Емкостной метод определения места повреждения кабельной линии

Емкостный метод

Емкостный метод применяется для определения места повреждения при обрывах жил кабеля.

В практике применения емкостного метода встречаются следующие три принципиальных случая:

Обрыв одной жилы кабеля (рисунок а). В этом случае замеряют емкость оборванной жилы С1 с одного конца. А затем емкость этой же жилы с другого конца С2.

Длину кабельной линии делят пропорционально полученным емкостям, определяя расстояние до места повреждения по следующей формуле:

Lx = ((LC) / (C1+ C2)), м

Если один конец оборванной жилы кабеля имеет глухое заземление согласно (рисунок б), то измеряют емкость другого, незаземленного конца оборванной жилы С1 и емкость целой жилы С. В этом случае расстояние до места повреждения определяется по формуле:

Если характер повреждения имеет вид, приведенный на рисунке в, то расстояние до места повреждения определяется по формуле:

Lx = (C1(1000)) / C0, м,

где: С0 – удельная емкость одной жилы для данных напряжения и сечения кабеля при заземлении двух других жил; применяется по заводским или паспортным данным.

При измерении жилы должны заземляться, за исключением той, ёмкость которой измеряется.

При уточнении места повреждения, определяемого емкостным методом, следует учитывать, что обрыв жил кабеля происходит в большинстве случаев в муфтах. Измерение емкости можно производить как на постоянном, так и на переменном токе.

Наибольшее применение имеют мосты переменного тока с питанием от лампового генератора 1000 Гц, 10-20 ВА с измерителем в виде телефона.

Мосты постоянного тока для измерения емкости применяются лишь при чистом обрыве жил кабеля.

Мосты переменного тока применяются и для случаев, когда переходное сопротивление составляет 5000 Ом и выше.

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

Существующие методы определения места повреждения силовых кабельных линий целесообразно разделить на две группы: относительные (косвенные) методы, позволяющие определить расстояние от места измерения до места повреждения (все измерения выполняются либо в начале, либо в конце кабельной линии), и абсолютные (прямые) методы, позволяющие указать место повреждения непосредственно на трассе (географически). Даже при высокой точности относительного метода не удается определить место для раскопок на трассе, т.е. требуется проверка абсолютным методом.

В соответствии с изложенным для определения места повреждения необходимо применение не менее двух методов: относительного и абсолютного.

Относительный метод обеспечивает быстроту ориентировочного определения места повреждения, куда должен отправиться измеритель, и уже абсолютным методом уточнить место для раскопок.

В настоящее время получили наибольшее распространение следующие методы определения повреждений в силовых кабелях:

О т н о с и т е л ь н ы е или к о с в е н ы е: петлевой, импульсный, колебательного разряда, емкостной;

А б с л ю т н ы е или п р я м ы е: индукционный, акустический.

3.13. Петлевой (метод петли Муррея)- метод основан на принципе моста постоянного тока (рис3.5.)

Рис 3.5. Схема петлевого метода.

Четыре сопротивления R1, R2, Rο * (L+L-Lx) и Rο * Lx образуют замкнутый четырёхугольник. ( Rο — удельное сопротивление жилы). Сопротивления R1 и R2 подбираются на измерительном мосте, добиваясь его равновесия. Rο * Lx — это сопротивление жилы от измерительного конца кабеля до места повреждения, а Rο * (L+L-Lx)– сопротивление от места повреждения до другого конца жилы плюс сопротивление исправной жилы.

Условие равновесия моста: R1 / Rο * Lx = R2 / Rο * (L+L-Lx),

искомое расстояние: Lx = 2*L*R1/(R1+ R2).

Петлевой метод используется также для определении места повреждения защитной пластмассовой изоляции (шланга), наложенной поверх металлической оболочки кабеля. Точность петлевого метода невелика, ошибка может достигать 10 = 15%.

3.14. Импульсный (локационный) метод. Он базируется на распространении импульсных сигналов в двух- и многопроводных линиях и кабелях. Приборы, реализующие указанный метод, называются импульсными рефлектометрами.

Сущность метода импульсной рефлектометрии заключается в выполнении следующих операций: а. Зондирование кабеля (двухпроводной линии) импульсами напряжения. б. Прием импульсов, отраженных от места повреждения и неоднородностей волнового сопротивления. в. Выделение отражений от места повреждений на фоне помех (случайных и отражений от неоднородностей линий). г. Определение расстояния до повреждения по временной задержке отраженного импульса относительно зондирующего.

На графическом индикаторе рефлектометра воспроизводится рефлектограмма линии — реакция линии на зондирующий импульс. Образование рефлектограммы линии легко проследить по диаграмме, приведенной на рисунке 3.6. Здесь осью ординат является ось расстояния, а осью абсцисс — ось времени.

Рис.3.6 Процесс получения рефлектограммы.

В левой части рисунка 3.6 показана кабельная линия с муфтой и коротким замыканием, а в нижней части — рефлектограмма этой кабельной линии.

Анализируя рефлектограмму линии, оператор получает информацию о наличии или отсутствии в ней повреждений и неоднородностей. Например, по приведенной выше рефлектограмме можно сделать несколько выводов.

1. На рефлектограмме кроме зондирующего импульса есть только два отражения: отражение от муфты и отражение от короткого замыкания. Это свидетельствует о хорошей однородности линии от начала до муфты и от муфты до короткого замыкания.

