Акустический поиск повреждения кабеля

Методы поиска повреждений на кабелях подразделяют на абсолютные и относительные. Относительные предполагают определение расстояния до повреждения в процентах к общей длине линии или в метрах от оконечного устройства. (Относительно длины). Абсолютные определяют повреждения прямо на месте.

К абсолютным можно отнести индукционный, акустический, индукционно-акустический и в какой-то мере прожиг.

Индукционный метод

Основан на прослушивании электромагнитных наводок вокруг кабеля при прохождении по нему токов звуковых частот. Один из основных абсолютных методов поиска не только повреждений, но и трассировки кабельной линии. Почти без изменений применяется также на телекоммуникационных кабелях (стр. → Индукционный метод. Поиск трассы кабеля кабелеискателем).

Для введения тока звуковой частоты в кабель используется специализированный генератор. Поиск повреждения или трассировка осуществляется приёмной частью комплекта, состоящего из антенны и приёмника, способных улавливать возникающее вокруг кабеля электромагнитное поле.

Методом можно определить место короткого замыкания в кабеле, трассу прокладки и глубину залегания. Приёмам и способам работы с кабелеискателем, а именно он использует индукционный метод посвящены страницы:
• Подключение генератора кабелеискателя,
• Иллюстрации использования кабелеискателей
• Индуктивные методы трассировки кабеля: схемы и описания
• Подключение к кабелю генератора звуковой частоты

Прожиг или преобразование повреждения

Схема прожигающего устройства ЛВИ—3М (Ярославская)

В силовых кабелях есть также возможность использования больших токов и преобразования повреждения, что серьёзно увеличивает возможности обнаружения места пробоя. Например, в случае, когда происходит пробой изоляции только при большом, в несколько сотен или тысяч вольт напряжении или сопротивление повреждения большое, то средствами высоковольтной лаборатории такое повреждение можно дожечь. Для этой цели используют прожигающее устройство.

Основой такого прибора является мощный высоковольтный трансформатор с возможностью переключения коэффициента трансформации и автотрансформатором в первичной обмотке. Прожиг начинают с постепенного поднятия переменно напряжения в кабеле и наблюдают за протекающим через повреждение током. При каком-то значении напряжения в месте повреждения кабеля возникает устойчивый пробой и соответственно зажигается дуга. Постепенно эта дуга и дожигает место повреждения — полностью сплавляет изоляцию кабеля, превращая её в проводящий ток уголь. Либо, что случается реже, повреждённая жила отгорает до обрыва. Не всегда этот процесс протекает одинаково и для того чтобы добиться устойчивого горения дуги оператору приходится менять коэффициент трансформации установки и выходное напряжение.

В итоге после удачного прожига сопротивление повреждения либо падает до десятков Ом, либо жила переходит в обрыв. В обоих из этих случаев расстояние до повреждения легко определяется импульсным методом (рефлектометром) или индукционным методом (кабелеискателем). Тем не менее, с применением прожига спешить не стоит, так как он имеет свои недостатки. Так его опасно применять на низковольтных кабелях с небольшим сечением жилы — ток, протекающий по кабелю, может его перегреть в неповреждённой длине.

Прожиг кабеля увеличивает время поиска повреждения. Сначала ведь кабель надо дожечь, а затем еще и искать место повреждения индукционным методом. Быстрее определить место повреждения помогает акустический метод с использованием генератора высоковольтных импульсов.

Прожиг в абсолютные методы поиска можно отнести условно. Если вдуматься в его суть, то это даже не метод поиска повреждений, а лишь способ улучшить условия использования таких методов как акустический, индукционный и импульсный. Тем не менее, иногда он может быть использован именно как абсолютный. Его иногда используют при сомнениях в определённых муфтах или разделках — подав через ЛВИ приличный ток можно добиться возгорания сомнительного места, тем самым абсолютно точно определить повреждение.

Акустический метод или метод удара

Метод предполагает использование генератора высоковольтных импульсов и иногда его же называют ударом.

Основой генератора для акустического метода является высоковольтный конденсатор с нагруженным на него трансформатором и выпрямителем. Через автотрансформатор на этом конденсаторе задаётся высокое напряжение. Затем через ручной или автоматический переключатель это напряжение подаётся в кабельную линию. Учитывая приличную энергию, накопленную на конденсаторе, импульс такого генератора на короткое время зажигает дуговой разряд в месте пробоя изоляции с образованием громкого выстрела (удара). Если генератор перевести в автоматический режим, то можно добиться непрерывной последовательности таких ударов.

