Харківська національна академія міського господарства визначення місць пошкодження в силових кабелях icon

Харківська національна академія міського господарства визначення місць пошкодження в силових кабелях




НазваХарківська національна академія міського господарства визначення місць пошкодження в силових кабелях
Сторінка3/6
Дата07.06.2012
Розмір1.06 Mb.
ТипДокументи
1   2   3   4   5   6

^ 3. Поширення електромагнітних хвиль та імпульсів у лініях

Лінії електропередачі являють собою електричні ланцюги з розподіленими параметрами, в яких струм і напруга безупинно змінюються при переході від однієї точки до іншої [5].

Струм у проводах лінії викликає спадання напруги в активному опорі про-водів і створює змінне магнітне поле, що, у свою чергу, наводить ЕРС самоін-дукції, що змінюється уздовж лінії. У зв'язку з цим напруга між проводами також не залишається постійною. Таким чином, у лінії з розподіленими параметрами кожний скільки завгодно малий елемент довжини лінії має опір R й індук-тивність L, а між проводами - ємність C і провідність G.

Співвідношення між інтервалами часу поширення електромагнітних хвиль уздовж всієї довжини лінії й інтервалом часу, протягом якого струм і напруга змінюються на помітну величину від повної їхньої зміни в розглядуваному про-цесі, можна розглядати як критерій, що визначає вид електричного ланцюга. Коли ці інтервали часу порівнянні, то лінію розглядають як електричний ланцюг з розподіленими параметрами. Струми й напруги в таких ланцюгах є функціями двох незалежних змінних: часу t і координати x, відлічуваної уздовж лінії [5].

В електричній лінії з розподіленими параметрами поздовжні опори утво-рені активними опорами проводів лінії та індуктивностями двох конфронтуючих один одному ділянок лінії довжиною dx, а поперечні опори - опорами витоку ізоляції між проводами лінії і ємностями, утвореними конфронтуючими один одному елементами лінії довжиною dx.

Якщо в електричній лінії з розподіленими параметрами всі поздовжні опори ділянок лінії однакової довжини рівні один одному, а також поперечні опори цих же ділянок лінії рівні один одному, то така лінія називається однорідною. Таким чином, в однорідній електричній лінії опір, індуктивність, провідність й ємність рівномірно розподілені уздовж всієї лінії.

Довгу електричну лінію можна представити у вигляді безлічі з'єднаних послідовно нескінченно малих елементів довжиною dx, кожний з яких має опір Rodx, індуктивність Lodx, провідність Godx й ємність Codx (рис.3.1). Опір Rodx й індуктивність Lodx вважаємо включеними в один провід.




Рис. 3.1 - Еквівалентна схема довгої електричної лінії

Для елемента лінії довжиною dx на підставі закону Кірхгофа можна записати

; (3.1)

,

де х - відстань від початку лінії до поточного елемента її довжини;

u й i - миттєві значення напруги й струму на початку обраного елемента лінії dx;

і - миттєві значення напруги й струму на початку наступного елемента лінії dx. Тут й є швидкості зміни напруги й струму в часі у напрямку х, які після помноження на dx дають відповідно збільшення напруги й струму на шляху dx.

У зв'язку з наявністю двох незалежних змінних x й t рівняння записуються в частинних похідних [5].

Знехтуючи величинами другого порядку малості й скорочуючи на dx, одержуємо рівняння для однорідної лінії з розподіленими параметрами:

; . (3.2)


Якщо за початок відліку прийняти кінець лінії, тобто ввести координату х', то рівняння набуває вигляду

; . (3.3)

Вирішення рівнянь (3.2) і (3.3) у частинних похідних при певних початкових і граничних умовах дає можливість визначити напругу й струм як функції відстані від початку (кінця) лінії й часу. Початковими умовами будуть значення напруги й струму на початку (кінці) лінії в момент часу, прийнятого за нуль. Граничні умови визначаються зв'язками між напругою й струмом на початку (кінці) лінії, що залежать від заданого режиму роботи лінії.

У комплексній формі рівняння (3.2) має вигляд

; (3.4)

,

де Zo , Yo – відповідно комплексний опір і комплексна провідність одиниці довжини лінії. Слід мати на увазі, що тут Zo й Yo не є величинами, зворотними одна одній.

Після диференціювання рівняння (3.4) і відповідних перетворень одержимо однорідні лінійні диференціальні рівняння другого порядку:

; . (3.5)

Тому що ці рівняння однакові, то достатньо знайти закон зміни, наприклад, напруги, а струм одержати з рівняння (3.4).


^ 3.1 Первинні параметри однорідної лінії

Первинними параметрами лінії називають її активний опір Ro , індуктивність Lo , ємність Co і провідність ізоляції Go , віднесені до одиниці довжини лінії, звичайно до 1 км. Залежать первинні параметри від фізичних особливостей лінії таких, наприклад, як матеріал, з якого виконана лінія, конструктивні її параметри і т.ін.

Активний опір Ro характеризує втрати електромагнітної енергії в металевих частинах лінії (жили кабеля, оболонка, екран, броня). Залежить він від температури струмопровідної жили , частоти струму, що протікає, матеріалу, з якого виготовлена жила, її конструкції та геометричних розмірів.

Поздовжній активний опір лінії обумовлений тепловими втратами в проводах з урахуванням поверхневого ефекту близькості.

Згідно з [6] активний опір кабельної лінії змінному струму дорівнює сумі складових:

Ro = Rп + Rпэ + Rбл +Rм,

де Rп - опір постійному струму;

Rпэ – опір за рахунок поверхневого ефекту;

Rбл – опір за рахунок ефекту близькості;

Rм – опір, обумовлений втратами в навколишню жилу металевих елементах (оболонка, броня).