2. Выходное сопротивление рефлектометра согласовано с волновым сопротивлением линии, так как переотраженные сигналы, которые при плохом согласования располагаются на двойном расстоянии, отсутствуют.

3. Повреждение имеет вид короткого замыкания, так как отраженный от него сигнал изменил полярность.

4. Короткое замыкание полное, так как после отражения от него других отражений нет.

5. Линия имеет большое затухание, так как амплитуда отражения от короткого замыкания много меньше, чем амплитуда зондирующего сигнала.

Расстояние до точки, где имеет место отражение, определяется по формуле:

где V≈ 160 м/мкс — скорость распространения электрического импульса в линии.

t_x – время пробега импульса до точки отражения и обратно.

Крайними случаями неоднородности являются:

— обрыв, характеризующийся возрастанием сопротивления до бесконечности, полярность отраженного импульса совпадает с полярностью зондирующего;

— короткое замыкание (сопротивления падает до нуля), полярность отраженного импульса противоположна полярности зондирующего;

3.15. Метод колебательного разряда применяется при «заплывающих пробоях» и если переходное сопротивление не снижается в процессе прожига. От выпрямительной установки заряжают поврежденную жилу кабеля до напряжения пробоя в дефектном месте. Разряд будет иметь характер затухающих колебаний. Период колебаний Т при этом равен:

где t – полупериод колебаний; V – скорость распространения электромагнитных волн в кабеле (160 м/мкс); L – расстояние до места пробоя.

3.16. Емкостный метод. Он основан на измерении ёмкости жил кабеля по отношению к земле либо на постоянном, либо на переменном токе. Применяется преимущественно при обрывах жил (рис.3.7).

Рис.3.7. Схема измерения емкости жилы кабеля.

Rx — переходное сопротивление, Сх — емкость поврежденной жилы, Т — телефон.

Мост уравновешивается с помощью регулируемого сопротивления R и емкости С. Если звук в телефоне Т отсутствует, значит R = Rx, С = Сх.

3.17. Акустический метод. Его сущность заключается в прослушивании звуковых колебаний над местом повреждения кабеля. Эти колебания в месте повреждения создаются искровым разрядом от генератора импульсов (рис.3.8).

Рис. 3.8. Принципиальные схемы акустического метода:

а) для заплывающих пробоев в муфтах; б) устойчивый пробой, использование накопительной емкости С; в) использование емкости кабеля. Р — шаровой разрядник.

Для определения удаленности оператора от места разряда приемник звуковых колебаний может быть дополнен приемником электромагнитных колебаний, что позволяет определить время запаздывания звука по отношению к моменту прихода электромагнитного сигнала.

3.18. Индукционный — метод основан на возникновении переменного магнитного поля вокруг проводника, по которому протекает переменный электрический ток. Поле, порождаемое единичным проводником с током можно представить в виде концентрических колец вокруг этого проводника (рис. 3.9). Измеряя это поле с помощью специальной приемной катушки-антенны можно оценить положение кабельной линии, её направление и расстояние до оператора.

Р и с.3.9. Приемная катушка в магнитном поле кабеля

Уровень сигнала, наводимого в приемной антенне, зависит от нескольких факторов, таких как расстояние до кабельной линии, взаимная ориентация антенны и кабельной линии, среды между ними, наличия поблизости сторонних металлических объектов и некоторых других.

Магнитное поле проводника с током ослабевает прямо пропорционально расстоянию, т.е. при увеличении расстояния между проводником с током и приемной антенны вдвое, поле в точке расположения антенны, а значит, и индуцируемый ею сигнал также ослабевают в два раза. На рисунке 3.10 сигнал, индуцируемый в катушке 1 вдвое слабее, чем в катушке 2.

Индуцируемый в приемной катушке сигнал прямо пропорционален числу линий магнитной индукции (концентрические окружности на рисунке 3.10), пронизывающих плоскости витков этой катушки. Первая катушка (рис. 3.10,а) выдает наибольший сигнал, так как ее сечение пронизывают линии магнитной индукции. Если развернуть катушку таким образом, чтобы ее ось была направлена на проводник (рис. 3.10,б), линии магнитной индукции будут касаться плоскостей витков, но не пересекать их и, следовательно, сигнал будет минимальным.

Р и с. 3.10. Методы: а)максимума и б)минимума.

Метод минимума. Для того чтобы воспользоваться методом минимума, выведем катушку приемника в вертикальное положение (рис. 3.10,б). В момент, когда катушка расположена прямо над коммуникацией, сигнал будет минимальным. Смещение антенны в любом направлении над землей выразится резким усилением сигнала, а дальнейшее удаление – плавным ослаблением.

Определение направления залегания коммуникации. Приведем катушку приемной антенны в горизонтальное положение (параллельно земле). Проведя предварительное обследование местности методом максимума, определим место расположения коммуникации: максимум сигнала будет наблюдаться над кабелем, если ось катушки перпендикулярна направлению кабельной линии. Таким образом, вращая катушку в горизонтальной плоскости, по максимуму сигнала мы определяем направление коммуникация. Заметим, что для использования данного метода вовсе необязательно становиться прямо над коммуникацией, а достаточно находиться возле нее.

В зависимости от вида повреждения кабельной линии должны выбираться и применяться определенные методы определения места повреждения (таблица 1). Таблица 1

Переходное сопротивление, Ом

Пробивное напряжение в месте повреждения, кВ