Способ определения значения стационарного сопротивления заземляющего устройства опор воздушных линий электропередачи без отсоединения грозозащитного троса и устройство для его реализации Российский патент 2020 года по МПК G01R27/00 

Группа изобретений относится к области электроэнергетики, в частности к способам измерения и контроля стационарного сопротивления заземляющих устройств опор воздушных линий электропередачи.

Заземляющие устройства (ЗУ) опор воздушных линий электропередачи (ВЛ) обеспечивают защиту от грозовых перенапряжений и от поражения электрическим током, а также нормальную работу релейной защиты. Для снижения вероятность грозового отключения воздушные линии класса напряжения 110 кВ и выше защищают грозозащитными тросами (тросовыми молниеотводами), соединенными, как правило, с анкерными опорами. Кроме того, для защиты оборудования тяговых подстанций (ПС) железнодорожного транспорта и трансформаторных подстанций распределительных сетей от воздействия набегающих по линиям грозовых волн (ограничения крутизны волны) и от прямых ударов молнии в ВЛ на подходах к ПС, защитные подходы ПС (все ВЛ, подходящие и отходящие от подстанции на удалении до 2-3 км) оборудуются тросовыми молниеотводами, соединенными с каждой опорой.

Как для уменьшения вероятности обратного перекрытия с опоры на фазный провод, при ударе молнии в опору, или грозозащитный трос (грозотрос), так и для эффективной защиты подстанции от набегающих волн, ЗУ опор должны иметь малое сопротивление, величину которого необходимо контролировать.

Для контроля состояния ЗУ опор ВЛ проводят периодическое измерение сопротивления ЗУ. Предельно допустимые значения сопротивления ЗУ в зависимости от удельного сопротивления окружающих ЗУ грунтов, перечень опор, подлежащих контролю, а также периодичность измерений устанавливаются действующими нормами.

Из уровня техники известен способ измерения сопротивления ЗУ методом амперметра-вольтметра [Целебровский Ю.В., Микитинский М.Ш. Измерение сопротивлений заземления опор ВЛ. М.: Энергоатомиздат, 1988. 48 с.], согласно которому источник синусоидального напряжения низкой частоты подключается между ЗУ и удаленным токовым электродом, производятся измерения силы тока, протекающего через ЗУ, и потенциала ЗУ (падения напряжения на ЗУ) относительно удаленного потенциального электрода. Сопротивление ЗУ R_НЧ определяется как отношение разности потенциалов между ЗУ и потенциальным электродом U_ЗУ к силе тока I_ЗУ в токовом контуре, образованном ЗУ, источником синусоидального напряжения и токовым электродом:

Для сосредоточенных заземлителей опор ВЛ, т.е. имеющих небольшие поперечные размеры, такой способ позволяет определить активное сопротивление (сопротивление постоянному току) или, другими словами, стационарное сопротивление ЗУ: R_ЗУ=R_НЧ [Цирель Я.А. Заземляющие устройства воздушных линий электропередачи. Л.: Энергоатомиздат, 1989. 160 с.]. Схема замещения для ЗУ опоры ВЛ при низкочастотном способе определения сопротивления ЗУ методом амперметра-вольтметра соответствует приведенной на фиг. 1а.

Недостатками данного способа являются большая погрешность измерения сопротивлений ЗУ опор ВЛ, имеющих грозозащитный трос, соединенный с телом опоры. В этом случае ЗУ опор связаны через грозотрос в единую систему трос - опоры ВЛ, а при подключении троса к ЗУ оконечных распределительных устройств (РУ), в эту систему входят также и ЗУ РУ. При измерении приведенным способом возникает ошибка измерения, связанная с тем, что от заземлителя исследуемой опоры часть тока генератора отсасывается к соседним опорам, проходит через их ЗУ и возвращается в источник через вспомогательный токовый электрод. Таким образом, через ЗУ исследуемой опоры проходит часть измерительного тока и, соответственно, уменьшается потенциал (напряжение) на ЗУ относительно удаленного потенциального электрода. При этом измеряемый ток в токовом контуре является суммарным током, определяемым током через ЗУ исследуемой опоры и током отсоса через грозозащитный трос.

Известен способ измерения сопротивления ЗУ опор ВЛ без отсоединения грозозащитного троса, основанный на измерении импульсного сопротивления ЗУ [РД-153-34.0-20.525-00. Методические указания по контролю состояния заземляющих устройств электроустановок. М.: СПО ОРГРЭС, 2000. 64 с.], при котором вместо источника переменного тока используется генератор периодических импульсов тока, моделирующих по временным параметрам форму импульса тока молнии. Импульсное сопротивление ЗУ Z_ИМП определяется как отношение пикового (максимального) значения импульса падения напряжения на ЗУ относительно удаленного потенциального электрода U_max к пиковому (максимальному) значению I_max импульса тока в контуре: ЗУ - генератор импульсов - токовый электрод:

Главным недостатком данного метода является то, что измеренное значение импульсного сопротивления ЗУ Z_ИМП является самостоятельной величиной, характеризующей ЗУ, и в общем случае не совпадает со стационарным сопротивлением ЗУ R_НЧ. Соотношение между Z_ИМП и R_НЧ определяется многими факторами - формой импульса генератора, конфигурацией и размерами элементов заземлителя, удельным сопротивлением грунта и т.д. [Visacro S., Rosado G. Response of Grounding Electrodes to Impulsive Currents: An Experimental Evaluation // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2009. Vol. 51. №. 1. P. 161-164]. В тоже время в нормативных документах по грозозащите нормируются допустимые значения именно стационарного сопротивления ЗУ опор ВЛ - R_НЧ.

