Виды повреждений кабельных линий, краткая характеристика методов их обнаружения

Сначала рассмотрим случай, когда мы регистрируем характеристики каждого импульса, т.е. располагаем максимальной информацией. В зависимости от сложности и стоимости аппаратуры можно регистрировать следующие индивидуальные характеристики импульса ЧР:

– форму каждого импульса и время его появления

– амплитуду, полярность, длительность и время появления

– амплитуду и время появления

– только амплитуду

Регистрация формы – самая полная но, увы, очень дорогая характеристика. При регистрации амплитуды импульса сразу встает вопрос – что называть амплитудой в случае, если импульс имеет колебательную форму (рис 3.2.24) – амплитуду первого пика или максимальное значение модуля сигнала? При такой форме импульса встает аналогичный вопрос по поводу полярности и длительности сигнала. Параметры сигналов ЧР, регламентированные в существующих нормативных документах, практически невозможно использовать при такой форме импульсов, особенно с учетом того, что интеграл импульса (заряд) может быть равен нулю.

Рис 2.24 Типичная форма сигнала ЧР

Для того чтобы не усложнять дальнейшее изложение, давайте сохраним термин амплитуда, понимая под ним некий параметр характеризующий величину сигнала. На наш взгляд наиболее удачными приближениями являются максимальная амплитуда или энергия (т.е. интеграл квадрата напряжения), но им может служить и заряд, и что-то еще – в общем, кому что нравится. Аналогичным образом поступим и с длительностью импульса и с его полярностью.

В результате многочисленных экспериментов пришли к выводу, что оптимальной с точки зрения соотношения стоимость – информативность является регистрация только двух параметров – «амплитуды» и времени прихода импульса.

2.4.2 Хранение и представление информации

Будем считать, что для каждого пришедшего импульса измерительная аппаратура дает нам эти параметры. Адекватной формой хранения информации является таблица, в строчках которой записываются амплитуда и фаза (время появления) каждого зарегистрированного импульса. Из-за стохастической природы ЧР, для получения необходимой точности измерения (т.е. определения характеристик ЧР контролируемого объекта с необходимой точностью) требуется накопление информации за 500 – 5000 периодов питающего напряжения. С учетом наличия помех общее количество зарегистрированных за одно измерение сигналов достигает десятков и сотен тысяч. И если такая форма записи подходит для хранения данных (в виде файла), то для представления полученных данных она несколько неудобна. Рассмотрим другой способ представления полученных данных.

2.4.3 Амплитудно-фазовые диаграммы (АФД)

Точечная форма АФД

Возьмем лист бумаги и отложим по горизонтальной оси фазу (от нуля до 360 градусов), а по вертикальной оси – амплитуду сигнала. Для каждого зарегистрированного сигнала у нас есть две характеристики – амплитуда и фаза. Будем рассматривать их как две координаты точки на плоскости листа. Каждый зарегистрированный сигнал будем отмечать точкой, поставленной в соответствии с измеренными значениями амплитуды и фазы импульса. После достаточно длительного измерения, мы получим картину похожую на приведенную на рис. 2 (реальные данные). Это и есть АФД с точечной формой представления данных.

Рис 2.25 Точечная амплитудно-фазовая диаграмма

Сравним этот способ запоминания и представления данных с таблицей, о которой говорилось выше. Если с точки зрения хранения данных не произошло каких-либо изменений (наш график с точки зрения компьютера это та же таблица), то форма представления данных стала гораздо удобнее (по крайней мере, на наш взгляд). Самое главное это то, что, получив возможность «одним взглядом» оценить сразу все полученные данные, мы не потеряли никакой информации. Каждый импульс зарегистрирован и может быть рассмотрен. По такой АФД мы можем определить все важнейшие характеристики сигналов ЧР, такие как фазовые распределения сигналов в заданном интервале амплитуд, амплитудные распределения импульсов в любом фазовом интервале, зависимость интенсивности сигналов от амплитуды (заряда) и т.д.