Індуктивність лінії Lo визначається матеріалом і геометричними розмі-рами струмопровідних жил (проводів), відстанню між ними й залежить від частоти струму. Індуктивність ланцюга складається із зовнішньої й внутрішньої індуктивностей. Зовнішня індуктивність обумовлена зовнішнім (поза проводами) магнітним полем, а внутрішня - внутрішнім магнітним полем. Зовнішня індуктивність кабельної лінії не залежить від частоти струму, що по ній протікає. Внутрішня індуктивність зменшується зі збільшенням частоти струму, тому що при цьому збільшується поверхневий ефект і внутрішній маг-нітний потік у центрі жили зменшується. Таким чином, з ростом частоти струму загальна індуктивність лінії зменшується до величини, рівної зовнішній індуктивності.

Електрична ємність лінії визначається властивостями електроізоляційного матеріалу струмоведучих жил, геометричними розмірами жил (проводів), відстанню між ними, конструктивним виконанням ізоляції і значною мірою залежить від вологості навколишнього середовища. Ємність лінії буде дорівню-вати ємності між проводами (жилами) і ємності їх щодо землі.

Провідність ізоляції лінії Go характеризує втрати електромагнітної енергії в діелектрику й визначається його властивостями. Провідність ізоляції обумовлена опором ізоляції постійному струму й діелектричним втратам в ній. Вони визначають поперечну активну провідність лінії. Якщо при постійному струмі провідність обернено пропорційна величині опору ізоляції лінії, то при змінному струмі провідність ізоляції зв'язана, крім того, з діелектричними втратами в ізоляції під дією зміненого поля, що створюється по лінії струмом. На величину провідності ізоляції впливає частота струму, температура й вологість навколишнього середовища.

Таким чином, первинні параметри лінії являють собою складні функції частоти струму та ряду інших факторів. Для практичних розрахунків при частоті струму 50 Гц, коли довжина повітряної лини не перевищує 300км, а кабельної - 50км, використовуються спрощені розрахункові схеми. У них часткові ємності передбачаються зосередженими або в середині лінії, або розділені між її кінцями. Провідністю ізоляції звичайно зневажають [5].

В однорідних не викривляючих лініях первинні параметри розподілені рів-номірно по довжині лінії й зв'язані між собою співвідношенням

LoGo = RoCo. (3.6)

У таких лініях електромагнітні хвилі всіх частот поширюються уздовж лінії з однаковою фазовою швидкістю і загасають рівною мірою, не викривляючись.


^ 3.2 Вторинні параметри однорідної лінії

Вторинними параметрами лінії називаються хвильовий опір ZВ і коефіцієнт поширення ? . Вони повністю характеризують передавальні властивості лінії й визначаються величинами первинних параметрів.

Під хвильовим опором лінії розуміють опір, який зустрічає електромагнітна хвиля при своєму поширенні уздовж однорідної лінії без відбиття. Він властивий даному типу лінії й залежить тільки від її первинних параметрів і частоти струму й постійно в будь-якій точці ланцюга. Електромагнітну хвилю можна уявити у вигляді двох хвиль: хвилі напруги, що відповідає електричній енергії й хвилі струму, що відповідає магнітній енергії . Кількісне відношення між хвилею напруги й хвилею струму в лінії і є хвильовий опір лінії.

У загальному вигляді вираз для хвильового опору лінії можна подати так:

, Ом . (3.7)

Для однорідної не викривляючої лінії . (3.8)

У реальних лініях електромагнітні хвилі по шляху свого поширення викривляються, запізнюються за фазою і загасають. У лінії відбуваються втрати електромагнітної енергії, які враховуються коефіцієнтом поширення, рівним

, 1/м. (3.9)

Дійсна частина в рівнянні визначає кілометричний коефіцієнт загасання, а мнима частина – фазовий коефіцієнт:

, Нп/км; (3.10)

, рад/км; (3.11)

, 1/км . (3.12)

Явище загасання обумовлене тепловими втратами енергії в проводах лінії й втратами в ізоляції на поляризацію, струми витоку, а зміна фази викликана кінцевою швидкістю поширення електромагнітної хвилі уздовж лінії.

Загасання електромагнітної хвилі можна вимірювати в неперах (1Нп = 8,686 децибел). Загасання в 1Нп - це загасання такого ланцюга, коли струм (напруга) наприкінці її буде за абсолютною величиною в 2,718 разів менше, ніж на початку лінії.

Відповідно при загасанні в 1 Нп активна потужність на початку лінії Р1 більше активної потужності Р2 наприкінці її в е2 разів, а струм або напруга в е разів. Це видно з наступного: ККД лінії

. ( 3.13)

Звідки . (3.14)

Загасання дорівнює 1 Нп, якщо або

Таким чином, при поширенні енергії по лінії струм, напруга й потужність у будь-якій точці х обумовлені вторинними параметрами лінії Zв й :

; (3.15)

; (3.16)

, (3.17)

де I1 ,U1 ,P1 – струм, напруга й потужність на початку лінії.

Якщо на початку лінії (рис.3.1.) включити генератор синусоїдальної ЕРС кругової частоти й лінію наприкінці замкнути на опір Zн, що дорівнює хвильовому опору Zв, то напруга UL на відстані L від початку лінії буде зв'язана з напругою U1на початку лінії наступною залежністю:

, (3.18)
тобто на відстані L від початку лінії напруга в лінії менше напруги на її вході в і відстає від неї за фазою на кут .

Модуль частотної характеристики знаходимо з рівняння (3.18):

,

.

Відставання вектора напруги UL за фазою обумовлене тим, що хвиля напру-ги в лінії поширюється з деякою кінцевою фазовою (хвильовою) швидкістю VФ.

Фазовою швидкістю називають швидкість, з якою треба пересуватися уздовж лінії, щоб спостерігати одну й ту саму фазу коливань. Іншими словами, фазова швидкість - це швидкість пересування по лінії незмінного фазового стану [5].

Швидкість поширення електромагнітних хвиль по проводах визначається частотою струму й параметрами лінії:

км/с. ( 3.19)

Таким чином, якщо загасання лінії визначає якість і дальність посилки імпульсів у лінію, то коефіцієнт фази - швидкість руху енергії по лінії.