Известен также способ определения значения стационарного сопротивления сосредоточенного ЗУ по временной зависимости переходного импеданса ЗУ Z_ЗУ(t) [Lima А.В., Caetano C.E.F., Paulino J.O.S. et al. An original setup to measure grounding resistances using fast impulse currents and very short leads // Electric Power Systems Research. 2019. Vol. 173. P. 6-12], при котором в ЗУ формируют импульс тока, близкий по форме к грозовому импульсу с длительностью полуспада порядка 50 мкс, регистрируют ток через ЗУ i_ЗУ(t) и падение напряжения на ЗУ относительно удаленного потенциального электрода u_ЗУ(t), на основе полученных временных зависимостей тока через ЗУ I_ЗУ(t) и падения напряжения на ЗУ U_ЗУ(t) вычисляют временную зависимость переходного импеданса ЗУ Z_ЗУ(t):

где i_ЗУ(t) и u_ЗУ(t) - мгновенные значения тока через ЗУ и падения напряжения на ЗУ относительно удаленного потенциального электрода. По временной зависимости Z_ЗУ(t) находят установившееся значение Z_уст переходного импеданса ЗУ. Это значение принимают за стационарное сопротивление ЗУ: Z_уст=R_НЧ.

Недостатком такого способа при исследовании ЗУ опоры ВЛ, соединенной грозозащитными тросами с соседними опорами, является то, что установившееся значение переходного импеданса наблюдается при временах, соответствующих спаду импульса тока (десятки мкс). В этот момент времени переходные волновые процессы в системе исследуемая опора - грозозащитные тросы - соседние опоры уже закончились, и часть тока генератора ответвляется по грозозащитным тросам в ЗУ соседних опор ВЛ. Соответственно, возникает погрешность определения значения R_НЧ ЗУ исследуемой опоры.

Наиболее близким к заявляемому способу определения значения стационарного сопротивления заземляющего устройства опор воздушных линий электропередачи без отсоединения грозозащитного троса является способ, реализованный в «ZedMeter test method» - «испытательном методе измерения переходного импеданса Z (Зед)» [The EPRI Zed-Meter: a new technique to evaluate transmission line grounds. EPRI, Palo Alto, CA: 2004. 1008734. URL: https://ru.scribd.com/document/352745356/1008734-the-EPRI-Zed-Meter; Chisholm W.A., Petrache E., Bologna F. Comparison of low frequency resistance and lightning impulse impedance on transmission towers // Proceedings of the X International Symposium on Lightning Protection, 9-13 November, Curitiba, Brazil, 2009. P. 329-334], включающий воздействие на ЗУ опоры импульсом тока прямоугольной формы, регистрацию значения тока через ЗУ i_j и падения напряжения на ЗУ u_j относительно удаленного потенциального электрода в дискретные моменты времени t_j, вычисление переходного импеданса ЗУ z_j по формуле:

На измерительном интервале времени Δt_ИЗМ, начальный момент которого t_1H (фиг. 2) определяется длительностью переходных процессов на временной зависимости переходного импеданса Z(t), обусловленных отражением волны тока от конструкционных элементов опоры и ее заземлителя, а также индуктивностью ЗУ, а конечный t_1К - моментом прихода волны, отраженной от заземляющего электрода на конце проводника токового контура, а в случае значительной длительности переходных процессов и отражений в начале временной зависимости переходного импеданса, начальный момент которого определяется окончанием волновых процессов в контуре с током t_2H, а конечный - моментом прихода по грозозащитному тросу волны, отраженной от соседних опор t_2К, определяют среднее значение переходного импеданса ЗУ на интервале измерения Δt_ИЗМ:

где в числителе сумма значений z_j в дискретные моменты времени t_j, лежащие в пределах интервала измерения: t_H≤t_j,≤t_K, а n - количество дискретных значений времени в пределах интервала измерения Δt_ИЗМ.

Полученная величина Z_cp при отсутствии грозотросов является волновым (переходным) импедансом ЗУ опоры Z_WЗУ, по которому определяют стационарное сопротивление ЗУ: Z_WЗУ≈R_НЧ. В случае двух грозотросов, связывающих исследуемую опору с соседними, необходимо учитывать, что на интервале измерения параллельно ЗУ опоры включены два волновых сопротивления грозотрос - поверхность земли:

где Z_WГТ - величина волнового сопротивления грозотрос - поверхность земли (обычно принимают Z_WГТ=400 Ом). В этом случае R_НЧ определяют, как:

Недостатком данного способа является то, что при определении значения стационарного сопротивления ЗУ опоры ВЛ по временной зависимости переходного импеданса Z_ЗУ(t) не учитывается, что в схему замещения сосредоточенного заземлителя в общем случае входит эквивалентная емкость ЗУ (фиг. 1в) [Rudenberg R. Electrical shock waves in power systems, Cambridge, MA: Harvard Univ. Press, 1968. 336 р.]. На фиг. 3 приведены типовые временные зависимости тока через ЗУ, падения напряжения на ЗУ относительно удаленного потенциального электрода и переходного импеданса ЗУ, соответствующие R-L схеме замещения ЗУ (фиг. 3а) и R-L-C схеме замещения ЗУ (фиг. 3б).

Погрешность определения R_НЧ ЗУ данным способом будет минимальной только в частном случае, когда заземлитель опоры имеет относительно небольшие геометрические размеры (площадь) и расположен в грунте с невысоким удельным сопротивлением. В этом случае для ЗУ опоры может быть использована R-L схема замещения ЗУ, приведенная на фиг. 1б, а временные зависимости I_ЗУ(t), U_ЗУ(t), Z_ЗУ(t), для R-L схемы замещения ЗУ соответствуют приведенным на фиг. 3а. В общем случае R-L-C эквивалентной схемы замещения сосредоточенного ЗУ при импульсном воздействии, в случае ограничения конечного момента времени измерительного интервала временем прихода волны, отраженной от конца проводника токовой линии, или временем прихода отражений от соседних опор, в измерительный интервал Δt_ИЗМ может попасть восходящая часть зависимости Z_ЗУ(t) (фиг. 3б). В результате погрешность определения стационарного сопротивления R_НЧ ЗУ опоры ВЛ будет значительной.