Стандартная форма АФД

Сразу же отметим, что точечное представление данных на АФД практически не используется. Во-первых, в таком виде ей неудобно пользоваться т. к. близко лежащие точки сливаются и становятся неразличимы. Кроме того, для определения числа импульсов, поступивших в интересующую нас зону (фазовый и амплитудный интервалы) приходится считать отдельные точки.

Второй (и основной) причиной является то, что такой метод регистрации сигналов ЧР (измерение амплитуды и фазы каждого импульса ЧР) является неэкономичным, т. к. для запоминания параметров каждого из зарегистрированных импульсов требуемся много памяти и места на дисковом накопителе. Т.е. неудобен сам способ запоминания и хранения данных.

Рис. 2.26 Стандартная АФД

Рассмотрим сначала точечную форму АФД показанную на рис. 2. Добившись наглядности представления данных, мы не потеряли ничего. Из рис. 2. можно определить любой из требуемых ГОСТом параметров (с точностью до проблем, описанных в п. 2.) таких как ток ЧР, максимальный зарегистрированный заряд, частоту следования импульсов в любом интервале амплитуд, энергию и мощность ЧР, квадратичный параметр и т.д. Мы не потеряли никакой информации, правда, при точечной форме АФД ничего и не выиграли в объеме запоминаемых данных.

Теперь рассмотрим стандартную форму АФД (рис. 3). Наиболее важным моментом является то, что при таком подходе количество запоминаемой информации перестало зависеть от общего числа зарегистрированных сигналов. Теперь необходимый объем памяти определяется требуемой точностью измерения амплитуды и фазы, которая пропорциональна числу интервалов, на которые мы разбиваем оси координат, т.е. числу ячеек матрицы.

На первый взгляд, при построении матрицы мы полностью потеряли информацию о конкретных импульсах ЧР. Мы уже не можем сказать, в какое конкретное место внутри ячейки попал импульс, но какова была его амплитуда и фаза, мы, по прежнему, знаем, правда, с точностью до размера ячейки. Таким образом, единственная разница между этими формами АФД – это точность определения амплитуды и фазы импульсов. Если в первом случае точность измерения амплитуды и фазы определялась измерительным прибором, то во втором случае, она ограничивается числом разбиений по амплитуде и фазе. Иными словами, на первый взгляд, мы снизили изначально более высокую точность измерений до некоторого уровня.

Сущность метода измерения частичных разрядов заключается в следующем. В момент появления частичного разряда в кабельной линии возникает два коротких импульсных сигнала, длительности которых десятки-сотни наносекунд. Эти импульсы распространяются к разным концам кабельной линии. Измеряя импульсы, достигшие начала кабеля, можно определить расстояние до места их возникновения и уровень.

Структурная схема измерений частичных разрядов в кабельных линиях показана на рисунке. Основными узлами измерительной схемы являются: компьютерный анализатор дефектов и частичных разрядов в кабельных линиях и высоковольтный адаптер. Компьютерный анализатор дефектов и частичных разрядов в кабельных линиях может быть выполнен в виде совокупности измерительного блока и портативного компьютера (как показано на рисунке) или в виде специализированного измерительного прибора. Высоковольтный адаптер служит для развязки компьютерного анализатора и источника воздействующего напряжения. Так, короткие импульсы напряжения, распространяющиеся в кабельной линии, беспрепятственно проходят на вход рефлектометра TDR или на выход частичных разрядов, но не попадают в низкочастотный (50 или меньше герц) источник напряжения. В тоже время напряжение (1…1,2)*Uраб от источника беспрепятственно поступает на кабельную линию. В качестве воздействующего напряжения может служить напряжение промышленной сети или напряжения от источника сверхнизкой частоты.

Сначала кабельная линия отключается от источника воздействующего напряжения, вызывающего появление частичных разрядов. При помощи кнопки Кн на высоковольтном адаптере (или специального устройства) проверяют разряженность кабельной линии. Компьютерный анализатор включают в режим импульсного рефлектометра и снимают рефлектограмму кабельной линии. По рефлектограмме определяют длину кабельной линии и коэффициент затухания импульсов в линии.

