Статистический обзор способов ОМП и проблем при расчете и отыскании мест повреждений ВЛ напряжением 110 кВ и выше

В настоящее время в магистральных электрических сетях для определения мест повреждения (ОМП) на воздушных линиях электропередачи напряжением 110 кВ и выше применяются дистанционные способы, основанные на методе ОМП по параметрам аварийного режима.

Клюшкин Н.Г., главный эксперт Управления эксплуатации РЗА Департамента релейной защиты, метрологии и АСУ ТП ПАО «Россети»

Под параметрами аварийного режима (ПАР) понимаются векторные значения токов и напряжений, а также их симметричных составляющих при коротких замыканиях (КЗ), замеренные и записанные фиксирующими приборами (ИМФ-3Р, МИР-Р, ФИП и др.), регистраторами аварийных событий (РАС) и микропроцессорными устройствами релейной защиты и автоматики (РЗА).

В зависимости от количества мест фиксации ПАР различают односторонний и двусторонний методы определения мест повреждения (ОМП) ВЛ.

Односторонние расчеты мест повреждения выполняются как фиксирующими приборами, РАС и МП РЗА, так и с помощью программных способов ОМП — АРМ-СРЗА и WinBres. Одностороннее ОМП фиксирующими индикаторами, РАС и микропроцессорными устройствами РЗА в зависимости от вида КЗ (однофазные и двухфазные КЗ на землю, междуфазные и трехфазные КЗ) выполняется с использованием расчетных выражений, в основе которых лежит контроль измеренного сопротивления¹.

Двустороннее ОМП выполняется с использованием специальных формул [1], а также с помощью программных способов ОМП — АРМ-СРЗА и WinBres. Расчет двустороннего ОМП с помощью специальных расчетных выражений выполняется с использованием составляющих тока и напряжения нулевой последовательности. Программный способ ОМП, реализуемый при помощи WinBres, основан на анализе аварийных процессов в энергосистеме на основе записей осциллограмм, выполненных РАС или микропроцессорными устройствами РЗА. Общим критерием определения места аварии служит условие достижения минимума реактивной мощности в месте повреждения. Возникающая в месте повреждения дуга имеет резистивный характер, поэтому величина реактивной мощности не зависит от переходного сопротивления. С использованием этого критерия точность ОМП сводится к точности определения токов и напряжений в предполагаемой ветви повреждения, то есть к точности построения алгоритмических моделей. При двухстороннем ОМП используется информация с противоположного конца линии, что позволяет исключить из алгоритмической модели некоторые параметры, например эквивалентные сопротивления систем, обходные связи и т.д.

Программный способ при помощи модуля ОМП АРМСРЗА позволяет производить расчет места повреждения на основе схемы замещения энергосистемы в программе расчета токов КЗ (АРМ-СРЗА) по ПАР. Данный способ также позволяет производить одностороннее ОМП и двухстороннее ОМП, но имеет отличительную особенность, заключающуюся в том, что при двухстороннем ОМП расчет может быть выполнен при совместном использовании тока и напряжения ВЛ или при раздельном использовании тока или напряжения. Высокая детализация параметров схемы электрической сети в зависимости от адекватности и полноты схемы замещения является ее достоинством, способствующим повышению точности ОМП.

Согласно [2], метод определения места повреждения на ВЛ осуществляется последовательно с использованием первичного и уточняющего расчетов. Первичный расчет выполняется при подготовке к выходу бригады службы воздушных линий (СВЛ), которая должна отправиться для поиска места повреждения на ВЛ. Источником информации для выполнения первичного расчета служат данные о расстоянии до места повреждения и ПАР, записанные различными устройствами ОМП, РАС и микропроцессорными устройствами РЗА с функцией ОМП. Уточняющий расчет определяет точку места повреждения и зону осмотра ВЛ. При выполнении уточняющих расчетов источником информации являются аварийные осциллограммы или показания фиксирующих индикаторов. В данном случае применяются два основных способа расчетов ОМП — с помощью специальных выражений или с применением программного обеспечения АРМСРЗА и WinBres.

Согласно статистическим данным, за период с 01.01.2022 г. по 31.12.2024 г. зафиксировано 3529 случая аварийных отключений ВЛ 110 кВ и выше (таблица 1, рисунок 1). Из них 2506 (71%) аварийных отключений были связаны с неустойчивыми КЗ с последующим успешным АПВ и 1023 (29%) — с устойчивыми повреждениями, сопровождавшимися неуспешным АПВ.