Заявляемый способ, как и известные, включает воздействие на ЗУ опоры импульсом тока прямоугольной формы, регистрацию значений тока через ЗУ i_j и падения напряжения на ЗУ u_j относительно удаленного потенциального электрода в дискретные моменты времени t_j, вычисление переходного импеданса ЗУ z_j по формуле:

и определение эквивалентного активного сопротивления схемы замещения ЗУ R_ЗУ, на основе полученного массива данных z_j на интервале измерения Δt_ИЗМ, вычисление значения стационарного сопротивления R_НЧ ЗУ опоры ВЛ по формуле, учитывающей волновые сопротивления грозозащитных тросов, подходящих к опоре:

где n_ГТ - число грозозащитных тросов, подходящих к исследуемой опоре, Z_WГТ - величина волнового сопротивления грозозащитный трос - поверхность земли.

Наиболее близким к устройству, реализующему заявленный способ, является устройство для измерения сопротивлений заземляющих устройств опор воздушных линий электропередачи без отсоединения грозозащитного троса [патент РФ на полезную модель №166566], предназначенное для измерения импульсного сопротивления ЗУ опор ВЛ без отсоединения грозотроса, определяемого, в соответствии с выражением (2), как отношение максимального значения импульса напряжения на ЗУ к максимальному значению импульса тока через ЗУ. Устройство содержит удаленный токовый и потенциальный электроды, аккумулятор, блок формирования питающих напряжений, блок обработки сигналов, в состав которого входит микропроцессорный блок, генератор импульсов тока, блок первичных датчиков тока и напряжения. Генератор импульсов тока (ГИТ) устройства выполнен по схеме с индуктивным накопителем энергии (ИНЭ). ГИТ с ИНЭ позволяет формировать в контуре с током импульс, амплитуда которого на измерительном интервале Δt_ИЗМ постоянна, а форма - практически не зависит от неравномерного распределения волнового сопротивления вдоль линии с током и от наличия отраженных волн от заземляющего электрода на ее конце. ГИТ содержит: блок питания, двухобмоточный индуктивный накопитель энергии, первичная обмотка которого включена межу блоком питания и ключом, параллельно которому включены диод и ограничитель напряжения. Управляющий вывод ключа соединен с выходом буферного усилителя, вход которого подключен к микропроцессорному блоку. Один вывод вторичной обмотки индуктивного накопителя энергии подключен через датчик тока блока первичных датчиков тока и напряжения к заземляющему устройству. Другой вывод вторичной обмотки индуктивного накопителя соединен с анодом второго диода, катод которого подключен к удаленному токовому электроду. Параллельно второму диоду включен ограничитель напряжения.

Недостатком устройства-прототипа является наличие в импульсе тока паразитных колебаний амплитуды импульса, которые наблюдаются в первые микросекунды после фронта импульса (кривая 1 на фиг. 4) и могут привести к увеличению погрешности определения значения стационарного сопротивления ЗУ опор ВЛ. Причиной возникновения паразитных осцилляций тока является колебательный контур, образованный индуктивностью рассеяния двухобмоточного индуктивного накопителя энергии и суммарной приведенной паразитной емкостью, образованной комбинацией межобмоточной емкости индуктивного накопителя и паразитных емкостей полупроводникового ключа и диода, включенного межу выводом вторичной обмотки индуктивного накопителя и удаленным токовым электродом.

Предлагаемое устройство, как и известные, содержит удаленный токовый и потенциальный электроды, аккумулятор, блок формирования питающих напряжений, блок обработки сигналов, в состав которого входит микропроцессорный блок, выполненный по схеме с индуктивным накопителем энергии генератор импульсов тока, включенный между токовым электродом и заземляющим устройством и содержащий блок питания, соединенный с блоком формирования питающих напряжений, блок первичных датчиков, состоящий из датчика тока и датчика напряжения, подключенный к заземляющему устройству, токовому электроду, потенциальному электроду и соединенный с блоком обработки сигналов.

Задача, решаемая группой изобретений, заключается в повышении точности и информативности полученных данных.

Техническим результатом предлагаемой группы изобретений является повышение точности определения стационарного сопротивления ЗУ опор ВЛ без отсоединения грозозащитного троса, в том числе опор, ЗУ которых имеют значительную площадь заземлителя и (или) расположены в грунте с высоким удельным сопротивлением.

Технический результат достигается тем, что на интервале измерения Δt_ИЗМ, ограниченном с одной стороны началом импульса тока, а с другой - только временем прихода отражений от соседних опор по грозозащитным тросам, производят экспоненциальное сглаживание ряда значений z_j, и, учитывая, что полное сопротивление ЗУ включает емкостную составляющую, сглаженная зависимость zs_j может быть описана выражением:

где: R_ЗУ, С_ЗУ - сопротивление и емкость эквивалентной R-L-C схемы замещения ЗУ, определяют эквивалентное активное сопротивление ЗУ опоры ВЛ R_ЗУ, как значение асимптоты, к которой стремиться зависимость zs_j в конце интервала измерения Δt_ИЗМ, по формуле:

где N - общее число дискретных значений ряда zs_j на интервале измерения Δt_ИЗМ, N_уср - число дискретных значений zs_j, попадающих в пределы интервала усреднения Δt_уср, конец которого совпадает с концом интервала измерения Δt_ИЗМ, а длительность составляет 1/8 длительности Δt_ИЗМ, затем определяют стационарное сопротивление ЗУ R_НЧ по формуле (8).

Достигается технический результат также тем, что дополнительно определяют эквивалентную емкость С_ЗУ R-L-C схемы замещения заземляющего устройства опоры ВЛ:

где: Δt - интервал дискретизации, определяемый как: Δt=t_j+1-t_j.