Рис 2.27 Определение дефектов изоляции

Затем переключают компьютерный анализатор в режим измерения частичных разрядов.

Далее снимают гистограмму – распределение частоты следования n импульсов частичных разрядов от амплитуд импульсов от частичных разрядов Uчр, пришедших к началу кабельной линии.

По гистограмме n=f(Uчр) можно сделать вывод о наличии и количестве слабых мест (потенциальных дефектов) в кабельной линии.

Так, на рисунке показана гистограмма кабельной линии с тремя потенциальными дефектами. Дефект №1 имеет самую высокую частоту следования n1 и самую маленькую амплитуду импульсов U1. Соответствующие параметры имеют дефект №2 и дефект №3.

По амплитуде импульсов частичных разрядов, представленных на гистограмме, еще нельзя делать вывод о мощности частичного разряда в месте дефекта, так как пока неизвестно расстояние до него. В тоже время известно, что импульсы частичных разрядов, имея малые длительности, сильно затухают при распространении по кабельной линии. Поэтому следующим шагом является измерение расстояния до каждого из дефектов.

Компьютерный анализатор дефектов позволяет измерить расстояние до каждого из дефектов: L1, L2 и L3 и сохранить их в памяти.

Далее, на основе гистограммы и данных о расстоянии до каждого из дефектов, компьютерный анализатор вычисляет мощность частичных разрядов в каждом из дефектов и строит сводную таблицу дефектов.

2.5 Мостовой метод измерения

Мостовой метод измерения используется при контрольных измерениях и для локализации высокоомных повреждений изоляции на кабелях связи.

Эти повреждения можно условно разделить на 3 группы:

1. Низкое сопротивление изоляции или короткое замыкание между жилами пары.

2. Низкое сопротивление изоляции жилы относительно земли или замыкание на землю.

3. Связь между парами.

Для локализации повреждений в кабеле связи мостовым методом необходимым является наличие хотя бы одной «хорошей» жилы между местом подключения прибора и концом кабеля. «Хорошая» жила должна иметь высокое сопротивление изоляции. На практике в качестве «хорошей» жилы выбирается та, которая имеет наибольшее сопротивление изоляции.

Перед проведением измерений все жилы, которые предполагается использовать при измерениях, необходимо отключить от источников сигналов (например, коммутаторных устройств) и приемников сигналов (например, абонентских устройств).

2.5.1 Определение расстояния до места обрыва кабеля (оборваны все жилы)

При обрыве всех жил кабеля определить расстояние до повреждения можно по формуле:

Lх = Сх / Ср, (2.9)

где Сх – емкость оборванной пары, измеренная прибором;

Ср – погонная емкость пары.

2.5.2 Метод определения расстояния до места повреждения изоляции кабеля и его особенности

Рис 2.28 схема подключения жил кабеля к приборам

На рисунке обозначено:

А – «хорошая» жила;

В-жила с повреждением изоляции;

С – заземленная оболочка кабеля или жила, относительно которой у поврежденной жилы имеется утечка сопротивления Rп.

Расстояние Lx от начала кабеля до места нахождения утечки Rп определяется посредством измерения сопротивления шлейфа жил А и В, измерения сопротивления дефектного участка Rx жилы В и вычисления выражения:

Lx = 2Rx∙L / (Ra + Rв) = 2Rx∙L / Rs, (2.10)

где: Rs = Ra + Rв – сопротивление шлейфа жил А и В;

L – длина кабеля.

Если в кабеле есть одновременно несколько мест повреждения, например, вместе с утечкой Rп есть утечка R'п, причем R'п > Rп, то вследствии частичного ответвления измерительного тока на R'п при определения расстояния прибор покажет величину L'x. При этом, чем больше R'п по сравнению с Rп, тем меньше отличие L'x от Lx.

