Глава десятая
СОВМЕСТНАЯ РАБОТА АВТОМАТИЧЕСКИХ ИСКАТЕЛЕЙ ПОВРЕЖДЕНИЙ С УСТРОЙСТВАМИ
ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ СВЯЗИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ ПО ЛИНИЯМ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
В условиях современных энергосистем по линиям электропередачи передаются высокочастотные сигналы каналов связи, телемеханики, релейной защиты и системной автоматики. Эти сигналы затрудняют выделение измерительных импульсов. С другой стороны, присоединение импульсных устройств может воздействовать на работу высокочастотных каналов.
При выборе варианта осуществления совместной работы указанных, систем необходимо учитывать [Л. 75] следующие основные факторы:
минимально допустимую мощность импульсного генератора;
параметры и стоимость устройств присоединения и заградителей;
взаимное влияние систем.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА МОЩНОСТИ ИМПУЛЬСНОГО ГЕНЕРАТОРА
Активная ширина спектра зондирующего радиоимпульса, вырабатываемого генератором, как отмечалось выше, определяется необходимой точностью определения расстояния до места повреждения линии. Она составляет ∆Fи=40-60 кГц с приблизительно симметричным расположением спектра относительно частоты наполнения f0. Поэтому можно в первом приближении принять в пределах полосы частот затухание сигналов в линии и элементах высокочастотной обработки неизменным и соответствующим затуханию гармонической слагающей частоты f0. Погрешность такого приближения практически не отразится на сравнительной оценке вариантов совместной работы каналов.
Приняв, что высокочастотный и импульсный сигналы включены по одинаковым схемам относительно проводов линии, можно для расчета затухания в линии воспользоваться эмпирической формулой [Л. 11]
В гл. 9 допустимое затухание, вносимое заградителем, составляло не 0,25 неп, а 0,5 неп. Однако с учетом завышения других составляющих формулы (10-2) принятое значение
неп близко к действительному.
Минимальная мощность импульсного генератора Ра должна удовлетворять условию
Рассмотрим отдельные варианты совместной работы рассматриваемых систем, определяя в каждом случае величины, входящие в формулу (10-3).
ВЫДЕЛЕНИЕ СИГНАЛОВ ПО ПОЛОСЕ ЧАСТОТ
Ширина полосы приемных фильтров для импульсного сигнала соответствует активной ширине спектра зондирующего импульса ∆Fи. Рабочие частоты каналов связи, телемеханики и релейной защиты должны размещаться вне пределов ∆Fи.
Схема такого разделения, применяемого в Англии и США [Л. 64], показана на рис. 10-1. Импульсный искатель повреждений и высокочастотные устройства используют комбинированный фильтр присоединения, подключаемый к конденсатору связи КС. Контур А не пропускает полосу частот импульсного сигнала. Участок схемы, обозначенный через В, эквивалентен индуктивности, образующей с конденсатором связи последовательный контур, настроенный на полосу высокочастотных каналов. Наоборот, контур D является заградительным для высокочастотных каналов, а участок С играет ту же роль для полосы частот искателя, какую участок В — для высокочастотных каналов. Заградители должны охватывать полосы частот каналов обоих типов.
Определим минимальную мощность генератора импульсов. Поскольку в этом варианте в полосе частот импульсного сигнала отсутствуют помехи от высокочастотных каналов, необходимо отстроиться только от распределенных помех на линии, вызванных главным образом коронированием.
Рис. 10-1. Схема комбинированного фильтра присоединения.
Зависимость минимального абсолютного уровня мощности импульсного генератора от длины обслуживаемой линии при заданной частоте f0 — линейная функция.
На рис. 10-2 построены семейства прямых для различных значений f0 в диапазоне 50—1 000 кГц для линий 110 и 220 кВ. Эти семейства прямых позволяют количественно оценить повышение потребной мощности генератора импульсов с ростом частоты в соответствии с увеличением затухания линии. Если использовать для импульсного сигнала частоты в основном диапазоне высокочастотных каналов f0<300 кГц, то в соответствии с рис. 10-2 для линий длиной до 150 км достаточно генератора с импульсной мощностью 150—450 вт (6— 6,5 неп). Однако такое решение требует занятия для импульсного устройства полосы ∆F=40-60 кГц, в которой можно было бы разместить 5—8 каналов связи (2X3 кГц на канал).
В Японии [Л. 34] применяют для импульсных сигналов автоматических искателей повреждений в подавляющем большинстве случаев частоты f0=265-440 кГц, которые лежат над верхней границей диапазона высокочастотных каналов. Лишь на нескольких линиях использованы частоты 150—195 кГц. Применяемые для линий длиной до 200 км импульсные генераторы имеют мощность несколько десятков киловатт.
На рис. 10-2 отмечены уровни 8,1 неп (10 кВт) и 8,8 неп (40 кВт), показывающие хорошее совпадение фактических данных Японского комитета по определению мест повреждения линий электропередачи с формулами (10-4) и (10-4а).
Английская фирма «Ферранти», серийно выпускающая автоматические искатели для внутреннего рынка и экспорта в США (Л. 64], использует частоту f0=1 000 кГц. Следует подчеркнуть, что с ростом частоты облегчается реализация комбинированных фильтров присоединения по схеме рис. 10-1. Мощность импульсного генератора искателя фирмы «Ферранти» 1,25 кВт (7,1 неп). В соответствии с рис. 10-2 этот уровень позволяет обслужить линию длиной до 100 км. Реклама фирмы гарантирует несколько большую дальность. Это можно частично объяснить более низким уровнем распределенных помех на частоте 1 000 кГц по сравнению с принятыми в нашем расчете.
К недостаткам частотного разделения импульсных и высокочастотных сигналов следует отнести необходимость применения усложненных фильтров присоединения и во многих случаях дополнительных заградителей. При применении широкополосных заградителей (линии 330—500 кВ) дополнительные заградители не требуются.
Следует отметить [Л. 11], что уровень помех от коронирования, влияющих на импульсные измерения, можно резко снизить за счет синхронизации генератора импульсов с рабочим напряжением линии. Дело в том, что всплески помех от короны имеют наибольшую величину в момент максимума напряжения соответствующего провода линии. Между этими всплесками в интервале порядка 3 мсек в каждый полупериод уровень помех существенно ниже.
Рис. 10-2. Минимальный уровень мощности импульсного генератора при частотном разделении сигналов.
а — для линий 110 кВ; б — для линий 220 кВ.
ВЫДЕЛЕНИЕ СИГНАЛОВ ПО УРОВНЮ ПРИЕМА
Рис. 10-3. Схема совместного включения искателя повреждений с высокочастотным постом при частотном разделении сигналов.
Л — линия; КС — конденсатор связи; 3 — заградитель; ФП — фильтр присоединения; ВП — высокочастотный пост; И — искатель повреждений.
При разделении сигналов по уровню приема включение импульсного искателя производится параллельно высокочастотному посту (рис. 10-3). Не требуется дополнительной высокочастотной обработки линии. Частота наполнения импульсного сигнала f0 должна соответствовать частоте настройки заградителя [Л. 75]. Малая длительность импульсов (15— 40 мксек) делает незначительным их влияние на работу высокочастотных каналов даже при совпадении величины f0 с рабочей частотой канала. Обратное же влияние можно устранить за счет повышения уровня приема импульсных сигналов.
Минимальная мощность генератора импульсов отличается от случая частотного разделения иной величиной Рп. В этом случае необходимо отстроиться не от распределенных помех, а от уровня сигнала высокочастотного передатчика Рпер. Обычная мощность передатчиков для каналов связи составляет 10 вт ( + 4,6 неп).
В соответствии с этим запишем:
откуда для линий 110 кВ
для линий 220 кВ
Рис. 10-4. Минимальный уровень мощности импульсного генератора при разделении сигналов по уровню приема.
а — без отключения в. ч. передатчика; б — с кратковременным отключением в. ч. передатчика.
Для линий 110 кВ при f0= 50 кГц генератор импульсов такой мощности может иметь дальность действия 150 км, при f0=100 кГц — 110 км, а при f0=230 кГц — лишь 75 км. Для линий 220 кВ соответствующие дальности примерно на 40—50 км больше.
Рис. 10-5. Схема присоединения импульсного генератора большой мощности.
ИП — импульсный приемник; ИГ — импульсный генератор; Л — линия; КС — конденсатор связи; 3 — заградитель; Lд — добавочная катушка; Р — разрядник; К1 — обычный высокочастотный кабель; К2 — контрольный кабель.
Генератор же мощностью 40 кВт вообще не может быть использован.
Проведенные на реальных линиях эксперименты подтвердили полученные соотношения. Поэтому во ВНИИЭ был разработан генератор с импульсной мощностью 2 Мвт, примененный в автоматических искателях повреждений типа АИИП-1.
Напряжение импульса на волновом сопротивлении высокочастотного кабеля 100 Ом составляет 14 кВ.
Поскольку изоляция серийных фильтров присоединения (ОФП-4, ФП-500) рассчитана на напряжение только 2,5 кВ, то была применена схема, изображенная на рис. 10-5.
Дополнительная катушка с индуктивностью имеет высоковольтную изоляцию и встраивается в корпус фильтра присоединения. При подаче высоковольтного импульса разрядник Р пробивается, защищая катушку L2 от опасного напряжения.
Наличие дополнительной катушки обусловливает добавочное затухание высокочастотных каналов порядка 0,2—0,3 неп.
Высокое напряжение импульса вызывает необходимость либо применения значительно более дорогого высоковольтного коаксиального кабеля, либо установки импульсного генератора на открытой подстанции возле фильтра присоединения. В последнем случае существенно возрастает стоимость и понижается надежность конструкции генератора.
Необходимость ограничивать индуктивность дополнительной катушки вызывает трудности в обеспечении требуемой для импульсного сигнала полосы пропускания контура, образуемого ее индуктивностью с емкостью конденсатора связи.
ВЫДЕЛЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ ПО УРОВНЮ ПРИЕМА ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОМ ОТКЛЮЧЕНИИ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПЕРЕДАТЧИКА
Отмеченные выше недостатки можно устранить, применив кратковременное отключение высокочастотного передатчика на период срабатывания искателя (не более 0,1 сек).
В этом случае при приеме импульсных сигналов надо отстраиваться от высокочастотного напряжения передатчика противоположного конца линии. Поскольку сигналы передатчика до входа импульсного устройства должны преодолеть линию и две системы присоединения и обработки, то минимальная мощность импульсного генератора составит:
Для линий 110 кВ
(10-6)
Для линий 220 кВ
(10-6а)
Семейства прямых, построенных по формулам (10-6) и (10-6а), представлены на рис. 10-4. Из этого рисунка видно, что при мощности генератора в несколько десятков киловатт (8,1—8,8 неп) можно обслужить линии 220 кВ длиной до 200 км во всем диапазоне до 300 кГц и линии 110 кВ длиной до 200 км при частоте наполнения импульса до 150 кГц и длиной 150 км — до 300 кГц.
Мощность 40 кВт (8,8 неп) соответствует на нагрузке 100 Ом напряжению 2 кВ. Это позволяет использовать серийные фильтры присоединения и обычный высокочастотный кабель. Стоимость и габаритные размеры генератора составляют не более 15—20% стоимости и размеров всего искателя повреждений. При мощности генератора, измеряемой мегаваттами, стоимость генератора является основной составляющей стоимости устройства.
Схема совместной работы автоматического искателя повреждений с высокочастотными постами в этом варианте показана на рис. 10-6. Цепь от высокочастотного поста до фильтра присоединения заведена на размыкающиеся контакты реле 1Р (типа РАД-4П) искателя повреждений. На время срабатывания искателя цепь размыкается и через 0,1 сек вновь замыкается.
За это время АРУ высокочастотного поста не успевает подействовать. Абонент практически не замечает какого-либо перерыва телефонного разговора. В то же время за 0,1 сек осуществляется импульсное зондирование линии. Импульсы напряжением 1,5—2 кВ
Рис. 10-6. Схема с кратковременным отключением высокочастотного поста. КС — конденсатор связи; З — заградитель; ФП — фильтр присоединения; РЛ — реле линии; И — искатель повреждений; ВП — высокочастотный пост.
не попадают на вход высокочастотного поста. При кратковременном разрыве канала практически не происходит «отбоя» телефонной связи по линии.
В аппаратуре, использующей передачу сигналов управления телефонной автоматикой только в периоды «набора» и «отбоя», имеется замедление на отбой порядка 0,3—0,5 сек. В аппаратуре, использующей передачу сигналов управления непрерывно, это замедление 0,05—0,15 сек.
В отдельных случаях в такой аппаратуре может оказаться необходимым несколько увеличить замедление, что практически не ухудшит работу связи.
Кратковременное прерывание высокочастотного канала не вызывает неправильной работы систем телемеханики. Недостатком системы совместной работы рассматриваемых устройств с прерыванием канала на 0,1 сек является возможность сбоя при совпадении момента короткого замыкания на линии с моментом набора телефонного кода или передачи сигнала телемеханики. Вероятность такого · совпадения очень мала. Следует подчеркнуть, что речь идет не о возникновении неисправности связи и телепередачи после появления повреждения на линии, когда особенно важно их функционирование, а о кратковременном сбое, лишь замедляющем действие устройств, Работа искателя повреждения заканчивается до автоматического отключения выключателя линии, поэтому телепередача сигнала об изменении положения выключателя начинается после восстановления канала.
При применении схемы, изображенной на рис. 10-6, достигается существенная экономия коаксиального кабеля. Дело в том, что искатель располагается на щите управления подстанции, который обычно находится вблизи линейно-аппаратного зала связи.
Вместо прокладки отдельного кабеля от искателя повреждений к фильтру присоединений достаточно произвести врезку двумя короткими концами с трассы кабеля связи.
Таким образом, в условиях энергосистем СССР могут применяться обе описанные выше системы разделения импульсного и высокочастотного каналов.