Технический результат достигается также тем, что генератор содержит первичный емкостной накопитель, включенный параллельно выводам блока питания, и однообмоточный индуктивный накопитель энергии, который одним выводом соединен с катодом диода, анод которого подключен к удаленному токовому электроду, причем параллельно диоду включен ограничитель напряжения, и, одновременно, с прерывающим ток ключом, который соединен через датчик тока с заземляющим устройством, и параллельно которому включены диод и ограничитель напряжения, причем управляющий вывод ключа соединен с выходом буферного усилителя, вход которого подключен к микропроцессорному блоку, а вторым выводом соединен с катодом диода, анод которого соединен через датчик тока с заземляющим устройством, и, одновременно, с замыкающим ток ключом, который соединен с блоком питания генератора, и параллельно которому включены диод и ограничитель напряжения, причем управляющий вывод ключа соединен с выходом второго буферного усилителя, вход которого подключен к микропроцессорному блоку.

За счет учета емкостной составляющей комплексного сопротивления ЗУ опоры ВЛ, а также за счет использования источника стабильного тока - генератора импульсных токов с индуктивным накопителем энергии, формирующего в токовом контуре импульс тока, амплитуда которого на измерительном интервале остается постоянной независимо от наличия отражения от конца проводника токового контура и неравномерности волнового сопротивления вдоль проводника токового контура, в результате чего измерительный интервал Δt_ИЗМ определения стационарного сопротивления ЗУ по временной зависимости переходного импеданса Z_ЗУ(t) увеличивается, так как ограничивается только приходом отраженных волн от соседних опор по грозотросу, повышается точность определения стационарного сопротивления заземляющего устройства опор ВЛ без отсоединения грозозащитного троса.

Также повышается информативность полученных данных, благодаря тому, что дополнительно определяется значение эквивалентной емкости ЗУ С_ЗУ, которое совместно с измеренным значением R_ЗУ может быть использовано для определения параметров простейшей схемы замещения одиночного заземляющего устройства с целью решения более общих задач грозозащиты, в частности, использовать схему замещения при проведении комплексных расчетов по грозозащите.

Предлагаемая группа изобретений поясняется с помощью чертежей.

На фиг. 1 представлены схемы замещения сосредоточенного заземляющего устройства для различных способов измерения сопротивления ЗУ; на фиг. 2 - временные зависимости переходного импеданса заземляющего устройства, поясняющие способ-прототип (ZED-meter); на фиг. 3 - временные зависимости тока через ЗУ, напряжения на ЗУ относительно удаленного потенциального электрода и расчетной зависимости переходного импеданса ЗУ для частного случая R-L схемы замещения ЗУ (а) и общего случая R-L-C схемы замещения ЗУ (б) при импульсном воздействии; на фиг. 4 - сравнительные экспериментальные осциллограммы импульсов тока через заземляющее устройство, полученные с использованием прототипа (кривая 1) и устройства, реализующего заявленный метод (кривая 2); на фиг. 5 - схема подключения устройства при проведении измерений; на фиг. 6 - функциональная схема устройства; на фиг. 7 - экспериментальные временные зависимости тока через ЗУ, напряжения на ЗУ относительно удаленного потенциального электрода и расчетная зависимость переходного импеданса ЗУ, поясняющие предложенный способ, полученные устройством, реализующим предложенный способ.

Определение значения стационарного сопротивления заземляющего устройства 1 (фиг. 5) опор воздушных линий электропередачи 2 без отсоединения грозозащитного троса 3 осуществляют с помощью устройства 4. Устройство 4 содержит удаленные токовый электрод 5 (фиг. 6) и потенциальный электрод 6, аккумулятор 7, блок формирования питающих напряжений 8, блок обработки сигналов 9, генератор импульсов тока (ГИТ) 10, выполненный по схеме с индуктивным накопителем энергии, блок первичных датчиков 11. В состав блока обработки сигналов 9 входит микропроцессорный блок 12. Генератор импульсов тока 10 включен между токовым электродом 5 и заземляющим устройством 1 и содержит блок питания 13, соединенный с блоком формирования питающих напряжений 8. Блок первичных датчиков 11 состоит из датчика тока 14 и датчика напряжения 15 и подключен к заземляющему устройству 1, токовому электроду 5, потенциальному электроду 6 и соединен с блоком обработки сигналов 9. Генератор импульсов тока 10 содержит первичный емкостной накопитель 16, включенный параллельно выводам блока питания 13, и однообмоточный индуктивный накопитель энергии (ИНЭ) 17, который одним выводом соединен с катодом диода 18, анод которого подключен к удаленному токовому электроду 5, а вторым выводом соединен с катодом диода 19, анод которого соединен через датчик тока 14 с заземляющим устройством 1, и, одновременно, с замыкающим ток ключом 20. Ключ 20 соединен с блоком питания генератора 13. Параллельно диоду 18 включен ограничитель напряжения 21 и прерывающий ток ключ 22, который соединен через датчик тока 14 с заземляющим устройством 1. Параллельно ключу 22 включены диод 23 и ограничитель напряжения 24, причем управляющий вывод ключа 22 соединен с выходом буферного усилителя 25, вход которого подключен к микропроцессорному блоку 12. Параллельно ключу 20 включены диод 26 и ограничитель напряжения 27, причем управляющий вывод ключа 20 соединен с выходом второго буферного усилителя 28, вход которого также подключен к микропроцессорному блоку 12.

Группа изобретений осуществляется следующим образом.

Перед началом измерений забиваются два стержневых электрода - токовый 5 и потенциальный 6 на расстоянии 50 метров от основания опоры 2, таким образом, чтобы угол α, образованный проводником 29, соединяющим вывод «I» устройства 4 с токовым электродом 5, и проводником 30, соединяющим вывод «U» устройства 4 с потенциальным электродом 6, составлял около 90 градусов. Вывод «ЗУ» устройства 4 подключается коротким проводником со струбциной 31 к телу опоры 2, которая может иметь присоединенный грозозащитным трос 3.

