоимпульса (короткого импульса) на единичную ступень напряжения [54]. При этом ступень напряжения позволяет различить повреждение от неоднородностей, а короткий импульс обеспечивает высокие точность отсчета и разрешающую способность. Дело в том, что за местом повреждения меняется уровень напряжения при воздействии ступени напряжения. На рис. 6.7, а и б, где показаны импульсные характеристики (ИХ), хорошо видно такое изменение уровня. На рис. 6.7, в и д уровень ступени напряжения не изменяется (лишь кратковременные выбросы отражают влияние реактивности неоднородностей). На рис. 6.7, г уровень меняется, так как включение конденсатора в рассечку КЛ для длинного, импульса равносильно обрыву.
194
Реальные изменения уровня в случае повреждения (КЗ) видны на рис. 6.8, б (Е[	Е'2). В случае неоднородности
(соединительной муфты) уровень под воздействием ступени напряжения не меняется (£j « £2)- Для сравнения на рис. 6.8, а приведена импульсная характеристика той же КЛ при зондировании коротким импульсом с т3= = 1 мкс. Отражения от муфты и места КЗ соответствуют
примерно одному уровню напряжения.
Рисунок 6.9 иллюстрирует ухудшение выявления неоднородности (муфты) и улучшение выявления места
та
1 Ответвление
\125м1^|

Рис. 6.8. Импульсные характеристики КЛ с КЗ и соединительной муфтой при зондировании коротким импульсом (а) и единичной ступенью напряжения (б).
Рис. 6.9. Импульсные характеристики КЛ с соединительной муфтой и ответвлением при различных длительностях зондирующего импульса.
а — т3 = 50 нс; б — тд = 300 нс; в — единичная ступень напряжения.
ответвления по мере удлинения зондирующего импульса вплоть до единичной ступени напряжения. Практически за единичную, ступень можно принять прямоугольный импульс длительностью в 2—3 раза большей, чем 2L/v, где L — полная длина измеряемой КЛ; . v — скорость распространения сигнала.
На рис. 6.10, б показана ИХ, полученная при использовании наложения короткого зондирующего импульса (т3 = 1 мкс) на ступень напряжения. Отчетливо видны отражения от обрыва (конца КЛ) и соединительных муфт, и при этом обеспечено сохранение крутизны отраженных импульсов, т. е. точность отсчета. Для сравнения на рис. 6.10, а показана ИХ при зондировании только сту-
7*	195
Рис. 6.10. Импульсные характеристики КЛ с двумя соединительными муфтами при зондировании ступенью напряжения (а) и способом наложения короткого импульса на ступень напряжения (б).
пенью напряжения. Отражения от муфт почти не видны. Точность отсчета низкая, так как от места обрыва (конца КЛ) отражение получается с пологим фронтом. Рисунок 6.10 наглядно демонстрирует достоинства использования сложного (комбинированного) зондирующего сигнала «ступень—короткий импульс». Впервые такие сложные сигналы использованы в приборе Р5-10.
Таким образом, близким к оптимальному по форме для ОМП силовых КЛ является видеоимпульс, полученный наложением короткого двухполярного импульса на единичную ступень напряжения. Для ОМП каждой конкретной КЛ существует оптимальная длительность короткого импульса и значение коэффи циента	коррекции
п, обеспечивающего максимальную разрешающую способность. Это положение справедливо и для контрольных кабелей, а также кабелей связи.
Для ВЛ характерным является значительное различие в скоростях распространения, т. е. различие ФЧХ волновых каналов. Скорости распространения и степени их
различия изменяются и по частоте. Главным образом это определяется влиянием проникновения электромагнитного поля в грунт. Поэтому при неавтоматической локации ВЛ длительность видеоимпульса имеет существенно меньшее значение, чем для КЛ. Использование двухполярного импульса способствует повышению разрешающей способности. Однако достижимый эффект меньше, чем для КЛ. Что касается ступени напряжения, то ее подать практически удается лишь на короткие ВЛ. На отключенных достаточно длинных ВЛ имеются, как правило, наводки напряжения промышленной частоты и ее гармоник. Для отстройки от их влияния приходится использовать частотные фильтры, что исключает практическую возможность подачи ступени напряжения на ВЛ.
При автоматической локации присоединение генератора зондирующих импульсов к ВЛ осуществляется через конденсатор связи ограниченной емкости. Включение видеоимпульса на цепочку, состоящую из конденсатора 196
емкостью С и линии с волновым сопротивлением Z, вызывает заряд конденсатора с постоянной времени ZC в период возрастания напряжения видеоимпульса и его разряд с той же постоянной времени в период спадания напряжения видеоимпульса. При типичных значениях С = = (1,5-4-10)-103 пкФ и Z = 250-4-400 Ом постоянная времени составляет 0,5—4 мкс, что не только исключает возможность использования для зондирования ступени напряжения, но и видеоимпульсов вообще.
Поэтому для автоматической локации могут применяться только радиоимпульсы. Последовательно с конденсатором связи включается фильтр присоединения, и эта цепочка должна обеспечивать пропускание полосы частот, которая соответствует 80—90 % энергии спектра зондирующего радиоимпульса. Включаемый в рассечку ВЛ заградитель должен заграждать соответствующую полосу частот. Поскольку затухание радиоимпульсов на ВЛ приближенно описывается экспоненциальной зависимостью, то существование оптимальной длительности огибающей радиоимпульса справедливо в той же мере, что и оптимальной длительности видеоимпульса на КЛ.
Таким образом, для автоматической локации на ВЛ оптимальным является радиоимпульс, длительность огибающей которого определяется дальностью измерений и характеристиками ВЛ.
6.3.	НЕАВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛОКАЦИОННЫЕ ИСКАТЕЛИ
Отечественные и зарубежные неавтоматические локационные искатели повреждений по типу измерения можно разделить на искатели с отсчетом результата измерения по масштабу линии развертки ЭЛТ и искатели с отсчетом результата измерения по калиброванной задержке развертки.
Применяется, хотя и редко, комбинированный отсчет, например, в искателях серии FOG (ГДР).
Первый тип, по которому выполнялись отечественные приборы ИЛ-1, ИКЛ-3, ИКЛ-4, ИКЛ-5, Р5-1А и многие зарубежные приборы, обладает принципиально и практически меньшей точностью и худшими условиями для оператора, чем второй. Поэтому с середины 60-х годов устройства первого типа вновь не разрабатываются. Однако в эксплуатации еще находится много таких приборов. При отсчете по линии развертки из-за ее нелинейности и нестабильности непосредственно снижается точность измерений.
197
На основе анализа зарубежных конструкций в СССР были разработаны и внедрены первые отечественные неавтоматические искатели Р5-5 и Р5-9 с отсчетом по икали-брованной задержке развертки [55, 56].
Структурная схема прибора Р5-5 представлена на рис. 6.11, а, а соответствующие ей временные соотношения — на рис. 6.11, б. Для
Рис. 6.11. Структурная схема (а) и временная диаграмма работы (б) прибора Р5-5.
обеспечения точности измерения временных интервалов в приборе применен опорный генератор 1 с кварцевой стабилизацией. На основе его сигнала блок синхроимпульсов 2 формирует последовательность импульсов, используемых для генератора тактовых импульсов 3 и блока задержки развертки 4. В зависимости от положения переключателя 4а на выходе блока 4 обеспечивается задержка /3, р выходного импульса по отношению к тактовому на дискретное число высокоточных интервалов.
Тактовые импульсы запускают также блок 7 задержки генератора зондирующих монополярных импульсов 8. Выходные импульсы блока 7 являются пусковыми для генератора 8. Задержка /3, г, обеспечиваемая блоком 7г плавно меняется оператором. Максимальное время этой 198
задержки достаточно для перекрытия одного дискретного интервала задержки р, так что требования к точности плавно регулируемой части задержки менее жесткие, чем при отсчете расстояния по линии развертки. Зондирующие импульсы из блока 8 поступают в линию, а отраженные от места повреждения или неоднородности сигналы через усилитель 9 попадают на пластины вертикального отклонения ЭЛТ индикатора 6. Развертка и подсвет луча ЭЛТ обеспечиваются блоком 5, который запускается каждый такт импульсом с выхода блока 4.
Переключая дискретную задержку развертки, жестко связанную с грубой (дискретной) шкалой прибора, оператор добивается положения отраженного импульса на экране ЭЛТ, максимально близкого к левому обрезу линии развертки. Далее, изменяя плавную задержку зондирующего импульса, жестко связанную с точной шкалой прибора, совмещают отраженный импульс с началом развертки («нуль-меткой»). Как следует из рис. 6.11, б, измеряемый временной интервал
= ^з, р ^з, г-
При отсчете ЭЛТ играет лишь роль нуль-индикатор а. Экран ЭЛТ также используется для отыскания нужного отраженного импульса при измерении развертки (просмотр линии).
Хорошие результаты дает изменение структурной схемы (рис. 6.11), обеспечивающее непосредственный отсчет расстояния в единицах длины на кабелях разных типов, т. е. при различных скоростях распространения импульсов. Для этой цели достаточно предоставить оператору техническую возможность одновременно и пропорционально изменять частоту опорного генератора 1 (без кварцевой стабилизации) и наклон характеристики задержки 7 генератора зондирующих импульсов.
При ОМП оператор сначала ведет измерение на извест-ном отрезке той же линии (до места расположения соединительной муфты, конца кабеля) или на аналогичном кабеле известной длины. Установив отсчет расстояния на эту длину, оператор изменением указанных выше наклона и частоты добивается совмещения начала фронта импульса с «нуль-меткой». Масштаб отсчета при этом соответствует искомой скорости. После этого можно производить отсчет расстояния до места повреждения непосредственно в метрах. Эталонное и измеряемое расстояния должны быть близки, чтобы не внести погрешности за счет разного искажения формы импульсного сигнала. Указанное изменение структуры реализовано в приборе Р5-9.
В соответствии с типовым проектом, выпущенным институтом «Энергосетьпроект», искатели типа Р5-5 или Р5-10 устанавливаются на всех подстанциях 110 кВ и выше как средство дополнительное к ФП. Фактически на подавляющем большинстве подстанций СССР, на которых нет автоматических локационных искателей, установлены неавтоматические локаторы. Технические характеристики
199
Техническая характеристика	Тип
	Р5-5 (СССР) ।
Максимальная дальность, км	300
Относительная погрешность, %	± (0,14-1,0)
Разрешающая способность, м	20
Коррекция разрешающей способности	Нет
Непосредственный отсчет расстояний в единицах длины	Нет
Возможность отличения повреждений от неоднородностей	Нет
Одновременный просмотр нескольких жил (проводов)	Нет
«Электрическое вычитание»	Нет
Автономное питание	Нет
Защита входа от перегрузки	Нет
Масса, кг	8,5
Температурный диапазон эксплуатации, °C	—30 4- +50
Примечание. Приведенные типы универсальных искателей применяются
Р5-5 и Р5-10 в сравнении с зарубежными аналогами приведены в табл. 6.1, а характеристики искателя Р5-9 и ряда аналогичных зарубежных приборов — в табл. 6.2.
Первым в мировой практике ОМП неавтоматическим локационным искателем с преобразованием и статистической обработкой импульсных сигналов был прибор Р5-8 (разработан в СССР). Его структурная схема, хотя по существу реализует операции, соответствующие схеме рис. 5.13, но значительно сложнее последней. Это обусловлено необходимостью удовлетворения требованиям стабильности, точности и удобства работы с прибором.
Структурная схема прибора Р5-8 представлена на рис. 6.12, а характеризующие ее эпюры напряжений — на рис. 6.13. Преобразователь 1 постоянного напряжения питания в прямоугольное выполняет одновременно функции тактового генератора, вырабатывающего меандры (рис. 6.13, а), которые поступают на вход блока импульсов управления 2. Этот блок формирует на выходе / меандры 200
Таблица 6.1
прибора
	Р5-10 (СССР)	FOG-211 (ГДР) ।	ТОЗ/З (ФРГ)
	300	200	200
	±1	±1	+ 1
	5	30	27
	Есть	Нет	Нет
	Есть	Нет	Нет
	Есть	Нет	Нет
	Есть	Есть	Нет
	Есть	Есть	Есть
	Есть	Нет	Есть
	Есть	Нет	Нет
	7,8	10	8
	—30 4- +50	—25 ч- +40	—15 4- +50
для ОМП воздушных линий, силовых КЛ, кабельных и проводных линий связи.
Таблица 6.2
Техническая характеристика	Тип прибора		
	Р5-9 (СССР)	СМЕ-110 (Великобритания)	TR-4902 (Япония)
Максимальная дальность, м Относительная погрешность, % Разрешающая способность, м Перекрываемое затухание, дБ Автономное питание Встроенный контроль точности Масса, кг Температурный диапазон эксплуатации, °C	10 000 .±1 1 50 Есть Есть 12 —30 -т- +50	10 000 ±2 1 20 Есть Есть 8 —26 4- +55	10 000 ±1 5 Нет данных Нет Нет 22 0 4-+40
201
Рис. 6.12. Структурная схема прибора Р5-8.
Рис. 6.13 Эпюры напряжений к схеме по рис. 6.12.
202
вдвое меньшей частоты (рис. 6.13, б) и на выходе II — однополярные прямоугольные импульсы (рис. 6.13, в). Последние запускают генератор 3, вырабатывающий на выходе / короткие импульсы (рис. 6.13, г), идущие через коммутатор 4 на запуск генератора зондирующих импульсов 5 (рис. 6.13, 5), и на выходе // линейно-изменяющееся напряжение (рис. 6.13, ж), поступающее на вход I компаратора 6. Зондирующие импульсы поступают в кабель и отражаются от места повреждения (рис. 6.13, е).
Компаратор 6 имеет еще вход //, на котором оператор, производящий измерение, устанавливает потенциометром тот. или иной уровень напряжения. Так как на выходе компаратора выделяется импульс в момент достижения линейно-изменяющимся напряжением установленного уровня (пунктир на рис. 6.13, ж), то интервал времени между зондирующим импульсом и импульсом (рис. 6.13, з) с выхода компаратора 6 пропорционален показанному пунктиром уровню напряжения. Этот интервал времени прямо пропорционален расстоянию до просматриваемой оператором точки линии. Поэтому потенциометр на входе // блока 6 отградуирован в метрах.
Импульсы с выхода компаратора 6 синхронно запускают генератор измерительных импульсов 7 (рис. 6.13,и), подключенный выходом к входу // импульсного модулятора 8. На вход / этого модулятора поступает напряжение с контролируемого (измеряемого) кабеля, состоящее каждый нечетный такт из зондирующих и отраженных импульсов вместе с помехами (коммутатор 4 замкнут) и каждый четный такт — только из помех (коммутатор 4 разомкнут).
С выхода модулятора 8 импульсы (рис. 6.13, к) поступают в усилитель-расширитель 9, который увеличивает их длительность, сохраняя амплитуду.'Расширенные импульсы через переключатель 10 поочередно поступают каждый нечетный такт на один из конденсаторов (интеграторов) 11 и каждый четный такт—надругой (рис. 6.13, л, м). Напряжение с конденсаторов 11 с помощью второго переключателя 12 поступает на вход II модулятора S, обеспечивая отрицательную обратную связь для его устойчивой и точной работы в большом динамическом диапазоне. Через сотни тактов в замкнутом контуре блоков в, 9, 10, 11, 12 отрабатывается установившийся режим и на конденсаторах И устанавливается напряжение ДС/, пропорциональное импульсному напряжению на кабеле в точке просмотра, т. е. соответствующее заданному временному сдвигу относительно зондирующего импульса (рис. 6.13, н). Разностное напряжение Д(7 измеряется прибором 13
203
(обычно магнитоэлектрическим миллиамперметром). Помехи при этом вычитаются, т. е. компенсируются. По мере того как оператор перемещает на входе // блока 6 ручку потенциометра, связанную с отградуированной в метрах шкалой, показание прибора 13 изменяется соответственно изменяющемуся импульсному напряжению на кабеле.
Точка шкалы потенциометра, в момент прохождения которой прибор 13 начинает давать резкое отклонение (фронт отраженного импульса), соответствует расстоянию до места повреждения. Поскольку заметное перемещение ручки потенциометра происходит небыстрее чем за секунду, то за это время проходят тысячи тактов (частота 10 кГц) и успевают установиться напряжения на конденсаторах 11, Поэтому показание прибора 13 устойчиво соответствует ординате импульса в данной точке линии.
Таким образом, оказывается осуществленным преобразование импульсных (мгновенных) напряжений в пропорциональные им постоянные. В приборе гораздо проще осуществляется повышение точности и разрешающей способности (расширение полосы частот), чем при обычном способе локации, так как широкая полоса частот требуется лишь во входной части прибора (до преобразования). В Р5-8 отсутствует ЭЛТ, в результате чего устройство становится в несколько раз дешевле, чем приборы аналогичного назначения, не имеющие преобразования импульсных сигналов. При необходимости иметь изображение ИХ используется прибор Р5-8/1, отличающийся от Р5-8 наличием приставки для записи ИХ на бумаге. Приставка вырабатывает относительно медленное линейно-изменяю-щееся напряжение, заменяющее напряжение от потенциометра на входе // блока 6, а прибор 13 выполняется регистрирующим. Сравнительные технические характеристики локатора Р5-8 (Р5-8/1) и прибора Tektronix (производство США) приведены в табл. 6.3.
При коротких зондирующих импульсах (2—5 нс) подключение прибора к концам разделки кабеля (0,7—1,5 м), находящимся в воздухе, вызывает почти полное отражение импульса от начала собственно кабеля. Возникают паразитные колебания, не позволяющие осуществлять ОМП [571. Положение существенно улучшается, если присоединение выполнять путем прокалывания изоляции, иглами непосредственно на входе кабеля (при этом иглы осуществляют контакт с жилами). Амплитуда проникающего в кабель импульса в этих условиях составляет около половины амплитуды зондирующего импульса напряжения, пара-204
Таблица 6.3
Техническая -характеристика	Тип прибора	
	Р5-8 (СССР)	Tektronix (США)
Максимальная дальность, м Относительная погрешность, % Минимальная длительность зондирующего импульса (характеризует разрешающую способность), нс Чувствительность, отн. ед. Масса, кг Температурный диапазон эксплуатации, °C	2000 ±1 2 10“8 5,5 —30 4- +50	1000 ±3 1,5 10"8 13 0 4- +50
зитные колебания уменьшаются в 12—15 раз, проведение ОМП оказывается возможным.
Импульсами длительностью меньше 2 нс можно зондировать кабели, имеющие специальные согласующие разъемы. Для силовых КЛ такие разъемы не разработаны. Нет и практической необходимости использования более коротких зондирующих импульсов.
Подавляющее большинство повреждений силовых КЛ имеет несимметричный характер. Обычные же неоднородности КЛ симметричны.
Как следует из теории распространения и отражения импульсных сигналов в симметричных линиях, рассмотренной в гл. 4, при несимметричных повреждениях отраженные импульсы на разных жилах (проводах) различны. От симметричных неоднородностей отраженные импульсы на жилах одинаковы. Это обстоятельство позволяет использовать сравнение отраженных импульсов на разных жилах при различных схемах подключения генератора и приемника импульсов для выявления МП. Наиболее совершенные современные неавтоматические локационные искатели для линий имеют специальную конструкцию входных устройств, позволяющую подключить к прибору сразу все три жилы (провода) и заземление. В процессе измерений вручную или автоматически осуществляются подключения генератора и приемника прибора к различным жилам или между жилами в различных комбинациях.
Сравнение ИХ может выполняться с помощью зарисовки или автоматически путем наложения изображений специальным коммутатором. Так, при однополюсном КЗ на жиле А и подключении генератора и приемника между 205
жилами В и С отраженных импульсов от места повреждения не будет. При включении же по схеме А—В или А—С будут одинаковые отраженные импульсы. Отметим, что по этим схемам четкость и точность ОМП для однополюсного КЗ или обрыва выше, чем для случая включения генератора и приемника по схеме «поврежденный провод А—земля».
Особенно эффективно выявление несимметричных повреждений с помощью «электрического вычитания». Эта операция осуществляется следующим образом. Генератор зондирующих импульсов включается по схеме «поврежденная жила — неповрежденная жила», приходящие одновременно по обеим жилам импульсы суммируются. Отражения от всех симметричных неоднородностей, имея разные полярности и одинаковую величину, компенсируются и не попадают на индикатор прибора. Это относится и к ответвлениям, и к концу КЛ. Отражения от несимметричного повреждения, неодинаковые на жилах, при этом четко фиксируются на индикаторе прибора. Такими устройствами снабжены, в частности, приборы Р5-10 (СССР) и FOG-211 (ГДР). При отсутствии автоматического переключения жил и «электрического вычитания» у используемых в электрических сетях приборов можно воспользоваться специальной приставкой, описанной в [58].
Приборы типов Р5-8 и Р5-9 с разрешающей способностью соответственно 0,2 и 1 м успешно используются для ОМП внутренних проводок, а также проводок и кабелей машин, механизмов, сооружений, кораблей, самолетов и т. п. Применяются они также для отыскания мест замыкания жилы на оболочку кабеля в сетях 127—380 В. Вследствие относительно больших переходных сопротивлений (см. гл. 2) другие методы и устройства в этом случае непригодны. С помощью искателей Р5-8 и Р5-9 удается четко фиксировать импульсы, отраженные от мест замыкания с переходным сопротивлением в несколько десятков ом.
Применяя локаторы типов Р5-5 и Р5-10 для определения мест устойчивых повреждений на ВЛ, необходимо серьезное внимание уделять вопросам техники безопасности. При этом используются решения двух видов.
1.	Зондирование ВЛ осуществляют радиоимпульсами через фильтр присоединения и конденсатор связи. В этом случае к серийным приборам изготавливают специальные приставки, состоящие из генератора радиоимпульсов и схемы управления им. Генератор напряжением от нескольких сотен вольт до 3 кВ работает синхронно с прибором Р5-5 (Р5-10), на экране которого фиксируются отраженные 206
импульсы. Такие приставки изготовляют, например, в Мосэнерго.
2.	Зондирование ВЛ осуществляют видеоимпульсами. В этом случае прибор может устанавливаться непосредственно на открытой подстанции и соединяться с ВЛ по схеме рис. 6.14, а. Однако при нормальной эксплуатации установка прибора на открытой подстанции не рекомендуется. Прибор следует размещать на щите управления и соединять его с открытым распредустройством кабелем.
Рис. 6.14. Схемы присоединения неавтоматических искателей к ВЛ на открытых подстанциях.
а и б — несимметричные схемы с расположением прибора на подстанции и на щите управления соответственно; в — симметричная схема с расположением прибора на щите управления; г — схема с использованием заградителя линии? 1 — линия; 2 — дроссель; 3 — прибор; 4 — конденсатор; 5 и 6 — разрядники; 7 — шинка; 8 — штанга; 9 •— заземляющий разъединитель; 10 — заградитель.
При этом вдоль ячеек открытой подстанции прокладывается специальная шинка 7 (рис. 6.14, б) или пара шинок (рис. 6.14, в). Изолированной штангой 8 можно соединять шинку с любой отключенной от высокого напряжения линией.
Наводимые на отключенной ВЛ потенциалы промышленной частоты и ее гармоник можно сделать безопасными для измерений, если использовать высокочастотный заградитель 10, соединяемый с прибором по схеме рис. 6.14, г.
6.4.	АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛОКАЦИОННЫЕ ИСКАТЕЛИ
Наибольшее внимание разработке и внедрению автоматических импульсных искателей в 50-е и начале 60-х годов уделялось в Японии. Это связано, в первую очередь, с особенностями электрических сетей этой страны: подав-207
Тип
Техническая характеристика
Ferranti (Великобритания)
Максимальная дальность, км
Собственное время измерений, мс
Мощность зондирующего импульса, кВт
Частота зондирования, Гц
Число одновременно обслуживаемых линий
Способ фиксации результата измерений
160
120
1,25
150—180
4
ЭЛТ с фотокамерой или поляроидной камерой
Примечание. Относительная погрешность (относится к диапазону кроме прибора ЛИДА, для которого она равна 2%.
ляющее большинство высоковольтных сетей (включая сети напряжением 275 кВ) работают в Японии с изолированной или компенсированной нейтралью.
Основным разработчиком и производителем автоматических искателей является фирма Toshiba.
Выпускались устройства как однократного, так и многократного зондирования, но без специальной обработки смеси «сигнал — помеха». В качестве системы индикаторов используются магнитная запись с последующим воспроизведением на осциллоскопе и ЭЛТ, снабженная фотокамерой для автоматической съемки с экрана. В частности, используется поляроидная камера, выдающая снимок через несколько минут. Технические данные лучших из известных искателей фирмы Toshiba приведены в табл. 6.4.
Мелкосерийное производство автоматических локационных искателей осуществляет английская фирма Ferranti Ltd.
В этих искателях заложен принцип многократного зондирования без специальной обработки смеси «сигнал— 208
Таблица 6.4
прибора
	Toshiba (Япония)		/• Р5*7 (СССР)	ЛИДА (СССР)
	однократного, зондирования	многократного зондирования		
<	200	200	200	300
	100	100	50—80	30
	10-15	Нет данных	7	25
	Одиночный импульс	1000—10 000	2000	3000
	4 *	4	6	5
	ЭЛТ с поляроидной камерой	ЭЛТ с поляроидной камерой, магнитный барабан	Скиатрон	Дискретный цифровой счетчик
««измерений расстояния) всех сравниваемых искателей составляет 1 — 1,5 %,-
помеха». Индикация выполнена на основе фотосъемки с экрана ЭЛТ с помощью поляроидной фотокамеры. Технические характеристики этих приборов также приведены в табл. 6.4.
В СССР теоретическими исследованиями и разработкой локационных автоматических искателей с 60-х годов занимается ВНИИЭ. Первый серийный отечественный автома-* тический локационный искатель типа Р5-7 начал выпускаться в 1968 г. [59].
Искатель Р5-7 имеет структурную схему, представленную на рис. 6.15. От общей структуры (рис. 6.1) она отличается конкретизацией ряда элементов.
Блок 1 разделен на блок управления 1а и блок входных цепей 16. Последний осуществляет по отношению к сигналам от каждой фазы следующие операции, являющиеся приближением к оптимальным: полосовую частотную фильтрацию от известных и случайных помех; выделение огибающих радиоимпульсов (детектирование); суммирование модулей огибающих от трех фаз.
Блок 5 представляёт собой функциональный усилитель, усиливающий поступающую от блока 16 сумму модулей огибающих приблизительно по экспоненциальному закону во времени, отсчитываемому
209
от момента посылки фронта зондирующего импульса. Управление коэффициентом усиления осуществляется пилообразным напряжением с выхода д блока синхронизации 2. От этого же блока запускается генератор зондирующих импульсов 3.
В выходной части блока 5 осуществляется еще одна операция —* ограничение поступающих напряжений до уровня, несколько превышающего максимальный отраженный полезный сигнал. Это выгодно осуществлять именно здесь, так как за счет характеристики усилителя 5
От контактов релейной защиты
Рис. 6.15. Структурная схема автоматического локационного искателя типа Р5-7.
амплитуда полезных отраженных сигналов не зависит от расстояния до МП.
Последняя операция над смесью сигнала с помехой — синхронное суммирование реализаций за п циклов зондирования — осуществляется в форме накопления яркости изображения на экране индикатора 4а блока измерений 4. Для этой цели используется скиатрон — ЭЛТ с записью «темной строкой». Одно из свойств экрана этой трубки, покрытого так называемым скотофо-ром, заключается в появлении темной линии по трассе пробега электронного луча. .Причем можно создать такой режим, что яркость изображения.будет примерно прямо пропорциональна количеству прочерчиваний одной и той же трассы луча. Иными словами, полезный сигнал тем ярче, чем больше раз (циклов зондирования) он повторен в одном и том же месте синхронной временной развертки. Случайные
импульсы помехи, попадающие в разные места развертки от цикла к циклу, практически не видны (бледные тонкие всплески за 1—2 с исчезают).
