Отыскание места повреждения кабельной линии, особенно скрытой под землёй, может оказаться достаточно требовательной и трудновыполнимой задачей. Ранее мы уже рассматривали методы предварительной и точной локализации легко обнаруживаемых дефектов, которые реализуются низковольтными приборами. Но часто данных приборов может быть недостаточно, что в первую очередь связано с электрическим сопротивлением дефекта. Рабочее напряжение кабельных линий намного выше того, что используют рефлектометры и поисковые комплекты с индукционными и потенциальными методами определения места повреждения кабельных линий и различные дефекты изоляции могут проявляться только при величинах близких к рабочему напряжению линии или превышающих его.
Для переносных маломощных приборов такие дефекты практически невидимы, а значит, что для их обнаружения необходимо создать условия возникновения дефекта или преобразовать дефект до достаточно низкого электрического сопротивления, при котором его можно будет легко локализовать низковольтными методами.
Все повреждения кабельных линий можно классифицировать местом и степенью повреждения изоляции. Основными приборами для предварительного определения типа повреждения являются омметры, мегаомметры и высоковольтные испытательные установки. Место повреждение можно разделить на однофазные замыкания (повреждение между жилой и экранирующей оболочкой), междуфазные замыкания (повреждение между жилами фаз) и повреждения внешней изолирующей оболочки кабеля. Степень повреждения определяется по электрическому сопротивлению изоляции в месте повреждения и её можно разделить на короткие замыкания (сопротивление близко к нулю), замыкания через поврежденную изоляцию (сопротивление может составлять от единиц Ом, до сотен кОм) и заплывающий пробой изоляции (сопротивление составляет десятки и сотни МОм). В зависимости от типа аварии, которая произошла на линии, ток в месте дефекта мог в разной степени сжечь изоляцию, вплоть до сваривания жил между собой и оболочкой, образуя короткое замыкание или даже полное перегорание кабеля с разрывом его на 2 части – повреждения, легко локализуемые низковольтными методами. Однако, во многих случаях защита линии отрабатывает быстрее и изоляция лишь частично нарушается, в таком случае в место дефекта попадают частицы металла от ионизированной дуги и сопротивление изоляции значительно снижается или вовсе происходит единичный короткий пробой, который сразу же затягивается горячей изоляцией, оставляя слабый незаметный дефект, который будет проявлять себя только при достаточном напряжении для повторного пробоя. Такие высокоомные повреждения уже не только невозможно локализовать низковольтными методами, но и часто нельзя предварительно определить их характер мегаомметром, в силу недостаточного измерительного напряжения для проявления дефекта.
Для решения проблемы определения места повреждения кабельных линий с высокоомными дефектами были разработаны различные высоковольтные методики:
· Испытание изоляции повышенным напряжением для определения между какими проводящими элементами кабеля случается пробой изоляции и, соответственно, находится дефект;
· Импульсно-дуговой метод, метод колебательного разряда и волновой метод определения расстояния до места повреждения с помощью рефлектометра, согласованного с высоковольтным импульсным генератором;
· Петлевой метод определения расстояния до места повреждения внешней пластмассовой оболочки кабеля;
· Точная локализация акустическим методом с использованием высоковольтного импульсного генератора и чувствительного приёмника акустических волн;
· Прожигание дефектной изоляции до короткого замыкания или значений сопротивления удобных для использования акустического метода.
С первой методикой определения типа повреждения всё достаточно очевидно – с помощью поднятия напряжения между металлическими элементами кабеля до образования пробоя можно выяснить является ли повреждение однофазным, междуфазным и какие фазы задействованы при возникновении пробоя. Остальные методики обладают рядом сложностей и нюансов, которые мы рассмотрим подробнее в данной статье.
Основным устройством при использовании импульсно-дугового метода, метода колебательного разряда и волнового метода является рефлектометр, принцип и особенности работы которого уже были описаны в статье про импульсную рефлектометрию. Импульсно-дуговой метод почти полностью аналогичен импульсному за исключением использования зондирующего импульса достаточно высокого напряжения, который испускается мощным генератором высоковольтных импульсов для образования электрической дуги в месте повреждения. В современных приборах данный метод реализуется двумя способами: зарядом высоковольтного конденсатора внутри генератора с разрядом накопленной конденсатором энергии в линию и одновременной подаче сигнала рефлектометру через согласующее устройство, как в составе генератора, так и в виде внешнего устройства, или зарядом ёмкости кабеля напрямую до пробоя изоляции с затягиванием дуги на короткое время, достаточное для отражения зондирующего импульса рефлектометра от неё (что распознаётся рефлектометром, как короткое замыкание в месте повреждения). Данный метод реализуем, когда сопротивление дефекта составляет значение до сотен кОм, т.е. имеется достаточно высокая утечка тока через место дефекта для образования дуги или изоляция настолько повреждена, что есть искровой промежуток между токопроводящими частями, который выступает в качестве разрядника напряжения. Часто для данного метода используется те же высоковольтные импульсные генераторы, что и для акустического метода и данные генераторы могут быть рассчитаны на различные классы напряжений линий и даже быть конструктивно объединенными с высоковольтными испытательными установками и установками прожига изоляции. Уровень запасённой энергии конденсатора может доходить до 4000 Джоулей при напряжении свыше 30 кВ, из-за чего вес таких установок превышает 100 кг. Для линий до 10 кВ есть портативные варианты с энергией заряда конденсатора 200 Джоулей, напряжением 10 кВ и весом порядка 20 кг, как например модель ADG-200-2, которая отлично дополняет рефлектометр РИ-407.