Включают устройство 4, для этого подают напряжение с аккумулятора 7 на блок формирования питающих напряжений 8, который формирует напряжения, необходимые для питания всех блоков устройства.

Для формирования импульса тока стабильной на измерительном интервале формы используют ГИТ 10 с ИНЭ 17. В качестве ИНЭ может использоваться катушка индуктивности (накопительный дроссель) индуктивностью 50 мГн. Амплитуда импульса на измерительном интервале Δt_ИЗМ постоянна, а форма - практически не зависит от неравномерного распределении волнового сопротивления вдоль линии с током и от наличия отраженных волн от заземляющего электрода на ее конце (кривая 2 на фиг. 4, кривая I_ЗУ(t) на фиг. 7а).

В режиме заряда ИНЭ 17 цифровой сигнал, поступающий от микропроцессорного блока 12 на буферные усилители 25 и 28, в качестве которых могут быть использованы специализированные микросхемы драйверов MOSFET-ключей IR2213S, открывает ключи 20, 22. В качестве ключа 22 и параллельно ему включенных диода 23 и ограничителя напряжения 24 могут быть использованы пять последовательно включенных MOSFET-транзисторов STF9NK90Z, а в качестве ключа 20 и параллельно ему включенных диода 26 и ограничителя напряжения 27 может быть использован MOSFET-транзистор STF9NK90Z. Нарастающий ток, максимальная амплитуда которого определяется длительностью фазы заряда, протекает через ИНЭ 17. В качестве несимметричного (однонаправленного) порогового элемента, состоящего из ограничителя напряжения 21 и диода 18, препятствующего протеканию тока через заземляющее устройство 1 опоры ВЛ 2 в фазе заряда ИНЭ, может быть использован несимметричный супрессор P6KE39A.

После окончания фазы заряда ИНЭ по команде от микропроцессорного блока 12 ключи 20, 22 закрываются. Напряжение на ИНЭ 17, равное напряжению на ключе 22, в момент коммутации скачкообразно возрастает. Ограничитель напряжения 21 порогового элемента (18 и 21) открывается и ИНЭ 17 отдает запасенную энергию в нагрузку, формируя импульс тока. Ток, протекает по пути: токовый электрод 5 - заземляющее устройство 1 - датчик тока 14, и замыкается через диод 19, в качестве которого может быть использован диод BYV26C. Типовая форма импульса тока через ЗУ опоры ВЛ 2, формируемого устройством 4, реализующим предлагаемый способ, приведена на фиг. 7а.

На ЗУ 1 опоры 2 воздействуют импульсом тока прямоугольной формы, регистрируют значения тока через ЗУ i_j и падение напряжения u_j на ЗУ 1 относительно удаленного потенциального электрода 5 в дискретные моменты времени t_j. Вычисляют переходный импеданс ЗУ z_j по формуле:

На измерительном интервале Δt_ИЗМ, начальным моментом которого является фронт импульса тока, а конечный момент времени которого ограничен временем t_K прихода по грозозащитному тросу волны, отраженной от соседних опор (фиг. 7а, б), в случае, если импульс тока через ЗУ I_ЗУ(t) близок по форме к единичному ступенчатому импульсу - имеет короткий фронт и постоянную на измерительном интервале Δt_ИЗМ амплитуду (фиг. 3б, кривая 2 на фиг. 4), зависимость z_j в пределах измерительного интервала (для значений t_j лежащих в диапазоне от 0 до t_K (0≤j≤K)) может быть описана выражением:

где: R_ЗУ, С_ЗУ - значения элементов эквивалентной R-L-C схемы замещения ЗУ; τ=R_ЗУ⋅С_ЗУ - постоянная времени.

При t→∞, временная зависимость переходного импеданса Z(t) стремится к горизонтальной асимптоте со значением, равным R_ЗУ: lim_t→∞ Z(t)=R_ЗУ. Принимают, что на измерительном интервале Δt_ИЗМ в соответствии с (12) при t_j→t_K, z→R_ЗУ.

Производят экспоненциальное сглаживание ряда значений z_j в пределах измерительного интервала, то есть для дискретных моментов времени t_j, лежащих в диапазоне от 0 до N, где N - общее число дискретных значений ряда z_j на интервале измерения Δt_ИЗМ, (то есть t_j=t_K, при J=N):

где z_j - исходный ряд; zs_j - сглаженный ряд; α - коэффициент сглаживания, лежащий в интервале 0≤α≤1, причем при α=1 сглаживание отсутствует. Экспериментальные исследования показывают, что оптимальным для заявленного способа является коэффициент сглаживания 0,95.

Определяют R_ЗУ как значение асимптоты, к которой стремиться экспоненциальная зависимость zs_j в конце интервала измерения Δt_ИЗМ. Для чего выбирают от конца ряда значений переходного импеданса z_j временной интервал усреднения Δt_уср (фиг. 7б). Экспериментальные исследования показывают, что оптимальным для заявленного способа является интервал усреднения, равный 1/8 от Δt_ИЗМ. Находят активное сопротивление эквивалентной схемы замещения ЗУ R_ЗУ, как среднее значение сглаженного ряда zs_j, описываемого функцией (13), на интервале усреднения Δt_уср:

где N - общее число дискретных значений ряда zs_j, на интервале измерения Δt_ИЗМ, N_уср - число дискретных значений zs_j, попадающих в пределы интервала усреднения Δt_уср, конец которого совпадает с концом интервала измерения Δt_ИЗМ.