Схема выходного каскада генератора высоковольтных импульсов ЛВИ—3М (Ярославль)

Далее поиск повреждения зависит от характера повреждения изоляции и трассы кабельной линии. Так, если кабель проложен открыто, то выстрелы могут быть слышны на десятки и сотни метров и поиск дефекта сводится прослушиванию трассы без приборов. В месте повреждения, как правило, видны вспышки высоковольтного разряда.

Если кабель лежит в грунте, то конечно, эти удары слышны не так далеко. Но тоже бывает достаточно пройтись по трассе — удары часто слышны в пределах нескольких метров от повреждения, причём часто толчки ощущаются даже подошвами ног.

Стоит заметить, что акустический метод может быть использован совместно с импульсным (→ Импульсно-дуговой метод) и в этом случае он перестаёт быть абсолютным. Результат измерений рефлектометра будет обозначен в метрах, а это уже относительно.

Приемник ударных волн Digiphone+
(геомикрофон слева, вверху
увеличенный экран прибора)

Геомикрофон и индукционно-акустический метод

Если повреждение не выгорело наружу, то возможна ситуация, когда удары не слышны. В этом случае используется специальный геомикрофон. Прибор этого типа, как правило, имеет размер с пол-литровую банку и закреплён на полуметровой ручке. Шнур от такого геомикрофона соединяется со специальным портативным усилителем и оператор, проходя по трассе кабеля, ищет по громкости щелчка место повреждения. Во время поиска датчик прибора периодически ставят на грунт и не шевелят его, слушая щелчки в наушниках. По максимальной громкости разрядов и определяют место повреждения.

В более новых приборах микрофон дополняется ещё и электромагнитной антенной — при этом акустический метод становится индукционно-акустическим. Геомикрофон такого типа ловит не только звук выстрела, но и электромагнитный импульс, возникающий при разряде. Учитывая, что звук распространяется медленней электромагнитного поля, то у электронной начинки прибора есть возможность сравнить время прихода обоих сигналов и рассчитать расстояние до места пробоя в метрах. Результат отображается на экране такого прибора.

Определение мест повреждений кабельных линий

Акустический метод

Акустический метод практически универсален и во многих кабельных сетях является основным методом. Им можно определять повреждения различного характера: однофазные и междуфазные замыкания с различными переходными сопротивлениями, обрывы одной, двух или всех жил. В отдельных случаях возможно определение нескольких повреждений на одной кабельной линии. Метод применяется для определения мест повреждения в силовых кабельных линиях, носящих характер «заплывающего» пробоя, а так же может быть применен при замыканиях с переходным сопротивлением, обеспечивающим устойчивые искровые разряды, и при обрыве жил кабеля.

Сущность метода заключается в создании в месте повреждения мощных электрических разрядов и фиксации на поверхности земли звуковых колебаний с помощью чувствительных приемных устройств. Для создания мощных разрядов в месте повреждения электрическая энергия предварительно накапливается в высоковольтных конденсаторах или в емкости самого кабеля путем заряда от выпрямительной установки.

Запасенная энергия пропорциональна емкости <С>и квадрату напряжения .

При достижении напряжения пробоя эта энергия расходуется за очень короткое время (десятки микросекунд) и в месте повреждения происходит мощный удар. Звук от этого удара распространяется в окружающей среде и может быть прослушан на поверхности земли. Обычно периодичность разрядов составляет 2-3 секунды.

В зависимости от характера повреждения кабеля собирают соответствующую схему измерения.

Рисунок. Схема определения места повреждения при замыкании между жилой и заземленной оболочкой (землей): 1 – жилы кабеля; 2 – оболочка кабеля; 3 – место повреждения.

Напряжение пробоя искрового промежутка не должно превышать 70% испытательного напряжения для кабеля данного типа. Практически для силовых кабелей с рабочим напряжением до 1, 6, 10 и 35 кВ напряжение импульсов не должно превышать 8, 25, 30 и 40 кВ соответственно.

Рисунок. Схема определения места повреждения при замыкании между жилой и заземленной оболочкой (землей) при использовании в качестве зарядной емкости жил кабеля: 1 – жилы кабеля; 2 – оболочка кабеля; 3 – место повреждения.

