Часть вторая
ИМПУЛЬСНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
МЕСТ ПОВРЕЖДЕНИЯ
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ по линиям
- 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 Е, 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=3х105 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 распространяется в пространстве, окружающем все провода, проникая в них и в землю.
Процесс распространения зависит от числа, взаимного расположения, материала и размера проводов, их 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 пробега 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 Ζв и фазовой скоростью распространения Vф 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 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.