Определяют стационарное сопротивление ЗУ опоры ВЛ R_НЧ, с учетом волновых сопротивлений грозозащитных тросов, подходящих к опоре (фиг. 5), как:

где: n_ГТ - число грозозащитных тросов, подходящих к исследуемой опоре (n_ГТ=0, если горозотросы отсутствуют); Z_WГТ - величина волнового сопротивления грозотрос - поверхность земли (принимают Z_WГТ=400 Ом).

Подставляют в формулу (9), заменяя дискретный ряд zs_j непрерывной функцией от времени, сглаженную временную зависимость zs(t):

Тогда для экспоненциальной части выражения (16) можно записать:

Интегрируют левую и правую часть выражения (17) по времени t:

Для интеграла экспоненты можно записать:

Подставляя выражение (19) в (18), получают:

Заменяя непрерывную функцию zs(t) дискретным рядом значений zs_j, определенных выше выражением (13), а интеграл - суммой, получают:

где: Δt - интервал между дискретными значениями времени t_j (интервал дискретизации), определяемый, как Δt=t_j+1-t_j; N - общее число дискретных значений ряда zs_j на интервале измерения Δt_ИЗМ.

Определяют эквивалентную емкость С_ЗУ R-L-C схемы замещения ЗУ опоры ВЛ:

При отсутствии грозотроса и искажений формы временной зависимости U_ЗУ(t) и Z(t), за интервал измерения принимается весь ряд дискретных значений времени t_j, ограниченный только объемом памяти микропроцессорного блока 12, то есть для j, лежащих в диапазоне от 0 до N_П, где N_П - количество ячеек памяти микропроцессорного блока для записи значений u_j и i_j, полученных в одном цикле измерений. Значения переходного импеданса z_j вычисляются также для всего ряда дискретных значений времени t_j и, соответственно, для определения значений R_ЗУ и С_ЗУ используется весь ряд z_j.

Используя полученные значения R_ЗУ и С_ЗУ можно найти экспоненциальную зависимость переходного импеданса для R-C цепи ze_j в дискретные моменты времени t_j:

и, заменяя дискретный ряд ze_j непрерывной функцией от времени ze(t), найти временную зависимость ze(t) (фиг. 7б):

Цикл формирования генератором 10 импульса тока в нагрузке состоит из фазы накопления энергии в ИНЭ 17 и фазы передачи ее в нагрузку.

В фазе накопления энергии (заряда ИНЭ) цифровой сигнал, поступающий от микропроцессорного блока 12 на буферные усилители 25 и 28, открывает ключи 20, 22. Ток через ИНЭ 17 нарастает по закону:

где U_П - напряжение на первичном емкостном накопителе 16; R_ИН - активное сопротивление ИНЭ 17, определяемое в фазе заряда активным сопротивлением обмотки ИНЭ 17 и суммарным сопротивлением ключей 20, 22 в открытом состоянии.

Пороговый элемент (диод 18 и ограничитель напряжения 21) препятствует протеканию тока через ЗУ 1 опоры ВЛ 2 в фазе заряда ИНЭ.

После окончания фазы заряда ИНЭ по команде от микропроцессорного блока 12 ключи 20, 22 закрываются. Напряжение на ИНЭ 17, равное напряжению на ключе 22 в момент коммутации, скачкообразно возрастает. Пороговый элемент (18, 21) открывается и ИНЭ 17 отдает запасенную энергию в нагрузку, при этом ток ИНЭ, протекая по пути: токовый электрод 5 - заземляющее устройство 1 - датчик тока 14, замыкается через диод 19. В токовом контуре формируется импульс тока, описываемый выражением:

где: I_max - максимальная амплитуда тока в фазе накопления энергии ИНЭ; L - индуктивность ИНЭ; Z_H - комплексное сопротивление токового контура.

Так как энергия, запасенная ИНЭ 17 в фазе заряда, определяется длительностью этой фазы Δt_З, то изменяя длительность фазы заряда, можно регулировать запасенную энергию и, соответственно, амплитуду импульса тока I_max.

Одновременно с запуском ГИТ 10 начинается процесс определения стационарного сопротивления R_НЧ ЗУ опоры ВЛ 2, состоящий из нескольких циклов.

В качестве датчика напряжения 15 используют регулируемый делитель напряжения (РДН), который имеет 8 значений коэффициента деления, обеспечивающие следующие диапазоны измерения падения напряжения на ЗУ: 4000 В, 2000 В, 1000 В, 500 В, 250 В, 125 В, 63 В, 31 В. В качестве датчика тока 14 используют токовый шунт (РТШ), который имеет 4 значения сопротивления, обеспечивающие следующие диапазоны измерения силы тока через ЗУ: 8 А, 4 А, 2 А, 1 А.

В первом цикле микропроцессорный блок 12 устанавливает коэффициент деления РДН 15 максимальным, соответствующим диапазону измерения U_ЗУ равном 4000 В, а сопротивление РТШ 14 устанавливает минимальным, соответствующим диапазону I_ЗУ равном 8 А. Аналоговые сигналы напряжения, пропорциональные току через ЗУ I_ЗУ(t) и падению напряжения на ЗУ U_ЗУ(t), снимаются с РДН 15 и РТШ 14 и поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 32 блока измерения тока 33 и АЦП 34 блока измерения напряжения 35. Первичным результатом измерения являются выраженные в уровнях квантования АЦП 32, 34 ряды значений тока i_j и напряжения u_j в дискретные моменты времени t_j, сохраненные в памяти микропроцессорного блока 12. Далее микропроцессорный блок 12 определяет максимальные элементы в рядах значений тока и напряжения - i_max и u_max. На этом первый цикл измерения заканчивается.