Формула (3.19) справедлива для будь-яких ліній, але не для викривляючих ліній, і для ліній без втрат її можна привести з урахуванням (3.11) до наступного вигляду:

, (3.20)

де С - швидкість світла у вакуумі;

- діелектрична й магнітна проникність діелектрика, що оточує провід лінії.

У повітряних лініях і при відсутності втрат . Для кабелів з діелектричною проникністю ізоляції = 4-5 фазова швидкість в 2-2,5 раза менше швидкості світла у вакуумі. При постійному струмі поняття коефіцієнта фази й фазової швидкості втрачають фізичне значення.

При постійному струмі швидкість поширення імпульсу уздовж лінії можна визначити за формулой, наведеною в [7]:

. (3.21)

Розрахунки за цією формулою показують, що 10 км/с. Зі збільшенням частоти струму зростає й швидкість поширення електромагнітної енергії по лінії й при 1000Гц у повітряних лініях з мідними й біметалічними проводами вона наближається до швидкості світла (300м/мкс).

У загальному вигляді вирази для коефіцієнта загасання й фази мають вигляд

; (3.22)

. (3.23)

З [6] випливає, що коефіцієнт загасання лінії має мінімальне значення, коли виконується умова

. (3.24)

При цьому втрати енергії в металі будуть дорівнюють втратам у діелек-трику лінії і загасання кабеля матиме найменшу величину, що дорівнює

. (3.25)

На рис. 3.2 показаний характер зміни коефіцієнта загасання в металі й у діелектрику при різних значеннях .









Рис. 3.2 - Графік зміни коефіцієнта загасання в металі та в діелектрику

Звичайно в кабелі Х > 1, тому що RoCo >> LoGo. Загасання в лінії може бути зменшене або при зменшенні активного опору лінії Ro її ємності Co , або при збільшенні індуктивності лінії Lo і провідності ізоляції Go. Але величини Ro Go регламентовані припустимим перерізом жили і якістю ізоляції, а для зниження ємності лінії необхідно збільшити відстань між жилами кабеля, тобто збільшити його габарити, що економічно недоцільно.

Реальним шляхом збільшення загасання в кабельних лініях є штучне збільшення їхньої індуктивності. З рівняння (3.24 ) видно, що оптимальна величина індуктивності Loпт , яку повинна мати кабельна лінія для забезпечення мінімального загасання ,становить

. (3.26)

З іншого боку, умову RoCo = LoGo можна виконати й без штучного під-вищення індуктивності лінії, коли підібрати оптимальну частоту посилки ім-пульсу в лінію . Враховуючи, що провідність ізоляції при змінному струмі визначається виразом і збільшується з підвищенням частоти, знаходимо

, (3.27)

або . (3.28)

Процес поширення електромагнітної енергії по силових кабелях з окремо ізольованими жилами досліджений багатьма авторами [6,9]. Наприклад, хвиль-ові параметри силових кабелів можуть бути обчислені за методикою, викладеною в [6].

Активний опір коаксіального кабеля з урахуванням його збільшення внаслідок поверхневого ефекту й ефекту близькості дорівнює

, Ом/км , (3.29)

де ; значення k для різних металів відповідно рівні: мідь – 0,132 ; алюміній – 0,171 ; сталь – 37,2 ; свинець – 4,7.

Для трижильного кабеля або трьох одножильних кабелів, розташованих по вершинах рівностороннього трикутника, індуктивність визначається за формулою

, Гн/м , (3.30)

де а - відстань між центрами жил.

Робоча ємність жили трижильного кабеля дорівнює

, мкф/км. (3.31)

Вторинні параметри кабеля можна знайти за формулами

Ом ,

Нп/км, (3.32)

рад/км.

Як показали дослідження для інженерних розрахунків при довжині кабель-ної лінії менше 10 км на частотах до 100кГц значення й можна усереднити, а величину Zo прийняти рівною 25 Ом для кабелів всіх типів напругою 6-35кв.


^ 3.3 Вхідний опір лінії

Під вхідним опором лінії ZВХ розуміють зосереджений опір, яким при гармонійному режимі можна замінити лінію разом з навантаженням на її кінці, рівний відношенню напруги U1 до струму I1 на початку лінії.

У [8] наведений вираз для визначення вхідного опору лінії з навантаженням наприкінці Z2, коли з досвіду холостого ходу й короткого замикання відомі значення ZХХ і ZКЗ :

, (3.33)

де ; .

У зазначених виразах х - відстань від кінця лінії до точки, в якій робився вимір. Зі зміною координати Х модуль вхідного опору лінії коливається між деякими максимумами й мінімумами. У реальних лініях внаслідок втрат у ній вхідний опір лінії ніколи не знижується до нуля й ніколи не досягає нескін-ченності.

Найбільші відхилення значення величини вхідного опору лінії від її хвильового опору мають місце поблизу навантаження. У міру віддалення від навантаження коливання вхідного опору поступово згладжуються й для довгої лінії вхідний опір практично дорівнює її хвильовому опору.


^ 3.4 Коефіцієнт відбиття хвилі

Для ідеальної однопровідної лінії (система «провід - земля»), нехтуючи втратами в лінії, з рівняння (3.2) одержимо

; . (3.34)

Вирішенням цього рівняння є система

,

. (3.35)

Функція являє собою хвилю напруги, що рухається у бік координати Х і називається прямою або падаючою хвилею , а функція представляє хвилю, що рухається зі швидкістю v у бік убування координати Х і називається зворотною або відбитою хвилею [8].

Для неспотвореної однорідної лінії первинні параметри розподілені рівно-мірно по її довжині й зв'язані співвідношенням

або .

Для такої лінії вирішення рівняння (3.2) має такий вигляд:

;

. (3.36)

Слід зазначити, що вирішення рівняння (3.2) і (3.36) у формі прямої й зворотних хвиль не означає обов'язкового існування двох хвиль. У багатьох окремих випадках вирішенню рівняння (3.2) задовольняє тільки одна хвиля, а другої хвилі може не бути. Вирішення цих рівнянь у частинних похідних у конкретних випадках визначається граничними й початковими умовами.