Метод колебательного разряда применим в случае повреждения с сопротивлением порядка десятков и сотен МОм, которое чаще всего проявляется в виде заплывающего пробоя изоляции. Принцип метода основан на заряде повреждённой жилы до напряжения пробоя, который вызывает электромагнитную волну, распространяющуюся по кабелю в обе стороны от места повреждения. Рефлектометр с соединительным устройством в данном случае будет иметь намеренно рассогласованное волновое сопротивление входа, чтобы обеспечить многократное переотражение волны, которое, в силу ионизации канала пробоя, способно повторять пробой, сталкиваясь с местом повреждения, несмотря на пониженное затуханием линии напряжение волны. Приходящая на вход электромагнитная волна осциллографируется и по анализу данной осциллограммы возможно определить моменты времени, когда посланный пробоем импульс впервые приходит на вход измерителя и когда приходит его повторное отражение, зная скорость распространения электромагнитной волны в кабеле, возможно вычислить расстояние до места заплывающего пробоя. Следует учесть, что волна импульса будет искажаться и отражаться, встречая прочие неоднородности линии по пути от места повреждения ко входу и обратно, что затрудняет анализ осциллограммы, а в некоторых случаях делает её вовсе нечитаемой. Анализ также затруднён тем, что повторное зажигание дуги в месте пробоя не гарантировано отражённой волной, а значит отражённая от этой неоднородности волна может не настолько явно поменять полярность, что сделает момент её возвращения ко входу измерителя практически невидимым. В современных рефлектометрах этот метод также называют методом бегущей волны напряжения или методом колебательного разряда по напряжению, а современные цифровые методы пуска осциллографирования позволяют также использовать разряд конденсатора установки высоковольтных импульсов в качестве средства для подачи волны напряжения в кабель, используя этот же конденсатор в качестве способа для отражения волны обратно в линию. Удобство метода заключается не только в работе со сложными высокоомными повреждениями, но и в очень высокой энергии волны, образованной пробоем изоляции, которая, в отличие от импульсно-дугового метода может быть зафиксирована, пройдя однократное расстояние до места повреждения, а не двойное, что позволяет обнаруживать повреждение на большей дистанции, а в идеальном случае, приход второго отражения от места повреждения, прошедшего тройную дистанцию будет с явно различимой сменой полярности, даже при значительном затухании и искажении фронта волны. Осциллограмма на входе измерителя будет иметь следующий вид:
Рисунок 1. Напряжение колебательного процесса при пробое. Сверху: напряжение на конце линии. Снизу: дифференцированное входными цепями измерителя напряжение
Где:
t0 – время пробоя изоляции кабеля
t1 – время прихода электромагнитной волны к измерителю
tп1 и tп2 – время прихода отраженной волны от прочих неоднородностей линии
t2 – время прихода отраженной волны к месту пробоя
t3 – время прихода повторно отраженной волны от места пробоя
Из примера видно, что отражения от неоднородностей кабеля будут повторятся в тех же местах, но со сменой полярности и большим искажением фронта волны за счёт затухания, так что любые легко отличимые точки осциллограммы, указывающие на идентичное место кабеля, могут быть использованы для измерения расстояния до дефекта.
Волновой метод во многом идентичен методу колебательного разряда, отчего их часто объединяют в один метод в современных рефлектометрах. Разница заключается в применении к сопротивлению дефекта от нуля до сотен кОм и использовании конденсатора установки высоковольтных импульсов или близкого к короткому замыканию волнового сопротивления входа измерительной схемы для образования колебательного процесса. В таком случае полярность принятого сигнала волны не будет меняться, пробой в месте повреждения получить гораздо легче, в связи с чем многократные отражения от дуги наблюдаются более явно, а при коротком замыкании в месте повреждения образование дуги вообще не обязательно. Практическая разница заключается в том, что от момента разряда конденсатора в линию до момента регистрации первого отражения от места повреждения пройдёт немного больше времени, чем между последующими отражения, что связано с задержкой пробоя в месте повреждения из-за первичной ионизации канала дуги, зависящего от сопротивления, влажности, величины искрового промежутка и параметров самой волны импульса. Поэтому измерение расстояния до места повреждения следует проводить межу соседними последующими отражениями от места повреждения, а не от начала рефлектограммы. Также этот метод называют волновым методом импульсного тока, методом бегущей волны тока или методом колебательного разряда по току.
