Виды повреждений кабельных линий, краткая характеристика методов их обнаружения

1. Виды повреждений кабельных линий, краткая характеристика методов их обнаружения

1.1 Характер повреждений в кабельных линиях

Все повреждения по характеру делятся на устойчивые и неустойчивые, простые и сложные.

К устойчивым повреждениям относятся короткие замыкания (КЗ), низкоомные утечки и обрывы. Характерной особенностью устойчивых повреждений является неизменность сопротивления в месте повреждения с течением времени и под воздействием различных дестабилизирующих факторов.

К неустойчивым повреждениям относятся утечки и продольные сопротивления с большими величинами сопротивлений, «заплывающие пробои» в силовых кабельных линиях, увлажнения места нарушения изоляции и другие. Неустойчивые повреждения могут самоустраняться, оставаться неустойчивыми или переходить при определенных условиях в устойчивые. Сопротивление в месте неустойчивого повреждения может изменяться как с течением времени, так и под воздействием различных дестабилизирующих факторов (напряжения, тока, температуры и др.)

Устойчивость повреждения может быть определена посредством измерения сопротивления изоляции и прозвонки поврежденного кабеля при отсутствии или наличии дестабилизирующих факторов. Это первая операция является обязательной для определения места повреждения как силовой кабельной линии.

1.2 Дистанционные и трассовые методы определения повреждений в кабельных линиях

Важная роль из всех операций принадлежит операции «Обнаружение зоны нахождения места повреждения» дистанционными методами.

Успешное решение операции дистанционного определения расстояния до зоны нахождения места повреждения измерением с одного конца кабеля позволяет значительно сократить трудоемкость и время точного определения места повреждения, так как зона обследования кабельной линии трассовыми методами существенно сужается. Это наиболее актуально для протяженных кабельных линий.

Наибольшей эффективности обнаружения мест повреждения кабельных линий можно добиться совместным использованием приборов дистанционного определения мест повреждения и приборов трассового поиска мест повреждения. Для этого сначала прибором дистанционного типа определяют зону нахождения места повреждения, а затем трассовым прибором в зоне нахождения места повреждения определяют трассу залегания кабельной линии и определяют точное местонахождение повреждения.

При этом возникает вопрос о возможности обнаружения и точного определения места повреждения только прибором дистанционного типа или только прибором трассового типа, например в случае отсутствия или выхода из строя одного из приборов.

Удобства применения приборов дистанционного типа, в частности основанных на методе импульсной рефлектометрии, обусловлены прежде всего возможностью проведения измерений с одного конца кабельной линии и достаточно точным определением расстояния до места повреждения, имея в виду расстояние, проходимое электрическим импульсом по линии.

Точно указать место повреждения на трассе по результатам замеров локационным прибором возможно при укладке кабеля в коробах или в метро — при наличии точной разметки трассы и по дополнительным признакам (наличию видимого обрыва, пережатию, нарушению защитного покрова или брони, следам от пробоя или выгорания участка кабеля, увлажнению и т. п.).

Приборы трассового поиска позволяют определить трассу, глубину залегания и точное местонахождение повреждения кабельной линии.

Основной недостаток трассовых методов заключается в том, что при неизвестной зоне нахождения места повреждения для точного его определения трассовым методом потребуется пройти с трассоискателем вдоль всей трассы. Это приводит к большим затратам, особенно для протяженных кабельных линий или в трудно доступных местах.

Дистанционные методы измерения мест могут быть использованы для решения различных задач:

— измерения длины кабельных или воздушных линий связи, электропередачи, контроля, управления и т. д.,

— измерения расстояния до места повреждения или неоднородности линии,

— определения типа повреждения линии (обрыв, короткое замыкание, утечка в изоляции кабельной линии, появление в жилах дополнительного продольного сопротивления, и другие),

— измерения параметров кабельной линии, таких как сопротивление изоляции, сопротивление шлейфа, емкость кабеля.

При решении задачи определения места повреждения открытой кабельной линии для точного поиска места повреждения может быть достаточно только дистанционного метода.

Наиболее распространенными дистанционными методами измерения являются импульсные методы и мостовые методы.

Импульсные методы измерения базируются на теории распространении импульсных сигналов вдоль линий.

Длительность этих импульсов значительно меньше времени прохождения их вдоль всей линии, поэтому в каждый момент времени импульс присутствует только на коротком участке линии.