Якщо в якійсь точці однорідної лінії з хвильовим опором ZВ підключена лінія з іншим хвильовим опором, то прихід у цю точку прямої (падаючої) хвилі напруги викличе поява зворотної (відбитої) хвилі. Величина й полярність від-битої хвилі залежать від граничних умов.

Розглянемо кілька можливих варіантів. Наприкінці однопровідної лінії із хвильовим опором ZВ включений активний опір. Гранична умова для кінця лінії u = i, де u й i - миттєві значення напруги й струму наприкінці лінії.

Падіння хвилі викликає появу відбитої хвилі напруги за умови, що + =. (3.37)

Для хвиль струму справедлива умова

або . (3.38)

З рівнянь (3.37) і (3.38)

, (3.39)

де - коефіцієнт відбиття хвилі. (3.40)

Коефіцієнт відбиття хвилі можна подати як відношення напруги відбитої хвилі до напруги падаючої хвилі:

. (3.41)

Тоді з (3.37) і (3.41) виходить, що

. (3.42)

Тому що в загальному випадку коефіцієнт відбиття залежить від величини відхилення місцевого опору лінії від її номінального значення, то амплітуда й фаза відбитого імпульсу також виявляються пов'язаними з цим відхиленням:

  1. для короткозамкнутої лінії Котр = -1, тобто відбиття хвилі відбувається без зміни величини, але зі змінною полярністю ;

  2. для розімкнутої на кінці лінії Котр = 1, тобто відбиття хвилі відбувається без зміни величини й полярності ;

  3. при R = ZB, Котр = 0 відбитої хвилі не виникає, тому що лінія погоджена;

  4. при R > ZB, Котр> 0, тобто знаки падаючих і відбитої хвиль напруги однакові, але амплітуда відбитої хвилі різко зменшується;

  5. при R < ZB, Котр < 0, тобто відбита хвиля має знак, протилежний падаючій хвилі.

Розглянемо ще один приклад. На однопровідну лінію із хвильовим опором ZB , що має замикання на землю з перехідним опором Rn від початку лінії L1, включений короткий прямокутний імпульс напругою Е через внутрішній опір RО (рис.3.3).



Рис. 3.3 - Включення імпульсу напруги на лінію, що має замикання на землю

По лінії від точки 1 буде поширюватися імпульс напруги, що дорівнює

. (3.43)

Визначимо коефіцієнти відбиття Котр1 і заломлення Кпр1 для першої точки:

; .

Для точки 2 лінії маємо ; .

Таким чином, у точці 2 при будь-якому значенні перехідного опору Rn у місці пошкодження Котр2 буде негативним , а Кпр2 - позитивним.


3^ .5 Розповсюдження електромагнітних хвиль та імпульсв

у багатопроводних лініях

Розглянемо трипроводну лінію [10], в якій між проводом А і землею ввімкнено генератор електричних імпульсів і по проводу розходиться імпульс uА (рис.3.4 ). Внаслідок електромагнітного зв'язку між проводами в сусідніх проводах В і С також з'являться імпульси напруги uВ та uс .



Рис. 3.4 - Розповсюдження імпульсу в трипровідній лінії

Таким чином, у розходженні й відбитті електромагнітних хвиль та імпульсів у трипроводній лінії бере участь вся система в цілому, а не тільки провід, до якого підключений генератор імпульсів.

Симетричну трипроводну лінію можна розглядати як сукупність каналів двох типів:

  1. нульовий канал «провід - земля»;

  2. міжпроводний канал «провід - провід».

У симетричній лінії все міжпроводні канали однакові. При цьому крім точок підключення генератора імпульсів або місць порушення симетрії лінії розходження хвиль по обох каналах відбувається незалежно. У зазначених же точках відбувається не тільки відбиття хвиль, але й перехід їх з одного каналу в іншій і перерозподіл енергії між каналами.

У симетричній трипроводній лінії будуть поширюватися два типи хвиль:

1) «повільні», що розходяться нульовим каналом, обумовленим первинними параметрами Ro ,Co ,Lo ,Go;

2) «швидкі», що розходяться по міжпроводних каналах, обумовленими первинними параметрами даного каналу.

Для кожного типу хвиль будуть свої швидкість розходження v , хвильовий опір ZB, характеристики загасання і викривлення імпульсу. Значення швидкості розходження імпульсів і хвильового опору наведені в табл. 3.1.

Таблиця 3.1- Швидкості розходження імпульсів у лінії та хвильові опори



Тип

лінії

Швидкість розширення імпульсів, м/мкс

Хвильовий опір, Ом

Параметр загасання і викривлення

сек Ѕ км -1 10-4

нульовий канал

міжпровідний канал

нульовий канал

міжпровідний канал

нульовий канал


міжпровідний канал

Vo

V

ZBO

Zo

Повітряні ЛЕП:


275


292-296


725


387


23,2


0,250

35кв

110кв

275

292-296

675

389

23,2

0,178

220кв

275

292-296

637

387

23,2

0,139

400-500кв

275

292-296

452

270

23,2

0,198

Кабельні ЛЕП


152-159


159-161


14-45


5-23


2,5-5


2,5-5

6кв

10кв

152-159

159-161

19-57

10-28

2,5-5

2,5-5


Параметри хвильових каналів кабельних ЛЕП визначаються в основному конструкцією та матеріалами самого кабеля. Свинцева або алюмінієва оболонка трижильних силових кабелів практично повністю запобігає проникненню електромагнітного поля високої частоти (10кГц і більше) у зовнішній простір. Тому впливом землі на параметри хвильових каналів кабеля можна зневажити.

Трижильні силові кабелі з поясною ізоляцією являють собою симетричну систему до частот, вимірюваних десятками мегагерц, і швидкості проходження для обох хвильових каналів близькі одна одній.

Швидкість розходження електромагнітної хвилі або імпульсу в лінії є однієї з головних величин, що визначають точність імпульсних вимірів у лініях. Тому при визначенні місця пошкодження в лініях імпульсними методами необхідно рахуватися з обома хвильовими складовими швидкості V й Vo .