Петлевой метод применяется для определения расстояния до места повреждения внешней пластмассовой оболочки кабеля. Принцип работы метода заключается в сравнении падения напряжения на двух цепях или петлях тока, проходящих через путь утечки тока сквозь оболочку в месте повреждения. Первое напряжение соответствует расстоянию от ближнего конца кабеля до места повреждения, а второе включает в себя исправную жилу, закороченную с экраном кабеля с дальнего конца, чтобы измерить таким образом падение напряжения, соответствующее расстоянию от дальнего конца кабеля до повреждения. Из отношения этих напряжений возможно вычислить долю от общей длины кабеля, указывающую на место повреждения. Логично предположить, что данный метод требует стабильный источник тока, чтобы в сравнении напряжений был смысл, а также отсутствия других путей утечки на землю, например, заземлённых кабельных муфт и вводов. В современных приборах, например ПКО-10, для расчёта дистанции используется сопротивление цепи тока до места утечки и после места утечки, включая сопротивление исправной жилы, что удобней на практике, так как не требует идентичных значений измерительного сигнала для двух схем измерения, чтобы рассчитать сопротивления. Схема подключения приборов петлевого метода выглядит следующим образом:
Рисунок 2. Схема подключения при использовании петлевого метода
Где:
1. Генератор постоянного тока
2. Вольтметр
3. Броня кабеля
4. Пластмассовая оболочка кабеля
5. Место повреждения
6. Переключатель
В положении I переключателя ток протекает по цепи: экранирующая броня кабеля (длина Lx), сопротивление в месте повреждения и заземлённый вывод генератора. В положении II переключателя ток протекает по цепи: исправная жила кабеля, экранирующая броня кабеля (L - Lx), сопротивление в месте повреждения, заземлённый вывод генератора, таким образом расстояние до места повреждения определяется как:
Акустический метод позволяет точно определить место повреждения по характерному звуку искрового разряда в месте повреждения, используя специальные приёмники с чувствительным направленным микрофоном. Звук разряда может быть усилен приёмником и прослушиваться с помощью наушников, а также его громкость может быть отражена на дисплее приёмника, позволяя ориентироваться по этим показаниям вместо слуха. Данный метод достаточно универсален, так как за счёт использования различных схем подключения высоковольтного генератора, создать искровой разряд возможно во множестве типов повреждений с большим диапазоном электрического сопротивления в месте повреждения. На практике чаще всего акустический метод используется в следующих случаях:
· Заплывающий пробой изоляции. Чаще всего возникает в некачественно установленных или повреждённых климатическими факторами кабельных муфтах и проявляет себя во время профилактических испытаний. В этом случае сопротивление в месте повреждения достаточно высокое и может составлять десятки МОм, отчего генераторы высоковольтных импульсов с периодически разряжаемым зарядом конденсатора в линию могут не иметь достаточного напряжения для воспроизведения пробоя, а в силу конструкции муфты также и прожигание дефектной изоляции может не дать должного снижения напряжения пробоя для уверенного формирования искровых разрядов генератором. В таких случаях используются аппараты испытания диэлектриков, которые являются установками для испытания изоляции повышенным выпрямленным напряжением, это могут быть как отдельные установки с возможностью длительной подачи высокого напряжения без отключения установки в момент разряда, так и комбинированные вместе с устройством прожига и/или акустики. В момент пробоя изоляции испытательное напряжение резко падает и поднимается снова до повторного пробоя, вызывая периодические искровые разряды, которые можно использовать для выявления расстояния до повреждения ранее описанными методами и для точной локализации акустическим методом.
· При достаточном повреждении изоляции в месте дефекта с сопротивлением сниженным до десятков кОм и ниже уже можно использовать генераторы высоковольтных импульсов, например ГИ-32/2000, которые также называют генераторами ударных импульсов, генераторами дуговых разрядов или просто «акустикой». Данные генераторы с заданной периодичностью заряжают высоковольтный конденсатор в своём составе и разряжают его в кабельную линию, образуя искровой разряд в месте повреждения, который легко обнаруживается акустическим приёмником. Необходимым условием для образования искрового разряда является наличие искрового промежутка в месте повреждения, достаточно короткого для образования дуги при напряжении заряда конденсатора установки. Поэтому данный метод не применим для коротких замыканий, хотя в некоторых случаях энергия волны импульса может разбить металлический контакт между токопроводящими частями кабеля, обеспечив требуемый искровой промежуток. Исходя из принципа наличия искрового промежутка, также бывает возможно использовать акустический метод для поиска обрыва кабеля, вызванного смещением слоёв грунта.