Таким образом, следует иметь в виду, что прибор не позволяет указать сколько и в каких местах одновременно имеется повреждений на неисправной жиле. Все повреждения идентифицируются прибором как одно общее повреждение, до которого и определяется расстояние.

2.5.3 Определение расстояния до места повреждения изоляции кабеля

Определение расстояния до места пониженной изоляции или места утечки на землю в поврежденной жиле симметричной линии производится методом Муррея посредством измерения отношения сопротивлений жилы до места повреждения к сопротивлению шлейфа, по схеме с замкнутыми жилами на противоположном конце кабеля.

Прежде всего необходимо найти в кабеле «хорошую» жилу.

Для этого в режиме «Измерение Ri» прибором ПКМ-105 измеряется сопротивление изоляции всех жил кабеля, которые предполагается использовать при измерениях.

В качестве «хорошей» жилы выбирается та жила, которая имеет наибольшее сопротивление изоляции. Далее нужно измерить сопротивление изоляции «хорошей» жилы Ri и поврежденной жилы Rп (жилы с пониженной изоляцией) и определить их отношение Кu.

Следует иметь в виду, что определение расстояния до места повреждения целесообразно проводить если величина Rп не превышает 20 МОм. При этом переходное сопротивление до 10 МОм позволяет обеспечить погрешность определения расстояния не более 1% (в пределах от 0,1 до 1% – в зависимости от условий). При более высоких значениях Rп погрешность увеличивается.

Если полученное отношение Кu удовлетворяет условию: Кu = Ri / Rп? 400, то для определения расстояния до места повреждения с паспортной точностью достаточно провести измерение с одного конца линии в режиме «Измерение Lx».

Рис 2.28 При измерении Lx схема подключения прибора

На рисунке позиция C может быть оболочкой кабеля или жилой, по отношению к которой понижено сопротивление изоляции поврежденной жилы B. Позицией A на рисунке обозначена неповрежденная жила. Жилы A и B соединены на конце между собой.

Измерение Lx производится прибором ПКМ-105 (РЕЙС-205) автоматически. Причем под управлением встроенного микропроцессора сначала измеряется сопротивление Rs шлейфа жил A и B, а затем измеряются сопротивление Rx части шлейфа от начала кабеля до места понижения изоляции жилы B.

Затем автоматически вычисляется отношение:

К = Rx / Rs / 2 = 2Rx / Rs (2.11)

Далее, используя погонное значение сопротивления жил Rо, автоматически вычисляется расстояние Lx до места повреждения:

Lx = L*K = (Rs/Rо)*(2Rx/Rs) = 2Rx/ Rо, (2.12)

где: L – полная длина линии, км;

R0 – погонное сопротивление, Ом/км;

Rx – сопротивление до места повреждения, Ом.

2.5.4 Учет величины Ku при определении расстояния до места повреждения изоляции кабеля

В случае, когда сопротивление изоляции «хорошей» жилы также, как и поврежденной, понижено и величина Ku лежит в пределах: 3 < Ku< 400, для получения правильного результата при определении расстояния до места повреждения необходимо произвести измерения расстояния как с одного конца поврежденного кабеля, так и с другого конца.

Расстояние до места повреждения, в этом случае, можно определить по выражению:

Lx = L* Lx1 / (Lx1 + Lx2), (2.13)

где: Lx1 – расстояние до повреждения при измерении с первого конца линии;

Lx2 – расстояние до повреждения при измерении со второго конца линии;

Lx – расстояние до повреждения от первого конца линии по результатам

3. Трассовые методы

3.1 Индукционный метод

Индукционный метод может быть реализован в 2-х вариантах: активный и пассивный.

Активный индукционный метод требует использования индукционного комплекта, состоящего из 2-х частей: индукционный генератор и индукционный приемник. Индукционный генератор может иметь синусоидальный выходной сигнал или сигнал в виде меандра и подключается к кабельной линии. За счет протекания переменного тока вокруг кабельной линии образуется переменное магнитное поле.