Для схеми, наведеної на рис. 3.4, маємо наступні граничні умови для початку лінії:

.

У результаті вирішення рівнянь для напруг і струмів одержимо

;

;

,

де . При q = 1,7 маємо , , .

Таким чином, при ввімкненні генератора імпульсів за схемою «провід - земля» імпульси розходяться обома хвильовими каналами, але міжпроводна складова на проводі лінії, до якого підключено генератор, у два рази більша, ніж на інших проводах.

Напруги на проводах В і С на початку лінії будуть рівні

.

Тобто при q = 1,7 .

Напруга на проводі А на початку лінії буде дорівнювати

.

З розглянутого прикладу видно, що на проводі А полярності нульової і міжпроводної складової напруги збігаються, а на інших проводах лінії вони протилежні.


^ 4. Структурна схема пошуку місця пошкодження силових кабелів

Електричні мережі мають різноманітну структуру й умови роботи, що визначає характер можливих пошкоджень. У зв'язку з цим рекомендувати якийсь універсальний метод визначення місця пошкодження в кабельних лініях досить складно. Основною вимогою до методів ВМП є скорочення часу, праці й витрат на виявлення пошкодження. Другою, не менш важливою вимогою є скорочення збитків споживачів від недопостачання електроенергії.

Структурна схема ВМП наведена на рис 4.1[10]. Вона включає чотири послідовні операції: визначення пошкодженого елемента; пропалювання ізоляції в місці пошкодження; дистанційне ВМП; топографічне (трасове) ВМП.



Рис. 4.1- Структурна схема визначення місця пошкодження КЛ

Місця пошкодження визначаються як при виникненні аварійних ситуацій, так і при проведенні профілактичних випробувань. Під час аварії визначення пошкодженого елемента, як правило, здійснюється автоматично при спрацьовуванні релейного захисту. У тому разі, коли релейний захист відключає кілька елементів електричного ланцюга, функції визначення пошкодженого елемента покладають на систему ВМП.

Пошук пошкоджених елементів здійснюють також при проведенні профілактичних випробувань. Залежно від характеристик мережі й виду пошкоджень вибирають спосіб визначення пошкодженого елемента.

У кабельних мережах функції визначення пошкодженого елемента, як правило, виконує черговий персонал. Від його кваліфікації залежить правильність висновків про причини виникнення аварійної ситуації.

На даному етапі слід враховувати специфіку впливу різних зовнішніх факторів на величину опору ізоляції. Одним з таких факторів є температура. При її підвищенні в більшості діелектриків, використовуваних як електрична ізоляція, зростає кількість вільних носіїв зарядів, що приводить до зниження опору. У зв'язку з цим однозначно зробити висновок про стан якості ізоляції досить важко.

Іншим розповсюдженим фактором, що впливає на опір ізоляції, є її вологість. При підвищенні вологовбирання відбувається істотне зменшення опору ізоляції.

Більшість використовуваних електроізоляційних матеріалів є гігроскопічними, тобто здатними вбирати вологу з навколишнього середовища, що вносить додаткову похибку в реальну величину опору ізоляції. На практиці для оцінки стану ізоляції доцільно використовувати коефіцієнт абсорбції

, (4.1)

де й - значення опору ізоляції, вимірювані відповідно через 15 та 60 секунд після додавання напруги.

Значення Кабс для вологої ізоляції перебуває в межах 1,0 – 1,2 , для сухої – 1,2 -1,7 і вище.

Для виміру опору ізоляції обладнання в мережах 0,4 кВ використовують мегаомметри з вихідною напругою не менше 1000 В, а в мережах 6 кв і вище - мегаометри з вихідною напругою 2500 В. У зв'язку з процесом поляризації, що протікає в ізоляції, величина вимірюваного опору залежить від часу додавання напруги. Еквівалентна схема заміщення ізоляції устаткування представлена на рис. 4.2.



Рис. 4.2 - Схема заміщення ізоляції устаткування

Опір R обумовлений протіканням в ізоляції струму витоку. Ємність Сr – еквівалентна геометричній ємності устаткування, що піддається випробуванню (трансформатор, електродвигун). Величина її, як правило, незначна й перебуває в межах від декількох сотень до декількох тисяч пікофарад. У зв'язку з цим така ємність повністю зарядиться за час, обмежений 15 секундами (). Силові кабелі мають значну геометричну ємність, тому з метою зменшення похибки на величину коефіцієнта абсорбції їх рекомендується відключати від випробуваного устаткування. Значення коефіцієнта абсорбції для силових кабелів, як правило, не визначають.

Послідовний ланцюг dС і r еквівалентний опору ланцюга в результаті протікання абсорбційних струмів. При використанні для ізоляції якісних діелектриків, що не містять домішок і вологи, для заряду ємності буде потрібний значний проміжок часу. На практиці цей час обмежують 60 секундами ( ).

Наступною операцією, виконуваною при ВМП, є пропалювання ізоляції. Ця операція в основному здійснюється в кабельних мережах, тому що пропалювання пошкодженої ізоляції трансформаторів, розподільних пристроїв, як правило, не потрібне. Ці функції виконує повторна подача робочої напруги на пошкоджений елемент. Багаторазове вмикання пошкодженого елемента на робочу напругу умовно може бути віднесене до операції пропалювання ізоляції.

Метою даної операції є зменшення перехідного опору в місці пошкодження. Використання спеціальних методів і засобів для пропалювання ізоляції дозволяє знизити перехідний опір у місці пошкодження силового кабеля з декількох десятків мегаом до декількох десятків ом. Це розширює можливість використання для визначення місця пошкодження більшої кількості методів, деякі з яких можуть бути застосовані лише при перехідному опорі, що не перевищує декількох ом.