При повреждениях с заплывающим пробоем и обрывах жил напряжение на кабель подается непосредственно от выпрямительной установки, при этом напряжение пробоя в месте повреждения может быть доведено до испытательного.

Рисунок. Схема определения места повреждения при заплывающем пробое: 1 – жилы кабеля; 2 – оболочка кабеля; 3 – место повреждения.

Рисунок. Схема определения места повреждения при обрыве жил кабеля: 1 – жилы кабеля; 2 – оболочка кабеля; 3 – место повреждения.

Практически возникновение устойчивого искрового разряда в месте повреждения обеспечивается при значении переходного сопротивления 40 Ом и более. При меньших значениях переходного сопротивления и металлических замыканиях на оболочку акустический метод не может быть применен. В этих случаях проводящий мостик в месте повреждения разрушают пропусканием больших разрядных токов.

В настоящее время для создания в месте повреждения кабеля искровых разрядов применяют генераторы акустических ударных волн. Генератор имеет конденсаторы, которые заряжаются и затем разряжаются в дефектный кабель через рабочий искровой промежуток.

Рисунок. Генератор акустических ударных волн

Место повреждения кабеля определяется по максимальной слышимости звука разрядов. Обычно зона слышимости на поверхности земли колеблется от 2 до 15 метров в зависимости от свойств грунта. Наибольшую зону слышимости обеспечивают плотные и однородные грунты, наименьшую зону – рыхлые грунты, шлак, строительный мусор.

В случае, если зона повреждения располагается на расстоянии 10-50 м от оживленной автострады, то поиск повреждения рекомендуется проводить в ночное время, т. к. шум машин не позволит выделить акустический сигнал.

Ниже на видео демонстрируются акустические разряды в кабелях.

Применение акустического метода наиболее целесообразно для кабелей проложенных в земле и под водой. При прокладке хотя бы части кабельной трассы в кабельных каналах и коллекторах не рекомендуется использовать акустический метод из-за опасности возникновения пожара. Последнее обусловлено тем, что протекающие в момент разряда большие импульсные токи вызывают в местах соприкосновения с заземленными конструкциями и с другими кабелями искрение, что может привести к загоранию краски, покрытия кабеля и т.д.

1. Приемник для поиска повреждений в силовых кабелей ПОИСК 2006м. Руководство по эксплуатации. [Скачать/Просмотреть]
2. Приемник для поиска повреждений в силовых кабелей П-806. Руководство по эксплуатации. [Скачать/Просмотреть]
3. Генератор акустических ударных волн ГАУВ-6-05-1. Паспорт. [Скачать/Просмотреть]

Как правило, соединения потребителей с источниками электроэнергии (трансформаторными и распределительными подстанциями) осуществляется при помощи кабельных линий (КЛ). Это связано с тем, что у данного способа есть масса преимуществ перед воздушными линиями (ВЛ). Но, если случилась авария на КЛ, то поиск места повреждения кабеля без специальных приборов, практически невозможен. Сегодня мы рассмотрим несколько способов, позволяющих локализовать аварийный участок кабельной трассы, проложенной в земле.

Причины и виды повреждений кабельных линий

Существует много факторов, негативно влияющих на целостность силовых кабелей, к наиболее распространенным из них можно отнести следующие:

• Подвижка грунта, может быть вызвана аварией водопроводных, канализационных или тепловых сетей, а также сезонными явлениями, например, весенним оттаиванием.
• Превышение допустимых норм эксплуатации КЛ, что может привести к термической перегрузки линии, вызванной увеличением токовой нагрузки.
• Образование в КЛ высокого уровня электрического тока от транзитного КЗ.
• Механическое повреждение при земляных работах без учета прохождения подземных коммуникаций и глубины трассы.
• Ошибки при прокладке КЛ. В качестве примера можно привести нарушения технологии соединения жил кабельными муфтами.
• Заводской брак.

Заметим, что при открытой прокладке кабельных трасс некоторые перечисленные выше причины повреждений встречаются крайне редко. В частности, снижается вероятность влияния подвижки грунта и механические воздействия вследствие земляных работ. Помимо этого зоны повреждения открытых КЛ, в большинстве случаев, можно обнаружить при визуальном осмотре, без задействования спецметодов.