развертки записи и зависит от ско-
и
Число циклов зондирования роста развертки (диапазона дальности) и для отстройки от помех должно быть не менее 8 при дальности 200 км и 24 при дальности 70 км.
Кроме индикатора-скиатрона в блоке измерений имеются еще подблоки масштабных меток и усилителей вертикального и горизонтального электромагнитного управления лучом. На рис. 6.16 показаны временные диаграммы в различных точках структурной схемы рис. 6.15.
Искатель типа Р5-7 одновременно обслуживает шесть линий одной подстанции (18 проводов). При замыкации выходных контактов релейной защиты одной из линий блок управления 1 (рис. 6.15) подключает искатель к трем трактам системы присоединения этой линии (ВЧ кабель, фильтр присоединения — конденсатор связи), после этого искатель выдает серию из 8—24 зондирующих радиоимпульсов, вырабатывает масштабные метки, пилообразные токи развертки, высокое (20 кВ) импульсное напряжение питание анода скиатрона, обрабатывает принимаемую смесь «сигнал—помеха» и фиксирует на экране изображение посылаемого и отраженных импульсов вместе с масштабными метками. При этом за счет функционального усилителя 5 импульсt соответ
210
ствующий месту КЗ, всегда значительно больше импульсов, соответствующих неоднородностям, например транспозиции. Изображение на экране (скрытом от света) сохраняется более 8 ч. Необходимость в фотографировании отпадает, что является важным преимуществом по сравнению с зарубежными автоматическими локаторами.
Стирание изображения с экрана скиатрона осуществляется нагревом специальной проводящей пленки экрана в течение примерно 1 мин. При втором автоматическом цикле записи изображение фиксируется перевернутым.
пппппппп
;д---------------1 । । I । । । ।
iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiinm
l I _। L uL iJ , с
it —-------------------krhlivlJtThlr
Рис. 6.16. Временные диаграммы к структурной схеме искателя типа Р5-7.
Технические характеристики Р5-7 вместе с аналогичными данными других искателей представлены в табл. 6.4. Искатель Р5-7 снабжен блоком автоматического контроля исправности тракта циркуляции импульса. Периодически от часового механизма с контактом осуществляется запуск искателя и с помощью фотоумножителя, укрепленного над экраном скиатрона, фиксируется наличие (или отсутствие) импульса, отраженного от места транспозиции на обслуживаемой ВЛ. Отражение от конца ВЛ для контроля использовать нежелательно, так как коэффициент отражения в этом случае может сильно изменяться при изменении схемы подстанции или условий работы ВЧ каналов.
За десятилетие (1968—1977 гг.) накоплен положительный опыт эксплуатации искателей типа Р5-7 на нескольких десятках ВЛ. Вместе с тем выявились следующие недостатки этих устройств:
ухудшение четкости (расплывчатость) изображения
211
при высоком уровне помех от ВЧ каналов связи, устройств защиты и автоматики;
ограниченный (менее года) срок службы скиатронов. Кроме того, для расшифровки изображения на экране ЭЛТ требуется высокая квалификация персонала.
С 1972 г. в СССР начал эксплуатироваться опытный образец, а с 1977 г. налажено серийное производство автоматических искателей дискретного действия с интегральными накопителями типа ЛИДА.
Рис. 6.17. Упрощенная структурная схема- искателя типа ЛИДА.
Искатель типа ЛИДА (локационный искатель, дискретный, автоматический) наилучшим образом в современных условиях реализует близкую к оптимальной структуру приема импульсных сигналов с ВЛ. Упрощенная структурная схема этого устройства представлена на рис. 6.17, а характеризующие ее временные диаграммы — на рис. 6.18.
Блоки /—IX схемы производят следующие операции: / — формирование посылаемых в обслуживаемую линию зондирующих радиоимпульсов;
II — усиление отраженных импульсов по закону, обратному закону их затухания в линии (функциональное усиление);
212
Ill	— ограничение;
IV	— формирование опорных импульсов;
V	— формирование управляющих импульсов;
VI	— переключение . выхода усилительного тракта (после ограничения) поочередно на т независимых цепочек в соответствии с поступлением управляющих импульсов;
Рис. 6718. Временные диаграммы к структурной схеме искателя типа ЛИДА.
VI	1±—VI 1т — интегрирование (накопление) принимаемых напряжений;
V///	1—VIНт — сравнение проинтегрированных за п циклов зондирования напряжений с пороговым уровнем;
1Х±—1Хт — фиксацию превышения проинтегрированным напряжением порогового уровня.
Число т, на которое делится вся длина линии L, выбирается на основе требуемой точности измерений. Например, при точности 2 % т = 50. Тогда при L = 150 км соответствующий временной интервал = 2L/(mV(i)) « « 0,02 мс, а длина участка Ыт = 3 км.
213
При возникновении повреждения на линии выходные контакты селективной релейной защиты или пусковой орган через блок управления запускают формирователь опорных импульсов /V, который начинает генерацию последовательности коротких опорных импульсов с периодом TQ (рис. 6.18, поз. а). Из этих импульсов формируются управляющие импульсы от первого до (пг + 1)-го, следующие подряд п раз, и импульс, возникающий через (пг + 1) п импульсов с момента пуска и служащий для остановки блока IV (рис. 6.18, поз. б).
Импульсы 1, 2, ..., пг каждого из п циклов зондирования используются для управления поочередным подключением выхода блока 7/7 к соответствующим интегрирующим цепочкам VIIt— VI 1т на время То. Поочередное подключение этих цепочек иллюстрируется диаграммами на рис. 6.18 (поз. вь в2, ...» вт). Импульсы (пг + 1)-е, т. е. следующие с интервалами (пг + 1) TQ, запускают блок 1 формирования мощных зондирующих импульсов. Через интервал времени (пг + 1) /гТ0, т. е. после посылки в линию серии из п зондирующих импульсов, генерация опорных импульсов прекращается.
На каждую из интегрирующих цепочек VIIlt VI12, ... ..., VI 1т каждый цикл зондирования приходят сигналы, относящиеся только к определенному участку линии (так как только ему соответствует определенный временной интервал). Если повреждение находится, например, на втором (из общего числа пг) участке, то каждый цикл зондирования на интегратор VII2 будут приходить отраженные импульсы и за п циклов на нем накопится напряжение, график которого показан на рис. 6.18, поз. ж2> сравнение этого напряжения с пороговым уровнем (блок VIН2) приводит к срабатыванию индикатора 1Х2.
На другие интеграторы будут приходить лишь случайные импульсы помех, и накопленный на них сигнал в соответствии с вероятностными законами будет существенно ниже порогового уровня. Как бы велики ни были импульсы помехи (на рис. 6.18 помехи обозначены 77, зондирующий импульс 3, а отраженный — О), пройдя блоки 77 и III, они ограничиваются на уровне ненамного большем уровня отраженных импульсов. Следовательно, на интеграторах VII за п циклов импульсы помех накапливаются значительно меньше, чем полезные сигналы. На рис. 6.18 (поз. Ж1, ж2 и жт) показаны кривые накопленных напряжений в интеграторах от зондирующих импульсов, отраженных импульсов и помех соответственно.
214
Каждая из т ячеек работает независимо, и ее индикатор срабатывает при наличии в ней накопленного за п циклов зондирования сигнала, превышающего заранее установленную уставку. Эта система индикации № 1 при срабатывании искателя, запускаемого селективно от выходных контактов релейной защиты ВЛ, помимо МП показывает места резких неоднородностей линий, например транспозиции, переходы ВЛ через реки, конец линии. Для облегчения ориентировки дежурного персонала устройство снабжено еще одной системой индикации №2. В отличие от системы № 1, где каждая ячейка фиксируется независимо, в системе № 2 фиксируется ячейка, первая накопившая заданный уставкой сигнал, остальные в этот момент блокируются. Таким образом, индикация №2 фиксирует наибольший отраженный импульс, который в подавляющем большинстве случаев соответствует МП. Поскольку отражение от конца ВЛ часто близко по амплитуде отражению от МП, то соответствующая концу ВЛ ячейка индикации системы №2 отключается. Для участка вблизи конца ВЛ действует лишь индикация № 1.
Таким образом, независимая индикация №1 гарантирует от пропуска измерений, позволяет контролировать достоверность срабатывания искателя, так как фиксирует и МП, и характерные (по месту расположения) неоднородности для конкретной ВЛ. Облегчается и выбор уставки срабатывания, так как определенное занижение уставки (не ниже уровня, опасного по случайным помехам) не приводит к ложному измерению.
Вторая (зависимая) индикация облегчает ориентировку персонала при большом (три—пять) числе существенных неоднородностей на ВЛ. При повреждении, соответствующем месту неоднородностей (например, ячейка «повреждения» совпадает с ячейкой «транспозиции»), индикация №2 позволяет установить этот факт.
Функциональная схема устройства ЛИДА, приведенная на рис. 6.19, отражает все существенные элементы структуры рис. 6.17, но дополнена функциональными блоками, позволяющими более подробно пояснить работу искателя.
Генератор зондирующих радиоимпульсов 1 и преобразователь 2 постоянного напряжения 220 В аккумуляторной батареи в стабилизированные другие постоянные напряжения выполняют функции, соответствующие их наименованию.
Блок входных цепей 5, подключаемый к трем фазным проводам ВЛ через ВЧ кабели, фильтры присоединения и 215
конденсаторы связи, нормально отключен и кратковременно (0,04—0,08 с) подключается к данной ВЛ контактами (в разомкнутом состоянии их изоляция по отношению к земле и между собой рассчитана на 1,5 кВ) при срабатывании искателя, запускаемого релейной защитой этой ВЛ. Подключаться может любая из пяти обслуживаемых ВЛ. При этом жесткой программой обеспечено подключение соответствующих выбранной линии частотных фильтров,
Рис. 6.19. Функциональная схема устройства ЛИДА.
контактов диапазона дальности, потенциометров настройки значения импульсного сигнала'. Блок управления 4 состоит из командного устройства КУ, ключа Л, предварительного ПДЧ и основного ДЧ делителей частоты, счетчика числа накоплений СЧ и дешифратора Д. Функции блока управления соответствуют операциям «Пуск», «Стоп», а также вышеописанным операциям, выполняемым блоками IV, V и VI (рис. 6.17).
Синхронизацию работы всей схемы устройства обеспечивает тактовый генератор 5. В функциональный усилитель 6 поступает суммированный от трех фазных каналов продетектированный видеоимпульс (сумма модулей). Регулируемые элементы функционального усилителя также программно изменяются при автоматическом подключении к конкретной ВЛ.
216
В устройстве также имеется блок регулировки усиления 7, обеспечивающий стабилизацию уровня принимаемых сигналов. В устройстве ЛИДА образца 1977 г. эта регулировка полуавтоматическая, т. е. персонал периодически должен проводить подстройку по специальному индикатору. В модернизируемом в настоящее время устройстве выполняется автоматическая регулировка на основе стабилизации отражения от выбранной неоднородности (например, транспозиции).
Блоки 8 и 9 выполняют операции накопления и индикации. Эти блоки содержат 50 одинаковых цепочек (ключи К — накопители Н — элементы сравнения С) и индикаторные лампочки блока 9. Для обеспечения независимости уставок срабатывания от изменяющегося уровня помех используется узел формирования порогового уровня. Он содержит дополнительную цепочку (ключ К51 — накопитель HQ — усилитель У — формирователь 10), уровень напряжения на выходе которой автоматически меняет уставку срабатывания в зависимости от принимаемого с ВЛ напряжения в паузы между зондированиями, т. е. уровня шума;
Блок контроля 11 периодически (с интервалом в 12— 24 ч) от часового механизма включается блоком управления 4, обеспечивая проверку уровня отраженного импульса от заранее выбранной Неоднородности. При этом контролируется исправность не только функциональных элементов устройства, но и всего тракта циркуляции импульсов (фильтр присоединения, кабель связи, ВЧ кабель, заградитель и т. д.). При совпадении момента контроля с пуском искателя от релейной защиты последнему обеспечивается приоритет.
Искатели типа ЛИДА устанавливаются на ВЛ напряжением 330—1150 кВ. Они также могут использоваться на дальних Передачах постоянного тока. Диапазоны дальности равны 75, 150, 200 и 300 км. Перекрываемое затухание, компенсируемое функциональным усилителем, составляет 40 дБ. Кроме того, дополнительно обеспечивается независимое от времени перекрываемое затухание, равное 20 дБ. Технические характеристики искателя типа ЛИДА представлены в табл. 6.4, а рекомендации по его присоединению к ВЛ—в приложении 3.
6.5. ВОЛНОВЫЕ ИСКАТЕЛИ
В литературе [60—62 и др. ] описано значительное число разновидностей автоматических волновых искателей повреждений. Имеется опыт испытаний отдельных
217
образцов. Однако отсутствуют публикации об успешной длительной эксплуатации таких устройств, нет и их серийного производства. Причиной этого, по нашему мнению, являются их принципиально более низкая, чем у локационных устройств, вероятность правильной работы (см. гл. 5) и несравненно большая сложность наладки и эксплуатации. Дело в том, что необходимо согласование во времени срабатывания устройств с двух концов линии. Случайная помеха может запустить комплект устройства на одном конце ВЛ и не запустить на другом. Необходима также периодическая ресинхронизация обоих комплектов. При однократной фиксации временного параметра с погрешностью не более десятков микросекунд на двух концах ВЛ схема устройства усложняется и значительно ухудшаются надежность и достоверность его функционирования.
Для ВЛ обычной длины (до 300 км) автоматические локационные искатели имеют решающие преимущества перед автоматическими волновыми устройствами. Лишь для дальних и сверхдальних передач варианты ОМП с использованием автоматических волновых искателей представляют^ практический интерес. Поэтому здесь нецелесообразно останавливаться на автоматических волновых искателях. Неавтоматические волновые искатели используются достаточно широко и успешно.
Неавтоматические волновые искатели. Искатели этого типа впервые предложены и разработаны в СССР в начале 50-х годов [63] для определения места «заплывающего» пробоя высоковольтных КЛ. Некоторые области их дополнительного использования будут отмечены в конце параграфа.
Принцип действия этих искателей основан на методе «колебательного разряда». Если заряжать емкость какой-либо жилы силового кабеля от источника выпрямленного напряжения отрицательной полярности (рис. 6.20, а), то в момент пробоя в обе стороны от МП будут распространяться волны положительной полярности. От разомкнутого конца КЛ они отразятся с сохранением полярности, а дойдя вновь до места пробоя, отразятся с изменением полярности (рис. 1.5). Таким образом, по обе стороны от места пробоя происходит колебательный разряд. За счет активных потерь колебания затухают. При отсутствии активных потерь колебания были бы строго прямоугольными с периодом колебаний Т = Mlv, где I — расстояние от конца КЛ до места пробоя; v — скорость распространения фронта волны. Активные потери приводят к дефор-218
мации фронта. Анализ показывает, что период колебаний постепенно как бы удлиняется по сравнению с указанным выше соотношением. Поэтому измеряется только первый полупериод колебаний = 2//и, тогда искомое расстояние I = TiV/2.
Структурная схема прибора для таких измерений представлена на рис. 6.20, б. Относящиеся к ней эпюры напряжений показаны на рис. 6.20, в. Формирователь управляющих импульсов /, дифференцируя поступающее с линии на его вход квазипрямоугольное напряжение, образует два импульса, сдвинутых на временной интервал ти = тх.
Рис. 6.20. Функциональная схе* ма ОМП методом колебательного разряда и эпюры напряжений для этого метода.
а — схема испытания одной жилы кабеля постоянным напряжением и образования волн в момент пробоя; б — структурная схема измерительного устройства; в — эпюры напряжений; ВУ — выпрямительная установка; R — резистор; ж — жила кабеля; П — пуск; С — стоп.
Измерительный блок 2 преобразует этот временной интервал в пропорциональное ему напряжение (прибор ЭМКС-58М) или в число периодов эталонной частоты, укладывающихся в нем (FOG-311, производство ГДР, или Щ4120, СССР). Индикатором 3 служит высокоомный вольтметр (ЭМКС-58М) либо цифровой счетчик (FOG-311, Щ4120).
В устройстве имеется блокировка для исключения наложения замеров от последующих полупериодов колебаний. При наличии резких неоднородностей волнового сопротивления в КЛ на характерную кривую колебаний могут накладываться резкие выбросы напряжения. В результате в блоке 1 будет преждевременно сформирован второй импульс останова отсчета временного интервала. Для исключения этого предусмотрено изменение уровня чувствительности. Если показания прибора при разных уровнях близки друг к другу, фиксируется отсчет, относящийся к большей чувствительности. Если показания отличаются
219
значительно (10 % и более), отсчет производится по более грубому уровню.
К прибору придается высоковольтный емкостный делитель напряжения, состоящий из высоковольтных С1 и низковольтных С2 конденсаторов (рис. 6.21, а), В приборе ЭМКС-58М делитель рассчитан на напряжение пробоя изоляции 2—50 кВ, а в приборе Щ4120 — на напряжение 15—50 кВ. Искатель Щ4120 измеряет расстояние до МП кабеля в пределах от 40 до 40 000 м. Суммарная погрешность измерения А < (±30 м ± 0,025/). Можно использовать и антенное подсоединение прибора (рис. 6.21, б) без
Рис. 6.21. Схема подключения неавтоматического волнового искателя к поврежденному кабелю.
а и б — использование емкостных делителей и антенн; 1 — прибор; 2 — кабель; 3 — выпрямитель; 4 — провода-антенны; 5 — место повреждения; R резистор; С1—С2 — емкостный делитель.
непосредственного присоединения к токоведущим частям. Такое включение искателя удалось использовать при испытании кабельных сетей под нагрузкой [64]. На рабочее переменное напряжение сети 6/J/3 кВ накладывается постоянное (выпрямленное) напряжение до 24 кВ путем подключения источника выпрямленного напряжения к нулевой точке сети. Одновременно пульсирующим напряжением отрицательной полярности испытывается вся электрически связанная сеть. Если установить прибор ЭМКС (Щ4120) на полу трансформаторной подстанции и проложить вдоль токоведущих частей (на изоляционном расстоянии) два провода типа ПВЛ длиною 2—5 м, присоединенные к прибору согласно рис. 6.21, б, то он может измерить расстояние до места пробоя в\ последовательной цепочке КЛ. Надо только, чтобы подстанция, где он установлен, являлась конечной в цепочке кабелей, т. е. была местом разрыва цепочки. Прибор в момент пробоя сети 220
отсчитает расстояние от места своей установки до точки пробоя поврежденного кабеля в цепочке [64].
Неавтоматические волновые искатели можно также использовать и для незаплывающих пробоев. В этом случае прибор подключается к испытываемому кабелю до приложения повышенного напряжения. Если произойдет пробой, то на индикаторе прибора будет зафиксирован отсчет. Повторный подъем напряжения на изоляции КЛ при. незаплывающем пробое может уже не привести к срабатыванию прибора. Приборы рассмотренного типа нашли применение также для отыскания мест пробоя изоляторов на ВЛ электрифицированных железных дорог при испытаниях этих линий постоянным напряжением.
Часть третья
НИЗКОЧАСТОТНЫЕ МЕТОДЫ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТ ПОВРЕЖДЕНИЯ
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
МЕТОДЫ, ОСНОВАННЫЕ НА ИЗМЕРЕНИИ ПАРАМЕТРОВ АВАРИЙНОГО РЕЖИМА
7.1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
В линейной электрической цепи любой конфигурации токи в ветвях и напряжения в узлах определяются схемой соединений элементов (топологией), значениями ЭДС и сопротивлений ветвей. Изменение сопротивления какой-либо ветви, например КЗ части ее сопротивления, приводит в- общем случае к изменению токов и напряжений как в этой ветви и ограничивающих ее узлах, так и в остальной части схемы. Это означает, что по результатам измерений токов и напряжений (или их изменений) при возникновении КЗ возможно вычислить значение сопротивления ветви, на которой произошло КЗ. Если этой ветвью является линия электрической сети, то вычисленное значение сопротивления однозначно связано с длиной участка линии от ее начала до места КЗ. При этом сопротивления элементов электрической сети должны быть линейными, т. е. независимыми от протекающих по ним токов и приложенных к ним напряжений. Предположение о линейности сопротивлений элементов сети в режиме КЗ оказывается справедливым с достаточной для практических целей точностью.
Параметрами аварийного режима (ПАР) называются токи и напряжения или их составляющие, измеренные в период КЗ. Чаще всего в качестве ПАР используются токи и напряжения нулевой или обратной последовательности по концам поврежденной ВЛ.
Короткие замыкания в электрических сетях в большинстве случаев не являются чисто металлическими. Поэтому приходится (особенно при однополюсных КЗ) учитывать переходное сопротивление, которое заранее неизвестно. Кроме искомого расстояния до места повреждения имеется, 222
следовательно, еще неизвестное значение переходного сопротивления. Это означает, что для вычисления искомого расстояния требуется составление не менее двух уравнений.
Поскольку переходное сопротивление в месте повреждения многопроводной ВЛ может быть представлено квадратной матрицей, то и уравнения в общем случае являются матричными. В этих условиях измерение ПАР только с одного конца поврежденной ВЛ в большинстве случаев не является достаточным для ОМП с необходимой точностью. Поэтому методы и устройства ОМП, основанные на односторонних измерениях ПАР, получили существенно меньшее распространение, чем основанные на двусторонних измерениях.
Рис. 7.1. Структура операций для ОМП по параметрам аварийного режима.
/ —* хранение постоянной информации о параметрах ВЛ и электросети; // — получение оперативной информации о параметрах аварийного режима и номере режима сети; III — передача оперативной информации; IV —< вычисления.

Измерения ПАР могут быть осуществлены в значительно большем объеме и большем числе точек сети, чем это необходимо для разрешения уравнений относительно искомого расстояния Z. Получаемая избыточная информация о ПАР может быть использована для повышения достоверности и точности ОМП. Этой же задаче служит информация о постоянных поврежденной ВЛ и примыкающей к ней сети. Поэтому информационное обеспечение ОМП по параметрам аварийного режима представляет теоретический и практический интерес. Не менее существенное значение имеет математическое обеспечение, заключающееся в методах, алгоритмах и программах вычислений искомого расстояния I и его дисперсии на основе полученной информации. Структура операций для ОМП по ПАР представлена на рис. 7.1.
Вычисление расстояния до места повреждения I и необходимой зоны обхода линии ±AZ осуществляется на основе постоянной (редко меняющейся) информации о параметрах ВЛ и сети и оперативной информации о номере поврежденной ВЛ, номере режима сети и параметрах аварийного режима. Оперативная информация должна передаваться по каналам связи с ограниченным запаздыванием (рис. 7.1).
В настоящее время методы ОМП по ПАР используются для ВЛ в сетях с глухозаземленной нейтралью (напряже-
223
нием 110 кВ и выше) для всех видов КЗ в одной точке сети. В сетях с изолированной нейтралью или с компенсацией емкостных токов (напряжением 6—35 кВ) эти методы используются при междуфазных КЗ. Во всех случаях рассматриваются только повреждения, носящие «поперечный характер», т. е. включение сопротивлений (проводимостей) между проводами или на землю. При наличии во время измерений обрывов проводов однозначность результатов не обеспечивается.
Измерения ПАР производят в период наличия металлического или дугового КЗ на ВЛ. Этот период не превышает 0,1 с. Подавляющее большинство повреждений ВЛ в течение такого короткого начального интервала времени носит характер КЗ без обрыва. Лишь позднее в ряде случаев, например при падении опор или пережоге проводов, появляется обрыв цепи. При обрывах успешное АПВ бывает крайне редко (обрыв перемычек на анкерных опорах). Место устойчивого повреждения с обрывом проводов легко и точно определяется неавтоматическими локационными искателями. Поэтому использование ОМП по параметрам аварийного режима для однозначной фиксации места поперечного повреждения вполне обоснованно и подтверждено опытом эксплуатации.
Как информационное, так и математическое обеспечение задачи ОМП, несмотря на специфические особенности, не может рассматриваться в отрыве от других задач, решаемых персоналом электрических сетей. Определение места повреждения — это оперативная задача диспетчерских служб различного уровня. Вместе с другими оперативными задачами она решается автоматизированной системой диспетчерско-технологического управления (АСДТУ). Вычислительные средства и каналы передачи информации используются и эксплуатируются совместно с другими комплексами АСДТУ и должны удовлетворять совокупности общих требований к таким системам. Ниже рассматриваются лишь специфические особенности и требования для задачи ОМП.
7.2. ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
На рис. 7.2, а показана схема однородного участка р-проводной несимметричной линии длиною L, подключенной с обеих сторон к произвольному активному многополюснику. Пусть на расстоянии I от начала линии происходит КЗ, т. е. в общем случае подключается набор сопротивлений, отражаемых произвольной квадратной ма-224
трицей Zn порядка р. На основе теоремы об эквивалентном генераторе для вычисления тока в ответвлении КЗ (цепи с сопротивлением Zn), а также и в других цепях можно использовать наложение двух режимов [65]:
1) режима разомкнутой цепи (разрыва) ответвления КЗ (рис. 7.2, б), при котором вычисляется напряжение U в месте предстоящего подключения сопротивления Zn;
2) режима подключения к месту разрыва ЭДС Еп = = —U с внутренним сопротивлением Zn при закороченных (равных нулю) ЭДС всех остальных источников, т. е.
Рис. 7.2. Схема однородного участка р-проводной несимметричной линии, подключенной к активному многополюснику (а), и ее расчетные схемы (б, в, г).
превращении активного многополюсника А в пассивный П (рис. 7.2, в); подключение источника ЭДС можно заменить подключением источника тока (рис. 7.2, г).
Следовательно, при известном нормальном (доаварий-ном) режиме с напряжением U в некоторой точке электросети аварийные составляющие токов и напряжений мог\т вычисляться на основе подключения к этой точке источника напряжением U через сопротивление Zn. В ответвлении повреждения (КЗ) аварийная составляющая равна полному току In= I, а в остальных цепях полные токи определяются наложением (геометрическим суммированием) токов нормальной и аварийной составляющих. В общем случае токи на концах ВЛ определяются матричными уравнениями
I = Корм + 1П;	/7 п
г7 — г । г
1 — *норм Т
8 Г. М. Шалыт
225
где индексы (') и (") относятся к разным концам линии, а элементы столбцов матриц — комплексные величины.
Составляющие нормального режима не зависят от расположения МП (расстояния I) и переходных сопротивлений. Элементы матрицы U в реальных нормальных режимах электрических сетей меняются не более чем на ± (54-10) %. Аварийные же составляющие определяются именно местом и характером повреждения. Поэтому чем больше доля составляющих тока нормального режима в полном токе по концам ВЛ, тем меньше изменение полного тока в зависимости от расположения МП.
Для выбора ПАР желательно, следовательно, выполнить условия
I Л, норм I —	1
I норм I =	)
Наилучшие условия обеспечиваются, когда в ПАР составляющие нормального режима равны нулю.
Для трехфазных электрических сетей энергосистем условию (7.2) наилучшим образом удовлетворяют составляющие нулевой и обратной последовательностей. В нормальных режимах эти составляющие токов и напряжений достаточно малы (единицы процентов от составляющих прямой последовательности). Особенно эффективно использование нулевых составляющих в качестве ПАР:
где й0 и /о — нулевые составляющие напряжений и токов р-проводной ВЛ; {7ф>г- и /ф) г— напряжения и токи в i-x фазных проводах.