В современных акустических приёмниках иногда реализуют акустический метод, совмещённый с индукционным, как например в приёмнике ПА-1000К. Такой совмещённый метод анализирует задержку прихода сигналов электромагнитной волны, вызванной искровым разрядом и акустической волны в грунте, одновременно используя акустический и магнитный датчики. Что позволяет не только точнее локализовать место повреждения по минимуму задержки, но и рассчитать приблизительное расстояние до места повреждения, принимая в расчёт типичную скорость распространения акустической волны в грунте.
Когда сопротивление в месте повреждения слишком высокое для успешного и эффективного использования методов определения места повреждения кабельной линии, целесообразно обратиться к разрушающим методам и преобразовать сложное повреждение в легко локализуемое. Так как кабель всё равно нуждается в ремонте, а простой линии дорого стоит и требует оперативного вмешательства, для быстрого решения проблемы можно создать устойчивые аварийные условия, которые приведут к дальнейшему разрушению изоляции кабельной линии в месте дефекта. Такой метод называют прожигом и для его реализации используются специальные прожигающие устройства. Прожиг является многоступенчатым процессом, по мере которого сопротивление в месте повреждения может быть снижено от десятков МОм до короткого замыкания, что требует от установки большой гибкости в распределении мощности между высоким напряжением и высокой силой тока. Конструктивно это реализуется в виде переключаемых ступеней рабочих режимов установки, которые могут осуществляться вручную или контролироваться встроенным программным обеспечением. Чаще всего прожиг применяется при очень высоких сопротивлениях в месте дефекта, как например, заплывающий пробой в кабельной муфте. Мы уже рассматривали данный пример с акустическим методом и упоминалось, что в этом случае не всегда выходит добиться снижения сопротивления в месте дефекта многократными пробоями. Это происходит по причине быстрого гашения дуги скачком давления газов в полостях, где образуется разряд и заплыванием дефекта разогретой изоляционной массой. Как раз таким образом работают первые ступени прожигающей установки, напряжение доходит до уровня пробоя, вызывая разряд, который резко снижает напряжение установки. В некоторых случаях, например, когда изоляция хорошо пропитана маслом, такие пробои могут повторятся до 10 минут и дольше, без снижения сопротивления изоляции. При снижении сопротивления изоляции частота пробоев начинает быстро возрастать, позволяя переключить ступень на более высокую силу тока, которая сможет поддерживать горение дуги. В процессе быстрых искровых разрядов в дефектной изоляции будет происходить её осушение и обугливание и тогда разряды сменятся стабильным протеканием тока через путь утечки изоляции. Постепенно переключая ступени, повышая силу протекающего тока, его величина доводится до уровня, достаточного для расплавления частиц металла и усиленной ионизации канала горения дуги. Расплавленные частицы попадают в изоляцию и могут образовать металлический «мостик» между токоведущими частями, который можно попробовать разбить высоковольтным импульсом генератора или очень высоким переменным током последней ступени прожига. Тогда сопротивление снижается уже достаточно для использования акустического метода. Если по какой-то причине повреждение не удаётся локализовать акустическим методом, например, кабель находится слишком глубоко под землёй, то дальнейший прожиг с увеличением силы тока дуги приведёт к свариванию жил между собой, что позволит перевести повреждение в междуфазное, вплоть до полного трёхфазного замыкания, которое уже легко обнаруживается индукционным методом поиска. Обычно прожигание дефекта изоляции кабеля происходит успешно, но тут также бывают исключения, когда, например, место повреждения затоплено водой, тогда большая доля энергии тока будет расходоваться на нагрев и кипячение воды, и снизить сопротивление в месте дефекта не удаётся часами.
Каждый отдельный метод предварительной или точной локализации места повреждения применим в одних случаях и не применим в других. Учитывая множество типов потенциальных повреждений линии и различные нюансы повреждений, редко удаётся отыскать место повреждения каким-то одним прибором. Даже использование целого комплекса приборов требует опыта и понимания происходящих процессов для верной интерпретации показаний и принятия решений об использовании различных методов и схем подключений. ТОО «ЭЛЕКТРОНПРИБОР KZ» является официальным дилером множества производителей, и мы рады помочь вам в выборе качественного оборудования для решения задач определения мест повреждения кабельных линий. По вопросам приобретения и консультации можно обратиться к менеджерам по контактам на сайте.
