Метод бесконтактного контроля параметров электромагнитного поля ЛЭП 6-10 кВ и источников гармонических искажений, основанный на спектральном анализе данных

АКТУАЛЬНОСТЬ. Рост доли нелинейных нагрузок и силовой электроники в распределительных сетях 6-10 кВ вызывает увеличение уровня гармонических и интергармонических искажений, что приводит к нарушению синусоидальности напряжения и ускоренному старению оборудования. При этом традиционные контактные методы измерения параметров качества электроэнергии (ПКЭ) ограничены эксплуатационными условиями и требуют сложной организации измерений.
ЦЕЛЬ. Разработать алгоритм контроля источников искажений в сетях 6-10 кВ на основе сигналов бесконтактных индуктивных и емкостных датчиков электромагнитного поля.
МЕТОДЫ. Для выделения гармонических и интергармонических составляющих использованы методы спектрального анализа (БПФ и КВПФ), а также метод формирования «спектральных подписей», включающий информативные признаки: изменение амплитуды и фазы основной гармоники (50 Гц), коэффициента THD, а также суммарных амплитуд четных и нечетных гармоник. Эксперименты выполнены на лабораторной установке, имитирующей участок ЛЭП 6-10 кВ. Исследованы режимы работы с нагрузкой в виде асинхронного двигателя, диодного моста и однофазной нелинейной нагрузки.
РЕЗУЛЬТАТЫ. Показано, что индуктивные датчики чувствительны к изменению токовых нагрузок и динамике магнитного потока, в то время как емкостные сенсоры фиксируют искажения электрического поля и асимметрию фаз. Для асинхронного двигателя наблюдалось снижение THD до –12% и рост амплитуды основной гармоники до 65%. Для диодного моста характерен рост высокочастотных четных гармоник до +1550%, а для однофазной нелинейной нагрузки – появление фазной несимметрии и увеличение THD на 2-4%.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Показано, что совмещенное использование индуктивных и емкостных бесконтактных датчиков формирует отличающиеся спектральные подписи для трех рассмотренных типов источников искажений. Разработанный алгоритм позволяет формализовать процедуру формирования эталонной библиотеки «источник–спектр» и может служить основой для построения интеллектуальных систем бесконтактного контроля качества электроэнергии в распределительных сетях 6-10 кВ.

1. Arranz-Gimon A., Zorita-Lamadrid A., Morinigo-Sotelo D., Duque-Perez O. A review of Total Harmonic Distortion Factors for the Measurement of Harmonic and Interharmonic Pollution in Modern Power Systems // Energies. – 2021. – Vol. 14, No. 20. – P. 6467. – DOI: 10.3390/en14206467.

2. Зубова Е.В., Федосов Д.С. Исследование условий возникновения резонанса на высших гармониках в электрической сети, питающей нелинейную нагрузку. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. – 2024. – T. 26. – № 3. – C. 83-95. – DOI: 10.30724/1998-9903-2024-26-3-83-95.

3. Kaur J., Bath S.K. Harmonic distortion in power systems due to electronic control and renewable energy integration: a comprehensive review // Discover Electronics. – 2025. – Vol. 2. – Article 67. – DOI: 10.1007/s44291-025-00111-9.

4. Брякин И.В., Бочкарев И.В., Храмшин В.Р. Кондуктометрический метод неразрушающего контроля параметров электрических кабелей / Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. – 2025. – Т. 27. – №2. – С. 3–19. – DOI: 10.30724/1998-9903-2025-27-2-3-19.

5. Минуллин Р.Г. Способы подключения аппаратуры локационного мониторинга к воздушным линиям электропередачи // Р.Г. Минуллин, А.А. Гранская, Э.Ю. Абдуллазянов, И.Г. Ахметова, Р.Г. Мустафин, В.А. Касимов / Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. – 2024. – Т. 26. – № 3. – С. 16–32. – DOI: 10.30724/1998-9903-2024-26-3-16-32.

6. Левин В.М., Боярова Д.А. Распределенная система предиктивного управления состоянием оборудования электрических сетей по наработке на дефект / Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. – 2025. – Т. 27. – № 3. – С. 123–134. – DOI: 10.30724/1998-9903-2025-27-3-123-134.

7. Зарипов Д.К. Экспериментальное лабораторное исследование возможности выявления загрязнения высоковольтных изоляторов с помощью тепловизора / Д.К. Зарипов, Д.Ф. Закиров, Б.П. Тарасов, Е.А. Миронова, Р.А. Насибуллин // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. – 2024. – Т. 26. – № 6. – С. 5–19. – DOI: 10.30724/1998-9903-2024-26-6-5-19.

8. Крюков А.В., Овечкин И.С., Суслов К.В. Моделирование режимов двойных замыканий на землю в системах электроснабжения нетяговых потребителей железнодорожного транспорта / Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. – 2024. – Т. 26. – № 2. – С. 138–148. – DOI: 10.30724/1998-9903-2024-26-2-138-148.