Для трехфазных сетей используются в качестве «нулевых» составляющие нулевой последовательности. Сумми* 226
рование проводится отдельно для каждой группы из трех проводов. Так, для двухцепной линии
0ф1
*7
_^фз _
йоп=4-П 1
О
ОфЪ
где U0l и Z7on — составляющие напряжений нулевой последовательности для линии (цепи) I (провода 1, 2 и 3) и для линии (цепи) II (провода 4, 5 и 6).
Соотношения для токов аналогичны.
Для нулевых модальных (см. гл. 4) составляющих двухцепной ВЛ согласно соотношениям (7.3) необходимо суммирование по всем шести проводам с получением одной модальной нулевой составляющей для двухцепной ВЛ в целом:
^ОМ ="б" (^ф! 4~ ^фЗ "1“ йфз 4* ^ф4 + ^ф5 4~ Z/фв) •
В общем случае произвольного расположения р проводов реальных ВЛ суммирование осуществляется для точных модальных составляющих по проводам, причем неодинаково для напряжений , и токов и для разных фаз. Но на промышленной частоте отличие в формулах (7.3) строки, состоящей из единиц, от точных элементов этой строки не более нескольких процентов. Поэтому соотношения . (7.3) пригодны с достаточно высоким приближением для любых реальных несимметричных ВЛ.
Нулевые модальные составляющие (полученные суммированием по всем проводам) обеспечивают большую точность ОМП, чем составляющие нулевой последовательности (раздельное суммирование по группам из трех проводов). Однако простота фильтров нулевой последовательности и сложившиеся традиции обусловили практическое использование именно составляющих нулевой последовательности в качестве наиболее распространенных ПАР. При повреждениях, не связанных с землей, эти составляю-
8*	227
щие не возникают. Поэтому приходится в качестве ПАР использовать составляющие обратной последовательности, которые возникают не только при повреждениях, связанных с землей, но и при изолированных от земли между-фазных КЗ (за исключением симметричных трехфазных повреждений). Однако составляющие обратной последовательности обеспечивают, при прочих равных условиях, меньшую точность ОМП. Это обусловлено следующим.
1.	Несимметрия реальных линий, принимаемых при использовании составляющих обратной последовательности симметричными, приводит к погрешностям ОМП даже для одноцепных ВЛ до 4—6 % против 1,5—2 % при использовании составляющих нулевой последовательности.
2.	Фильтры составляющих обратной последовательности существенно уступают фильтрам нулевой последовательности по практически достижимой точности фильтрации.
3.	Наличие составляющих обратной последовательности в токах асинхронных двигателей, подключенных в период длительного КЗ, затрудняет расчеты МП, приводя к дополнительным погрешностям.
Столбцовые матрицы фазных напряжений и токов можно привести к симметричным составляющим по следующим формулам:
где С70, и U2 — составляющие соответственно нулевой, прямой и обратной последовательностей для системы из трех фазных проводов А, В и С; здесь использовано обозначение проводов буквами вместо цифр в формулах (7.3); S33 и S331— прямая и обратная матрицы преобразования фазных координат в симметричные,
а = е/2л/з = cos 2л/3 + / sin 2л/3 = — 0,5 + /0,866; а2 = - 0,5 - /0,866.
228
Тогда
Uq —з" (^ф, а +	в + &ф, с)»
= у Фф, а + а&ф, в + а2^ф, с)»
й1 = ^Фф,А + а2йф,В + аиф.с)-
Ci. *
Аналогично для токов
4 в у (^ф, а + 4>. в + 1ф, с);
А = у Оф, а + а'^Ф,в + о24<с)>
4 — у (А[>, А + а24>. В + а4>> с)"
(7.5)
(7.5а)
Преобразование сопротивлений и проводимостей к симметричным составляющим для ВЛ может быть осуществлено по следующим формулам:
Z33 = S33ZS33; Узз = 8ззу5зз,
(7.6)
где z33 и Узз — диагональные матрицы удельных сопротивлений и проводимостей в симметричных координатах,
z33 —
Уо
Узз =
О О 4 о о 4 о о
У1 о О Уг
О
О
о
О
z и у — квадратные матрицы удельных сопротивлений и проводимостей в фазных координатах,
	Ai •	?12 •	^13 •	*	Уп •	#12 •	#13 •
Z —	?21	г22-	^23	; у ==	#21	#22	#23
	_ Z3I	Z32	Z33		#31	• #32	• #33 __
По главной диагонали этих матриц расположены собственные полные удельные сопротивления или проводимости проводов, а остальные элементы — взаимные сопротивления или проводимости. Всегда выполняется усло-229
вие симметрии г — zt) k; yk> t = yit k. Расчет элементов матриц z, у и z33, у33 рассмотрен в [67 ].
Например, для идеально симметричной трехпроводной ВЛ матрицу удельных сопротивлений можно представить в следующем виде:
*о zB3 zB3
^ВЗ .
2ВЗ 2ВЭ
2ВЗ
*0
По главной диагонали расположены одинаковые собственные сопротивления гс, остальные элементы — одинаковые взаимные сопротивления zB3. В соответствии с соотношением (7.6) для такой ВЛ легко получить:
z33 —
z0 О
О
вз
О О
ZCZB3 О
О zc — zB3
О
О
т. е.
*0 = *с + 2zB3;	= z2 = zc — zB3.
Рис. 7.3. Структурная схема фиксирующего прибора.
случае снижает точность однозначности результатов
Таким образом, информацией для ОМП являются ПАР — составляющие нулевой и обратной последовательностей токов и напряжений во время КЗ, а также сопротивления и проводимости элементов сети для этих составляющих. Параметры аварийного режима измеряются и запоминаются с помощью фиксирующих приборов (ФП). Эти приборы измеряют модули составляющих нулевой или обратной последовательности токов и напряжений, что в общем ОМП и создает условия не-по сравнению с измерением
векторов. Однако для измерения векторов требуется различать по фазе токи и напряжения на разных концах ВЛ. Это весьма усложняет измерительную аппаратуру. Поэтому измерения векторов не нашли практического применения для ОМП ВЛ. Как показали исследования и опыт эксплуатации измерение модулей позволяет обеспечить практически приемлемую точность ОМП в современных условиях.
Структурная схема ФП представлена на рис. 7.3. При измерении составляющих нулевой последовательности 230
фильтры этих составляющих реализуются соответствующим соединением вторичных обмоток измерительных трансформаторов тока или напряжения [2]. При измерении составляющих обратной последовательности после измерительных трансформаторов включаются специальные фильтры [66]. С выхода фильтров на вход ФП подается непрерывно измеряемая синусоидально изменяю,-щаяся величина (например, /0). Во входном блоке 1 осуществляются нормализация по уровню, выпрямление и сглаживание пульсаций измеряемого тока (напряжения).
При возникновении КЗ резко возрастает уровень измеряемой переменной, например /0, так как в нормальном режиме ток /0 равен только току небаланса трех трансформаторов тока. Возникает сигнал пуска (П на рис. 7.3), обеспечивающий начало работы блока управления 2. С заранее установленной калиброванной задержкой 40—60 мс из блока 2 поступает сигнал Н, разрешающий начало процесса запоминания измеряемого ПАР в блоке запоминания 3 (иногда его называют блоком кратковременной памяти). Запоминание осуществляется также в строго заданный интервал времени (30—40 мс), который должен обязательно закончиться до автоматического отключения высоковольтного выключателя ВЛ релейной защитой. На окончание запоминания из блока 2 в блок 3 поступает сигнал Д’. После этого из блока 2 подается сигнал С в блок считывания 4 (его называют также блоком долговременной памяти) для считывания значения запомненного ПАР (например, тока /0). Затем блок 3 переводится в исходное состояние сигналом . возврата В.
В современных приборах запоминание осуществляется путем фиксации заряда конденсатора определенной емкости, а считывание — с выхода аналого-цифрового преобразователя. Индикатор прибора показывает цифру, однозначно связанную с измеряемым ПАР. В приборах типа ЛИФП на индикаторе фиксируется непосредственно ток (в амперах) или напряжение (в вольтах). При использовании приборов типов ФИП-1 и ФИП-2 применяются графики перевода показаний в измеряемые ПАР.
Приборы, измеряющие ПАР, пригодны для селективных и неселективных измерений. В первом случае после окончания процесса измерения и запоминания в блоке 3 долговременное запоминание в блоке 4 сохраняется только при срабатывании селективной релейной защиты ВЛ, на концах которой установлены данные ФП. Если такая защита не сработала, то фиксации ПАР не происходит и прибор возвращается в исходное состояние. При неселек-
231
тивных измерениях ФП осуществляют долговременное запоминание независимо от срабатывания релейной защиты данной ВЛ. Фиксируются показания приборов не только на поврежденной, но и на совокупности неповрежденных ВЛ, Количество сработавших ФП определяется током и напряжением КЗ, удаленностью места измерения от МП и чувствительностью пуска приборов.
Показания ФП на соседних с поврежденной, а также и более удаленных ВЛ представляют дополнительную информацию для ОМП. Ценность этой информации в общем случае уменьшается по мере удаления (в смысле снижения чувствительности к перемещению точки КЗ) от поврежденной ВЛ. Поэтому ПАР по концам поврежденной ВЛ называют главными, а по концам соседних ВЛ — дополнительными. Учет дополнительных ПАР со своим «весом» позволяет повысить достоверность и точность ОМП. «Вес» определяется ожидаемой относительной погрешностью данного измерения при КЗ на той или иной ВЛ.
При селективных измерениях максимальное число измеренных ПАР не превышает шести (например, /0, UQ и U2 на каждом конце поврежденной ВЛ). В настоящее время чаще всего измеряются UQ и /0 на обоих концах ВЛ. При неселективных измерениях (нередко применяют термин «неселективный пуск») число измеряемых ПАР существенно больше. В этих условиях возникает проблема установления принадлежности зафиксированного результата к тому или иному случаю повреждения. В самом деле, при неселективном пуске и пропуске считывания показания и восстановлении прибора в исходное состояние после первого КЗ до возникновения следующего КЗ в электросети оказывается неизвестным, к какому повреждению относится замер. Поэтому в настоящее время наибольшее распространение получили селективные измерения ПАР.
Однако более эффективным является автоматизированные передача и сбор информации от всех сработавших в электросети ФП в короткий интервал времени (десяток секунд) с ее централизованным отображением диспетчеру и автоматическим вводом в ЭВМ. Такая система уже начала внедряться в СССР [67]. Чтобы обеспечить возможность телепередачи показаний ФП любого типа, между ФП и устройством телемеханики на подстанции устанавливается специальное согласующее устройство. Для телепередачи используются каналы ТС. Группа каналов ТС выделяется для передачи показаний ФП на некоторое время. Основное время по этой группе передаются телесигналы различных электросетевых комплексов, а при 232
срабатывании ФП в период КЗ эта группа временно переключается на передачу информации от ФП.
Чтобы на приемном конце в диспетчерском пункте можно было опознать, какому ФП принадлежит передаваемая величина, каждому ФП на подстанции присваивается свой номер, который передается перед передачей показания. В энергосистемах количество ФП достигает нескольких сотен. Поэтому система отображения информации выполняется так, чтобы на одном и том же индикаторном устройстве (дисплее) отображалась информация от всех ФП.
Во ВНИИЭ разработана система отображения телеинформации СОТ-4Р, которая работает с мини-ЭВМ типа ЕС-1010. Информация о ПАР, кроме отображения диспетчеру, может при наличии соответствующих технических и математических средств автоматически вводиться в универсальную ЭВМ, выполняющую вычисления искомого расстояния. Для этих вычислений необходимы также оперативная информация о номере режима сети, отражающая существенные изменения схемы сети, влияющие на распределение токов КЗ, а также сообщение о номере поврежденной ВЛ. Остальная информация — удельные постоянные и длины ВЛ, электрическая схема сети и постоянные ее сосредоточенных элементов (трансформаторов, реакторов ит. п.) — хранится в долговременной (неоперативной) памяти ЭВМ вместе с программой вычислений.
Постоянные ВЛ вычисляются на ЭВМ по отдельной программе, исходной информацией для которой служат архивы (банки) данных о марках проводов, типах опор и проводимостях земли на трассах линий энергосистемы. Если автоматической передачи показаний ФП в энергосистеме нет, то после КЗ персонал, считывающий эти показания, передает их по телефону на диспетчерский пункт. Далее осуществляются ввод оперативной информации в ЭВМ и запуск вычислительной программы.
7.3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Вычисление расстояния до места КЗ наиболее эффективно выполнять с помощью ЭВМ. Однако в настоящее время еще используются и гак называемые расчеты вручную — с помощью графиков, номограмм или аналитических формул. Поэтому целесообразно сначала рассмотреть вычисления с помощью ЭВМ для самых общих условий без ограничений на сложность ВЛ и примыкающей к ней электросети [67], а затем остановиться на некоторых част
233
ных случаях, в которых можно использовать вычисления вручную. Эти частные случаи представляют интерес не столько для практических рекомендаций, так как наблюдается четкая тенденция к полной автоматизации расчетов, сколько для более глубокого понимания вычислительных алгоритмов.
Для вычисления расстояния до места КЗ на поврежденной ВЛ, присоединенной к произвольной схеме сети, необходимо решить относительно этого расстояния I систему матричных дифференциальных уравнений
-4u=zr-)
; <7-7>
-41=уи>
где U и I — столбцовые матрицы напряжений и токов нулевой последовательности в произвольной точке, соответствующей расстоянию Z; z и у — квадратные матрицы удельных продольных сопротивлений и поперечных проводимостей нулевой последовательности этой линии.
Диагональные элементы указанных матриц — собственные сопротивления (проводимости) нулевой последовательности каждой цепи, составленной из трех проводов
с учетом влияния грозозащитных тросов, а остальные элементы — взаимные сопротивления (проводимости) между цепями. Для схем замещения обратной последовательности взаимные сопротивления и проводимости между цепями отсутствуют. Поэтому дальнейшее изложение будем вести для схем замещения нулевой последовательности, имея в виду пригодность приводимых соотношений, и для схем замещения обратной последовательности (более простой частный случай).
Решение уравнений (7.7) должно удовлетворять следующим граничным условиям:
I (Z, + AZ) = I (Zf - AZ) + YjU (Zf);
U = UH и I = - IH при I = 0;
U =: UK И. I = IK При I = Lf
(7.8)
где Yf — проводимость ответвления от ВЛ (трансформатора с заземленной нейтралью) в i-й дискретной точке линии на расстоянии lt от ее начала; L — полная длина ВЛ; UH, UK и 1н, 1к — матрицы напряжений и токов нулевой последовательности для начал и концов линий; AZ — шаг изменения длины ВЛ при расчетах (зависит от ожидаемых погрешностей).
234
В любом сколь угодно сложном случае соотношений (7.7) и (7.8) необходимо и достаточно для вычисления расстояния I до МП. Решение задачи (7.7), (7.8) всегда можно осуществить численными методами на ЭВМ, если ввести в нее параметры аварийного режима (IH, UH, IK, UK) и сведения о линии (z, у, L, Zz и Yx). Дополнительно можно использовать систему уравнений, связывающую ПАР по концам ВЛ через эквивалентные постоянные схемы замещения нулевой последовательности сети, приведенные к концам ВЛ:
UK = MUy;
1У = NIK;
ly = YcUy,
(7.9)
где UK и IK — напряжения и токи для начал и концов (для общности не различаются начала и концы линии, а ставятся просто номера концов); Uy и 1у — напряжения и токи в узлах эквивалентной схемы замещения, к которым подходят концы ВЛ; М и N — матрицы, описывающие связи концов ВЛ с узлами схемы замещения сети; Yc — матрица проводимостей эквивалентной схемы замещения сети, приведенной к узлу.
Если измеряются линейные комбинации ПАР, например суммы или разности токов нулевой последовательности двухцепных ВЛ, то записываются, например, такие соотношения:
^2, i, j == Л + Л»	(7. 10)
где i и j — номера цепей.
Для концов ВЛ без ответвлений при пренебрежении реактивной проводимостью
Iii = -ha,	(7.И)
где I и II — номера концов Z-й линии.
При учете проводимости соотношение (7.11) становится приближенным.
Из системы уравнений (7.9) следует исключить Uy и 1У, тогда останется одно матричное уравнение, связывающее UK и 1к.
Добавив к нему уравнения вида (7.10) и (7.11), можно получить систему уравнений
FH = 0,	(7Л2)
235
где F — матрица постоянных величин, характеризующих
электросеть;
— матрица напряжений и токов
нулевой последовательности по концам ВЛ.
Система уравнений (7.12) не зависит от места КЗ, т. е. справедлива для всех случаев аварийных режимов. Добавление к системе уравнений (7.7) с граничными условиями (7.8) еще системы уравнений (7.12) обеспечивает
дополнительные важные возможности: вычисление расстояния I др места КЗ при измерении не всех токов и напряжений по концам ВЛ. Недостающие ПАР можно вычислить из системы уравнений (7.12). Если же количество ПАР больше минимально необходимого, то избыточность
(переопределенность) можно использовать для проверки достоверности замеров и исключения грубых ошибок (промахов). Такие промахи, как показывает опыт эксплуатации, возникают при повреждении ФП, снятии их показаний персоналом, передаче значений ПАР по телефону.
Существенно реже возникают грубые ошибки при автоматической передаче информации, но с их вероятностью необходимо считаться.
При отсутствии промахов переопределенность системы уравнений можно использовать для повышения точности ОМП путем вычисления наиболее вероятных значений (оценок) ПАР. Проверка достоверности ПАР осуществляется на основе соотношений вида
| А - Аи | < 3 V ДА2 + ДА2,	(7.13)
где А и Аи — вычисляемый и измеряемый ПАР; ДА и ДАИ — ожидаемые погрешности величин А и Аи.
Если ДАИ определяется погрешностями измерений, то ДА вычисляется путем дифференцирования матричного уравнения
А = — D'4iE,	(7.12а)
представляющего собою иную форму записи системы (7.12). От (7.12) к (7.12а) можно перейти, если обозначить
F = [BDJ; Н = Щ
и выделить А из системы [BD].[aJ=O, где Е — набор независимых ПАР; А — набор зависимых (вычисленных) ПАР.
Если соотношение вида (7.13) не выполняется, то какой-то из параметров столбца Е либо параметр А задан с грубой ошибкой. Последовательная проверка соотношений вида (7.13) при разных наборах Е позволяет сформули-236
ровать наборы параметров, по которым можно судить, достоверно ли измеренное значение ПАР или сомнительно (т. е. может быть и достоверно и недостоверно).
Для вывода о достоверности, например, параметра Ek из столбца Е необходимо выполнение соотношения
2D7.\BGtE4>3a,	(7.14)
I
где о — среднеквадратическое отклонение.
Измеренный ПАР признается достоверным, если он удовлетворил необходимым условиям хотя бы при одной проверке. Признак недостоверности^ присваивается параметру, являющемуся общим для всего множества «сомнительных» параметров, т. е. ни разу не оказавшемуся достоверным.
Параметр Hj оценивается также на основе системы уравнений (7.12) через вычисленные (расчетные) значения Hyj't и измеренные значения Hf.
Hj = а1^р, J1 + а2^р, J2 + • • • + j, г
Коэффициенты зависят от погрешностей расчетных значений параметров H^i и вычисляются путем решения системы из (г— 1)-го уравнения, получаемого путем образования дисперсий от величин и их минимизации.
В общем случае расстояние до места повреждения I целесообразно вычислять итерационным методом [67]. Сущность его заключается в последовательных расчетах токов и напряжений КЗ при перемещении точки КЗ вдоль линии (сканировании) и сравнении вычисленных (расчетных) ПАР с измеренными. Место КЗ находится в точке, где расчетные параметры наиболее близко соответствуют измеренным. В качестве критерия близости множества расчетных ПАР к множеству измеренных используется функция
п п
Ф(0 = 2 2	(7.15)
1=1 /=1
где Hi, Hj и f, HPij — измеренные и рассчитанные параметры; i = 1, 2, 3, ..., и; / = 1, 2, 3, ..., и.
Коэффициенты az>; определяются в зависимости от точности как измеренных, так и расчетных ПАР и отражают «весовые» доли различных слагаемых функции Ф (О-
Поскольку ПАР это не векторы, а модули составляющих нулевой (обратной) последовательности, то место КЗ в точке /, где функция ф (/) имеет глобальный минимум
237
(самое меньшее значение, выявленное после сканирования вдоль всей поврежденной ВЛ). Вычисляется также (обычно численным дифференцированием) ожидаемая погрешность ±AZ, определяющая необходимую зону обхода линии при поиске места КЗ на ее трассе.
Для оперативной работы по ОМП важное значение имеют удобства подготовки и ввода данных в ЭВМ. Задача решается на основе использования комплекса программ, включающего справочники по конструкции ВЛ и характеристикам ФП, архив постоянных ВЛ с обслуживающими программами, архив описания линий (длины, ответвления и т. п.) с обслуживающими подпрограммами, программу расчета параметров ВЛ на промышленной частоте, программу собственно ОМП, состоящую из подпрограмм! проверки достоверности введенных в ЭВМ ПАР; построения оценок достоверных ПАР; расчета расстояния до места КЗ и оценки погрешности (зоны обхода ВЛ).
Первый такой комплекс был реализован Б. В. Борозин-цом, И. И. Разиной и Р. М. Шустеф во ВНИИЭ. Комплекс внедрен во многих энергосистемах и энергообъединениях СССР.
Для рассмотрения некоторых особенностей и частных случаев решения задачи ОМП обратимся вновь к системе матричных дифференциальных уравнений (7.7). Решение этой системы уравнений удобно произвести путем преобразования напряжений и токов нулевой последовательности q линий (трехфазных параллельных цепей) к модальным составляющим совокупности линий. При рассмотрении будем использовать индексы «м», «ц», подчеркивая, что выполняется преобразование составляющих нулевой последовательности отдельных цепей в модальные составляющие для всей совокупности параллельных цепей. Преобразование осуществляется на основе следующих соотношений:
Пм> ц = SMr UU; 1М, ц = St м, J;
Ц2У$М, Ц Sf, М, цУ^Г^М, Ц = Ум, ц,
где SM, ц и S/>M,u — прямая и транспонированная квадратные матрицы преобразования порядка q\ ум, ц— матричный коэффициент распространения модальных составляющих (диагональная матрица),
(7.16)
Yim, ц О	О
О	?2М, Ц	О
. . • *
О ' о
Уд. м, Ц
238
При напряжении в начале линии UH = U/=o решение уравнений (7.7) для текущей координаты I в бесконечной, т. е. идеально согласованной системе цепей, имеет вид»
UM,. ц = e'Vn'Ss* цин
(7.17)
Для поперечного повреждения на расстоянии I от начала однородной группы цепей длиною L (рис. 7.4) справедливы следующие матричные соотношения в модальных координатах (индексы «м», «ц» опускаем) для правого и левого 2 (д + 1)-полюсников:
Г = ch yZIi + sh y/Z^Un;
U' = sh yZZBI^ + ch yZUn;
Г = ch у (L — /) In + sh у (L — Z) Z;’Un;
IT = sh у (L — /) ZBIn + ch у (L - I) Un,
где U', I' и U", I" — столбцовые матрицы напряжений и токов в начале и конце группы из q параллельных цепей; 1„, Г„ и Un — столбцовые матрицы токов с двух сторон от места подключения ответвления КЗ (подключения квадратной матрицы проводимостей Yn) и напряжения в этом месте; ZB — квадратная матрица волновых сопротивлений.
Матричные уравнения (7.18), состоящие в модальных координатах только из
Рис. 7.4. Схема группы цепей нулевой последовательности о повреждением в одной цепи.
диагональных элементов, распадаются на 4g отдельных уравнений для каждой одноименной строки матриц, т. е. для каждой модальной составляющей группы цепей.
Для любой f-й составляющей справедливы уравнения
^ = /Gn = ch^/ + S^sh yj;
Zb, i
U'i = i’i. nZBi i sh YiZ + Uit n ch y(Z;
i'i = n ch yz (L -1) + sh yz (L - Z);
Zb, i
ifi = nZBj i sh yz (L — Z) -J- Uit „ ch y’z (L - Z).
(7.18)
(7.18a)
239
Совместное решение уравнений (7.18а) с исключением трех неизвестных I't, п, 1"(, п и Ui, п приводит к следующей формуле:
(7.19
„ U'i + f'iZ- .shiiL — iTi&iiL kz Afth » 1 t в,»	«_____i ч
hZB , + l’-ZB , ch-y.L - ITsh yL '
По одинаковым формулам вида (7.19) для любой (I = 1, 2, ..., q) модальной составляющей группы параллельных цепей можно определить искомое.расстояние I при поперечном повреждении любой цепи. В частности, может использоваться нулевая модальная составляющая для составляющих нулевой последовательности всех цепей, т. е. фактически для геометрической суммы токов всех проводов всей совокупности цепей.
На основе преобразования (7.16) и уравнений типа (7.18) можно обеспечить алгебраическое представление слагаемых уравнений (7.7) с граничными условиями (7.8) для любых конфигураций сколь угодно сложных схем замещения нулевой (обратной) последовательности электрических сетей. Программы же решения систем алгебраических уравнений.на ЭВМ хорошо разработаны. В относительно ’ простых частных случаях нет необходимости использовать для определения искомого расстояния итерационные методы. Вычисления могут осуществляться либо путем программирования аналитических формул, либо по заранее составленным графикам и номограммам.
Приведем две практически важные аналитические формулы.
Для одиночной однородной трехпроводной ВЛ длиною L при пренебрежении активными потерями и измерении с двух концов модулей напряжений (U', U”) и токов (/', /") нулевой (обратной) последовательности расстояние I до места однополюсного или двухфазного КЗ на Землю определяется по формуле
U“ cos yL + J,fZB sin yL - U' ~~ у агс I'ZB + r'ZB cos yL — U" sin yL
Если же пренебречь распределенной реактивной проводимостью (что допустимо при L < 120-7-200 км), то
U" — U’ + L'xL “	(1'+Г)х	’
где х — удельное индуктивное сопротивление токам нулевой (обратной) последовательности;
Для одиночной ВЛ, не имеющей обходных связей в схеме замещения нулевой последовательности (рис. 7.5), 240
достоверность ПАР, замеренных ФП, может быть осуществлена на основе следующих соотношений, не зависящих от места КЗ:
(/' = XU'; u“=x"zi\
Если одно, например первое, из этих соотношений нарушено, то показание Г или 17' недостоверно. При наличии обходных связей появляется количественная зависимость между всеми четырьмя показаниями, и
Рис. 7.5. Схема замещения нулевой последовательности для одиночной ВЛ без обходных связей.
недостоверный замер может быть указан однозначно, если остальные три замера достоверные. В случае одиночной ВЛ для вычисления расстояния I необходимо и достаточно двух ПАР, например Г и надо только знать эквивалентные постоянные примыкающих сетей. Измерение трех или четырех ПАР создает избыточность информации, обеспечивающую повышение достоверности и точности ОМП.
7.4. ОДНОСТОРОННИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Получение показаний ФП с двух концов ВЛ (или большего числа точек сети) требует либо организации автоматических каналов передачи информации, либо возложения этой задачи на оперативный персонал электросистем в наиболее напряженный период после аварийного отключения ВЛ. Поэтому одностороннее ОМП, не нуждающееся в передаче информации и позволяющее непосредственно фиксировать искомое расстояние в километрах, представляет практический интерес.