В 97% аварийных отключений место повреждения было обнаружено, а в 3% — нет. На ВЛ 110– 220 кВ место повреждения было обнаружено в 97% случаев, а на ВЛ 330–750 кВ — в 98% случаев.

Основными причинами аварийных отключений ВЛ за указанный период явились КЗ, вызванные:

• грозовыми перекрытиями гирлянд изоляторов;
• пожарами вдоль трассы ВЛ;
• дефектами изоляторов ВЛ, возникшими вследствие износа или механического повреждения;
• дефектами линейной арматуры, приводящими к падению проводов ВЛ на землю или тросов ВЛ на землю и на провода, обрывами шлейфов на анкерных опорах и т.д.;
• падением деревьев на провода ВЛ;
• перекрытием ВЛ транспортными средствами (кранами, экскаваторами и т.п.).

На рисунке 2 представлено распределение необнаруженных мест повреждений ВЛ соответствующего класса напряжения и длины.

На ВЛ напряжением 110 кВ и выше за указанный период выполнялись расчеты ОМП с использованием программных способов и специальных выражений, основанных на данных односторонних и двухсторонних измерений. При этом статистической обработке подвергались как данные ОМП, полученные в результате расчетов персоналом, так и односторонние измерения, полученные от фиксирующих приборов, РАС и микропроцессорных устройств РЗА.

Для оценки точности ОМП использовалось распределение общего числа зарегистрированных результатов ОМП по четырем группам погрешностей — соответственно менее 2%, от 2% до 5%, от 5% до 10% и более 10% от длины ВЛ. При этом все ВЛ были классифицированы не только по уровням напряжения (110–220 кВ и 330– 750 кВ), но также и по длине ВЛ.

Несмотря на то что в качестве основного способа ОМП принят двухсторонний метод измерений [2], в эксплуатации нередко возникали ситуации, при которых показания фиксирующих приборов или файлы осциллограмм поступали только с одной из сторон ВЛ, например:

• при одностороннем включении ВЛ на КЗ при ее опробовании;
• при задержке (на несколько часов и даже суток) в получении ПАР, файлов осциллограмм с противоположной стороны ВЛ, подключенных к шинам подстанций, принадлежащих другим собственникам;
• при выводе в ремонт фиксирующих приборов или отсутствии РАС и микропроцессорных устройств РЗА с противоположной стороны ВЛ.

Основными причинами погрешностей односторонних способов ОМП по ПАР являются:

• переходные сопротивления в месте повреждения;
• задание параметров ВЛ без учета расположения мест нарушения ее однородности, ответвлений, взаимного влияния параллельных линий, глубины возврата тока через землю и др.;
• влияние уровня погрешностей трансформаторов тока и напряжения, в том числе при использовании измерительных обмоток трансформаторов тока.

Рассчитанные величины погрешностей при односторонних способах ОМП на ВЛ 110 кВ и выше за указанный период (с 01.01.2022 г. по 31.12.2024 г.) приведены на рисунках 3–8². Как видно (рисунки 3 и 4), при длине ВЛ до 50 км существует большой разброс погрешностей ОМП различными способами. При этом в диапазоне 83–91% случаев ОМП производилось с точностью не более 10% от длины ВЛ. Следует заметить, что высокая точность одностороннего расчета ОМП с помощью АРМ-СРЗА на ВЛ 330–750 кВ длиной до 50 км и от 50 км до 100 км (рисунки 4 и 6) является исключением, обусловленным малым количеством случаев расчетов (4 и 12 соответственно).

Приведенные данные отражают опыт эксплуатации, указывающий, что одностороннее ОМП с помощью АРМ-СРЗА дает большие погрешности и в ряде случаев вместо расчетной точки места повреждения определяется совсем другое место на ВЛ.

Таким образом, применение программных способов WinBres и АРМ-СРЗА при выполнении одностороннего расчета места повреждения не дает качественного прироста точности ОМП по сравнению с ОМП, выполняемым фиксирующими приборами, РАС и микропроцессорными устройствами РЗА.

Погрешности двусторонних способов ОМП на ВЛ за период с 01.01.2022 г. по 31.12.2024 г. приведены на рисунках 9–14.