При виникненні аварійної ситуації основними вимогами до методів ВМП є скорочення часу для визначення місця пошкодження і прийнятна похибка виміру. Перша вимога може бути реалізована за допомогою дистанційних ВМП, які забезпечують порівняно швидкий вимір відстані від кінця (кінців) лінії до місця аварії. Однак точність даних методів обмежена рядом об'єктивних причин. У [10] наведені деякі з них. Наприклад, у виконавчій документації відстань зазначається лише в горизонтальній площині і не враховується, що кабель може змінювати своє положення також по вертикалі. Крім того, прокладання кабеля в траншеї здійснюється без натягу, так званою змійкою, що приводить до збільшення реальної довжини кабеля, врахувати яке досить складно. У зв'язку з цим визначити за документацією відстань до точки, що має цікавить, можна з похибкою не менше 1-2%. При довжині кабельної лінії 1000м похибка складе 10-20 м, що обмежує застосування таких методів. Використовувати їх доцільно тільки на лініях, довжина яких менше 100 м. Фактично дистанційні методи визначають не саме місце пошкодження, а ту зону, в якій воно перебуває.

Для визначення на трасі місця пошкодження слід використовувати методи, які одержали назву топографічних. Похибка цих методів не перевищує 3 метрів. Але, забезпечуючи необхідну точність, дані методи потребують більших витрат часу, тому що необхідно пересуватися по трасі кабельної лінії зі спеціальною апаратурою. Усунути цей недолік можна при використанні одночасно двох методів: дистанційного і топографічного. Дистанційний метод дозволяє оператору швидко визначити зону пошкодження, а за допомогою топографічного методу на трасі кабельної лінії уточнюється місце проведення розкопок. У технічній літературі дистанційні й топографічні методи часто називають відповідно відносними й абсолютними методами.


^ 5. Класифікація методів ВМП кабельних ліній

Відомі методи ВМП можна розділити на дві групи: дистанційні, що вказують зону пошкодження, й топографічні, які визначають безпосередньо на трасі місце пошкодження. У зв'язку з принциповою різницею процесів, що протікають у випробуваних об'єктах на різних частотних діапазонах, в [10] запропоновано використовувати ще одну класифікаційну ознаку - діапазон частот, що застосовується в тому або іншому методі. Всі методи розділяються на низькочастотні й високочастотні. До низькочастотних належать методи, що працюють у діапазоні частот від нуля до декількох кілогерців, до високочастотних - методи, що перевищують кілька десятків кілогерц (60-106 кгц). Діапазон частот 10-60 кГц у методах ВМП КЛ не використовується. З урахуванням вказаних ознак класифікація методів ВМП має вигляд на рис.5.1.

Рис. 5.1- Схема класифікації методів ВМП

З високочастотних методів найбільше поширення одержали імпульсні методи. Метод стоячих хвиль не знайшов практичного застосування. Особливість даного методу полягає в одержанні залежності повного опору пошкодженої лінії від частоти прикладеної напруги. Для цього на початку лінії, що має обрив або КЗ, приєднують генератор змінної частоти й вольтметр. У міру зміни частоти повний опір періодично змінюється, відповідно змінюються й показання вольтметра. З різниць частот між сусідніми максимумами (мінімумами) показань вольтметра визначають відстань до місця пошкодження. Однак наявність перехідного опору в місці КЗ або шунтувального опору в місці обриву значно зменшує діапазон коливань вхідного опору. При наявності в лінії неоднорідностей з'являються додаткові стоячі хвилі, які накладаються на хвилі, викликані пошкодженнями, що збільшує похибку виміру. У трифазних ланцюгах швидкість поширення хвиль по різних каналах різна, що також впливає на похибку виміру. Все це обмежує застосування даного методу.

Принцип дії імпульсних методів полягає у вимірі інтервалів часу розходження електромагнітних хвиль (імпульсів) по ділянках лінії. Залежно від використання для відліку часу спеціально генерованих імпульсів або імпульсів, що виникують у місці пошкодження лінії електромагнітних хвиль, ці методи поділяються на локаційні й хвильові. У свою чергу хвильові методи можна розділити на двосторонні й однобічні залежно від фіксації моментів приходу фрон-тів хвиль на обох кінцях лінії або на одному кінці.

Хвильовий метод однобічних вимірів може застосовуватися як на ввімкнутих, так і на вимкнутих лініях. Використовують два варіанти даного методу. У першому варіанті вимірюється час між моментом приходу до початку лінії фронту хвилі, що утворюється на відстані L у місці пошкодження, і моментом вторинного приходу фронту хвилі після двох відбиттів на початку лінії та в місці пошкодження. Інтервал часу визначається як ,тоді шукана відстань дорівнює . Для відімкнутих ліній даний метод називають методом коливального розряду.

Другий варіант даного методу призначений для дальніх ліній постійного струму. При його використанні вимірюється час між моментом приходу до початку лінії фронту хвилі, що виникла при пошкодженні й розходиться по хвильовому каналу «провід - провід», і моментом приходу фронту аналогічної хвилі, що розходиться по хвильовому каналу «провід - земля». Цей інтервал часу дорівнює

, (5.1)

де vпп vпз – відповідно швидкості розходження фронтів хвиль по каналах «провід – провід» і «провід – земля».

Тоді відстань до місця пошкодження

. (5.2)

Хвильовий метод двосторонніх вимірювань полягає у вимірі часу між моментами, коли фронти електромагнітних хвиль, що виникають у місці пошкодження, досягнуть протилежних кінців лінії. Коли прийняти, що вся довжина лінії дорівнює L, а відстань до місця пошкодження становить , то через проміжок часу фронт однієї з хвиль досягне одного кінця лінії. Другого кінця лінії фронт електромагнітної хвилі досягне через час . Інтервал часу дорівнює . Звідси відстань до місця пошкодження

. (5.3)

Для зменшення похибки методу слід синхронізувати відлік часу на обох кінцях лінії.

Локаційний метод заснований на вимірюванні інтервалу часу tx між моментом посилання в лінію спеціального так званого зондувального імпульсу і моментом повернення відбитого імпульсу від місця пошкодження лінії в точку виміру. Відстань до місця відбиття імпульсу в лінії Lx буде дорівнювати половині добутку вимірюваного часу на швидкість розходження імпульсу в лінії V:

. (5.4)

Локаційні вимірювання підрозділяються на автоматичні й неавтоматичні. Автоматичні використовують, як правило, у повітряних лініях, що перебувають під робочою напругою. Час визначення відстані до місця пошкодження не перевищує однієї десятої частки секунди.