Разобравшись с причинами, перейдем к видам повреждений, поскольку от этого напрямую зависит, каким методом будет локализирован аварийный участок КЛ.

Чаще всего ремонтным бригадам приходится сталкиваться со следующими видами неисправностей:

• Дефект, вызванный полным или частичным обрывом КЛ. Чаще всего причиной аварии является проведение земляных работ без определения прохождения кабельных трасс. Несколько реже причиной данного повреждения может стать КЗ в соединительных муфтах.
• В силовых кабелях (более 1кВ), часто встречается пробой одной из жил на землю (однофазное замыкание). Ток утечки, как правило, это вызвано снижением качества изоляции в процессе эксплуатации КЛ.
• Межфазные повреждения, а также виды металлических замыканий, могут возникнуть в любых линиях, причина повреждений такая же, как и в предыдущем пункте.
• Плановое испытание кабеля, при котором задействуется высокий уровень напряжения, показывают низкую надежность изоляции, и приводит к возникновению пробоя. При определенных обстоятельствах такая линия может продолжать эксплуатироваться, но из-за низкого уровня ее надежности, авария может проявиться в любое время.

Кратко о ремонте кабельной линии

Ремонтные работы на кабельных линиях принято классифицировать на плановые и аварийные. Что касается объема таких работ, то у первых он, как правило, капитальный, у вторых – текущий.

При капитальных работах производится плановая замена КЛ, прокладка новых трасс и т.д. При необходимости также выполняется ремонт и/или модернизация сопутствующего оборудования. К последним относятся вентиляционные системы и освещение кабельных туннелей, а также насосы для откачки грунтовых вод. Учитывая специфику плановых работ, при их проведении не требуется локализация дефектных участков.

Совсем иначе обстоит дело при аварийном ремонте. Чтобы не раскапывать всю трассу, следует точно определить место обрыва провода, пробоя изоляции и т.д. Для этой цели применяются различные способы, для которых задействуется спецоборудование. Подробно об этом будет рассказано ниже.

Методики определения повреждения кабеля в земле

Как правило, дефектоскопия кабеля осуществляется в два этапа:

1. Устанавливаются границы зоны, в пределах которой находится аварийный участок.
2. Производится поиск точного места повреждения в определенной зоне.

Соответственно на первом этапе применяются относительные способы, а на втором широко используются технологии с повышенной точностью поиска повреждений. Перечислим основные методики дефектоскопии и особенности их применения.

Индукционный метод

Эта технология позволяет определить локацию, где произошел пробой изоляционного слоя токопроводящих элементов кабеля. Для этого при помощи специального генератора в КЛ подается переменный ток с силой до 20,0 ампер и частотой от 800,0 до 1200,0 герц. В результате, вокруг КЛ формируется электромагнитное поле определенной интенсивности. Если поместить в него антенную рамку подключенную к наушникам через усилитель, то можно услышать звук определенной частоты над неповрежденными токопроводящими элементами.

По характеру звукового сигнала можно определить не локацию дефекта, позиции муфт для соединения, топографию трассы (трассировку), включая наличие защитных труб. Ниже представлен рисунок, где показан уровень изменения сигнала над различными участками КЛ.

Поиск повреждений кабеля индукционным методом

Обозначения:

1. Задающий генератор.
2. Расположение соединительных элементов.
3. Защита кабеля.
4. Дефектное место.

Импульсный метод

Как уже упоминалось выше, данный способ относится к относительным, то есть, позволяющим установить дефектную зону повреждения (как правило, межфазное КЗ). Принцип работы заключается в подаче специальным прибором эталонного высоковольтного импульса в КЛ и последующим определением удаленности аварийного участка по отраженному сигналу импульсных токов.

Экран прибора ИКЛ с отображением отраженного импульса в случае замыкания (а) и обрыва (b) кабеля

В приведенном на рисунке примере расстояние до дефектного участка определяется следующим образом:

t_x – интервал времени между посланным и отраженным электрическим сигналом, измеряется в микросекундах. Как видно из рисунка, он равен 3,5 мкс. Учитывая, что скорость распространения импульса (v) примерно равна 160,0 м/мкс, то для решения необходимо применить следующую формулу: l_x = ( t_x*v ) / 2, где l_x – расстояние от генератора импульсов до поврежденного участка кабеля. В результате мы получим ( 3.5 * 160 ) / 2, то есть, 280,0 метров.

