ИМПУЛЬСНЫЕ ПОМЕХИ ОТ ДУГИ В МЕСТЕ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
Наиболее существенное влияние по сравнению с другими видами помех на методику ОМП и структуру приборов для автоматических измерений оказывает дуга в месте повреждения. Дело в том, что автоматические измерения как раз производятся в период горения дуги. Ввиду отсутствия в литературе сведений по характеристике таких помех в 1964—1966 гг. во ВНИИЭ [Л. 51] была предпринята серия экспериментальных исследований.
Основой этих исследований являлось осциллографирование помех в реальных линейных условиях. Необходимо было удовлетворить прежде всего двум требованиям:
1) осциллографирование процессов непрерывно в течение сотен миллисекунд или даже нескольких секунд;
2) фиксация импульсных помех, длящихся микросекунды.
Этим требованиям удовлетворяют электроннолучевые осциллографы с механической разверткой.
Было произведено несколько серий дуговых коротких замыканий на линиях 110, 220, 400 и 500 кВ. Методика и результаты испытаний подробно изложены в [Л. 51].
На рис. 5-4 приведены в качестве примера две осциллограммы дуговых коротких замыканий на линии 500 кВ длиной 420 км. Показаны напряжение на выходе высокочастотного кабеля, соединенного с линией через фильтр присоединения и конденсатор связи, и ток короткого замыкания. Начальный процесс возникновения дуги на осциллограммах не показан.
Рис. 5-4. Осциллограммы дуговых коротких замыканий на линии.
Верхний луч — выход в. ч. кабеля, нижний луч — ток короткого замыкания.
Одна осциллограмма характеризуется 1—2 пиками помех в полупериод промышленной частоты напряжением 20—30 в, вторая — существенно более интенсивными помехами (самыми значительными из всех серий опытов): пики превышали 150 в.
Результаты опытов позволили установить ряд специфических особенностей распределения помех, оказывающих существенное влияние на выбор структуры и характеристик автоматических искателей повреждений.
Характер импульсных помех при дуговом коротком замыкании на ЛЭП схематически представлен на рис. 5-5.
После возникновения дуги 3—4 мсек помехи высокого уровня идут практически непрерывно. Далее уровень помех очень низок, и периодически, как правило, каждые полпериода промышленной частоты возникают один или реже два-три пика общей длительностью t высокого уровня помех. Такое положение продолжается до начала расхождения контактов высоковольтного выключателя, когда появляются вновь непрерывные помехи высокого уровня.
Под импульсными помехами высокого уровня понимаются такие, когда по величине отстроиться от них нельзя. Дело в том, что их амплитуда на выходе фильтра присоединения искателя к линии составляет десятки (а иногда до 100—200 в), и иметь большую величину отраженного полезного сигнала (с учетом затухания его в линии в 50—100 раз и более) практически нецелесообразно.
Рис. 5-5. Схематическое временное распределение импульсных помех при дуговом коротком замыкании.
а — начало короткого замыкания; б — начало пика помех в очередной полупериод промышленной частоты; в — начало расхождения контактов выключателя.
Подчеркнем, что из комплекса вопросов оптимального приема смеси сигнала с помехой ниже рассматриваются только вопросы, относящиеся к учету специфического характера временного распределения дуговых помех.
Как показывает анализ осциллограмм, периодические помехи высокого уровня связаны с процессом гашения и зажигания дуги в области перехода тока короткого замыкания через нулевое значение. Возникновение же дуги может произойти в произвольный момент.
Очевидно, что в период первых 4 мсек — t0 посылать зондирующий или хронирующий импульс не следует, это в равной степени относится и к периоду отключения — tоткл·
Поэтому для измерений необходимо выбрать временной интервал в промежутке — Траб. Этот промежуток может длиться от единиц до нескольких десятков периодов промышленной частоты. Наименьшая длительность интервала измерений tи имеет место при однократной посылке импульсного сигнала. Максимальное значение его в этом случае зависит от протяженности обслуживаемой ЛЭП и составляет:
Таким образом, при однократной посылке импульсов вероятность ложного измерения равна отношению суммы времени измерения и длительности пика помех высокого уровня к полупериоду промышленной частоты.
Если иметь в виду, что согласно [Л. 51] tп=0,3- 2 мсек, то для линий длиной от 100 до 300 км вероятность ложного измерения при f=50 гц может иметь значения от 0,1 до 0,4.
Это позволяет сделать вывод о низкой эффективности применения волнового искателя повреждений с однократным хронирующим сигналом внутри интервала Траб и локационного искателя повреждений с однократной посылкой зондирующего импульса.