Недостатком одностороннего ОМП является меньшая достижимая точность по сравнению с двусторонними замерами. Влияние переходного сопротивления, особенно при однополюсных КЗ, на результат измерения при односторонних измерениях снизить значительно сложнее, чем при двусторонних. Переходное сопротивление в случае однополюсных КЗ на ВЛ с металлическими и железобетонными опорами составляет при перекрытиях на тело опоры от единиц до 30—40 Ом и при перекрытиях в пролетах (на
241
подрастающие деревья и проезжающие механизмы) может превышать 100 Ом. Для ВЛ с деревянными опорами переходные сопротивления при однополюсных КЗ, составляю
щие несколько десятков и сотен ом, имеют место и при пробоях изоляции на тело опоры. Поэтому главной характеристикой методов одностороннего ОМП является сте
пень учета влияния переходного сопротивления в места КЗ
Расчетные методы
Дистан-* ционные измерители расстоянии
на результат измерения.
Классификация методов одностороннего ОМП приведена на рис. 7.6. В ее основу положены параметры аварийного режима, измеряемые при различных методах. Наряду с используемыми для двустороннего ОМП составляющими нулевой и обратной последовательностей
Рис. 7.6. Классификация методов одностороннего ОМП.
<pj2 — угол между напряжениями прямой и обратной последовательностей повреж
денной фазы; I и — сумма и разность
токов нулевой последовательности двух параллельных линий; ^мф и ^мф“Раз' ность напряжений и разность токов поврежденных фаз; Ф' — угол между С7ф и /q.
измеряются фазные токи и напряжения, и фазовые углы, а также мгновенные значения отдельных переменных величин.
В ряде энергосистем СССР и США место КЗ на землю определяется по данным измерений абсолютного значения (модуля) тока (/о) или напряжения (Uq) нулевой последовательности на одном конце линии. Вычисления расстояния I производятся по кривым спада токов нулевой последовательности при перемещении точки КЗ вдоль линии, составленным отдельно для одно- и двухфазных металлических замыканий на землю. Переходное сопротивление в месте КЗ не учитывается. Для разных режимов примыкающей к ВЛ сети необходимо построить соответствующие кривые спада токов.
При большом числе (более двух-трех) характерных режимов работы, влияющих на ток /о, данный способ практически нецелесообразен. Неприменим он и для ВЛ с деревянными опорами, где обычно велики переходные сопротивления, и на относительно длинных ВЛ, где крутизна спада тока вдоль ВЛ становится незначительной. 242
При использовании ЭВМ в случае признания недостоверными всех ПАР, кроме одного (/о или Uq), информация о кривых спада представляет единственную возможность выдачи расстояния /, хотя и с достаточно большой погрешностью, т. е. значительной рекомендуемой зоной обхода ВЛ.
Способ ОМП, основанный на одностороннем определении отношения
е = 7£/7£ = Т/оХ'да^о), пригоден только для ВЛ без обходных связей и не связанных взаимоиндукцией с остальной электросетью (здесь Хс2 и Хсо — сопротивления обратной и нулевой последовательностей примыкающей сети со стороны точки измерения). Расчетная формула учитывает только индуктивные сопротивления ВЛ и трансформаторов.
Если известны сопротивления примыкающей сети с противоположного от места измерения конца линии, т. е. Хс2 и Хсо, то относительное расстояние до места КЗ
< __ I _ -J Хт2ХсО — 8ХтоХс2
* т ~ - 8хтохЛ2 - Хл0ХТ2 ’
где Хло = XgL’ ХЛ2 = X2L’ Хт0 = Хл0 4“ Хсо 4“ Хсо, хт2 = хл2 + х;2 + х;2.
Основным недостатком этого способа является трудность достаточно точного учета сопротивления Хс2, которое в отличие от Хсо зависит от нагрузки системы и числа работающих генераторов.
Измерение отношения е как отдельный самостоятельный способ ОМП применяется редко. Как дополнительный способ к использованию других ПАР при ОМП фиксирование значения е целесообразно.
Для сетей с изолированной нейтралью 6—35 кВ расстояние до места двухфазного КЗ рассчитывают по формуле
/ = ^Ф-2Г/'
где С7ф — среднее эксплуатационное значение фазного напряжения сети; = х2 — удельное индуктивное сопротивление прямой (обратной) последовательности ВЛ.
На точность результатов существенное влияние оказывает нагрузка сети [68]: погрешности могут составлять десятки процентов. Поэтому применяются специальные меры для ориентировочного учета нагрузки. В частности, строятся специальные поправочные графики [68].
243
Наибольший практический интерес вызывают односторонние измерительные приборы, автоматически фиксирующие ПАР и выдающие расстояние I в единицах длины. Фирма Siemens, ФРГ, с 1959 г. выпускает прибор для определения расстояния до места двухфазного КЗ по данным измерения полного сопротивления петли КЗ. Междуфазное напряжение и ток двухфазного КЗ, выбранные отдельным избирателем поврежденных фаз, запоминаются в виде зарядов конденсаторов. Далее осуществляется преобразование этих зарядов в пропорциональную йх отношению величину |Z2|, характеризующую петлю КЗ. С 1982 г. в СССР начат серийный выпуск фиксирующих индикаторов сопротивления типа ФИС [69]. Прибор снабжен собственным избирателем поврежденной фазы при однополюсном КЗ и двух поврежденных фаз при между-фазных КЗ. Действие избирателя для однополюсного КЗ основано на выделении фазы с минимальным напряжением, а для двухполюсных КЗ — на выделении минимального междуфазного напряжения и максимальной геометрической разности фазных токов.
При однополюсном КЗ в приборе запоминаются две величины:
1) компенсированный фазный ток
|/к | = |/ф + Щ
где /ф — ток поврежденной фазы ВЛ со стороны измерений; — ток нулевой последовательности ВЛ с той же стороны; k =	z0 и Zi — удельные продольные
сопротивления линии соответственно нулевой и прямой последовательности;
2) реактивная составляющая напряжения поврежденной фазы
|С/Р | = t/ф sin ф'.
Далее осуществляются аналого-цифровое преобразование и деление запомненных величин. При этом
| ^ф sin <pz |
(7.20)
где Xi — удельное индуктивное сопротивление прямой последовательности обслуживаемой ВЛ.
В приборе предусмотрена установка заданного значения х19 так что цифровой индикатор прибора ФИС фикси* 244
рует расстояние в виде числа километров до места КЗ. При междуфазных КЗ (кроме трехфазных) фиксируется отношение междуфазного напряжения поврежденных фаз к разности их токов, также пропорциональное расстоянию до места КЗ. Одновременно с искомым расстоянием индикатор прибора показывает поврежденную фазу (или две фазы).
В приборе предусмотрена возможность автоматической коррекции показаний за счет влияния ответвления на линии [70]. При расстоянии до места КЗ, превышающем расстояние до места ответвления, учитывается ток ответвления. Для этого предусмотрено наборное поле, коммутируемое при установке прибора на конкретной ВЛ с ответвлением.
К недостаткам прибора ФИС следует отнести ограниченную надежность и чувствительность избирателя поврежденных фаз, значительное влияние переходного сопротивления в месте КЗ на результат измерений при однополюсных повреждениях, большое собственное время измерения (90—100 мс).
При переходном сопротивления формула (7.20) даже в случае одностороннего питания не является точной, в частности из-за неизвестного заранее сдвига фаз компенсированного тока и тока нулевой последовательности, так как коэффициент k выбирается независимо от значения переходного сопротивления. При двустороннем же питании (точнее, при наличии тока нулевой последовательности с другого конца ВЛ) погрешности существенно возрастают, так как появляется фазовый сдвиг между током в ответвлении КЗ и током нулевой последовательности с измерительного конца ВЛ.
Опыт эксплуатации в ближайшие годы выявит эффективность приборов типа ФИС. Прежде всего их целесообразно устанавливать на тупиковых ВЛ, где нет возможности использовать двусторонние измерения. Однако и в других условиях можно ожидать приемлемых для эксплуатации результатов.
Более совершенным односторонним измерителем является прибор типа ИРА, разработанный во ВНИИЭ. Измеритель использует мгновенные значения токов и напряжений аварийного режима как для выбора поврежденной фазы (фаз), так и для определения искомого расстояния /. Оба типа операций осуществляются параллельно во времени, так что обеспечивается максимальное быстродействие. Собственное время измерения прибора типа ИРА не превышает 30—40 мс.
245
В избирателе поврежденных фаз используются фазовые соотношения между токами нулевой и обратной последовательностей и фазовые соотношения между токами нулевой последовательности и междуфазными напряжениями. Б. В. Борозинцом предложен и разработан избиратель, реализующий эти соотношения по знакам (полярности) указанных величин в два фиксированных момента времени.
При однополюсных КЗ расстояние I определяется как частное от деления:
MW,,.
где С7ф — мгновенное значение напряжения поврежденной фазы в момент t0 перехода тока нулевой последовательности измерительного конца ВЛ через нулевое значение; t/2, ф — падение напряжения в поврежденной фазе на 1 км длины в тот же момент,
где г, La, Lab и Lac — соответственно удельные собственные активное и индуктивное сопротивления поврежденной фазы Л и . ее взаимные индуктивные сопротивления по отношению к фазам В и С.
При междуфазных КЗ
1	^ф, л ~ ^ф, в
ф, А — Uz, ф, В 9
где а и С7ф, в — напряжения поврежденных фаз; UZi fa а и U2ifaB — падения напряжения в этих фазах на 1 км длины ВЛ.
К достоинствам прибора ИРА помимо существенно большего по сравнению с прибором ФИС быстродействия относятся меньшее влияние переходного сопротивления при однополюсных КЗ на результат измерения, учет асимметрии ВЛ, большие надежность и чувствительность избирателя поврежденных фаз.
Фиксация величин, соответствующих моменту /0, обеспечивает меньшее влияние переходного сопротивления на результаты измерения, чем замеры, основанные на учете фазы компенсированного тока /к. Однако наличие тока нулевой последовательности от противоположного конца ВЛ приводит к погрешностям и при измерениях прибором ИРА.
246
В последние годы начаты работы по использованию микро-ЭВМ для устройств одностороннего ОМП. Реализация принципа фиксирования мгновенных значений токов и напряжений в таких устройствах является весьма перспективной для минимизации погрешностей при сохранении достаточно высокого быстродействия. При этом создаются благоприятные условия для сочетания устройств ОМП с дистанционными релейными защитами ВЛ.
ГЛАВА ВОСЬМАЯ
ИНДУКЦИОННЫЕ МЕТОДЫ
8.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ИНДУКЦИОННЫХ МЕТОДОВ ОМП
Индукционные, методы предназначены для топографического (трассового) ОМП кабельных и воздушных линий. Для КЛ, проложенных в земле, индукционные методы позволяют также уточнить трассу линии, установить глубину залегания кабеля и места расположения соединительных муфт.
Сущность индукционных методов заключается в индикации параметров магнитного поля токов, протекающих по проводам (жилам) и в земле вдоль трассы линии. Изменения параметров магнитного поля вблизи МП или в иных характерных точках трассы улавливаются с помощью специальных датчиков (индукционных рамок), усилителей и индикаторов при их перемещении вдоль трассы ВЛ или КЛ
Для КЛ напряжением до 35 кВ ОМП производится с помощью специального генератора повышенной частоты после выделения и отключения поврежденного участка. Выделение же поврежденного участка КЛ, который можно отключить коммутационной аппаратурой, при однофазном замыкании на землю осуществляется индукционным методом за счет индикации параметров магнитного поля емкостного тока на границах участка, т. е. в РУ. Для ВЛ параметры магнитных полей емкостных токов сети используются и для выделения участков, и для ОМП, т. е. как в РУ, так и на трассах.
Важное значение для индукционного метода имеет выбранный диапазон рабочих частот. Для всех индукционных методов, за исключением не нашедшего распространения импульсно-индукционного метода, применяется так
247
называемый звуковой (тональный) диапазон частот. Для линий, включенных в сеть, практически, используются промышленная частота 50 Гц и ее нечетные гармоники вплоть до 13-й. Для отключенных КЛ частотный диапазон составляет 0,4—12 кГц.
Для ОМП в трехфазных сетях существенные различия имеют характеристики магнитных полей токов нулевой последовательности и фазных токов.
8.2. ИНДУКЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ОМП ДЛЯ ОТКЛЮЧЕННЫХ ОТ СЕТИ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ
Эти методы являются наиболее распространенными при трассовом поиске МП силовых КЛ. Для их использования необходимо снизить путем прожигания переходное сопротивление в МП до единиц или даже долей ома [фирма Seba dynatronic (ФРГ) указывает максимально допустимое значение в 10 Ом].
с О' i
О
Рис. 8.1. Схема включения генератора при определении трассы и глубины залегания КЛ.
Определение трассы КЛ и глубины залегания кабеля. При определении трассы один вывод генератора звуковой частоты присоединяется к неповрежденной жиле кабеля, а другой — к его заземленной оболочке. Противоположный конец используемой жилы также заземляется (рис. 8.1). Сило-
вые линии магнитного поля «одиночного» тока представляют собою концентрические окружности с центром в используемой жиле кабеля.
Ток при поисках трассы устанавливается в пределах 0,1—10 А в зависимости от глубины прокладки и наличия помех.
Если ось приемной рамки кабелеискателя расположена горизонтально в плоскости, перпендикулярной оси кабеля (рис. 8.2, а), то над ним будет наводиться максимальная ЭДС. При перемещении рамки в стороны от трассы кабеля значение ЭДС убывает. Это обстоятельство
и используется для ориентировочного нахождения трассы.
Если ось рамки расположена вертикально, то точно над кабелем ЭДС равна нулю, так как витки рамки не пересекаются магнитным потоком (рис. 8.2, б). При перемещении рамки в стороны от трассы кабеля ЭДС будет резко возрастать, а затем медленно убывать. Это свойство используется для точного определения трассы кабеля.
Если ось рамки кабелеискателя расположена параллельно оси кабеля (рис. 8.2, в), То ЭДС равна нулю. При нарушении параллельности ЭДС возрастает, что используется для определения направления трассы кабеля.
Иногда (хотя и очень редко) ток заземления растекается от вывода генератора по оболочкам соседних кабелей, находящихся в это время под рабочим напряжением. При этом минимум звучания выявляется над тем кабелем, по которому течет ток заземления, а над кабелем,; который подключен к генератору, звучание совсем не прослушивается. В таких случаях необходимо пользоваться схемой двухпроводного включения, т. е. включать выводы генератора на две жилы, закорочен*
248
ные с противоположной стороны перемычкой (рис. 8.3). При этом точность определения трассы ниже, чем при включении генератора по схеме «жила — земля».
Рис. 8.2. Варианты расположения оси приемной рамки относительно поверхности грунта над кабелем.
а — горизонтально-поперечное; б — вертикальное; в — горизонтально-продольное; г — под углом 45° к вертикали.
Для определения глубины залегания кабеля используется та же схема измерения, что и для определения трассы. Ось рамки кабеле-
искателя ставится вертикально и определяется трасса кабеля, прочерчиваемая линией на поверхности
земли. Поворачивая рамку таким образом, чтобы ее ось была под углом 45° к вертикальной плоскости, проходящей через кабель, от-
Рис. 8.3. Включение генератора по схеме «жила — жила».
водят рамку в сторону от намеченной трассы. В зоне отсутствия ЭДС (отсутствие звучания в наушниках приемника) проводится вторая линия. Расстояние а межлу двумя отмеченными линиями будет равно (рис. 8.2, г).
глубине залегания кабеля h
Определение места повреждения КЛ при замыкании между жилами (междуфазные повреждения) и отыскание соединительных муфт на трассе. Для этого используют схему (рис. 8.4), в которой от генератора Г подается ток (5—25 А) повышенной частоты в две поврежденные жилы кабеля.
249
С рамкой Р, усилителем У и индикатором И (обычно телефоном) оператор движется по трассе кабеля, улавливая характерное звучание в телефоне, обусловленное наведен-
нои в рамке и усиленной ЭДС. Протекающий по жилам кабеля ток создает магнитное поле, силовые линии которого при различном взаимном
MecTTtt) w	ни. я кабеля
е -*...... —х а
р—	г?" 	) / а
<О	*	'---| /	о
- а)
Рис. 8.4. Схема включения генератора при замыкании между жилами КЛ (а), кривая изменения уровня напряженности магнитного поля вдоль трассы поврежденного кабеля (б) и структурная схема приемника кабе-леискателя (в).
в зависимости от сечения.
положении жил показаны на рис. 8.5. В приемной рамке, магнитная ось которой расположена вертикально над кабелем, при ее перемещении по трассе будет индуктироваться периодически изменяющаяся (в соответствии со скруткой жил) ЭДС. Минимальное значение ЭДС соответствует вертикальному расположению жил, а максимальное — горизонтальному.
Кабель имеет скрутку жил с шагом повива от 0,5 до 3 м . В соответствии с этим шагом
изменяется напряженность результирующего магнитного поля на поверхности земли над кабелем (рис. 8.4). Над
Рис. 8.5. Силовые линии магнитного поля над кабелем при горизонтальном (а) и вертикальном (б) взаимном расположении двух его жил.
местом расположения муфты длина интервалов между точками максимальной слышимости заметно нарушается и резко усиливается звучание в телефоне (из-за большего расстояния между жилами в муфте). Это обстоятельство используется для отыскания места расположения соединительных муфт на трассе.
250
Из рис. 8.6 видно, что на некоторых участках трассы звучание резко ослабляется. Это происходит вследствие большой глубины залегания или экранировки кабеля металлическими трубами. За исключением таких участков,
Рис. 8.7. Кривые изменения напряженности магнитного поля Н при наличии тока растекания.
1 — для поля тока растекания 7^; 2 для поля пары токов 7^; О — оболочка; МП —• место повреждения.
измерения с двух сторон, при
Рис. 8.6. Кривая изменения напряженности магнитного поля Н над КЛ при наличии соединительных муфт.
а — шаг скрутки (повива) жил; б — длина муфты (б > а); 1 — повышенное заглубление кабеля; 2 — теплопровод; 3 — соединительная муфта; 4 — участок кабеля в металлической трубе; 5 — место повреждения.
звучание будет слышно на той части трассы, где протекает ток от генератора, т. е. до МП. Над МП образуется некоторое усиление напряженности магнитного поля, и звучание в телефоне заметно возрастает, затухая совсем на расстоянии 0,5 м за местом повреждения (рис. 8.4 и 8.6). Поэтому особое внимание надо обращать на «концевой эффект». Если звучание прекращается плавно или обрывается без заметного усиления, то это указывает на большую глубину прокладки кабеля или заложение его в металлическую трубу. Если же звучание усиливается, а далее скрутка не прослушивается, то рамка находится над МП. Рекомендуется производить этом звучание должно
прекращаться в одном и том же месте.
При недостаточной степени прожигания изоляции одной или обеих жил на оболочку или выгорании отрезка одной из жил (более 5—10 см) кроме магнитного поля межпроводного тока пары образуется поле тока растекания /р (рис. 8.7). Напряженность магнитного поля тока 251
растекания во много раз больше напряженности между-проводного поля, образованного током /ж такого значения, как /р. Поэтому даже при меньшем относительно основного тока значении /р создаются большие помехи в виде непериодического медленно уменьшающегося за МП звучания (кривая 1 на рис. 8.7). Устранение таких помех иногда достигается дополнительным прожиганием, если последнее позволяет получить КЗ жил кабеля.
Погрешность определения места замыкания между жилами индукционным методом с поверхности земли не превышает ±0,5 м, а при работе на открытом кабеле составляет несколько сантиметров. Индукционный метод для определения места замыкания между жилами (или замыкания двух жил на оболочку в одной точке кабеля) является весьма эффективным из-за наличия четких критериев: до МП есть периодическое (в соответствии с шагом скрутки) изменение сигнала, за МП этого изменения нет; в подавляющем большинстве случаев за МП принимаемый сигнал уменьшается в дёсятки раз.
Трудности возникают, если велика глубина залегания кабеля h или значителен уровень помех от действия проходящих вблизи ВЛ соседних кабелей или сетей, питающих городской транспорт. При этих условиях оказывается недостаточным абсолютное значение сигнала (велика глубина h) либо его значение по отношению к уровню помех.
Сигнал характеризуется напряженностью магнитного поля пары токов /ж, протекающих от генератора по скрученным жилам:
ы ___	"if Рг dk9kc	/о 1 \
hn~ 2nh2 V гвх 2лА2 ’
где Рг — мощность генератора; гвХ — входное сопротивление поврежденной КЛ; &э — коэффициент экранирования потока электромагнитной энергии сквозь оболочку и броню кабеля; kc — коэффициент, учитывающий ослабление напряженности поля вследствие скрутки жил (коэффициент скрутки); d — диаметр жилы кабеля.
При этом в рамке наводится ЭДС
£п = Ha2nfrwsiL,	(8.2)
где fr — частота генератора; w — число витков рамки; s — площадь среднего витка рамки; р — магнитная проницаемость материала сердечника рамки.
Подставляя выражение (8.1) в (8.2), получаем:
£п=(8.3)
У 2ВХ
252
Из анализа (8.3) следует, что существует некоторый оптимальный диапазон рабочих частот, которому соответствует область наибольших значений £п, т. е. значений сигнала для заданной мощности генератора Рг. Ход кривой Еп = F (/г) определяется частотной зависимостью сомножителя zBX. С ростом /г значение Еп сначала увеличивается, так как J/^bx меняется с частотой медленнее, чем по линейному закону. Но при дальнейшем увеличении /г начинает проявляться экранирующее действие оболочки и брони, приводящее к уменьшению Еп. Таким образом, функция f^kJVzBX и соответственно сигнал имеют максимум в некотором диапазоне частот. Оптимальная частота при отыскании междуфазных повреждений, по данным В. В. Платонова, лежит в диапазоне 1000—2000 Гц для кабелей типа АСБ и 500—1000 Гц для кабелей типа ААБ.
Из анализа соотношения (8.3) также следует, что сигнал существенно уменьшается с увеличением глубины залегания кабеля и прежде всего из-за того, что kc является функцией h. Увеличение А, например, вдвое (от 0,9 до 1,8 м) при шаге скрутки X = 1,8 м приводит к уменьшению kG от 0,5 до 0,07, т. е. в 7,2 раза. Если еще учесть, что £п пропорциональна 1/А2, то получаем, что удвоение h ослабляет сигнал в 30 раз.
Таким образом, именно скрутка жил затрудняет поиск междуфазных повреждений на большой глубине, хотя в целом скрутка жил является безусловно положительным фактором, так как при достаточном сигнале обеспечивается четкий критерий выявления МП.
Резервы повышения эффективности поиска замыкания между жилами следует искать прежде всего в совершенствовании поисковой аппаратуры. Одним из основных направлений здесь является повышение селективности аппаратуры по частоте. При этом отдельной задачей является выбор частоты генератора.
Значение fr должно существенно отличаться от частоты 50 Гц, иначе не представляется возможным обеспечить удовлетворительную помехозащищенность поисковой аппаратуры. Теоретически это требование можно удовлетворить как за счет увеличения, так и снижения частоты fr по сравнению с промышленной частотой. Однако практически более приемлемым представляется увеличение частоты сигнала, так как реализация случая fr < 10 Гц связана с существенным усложнением поисковой аппаратуры, особенно приемного устройства, увеличением его габаритных размеров и массы. Таким образом, нижняя граница частоты fr составляет 300 Гц.
Дальнейшее увеличение fr стимулируется в основном тем, что при большей частоте генератора проще и лучше может быть осуществлена отстройка от промышленной частоты (50 Гц) и ее ближайших наиболее сильно проявляющихся гармоник. Вместе с тем необходимо учитывать, что увеличений частоты ограничено рядом факторов.
253
С ростом частоты уменьшается уровень сигнала от поля пары токов, так как увеличивается экранирующее действие оболочки и брони кабеля. С увеличением частоты начинает также проявляться индуктивное сопротивление кабеля и соответственно уменьшаться пропускаемый через кабель ток. Это ограничение может быть ослаблено путем компенсации индуктивности кабеля сосредоточенной емкостью, включенной последовательно в цепь протекания тока генератора. Однако индуктивность кабеля распределена по его длине, а возможность компенсации распределенной индуктивности сосредоточенной емкостью тоже
ограничена.
Как показывают оценочные расчеты, можно добиться удовлетворительной емкостной компенсации распределенной индуктивности
кабеля, если длина пути протекания тока по жиле не превышает L = 30• 103//г. При подстановке в эту формулу частоты в герцах получают L в километрах. Например, при fr = 10 000 Гц значение L не должно превышать 3 км. Следовательно, уменьшение тока, протекающего через кабель, и соответствующее уменьшение уровня полезного сигнала с увеличением fr может быть ослаблено лишь при относительно небольших расстояниях до МП.
Однако именно при малом расстоянии до МП (малом Z) становится
Рис. 8.8. Простейшая схема присоединения генератора при поиске повреждений вида «жила— оболочка».
большой протяженность участка L—I (где L — вся длина кабеля) и с ростом частоты /г начинает проявляться шунтирующее действие емкостного сопротивления участка L—I (рис. 8.7). Например, при L—1 = = 5 км и fr = 10 000 Гц указанное емкостное сопротивление составляет единицы ом. Тогда ток от генератора протекает по жиле кабеля не только до МП, но и в значительной мере за МП, замыкаясь через распределенную емкость кабеля, что осложняет выделение МП.
Наконец, с ростом частоты падает средняя чувствительность человеческого уха. Кривая, отражающая зависимость этой чувствительности от частоты [71], имеет максимум в диапазоне 2—4 кГц.
В соответствии с изложенными ограничениями верхнюю границу частоты сигнала целесообразно выбирать равной 6500 Гц.
Для успешного поиска междуфазных повреждений с помощью селективного приемника, как правило, достаточно использовать полупроводниковый генератор мощностью 150—200 Вт.
Однофазные повреждения (замыкания жилы на оболочку кабеля). Основным препятствием, которое встречается на пути определения места однофазного повреждения, является мешающее (маскирующее) действие поля тока растекания в земле.
Дело в том, что ток звуковой частоты I =	+ /2»
протекая по поврежденной жиле (рис. 8.8), возвращается
254
в генератор не только по оболочке (Л) но и по земле (72). Следовательно, до МП существует поле пары токов «поврежденная жила — оболочка» /t и поле одиночного тока 72, протекающего по оболочке до ближайшего ее заземления и уходящего в землю (к заземленному полюсу генератора). Тогда по обе стороны от МП существует одно и то же поле с напряженностью Но = создаваемое одиночным током. Напряженность этого поля во много раз превышает напряженность поля пары токов Нп = I{dkJ2nh2.
При этом
ЯО/77П = M/Vid = 30 - 100.
Рис. 8.9. Структурная .схема развития направлений индукционного поиска повреждений вида «жила—оболочка».
Таким образом, Но существенно превышает Нп и выявление сигнала (пропорционального напряженности поля пары токов), на фоне такой сильной маскировки является основной проблемой при поиске однофазных повреждений. Решение этой проблемы должно быть комплексным, т. е. предусматривать совершенствование не только аппаратуры, но и методики поиска. Поскольку именно в настоящее время идет интенсивное развитие методики поиска однофазных повреждений, то целесообразно специально рассмотреть структурную схему, характеризующую это развитие (рис. 8.9).
Первое направление предполагает уменьшение напряженности поля одиночного тока или ослабление его мешающего действия. При этом полезным, подлежащим обнаружению и измерению является сигнал, обусловленный парой токов. Второе направление базируется на выявлении особенностей (изменений, отклонений) напряженности поля одиночного тока в зоне МП. Задача состоит только в том, чтобы их обнаружить.
255
Ниже рассматриваются предложения последних лет по развитию методики поиска однофазных повреждений в ука
занных направлениях.
