Глава восьмая
СИСТЕМА ПРИСОЕДИНЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ К ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМАМ ПРИСОЕДИНЕНИЯ
Быстрое отыскание подавляющего большинства мест повреждения воздушных линий электропередачи возможно лишь при измерении расстояния до них в период горения силовой электрической дуги. Присоединение в этих условиях генератора и приемника импульсов непосредственно к проводам линии не представляется возможным. Между находящейся под высоким напряжением (до нескольких сотен киловольт) линией и импульсным измерительным устройством должно находиться промежуточное звено—система присоединения. Эта система позволяет проводить импульсные измерения в любой момент времени, не требуя отключения линии.
Выбор оптимальной системы присоединения должен проводиться одновременно с выбором оптимальных характеристик передатчика и приемника импульсных сигналов. Однако решение задачи в такой общей постановке вопроса представляется сложным. Мы рассмотрим лишь одно звено цепи импульсных измерений — систему присоединения. При этом будем стараться накладывать минимальные ограничения на условия выбора параметров и структуры приемника и передатчика [Л. 69].
Система присоединения импульсного измерительного устройства к линии электропередачи должна удовлетворять следующим основным требованиям:
- Подавление не менее чем в заданной степени напряжения промышленной частоты и спектра частот, соответствующих собственным колебаниям сети при переходных процессах.
- Обеспечение погрешности импульсных измерений за счет системы присоединения, не превышающей допустимую.
- Обеспечение заданного энергетического к. п. д. прохождения импульсного сигнала
Рис. 8-1. Представление системы присоединения линейным четырехполюсником.
1 — импульсное измерительное устройство; 2 — линейный четырехполюсник (система присоединения); 3 — входное сопротивление линии.
Таким образом, изменение того или иного заданного входного сигнала при прохождении системы присоединения определяется комплексным коэффициентом передачи системы присоединения, т. е. ее частотными характеристиками. Задача, следовательно, заключается в выборе таких характеристик, чтобы наилучшим образом удовлетворялись перечисленные выше требования.
ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ПРИСОЕДИНЕНИЯ
Таким образом, требования по точности импульсных измерений ограничивают минимальную ширину полосы пропускания системы присоединения. В то же время расширение полосы приводит к увеличению помех импульсным измерениям от высокочастотных каналов релейной защиты, телемеханики и связи и линейных шумов.
Высокий уровень помех от высокочастотных каналой заставляет поднимать уровень импульсных сигналов, что удорожает импульсные устройства. Поэтому ширина полосы пропускания системы присоединения должна быть минимально возможной в соответствии с условием (8-16).
Для выбора параметров системы присоединения, кроме ширины полосы, необходимо задать среднее или граничные значения частот, характеризующие размещение этой полосы на оси частот.
Ограничение размещения этой полосы снизу связано с требованием подавления промышленной частоты и спектра частот, действующих в линии при переходных процессах в сети. Этот спектр зависит от различных условий, но во всяком случае захватывает область от одного до нескольких килогерц, считая от ω = 0. Напряжение промышленной частоты и порядок величины напряжения низкочастотных переходных процессов определяются рабочим напряжением воздушных линий 35— 500 кВ. Поэтому требуется подавление соответствующего спектра частот во много тысяч раз. В реальных фильтрах этого можно достигнуть лишь за счет значительного удаления полосы пропускания от указанной выше зоны (единицы килогерц).
В этой части требования к системам присоединения импульсных устройств к ЛЭП одинаковы с требованиями, предъявляемыми к фильтрам присоединения высокочастотных каналов связи, телемеханики и релейной защиты. Последние используют нижнюю граничную частоту— 40 кГц [Л. 11]. Эта величина и должна быть принята в основу для импульсных измерений. Во всяком случае снижение нижней границы до 30—20 кГц связано со значительными практическими трудностями осуществления каналов.
В то же время затухание импульсов в линии с понижением частоты уменьшается. Условие для нижней граничной частоты fгр.н больше или равно десяткам килогерц практически -исключает целесообразность применения для импульсных измерений на включенных ЛЭП видеоимпульсов. Это можно показать с помощью рассмотрения энергетических спектров импульсов.
δ)
Рис. 8-5. Амплитудные спектры сигналов. а — прямоугольного видеоимпульса; б — прямоугольного радиоимпульса.
На рис. 8-5 видно, что та часть энергии видеоимпульса, которая сосредоточена в области низких частот (в районе ω=0), у радиоимпульса сосредоточена в области возле несущей частоты ω=ω0.
Чем длиннее видеоимпульс, тем большая часть его энергии сосредоточена в низкочастотной части спектра. У радиоимпульса выбором несущей частоты ω0 можно перемещать основную часть энергии импульса по оси частот.
Согласно теоремы Релея [Л. 70] энергетический спектр импульса находится из его амплитудного спектра путем возведения в квадрат всех его ординат, при этом площадь, ограниченная графиком функции [S(f)]2 и осью абсцисс, пропорциональна полной энергии импульса:
где т — коэффициент пропорциональности (активное сопротивление цепи для импульса тока или активная проводимость для импульса напряжения).
Последнее неприемлемо из-за соответствующего возрастания помех импульсным измерениям.
Таким образом, система присоединения должна быть приспособлена к передаче радиоимпульсов с несущей частотой ω0, размещенной в полосе пропускания ΔF. Выбор частоты ω0 с точки зрения системы присоединения зависит от частот соседних высокочастотных или импульсных каналов.
Как и для высокочастотных каналов связи, телемеханики и релейной защиты, несущая частота для импульсной системы f0=ω0/2π может располагаться в диапазоне 50—500 кГц (иногда до 1 Мгц).
Поскольку полоса частот импульсного канала значительно шире, чем высокочастотного (25—50 кГц против 1,5—3 кГц), то нижнее значение частоты для него fон=50 кГц против 35—40 кГц для высокочастотных каналов. С учетом изложенного требование обеспечения заданного энергетического к. п. д. передачи радиоимпульса
Поэтому какие-либо общие требования к широкополосной системе присоединения импульсных устройств с точки зрения минимальных помех высокочастотным каналам выдвинуть нельзя. Обеспечить же такую же полосу импульсного канала, как и высокочастотного, за счет системы присоединения невозможно из-за условия (8-16). При выборе величины ω0 для конкретных импульсных каналов необходимо учитывать частотное размещение высокочастотных каналов. Практически короткие (несколько десятков микросекунд) импульсы не нарушают работу высокочастотных каналов релейной защиты, телемеханики и связи.
При конструировании системы присоединения необходимо учитывать дополнительные требования по уровню изоляции отдельных элементов. Эти требования сводятся к следующему. Элемент системы присоединения, на который ложится рабочее напряжение линии (например, конденсатор связи), по условиям изоляции приравнивается к высоковольтному оборудованию подстанций.
Изоляция элементов системы присоединения, на которые ложится напряжение от импульсного генератора, должна иметь электрическую прочность не менее 2— 3 кВ. Последнее становится очевидным, если иметь в виду, что импульсный сигнал после затухания в 30— 100 раз должен еще превышать уровень сигналов от высокочастотных каналов, имеющих напряжение десятки вольт.
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ ПРИСОЕДИНЕНИЯ
На рис. 8-6 показана структурная схема системы присоединения импульсного измерительного устройства к ЛЭП, к которой также подключены высокочастотные каналы.
На этом рисунке Л — линия, КС — конденсатор связи, ФП — фильтр присоединения, применяемый для высокочастотных каналов связи телемеханики и релейной защиты; УПк УП2, ..., УПк— узкополосные фильтры для приемопередатчиков высокочастотных каналов; ΠΠ1, ПП2, ППк — приемопередатчики высокочастотных каналов; ФИП — фильтр импульсного приемника; ГИ — генератор импульсов; ПИ — приемник импульсов.
Рис. 8-6. Структурная схема системы присоединения импульсного измерительного устройства к ЛЭП.
Основой связи системы с линией являются конденсатор связи и фильтр присоединения, применяемые для высокочастотных каналов связи, телемеханики и релейной защиты.
Основой связи системы с линией являются конденсатор связи и фильтр присоединения, применяемые для высокочастотных каналов связи, телемеханики и релейной защиты.
Выпускаемые отечественной промышленностью фильтры присоединения [Л. 73] ОФП-4, ФП-400 и ФП-500, применяемые совместно с конденсаторами связи для высокочастотных каналов, удовлетворяют основным рассмотренным выше требованиям для импульсных устройств, за исключением ширины полосы пропускания. На рис. 8-7 показаны частотные характеристики фильтра ОФП-4 [Л. 73], из которых видно, что полоса пропускания его диапазонов (как и для ФП-400 и ФП- 500) не менее 100—200 кГц. Такая широкая полоса неприемлема для приемника импульсных сигналов. Поэтому на его входе устанавливается отдельный фильтр ФИП с полосой ∆F=25-50 кГц.
Сигнал генератора импульсов проходит в линию непосредственно через ФП, что ввиду его широкой полосы незначительно снижает крутизну фронта импульса, уходящего в линию. Приходящий из линии импульсный сигнал проходит сначала конденсатор связи и фильтр присоединения, а затем — через ФИП — попадает в приемник импульсных сигналов (ПИ).
Требования к электрической прочности изоляции ФИП такие же, как и для фильтров высокочастотных
Таким образом, структурная схема, изображенная па рис. 8-6, позволяет обеспечить присоединение импульсного измерительного устройства к линии электропередачи, имеющей действующие высокочастотные каналы, включенные к серийно выпускаемым промышленностью фильтрам путем добавления лишь одного фильтра импульсного приемника с полосой пропускания 25— 50 кГц.