В свете этого вывода становятся понятными результаты работы волнового искателя повреждений однократного действия, опубликованные в [Л. 52]. Многочисленные попытки повышения уровня хронирующего сигнала и увеличения длительности задержки его посылки для отстройки от помех не обеспечивали правильную работу искателя. Авторы вынуждены были ввести задержку посылки хронирующего сигнала на время, значительно превышающее величину, потребную для отключения и автоматического повторного включения поврежденной линии. Задержка была принята 4=1 сек±1 мксек. Такое решение приводит к существенному усложнению устройства задержки по сравнению с принимаемыми во всех ранее опубликованных работах [Л. 34] 4=3- 20 мсек, но зато в принципе может обеспечить существенно более высокую надежность правильного измерения.
Наиболее эффективным способом снижения вероятности ложного измерения в период горения дуги является многократная посылка зондирующих или хронирующих импульсов с накоплением сигналов.
Накопление может осуществляться различным образом. В устройствах для отыскания повреждения воздушных ЛЭП в настоящее время применяется синхронное «яркостное» накопление. Суть его заключается в синхронной посылке в линию последовательности зондирующих импульсов через равные интервалы Тс>tи с одновременной разверткой изображения зондирующих и отраженных импульсов на экране электроннолучевой трубки (ЭЛТ).
Чем большее число раз пройдет по экрану луч одной и той же трассой, тем ярче будет соответствующее изображение. Случайно распределенные во времени по отношению к периоду следования импульсов помехи обеспечивают существенно меньшую яркость изображения, ибо их накопление осуществляется на основе вероятностных закономерностей.
Если принять определенную зависимость яркости изображения от числа последовательных наложений одинаковых трасс электронного луча, то можно провести приближенный количественный анализ накопления полезного сигнала и помех.
Проведем анализ для представляющей наибольший практический интерес линейной зависимости яркости изображения от числа последовательных повторений пути электронного луча по экрану ЭЛТ. Результаты анализа остаются при этом справедливыми и для других способов накопления, осуществляемого по линейному закону.
Анализ осциллограмм показывает, что область, в которой возникают пики помех, хотя в известной степени и тяготеет к моменту перехода тока через нулевое значение, не занимает стационарного положения в каждый полупериод промышленной частоты. Она столь значительно смещается то в одну, то в другую сторону (флюктуирует), что нельзя выделить какую-либо существенную часть полупериода промышленной частоты, в которой пика помех не будет с достаточно высокой вероятностью.
В то же время суммарная длительность пиков помех высокого уровня в течение любого полупериода не превосходит его определенной части
Если при многократной посылке зондирующих импульсов принять условие 
где Тс — период следования зондирующих импульсов; k=1, 2, 3 и т. д. любое целое число, то какая-либо синхронность (по отношению к промышленной частоте) в накоплении помех исключается.
Включение ступени напряжения на обычную линейную систему присоединения устройств к линии вызывает на ее выходе затухающие синусоидальные колебания двух частот, биение которых в сумме дает выходное напряжение [Л. 53]. Короткие по отношению к периоду указанных колебаний импульсы помех представляют чередование положительных и отрицательных ступеней напряжения, т. е. вызывают пакеты затухающих колебаний. При многократном зондировании и попадании помех в несколько периодов записи результат накопления помех зависит от взаимных фаз колебаний.
В каждой точке накладывающихся записей фаза колебаний каждой из двух частот может иметь любое из g значений:
, где а — разрешающая способность записывающего устройства.
Вероятность иметь в произвольной точке записи некоторую фазу колебания равна
; а вероятность совпадения в этой же точке одинаковых фаз r раз из п записей с помехами должна подчиняться биномиальному распределению:
Проведенные опыты искусственных дуговых коротких замыканий и имевшие место случаи срабатывания искателей в эксплуатации подтвердили целесообразность принятого решения.
Повышение времени записи τ сверх минимально необходимого приводит к повышению собственного времени срабатывания искателя. В современных условиях, когда в подавляющем большинстве случаев необходимо обеспечить определение расстояния до места повреждения в интервале между моментом срабатывания выходного реле защиты и моментом начала расхождения контактов высоковольтного выключателя, указанное время крайне ограничено (несколько десятков миллисекунд).
Изложенное выше позволяет сформулировать следующие требования к структуре автоматических искателей повреждений.
- Локационные искатели должны обеспечивать многократное зондирование линии с синхронной записью в течение определенного интервала времени.
- Длительность интервала записи определяется расчетом. Эта длительность лежит в пределах 10—30 мсек.
- Волновые искатели повреждений, использующие посылку хронирующего сигнала по контролируемой линии, должны либо обеспечивать многократную синхронную посылку этого сигнала в течение указанного выше интервала в период повреждения, либо иметь длительную (порядка секунды) задержку посылки однократного хронирующего сигнала.
- Во всех случаях от начала короткого замыкания до посылки измерительных импульсов должен быть интервал не менее 4 мсек.