Перемещаясь над кабельной линии со специальным индукционным приемником, оснащенным поисковой катушкой, можно определить трассу прохождения кабельной линии, глубину залегания кабельной линии и точное место обрыка или короткого замыкания в ней.

В зависимости от задачи (определение трассы, определения точного места короткого замыкания или места обрыва кабельной линии) могут использоваться частоты индукционного генератора, а значит и принимаемые частоты приемника, в пределах от 480 до 10000 Гц. Для уменьшения влияния промышленной сети на чувствительность приемника обычно выбирается рабочая частота не кратная 50 (60) Гц (в зависимости от частоты сети).

В зависимости от типа кабельной линии, на которой выполняются работы, глубины ее залегания, питания от сети или аккумуляторов, генераторы могут иметь выходную мощность от единиц ват до нескольких сотен ватт.

Индукционные приемники могут быть как простые, содержащие усилитель и поисковую катушку, так и сложные, имеющие несколько катушек, указатель нахождения над трассой кабеля и цифровую индикацию глубины залегания кабельной линии.

При пассивном индукционном методе достаточно использовать только индукционный приемник. При этом приемник должен принимать магнитное поле

От работающего кабеля на частоте 50 Гц

3.2 Акустический метод

Акустический метод используется для определения места обрыва на силовых кабельных линиях.

Определить место обрыва индукционным методом нельзя, так как в месте обрыва ток от индукционного генератора равен нулю, а значит и магнитное поле вокруг кабеля отсутствует.

Для реализации акустического метода используется генератор мощных ударных импульсов и акустический приемник.

Генератор ударных импульсов представляет собой совокупность специального высоковольтного конденсатора и разрядника. Конденсатор подключается к силовой кабельной линии через разрядник. При срабатывании разрядника все напряжение с заряженного конденсатора оказывается мгновенно приложенным к кабельной линии. В кабельной линии возникает электромагнитная волна, которая распространяется по линии и, достигнув места обрыва кабеля, вызывает пробой в этом месте. Пробой сопровождается звуковым сигналом (щелчком), по месту нахождения которого и определяется место обрыва. Обычно разряд конденсатора производится периодически (раз в несколько секунд), поэтому и пробои повторяются с той же периодичностью.

Для улавливания сигнала от пробоя служит акустический приемник со специальным акустическим датчиком, например типа «краб». Такой датчик «чувствует» акустический сигнал под землей. По максимальной интенсивности звукового сигнала находится место обрыва кабельной линии.

На практике часто используются акустические приемники, которые имеют не только канал приема акустических сигналов с акустическим датчиком, но и канал приема электромагнитных сигналов с соответствующим датчиком. Наличие двух каналов позволяет ускорить нахождение места повреждения.

Работает двухканальный приемник следующим образом.

Момент пробоя сопровождается не только звуковым сигналом, но и электромагнитным импульсом. Звуковой сигнал распространяется от места пробоя во все стороны со звуковой скоростью, а электромагнитная волна – со скоростью, близкой к скорости света. Поэтому сначала на приемник будет приходить электромагнитный импульс, а затем – акустический сигнал.

Чем ближе приемник находится к месту пробоя тем меньше задержка между приходом электромагнитного и акустического сигналов.

Указанная зависимость линейная, на приемнике в цифровом виде индицируется расстояние до места пробоя. При поиске места пробоя задача измерителя – найти место где эта разность минимальна.

3.3 Выводы по трассовым методам

В отличии от дистанционных методов, которые позволяют определить длину кабельной линии, расстояние до зоны расположения места повреждения кабельной или воздушной линии, трассовые методы предназначены для определения трассы прохождения кабельной линии, глубины залегания кабеля, точного нахождения места повреждения (короткого замыкания или обрыва) на трассе кабельной линии.

Существуют различные трассовые методы, однако наиболее популярны индукционный и акустический методы.

Страницы: 1, 2, 3