9. Тюрин А.Н., Солуянов Ю.И., Ахметшин А.Р. Проверка на работоспособность при замыкании на землю аппаратов защиты от параллельного дугового пробоя и искровых промежутков / Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. – 2024. – Т. 26. – № 4. – С. 41–54. – DOI: 10.30724/1998-9903-2024-26-4-41-54.

10. Ali Z. M., Ćalasan M., Jurado F. and Abdel Aleem S. H. E. Complexities of Power Quality and Harmonic-Induced Overheating in Modern Power Grids Studies: Challenges and Solutions // IEEE Access. – 2024. – Vol. 12. – P. 151554–151597. – DOI: 10.1109/ACCESS.2024.3477729.

11. Arrillaga J., Watson N.R. Power System Harmonics. – 2nd ed. – Wiley, 2003. – 382 p. – DOI: 10.1002/0470871229.

12. Al-Feilat E. a. A., El-Amin I., Bettayeb M. Power system harmonic estimation: a comparative study // Electric Power Systems Research. – 1994. – № 2(29). – P. 91–97. – DOI: 10.1016/0378-7796(94)90066-3.

13. Chen K.L., Hu W.J., Xu W. Contactless Voltage Sensor for Overhead Transmission Lines // IET Gener., Transm. & Distrib. – 2018. – Vol. 12, No. 3. – P. 687–693. – DOI: 10.1049/iet-gtd.2017.1181.

14. Sun S., Ma F., Yang Q., Ni H., Bai T., Ke K., Qiu Z. Research on Non-Contact Voltage Measurement Method Based on Near-End Electric Field Inversion // Energies. – 2023. – Vol. 16, No. 18. – P. 6468. – DOI: 10.3390/en16186468.

15. Zhang W., Yang Y., Zhao J., Huang R., Cheng K., He M.. Research on a Non-Contact MultiElectrode Voltage Sensor and Signal Processing Algorithm // Sensors. –2022. – Vol. 22. – № 21. – DOI: 10.3390/s22218573.

16. Testa A. et al. Interharmonics: Theory and Modeling // IEEE Transactions on Power Delivery. – 2007. – Vol. 22. – №. 4. – P. 2335–2348. – DOI: 10.1109/TPWRD.2007.905505.

17. Barros J., Diego R.I., de Apraiz M. Applications of wavelets in electric power quality: Voltage events // Electric Power Systems Research. – 2012. – 88. – P. 130–136. – DOI: 10.1016/j.epsr.2012.02.009.

18. Dash P.K., Pradhan A.K., Panda G. Power quality analysis using S-transform // IEEE Power Engineering Review. – 2002. – Vol. 22. – № 18(2). – P. 60–60. – DOI: 10.1109/MPER.2002.4312414.

19. Schirmer P. A., Mporas I. Non-Intrusive Load Monitoring: A Review // IEEE Transactions on Smart Grid. – 2023. – Vol. 14. – № 1. – P. 769-784. – DOI: 10.1109/TSG.2022.3189598.

20. Sandler R., Brehm M., Slomovitz D., Barreto G. Rogowski Coil Design for the Measurement of High Voltage Harmonics // Proc. 2020 IEEE PES T&D Latin America. – Montevideo, Uruguay, 2020. – P. 1–5. – DOI: 10.1109/TDLA47668.2020.9326218.

21. Peng H., Liu H., Shang K., Li G., Zhao L. Design and Simulation Test of Non-Contact Voltage Sensor // Sensors. – 2025. – Vol. 25. – DOI: 10.3390/s25103118.

22. Kruphalan T.S., Olof A. F., Daniel M., Fatemeh G., Nathaniel T., Martin N. Non-contact Current Measurement in Power Transmission Lines // Procedia Technology. – 2015. – Vol. 21. – P. 498–506. – DOI: 10.1016/j.protcy.2015.10.034.

23. Roman H., Vaclav K., Mikolaj B., Tomas M., Petr O., Jacub V. A Development of a Capacitive Voltage Divider for High Voltage Measurement as Part of a Combined Current and Voltage Sensor // electronic measurements. – 2020. – Vol. 26. – № 4. – P. 25–31. – DOI: 10.5755/j01.eie.26.4.25888.

24. Han Z., Xue F., Yang G., Yu Z., Hu J., He J. Micro-Cantilever Capacitive Sensor for HighResolution Measurement of Electric Fields // IEEE Sensors Journal. – 2021. – Vol. 32. – № 8. – P. 4317–4324. – DOI: 10.1109/JSEN.2020.3031291.

