Наибольшее внимание разработке и внедрению автоматических импульсных искателей в 50-е и начале 60-х годов уделялось в Японии.
Примeчание. Относительная погрешность (относится к диапазону измерений расстояния) всех сравниваемых искателей составляет 1—1,5% кроме прибора ЛИДА, для которого она равна 2%.
Это связано, в первую очередь, с особенностями электрических сетей этой страны: подавляющее большинство высоковольтных сетей (включая сети напряжением 275 кВ) работают в Японии с изолированной или компенсированной нейтралью.
Основным разработчиком и производителем автоматических искателей является фирма Toshiba.
Выпускались устройства как однократного, так и многократного зондирования, но без специальной обработки смеси «сигнал — помеха». В качестве системы индикаторов используются магнитная запись с последующим воспроизведением на осциллоскопе и ЭЛТ, снабженная фотокамерой для автоматической съемки с экрана. В частности, используется поляроидная камера, выдающая снимок через несколько минут. Технические данные лучших из известных искателей фирмы Toshiba приведены в табл. 6.4.
Мелкосерийное производство автоматических локационных искателей осуществляет английская фирма Ferranti Ltd.
В этих искателях заложен принцип многократного зондирования без специальной обработки смеси «сигнал— помеха». Индикация выполнена на основе фотосъемки с экрана ЭЛТ с помощью поляроидной фотокамеры. Технические характеристики этих приборов также приведены в табл. 6.4.
В СССР теоретическими исследованиями и разработкой локационных автоматических искателей с 60-х годов занимается ВНИЙЭ. Первый серийный отечественный автоматический локационный искатель типа Р5-7 начал выпускаться в 1968 г. [59].
Искатель Р5-7 имеет структурную схему, представленную на рис. 6.15. От общей структуры (рис. 6.1) она отличается конкретизацией ряда элементов.
Блок 1 разделен на блок управления 1а и блок входных цепей 1б, Последний осуществляет по отношению к сигналам от каждой фазы следующие операции, являющиеся приближением к оптимальным: полосовую частотную фильтрацию от известных и случайных помех; выделение огибающих радиоимпульсов (детектирование); суммирование модулей огибающих от трех фаз.
Блок 5 представляет собой функциональный усилитель, усиливающий поступающую от блока 16 сумму модулей огибающих приблизительно по экспоненциальному закону во времени, отсчитываемому от момента посылки фронта зондирующего импульса. Управление коэффициентом усиления осуществляется пилообразным напряжением с выхода д блока синхронизации 2. От этого же блока запускается генератор зондирующих импульсов 5.
Рис. 6.15. Структурная схема автоматического локационного искателя типа Р5-7.
В выходной части блока 5 осуществляется еще одна операция ограничение поступающих напряжений до уровня, несколько превышающего максимальный отраженный полезный сигнал. Это выгодно осуществлять именно здесь, так как за счет характеристики усилителя 5 амплитуда полезных отраженных сигналов не зависит от расстояния до МП.
Последняя операция над смесью сигнала с помехой — синхронное суммирование реализаций за п циклов зондирования — осуществляется в форме накопления яркости изображения на экране индикатора 4а блока измерений 4. Для этой цели используется скиатрон — ЭЛТ с записью «темной строкой». Одно из свойств экрана этой трубки, покрытого так называемым скотофором, заключается в появлении темной линии по трассе пробега электронного луча. Причем можно создать такой режим, что яркость изображения будет примерно прямо пропорциональна количеству прочерчиваний одной и той же трассы луча. Иными словами, полезный сигнал тем ярче, чем больше раз (циклов зондирования) он повторен в одном и том же месте синхронной временной развертки. Случайные импульсы помех, попадающие в разные места развертки от цикла к циклу, практически не видны (бледные тонкие всплески за 1—2 с исчезают).
Число циклов зондирования и развертки записи η зависит от скорости развертки (диапазона дальности) и для отстройки от помех должно быть не менее 8 при дальности 200 км и 24 при дальности 70 км.
Кроме индикатора-скиатрона в блоке измерений имеются еще подблоки масштабных меток и усилителей вертикального и горизонтального электромагнитного управления лучом. На рис. 6.16 показаны временные диаграммы в различных точках структурной схемы рис. 6.15.
Искатель типа Р5-7 одновременно обслуживает шесть линий одной подстанции (18 проводов). При замыкании выходных контактов релейной защиты одной из линий блок управления 1 (рис. 6.15) подключает искатель к трем трактам системы присоединения этой линии (ВЧ кабель, фильтр присоединения — конденсатор связи), после этого искатель выдает серию из 8—24 зондирующих радиоимпульсов, вырабатывает масштабные метки, пилообразные токи развертки, высокое (20 кВ) импульсное напряжение питание анода скиатрона, обрабатывает принимаемую смесь «сигнал—помеха» и фиксирует на экране изображение посылаемого и отраженных импульсов вместе с масштабными метками. При этом за счет функционального усилителя 5 импульсы соответствующий месту КЗ, всегда значительно больше импульсов, соответствующих неоднородностям, например транспозиции. Изображение на экране (скрытом от света) сохраняется более 8 ч. Необходимость в фотографировании отпадает, что является важным преимуществом по сравнению с зарубежными автоматическими локаторами.
Стирание изображения с экрана скиатрона осуществляется нагревом специальной проводящей пленки экрана в течение примерно 1 мин. При втором автоматическом цикле записи изображение фиксируется перевернутым.
Рис. 6.16. Временные диаграммы к структурной схеме искателя типа Р5-7.
Технические характеристики Р5-7 вместе с аналогичными данными других искателей представлены в табл. 6.4. Искатель Р5-7 снабжен блоком автоматического контроля исправности тракта циркуляции импульса. Периодически от часового механизма с контактом осуществляется запуск искателя и с помощью фотоумножителя, укрепленного над экраном скиатрона, фиксируется наличие (или отсутствие) импульса, отраженного от места транспозиции на обслуживаемой ВЛ. Отражение от конца ВЛ для контроля использовать нежелательно, так как коэффициент отражения в этом случае может сильно изменяться при изменении схемы подстанции или условий работы ВЧ каналов.
За десятилетие (1968—1977 гг.) накоплен положительный опыт эксплуатации искателей типа Р5-7 на нескольких десятках ВЛ. Вместе с тем выявились следующие недостатки этих устройств:
ухудшение четкости (расплывчатость) изображения при высоком уровне помех от ВЧ каналов связи, устройств защиты и автоматики;
ограниченный (менее года) срок службы скиатронов.
Кроме того, для расшифровки изображения на экране ЭЛТ требуется высокая квалификация персонала.
С 1972 г. в СССР начал эксплуатироваться опытный образец, а с 1977 г. налажено серийное производство автоматических искателей дискретного действия с интегральными накопителями типа ЛИДА.
♦
Рис. 6.17. Упрощенная структурная схема искателя типа ЛИДА.
Рис. 6.18. Временные диаграммы к структурной схеме искателя типа ЛИДА.
Искатель типа ЛИДА (локационный искатель, дискретный, автоматический) наилучшим образом в современных условиях реализует близкую к оптимальной структуру приема импульсных сигналов с ВЛ. Упрощенная структурная схема этого устройства представлена на рис. 6.17, а характеризующие ее временные диаграммы — на рис. 6.18.
Блоки I—IX схемы производят следующие операции:
I — формирование посылаемых в обслуживаемую линию зондирующих радиоимпульсов;
II — усиление отраженных импульсов по закону, обратному закону их затухания в линии (функциональное усиление);
- — ограничение;
- — формирование опорных импульсов;
- — формирование управляющих импульсов;
- — переключение выхода усилительного тракта (после ограничения) поочередно на т независимых цепочек в соответствии с поступлением управляющих импульсов;
VII1—VIIт — интегрирование (накопление) принимаемых напряжений;
VIII1—VIIIт — сравнение проинтегрированных за п циклов зондирования напряжений с пороговым уровнем;
IX1—IХт — фиксацию превышения проинтегрированным напряжением порогового уровня.
Число т, на которое делится вся длина линии L, выбирается на основе требуемой точности измерений. Например, при точности 2 % т = 50. Тогда при L = 150 км соответствующий временной интервал Δt = 2L/(mv(1)≈ 0,02 мс, а длина участка L/m = 3 км.
Каждая из т ячеек работает независимо, и ее индикатор срабатывает при наличии в ней накопленного за η циклов зондирования сигнала, превышающего заранее установленную уставку. Эта система индикации № 1 при срабатывании искателя, запускаемого селективно от выходных контактов релейной защиты ВЛ, помимо МП показывает места резких неоднородностей линий, например транспозиции, переходы ВЛ через реки, конец линии. Для облегчения ориентировки дежурного персонала устройство снабжено еще одной системой индикации № 2. В отличие от системы № 1, где каждая ячейка фиксируется независимо, в системе № 2 фиксируется ячейка, первая накопившая заданный уставкой сигнал, остальные в этот момент блокируются. Таким образом, индикация №2 фиксирует наибольший отраженный импульс, который в подавляющем большинстве случаев соответствует МП. Поскольку отражение от конца ВЛ часто близко по амплитуде отражению от МП, то соответствующая концу ВЛ ячейка индикации системы №2 отключается. Для участка вблизи конца ВЛ действует лишь индикация № 1.
Таким образом, независимая индикация №'1 гарантирует от пропуска измерений, позволяет контролировать достоверность срабатывания искателя, так как фиксирует и МП, и характерные (по месту расположения) неоднородности для конкретной ВЛ. Облегчается и выбор уставки срабатывания, так как определенное занижение уставки (не ниже уровня, опасного по случайным помехам) не приводит к ложному измерению.
Вторая (зависимая) индикация облегчает ориентировку персонала при большом (три—пять) числе существенных неоднородностей на ВЛ. При повреждении, соответствующем месту неоднородностей (например, ячейка «повреждения» совпадает с ячейкой «транспозиции»), индикация №2 позволяет установить этот факт.
Функциональная схема устройства ЛИДА, приведенная на рис. 6.19, отражает все существенные элементы структуры рис. 6.17, но дополнена функциональными блоками, позволяющими более подробно пояснить работу искателя,
Генератор зондирующих радиоимпульсов 1 и преобразователь 2 постоянного напряжения 220 В аккумуляторной батареи в стабилизированные другие постоянные напряжения выполняют функции, соответствующие их наименованию.
Блок входных цепей 3, подключаемый к трем фазным проводам ВЛ через ВЧ кабели, фильтры присоединения и конденсаторы связи, нормально отключен и кратковременно (0,04—0,08 с) подключается к данной ВЛ контактами (в разомкнутом состоянии их изоляция по отношению к земле и между собой рассчитана на 1,5 кВ) при срабатывании искателя, запускаемого релейной защитой этой ВЛ.
Рис. 6.19. Функциональная схема устройства ЛИДА.
Подключаться может любая из пяти обслуживаемых ВЛ. При этом жесткой программой обеспечено подключение соответствующих выбранной линии частотных фильтров, контактов диапазона дальности, потенциометров настройки значения импульсного сигнала. Блок управления 4 состоит из командного устройства КУ, ключа К, предварительного ПДЧ и основного ДЧ делителей частоты, счетчика числа накоплений СЧ и дешифратора Д. Функции блока управления соответствуют операциям «Пуск», «Стоп», а также вышеописанным операциям, выполняемым блоками IV, V и VI (рис. 6.17).
Синхронизацию работы всей схемы устройства обеспечивает тактовый генератор 5. В функциональный усилитель 6 поступает суммированный от трех фазных каналов продетектированный видеоимпульс (сумма модулей). Регулируемые элементы функционального усилителя также программно изменяются при автоматическом подключении к конкретной ВЛ.
В устройстве также имеется блок регулировки усиления 7, обеспечивающий стабилизацию уровня принимаемых сигналов. В устройстве ЛИДА образца 1977 г. эта регулировка полуавтоматическая, т. е. персонал периодически должен проводить подстройку по специальному индикатору. В модернизируемом в настоящее время устройстве выполняется автоматическая регулировка на основе стабилизации отражения от выбранной неоднородности (например, транспозиции).
Блоки 8 и 9 выполняют операции накопления и индикации. Эти блоки содержат 50 одинаковых цепочек (ключи К — накопители Н — элементы сравнения С) и индикаторные лампочки блока 9. Для обеспечения независимости уставок срабатывания от изменяющегося уровня помех используется узел формирования порогового уровня. Он содержит дополнительную цепочку (ключ К51 — накопитель Н0 — усилитель У — формирователь 10), уровень напряжения на выходе которой автоматически меняет уставку срабатывания в зависимости от принимаемого с ВЛ напряжения в паузы между зондированиями, т. е. уровня шума.
Блок контроля 11 периодически (с интервалом в 12— 24 ч) от часового механизма включается блоком управления 4, обеспечивая проверку уровня отраженного импульса от заранее выбранной неоднородности. При этом контролируется исправность не только функциональных элементов устройства, но и всего тракта циркуляции импульсов (фильтр присоединения, кабель связи, ВЧ кабель, заградитель и т. д.). При совпадении момента контроля с пуском искателя от релейной защиты последнему обеспечивается приоритет.
Искатели типа ЛИДА устанавливаются на ВЛ напряжением 330—1150 кВ. Они также могут использоваться на дальних передачах постоянного тока. Диапазоны дальности равны 75, 150, 200 и 300 км. Перекрываемое затухание, компенсируемое функциональным усилителем, составляет 40 дБ. Кроме того, дополнительно обеспечивается независимое от времени перекрываемое затухание, равное 20 дБ. Технические характеристики искателя типа ЛИДА представлены в табл. 6.4, а рекомендации по его присоединению к ВЛ—в приложении 3.