Выявление напряженности поля пары токов. Измерение производной ЭДС по длине. Во ВНИИЭ предложено измерять не ЭДС, наводимую в рамке, а производную ЭДС по длине перемещения рамки вдоль трассы. Генератор вклю
чают по схеме «поврежденная жила — неповрежденная
жила» и неповрежденную жилу заземляют на дальнем
конце (рис. 8.10). В этом случае напряженность медленно
изменяющегося поля тока растекания /р характеризуется производной, близкой к ну-
Рис. 8.10. Схема токораспреде-ления при поиске МП по изменению производной магнитного поля вдоль КЛ.
лю, а напряженность поля пары токов /ж, изменяющаяся от максимума до минимума с шагом скрутки жил кабеля, характеризуется некоторым уровнем сигнала. Именно скрутка жил, периодически изменяя направление вектора напряжен-
ности магнитного поля пары
токов с вертикального на горизонтальное, позволяет получить изменение уровня производной ЭДС по длине вдоль оси кабеля. За МП пары токов, протекающих по скрученным жилам, нет, периодическое изменение производной исчезает, а уровень производной снижается. Таким образом, задача сводится к регистрации периодических, в соответствии с шагом скрутки жил, низкочастотных изменений Uq напряжения звуковой частоты, постоянный уровень которого определяется напряженностью электромагнитного поля одиночного тока.
Реализация изложенной разновидности метода поиска однофазных повреждений затруднена двумя обстоятельствами: мало отношение UqIU® = HJHq — 0,01 4-0,03; для получения полезного сигнала Uq необходимо перемещение рамки вдоль трассы. Поэтому всякие отклонения от трассы (в сторону и по высоте), изменение ориентации рамки относительно оси кабеля, которых трудно избежать при перемещении рамки, являются источником так назы
ваемых динамических помех.
При реализации метода приходится одновременно решать две задачи:
выделять обусловленную скруткой жил низкочастотную огибающую Uq звукового сигнала при Uq/U® =* = 0,01 4-0,03;
256
выделять полезные, обусловленные скруткой жил периодические изменения сигнала (около 1 % постоянного уровня), среди ложных изменений, связанных с изменением положения и ориентации рамки при ее перемещении, причем ложные изменения могут превышать 1 % постоянного уровня.
Практическое решение обеих задач, а следовательно, и проблема в целом, упрощаются при увеличении отношения	что может быть осуществлено путем снижения
уровня U^, создаваемого полем одиночного тока растекания в земле.
Рис. 8.11. Схемы осуществления компенсации токов растекания в КЛ. а — полная схема; б и в — составляющие полной схемы.
Уменьшение напряженности поля одиночного тока в зоне МП. Можно отметить два пути уменьшения напряжения, наводимого в приемной рамке от действия поля тока растекания в земле: компенсация в кабельной линии и компенсация в приемном устройстве.
Компенсации первого типа предложены в [72]. В соответствии с этим методом генератор звуковой частоты следует подключать согласно схеме, показанной на рис. 8.11, а. По отношению к токам, протекающим в жилах кабеля, оболочке и земле, эту схему можно рассматривать как составленную из двух более простых схем (рис. 8.11, б и в).
В схеме рис. 8.11, б генератор звуковой частоты задает ток Ii, который в МП растекается вправо (/1п) и влево (/1Л). На дальнем конце обе составляющие суммируются и возвращаются к генератору по неповрежденной жиле. Отно-
9 г. М. Шалыт	257
шение /1Л//1П следует считать неопределенным вследствие неопределенности условий растекания тока в земле (различная влажность грунтов, различные способы заземления оболочки). Поэтому в общем виде
Лл = Лп = (1	^i)
где — коэффициент, постоянный для определенного кабеля и конкретных условий растекания (/г1 = О-н1).
Токи, протекающие в жилах, оболочке (/об) и земле, создают электромагнитные поля, которые наводят ЭДС в индукционной рамке приемника. В схеме рис. 8.11,6 можно считать, что до МП существуют поле пары «жила— жила» (ток пары /г) и поле одиночного тока /1Л, протекающего по оболочке и уходящего в землю. За МП существуют поле пары «неповрежденная жила — оболочка» /1п и поле одиночного тока /1л, протекающего по неповрежденной жиле. Таким образом, как до МП, так и за ним в направлении справа налево протекает одиночный ток /1л, создающий мешающее поле, маскирующее полезный сигнал.
В схеме рис. 8.11, в от генератора звуковой частоты в поврежденную жилу вводится ток /2, который в МП тоже растекается по оболочке вправо и влево (/2П, /2л). Правая и левая составляющие тока /2 суммируются наближнем конце кабеля и замыкаются через заземленный вывод генератора. При этом можно записать:
^2П = &2^2> ^2Л = О ^2) ^2»
гдей2 = 04-1 —- коэффициент, причем k2 =^= kx\ k2 =£ 1 — — К-
В схеме рис. 8.11, в до МП существуют поле пары «поврежденная жила — оболочка» /2Л и поле одиночного тока /211 протекающего по оболочке и уходящего в землю. И в этой схеме по обе стороны от МП протекает неизменный одиночный ток /2П, создающий поле, мешающее выявлению полезного сигнала. Однако в схеме рис. 8.11, в одиночный ток протекает слева направо, т. е. навстречу одиночному току, протекающему в схеме рис. 8.11,5. Поэтому в общей схеме (рис. 8.11, а), получаемой в результате наложения составляющих схем, одиночный ток, протекающий в зоне растекания как до МП, так и за ним, равен разности /1л —- /2п- Эта разность может быть сделана малой при выполнении условия
/Л = /2fe2.	(8.4)
Таким образом, при определенном соотношении между токами /х и /2 может быть обеспечен малый одиночный ток 258
в зоне МП, а следовательно, улучшено исходное для рамки • соотношение между напряжениями Uq и
Так как ослабление напряженности мешающего поля тока растекания в земле может быть зафиксировано по снижению уровня сигнала, принимаемого в зоне МП при постоянном коэффициенте усиления приемника и неизменной ориентации рамки, то условие (8.4) следует обеспечивать путем изменения тока /х или /2 до тех пор, пока это изменение понижает уровень принимаемого сигнала. При
реализации этого метода компенсации возникают опре-
деленные эксплуатационные трудности, обусловленные сложной схемой подключения генератора и необходимостью взаимодействия двух операторов, один из которых находится на трассе у приемного устройства, а другой — на трансформаторной под
Рис. 8.12. Схема дифференциальночастотного метода.
станции у генератора.
Из методов компенсации второго типа (компенсация в приемном устройстве) заслуживает внимания дифференциально-частотный метод [73]. Его сущность заключается в том, что в КЛ посылают токи^двух частот ft и f2. Сигналы Ufi и Uf2 принимают по двум узкополосным каналам, усиливают и подают на разностный индикатор (рис. 8.12). До МП каждый из сигналов можно представить как сумму двух слагаемых
^fi — ^0, fi + ^п, fi’ Ufi == Lf0, fz + (7ц, fa»
где (70ji и Uoj2 — сигналы, обусловленные напряженностью мешающего поля одиночного тока частот^ и f2; (7П, fi и Ua—сигналы, обусловленные полем пары токов частот f х и 7г-
Пусть регулируемые коэффициенты усиления первого и второго приемных каналов равны Л4Х и М2. Тогда напряжение, действующее на выводах разностного индикатора до МП, можно записать как
= Ufi — Ufi = Л4Х UQi fi — M2U0> + Mx(7n, fi — M2tfn, fa- (8.5)
За местом повреждения поля пары токов нет и
С/и = Л1х(70> h — MiUOt fi-	(8.6)
Как следует из (8.5) и (8.6), для осуществления компенсации необходимо, чтобы
- UoJi	(8.7)
М2 ~ и0<ц '	1
Вместе с тем очевидно, что практически приемлемой может быть только такая компенсация, которая не приводит к подавлению полезного сигнала. Поэтому после выполнения условия (8.7) следует убедиться, что при расположении рамок над трассой кабеля разность fi —M2tfn, fa может существенно отличаться от нуля.
Va 9*	’	259
Разница между Mi(7n> fi и M2Unj2 значительна, если (7П> /г/Сп.М существенно отличается от Uot fi- Последнее условие можно удовлетворить путем соответствующего выбора частот fr и f2. При этом используется то обстоятельство, что напряженность поля пары токов изменяется в соответствии с частотной зависимостью коэффициента экранирования k3, а напряженность поля одиночного тока изменяется с частотой по закону R3 (/), где R3 —сопротивление растеканию токов в земле. Следовательно, Un fz /t/п fi зависит, от k3 (f2)/k3 (f^, a t/o, f 2/t/o, f 1—0T ^3 (/г)/^з (Fi)*
В некотором диапазоне частот (1—3 кГц) сопротивление R3 изменяется на 15—20 % > a k3 — в несколько раз.
Основной недостаток дифференциально-частотного метода, как и других методов компенсации в приемном устройстве, состоит в том, что компенсация осуществляется оператором в точке, например, удаленной от трассы на несколько метров. Это еще не гарантирует достаточного ослабления сигнала, обусловленного мешающим полем одиночного тока во всей зоне МП.
Использование особенностей поля одиночного тока в зоне МП. Здесь используются особенности (изменения, отклонения) именно сильного поля одиночного тока, причем эти особенности в зоне МП могут искусственно создаваться. Соответственно рассмотрим две разновидности индукционного метода.
Индукционно-дифференциальный способ. В [74] предложено опре* делить МП по изменению направления вектора напряженности магнитного поля от одиночного тока. Указанное изменение создают искусственно, путем подключения генератора к кабелю через разделительный дроссель Др, как показано на рис. 8.13. Применение дросселя обеспечивает равенство токов, возвращающихся в генератор со стороны заземленного вывода и через неповрежденную жилу. Каждая из этих составляющих равна половине полного тока /, который, протекая от генератора по поврежденной жиле, в МП растекается по оболочке вправо и влево (7Х и /а), а также уходит в землю по обе стороны от МП (/of и 1ог)*
При этом до МП существуют поле пары токов «поврежденная жила — неповрежденная жила» 0,5 7, поле пары токов «поврежденная жила — оболочка» /а и поле одиночного тока /оа, протекающего по поврежденной жиле и уходящего в землю, причем одиночный ток протекает слева направо. За МП существуют поле пары токов «неповрежденная жила — оболочка» и поле одиночного тока 701, протекающего по неповрежденной жиле справа налево.
Таким образом, показанное на рис. 8.13 подключение генератора к кабелю обеспечивает изменение направления протекания одиночного тока, а выявление места, где одиночный ток меняет направление, не представляет затруднений. Однако следует отметить, что эта модель растекания токов не всегда является достаточно точной. Часто ток оболочки стекает в землю не в МП (рис. 8.13, а), а в месте расположения ближайшей муфты (рис. 8.13, б). На этом рисунке для удобства анализа дан пример одного из возможных вариантов количественного разделения токов в МП и месте расположения ближайшей муфты, где происходит основное стекание тока в землю (МС). Здесь можно выделить три 260
участка: до места основного стекания тока в землю (до Л!С), от места стекания и до МП, за местом повреждения.
На первом участке существуют поле пары токов «жила—жила» 0,5 /, поле пары токов «поврежденная жила — оболочка» 0,3 / и поле одиночного тока 0,2 /, протекающего по поврежденной жиле слева направо. На третьем участке существуют поле пары токов «неповрежденная жила — оболочка» 0,3 / и поле одиночного тока 0,2 /, протекающего по неповрежденной жиле справа налево. На среднем участке (от МС № МП) существуют поле пары токов «жила — жила» 0,5 I,
Рис. 8.13. Схемы токораспределения при индукционно-дифференциальном методе для случая совпадения (а) и несовпадения (б) места основного стекания МС тока в землю с местом повреждения МП.
поле пары токов «поврежденная жила — оболочка» 0,5 / и поле одиночного тока 0,2/, протекающего по оболочке справа налево и уходящего в землю.
Таким образом, одиночный ток изменяет направление на границе первого и второго участков, т. е. в месте основного стекания тока оболочки в землю, а не в МП. Следовательно, индукционно-дифференциальным методом можно определять место интенсивного стекания тока в землю, которое совпадает с МП лишь в отдельных случаях.
Метод аномалии минимального сигнала. Этот метод базируется на объективном существовании и выявлении искажений трассовых характеристик поля одиночного тока в зоне МП. При вертикальном расположении оси приемной рамки идеальная трассовая характеристика поля одиночного тока имеет вид кривой, показанной на рис. 8.14
9 Г. М, Шалыт	261
штрихпунктирной линией. Над кабелем напряженность Н равна нулю, при отклонении в обе стороны от трассы напряженность поля резко возрастает, а затем плавно уменьшается.
В реальных условиях на трассе КЛ на поле одиночного тока, которое в данном случае является рабочим, накладывается поле помех (в основном помех промышленной частоты и ее сильно проявляющихся гармоник), что не позволяет фиксировать значения напряженности поля одиночного тока, близкие к нулю. Поэтому реальная трассовая кривая (сплошная линия на рис. 8.14) характе-
ризуется некоторым уровнем Hmin, существенно отличным от нуля. Место повреждения является источником локальной неоднородности, из-за этого в зоне МП трассовая кривая трансформируется, как показано на рис. 8.14
пунктиром.
Таким образом, в зоне МП
Рис. 8.14. Трассовые характеристики для поля одиночного тока.
повышается уровень timin и, кроме того, снижаются уровни Нтах. Поэтому МП можно выявить по увеличению отношения HmijHmax.
Приемное устройство должно быть селективным по частоте, чтобы выделить полезное «всплывание» нуля, обусловленное локальной неоднородностью, на уровне мешающего фона, создаваемого многочисленными поме
хами, частота которых отлична от частоты генератора.
Метод аномалии минимального сигнала заслуживает особого внимания, так как накопленный к настоящему времени опыт успешного поиска однофазных замыканий в Московкой кабельной сети Мосэнерго связан главным образом с использованием этого метода. Он наиболее прост и удобен в эксплуатации, так как при его реализации генератор подключают по простейшей схеме «фаза — земля» (рис. 8.8), после чего все действия по выявлению МП производит только один оператор, работающий с приемным устройством на трассе кабеля в зоне МП. В МКС Мосэнерго по методике, основанной на выявлении искажений трассовых характеристик, проанализировано 130 попыток определения места замыкания жилы на оболочку кабеля напряжением до 10 кВ при сопротивлении в МП, близком к нулю.
Однофазные замыкания успешно отыскивались как на коротких, так и на относительно длинных кабелях. Мини-
262
мальное расстояние от места подключения генератора до МП составляло 6 м, максимальное — 3720 м. В 78 случаях (60 %) место повреждения было указано однозначно и точно. В остальных 40 % случаев оказалось возможным лишь определить зону повреждения протяженностью 20—30 м. В этой зоне было 2—3 места заметного увеличения отношения	Если в указанной зоне нахо-
дилась соединительная муфта, то она, как правило, давала «всплывание» уровня
Для выбора частоты сигнала при индукционных методах ОМП, а также при рассмотренных ниже импульсноиндукционных методах существенное значение имеет глубина растекания тока в толще грунта. Если переменный ток с идущего параллельно поверхности земли провода (жилы) стекает в землю, то в однородном изотропном грунте он растекается в соответствии с законами электромагнитного поля. В зависимости от частоты синусоидального тока и проводимости грунта ток растекается в большей или меньшей толще земли симметрично под проводом. Иными словами, электромагнитная волна проникает в глубину проводящей массы земли. Эквивалентная по току глубина проникновения синусоидальной волны в проводящую среду	_____
0 = V р/(<О|Л),
где р — удельное сопротивление грунта; со — круговая частота; ц — магнитная проницаемость грунта.
В табл. 8.1 приведены значения 0 для различных значений р и f = (о/2л.
Таблица 8.1
f, Гц	0, м, при р, Ом«м		
	10	102	103
10	500	1600	5000
50	220	700	2200
10»	50	160	500
104	16	50	160
106	5	16	50
10е	1.6	5	16
108	0,16	0,5	1,6
Из табл. 8.1 видно, что при промышленной частоте эквивалентная глубина «обратного» тока в земле составляет сотни и тысячи метров. Для частот 103—104 Гц глу-9*	263
бина снижается до нескольких десятков метров (лишь при весьма плохо проводящих грунтах до сотен метров). С дальнейшим ростом частоты значение 0 снижается до единиц метров (при f = 1 мГц), а затем и до десятков сантиметров (/ = 100 мГц).
С уменьшением 0 мешающее действие тока растекания ослабевает, т. е. рост частоты благоприятен, но отмечавшиеся выше факторы (прежде всего экранирование оболочкой и увеличение емкостной проводимости) ограничивают возможности повышения частоты. Лишь при импульсно-индукционных методах возможно применение частот 10б Гц и выше.
Рис. 8.15. Схема подачи в поврежденную КЛ импульсов высокого напряжения.
1 — регулятор напряжения; 2 — трансформатор; 3 — конденсатор; 4 — разрядник.
Следует далее подчеркнуть, что в реальных условиях рядом с поврежденным проходят соседние кабели, трубопроводы и другие металлические подземные сооружения. Картина растекания тока в земле может носить сложный и нерегулярный во времени характер, весьма далекий от отмеченных выше идеальных закономерностей. Данные табл. 8.1 дают представление лишь о порядке величин, характеризуя размер петли индукционного действия пары токов «жила — земля».
Импульсно-индукционные методы. Эти методы не получили практического распространения. О них ниже даются лишь краткие сведения, которые могут способствовать дальнейшему усовершенствованию методов ОМП.
Для определения места повреждения изоляции между двумя жилами К. И. Арсеньевым применен индукционный методе питанием поврежденной линии высоковольтными импульсами. При этом генератор звуковой частоты заменяется импульсным, состоящим из обычной испытательной установки и разрядника с той лишь разницей, что оба вывода испытательного трансформатора изолированы от земли. Схема включения импульсного генератора приведена на рис. 8.15.
Выход импульсного генератора подключают к поврежденным жилам. Напряжение испытательной установки поднимают до пробоя разрядника 4, обеспечивая периодическую (1 импульс в 2—3 с) посылку в линию импульсов. Для улавливания сигналов, обусловленных магнитным полем таких импульсов тока, пригодны индукционная рамка и обычный широкополосный усилитель переменного тока, но можно 264
применить и импульсный усилитель. В индикаторе (телефоне), подключенном к выходу усилителя, при перемещении по трассе от места установки импульсного генератора до места повреждения слышны щелчки, соответствующие моментам пробоя разрядника.По сравнению с обычным индукционным методом точность ОМП понижается. Метод можно применять только при КЗ между жилами.
В ФРГ предложена интересная разновидность импульсно-индукционного метода для точного определения места замыкания жилы на
оболочку. В основу метода положено распределение ВЧ импульсного магнитного поля вблизи отверстия, образованного в защитной оболочке кабеля в результате прожига. Если увеличивать частоту переменного тока, пропускаемого по жиле, имеющей замыкание на оболочку, то будет как бы возрастать интенсивность вытеснения
Рис. 8.16. Распределение напряженности ВЧ магнитного поля Я у поверхности земли над МП.
/ — вдоль трассы КЛ; 2 — перпендикулярно трассе.
тока из земли к ее поверхности.
При достаточно высокой частоте подавляющая часть обратного тока будет протекать по металлической оболочке кабеля. В этом случае
напряженность магнитного поля, создаваемого током оболочки, будет компенсироваться напряженностью поля от тока в жиле и вне кабеля магнитного поля практически не будет. Если в месте повреждения в свинцовой оболочке прожжено небольшое отверстие, то через него
рассеивается и распространяется радиально во всех направлениях энергия ВЧ импульсов, подаваемых в кабель. Возникающее при этом магнитное поле вблизи МП над землей может быть обнаружено, если в кабель посылать импульсы мощностью до 200 кВт.
Рис. 8.17. Структурная схема генератора ВЧ импульсов.
На рис. 8.16 показано снятое экспериментально распределение напряженности ВЧ магнитного поля у поверхности земли над МП. Кабель находился на глубине 90 см. В МП в свинцовой оболочке имелось отверстие площадью около 1 см2; броня повреждена не была. Такое распределение дает возможность указать МП с точностью в несколько сантиметров.
Структурная схема генератора ВЧ импульсов (ГВИ) приведена на рис. 8.17. На вход ГВИ подается напряжение звуковой частоты от отдельного генератора, например применяемого обычно для индукционного метода. Через входной трансформатор 1 энергия от звукового генератора поступает в накопитель энергии 2. Накопленная энергия посылается в виде импульсов с помощью импульсного генератора 3 через импульсный трансформатор 4 в кабель по схеме «жила — оболочка». При этом частота посылки соответствует частоте звукового генератора.	• •
265
Для отыскания МП на трассе используется специальная ВЧ катушка, которая с помощью конденсатора может настраиваться на определенную частоту. Напряжение, возникающее в катушке от ВЧ импульсов, усиливается и преобразуется в напряжение звуковой частоты. Последнее подается в обычный приемник звуковой частоты.
Для определения зоны расположения места пробоя изоляции жилы на оболочку предложена другая разновидность импульсно-индукционного метода [75]. Схемой рис. 8.18 следует пользоваться при низком переходном сопротивлении в МП, а схемой рис. 8.19, а— при «заплывающем» пробое.
Импульсы тока, посылаемые в поврежденную КЛ, создают магнитное поле, по интенсивности которого при помощи рамки, усилителя и импульсного вольтметра можно определить зону повреждения. Ха-
Рис. 8.18. Схема включения генератора импульсов при низком переходном сопротивлении.
Т — повысительный трансформатор; В — вентиль; Р — разрядник; С — накопительный конденсатор; МП - место повреждения.
рактер и частотный спектр переходного процесса в КЛ на участке от начала кабеля до МП и на участке от МП до противоположного конца различны. Это различие можно увеличить выбором емкости конденсатора С в диапазоне 0,10—0,25 мкФ для схемы рис. 8.18 и 2—3 мкФ для схемы рис. 8.19, а. Если иметь приемник, настроенный на полосу частот, характерных для первого участка (5—50 кГц), то по снижению напряженности магнитного поля за МП можно определить зону повреждения. Изменение напряжения на выходе такого приемника при перемещении вдоль трассы поврежденного кабеля показано на рис. 8.19, б. Область спада интенсивности магнитного поля заданной полосы частот расположена между точками А и Б, т. е. простирается на несколько десятков метров, что обусловливает приближенность метода. Всплески сигнала в точках В и Г носят случайный характер. [Точность способа можно несколько улучшить, производя измерение с двух концов при различной частотной настройке приемника (рис. 8.19, в)].
Следует особо отметить, что для поиска мест замыкания жилы на оболочку перспективны способы, основанные на фиксации в МП изменения фазы ЭДС, наводимой в индукционной рамке, относительно какого-либо базового вектора.
Определение МП вида «жила —оболочка» методом накладной рамки. Этот метод применяется для определения МП открыто проложенных КЛ (в помещениях, туннелях, подвалах и пр.). Он может быть применен также для КЛ, проложенных в земле. В этом случае необходимо произвести раскопку нескольких шурфов в зоне поврежде-265
ния кабеля. Кроме того, методом накладной рамки можно определить отключенный, например, для ремонта кабель, лежащий в пучке других кабелей.
Генератор включают по схеме «поврежденная жила — земля» (см. рис. 8.8). Ток в поврежденной жиле устанавливают от 0,5 до 5 А. Если кабель проложен в земле, то на трассе КЛ в зоне МП, определенной каким-либо дистанционным методом, раскапываются шурфы и на открытых
Рис. 8.19. Схема включения выпрямительной установки при «заплывающем» пробое в КЛ и трассовые характеристики для импульсноиндукционного метода.
а — схема; б — изменение напряжения на выходе приемника при измерении с одного конца; в — изменение напряжения на выходе приемника вблизи МП при измерении с двух концов.
кабелях сопоставляются характеры изменения напряженности магнитного поля при вращении рамки вокруг оси кабеля по его оболочке.
Если шурф расположен до МП со стороны генератора звуковой частоты, то по кабелю, как было отмечено выше, протекают токи / — /2 и /х, образующие междупроводное поле. За один оборот накладной рамки вокруг оси кабеля в телефоне будут прослушиваться два максимума и два минимума звучания (рис. 8.20, а). Если шурф расположен за МП кабеля, то по его оболочке протекает ток /2, образующий практически неизменяющееся магнитное поле. В этом случае за один оборот накладной рамки вокруг оси
267
кабеля в телефоне кабелеискателя будет прослушиваться неизменяющееся звучание (рис. 8.20, б).
Таким образом, по различию характера звучания определяется поврежденный участок трассы. Если расстояние между шурфами небольшое, то, раскопав перемычку между ними, находят МП кабеля. При большом расстоянии между шурфами раскапывают дополнительный шурф, уменьшая зону расположения МП и т. д.
Существенным недостатком метода накладной рамки при его использовании для КЛ, проложенных в земле,
Рис. 8.20. Характеристики напряженности магнитного поля Н при определении МП с помощью накладной рамки.
а — до места повреждения; б — за местом повреждения; Г — генератор; Р — рамка; У — усилитель; И — индикатор (телефон); Ш — шурфы; К — кабель; МП — место повреждения.
является большой объем работ по раскопке шурфов. Этот метод возможно применять только при наличии металлического замыкания между жилой и оболочкой кабеля.
Метод электроразведки. При невозможности подключить генератор синусоидальных сигналов непосредственно к жиле кабеля (например, в случае поиска трассы оставленного в земле отрезка кабеля) используют метод электроразведки [76]. В этом случае генератор подключают к основной индукционной рамке, наводящей ток в металлической оболочке кабеля, а приемное устройство — к другой индукционной рамке. При расположении, в частности, осей обеих рамок под прямым углом исключается их взаимное влияние. Поиск трассы осуществляется аналогично обычному присоединению генератора по схеме «жила -- земля» (см. рис. 8.1).
268
8.3.	ИНДУКЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ОМП ДЛЯ ЛИНИЙ, ВКЛЮЧЕННЫХ В СЕТЬ
В сетях, работающих с изолированной нейтралью, индукционные методы используются как для выделения поврежденного элемента сети, так и для отыскания места однофазного замыкания на землю (033). В этих сетях в отличие от сетей с глухозаземленной нейтралью значение тока замыкания на землю не зависит от расположения МП. При глухом (металлическом) 033 ток замыкания на землю определяется рабочим напряжением и емкостью электрически связанной сети для любого МП.
В режиме с изолированной нейтралью в СССР работают высоковольтные сети 3, 6, 10, 20 и 35 кВ. В некоторых странах в таком режиме работают и сети более высоких напряжений (например, в Японии до 275 кВ).
При изолированной нейтрали 033 не меняет режима электроснабжения токоприемников, поскольку треугольник линейных (междуфазных) напряжений не изменяется. Однако режим 033 нежелателен, так как возможны следующие явления:
1)	переход в двухфазное замыкание на землю в той же точке (для КЛ это явление называют «пережог», имея в виду выгорание междужильной изоляции от теплового действия тока 033);
2)	переход в двойное замыкание на землю (в разных точках сети) за счет так называемых дуговых перенапряжений;
3)	возникновение опасных напряжений прикосновения и шага с возможностью поражения людей и животных.
Поэтому стремятся к максимальному сокращению длительности режима 033. В условиях достаточно высокой вероятности поражения людей (в шахтах, на торфяных предприятиях, при использовании высоковольтных передвижных строительных механизмов) устанавливают защиты от 033, действующие на отключения без выдержки времени. В сетях, питающихся непосредственно от генераторов, допускается работа в режиме 033 не более двух часов.
Для анализа методов индукционного поиска МП целесообразно сначала рассмотреть распределение токов в режиме установившегося 033. На рис. 8.21, а приведена принципиальная трехлинейная схема сети с изолированной нейтралью. Для упрощения показаны только одна из неповрежденных линий i (индекс i отражает возможность 269
произвольного числа неповрежденных линий) и поврежденная линия 1.