25. Stockwell R.G., Mansinha L., Lowe R.P. Localization of the complex spectrum: the Stransform // IEEE Trans. Signal Processing. – 1996. – 44(4). – P. 998–1001. – DOI: 10.1109/78.492555

26. Yan R., Gao R.X. Energy-Based Feature Extraction for Defect Diagnosis in Rotary Machines // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. – 2009. – Vol. 58. – № 9. – P. 3130–3139. – DOI: 10.1109/TIM.2009.2016886.

27. Chand P., Davari A., Liu B., Sedghisigarchi K. Feature extraction of Power Quality disturbances using Adaptive Harmonic Wavelet Transform // Proc. 39th Southeastern Symp. on System Theory. – Macon, GA, USA, 2007. – P. 266–269. – DOI: 10.1109/SSST.2007.352362.

28. Peng H., Liu H., Shang K., Li G., Zhao L. Design and Simulation Test of Non-Contact Voltage Sensor // Sensors. – 2025. – Vol. 25. – № 10. – DOI: 10.3390/s25103118.

29. Diqiu S., Bei H., Xufeng W., Mingdong Z., Liang W., Wenxing L. Research on Harmonic Characteristic of Electronic Current Transformer Based on the Rogowski Coil // // IOP Conference Series Materials Science and Engineering. – 2017. – Vol. 199. – DOI: 10.1088/1757-899X/199/1/012123.

30. Gianesini B.M., Santos I.N., Ribeiro P.F. Comparison of Methods for Determining Harmonic Distortion Contributions Using the IEEE Benchmark Test System // IEEE Trans. Power Delivery. – 2023. – 38(4). – P. 2398–2407. – DOI: 10.1109/TPWRD.2023.3242942.

31. Anggriawan D. O., Amsyar A., Prasetyono, E., Wahjono E., Sudiharto I., Tjahjono, A. Load Identification Using Harmonic Based on Probabilistic Neural Network // EMITTER International Journal of Engineering Technology. – 2019. – Vol. 7. – № 1. – P. 71–82. – DOI: 10.24003/emitter.v7i1.330.

32. Bosnic J. A., Petrovic G., Putnik A., Mostarac P. Power quality disturbance classification based on wavelet transform and support vector machine // In Proceedings of the 2017 11th International Conference on Measurement, Smolenice, Slovakia/ – 2017. – P. 9–13. – DOI: 10.23919/MEASUREMENT.2017.7983524.

33. Samanta I.S., Rout P.K., Mishra S. Feature extraction and power quality event classification using Curvelet transform and optimized extreme learning machine // Electr Eng. – 2021. – Vol. 103. – P. 2431–2446. – DOI: 10.1007/s00202-021-01243-3.

34. Gaouda A. M., Kanoun S. H., Salama M. M. A., Chikhani A. Y. Pattern recognition applications for power system disturbance classification // IEEE Transactions on Power Delivery. – 2002. – Vol. 17. – № 3. – P. 677–683. – DOI:10.1109/TPWRD.2002.1022786.

35. Janani K., Himavathi S. Non-intrusive harmonic source identification using neural networks // In Proceedings of the 2013 International Conference on Computation of Power, Energy, Information and Communication (ICCPEIC), Chennai, India. – 2013. – P. 59–64. – DOI: 10.1109/ICCPEIC.2013.6778499.

36. Rodrigues Junior W. L, Silva Borges F. A., Lira Rabelo R. d. A., de Lima B. V. A., Almeida de Alencar J. E. Classification of Power Quality Disturbances Using Convolutional Network and Long ShortTerm Memory Network // 2019 International Joint Conference on Neural Networks (IJCNN), Budapest, Hungary. – 2019. – P. 1–6. –DOI: 10.1109/IJCNN.2019.8852287.

37. Shafiullah M. et al. An Intelligent Approach for Power Quality Events Detection and Classification // In Proceedings of the 2021 1st International Conference on Artificial Intelligence and Data Analytics (CAIDA), Riyadh, Saudi Arabia, – 2021. – P. 194–199, – DOI: 10.1109/CAIDA51941.2021.9425215.

38. Gu Y.H., Bollen M.H.J. Time-frequency and time-scale domain analysis of voltage disturbances // IEEE Transactions on Power Delivery. – 2000. – Vol. 15. – № 4. – P. 1279–1284. – DOI:10.1109/61.891515.

39. Lin W. -M. Wu C. -H,. Lin C. -H, Cheng F. -S. Detection and Classification of Multiple Power-Quality Disturbances With Wavelet Multiclass SVM // IEEE Transactions on Power Delivery. – 2008. – Vol. 23. – № 4. – P. 2575–2582/ – doi: 10.1109/TPWRD.2008.923463.

40. Indu S. S., et al. Artificial intelligence and machine learning techniques for power quality event classification: a focused review and future insights // Results in Engineering. – 2025. – Vol. 25. – DOI:10.1016/j.rineng.2024.103873.