Обратим внимание, что в некоторых приборах по форме отраженного сигнала можно судить о характере дефекта.

Акустический метод

Технология основана на формировании в дефектном участке искровых разрядов, сопровождающимися звуковыми импульсами. Зафиксировать их можно используя обычный стетоскоп, прикладывая акустическую головку к земле, либо применяя специальный акустический приемник. Над дефектным участком разряды звуковых частот будут максимально громкими.

Различные схемы, применяемые при акустическом методе поиска повреждений кабеля

Обозначения:

1. Поиск устойчивого короткого замыкания между токоведущей жилой и оболочкой кабеля.
2. Схема для поиска заплывающих пробоев.
3. Применение работоспособных токопроводящих элементов (задействована емкость жил).
4. Схема для поиска обрыва.

Видео по теме:

Емкостной метод

Технология данного метода позволяет проводить поиск повреждения, в частности обрыва токоведущих элементов кабеля, путем измерения емкости жил. Как известно данный параметр напрямую зависит от длины кабеля. С упрощенной схемой высоковольтных колебаний для такого устройства можно ознакомиться ниже.

Мост переменного тока, используемый в емкостном методе обнаружения повреждения кабеля

Обозначения:

• R₁, R₂, R₃ – регулируемые резисторы.
• C_э – эталонный высоковольтный конденсатор.
• L – расстояние до места обрыва.
• L_к – общая длина КЛ.
• 1 – токоведущие элементы кабеля.
• 2 – защитная оболочка.
• 3 – место обрыва.

Подбирая сопротивление переменных резисторов, добиваются минимального отклонения стрелки прибора Г, что указывает на равновесие между плечами моста, что говорит о следующем соотношении R₁ / R₂ = С_x / С_э , это позволяет установить емкость поврежденной жилы С_x = С_э* (R₁ / R₂) .

Подобным способом производим определение емкости на другом конце КЛ, то есть, подключаем к нему генератор и повторяем измерения. В результате, вычисляем расстояние до поврежденной зоны: L = L_k * С₁ / ( C₁ + C₂ ), где С₁ и С₂ – емкости поврежденных токоведущих элементов кабеля, измеренные в начале и конце КЛ.

Метод колебательного разряда

Данный способ позволяет более эффективно определить расстояние до дефекта кабеля, известного, как заплывающий пробой. Для этой цели в поврежденную линию подаются импульсные колебательные разряды, после чего на экран спецприбора (например, ЭМКС58) выводятся данные о расстоянии до дефектного места.

Экран прибора РЕЙС-305 с указанием расстояния до поврежденного участка кабеля

Принципа работы данного метода во многом напоминает импульсный способ дефектоскопии.

Метод петли

Данный способ хорошо работает в тех случаях, когда в месте нарушения изоляции нет обрыва токоведущих элементов кабеля, а переходное сопротивление в месте дефекта не более 5,0 кОм. При несоответствии последнего условия может быть выполнен прожиг кабеля (прожигание изоляции для уменьшения переходного сопротивления). Упрощенный пример электрической схемы для метода петли показан ниже.

Устройство для поиска повреждения кабеля методом петли

Обозначения:

• Г – гальванометр.
• R1 и R2 – переменные резисторы, измерение сопротивления которых осуществляется после уравновешивания моста.
• L_k – длина КЛ.
• L – расстояние до дефектного участка.
• 1 – токопроводящие элементы кабеля.
• 2 – перемычка между целой и дефектной жилой.

После уравновешивания моста, расстояние до обрыва вычисляется по формуле: .

Метод накладной рамки

Данный вариант поиска повреждения в КЛ можно рассматривать в качестве одной из разновидностей индукционного способа, когда необходимо найти пробой между токоведущим элементом кабеля и его металлической оболочкой (броней). Данная технология рассчитана на поиск дефектных мест при открытой прокладке кабельных трасс, но ее можно успешно использовать и КЛ уложенных в грунт. В последнем случае требуется выкопать шурфы в зоне локализации дефекта.

Локализация повреждения кабеля методом накладной рамки

Обозначения:

1. Накладные рамки.
2. Место пробоя изоляции.

Поиск обрыва кабеля в бетонной стене и под гипсокартоном с помощью трассоискателя