Как видно, программные двухсторонние способы ОМП по ПАР дают качественный прирост точности по сравнению с односторонними способами. С вероятностью 87–93% погрешность двусторонних способов ОМП по ПАР не превышает 5% от длины ВЛ. При этом основными причинами погрешностей этих способов ОМП являются:

• задание параметров ВЛ без учета расположения мест нарушения ее однородности, ответвлений, взаимного влияния параллельных линий, глубины возврата тока через землю и др.;
• несинхронная фиксация ПАР из-за различия токов и напряжений переходного процесса при КЗ по концам ВЛ;
• наличие угла между токами, фиксируемыми по концам ВЛ и током, протекающим в месте КЗ;
• увеличение погрешности трансформаторов тока из-за насыщения их магнитопроводов.

Кроме того, из-за отстройки от апериодической составляющей тока и ограниченности времени фиксации параметров тока и напряжения с момента возникновения КЗ и до его отключения, используемых в расчете места повреждения, процесс ОМП может захватывать зоны без КЗ.

Недостатком всех способов ОМП по ПАР является сложность получения и учета всех влияющих на расчет факторов в математической модели ВЛ. В связи с этим при выполнении поиска места повреждения приходится заранее задаваться некоторой вероятностной величиной — зоной обхода ВЛ [3], включающей участки ВЛ, расположенные по обе стороны от расчетного места повреждения. Введенные в практику значения зон обхода ВЛ регламентируются [2] и составляют:

• ± 15% длины ВЛ для линий протяженностью до 50 км;
• ± 10% длины ВЛ для линий протяженностью от 50 км до 100 км;
• ± 5% длины ВЛ для линий протяженностью более 100 км.

Однако эти значения не могут быть признаны удовлетворительными. Так, при КЗ на ВЛ длиной 100 км или 200 км зона обхода должна составить 20 км — весьма внушительное расстояние для прохода пешком членов бригады Службы линий в течение светлого времени суток, существенно ограниченного в короткие осенние или зимние месяцы. При этом необходимо учитывать также и время проезда бригады от места ее дислокации до границы зоны обхода или до расчетного места повреждения. Поиск места повреждения следует выполнять от расчетной точки КЗ. Однако выполнить данное предписание не всегда возможно по ряду причин. Среди них — проблемы организации маршрута проезда и прохода на ВЛ из-за особенностей различных типов местности (горной, труднопроходимой, сильнопересеченной, с лесисто-болотистыми территориями и др.), наличия посевных площадей и объектов частной собственности. Следует отметить также усложнение визуального определения меток КЗ на проводе или опоре ВЛ при повреждениях малой продолжительности вследствие применения быстродействующих устройств защиты и выключателей с высокой скоростью отключения. Поэтому зачастую приходится выполнять осмотр ВЛ, исходя из реальных возможностей проезда к границе зоны, что приводит к увеличению времени поиска места повреждения и соответствующих транспортных расходов.

ВЫВОДЫ

1. Статистические данные об эффективности различных способов ОМП по ПАР являются объективным показателем оценки их точности, на основе которых можно строить вероятностные характеристики.

2. Применение программных способов ОМП при выполнении одностороннего расчета места повреждения не дает качественного прироста точности ОМП по сравнению с ОМП фиксирующими приборами, РАС и МП РЗА.

3. Используемые способы ОМП по ПАР имеют методические погрешности, которые трансформируются в величину зоны осмотра ВЛ. Требуется переход от регламентированных зон осмотра в процентах от длины ВЛ к одной зоне осмотра, не зависящей от длины ВЛ.

¹ Односторонний «ручной» расчет места повреждения с помощью формул и его статистические показатели в материалах данной статьи не анализируется. ↑
² Расшифровка способов:
 АРМ-СРЗА 1 ст — односторонний расчет места повреждения с использованием модуля ОМП ПО АРМ-СРЗА.
АРМ-СРЗА 2 ст — двусторонний расчет места повреждения с использованием модуля ОМП ПО АРМ-СРЗА.
WinBres 1 ст — односторонний расчет места повреждения с использованием модуля ОМП ПО WinBres.
WinBres 2 ст — двусторонний расчет места повреждения с использованием модуля ОМП ПО WinBres. ↑

ЛИТЕРАТУРА

1. РД 34.35.517–89. Методические указания по определению мест повреждения воздушных линий напряжением 110 кВ и выше с помощью фиксирующих приборов. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200055987.
2. СТО 56947007-29.240.55.159-2013. Типовая инструкция по организации работ для определения мест повреждений воздушных линий электропередачи напряжением 110 кВ и выше. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200105991.
3. Беляков Ю.С. Актуальные вопросы определения мест повреждения воздушных линий электропередачи. М.: НТФ «Энегопрогресс»: Энергетик, 2010. 75 с.