Если значение максимального элемента ряда тока i_max составляет менее половины максимального значения выходного кода АЦП 32, то микропроцессорный блок 12 дает команду на увеличение на одну ступень значения сопротивления РТШ 14 (уменьшает диапазон измерения I_ЗУ до 4 А). Если значение максимального элемента ряда напряжения u_max составляет менее половины максимального значения выходного кода АЦП 34, то микропроцессорный блок 12 дает команду на уменьшение на одну ступень коэффициента деления РДН 15 (уменьшает диапазон измерения U_ЗУ до 2000 В). После этого запускается ГИТ 10 и начинается новый цикл измерения. Описанный цикл измерения повторяется до тех пор, пока полученные значения i_max и u_max не будут превосходить половину максимального значения выходного кода АЦП. При выполнении этого условия, текущий цикл измерения становится последним.

Если после очередного цикла измерений одно из значений i_max или u_max, или оба значения i_max и u_max, выраженные в уровнях квантования АЦП, совпадают с максимальным значением выходного кода АЦП (превышен входной диапазон АЦП), то микропроцессорный блок 12 уменьшает на одну ступень значение сопротивления РТШ 14 или/и, соответственно, увеличивает коэффициент деления РДН 15, запускает ГИТ 10, и выполняет еще один цикл измерения, который становится последним.

После последнего цикла измерения в памяти микропроцессорного блока 12 сохраняются выраженные в уровнях квантования АЦП ряды значений тока i_j и напряжения u_j. Далее микропроцессорный блок 12 вычисляет, с учетом последних значений коэффициента деления РДН 15 и сопротивления токового шунта РТШ 14, ряды значений тока через ЗУ i_j и падения напряжения на ЗУ u_j в дискретные моменты времени t_j, выраженные в абсолютных значениях измеряемых величин - в амперах и вольтах. Далее микропроцессорный блок 12 вычисляет по формуле (4) абсолютные значения (в омах) переходного импеданса ЗУ z_j в дискретные моменты времени t_j. Массивы значений t_j, u_j и z_j поступают в блок индикации и управления 36 и выводятся на экран дисплея в графическом виде как функции времени I_ЗУ(t),U_ЗУ(t), Z(t). По графику U_ЗУ(t), в зависимости от наличия отражений от соседних опор, задается измерительный интервал Δt_ИЗМ, для чего выбирается его конечная точка t_К. После чего микропроцессорный блок 12 определяет значение стационарного сопротивления ЗУ R_НЧ и значение эквивалентной емкости ЗУ С_ЗУ в соответствии с заявленным способом.

Значения R_НЧ и С_ЗУ поступают в блок индикации и управления 36 и выводятся на дисплей блока.

Для увеличения точности определения R_НЧ могут быть использованы усредненные данные, полученные при воздействии на ЗУ нескольких импульсов тока. Число импульсов тока для определения значений R_НЧ и С_ЗУ в соответствии с заявленным способом можно изменять от 1 до 100.

При прохождении через ЗУ 1 импульса тока, формируемого ГИТ 10 с ИНЭ 17, значения тока через ЗУ i_j и падения напряжения на ЗУ относительно удаленного потенциального электрода 5 в дискретные моменты времени t_j,, определяемые частотой выборки АЦП 32 и 34, поступают в микропроцессорный блок 12. Микропроцессорный блок 12 вычисляет по формуле (4) значения переходного импеданса ЗУ z_j и определяет значения R_НЧ и С_ЗУ в соответствии с заявленным способом. Микропроцессорный блок 12 может быть выполнен в виде микроконтроллера, позволяющего реализовать на одной микросхеме все функции управления, вычисления и передачи информации, необходимые для работы устройства 4. В качестве микроконтроллера может быть использована микросхема ATmega1284 8-битного AVR микроконтроллера.

Блок индикации и управления 36 отображает полученное значение R_НЧ, зарегистрированные временные зависимости I_ЗУ(t) и U_ЗУ(t), расчетную зависимость Z_ЗУ(t), а также позволяет управлять работой устройства с использованием виртуальных элементов управления. В качестве блока индикации и управления 36 может быть использован монохромный жидкокристаллический дисплей WG320240D диагональю 5.1 дюйма и разрешением 320×240 точек совместно с резистивной сенсорной панелью TS320240D.

Для сохранения результатов измерений при выключении питания устройства 4 используется блок энергонезависимой памяти 37, который может быть выполнен на основе микросхемы AT45DB642 flash-памяти объемом 64 Мбит.

Пример временных зависимостей I_ЗУ(t), U_ЗУ(t), Z_ЗУ(t), полученных с помощью устройства, реализующего предложенный способ, при исследовании ЗУ опоры ВЛ 330 кВ приведен на фиг. 7. Волна, отраженная от опор, соединенных грозотросом 3 с исследуемой опорой 2, наблюдаются на зависимости U_ЗУ(t) после времени 4.1 мкс.

В таблице 1 представлены результаты измерения стационарного сопротивления заземляющего устройства опоры ВЛ 150 кВ, соединенной грозотросом 3 с двумя соседними опорами 2, с помощью устройства 4, реализующего предложенный способ, в сравнении с другими доступными методами. В таблице 2 приведены сравнительные результаты для опоры ВЛ 150 кВ без грозозащитного троса.

Заявляемая группа изобретений позволяет повысить точность определения стационарного сопротивления ЗУ опор ВЛ без отсоединения грозозащитного троса, в том числе опор, ЗУ которых имеют значительную площадь заземлителя и (или) расположены в грунте с высоким удельным сопротивлением, и информативность полученных данных.