Неавтоматичні виміри в основному використовують в кабельних лініях. Якість локаційних вимірів визначається не тільки властивостями приладів, але й параметрами досліджуваної лінії, насамперед величиною коефіцієнта загасання і залежністю його від частоти.

До переваг даного методу слід віднести наступні його можливості:

- визначати характер пошкодження в лінії за полярністю відбитого імпульсу на імпульсній характеристиці лінії;

- швидко визначати місця пошкодження як у повітряних, так і у кабельних лініях електропередачі.

- визначати незначні зміни хвильового опору лінії;

- розрізняти кілька пошкоджень у лінії, що існують одночасно й визначати відстань до кожного з них;

- визначати місця пошкодження, що мають нестійкий характер;

До недоліків цього методу можна віднести неможливість виявлення зниження опору ізоляції кабеля, а також досить високу вартість використовуваного обладнання. Проте його універсальність і висока швидкість виявлення пошкодження дозволяють рекомендувати імпульсний метод для ВМП різного виду.

Топографічні методи належать до низькочастотних. Велике поширення на повітряних і кабельних лініях дістав індукційний метод. Застосовується він для визначення місця пошкодження при дво- або трифазному замиканні жил кабеля, а також при обриві жил з одночасним замиканням. Полягає він у фіксації за допомогою датчика зміни магнітного поля, утворюваного струмом промислової або підвищеної частоти, що протікає по лінії. Для цих цілей використовують генератор звукової частоти. Коли один вивід генератора підмикається до непошкодженої оболонки кабеля, а другий - до його заземленої оболонки, силові лінії магнітного поля в цьому випадку являють собою концентричні кола із центром у підімкненій жилі кабеля. Якщо над кабелем встановити датчик і переміщувати його уздовж кабеля, то можна буде контролювати зміну напруженості магнітного поля. Як датчик може використовуватися індукційна рамка або котушка з феритовим осердям. Магнітні силові лінії поля, перетинаючи витки рамки, наводять у ній ЕРС. Рамка через підсилювач підключається до вимірювального приладу або до головного телефона, через який можна прослуховувати звучання, викликане зміною напруженості поля. Залежно від розташування прийомної рамки щодо траси кабельної лінії буде змінюватися величина наведеної у рамці ЕРС (рис.5.2).



а б в

Рис.5.2 - Варіанти розташування осі прийомної рамки щодо траси кабеля й розподіл ЕРС

а - горизонтальне розташування рамки; б - вертикальне розташування рамки;

в - паралельне розташування рамки.

Коли вісь прийомної рамки розташована горизонтально в площині, перпен-дикулярній до осі кабеля, то в рамці буде наводитися максимальна ЕРС (див. рис.5.2,а). При переміщенні рамки в бік від траси КЛ ЕРС буде убувати. Ця властивість використовується для орієнтовного знаходження траси кабеля.

Якщо вісь прийомної індукційної рамки розташувати вертикально, то точно над кабелем наведена ЕРС буде дорівнювати нулю у зв'язку з тим, що витки рамки не перетинаються магнітним полем. При переміщенні рамки в бік від траси кабеля ЕРС буде різко зростати до максимуму, а потім повільно убувати. (рис.5.2,б). Ця властивість використовується для точного знаходження траси кабеля.

У тому разі, коли вісь прийомної індукційної рамки розташована паралельно осі КЛ, над кабелем наведена ЕРС буде дорівнювати нулю. При порушенні паралельності ЕРС зростає, що використовується для визначення напрямку траси кабеля (рис.5.2,в)

Над місцем пошкодження кабеля (замикання жил) величина звуку зростає за рахунок зміни напрямку струму в кабелі й витиснення магнітного поля, а за місцем пошкодження інтенсивність звуку зменшується до нуля або має постійну силу, коли жили кабеля замикаються на оболонку. Різке зростання звуку в телефоні й вказує на трасі місце пошкодження.

Індукційний метод може застосовуватися, коли перехідний опір у місці пошкодження жил не перевищує 20 Ом. Якщо це значення більше, для зменшення перехідного опору застосовують пропалювання ізоляції в місці пошкодження. Для успішного застосування індукційного методу потрібні певні практичні навички. Слід мати на увазі, що звук у телефоні буде збільшуватися також при знаходженні рамки над сполучною муфтою або зникати, коли кабель перебуває в трубі або прокладений на глибині більше 1,5 м.

Акустичний метод може застосовуватися для визначення будь-якого виду пошкодження, як ізоляції, так і самих жил кабеля, коли перехідний опір у місці пошкодження становить від 1000 до 5000 Ом. Він дозволяє знаходити місце пошкодження в кабелі, що перебуває в землі на глибині до 3м і під водою на глибині до 60 м.

Сутність цього методу полягає в прослуховуванні акустичних коливань на трасі кабельної лінії, які створюються іскровим розрядом у місці пошкодження кабеля від генератора імпульсів. Коли в лінію від генератора посилається імпульс напруги, у місці пошкодження ізоляції між жилою кабеля й землею відбувається розряд, під впливом якого в навколишньому середовищі виникають акустичні коливання. Ці коливання, поширюючись у середовищі, досягають поверхні, де вони фіксуються за допомогою спеціальних приладів, до складу яких, як правило, входять приймач акустичних коливань, підсилювач і головні телефони.

Маючи певні переваги в порівнянні з індукційним методом, акустичний метод має і ряд недоліків. Надійність визначення місця пошкодження істотно зменшується в наступних випадках:

- коли в кабелі при пропалюванні ізоляції в оболонці не утворюється наскрізний отвір;

- якщо над кабелем розташоване звуковбиральне середовище (пісок, щебінь, шлаки і т.ін.);

- у випадку зварювання жили з оболонкою при пропалюванні ізоляції;

- якщо глибина прокладки кабеля в землі перевищує 3 м.