До возникновения повреждения по всем фазам всех линий протекали емкостные токи на землю. Причем суммы фазных токов, одинаковых по модулю и сдвинутых между
Рис. 8.21. Распределение токов (а) и напряженности магнитного поля (6) при однофазном замыкании на землю.
собой на 120°, равнялись нулю. Токи нулевой последовательности отсутствовали.
При металлическом замыкании фазы В линии 1 на землю распределение емкостных токов показано на рис. 8.21, а. В поврежденной фазе В всех линий емкостного тока нет, так как напряжение этой фазы относительно земли равно'Нулю. В двух других фазах неповрежденных линий емкостные токи увеличатся в // 3 раз, так как в 1/3 раз возрастут напряжения этих фаз относительно земли. 270	;
Сдвиг фаз между токами IAti и iCti составит 60°. Ток нулевой последовательности
3*ог = I i + /С, i | — 3(оС0^(7ф,	(8.8)
где CQi — емкость одного провода i-й линии относительно земли; — фазное напряжение сети.
По фазе В поврежденной линии 1 на участке от сборных шин до МП протекает суммарный ток двух неповрежденных фаз всех неповрежденных линий
т
Ч = S (й i + ic. i).	(8.9)
t=l
По фазам А и С поврежденной линии протекают в ни правлении шин только емкостные токи самой этой линии
Если обозначить через CoS — суммарную емкость сети (за вычетом емкости поврежденной линии), то в начале поврежденной линии будет протекать ток нулевой последовательности
3^02 =	(8.10)
Чем больше отношение С02/С0Ь тем больше согласно (8 8) и (8.10) отношение 31^/31^, В большинстве случаев 0)2	^01 И
/02»^.	(8.11)
На соотношении (8.11) и основана селективная сигнализация 033 в разветвленных сетях 6—10 кВ с изолированной нейтралью.
На ТП в местах разветвлений КЛ устанавливаются кольцевые трансформаторы тока.нулевой последовательности, а на ВЛ — три однофазных трансформатора, соединенных по схеме фильтра токов нулевой последовательности [2]. Ток нулевой последовательности подается на максимальное токовое реле. Уставка реле с необходимым коэффициентом запаса превышает собственный ток F^ линии, так что срабатывание имеет место только при 033 на данной линии или на расположенных за ней (считая от центра питания) разветвлениях.
При отсутствии стационарной земляной сигнализации на КЛ используются специальные токоизмерительные клещи, состоящие из двух разжимающихся половинок кольцевого измерительного трансформатора тока нулевой последовательности. Охватывая клещами кабель ниже концевой разделки, фиксируют ток iQ. После замера на всех отходящих направлениях по условию (8.11) легко выявить направление в сторону места 033.
271
Оперативная бригада, перемещаясь от узла сети к узлу, устанавливает участок линии, в начале которого протекает суммарный ток ZOs> приводящий к срабатыванию стационарного максимального токового реле, а в конце — только собственный ток IQi (стационарное реле не срабатывает). В кабельных сетях этот участок выделяется коммутационной аппаратурой, в воздушных продолжается поиск места 033 непосредственно на трассе линии. При этом индикация напряженности магнитного поля токов осуществляется индукционным датчиком, располагаемым на безопасном расстоянии от линии.
При расстоянии датчика от оси ВЛ, в несколько раз превышающем расстояние между фазными проводами, он фиксирует наводимую ЭДС, пропорциональную в первом приближении току нулевой последовательности линии (если сравнительно малы токи нагрузки). Однако даже при достаточно симметричных токах нагрузки магнитное поле этих токов оказывает мешающее влияние. Дело в том, что при геометрической сумме токов, равной нулю, магнитный поток от них содержит составляющую нулевой последовательности, так как провода разнесены в пространстве. Этот мешающий магнитный поток складывается с магнитным потоком от емкостных токов и затрудняет поиск МП. Чем больше токи нагрузки и чем ближе точка замера к продольной оси ВЛ, тем больше это мешающее воздействие.
Поэтому для поиска МП при 033 на ВЛ в переносных устройствах, использующих токи промышленной частоты, применяется специальная компенсация влияния нагрузочных токов [77 ]. Измеряют сумму сигналов от двух магнитных датчиков, расположенных вертикально и горизонтально. Непосредственно под линией регулируют токи датчиков, добиваясь компенсации влияния токов нагрузки, а затем, сохраняя настройку, производят измерения в других точках. Однако компенсация не дает существенного улучшения условий измерения на промышленной частоте. Расположение проводов, расстояние между ними, высота подвеса, изменяющиеся вдоль трассы даже одной и той же линии, ориентация датчика относительно проводов влияют на условия компенсации. Поэтому приборы, использующие токи промышленной частоты для трассового поиска МП на ВЛ в сетях с изолированной нейтралью, нашли весьма ограниченное применение (приборы ОМЗ-1).
Еще хуже обстоит дело с использованием измерения токов нулевой последовательности промышленной частоты при наличии устройств компенсации емкостных токов. 272
Дугогасящая катушка включается в Нулевую точку сети, как это показано пунктиром на рис. 8.21, а. При 033 индуктивный ток дугогасящей катушки, сдвинутый по фазе на 180° относительно емкостного тока сети, компенсирует последний в МП, При резонансной настройке 1/(g)Lk) =3(d (С02 4- COi), где LK — индуктивность катушки; Coi — емкость поврежденной линии; С02 + С01 — емкость всей электрически связанной сети.
Результирующий ток нулевой последовательности в начале поврежденной линии /0 = /02 — Л,. При настройке, близкой к резонансной, этот ток может стать меньше собственного емкостного тока отдельной линии:
/о < ^*oi“	(8.12)
Определить направление в сторону повреждения по значению тока .нулевой последовательности не представляется возможным Делать же повышенную расстройку дугогасящей катушки нецелесообразно, так как при этом повышается вероятность перехода однофазного замыкания в многофазное КЗ.
Более эффективным как для определения поврежденного направления в кабельных и воздушных сетях, так и для поиска места 033 на трассе ВЛ является использование магнитных полей высших гармонических токов в линиях Как показано в [781, распределение высших гармонических токов 033 аналогично распределению токов промышленной частоты (рис. 8.21, а). При этом дугогасящая катушка, настроенная на основную гармонику, не только не компенсирует токов высших гармоник в поврежденной линии, но и повышает чувствительность, генерируя дополнительные токи высших гармоник.
Не создают практически существенного мешающего воздействия и составляющие высших гармоник в нагрузочных токах. Как показано в [79], независимо от наличия компенсации емкостных токов и значений нагрузок ток 3/Оп в начале поврежденной линии примерно в C02/C0f раз больше собственного тока 3foin неповрежденной линии. Здесь п — номер гармоники, равный 3, 5, 7, 9, 11, 13 и т. д.
На рис. 8.21, б показано распределение напряженности И магнитного поля фазных токов высших гармонических для трех сечений, перпендикулярных к оси ВЛ. В сечении Sj для начального участка поврежденной линии ток i3 в поврежденном проводе В больше равных между собой по абсолютным значениям токов iA1 и ici. В сечении S2 для участка этой же линии после МП ток в поврежденной фазе В равен нулю, а в двух других фазах модули токов
273
равны между собой. В сечении S3 на неповрежденной линии картина аналогичная. Таким образом, по относительному уровню фазных токов высших гармоник (или пропорциональным им напряженностям поля) можно судить о направлении к месту 033.
Для выделения поврежденного элемента и в кабельных и воздушных сетях нашли применение стационарные устройства, реагирующие на величины, пропорциональные токам высших гармонических (или сумме гармоник) нулевой последовательности и фазным токам высших гармонических. Для отыскания МП на трассе ВЛ пока используются практически только составляющие нулевой последовательности. Использование магнитного поля фазных токов высших гармоник требует определенной пространственной ориентации датчика относительно каждого провода. Приближение датчика к проводу не должно существенно превышать расстояния между фазными проводами. Это усложняет условия по соблюдению техники безопасности. Однако реагирование на фазные токи имеет ряд преимуществ, так как обеспечивает относительный, а не абсолютный замер (что упрощает процесс поиска) и более высокую чувствительность в сетях из двух-трех ВЛ, когда одна из них имеет существенно большую длину.
В последнем случае практически не удается удовлетворить условию (8.11), относительный же замер для фазных токов достаточно чувствителен.
Возникновение высших гармоник тока 033 обусловлено наличием нелинейных элементов в электрической сети и главным образом нелинейностью вольт-амперных характеристик силовых трансформаторов. Чем выше номер гармоники, тем больше относительный уровень этой гармоники в токе 033 по сравнению с уровнем в токе нагрузки. Как показано в [79], в кабельных и воздушных сетях 6—35 кВ уровень высших гармоник вполне обеспечивает необходимые условия чувствительности и селективности поиска МП в подавляющем большинстве случаев. При 033 через значительные (сравнимые с емкостным сопротивлением сети) переходные сопротивления напряжение на поврежденном проводе линии уже не равно нулю, напряжение смещения нулевой точки сети становится меньше, чем фазное напряжение. Соответственно уменьшается токи, протекающие по линиям, хотя соотношения для токов поврежденной и неповрежденных линий сохраняются. С ростом частоты (номера n-гармоники) чувствительность к возрастанию переходных сопротивлений снижается, так как уменьшается емкостное сопротивление сети. 274
Для использования направленных устройств в процессе ОМП приходится кроме токов подводить к приборам и напряжения. Иными словами, необходима также индикация электрической напряженности единого электромагнитного поля линии. В РУ для этой цели используются измерительные трансформаторы напряжения (для высших гармоник с соответствующими фильтрами). На трассе ВЛ используются штыревые антенны.
8.4.	ПРИЕМНАЯ АППАРАТУРА
Задачей этого параграфа является изложение основных требований к приемной аппаратуре и структурных принципов ее построения.
Оптимальное построение и количественные характеристики генератора и приемника индукционного кабелеискателя взаимосвязаны. Для удобства изложения будем рассматривать приемник и генератор отдельно. Однако надо всегда иметь в виду условность получаемых характеристик отдельного блока (генератора или приемника). Приемное устройство содержит индукционный датчик, преобразующий напряженность магнитного поля в электрическое напряжение, усилитель и индикатор. Это устройство должно иметь автономное питание, работать в диапазоне температур от — (30-МО) до (+40-МО) °C при относительной влажности до 98 %, быть вибростойким, иметь потребление энергии и массу, соответствующие требованиям к переносной полевой аппаратуре [80].
Основной характеристикой приемного устройства является помехоустойчивость. Значительный уровень промышленных помех затрудняет поиск не только места замыкания между фазами, но и места однофазного повреждения перспективным методом аномалии минимального сигнала. Одним из важных путей повышения помехозащищенности приемного устройства является частотная отстройка от помех.
Главным источником помех является ток промышленной частоты (50 Гц). Но из-за отличия формы тока промышленной частоты от идеальной синусоиды в приемной рамке наводятся также сигналы гармоник, кратных 50 Гц. Кроме того, непосредственно в приемном устройстве на его нелинейных элементах сигнал помехи складывается с сигналом генератора частоты fr и образуются сигналы суммарной и разностной частот, в частности (fr ± 50) Гц, (fc ± 100) Гц и т. д. При сложении сигнала генератора с наиболее близкой к нему гармоникой частоты 50 Гц
275
могут возникнуть низкочастотные биений, мешающие осуществлять поиск междуфазных повреждений по улавливанию низкочастотных изменений ЭДС, наводимой в рамках в соответствии с повивом жил.
Таким образом следует отстраиваться не только от промышленной частоты 50 Гц, но и от суммарной и разностной частот, а также по возможности от гармоник промышленной частоты, ближайших к частоте /г. Поэтому полоса пропускания селективного кабелеискателя должна быть меньше 50 Гц, при этом частоту генератора желательно выбирать такой, чтобы она была удалена от ближайших п-й и (п + 1)-й гармоник промышленной частоты. Однако возможности выполнения последнего условия существенно ограничены. Дело в том, что промышленная частота согласно стандарту изменяется от = 49,5 до f2 = 50,2 Гц. Так как 50,2л	49,5 (л + 1) при л 71, то
частоту /г, превышающую 50-71 = 3550 Гц, теоретически невозможно отстроить от гармоник промышленной частоты, лежащей в диапазоне 49,5—50,2 Гц.
Следовательно, лишь относительно низкую частоту fr можно выбрать в некотором удалении от гармоник частоты 50 Гц, изменяющейся в указанных пределах.
Таким образом, основным мероприятием по отстройке от помех следует считать обеспечение полосы пропускания кабелеискателя, значительно меньшей 50 Гц. При этом возможны два пути решения задачи. Первый предполагает выполнение селективного кабелеискателя по структурной схеме узкополосного приемника прямого усиления, второй — по структурной схеме гетеродинного приемника. Однако в случае прямого усиления, например при частоте генератора fr = 4000 Гц, для обеспечения полосы пропускания кабелеискателя Af = 13 Гц необходим фильтр с добротностью Q = 4000/13 = 300. Создание селективных звеньев с такой добротностью является отдельной технической задачей, которая дополнительно усложняется тем, что наряду с избирательностью необходимо обеспечить высокую устойчивость усилительного тракта с коэффициентом усиления, равным примерно 105.
В гетеродинном приемнике благодаря снижению частоты сигнала в результате её преобразования можно обеспечить высокую селективность при относительно небольшой добротности избирательных звеньев. Например, при том же значении fr .= 4000 Ги и выходной частоте гетеродинного приемника 400 Гц полоса пропускания кабелеискателя Д/ = 13 Гц может быть обеспечена применением избирательных звеньев с добротностью Q =а 276
= 400/13 = 30. Упрощение за счет снижения минимально допустимого значения добротности избирательных звеньев от 300 до 30 с избытком компенсирует некоторое усложнение структурной схемы при переходе от прямого усиления к гетеродинному приему.
Полосу Д/ = 13 Гц можно обеспечить при использовании избирательных звеньев с Q = 30 и в приемнике прямого усиления, если fr = 400 Гц. Однако снижение частоты генератора с 4000 до 400 Гц заметно ухудшает исходное отношение сигнал/помеха. Кроме того, приемник прямого усиления будет менее устойчивым.
Рис. 8.22. Структурная схема селективного приемника.
Таким образом, более рациональным является выполнение селективного кабелеискателя по структурной схеме гетеродинного приемника. В этой схеме (рис. 8.22) принимаемый датчиком Д (индукционной рамкой, обычно со стержневым ферритовым сердечником) сигнал поступает сначала в усилитель частоты генератора УЧГ и далее — в преобразователь частоты ПЧ, на второй вход которого подается сигнал от гетеродина Г. На выходе преобразователя включен фильтр разностной частоты ФРЧ, а за ним — усилитель этой частоты УРЧ. На выходе последнего усилителя включен индикатор И. Наиболее целесообразно одновременное применение стрелочного прибора и телефона. Все блоки питаются от устройства питания У/7, выполняемого на основе сухих батарей.
Эффективность применения гетеродинной схемы возрастает с увеличением отношения /г//вых, так как при большем значении этого отношения легче отфильтровать частоты гетеродина и входного сигнала и выделить разностную частоту /вЫХ. При fr/fBblX < 2 фильтр разностной частоты ФРЧ настолько усложняется, что использование гетеродинной схемы становится нерациональным.
Для индукционного кабелеискателя можно обеспечить отношение /г//вых = 10, так как /вых допустимо снизить
277:
уменьшается до трех и
Рис. 8.23. Амплитудно-частотная характеристика селективного кабелеискателя.
до 300—600 Гц (дальнейшее уменьшение /вых ограничено применением телефонов в качестве индикатора), а частота генератора может быть выбрана 3000—6000 Гц. Однако в ряде случаев, например при необходимости совместной работы с электромашинным генератором, кабелеискатель должен быть настроен на его частоту, приблизительно равную 1000 Гц. При этом значение отношения fr//BbIX реализация структурной схемы (рис. 8.22) несколько осложняется.
Важной характеристикой индукционной рамки является величина
X =
где Еа — ЭДС, наводимая в рамке при воздействии магнитного поля напряженностью На\ р — магнитная проницаемость материала сердечника; S — его сечение; w — число витков рамки.
Например, для ферритового сердечника с р = 5 X
X 10“4 Ом-с/м, сечением 0,785*10'4 м2, при рамке с w = = 5000 витков и частоте генератора сог == 2л* 1000 получаем % = 1,25 Ом*м.
Чувствительность приемного устройства в целом оценивают по напряженности магнитного поля На, которая обеспечивает при максимальном усилении всего тракта (L^) достаточный сигнал на индикаторе (например, 1 В). Порядок величин: На = 10“4 А/м и k7imax = (0,2ч-2) • 105. Уровни сигнала и помехи на выходе рамки и пассивного входного контура до первого каскада усилителя могут изменяться в сотни раз, но нельзя допускать выхода этого каскада (и всего предусилителя) из линейного режима работы, так как при этом резко снизится помехоустойчивость.
Амплитудно-частотная характеристика приемного устройства гетеродинного кабелеискателя, выполненного по структуре рис. 8.22 во ВНИИЭ [80], представлена на рис. 8.23. При /0 = 1000 Гц полоса пропускания на уровне 0,7 равна 13 Гц, а на уровне 0,1 составляет 40 Гц. Сигнал частоты 50 Гц ослабляется в 30 000 раз при £у> тах = ?= 0,4-105, Проведенные испытания для сравнения этого 278
устройства с кабелеискателями на основе прямого усиления — широкополосным и узкополосным (полоса пропускания 100—200 Гц) — показали, что гетеродинный усилитель имел улучшенное соотношение сигнал/помеха соответственно в 20 и 8 раз. Это означает, что требования к мощности генератора можно снизить в 400 и 64 раза.
Следует однако подчеркнуть, что в практике кабельных сетей успешно применяются как широкополосные (апериодические), так и узкополосные системы прямого усиления в индукционных кабелеискателях.
Рис. 8.24. Конструкция накладной рамки.
1 — кабель; 2 и 3 — защитные экраны; 4 — датчик.
Отметим некоторые особенности индукционных рамок (датчиков) для КЛ. Наиболее распространены датчики цилиндрической формы с ферритовыми сердечниками (например, типа Ф-600). Катушки содержат несколько тысяч витков. Частотная настройка осуществляется подключаемым параллельно катушке конденсатором. Для повышения селективности применяется так называемая двухконтурная рамка, выполненная в виде двух индуктивно связанных настроенных контуров, один из которых конструктивно размещен внутри другого. Для повышения помехозащищенности используют также две отдельные одинаковые рамки, включаемые встречно и разнесенные в пространстве на расстояние шага скрутки.
Конструкция накладной рамки для индукционного поиска на вскрытых кабелях приведена на рис. 8.24.
Приемная аппаратура для трассового поиска на ВЛ в режиме 033 также является переносной и аналогично кабелеискателям должна иметь потребление энергии, массу и климатические характеристики, удовлетворяющие требованиям к полевым приборам.
Структурная схема переносного приемного устройства, реагирующего на напряженность магнитного поля токов нулевой последовательности, показана на рис. 8.25.
279
Магнитный датчик М, как и для КЛ, представляет собою индуктивную катушку с разомкнутым ферромагнитным сердечником. Ось катушки ориентируется аналогично рассмотренному для КЛ, с той лишь разницей, что поле токов нулевой последовательности целесообразно фиксировать не под осью линии, а на расстоянии 6—8 м от этой оси. Предпочтительнее магнитную ось датчика располагать перпендикулярно продольной оси линии.
Сигнал от датчика в общем случае поступает на фильтр Ф.
Для получивших широкое распространение приборов на высших гармониках применяются два вида фильтров:
Рис. 8.25. Структурная схема ненаправленного индукционного приемника для ВЛ.
Рис. 8.26. Структурная схема направленного индукционного приемника для ВЛ.
резонансные (узкополосные), настраиваемые на конкретную гармонику, и полосовые, охватывающие сумму высших гармоник. На входе полосовых фильтров часто включают заграждающий фильтр для частоты 50 Гц. В приборе «Поиск-1» [9] предусмотрена резонансная настройка на частоты 5, 7, 11 и 13-й гармоник. Этот прибор можно также переключить в режим контроля поля суммы токов высших гармоник. После фильтров сигналы поступают в усилитель У (рис. 8.25). Необходимый коэффициент усиления, как и для КЛ, определяется требуемой чувствительностью измерений. Опыт разработки и эксплуатации показывает, что, например, по 11-й гармонике (550 Гц) достаточно иметь чувствительность 1,5*10”4 А/м.
В качестве индикаторов И обычно используют магнитоэлектрические миллиамперметры, включаемые через выпрямители к выходу усилителя.
Для контроля наличия ЗНЗ в сети используется штыревая антенна А, подключаемая ключом К (рис. 8.25) на вход усилителя. В режиме 033 напряжение нулевой последовательности, наводимое на антенне, в несколько десятков раз больше напряжения «небаланса» в нормальном режиме сети.
В практике для ОМП на ВЛ использовались как приборы с настройкой на 5, 7, 11 и 13-ю гармоники (а также 280
сумму гармоник), так и приборы для одной, например 11-й, гармоники и широкополосные устройства с полосой 200—1500 Гц. В большинстве сетей использование суммы высших гармонических токов предпочтительнее.
Структурная схема направленного приемного устройства приведена на рис. 8.26. Направленные устройства по принципу действия могут работать только на фиксированной частоте (50 Гц. или частоте отдельной гармоники). Магнитный датчик М и штыревая антенна А принимают сигналы, пропорциональные составляющим нулевой последовательности соответственно токов и напряжений. Эти сигналы подаются на одинаковые узкополосные фильтры Ф определенной гармоники, затем на усилители У и далее на фазочувствительную схему ФС. Направление (в сторону МП или в обратную) фиксируется по отклонению индикатора И вправо или влево.
Направленные приемные устройства более сложны, но их действие не зависит от относительной длины поврежденной ВЛ по сравнению с суммарной длиной всех линий сети.
Для стационарных устройств сигнализации 033 также используется реагирование на сумму токов высших гармоник. В случае кабельных сетей устройства подключают либо к кольцевым трансформаторам тока (при реагировании на составляющие нулевой последовательности), либо к специальным электромагнитным датчикам с разомкнутым магнитопроводом (при реагировании на фазные токи) [81 ]. Датчик укрепляется на стене РУ на безопасном расстоянии от токоведущих частей, а его магнитная ось ориентирована так, что датчик улавливает в основном магнитный поток, создаваемый током определенной фазы.
Для стационарных устройств сигнализации в сетях с ВЛ используются специальные электромагнитные датчики или трансформаторы тока нулевой последовательности [82]. I
8.5.	ГЕНЕРАТОРЫ
В этом параграфе требования и основные характеристики будут рассмотрены применительно к генераторам сигналов звукового (тонального) диапазона частот для индукционного ОМП, отключенных от сети КЛ. Для краткости будем их называть «индукционные генераторы» или просто генераторы. В конце параграфа кратко будут освещены принципы работы генераторов повышенной частоты для ОМП воздушных сетей.
10 г. М. Шалыт	281
Сопротивление нагрузки на индукционный генератор, подключенный к кабелю по схеме «жила — жила», после достаточного прожигания (7?п « 0)
ZH = ZBthy/,	(8.13)
где ZB — волновое сопротивление межпроводного канала в расчете на два провода; у = ]/\R + ja^L)j(orC = = а + /Р — коэффициент распространения* этого же канала; 7?, L и С — удельные активное сопротивление, индуктивность и емкость для схемы «жила — жила»; (ог = 2л/г — круговая частота синусоидального сигнала генератора; I — расстояние до МП.
Длина волны колебаний с частотой /г составляет X — = v/fr, где v — скорость распространения (для силовых кабелей 160* 103 км/с). Например, при /г = 1000 Гц X = 160 км, при /г = 12 000 Гц X = 13,4 км.
Для I < V5 можно ориентировочно считать
ZH = (7? + >L)/.	(8.14)
Это означает, что такой расчет приемлем для I < 2,5 км во всех случаях. При больших длинах следует учитывать значение fr или рассчитывать ZH по формуле (8.13). С ростом частоты растет нагрузка. Включение последовательной компенсирующей емкости, как указывалось в § 8.2, дает удовлетворительные результаты только до I < 30 000//р (частота в герцах, расстояние в километрах).
Желательно, чтобы нестабильность фиксированной частоты генератора при его работе с селективным приемником не превышала 1 %. Требования к генератору по температурному диапазону, вибростойкости и влагостойкости такие же, как и к приемному устройству. Важным является и требование минимизации массы генератора. Повышение КПД генератора не имеет значения с точки зрения экономии электроэнергии (он подключается к сети трансформаторной подстанции), но способствует уменьшению массы. Применение находят электромашинные, тиристорные и транзисторные генераторы.
При проектировании транзисторного генератора, предназначенного для ОМП силовых КЛ индукционным методом, возможны два направления. Одно предполагает выполнение устройства по схеме линейного усилителя мощности, другое — по схеме ключевого преобразователя постоянного напряжения в переменное квазипрямоуголь-ной формы [23 L
Линейный усилитель имеет то преимущество, что позволяет получить синусоидальную форму кривой выходного напряжения. Это создает предпосылки для определенных энергетических выгод, так как вследствие селективности приемного устройства электромагнитное поле образуется током только первой, основной гармоники выходных колебаний генератора. Поэтому при выходных синусоидальных колебаниях вся мощность, отдаваемая передатчиком в КЛ, используется для создания полезного сигнала, а в случае квазипрямоугольцых выходных колебаний — только 60 % выходной мощности генератора. Таким образом, с одной стороны, линейные усилители привлекают синусоидальной формой выходных колебаний, с другой — характеризуются низким коэффициентом использования транзисторов
где Рн — мощность нагрузки; Рп—потери мощности
в транзисторе.
В усилителях класса А коэффициент ки = 0,5, а в усилителях класса В ka = 2,46.
Выходные параметры линейных усилителей сущест-
венно зависят от температуры и положения рабочей точки.
Поэтому на практике возникает необходимость принимать
специальные меры для стабилизации и линеаризации
характеристик каскадов усилителя. Это усложняет схему и дополнительно снижает ки по сравнению с приведенным
расчетным значением. Из-за низкого коэффициента исполь-
зования транзисторов линейные усилители непригодны для управления мощными объектами.
В ключевых усилителях и преобразователях может быть обеспечен в десятки раз больший ки, что позволяет
при ограниченных размерах радиатора повысить мощность нагрузки на выходе транзисторного устройства. Например, транзистор с мощностью рассеяния 5 Вт может переключать нагрузку мощностью до 300 Вт при ки = 60. В линейном усилителе класса В, выполненном на транзисторах того же типа, мощность, отдаваемая в нагрузку, не может быть больше 12 Вт, т. е. должна быть уменьшена в 25 раз.
С учетом изложенного генератор мощностью 150— 200 Вт более рационально выполнять по схеме транзисторного ключевого преобразователя. В современных условиях при работе, с селективными приёмниками мощность генераторов до 200 Вт представляется достаточной для индук-
10*
283
ционного ОМП всех КЛ 0,127 — 10 кВ и большинства КЛ 35 кВ. Увеличение мощности генераторов может быть оправдано лишь при использовании их в качестве последней ступени прожигания дефектной изоляции. В частности, для этого используются тиристорные и электромашинные генераторы.
Приведем краткие сведения по основным характеристикам отечественных и зарубежных индукционных- генераторов.
Крупносерийного выпуска транзисторных генераторов в СССР нет. Небольшими сериями выпускаются генераторы мощностью до 100 Вт на частоте около 1000 Гц. Серийные тиристорные генераторы типа ГЗЧ-Т2 имеют мощность 2 кВт на рабочей частоте (900—1200) Гц ± 5 %. Масса этих генераторов 80 кг. Напряжение питания 220 В, 50 Гц.
В СССР также выпускаются два типа электромашинных генераторов. Генератор ГИС-2 — синхронный трехфазный с приводом от электродвигателя мощностью 2,8—4,5 кВт. Мощность генератора 1—3 кВт при напряжении 230 В. Выполняется на рабочие частоты 300, 400, 600, 800, 1200 и 2400 Гц. Масса генератора 100 кг, а всего агрегата 200 кг. Генератор ГИМ-1 входит в состав вертикального однокорпусного агрегата двигатель — генератор фланцевого типа. Это синхронный трехфазный генератор мощностью 0,8—1 кВт. Напряжение 220 В. Выполняется на рабочие частоты 600, 800, 1200, 1600 и 2400 Гц. Масса агрегата 86 кг.
Фирма Robotron Messelektronik «Otto Schon» (ГДР) выпускает транзисторные генераторы типа 81017 с регулируемой выходной мощностью 0—200 Вт, рабочими частотами 1030 Гц и 10 кГц. Выходное сопротивление путем переключения отпаек обмотки трансформатора согласуется с сопротивлением нагрузки в диапазоне 1,5—1500 Ом. Питание от сети 220 В, 50—60 Гц с потреблением 500 В*А. Масса 20 кг. Совместно с этим генератором используется универсальный приемник типа 81018 с фиксированными частотами 50, 1030 и 10 000 Гц.
Фирма Seba dynatronic (ФРГ) выпускает набор транзисторных генераторов мощностью 2—500 Вт. Генератор FLS 500 имеет мощность 500 Вт при выходных напряжениях 25—700 В, рабочие частоты 1,3; 1,45; 10 и 12 кГц, масса 32 кг. Совместно с этим генератором используется универсальный приемник FLE 66. На частотах 10 и 12 кГц обеспечен гетеродинный прием при полосе около 30 Гц, 284
В настоящее время генераторы повышенных (по сравнению с 50 Гц) частот не получили широкого распространения для ОМП воздушных сетей. Серийно они не выпускаются. Однако представляется перспективным опыт Тула-энерго по созданию и применению электромагнитного генератора ЭГЧ-4 [24]. Схема этого устройства и его подключения к сети показана на рис. 8.27. Трехобмоточный трансформатор, питаемый от сети 220 В, 50 Гц, работает в режиме, соответствующем нелинейной части характеристики намагничивания. Подключение подстроечного конденсатора С к обмотке среднего напряжения СН
Рис. 8.27. Схема подключения к сети генератора типа ЭГЧ-4.
обеспечивает подачу в сеть тока пятой гармоники (250 Гц). Этот ток достигает 3,5 А и составляет до 75 % значения тока основной гармоники промышленной частоты. Такой ток во много раз превышает естественный уровень пятой гармоники в сетях 6—20 кВ протяженностью до 150 км. Чувствительность поиска места 033 значительно увеличивается.
Этот же генератор может быть использован и для ОМП в отключенной сети с одновременным прожиганием поврежденной изоляции [24]. В этом случае при отключенном высоковольтном выключателе В переключатель П переводится из положения 1 в положение 2. Обмотка высокого напряжения ВН и диод Д обеспечивают ток прожигания до 0,6 А. Остается также возможность подачи на отключенную сеть тока пятой гармоники и поиска МП обычной приемной аппаратурой. Масса устройства ЭГ-4, включая масляное заполнение трансформатора, составляет 75 кг.
285
ГЛАВА ДЕВЯТАЯ
КОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ
9.1.	ЭЛЕКТРО КОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ ОМП ДЛЯ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ
Эти методы также называют потенциальными. Для них характерно создание непосредственного контакта устройств ОМП с цепью протекания тока через МП. Контактные методы являются вспомогательными для кабелей с металлическими защитными оболочками и основными для КЛ с пластмассовыми защитными оболочками.
В кабельных сетях давно применяется контактный метод отыскания места замыкания жилы на оболочку
т т
Рис. 9.1. Контактные стержни (зонды).
‘с питанием кабеля постоянным напряжением от аккумулятора или выпрямительной установки. В этом методе два контактных стержня с острыми металлическими наконечниками присоединяются к гальванометру (рис. 9.1). В МП ток переходит с жилы на оболочку, а также начинает растекаться в земле. Поэтому, не изменяя относительного расположения стержней на расстоянии 1—1,5 м друг от друга при перемещении их вдоль трассы кабеля, отыскивают место изменения направления отклонения гальванометра.
Из-за сложности картины растекания тока в земле надежные результаты получаются лишь при осуществлении контакта
стержней непосредственно с металлической
оболочкой вскрытого кабеля, что требует раскопок и явля-
ется существенным недостатком метода.
В качестве дополнения к описанному в гл. 8 импульсно-
индукционному методу разработан импульсно-контактный метод [75]. При этом используются те же схемы включения импульсного генератора и тот же приемник. Вместо индукционной рамки применяют два зонда — контактные стержни (рис. 9.1), от которых идут провода, присоединяе-
мые к входу приемника.
При измерениях зонды втыкают в почву вдоль оси кабеля точно по трассе на глубину 5—8 см. Расстояние между зондами устанавливают равным 50—100 см и во время измерения поддерживают постоянным. Измерения необ-
286
ходимо начинать с точки трассы, заведомо находящейся до повреждения (до точки А на рис. 9.2). При этом путем регулировки усиления следует добиться отклонения стрелки, например, на половину шкалы и, перемещая зонды вдоль трассы, осуществлять поиск. Изменение показаний импульсного вольтметра, включенного на выходе приемника, при перемещении вдоль трассы показано на рис. 9.2. Место повреждения расположено в зоне между точками К и N.
мВ
Рис. 9.2. Изменение показаний импульсного приемника при перемещении контактных стержней по трассе.
ЦО м
Импульсно-контактный метод применим только при мягком земляном покрове трассы. Этот метод к настоящему времени еще не нашел распространения в электросетях.
В последние годы широко применяются силовые кабели с наружной пластмассовой защитной оболочкой. В ФРГ предложены методы профилактических испытаний и ОМП таких оболочек. Своевременное выявление МП наружной оболочки предотвращает аварийный выход кабелей из строя. Металлическая внутренняя оболочка таких кабелей в соединительных муфтах изолирована от земли, а в концевых разделках может быть сравнительно легко отключена. Между металлической оболочкой и «землей» прикладывается постоянное испытательное напряжение 2 кВ. Если пластмассовая оболочка не выдерживает этого напряжения, то место пробоя определяется потенциальным методом (его в ФРГ называют методом шагового напряжения). Используется либо источник постоянного тока совместно с контактными стержнями и гальванометром, либо генератор звуковой частоты (1,45 йли 10 кГц) с контактными пластинами (рис. 9.3) и миллй-
287
вольтметром, либо импульсный генератор с контактными пластинами и импульсным вольтметром.
В двух последних случаях контактные пластины обеспечивают емкостную связь с землей и поэтому пригодны при асфальтовых и бетонных покрытиях трассы. Схема ОМП и распределение потенциалов в зоне повреждения показаны на рис. 9.4.
Рис. 9.3. Потенциальные (емкостные) зонды.
Рис. 9.4. Изменение потенциалов по трассе поврежденной КЛ (а) и схема подключения генератора Г при использовании потенциального метода (6).
При импульсных измерениях напряжение импульсного генератора не должно превышать 2—3 кВ. При измерениях на постоянном токе в ряде случаев применяется компенсация потенциалов от блуждающих токов транспортных сетей. Измерения желательно проводить не далее 10 м от трассы кабеля. Предварительно зону расположения МП пластмассовой оболочки можно определить с помощью высоковольтного моста постоянного тока петлевым мето= дом, используя одну из неповрежденных жил кабеля.
9.2.	ЭЛЕКТРО КОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ ОМП
ДЛЯ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ
Эти методы в настоящее время используются для отыскания опор, через элементы которых протекал ток КЗ или ток 033. Следует различать контактные методы ОМП, основанные на фиксации протекания тока через изоляторы (гирлянду изоляторов), и методы, основанные на фиксации протекания тока через элементы конструкции опоры.
На рис. 9.5 схематично показано расположение указателей повреждений (УП) на железобетонных и металлических опорах. Указатели I устанавливаются на первом 288	-
элементе гирлянды изоляторов (считая от заземленной траверсы). К числу таких указателей относятся УПИ — изоляционные пластмассовые диски с разрезом и отверстиями, закрытыми металлизированной пленкой. Диск надевается на головку первого элемента гирлянды изоляторов ВЛ. При перекрытии гирлянды пленка сгорает в результате теплового воздействия дуги и раскрывшиеся отверстия в диске можно увидеть с земли, подойдя к опоре. Устройства дешевы, и надежность их срабатывания доста
точно высока. Однако они имеют следующие существенные недостатки:
необходимость установки на верхних конструкциях опоры, что требует либо отключения ВЛ, либо принятия сложных мер по обеспечению безопасности;
Рис. 9.5. Расположение указателей повреждения на опорах.
а — железобетонная опора; б — металлическая опора; I, II и III — указатели протекания тока через гирлянду подвесных изоляторов, тело железобетонной опоры и конструктивный элемент металлической опоры; IV — указатель типа указателя III, но с емкостным питанием от рабочего напряжения ВЛ.
необходимость установки на всех гирляндах опоры (например, для одной двухцепной анкерной опоры требуется 12 указателей);
невозможность различить импульсное грозовое перекрытие от перекрытия, перешедшего в силовую дугу с протеканием тока КЗ промышленной частоты.
Для ВЛ разных* классов напряжения характерно различное относительное количество переходов импульсных перекрытий в силовую дугу. При невысокой вероятности таких переходов в грозовой сезон может произойти большое4 количество срабатываний (выгораний пленок) указателей без возникновения КЗ на ВЛ. При этом персонал может быть дезориентирован при возникшем позднее КЗ. Исключить соответствующие ошибки можно лишь за счет увеличения частоты обхода ВЛ. Это может явиться главным препятствием к внедрению указателей рассмотренного типа. Опыт ближайших лет позволит выявить их перспективность.
Указатели II—IV (рис. 9.5), реагирующие на ток, протекающий по опоре, от импульсных процессов отстроить
289
проще. Во всяком случае не приходится иметь дело с характеристиками электрической дуги высокого напряжения.
В рекламных проспектах Японии и США сообщалось о контактных устройствах, основным элементом которых служит плавкий проводник, сгорающий при протекании тока КЗ через тело опоры. В этот проводник ответвляется часть тока металлического каркаса опоры. При расплавлении плавкого проводника освобождается пружина (или защелка), позволяющая переместиться в сработавшее
положение яркому цветному блинкеру. Последний может быть замечен даже с летящего над трассой ВЛ вертолета.
В СССР используются указатели поврежденных опор, основным элементом которых является электромагнитный датчик тока. Схема одного из таких устройств (УПО-М) приведена на рис. 9.6, а.
Датчик состоит из сердечника 1 с обмоткой и магнитопровода 2, охватывающего тело железобетонной опоры 3. При
Рис. 9.6. Конструктивные протекании тока повреждения элементы указателей повре- по металлической арматуре жденных опор.	опоры конденсатор С заряжается
а — для железобетонных опор; до напряжения Срабатывания о —для металлических опор.	г
тиратрона с холодным катодом Р, а затем разряжается через тиратрон на обмотку запоминающего магнитного элемента Afi из магнитотвердого материала, сохраняющего намагниченность достаточно долго.' Переносный'блок ПБ, с которым оперативная бригада перемещается от опоры к опоре, содержит магнитопровод 7Иа, магнитоуправляемый контакт /<, батарейку Б и индикаторную лампочку накаливания. При прикосновении магнито-провода Af2 к намагниченному магнитопроводу контакт К замыкает цепь индикаторной лампочки. Для возврата стационарного блока в исходное состояние магнитопровод размагничивают постоянным магнитом.
Применяются также указатели поврежденных опор
с импульсными лампами, питающиеся от емкостного отбора. При использовании УП на металлических опорах магнитопровод охватывает не всю опору, а лишь ее часть. Соответственно используется только часть тока, текущего
290
по опоре к заземлению, пример ооразования замкнутого магнитопровода на металлической опоре показан на рис. 9.6, б. Магнитные элементы 4 и 5 из магнитотвердого материала и две металлические скобы 6 из магнитомягкого материала совместно с уголком 7 конструкции опоры образуют замкнутый магнитный контур, внутри которого по уголку (перпендикулярно плоскости рисунка) протекает ток повреждения. При установке элементы 4 и 5 всех указателей опор ВЛ намагничиваются постоянным магнитом в разные стороны, например, как показано на рис. 9.6, б. При протекании тока повреждения магнитный поток, замыкающийся через элементы 4 и 5, их перемагнитит.
Если поднести переносный блок, содержащий магнитную стрелку, к элементам 4, 5 опоры, где произошло перемагничивание, то направление, показываемое ею, будет на 180° отличаться от показаний на остальных опорах. Расчетный ток срабатывания составляет примерно 100 А для указателей на железобетонных опорах и 50 А для указателей на металлических опорах [9].
По сравнению с указателями, реагирующими на ток через поврежденные изоляторы, указатели, реагирующие на ток, протекающий через опоры, имеют следующие недостатки:
высокую вероятность срабатывания одновременно на двух-трех и большем числе опор, так как ток КЗ растекается через грозозащитные тросы к соседним опорам;
большую сложность, а следовательно, и меньшую эксплуатационную надежность;
существенно более высокую стоимость.
В современных условиях указатели поврежденных опор должны обеспечивать высокую надежность срабатывания при КЗ и успешных и неуспешных АПВ, отсутствие срабатываний при импульсных перекрытиях, не переходящих в силовую дугу, и иметь низкую стоимость, учитывая, что на 100 км ВЛ требуется 200—400 указателей. Необходимо продолжать работы по совершенствованию рассматриваемых указателей, так как только их использование совместно с дистанционным ОМП обеспечивает рациональную систему предотвращения и быстрейшей ликвидации устойчивых повреждений ВЛ.
9.3.	АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Эти методы также относятся к группе контактных. В результате акустического контакта с МП воспринимаются механические колебания, распространяющиеся от
291
7п-	,		gg
?-------------- 	-	4
- .	'1000
—г-— '	 ,
Рис. 9.7. Деревянный стетоскоп.
него. При этом специальные методы и устройства требуются только для ОМП кабельных линий.
Акустический метод практически универсален. Им можно определять повреждения различного характера: однофазные и междуфазные замыкания с различными переходными сопротивлениями; обрывы одной, двух или всех жил; в отдельных случаях возможно определение нескольких повреждений на одной КЛ. Метод с успехом применяется при отыскании повреждений на подводных участках КЛ. Важнейшим достоинством акустического метода является возможность отыскания места замыкания одной жилы на оболочку. Если, однако, при этом переходное сопротивление не превышает нескольких десятков ом, то найти МП во многих случаях не удается.
Сущность акустического метода заключается в прослу-
шивании над МП звуковых колебаний, вызванных искровым разрядом в канале повреждения. Схема формирователя искрового разряда в МП кабеля приведена на рис. 8.18. Конденсатор С заряжается от высоковольтной выпрямительной установки. Когда напряжение на нем достигнет напряжения пробоя разрядника Р, последний пробьется и конденсатор С начнет разряжаться на поврежденную жилу кабеля. При этом в кабель посылается импульс высокого напряжения. Достигнув МП, этот импульс создаст искровое перекрытие с жилы кабеля на защитную оболочку. Искровой электрический разряд всегда сопровождается звуковым эффектом. Звуковые колебания, возникшие в месте искрового перекрытия, распространяются в окружающую среду и могут быть прослушаны на поверхности земли. По окончании разряда конденсатора разрядник гаснет, что позволяет конденсатору зарядиться снова для последующего разряда. Таким образом, схема обеспечивает периодическое повторение разрядов в МП. Звуки искровых разрядов достигают максимальной громкости над МП.
Звуковые колебания на поверхности земли могут быть прослушаны стетоскопом (рис. 9.7), который обеспечивает звукопроводящую связь между ухом оператора й поверхностью земли, исключая воздушную прослойку. Деревянный стержень стетоскопа хорошо проводит звуковые колебания. Иногда сила звуковых колебаний при искровом разряде оказывается недостаточной для непосредственного прослушивания. В таких случаях применя-292
ются акустические датчики с усилителями и индикато
рами.
Известно много конструкций акустических датчиков. Основой датчика является чувствительный элемент — преобразователь механических колебаний звукового частотного диапазона в электрические. Наиболее распространены пьезоэлектрические преобразователи, представляющие собою пластинку монокристалла титаната бария,
сегнетовой соли или другого материала, имеющего высо-
кий пьезоэффект. Последний заключается в образовании электрических зарядов на поверхности пластинки при ее механической деформации, например при изгибе. Для снятия этих зарядов с поверхности пластинка металлизируется.
В качестве электромеханических преобразователей применяются также электромагнитные звукосниматели, в частности электромагнитные микрофоны, например типа ДЭМ, хорошо экранированные от внешних помех.
Для примера на рис. 9.8 показан разрез одного из акустических датчиков. Колебания грунта, даже незначительные, вызванные давлением, образованным в месте искрового разряда, передаются через корпус датчика на чувствительный элемент /,
Рис. 9.8. Конструкция акустического датчика.
что вызывает появление напряжения
на его зажимах. Это напряжение подается на вход усилителя, а после усиления — на телефон или стрелочный индикатор. Большое значение имеет хороший контакт звукопроводящего стержня (цилиндра), на котором укреплен чувствительный элемент, с грузом 2. Для защиты элемента от внешних акустических помех, передаваемых по воздуху, в датчике предусмотрена акустическая изоляция 3 (например, на основе пористой резины). Электромагнитное экранирование
достигается использованием металлических корпусов.
Механические волны испытывают отражения и преломления аналогично электромагнитным волнам, рассмотренным в гл. 4. Так, при переходе из плотного грунта в воздух коэффициент отражения составляет 0,96, а коэффициент преломления — только 0,04. Это означает, что лишь незначительная часть энергии волны может быть воспринята человеческим ухом. Деревянный стетоскоп позволяет
293
поднять эту долю до 50—60 %. Зона слышимости искрового разряда зависит от энергии и характера разряда и акустических свойств среды вблизи МП.
Для создания искрового разряда в МП необходимо, чтобы к этому.месту было приложено достаточное импульсное напряжение ип. Последнее зависит как от амплитуды посылаемого импульса и0, так и от сопротивления 7?п в месте повреждения:
un/uQ = 27?п/(2/?п 4- г),	(9.1)
где z — волновое сопротивление кабеля.
При снижении переходного сопротивления до значения волнового сопротивления кабеля начинается резкое уменьшение напряжения на искровом промежутке. Поэтому в случае малого переходного сопротивления в МП искровой разряд может и не возникнуть. При высоком напряжении пробоя, примерно равном испытательному напряжению кабеля «л ~ иисп, пробои в изоляции кабеля создаются по схеме рис. 8.19, а, т. е. без использования разрядника.
Если нельзя поднять напряжение на кабеле из-за большого тока, протекающего через МП, то необходимо использовать схему рис. 8.18, выбрав разрядник с пробивным напряжением и$ с 0,7иисп. Это ограничение вызвано опасностью возникновения перенапряжений из-за удвоения амплитуды посылаемого импульса" у разомкнутого конца в случае отсутствия пробоя МП, а также опасностью возникновения импульсных перенапряжений в связанной сети низкого напряжения, что может привести к повреждению низковольтной аппаратуры.
Следует иметь в виду что при импульсном пробое возникает большое падение напряжения на заземлении, которое может привести к так называемому обратному перекрытию с заземления на низковольтную сеть. Во избежание этого конденсатор и другие элементы цепи импульсного разряда заземляют отдельным проводом с выносным заземлителем. Хорошая слышимость пробоев получается, когда в защитной оболочке кабеля имеется отверстие. Если при этом замеренное омметром переходное сопротивление будет очень мало « 0, то это ёще не означает, что искрового разряда не возникнет. Дело в том, что при большом по объему выгорании изоляции очередной пробой может легко разрушить образовавшийся канал с низким сопротивлением. С другой стороны, при металлическом сплавлении жилы с защитной оболочкой кабеля 294
искровой разряд получить невозможно, если только спай не будет нарушен при прохождении импульса.
Фирма Seba dynatronic ограничивает применение акустического метода условием Ra > 10 Ом. Однако опыту эксплуатации более соответствует необходимость переходного сопротивления порядка нескольких десятков ом. Чем плотней и однородней грунт, расположенный над кабелем, тем лучше передача звуковых колебаний. Поэтому покровы из рыхлого снега, сухого песка, щебня, шлака и строительного мусора обусловливают резкое сокращение зоны слышимости. Наибольшую зону слышимости обеспечивают глинистые грунты, лед и монолитные бетонные покрытия. Акустический метод невозможно применить на кабелях, не имеющих отверстия в оболочке на МП, если кабель залегает на очень большой (больше 2—3 м) глубине или имеется звукопоглощающая среда в грунте над МП, при наличии прочного металлического мостика, а также при высокой изоляции оборванных жил.
Важнейшим показателем эффективности акустического метода является энергия разряда, Дж:
W = Cuq/2, где щ — напряжение пробоя разрядника, кВ; С — емкость, разряжаемая на поврежденный кабель, мкФ.
При слишком малой емкости С акустический метод неэффективен. Это объясняется следующим. Длительность разряда определяется постоянной времени т = Cz. Поскольку для силовых кабелей г = 10 4-50 Ом, то, приняв zcp = 30 Ом, можно записать следующее условие;
О	= ^mfn/ЗОо	(9 «2)
Если меньше времени пробега импульса по кабелю, то амплитуда импульса снижается по мере приближения к месту пробоя и тем более снижается акустическая энергия.
При I = 2500 м и v = 160 м/мкс время пробега составит 15 мкс, откуда С > 0,5 мкФ. Опыт эксплуатации подтверждает необходимость использования емкости не менее 0,5 мкФ. Так как акустическая энергия увеличивается пропорционально uj, то следует стремиться к максимальному подъему напряжения и0» ограничивая его уровнем допустимых перенапряжений. Для низковольтных кабелей приходится увеличивать энергию в основном за счет емкости, используя батареи в десятки и даже сотни микрофарад. Типичное значение энергии разряда для акустического метода лежит в диапазоне 200—1000 Дж. Эта
295
энергия обеспечивается для КЛ 6—10 кВ при и0 = 20 кВ и С = 0,54-2,5 мкФ, а для низковольтных КЛ при щ =* = 2-?-3 кВ и С = 204-100 мкФ.
Перед началом ОМП акустическим методом необходимо знать зону его расположения, так как для кабелей длиной более 100 м прослушивание всей трассы нецелесообразно. Предполагаемое МП определяется дистанционным методом и отмечается на трассе. Зона поиска в зависимости от примененного метода и состояния документации может составлять до нескольких десятков метров.
Поиски наиболее удобно производить, установив периодичность искровых разрядов в кабеле равной одному пробою в 2—6 с. Поиски в зоне повреждения производятся путем установки акустического датчика на грунт или дорожное покрытие над трассой кабеля через каждые 1—2 м до достижения максимальной слышимости искровых разрядов. Если трасса кабеля точно не известна, то ее уточняют с помощью индукционной рамки, в которой наводится импульсное напряжение в момент разряда. Отыскание трассы производится аналогично вышеописанному ее определению индукционным методом с включением генератора по схеме «жила — земля». С помощью этой же рамки легко установить наличие разрядов в кабеле и их периодичность.
Периодичность разрядов может нарушаться из-за обгорания электродов разрядника. Поэтому часто применяют трехэлектродные разрядники. При этом импульсы напряжения на поджигающий электрод подаются строго периодически от специального генератора. Кроме улавливания периодичности разрядов на трассе вблизи МП индукционной рамкой используют также прием звука пробоя разрядника по радиоканалу (радиотелефону).
Имеется положительный опыт повышения помехоустойчивости акустического метода путем использования двухканального приемника по структуре, показанной на рис. 9.9. Импульсный сигнал разряда, принятый индукционной рамкой 1 и усиленный в блоке 3, приводит к срабатыванию порогового устройства 5, которое запускает блок временной задержки 6 и открывает ключ 7 для передачи акустического сигнала от датчика 2 на усилитель 4, Через время задержки А/ ключ закрывается. Если акустический сигнал возникнет в интервале времени между открытием и закрытием ключа 7, то сработает индикатор 3. Установив А/ <£ Г (где Т — периодичность повторения разрядов), резко увеличивают помехоустойчивость, так как интервал времени приема акустических помех сокращается.
296
В США для кабелей в металлических трубах нашли применение две разновидности акустического метода: «направление звука» и «измерение расстояния, пройденного звуком».
Метод «направление звука» использует разность времени распространения звуковых колебаний, вызванных дугой в МП, до двух акустических датчиков, установленных в разных точках линии. О направлении, в котором надо искать МП, можно судить по тому, который из датчи
Рис. 9.9. Структурная схема двухканального приемника для акустического метода.
ков сработает первым, так как он является ближайшим к МП. При установке датчи
Рис. 9.10. Схема измерения расстояния, пройденного звуковой волной.
1 — металлическая труба кабеля; 2 — жила кабеля; 3 — место пробоя; 4 — акустический датчик;
5 — блоки пуска и останова счетчика; 6 — счетчик; 7 — высоковольтная выпрямительная установка.
ков непосредственно на металлической трубе удается улавливать звуковые колебания на расстоянии до 60 м от места пробоя. Перемещая датчики, находят МП с точностью до нескольких сантиметров.
В случае второй из указанных разновидностей акустического метода измеряется специальным счетчиком (или с помощью осциллографа) интервал времени от момента прихода по трубе электрического импульса до момента прихода звукового импульса при пробое в МП. Так как электрический импульс распространяется вдоль трубы значительно быстрее звукового, то измеренное время практически равно времени распространения звука. Если измерения производить на двух стойках, вбитых в землю над трубой в 2 м от нее и на расстоянии 3—8 м друг от друга, то можно определить направление на МП и расстояние до него. Перемещая стойки, можно приблизиться к МП. Можно также рассчитать расстояние до МП, если проводить измерения в колодцах с обеих сторон от этого места.
Принципиальная схема измерения .с применением электродного счетчика приведена на рис. 9.10. Электрический импульс, распространяющийся по трубе, запускает
счетчик, а остановка счетчика происходит после прихода
297
звукового импульса. Скорость распространения звука по стальной трубе составляет 3874 м/с. Для усилителей акустического сигнала непригодна узкая полоса (несколько десятков герц) селективных усилителей индукционных приемников.
Упоминавшийся выше универсальный индикатор типа 81018 фирмы Robotron Messelektronik «Otto Schon» (ГДР) кроме диапазонов для приема индукционных сигналов имеет два диапазона для акустических сигналов: 50— 500 Гц при использовании пьезоэлектрического микрофона и 100—2000 Гц при использовании электродинамического микрофона. Универсальный приемник фирмы Seba dynat-ronic (ФРГ) имеет для усиления акустических сигналов канал с полосой 100—7000 Гц. Эта же фирма использует разные датчики: для рыхлого грунта массой 1,7 кг и для твердого грунта датчик массой 5,8 кг.
Широкополосные усилители (полоса 400—700 Гц и более) могут использоваться для переключения с индукционной рамки на акустический датчик.
Индукционная рамка для приема импульсов тока акустического разряда должна подключаться к тракту усиления с полосой не менее нескольких сотен герц. Комбинированное (универсальное) приемное устройство для индукционного и акустического метода ОМП должно иметь либо специализированные частотные диапазоны, либо отдельные усилители с разной полосой пропускания.
В отечественных испытательно-прожигательных установках для образования импульсов акустического разряда используются те же выпрямительные устройства, что и для прожигания дефектной изоляции. Такова же практика и в ГДР. Приведем данные по установке типа 82012, выпускаемой фирмой Robotron Messelektronik «Otto Schon», импульсное напряжение — 3/6/12 кВ; импульсная (разрядная) энергия —900 Вг-с (1800 Вт-с); период следования импульсов — 6 с ± 2 %; наряжение питания 220 В при токе 10 А (кратковременно 20 А).
Фирма Seba dynatronic выпускает специальные установки для получения импульсов акустического разряда. Эти установки для КЛ до 15 кВ выполняются на энергию импульсов 250, 400, 600, 800 и 1000 Вт-с и имеют по три ступени напряжения в диапазоне от 2,5 до 24 кВ. Масса установок 20—85 кг.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
При использовании волноводных уравнений для анализа и расчета
распространения волн в многопроводных линиях первичным понятием являются не токи и напряжения, а волны 0 (х), связанные с токами и напряженйями преобразованиями
0 (х) = V-XU (х) = VI (х),
где V = (Re — вещественная симметричная положительно опре
деленная матрица.
Как показано в [28], отыскание модальных составляющих (мод распространения) при этом производится следующим образом.
Диагонализации (преобразованию подобия) подвергается либо матрица V-1Rez У"* = 0г, либо матрица V-ilrnzV"1 = 0^.
В первом случае
Г а[ 0	0 “
°г = 2
О	а; о
л»
О	О	а„
при этом
P1I Р12
р21 р22
₽1п
р2п
Рп1 Рп2 • • * Рп, п
Р11 о...............о
«	0	Р22 о . . . О
• • • • •
_ о о ... о р;,„ _ так как
|Р/, * | Р*. k', Ра, А = fe-
Bo втором случае
р"1 О
ау \°у =
о
при этом
ац «12
° у ^у “ 2
«21	«22
.	«2п
а«1
ОД
L о
так как 1«^| <аМ-
299
Отыскать <rr,	a,i и (3/ легко можно регулярным методом орто-
гонализации для вещественных матриц.
Собственные числа — коэффициенты затухания и фазы
az, ai и at-, fy, pj и Рь
а также собственные векторы S, ar и сг^, рассчитанные по трем разным алгоритмам, оказываются достаточно близкими. Для практического использования в расчетах затухания импульсных сигналов в задачах ОМП можно применить любой из отмеченных алгоритмов. Так, в проведенных для ВЛ 110, 220 и 500 кВ в диапазоне частот от 50 Гц до 500 кГц сравнительных расчетах по всем трем. алгоритмам значения коэффициентов затухания отличались не более чем на 5 %, а значения элементов собственных векторов — не более чем на 10 % в большинстве случаев и лишь для отдельных элементов различия достигали 20 %.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Необходимо для известной матрицы zy отыскать величины S и У1 = a, + jfii при i= 1, 2, п, удовлетворяющие условию

S“1zyS =
Воспользуемся предложенным в [25] итерационным методом, усовершенствованным И. И. Разиной и автором.
1.	Находится или задается нулевое приближение S^1. В качестве нулевого приближения можно использовать:
а)	матрицу Фортескью [39] — эффективно для числа проводов п 6 ч- 8;
б)	матрицу собственных векторов для симметричной вещественной матрицы N [26], элементы которой записываются в виде
•itk
где hk — высота провода k над поверхностью земли; — радиус провода k*, гц k и г'ц k — соответственно расстояния между проводами i и k и проводом i и зеркальным отображением провода k.
2.	Вычисляется матрица
F = S0-IZyS0 = Fe + FH,
где Fn и FH — диагональная и недиагональная части матрицы F.
3.	Выполняется анализ матрицы F.
3.1.	Находятся максимальные члены FA:
с = max ReFf, jfel d = max Im (Fi, k)-
3.2.	Распределяются по большей составляющей (действительной или мнимой) в порядке возрастания элементы матрицы Рд а/ + 8QD
3.3.	Последовательно проверяется выполнение условия
(at —
4.	При нарушении последнего условия соответствующие элементы матрицы FA смещаются путем добавки величины Д= ]/"с2 + d2 к их координате по оси меньшей составляющей.. Образуется смещенная матрица F' = Рд + FH.
5.	Выполняется прямая прогонка по алгоритму:
О 1	— 1 1,	• 1 ~ 11Д 1 • 1н* ы —
где k — номер столбца; / — номер строки; sr? = (< - 51) s0-‘; snl =
Snl FlSnl — F2’
до < 8, где 8 — наперед заданное малое число, например 10“в: шах | н I
81 ” min | Fh ,, д | '
При ЭТОМ фиксируются Рд р S“] р
6.	Выполняется обратная прогонка по алгоритму:
где п = 0,02, 0,04, ... 0,98, 1; таким образом постепенно ликвидируется смещение диагональных элементов, которые его имели.
Для каждого следующего п проводится прямая прогонка аналогично рассмотренной в п. 5. После достижения п = 0,98 (0,99 или 0,999 и т. п.) фиксируются F^, S",
7.	Осуществляется окончательная проверка:
v2 П
Yin
?2п
2	2
Y11	V12 • •
Т21	?22 • '
(Sn^zySn
- Yni
Tn2 ’ ’ • Yn, п -
Y11
?22
О
о
Y«, п _
О
что справедливо при
"tk, //(Т/, /) < 8, где е — любое малое число, например 10“8.
301
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО [ПРИСОЕДИНЕНИЮ К ВЛ ИСКАТЕЛЕЙ ПОВРЕЖДЕНИЙ ТИПА ЛИДА
1.	Посылку зондирующих импульсов желательно осуществлять в среднюю фазу ВЛ, так как при этом затухание импульсных сигналов минимально. Если невозможно выделение одной из фаз ВЛ для подключения генератора зондирующих импульсов, то можно рекомендовать его подключение параллельно аппаратуре ВЧ каналов любого назначения с ограничением аппаратуры генерируемых импульсов до 1 кВ. Однако этот режим- работы непригоден для ВЛ большой длины (150 км и более).
2.	Пусковые цепи искателя присоединяются к выходным замыкающим контактам реле селективных защит соответствующих ВЛ. При отсутствии свободных контактов на выходном реле какой-либо защиты необходимо установить параллельно этому реле дополнительное реле. Тип реле выбирается из условий максимального быстродействия, при этом время срабатывания запускающего реле должно быть меньше или равно времени работы основного выходного реле. Следует обеспечить минимально необходимое время для работы искателя повреждений (20—40 мс).
3.	В зависимости от длины ВЛ и интервала времени Т между срабатыванием контактов выходных реле защит и началом расхождения контактов выключателя выбирается количество циклов зондирования каждой ВЛ. При этом следует учитывать время /д одного цикла зондирования для различных диапазонов дальности:
Диапазон дальности, км ... . 75 100 150 200 300
t, мс............. 0,65 0,86 1,29 1,72 2,58
Число циклов зондирования выбирается из условия
где = 15 мс — время подключения искателя к ВЛ; t2 = 5 мс — время подготовки искателя к срабатыванию.
Выбирается максимально возможная величина п, удовлетворяющая указанному условию.
4.	В энергосистемах осуществляется выбор полосы частот и числа циклов зондирования для каждой присоединяемой к искателю ВЛ; ВЧ тракты настраиваются на рабочие полосы частот искателя, и он подключается к фильтрам присоединения ВЛ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Мельников Н. А., Рокотян С. С., Шеренцис А. Н. Проектирование электрической части воздушных линий электропередачи 330— 500 кВ. — М.: Энергия, 1974. — 472 с.
2.	Федосеев А. М. Релейная защита электрических систем. — М.: Энергия, 1976. — 560 с.
3.	Айзенфельд А. И.,' Шалыт Г. М. Определение мест короткого замыкания на линиях с ответвлениями. — М.: Энергия, 1977.-— 208 с.
4.	Измерения расстояний до мест повреждений на воздушных и кабельных линиях электропередачи и связи/В. Л. Бакиновский, А. П. Осадчий, Н. И. Сосфенов, В. К. Спиридонов. — ЦНИЭЛ, 1954, вып. 2, с. 81—99.
5.	Маранчак В. М., Новелла В. Н. Об одном методе измерения расстояния до места повреждения на ЛЭП. постоянного тока. — В кн.: Релейная защита и автоматизация энергосистем. Тр. МЭИ, 1972, вып. 145, с. 122—130.
6.	Дементьев В. С., Спиридонов В. К., Шалыт Г. М. Определение места повреждения силовых кабельных линий. — М.: Госэнергоиздат, 1962. — 96 с.
7.	Определение мест повреждения в воздушных и кабельных линиях (обзор): — В кн.: Энергетика за рубежом. М.: БТИ ОРГРЭС, 1961. — Вып. 2. 30 с.
8.	Каганович Е. А. Испытания трансформаторов малой и средней мощности на напряжение до 35 кВ включительно. — М.: Энергия, 1969. — 296 с.
9.	Борухман В. А., Кудрявцев А. А., Кузнецов А. П. Устройства для определения мест повреждения на воздушных линиях электропередачи. — М.: Энергия, 1973. — 88 с.
10.	Умов П. А. Обслуживание городских электрических сетей. — М.: Высшая школа, 1980. — 285 с.
11.	Радкевич В. Н., Ничипорович Л. В. О выборе стратегии поиска повреждения и восстановления электроснабжения в городских распределительных сетях. — Изв. вузов СССР. Энергетика, 1976, №9, с. 112— 116.
12.	Радкевич В. Н.; Ничипорович Л. В. Исследование методов оптимизации процесса поиска повреждения в городских сетях 6—10 кВ. — Изв. вузов СССР. Энергетика, 1977, № 1, с. 107—109.
13.	Платонов В. В., Шалыт Г. М. Испытание и прожигание изоляции силовых кабельных линий. —М.: Энергия, 1975. — 136 с.
14.	Силаев Ю. М. Способы и средства поиска повреждений в электросетях 6—35 кВ. —М.: Информэнерго, 1973. — 32 с.
15.	Берхин В. И., Кондратюк С. Ф. Определение мест междуфазных к. з. в воздушных распределительных сетях. — Энергетик, 1974, № 11, с. 33—34.
16.	Манн А. К., Спиридонов В. К. Волноврй метод определения расстояния до места повреждения кабельной линии. — Тр. ВНИИЭ, 1959, вып. 8, с. 28—35.
17.	Нейман Л. Р., Калантаров П. Л. Теоретические основы электротехники.— М.: Госэнергоиздат, 1959. — Ч. 2. 444 с.
303
18.	Мазель К. Б. Теория и расчет выпрямителя, работающего на емкость, с учетом индуктивности рассеяния трансформатора. — М.: Госэнергоиздат, 1957. — 40 с.
19.	А. с. 259261 (СССР). Устройство для прожигания поврежденного места изоляции электрического кабеля/В. В. Платонов, А. А. Сен-чуков. Опубл, в Б. И., 1970, № 2, с. 78.
20.	Определение мест повреждений в воздушных и кабельных линиях. Энергетика за рубежом. — М.: Госэнергоиздат, 1959. — 64 с.
21.	Макеев Л. Н. Резонансная прожигательная установка и генератор звуковой частоты для отыскания мест повреждения кабельных линий электропередачи. — В кн.: Определение мест повреждения воздушных и кабельных линий электропередачи. М.: Энергия, 1966, с. 124—128.
22.	Мирзабекян 3. Т. Конструктивные данные компенсирующей индуктивной катушки для прожигания изоляции кабельных линий резонансным методом. — Энергетик, 1967, № 4, с. 29—30.
23.	Щедрин М. Б. Генератор звуковой частоты для трассового поиска мест повреждения силовых кабелей. — Тр. ВНИИЭ, 1977, вып. 52, с. 21—30.
24.	Лиренман Д. Л. Отыскание мест замыкания на землю в воздушных сетях 6—10 кВ. — Энергетик, 1969, № 2, с. 33—34.
25.	Стрелков В. М. Приближенный метод определения матрицы, преобразующей токи и напряжения на проводах несимметричной линии в независимые составляющие. — Тр. ВНИИЭ, 1967, вып. 27, с. 161— 172.	'
26.	Костенко М. В., Перельман Л. С., Шкарин Ю. П. Волновые процессы и электрические помехи в многопроводных линиях высокого .напряжения. — М.: Энергия, 1973. — 272 с.
27.	Алексеева В. Г. Расчет формы сигнала. —Л.: Энергия, 1968. 296 с.
28.	Захар-Иткин М. X. О модах затухания активной мощности в многопроводной линии электропередачи. — В кн.: Теоретическая электротехника/Львовский государственный ун-т. Львов: 1977, № 22, с. 79—85.
29.	Расчет переходных процессов в электрических системах на ЭЦВМ/A. И. Долгинов, Л. С. Левина, А. И. Ступель, В. С. Шатин. — М.: Энергия, 1968. — 104 с.
30.	Беллман Р. Введение в теорию матриц. — М.: Наука, 1969. — 368 с.
31.	Шалыт Г. М. Расчет распространения импульсов по однородной многопроводной линии электропередачи. — Тр. ВНИИЭ, 1973, вып. 43, с. 25—34.
32.	Микуцкий Г. В., Скитальцев В. С. Высокочастотная связь по линиям электропередачи.—М.: Энергия, 1969.— 448 с.
33.	Быховский Я. Л., Кафиева К. Я. Высокочастотная связь в энергосистемах. — М.: Энергия, 1974. — 152 с.
34.	Микуцкий Г. В. Каналы высокочастотной связи для релейной защиты и автоматики. — М.: Энергия, 1977. — 312 с.
35.	Шкарин Ю. П. Приближенное определение параметров волновых каналов трехпроводных ВЛ 35—500 кВ с унифицированными опорами. — В кн.: Вопросы эксплуатации устройств связи и телемеханики в энергосистемах. М.: Энергия, 1970, вып. 10, с. 288—312.
36.	Сиротинский Л. И. Техника высоких напряжений. —М.: Госэнергоиздат, 1959. — Ч. 3. 365 с.
37.	Диткин В. А., Прудников А. П. Справочник по операционному исчислению. — М.: Высшая школа> 1965. — 466 с.
304
38.	Шалыт Г. М. Определение мест повреждения линий электропередачи импульсными методами.—М.: Энергия, 1968. — 216 с.
39.	Хаяси С. Волны в линиях электропередачи. —М.: Госэнерго-издат, 1960. — 343 с.
40.	Костенко М. В. Атмосферные перенапряжения и грозозащита высоковольтных установок. — М. — Л.: Госэнергоиздат, 1949. — 330 с.
41.	Микуцкий Г. В., Скитальцев В. С., Шалыт Г. М. Экспериментальные исследования электрических помех в высокочастотных каналах по линиям электропередачи при коротких замыканиях. — Тр. ВНИИЭ, 1968, вып. 32, с. 101—125.
42.	Котельников В. А. Теория потенциальной помехоустойчивости. М.: Госэнергоиздат, 1956. — 151 с.
~	43. Вудворд Ф. М. Теория вероятности и теория информации с применением в радиолокации. — М.: Советское радио, 1955. — 127 с.
44.	Гуткин Л. С. Теория оптимальных методов радиоприема при флуктуационных помехах.—2-е изд.—М.: Советское радио, 1972. —448 с.
45.	Харкевич А. А. Борьба с помехами.—М.: Наука, 1965.— 275 с.
46.	Вентцель Е. С. Теория вероятностей.— М.: Наука, 1964. 576 с.
47.	Лезин Ю. С. Оптимальные фильтры и накопители импульсных сигналов. —М.: Советское радио, 1963. — 320 с.
48.	Самсоненко С. В. Цифровые методы оптимальной обработки радиолокационных сигналов.—М.: Воениздат, 1968.— 320 с.
49.	Митяшев Б. Н. Определение временного положения импульсов, при наличии помех. — М.: Советское радио, 1962. — 198 с.
50.	Григорьянц В. Г. Введение в курс радиолокационной аппаратуры. — М.: Изд-во МГУ, 1962. — 178 с.
51.	А. с. № 304861 (СССР). Способ определения расстояния до места повреждения на линиях электропередачи и связи/В. А. Половников, Г. М. Шалыт. —Опубл, в Б. И., 1972, № 26, с. 187.
52.	Спиридонов В. К. Электронный микросекундомер ЭМКС для определения расстояния до места повреждения в силовом кабеле. — Тр. ВНИИЭ, 1959, вып. 8, с. 44—61.
53.	Сидельников В. В. Распространение, электромагнитных волн высокой частоты по силовым тцехфазным кабелям с поясной изоляцией. — В кн.: Автоматика, телемеханика и приборостроение. М. —Л.: Наука, 1964.
54.	Половников В. А. Исследование и усовершенствование системы определения мест повреждения силовых кабельных линий импульсным методом. Дис. на соиск. степени канд. техн. наук. — М.: 1980, ВНИИЭ Минэнерго СССР. — 186 с
55.	Половников В. А., Бунин В. А., Кофман Б. Л. Малогабаритный испытатель кабелей и линий Р5-5. — Энергетик, 1968, № 11, с. 13—15.
56.	Прибор для определения места повреждения кабелей Р5-9/ В. А. Половников, В.- Н. Милованов, Б. Л. Кофман, Г. М. Шалыт. — Электрические станции, 1976, № 2, с. 86—88.
57.	Шалыт Г. М., Брауде Л. И., Половников В. А. Одна проблема определения места повреждения силовых кабельных линий. — В кн.: Электротехника. Материалы XXII Литовской республиканской научно-технической конференции. Каунас, 1972, с. 34—36.
58.	Устройство для определения мест сложных повреждений кабельных линий/Л. И. Брауде, В. П. Коваленко, С. Н. Окнин, Г. М. Ша-лыт.—Электрические станции, 1975, № 11, с. 77—79.
59.	Локационный автоматический искатель повреждений ВЛ Р5-7/Г. М. Шалыт, С. Е. Сидорчук, А. Н. Афонин, А. Я. Красюк. —
305
В кн.: Определение мест повреждения воздушных линий электропередачи. М.: Энергия, 1977, с. 131—139.
60.	Осадчий А. П. Новые методы определения расстояния до места повреждения на линиях. —Тр. ЦНИЭЛ, 1956, вып., 5, с. 173—185.
61.	Приборы для определения места повреждения подвесных линий электропередачи. —Дэнки кейсан, 1963, т. 31, № 7, с. 36.
62.	Pitehes В. Е., М. Gowon Р. J. Fault location using the line overload indicator. — Indian J. Power L. River. Vai. Dev., 1973, vol. 23, № 2, p. 59—61. .
63.	Спиридонов В. К. Определение места повреждения при «заплывающем» пробое кабеля методом колебательного разряда. — Электрические станции, 1953, № 1, с. 40—44.
64.	Новый метод испытания изоляции в кабельных сетях. Информационные материалы ВНИИЭ.—М.—Л.: Госэнергоиздат, 1959, вып. 39, 28 с.
65.	Реза Ф., Сили С. Современный анализ электрических цепей. — М.: Энергия, 1964. — 480 с.
66.	Фабрикант В. Л. Фильтры симметричных составляющих.— М.—Л.: Госэнергоиздат, 1950. —424 с.
67.	Борозинец Б. В. Повышение точности и надежности определения мест повреждения воздушных линий электропередачи с помощью средств вычислительной техники. Дис. на соиск. степени канд. техн, наук. —М.: 1980, ВНИИЭ Минэнерго СССР. — 186 с.
68.	Гейдерман Ж> П., Стасенко Р. Ф., Кузнецов А. П. О влиянии величины нагрузки на замер расстояний до места междуфазных КЗ в распределительных сетях 6—10 кВ. — Электрические станции, 1978, № 4, с. 58—59.
69.	А. с. № 353205 (СССР). Устройство для фиксации электрических величин/А. А. Кудрявцев; А. П. Кузнецов, Э. Я. - Биркенфелдс, А. Я. Янаус. Опубл, в Б. И., 1972, № 29, с. 112.
70.	А. с. 479058 (СССР). Устройство для непосредственного определения расстояния до места к.з. на ЛЭП с ответвлениями/А. И. Ай-зенфельд, Э. Я. Биркенфелдс, П. Е. Брунс и др. —Опубл, в Б. И., 1975, № 28, с. 101.
71.	Дубровский Е. П. Основы телефонии и телефонные аппараты. — М.: Высшая школа, 1975. — 250 с.
72.	А. с. № 476524 (СССР). Способ определения места замыкания жилы на металлическую оболочку многожильного силового кабеля/ М. Б. Щедрин. Опубл, в Б. И., 1975, .№ 25, с. 130.
73.	А. с. № 406174 (СССР). Способ определения места замыкания жилы на оболочку в кабельных линиях/В. Ъ. Платонов, Е. Н. Ланг-ваген, О. А. Дроздов. Опубл, в Б. И., 1973, № 45, с. 162.
74,	А. с. № 322733 (СССР). Способ определения мест замыкания жил на землю в силовых кабелях/В. В. Платонов, Б. Ф. Голоснов. Опубл, в Б. И., 1971, №36, с. 152.
75..	Манн А. К., Миронова А. В., Лемина Н. Ф. Определение места повреждения изоляции кабельных линий большой протяженности. Изв. НИИПТ, 1959, т. 4, с. 49—64.
76.	Бахмутский В. Ф., Зуенко Г. И. Индукционные кабелеискате-ли. — М.: Связь, 1970. — 112 с.
77.	Сергованцев В. Т. Беляков И. . Г. Способ определения места замыкания на землю в распределительных сетях с изолированной нейтралью. — Энергетик, 1965, № 9, с. 9—10.
78.	Кискачи В. М. Селективность сигнализации замыканий на землю с использованием высших гармоник токов нулевой последовательности. — Электричество, 1967, № 9, с. 24—29.
606
79.	Кискачи В. М., Назаров Ю. Г. Сигнализация однофазных замыканий на землю в компенсированных кабельных сетях 6—10 кВ. — Тр, ВНИИЭ, 1963, вып. 16, с. 219—251.
80.	Красюк А. Я., Шалыт Г. М., Щедрин М. Б. Селективный индукционный кабелеискатель. — Тр. ВНИИЭ, 1977, вып. 52, с. 31—39.
81.	Устройства сигнализации замыканий на землю/В. М. Кискачи, С. Е. Сурцева, Н, М. Горшенина, Б. И. Панфилов. — Электрические станции, 1972, № 4, с. 69—72.
82.	А. с. Кг 254645 (СССР). Измерительный трансформатор переменного тока/Ю. М. Силаев. Опубл, в Б. И., 1969, № 32, с. 55.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие .................................................. 3
Введение...................................................... 4
Часть первая
СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТ ПОВРЕЖДЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ......................................... 7
Глава первая
ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ омп..................................................... 7
1.1.	Виды и характер повреждений элементов электрических сетей.............................. 7
1.2.	Структура системы поиска мест повреждений.	.	.	.	И
1.3.	Характеристика высокочастотных методов	....	16
1.4.	Характеристика низкочастотных методов............	24
Глава.вторая
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВРЕЖДЕННОГО ЭЛЕМЕНТА..................... 29
2.1.	’ Повреждения в сети напряжением ПО—750 кВ.	.	.	29
2.2.	Повреждения в сети напряжением 6—35 кВ.	.	.	36
2.3.	Повреждения в сети напряжением ниже 1000 В.	.	.	47
Глава третья
ПРОЖИГАНИЕ ИЗОЛЯЦИИ В МЕСТЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ . ................... 49
3.1.	Требования к методике и основные этапы процесса прожигания .................................... 49
3.2.	Прожигание изоляции от источника постоянного напряжения .................................... 53
3.3.	Прожигание изоляции на переменном	напряжении 64
3.4.	Анализ методов прожигания ......................... 70
3.5.	Режимы и приемы прожигания ........................ 80
3.6.	Передвижные установки для прожигания....	87
308
Часть вторая
ИМПУЛЬСНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТ ПОВРЕЖДЕНИЯ................................................. 90
Глава четвертая
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ ПО ЛИНИЯМ 90
4.1.	Характеристика процессов распространения импульсных сигналов по системам с распределенными постоянными...................................... 90
4.2.	Распространение импульсного сигнала по однородному участку несимметричной многопроводной линии 93
4.3.	Однопроводные линии............................... 99
4.4.	Двухпроводные симметричные	линии................. 109
4.5.	Трехпроводные линии.............................. 123
4.6.	р-проводные линии................................ 139
Глава пятая
ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ИМПУЛЬСНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ НА линиях....................................................... !43
5.1.	Виды помех и их характеристики................... 143
5.2.	Постановка задачи выявления структуры приемника при автоматическом импульсном ОМП.	.	.	147
5.3.	Операции при помехах в виде белого шума.	.	.	154
5.4.	Операции при дуговых помехах............ 160
5.5.	Операции при помехах, вызванных неоднород-. ностью линии............................ 166
5.6.	Операции при совокупном действии всех видов помех	169
5.7.	Дальность автоматического импульсного ОМП	.	.	172
5.8.	Выбор и обеспечение рабочей полосы частот автоматических импульсных искателей повреждений. . .	177
5.9.	Структура приемника при неавтоматическом импульсном ОМП  ................................. ‘181
Глава шестая
ИМПУЛЬСНЫЕ ИСКАТЕЛИ ПОВРЕЖДЕНИЙ ..........................  187
6.1.	Характеристики импульсных	искателей ............. 187
6.2.	Зондирующие импульсы............................. 190
6.3.	Неавтоматические локационные искатели....	197
6.4.	Автоматические локационные	искатели.............. 207
6.5.	Волновые искатели................................ 217
Часть третья
НИЗКОЧАСТОТНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТ ПОВРЕЖДЕНИЯ................................................ 222
Глава седьмая
МЕТОДЫ, ОСНОВАННЫЕ НА ИЗМЕРЕНИИ ПАРАМЕТРОВ АВАРИЙНОГО РЕЖИМА............................................. 222
7.1.	Основные положения..............................  222
7.2.	Информационное обеспечение ...................... 224
7.3.	Математическое обеспечение......................  233
7.4.	Односторонние измерения ........................  241
309
Глава восьмая
ИНДУКЦИОННЫЕ МЕТОДЫ
• • •  •
» <»
247
• • • • •
8.1.	Характеристика индукционных методов ОМП . . .	247
8.2.	Индукционные методы ОМП для отключенных от сети кабельных линий............................. 248
8.3.	Индукционные методы ОМП для линий, включенных в сеть.........................................   269
8.4.	Приемная аппаратура . . ...................  275
8.5.	Генераторы.................................. 281
Глава девятая
КОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ .................................... 286
9.1. Электроконтактные методы ОМП для кабельных линий . ..........................................	286
9.2. Электроконтактные методы ОМП для воздушных линий .......................................... 288
' 9.3. Акустические методы......................... 291
Приложения............................................ 299
Список литературы. ..................................  303
ГЕРМАН МИХАЙЛОВИЧ ШАЛЫТ
Определение мест повреждения в электрических сетях
Редактор М. Б. Щедрин Редактор издательства Б. Д. Макар шин Технический редактор В. В. Хапаева Корректор Г. В. Воробьева
ИБ № 1016
Сдано в набор 19.04.82. Подписано в печать 01.10.82. Т-18958
Формат 84 X lOeVaf. Бумага типографская №2. Гарнитура литературная. Печать высокая. Усл. печ. л. 16,38. Усл. кр.-отт. 16,38. Уч.-изд. л. 18,06. Тираж 35 000 экз. Заказ 134. Цена 1 р. 20 к.
Энергоиздат, 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10.
Ленинградская типография № 6 ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского объединения «Техническая книга» им.. Евгении Соколовой Союзполиграфпрома при Государственном комитете''СССР ' по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
193144* г. Ленинград, ул. Моисеенко* 10.
9