Использование: для определения значения стационарного сопротивления заземляющего устройства (ЗУ) опор воздушных линий электропередачи (ВЛ) без отсоединения грозозащитного троса и устройство для его реализации. Сущность изобретения заключается в том, что способ определения значения стационарного сопротивления заземляющего устройства (ЗУ) опор воздушных линий электропередачи (ВЛ) без отсоединения грозозащитного троса включает воздействие на ЗУ опоры импульсом тока прямоугольной формы, регистрацию значений силы тока через ЗУ i_j и падения напряжения на ЗУ u_j относительно удаленного потенциального электрода в дискретные моменты времени t_j, вычисление переходного импеданса ЗУ z_j по приведенной формуле и определение эквивалентного активного сопротивления схемы замещения ЗУ R_ЗУ, на основе полученного массива данных z_j на интервале измерения Δt_ИЗМ, вычисление значения стационарного сопротивления ЗУ опоры ВЛ R_НЧ по формуле, учитывающей волновые сопротивления грозозащитных тросов, подходящих к опоре:

где n_ГТ - число грозозащитных тросов, подходящих к исследуемой опоре, Z_WГТ - величина волнового сопротивления грозозащитный трос - поверхность земли, отличающийся тем, что на интервале измерения Δt_ИЗМ, ограниченном с одной стороны началом импульса тока, а с другой - только временем прихода отражений от соседних опор по грозозащитным тросам, производят экспоненциальное сглаживание ряда значений z_j, учитывая, что полное сопротивление ЗУ включает емкостную составляющую, сглаженную зависимость zs_j описывают выражением:

где R_ЗУ, С_ЗУ - сопротивление и емкость эквивалентной R-L-C схемы замещения ЗУ, определяют эквивалентное активное сопротивление ЗУ опоры ВЛ R_ЗУ как значение асимптоты, к которой стремится зависимость zs_j в конце интервала измерения Δt_ИЗМ, по формуле:

где N - общее число дискретных значений ряда zs_j на интервале измерения Δt_ИЗМ, N_уср - число дискретных значений zs_j, попадающих в пределы интервала усреднения Δt_уср, конец которого совпадает с концом интервала измерения Δt_ИЗМ, а длительность составляет 1/8 длительности Δt_ИЗМ, затем определяют стационарное сопротивление ЗУ R_НЧ. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности определения стационарного сопротивления ЗУ опор ВЛ без отсоединения грозозащитного троса, в том числе опор, ЗУ которых имеют значительную площадь заземлителя и (или) расположены в грунте с высоким удельным сопротивлением, и информативность полученных данных. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 7 ил.

1. Способ определения значения стационарного сопротивления заземляющего устройства (ЗУ) опор воздушных линий электропередачи (ВЛ) без отсоединения грозозащитного троса, включающий воздействие на ЗУ опоры импульсом тока прямоугольной формы, регистрацию значений силы тока через ЗУ i_j и падения напряжения на ЗУ u_j относительно удаленного потенциального электрода в дискретные моменты времени t_j, вычисление переходного импеданса ЗУ z_j по формуле:

и определение эквивалентного активного сопротивления схемы замещения ЗУ R_ЗУ, на основе полученного массива данных z_j на интервале измерения Δt_ИЗМ, вычисление значения стационарного сопротивления ЗУ опоры ВЛ R_НЧ по формуле, учитывающей волновые сопротивления грозозащитных тросов, подходящих к опоре:

где n_ГТ - число грозозащитных тросов, подходящих к исследуемой опоре, Z_WГТ - величина волнового сопротивления грозозащитный трос - поверхность земли, отличающийся тем, что на интервале измерения Δt_ИЗМ, ограниченном с одной стороны началом импульса тока, а с другой - только временем прихода отражений от соседних опор по грозозащитным тросам, производят экспоненциальное сглаживание ряда значений z_j, учитывая, что полное сопротивление ЗУ включает емкостную составляющую, сглаженную зависимость zs_j описывают выражением:

где R_ЗУ, С_ЗУ - сопротивление и емкость эквивалентной R-L-C схемы замещения ЗУ, определяют эквивалентное активное сопротивление ЗУ опоры ВЛ R_ЗУ как значение асимптоты, к которой стремится зависимость zs_j в конце интервала измерения Δt_ИЗМ, по формуле:

где N - общее число дискретных значений ряда zs_j на интервале измерения Δt_ИЗМ, N_уср - число дискретных значений zs_j, попадающих в пределы интервала усреднения Δt_уср, конец которого совпадает с концом интервала измерения Δt_ИЗМ, а длительность составляет 1/8 длительности Δt_ИЗМ, затем определяют стационарное сопротивление ЗУ R_НЧ.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определяют эквивалентную емкость R-L-C схемы замещения ЗУ опоры ВЛ по формуле:

где: Δt - интервал дискретизации, определяемый как: Δt=t_j+1-t_j.

3. Устройство для осуществления способа, содержащее удаленные токовый и потенциальный электроды, аккумулятор, блок формирования питающих напряжений, блок обработки сигналов, в состав которого входит микропроцессорный блок, выполненный по схеме с индуктивным накопителем энергии генератор импульсов тока, включенный между токовым электродом и ЗУ и содержащий блок питания, соединенный с блоком формирования питающих напряжений, блок первичных датчиков, состоящий из датчика тока и датчика напряжения, подключенный к ЗУ, токовому электроду, потенциальному электроду и соединенный с блоком обработки сигналов, отличающееся тем, что генератор содержит первичный емкостной накопитель, включенный параллельно выводам блока питания, и однообмоточный индуктивный накопитель энергии, который одним выводом соединен с катодом диода, анод которого подключен к удаленному токовому электроду, причем параллельно диоду включен ограничитель напряжения, и, одновременно, с прерывающим ток ключом, который соединен через датчик тока с ЗУ, и параллельно которому включены диод и ограничитель напряжения, причем управляющий вывод ключа соединен с выходом буферного усилителя, вход которого подключен к микропроцессорному блоку, а вторым выводом соединен с катодом диода, анод которого соединен через датчик тока с ЗУ, и, одновременно, с замыкающим ток ключом, который соединен с блоком питания генератора, и параллельно которому включены диод и ограничитель напряжения, причем управляющий вывод ключа соединен с выходом второго буферного усилителя, вход которого подключен к микропроцессорному блоку.