Крім того, при використанні акустичного методу застосовується висока напруга, що вимагає відповідної кваліфікації обслуговуючого персоналу й дотримання строгих заходів техніки безпеки при пошуку місць пошкодження.

У тих випадках, коли після пропалювання ізоляції перехідний опір у місці пошкодження залишається досить великим можна використати мостовий метод ВМП на постійному струмі, що одержав назву «петльового методу». З його допомогою можна визначити такий вид пошкодження ізоляції, як замикання жили на землю, коли перехідний опір досягає величини до 10 кОм. Крім того, мостовий метод ВМП дозволяє визначити відстань до місця обриву жил у кабелі при одночасному їхньому замиканні на землю або без замикання. У цьому разі застосовується метод, що дістав назву «ємнісного методу ВМП».

Сутність петльового методу полягає в тому, що пошкоджена й здорова жили кабеля з'єднуються накоротко з одного боку (утворюється петля), з іншого боку до кінців жил приєднуються додаткові регульовані резистори - створюється схема моста. Для користування методом петлі необхідно мати хоча б одну непошкоджену жилу кабеля або хоча б одну жилу з перехідним опором, значно більшим перехідних опорів двох інших жил (в 10 – 100 разів). Значення перехідного опору пошкодженої жили повинно бути не більше 5000 Ом. При більших значеннях стійких перехідних опорів можна застосувати міст високої напруги звичного реохордного типу, керування яким відбувається за допомогою ізолюючої штанги.

Методом петлі надійно перевіряються однофазні й двофазні замикання сталого характеру. Трифазні замикання визначаються при наявності додаткового проводу, яким може бути використаний паралельно прокладений кабель.

Відомими є методи визначення місця пошкодження за схемою петлі Муррея і петлі Варлея.

Метод петлі Муррея (рис.5.3 ) застосовують, якщо у певному місці одна з жил кабеля замикається на іншу або на оболонку через перехідний опір, величина якого не перевищує 104 Ом.

1

R 2




Ly (ry =2r-rx )

4

M

Lx =(rx)




Rп 3




Рис.5.3 - Схема вимірів для визначення відстані до місця пошкодження ізоляції кабеля методом петлі Мур рея:

1,2,3 - жили кабеля, 4 - перемичка

З умови рівноваги моста виходить

; , (5.5)

де R - опір плеча моста, підімкнутого до непошкодженої жили,

М - опір плеча моста, підімкнутого до пошкодженої жили (відлік за декадою відносин),

r - опір жили кабеля;

rx -опір жили кабеля до місця пошкодження.

При постійному перерізі струмоведучих жил опори відрізків пропорційні довжині відповідних ділянок.

Відстань до місця пошкодження знаходимо з виразу

, (5.6)

де L -довжина кабельної лінії;

Вимірювання з визначення місця пошкодження слід робити з обох кінців кабельної лінії, змінюючи місце встановлення перемички.
1   2   3   4   5   6

Схожі:

Харківська національна академія міського господарства визначення місць пошкодження в силових кабелях iconХарківська національна академія міського господарства о. О. Воронков, Т. Б. Воронкова
Харківська національна академія міського господарства, вул. Революції, 12, Харків, 61002 Електронна адреса: rectorat@ksame kharkov...
Харківська національна академія міського господарства визначення місць пошкодження в силових кабелях iconХарківська національна академія міського господарства писаревський Ілля Матвійович
...
Харківська національна академія міського господарства визначення місць пошкодження в силових кабелях iconХарківська національна академія міського господарства с. Л. Дмитрієв конспект лекцій
Пожежна профілактика в будівництві” (для бакалаврів 4-го курсів денної форми навчання напряму підготовки 060101 – «Будівництво» спеціалізації...
Харківська національна академія міського господарства визначення місць пошкодження в силових кабелях iconХарківська національна академія міського господарства с. Л. Дмитрієв конспект лекцій
Пожежна профілактика в будівництві” (для магістрів 5-го курсів денної форми навчання напряму підготовки 0921 060101) – «Будівництво»...
Харківська національна академія міського господарства визначення місць пошкодження в силових кабелях iconХарківська національна академія міського господарства с. Л. Дмитрієв методичні вказівки
Пожежна профілактика в будівництві” (для магістрів 5-го курсів денної форми навчання напряму підготовки 0921 060101) – «Будівництво»...
Харківська національна академія міського господарства визначення місць пошкодження в силових кабелях iconХарківська національна академія міського господарства с. Л. Дмитрієв конспект лекцій
Пожежна профілактика в будівництві” (для спеціалістів 5-го курсів денної форми навчання напряму підготовки 0921 060101) – «Будівництво»...
Харківська національна академія міського господарства визначення місць пошкодження в силових кабелях iconХарківська національна академія міського господарства с. Л. Дмитрієв методичні вказівки
Безпека на транспорті” (для студентів 2 курсу денної форми кваліфікаційного рівня бакалавр галузі знань 1702 “Цивільна безпека” напряму...
Харківська національна академія міського господарства визначення місць пошкодження в силових кабелях iconХарківська національна академія міського господарства с. Л. Дмитрієв методичні вказівки
Охорона праці ” (для бакалаврів 4-го курсів заочної форми навчання напряму підготовки 060101 – «Будівництво» спеціалізації “Охорона...
Харківська національна академія міського господарства визначення місць пошкодження в силових кабелях iconХарківська національна академія міського господарства с. Л. Дмитрієв методичні вказівки до проведення практичних занять
Безпека на транспорті” (для студентів 2 курсу денної форми кваліфікаційного рівня бакалавр галузі знань 1702 “Цивільна безпека” напряму...
Харківська національна академія міського господарства визначення місць пошкодження в силових кабелях iconХарківська національна академія міського господарства с. Л. Дмитрієв конспект лекцій
Конспект лекцій з дисципліни “Пожежна безпека” (для студентів денної форми навчання напряму підготовки 050702 – «Електромехінка»...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи