СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ НА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ 6–35 КВ В СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Воздушные линии электропередачи являются одним из основных элементов энергетической системы, которые обеспечивают передачу электрической энергии на большие расстояния от источника до потребителя. Протяженность ВЛ в распределительных сетях на напряжение 0,4 и 10-35 кВ по данным ФСК ЕЭС составляет более 2 млн км.

Передача электроэнергии зависит от наличия нейтрального провода в схеме, то есть нейтраль. В зависимости от режима работы нейтрали, будут зависеть процессы, протекающие в сети при таком замыкании.

Основываясь на ГОСТ 24291-90 [1], ПУЭ [3, п. 1.2.16, 1.7.2] и ПТЭЭС [4, п. 5.11.7–5.11.17], в трёхфазных электрических сетях на напряжение 6-35 кВ, в зависимости от режима работы у нейтрали и, следовательно, значения полного сопротивления между нейтралью и землей (Рисунок 1), сети можно разделить на три основные группы:

Рисунок 1. Схема сети при повреждении изоляции между фазой и землей

- сеть с изолированной нейтралью, где нейтраль не имеет прямого соединения с землёй, что ограничивает токи однофазных замыканий и позволяет продолжать работу при повреждениях с минимальными последствиями, т. е. сопротивление ;

- сеть с резистивно-заземленной нейтралью, режим нейтрали, при котором между нейтралью электрической сети и землёй включено активное сопротивление, следовательно, ;

- сеть с компенсированной нейтралью, когда нейтраль подключена к земле через индуктивное сопротивление, что снижает токи замыкания и уменьшает риск аварий, повышая надёжность системы .

По данным 2022 года ПАО «ФСК ЕЭС» на воздушные линии приходится около 59% аварий [2]. Около 50% составляют отказы на ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью. ОЗЗ – это вид замыкания, который возникает при замыкании одной фазы на землю или же на элемент, который связан с землей. В электрических сетях с изолированной нейтралью 6-35 кВ, нарушение изоляции одной фазы относительно земли не приводит к автоматическому отключению линии, так как присутствуют малые ёмкостные токи (рисунок 2). В месте повреждения проходит ток, который замыкается через емкости других неповрежденных фаз. Напряжение на той фазе, где произошло ОЗЗ равно нулю (в случае металлического замыкания), следовательно, емкостной ток этой фазы так же равен нулю, и при сумме других емкостных токов неповрежденных фаз, ток будет минимальным. При возникновении ОЗЗ следует достаточно быстро устранить повреждение, так как это может привезти к другим видам замыкания в результате теплового воздействия и перенапряжений, возникающих при дуговом замыкании, чтобы не возникали нарушения в электроснабжении потребителей.

Рисунок 2. Сеть с изолированной нейтралью при ОЗЗ

Традиционные методы обнаружения места повреждения ВЛ, основанные на обходах и визуальных осмотрах, являются трудоемкими и не всегда эффективны. Проблема заключается в трудности поиска места ОЗЗ. Традиционные методы контроля не обеспечивают своевременное выявление дефектов, не позволяют прогнозировать возникновение аварийных ситуаций, требуют значительных затрат времени и ресурсов.

В рамках данной статье выполнен анализ существующих методов нахождения места ОЗЗ на основе современных технологий и методов обработки данных.

Методы ОМП, которые существуют на данный момент, можно поделить на две группы, классификация представлена на рисунке 3. К первой группе можно отнести топографические методы, которые включают в себя визуальный осмотр оперативной выездной бригадой, обход трассы с электромагнитными устройствами и дистанционные методы с применением специальных приборов, определяющих расстояние до места повреждения. Вторая группа делит методы по частотному диапазону — низкочастотные (от 0 до нескольких кГц) и высокочастотные (до десятков кГц). К высокочастотным методам относятся дистанционные методы ОМП, а именно импульсные и метод стоячих волн.

Рисунок 3. Методы ОМП для ВЛ 6-35 кВ

Топографические методы, основанные на регистрации явлений, возникающих при ОЗЗ, применяются преимущественно на кабельных линиях электропередачи.

Индукционный метод основан на использовании специального устройства, который позволяет производить измерение параметров магнитного поля, который создается током, протекающим по линии.

Суть потенциального метода заключается в подключении поврежденного кабеля к источнику питания, после чего ремонтная бригада, двигаясь вдоль трассы КЛ, замеряет потенциал вблизи нее - в точке повреждения происходит растекание тока в грунт, что фиксируется повышением потенциала измерительными приборами.

Акустический метод, основан в улавливании на трассе линии звуковых колебаний, которые появляются на поверхности земли при повреждении кабеля и наличии дуги в месте повреждения. При перемещении акустического датчика вдоль линии регистрируется интенсивность звукового излучения. Акустический метод применим также при поиске места повреждения сетей водоснабжения.

Для ВЛ 6-35 кВ в сельской местности используют электромеханический метод, при котором на опорах монтируют индикаторы, срабатывающие при появлении токов КЗ и фиксирующие возникающие механические воздействия.

Так же известен метод определения места ОЗЗ, при котором устройства контроля напряжения на концах ВЛ фиксируют фазные напряжения, передают данные в диспетчерский центр, где путем сравнения показаний начала и конца линии дифференциальным способом определяют поврежденное ответвление и расстояние до замыкания.

Перечисленные топографические методы являются трудоемкими за счет того, что трудность возникает в организации работы. Рассмотрим трудности, возникающие при работе поиска места повреждения:

- бригада рабочих тратит много времени на осмотр всей линии;

- сложные природные условия, которые могут привести к задержке в поиске и к росту времени простоя;

- ОЗЗ может не иметь явных признаков, есть риск пропустить повреждение при визуальном осмотре линии.

Принцип действия импульсного метода основан на определении времени между моментами отправки зондирующего импульса в линию и возвращении отраженного импульса от места повреждения и далее воспроизведение сигнала на экран (Рисунок 4).

Рисунок 4. Изображение передаваемого зондирующего импульса на участках ВЛ

Петлевой же метод заключается в том, что производится измерение сопротивления жил кабеля, который отключен из-за пробоя фазы на землю. Переходное сопротивление, заранее снижается тем, что происходит «прожигание» изоляции с помощью специального источника тока. Для осуществления измерения собирается мостовая схема, таким образом что плечами этой мостовой схемы является сопротивление жил и в одну диагональ подключается измерительный прибор, а в другую диагональ подключается источник питания и переходное сопротивление. По данным измеренным сопротивлениям примерно определяется расстояние от места проверки до места повреждения.

Емкостного метод больше применим для КЛ. Проводится измерение емкостей жил кабельной линии с помощью мостов переменного тока, с помощью которых можно измерить емкости при обрывах с сопротивлением изоляции в месте повреждения не менее 300 Ом.

Так же есть метод стоячих волн. Данный метод применяется на отключенной линии и принцип работы основан на том, что к поврежденной линии подключается прибор сигнала регулируемой частоты и происходит заземление линии со стороны прибора, с противоположной стороны заземление не снимается. Измерительный вывод устройства подключается на неповрежденную фазу ЛЭП, а второй вывод и корпус заземляются. При включении прибора на дисплее появляется надпись, подразумевающая ввод длины линии, далее происходит фиксация значения частоты источника испытательного напряжения (регулировка частоты происходит за счет того, что, задается шаг изменения частоты). Затем вывод переключается на повреждённую фазу и после того, как устройство завершит свою работу, на дисплее будет записано значение расстояния до замыкания. Суть метода основан на том, что при единстве резонансной частоты в начале самой линии и частоты источника испытательного напряжения, амплитудное значение тока будет максимальным, а следовательно, полное сопротивление линии будет чисто активным. Зная значение частоты источника испытательного напряжения, при котором значение тока в начале линии будет максимальным, и скорость распределения волны по линии, можно определить расстояние до места повреждения:

где  - частота источника испытательного напряжения, при которой значение тока будет максимальным, - скорость распределения волны вдоль линии (можно взять равной скорости света).