Импульсные методы позволяют: измерить расстояние (электрическую длину линии) до места повреждения или неоднородности (муфты, кабельной вставки), определить вид повреждения (короткое замыкание, обрыв, утечки, перепутывание жил, и т. д.)

Мостовые методы, применяемые для измерения кабельных линий, используют постоянный ток или переменный ток частотой от нескольких герц до нескольких сотен герц.

Мостовые методы позволяют измерить сопротивление изоляции кабельной линии, сопротивление шлейфа (двух жил, закороченных на конце), емкость кабеля, расстояние до места обрыва, расстояние до места высокоомной утечки в изоляции линии.

Импульсные сигналы распространяются в линии с очень большой скоростью, которая зависит от изоляции между проводниками. Так, например, в воздушных линиях, где изолятор — воздух, скорость распространения импульсных сигналов близка к скорости света. В кабелях с резиновой изоляцией скорость распространения импульсных сигналов ориентировочно в 3 раза меньше, чем скорость света.

Если линия однородная и не содержит повреждений, то импульсный сигнал беспрепятственно распространяется от начала до конца линии. Если же на его пути встречаются неоднородности (барьеры), например нарушение изоляции между проводниками, то часть энергии этого импульса проходит через эту неоднородность, а часть отражается и начинает распространятся в обратном направлении — к началу линии.

Если же линия короткозамкнута или оборвана, то вся энергия импульса отражается и возвращается к началу линии. Измерив время задержки посланного в линию импульса и принятого из линии, можно определить расстояние до места повреждения.

В зависимости от источника формирования посланного (зондирующего) импульса импульсные методы можно разделить на следующие: локационные (методы импульсной рефлектометрии), импульсно-дуговые (методы кратковременной дуги), методы колебательного разряда и методы частичных разрядов.

2. Дистанционные методы

2.1 Использование метода импульсной рефлектометрии для определения повреждений кабельных линий

Метод импульсной рефлектометрии позволяет определить зону повреждения (в пределах погрешности измерения) и применить отдельные трассовые методы обнаружения только на небольших участках трассы, что позволяет существенно сократить время точного определения места дефекта.

Основными видами повреждений в кабельных линиях электропередачи и связи являются: короткие замыкания и обрывы, появление утечки между жилами или между жилой и экраном (броней), увеличение продольного сопротивления.

Перед проведением измерений методом импульсной рефлектометрии необходимо проверить участок кабельной линии омметром или мегоометром. Однако такая проверка может быть недостаточной. Например, после воздействия мегоометром на кабель, имеющий растрескавшуюся изоляцию с попавшей влагой, может произойти подсушивание места дефекта. При этом показания мегоометра соответствуют как бы исправному кабелю (сотни и тысячи МОм).

После выявления дефектных линий (жил, фаз) мегоомметром переходят к предварительному определению места повреждения методом импульсной рефлектометрии.

2.1.1 Сущность метода импульсной рефлектометрии

Метод импульсной рефлектометрии, называемый также методом отраженных импульсов или локационным методом, базируется на распространении импульсных сигналов в двухи многопроводных системах (линиях и кабелях) связи.

Приборы, реализующие указанный метод, называются импульсными рефлектометрами.

Сущность метода импульсной рефлектометрии заключается в выполнении следующих операций:

1. Зондировании кабеля (двухпроводной линии) импульсами напряжения.

2. Приеме импульсов, отраженных от места повреждения и неоднородностей волнового сопротивления.

3. Выделении отражений от места повреждений на фоне помех (случайных и отражений от неоднородностей линий).

4. Определении расстояния до повреждения по временной задержке отраженного импульса относительно зондирующего.

Рис 3.2.1 Упрощенная структурная схема импульсного рефлектометра С генератора импульсов зондирующие импульсы подаются в линию.

Отраженные импульсы поступают с линии в приемник, в котором производятся необходимые преобразования над ними. С выхода приемника преобразованные сигналы поступают на графический индикатор.

Все блоки импульсного рефлектометра функционируют по сигналам блока управления.

На графическом индикаторе рефлектометра воспроизводится рефлектограмма линии — реакция линии на зондирующий импульс.

Образование рефлектограммы линии легко проследить по диаграмме, приведенной на рисунке ниже. Здесь осью ординат является ось расстояния, а осью абсцисс — ось времени.

Рис 2.2 Рефлектограмма В левой части рисунка 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 отсутствии 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.

Если выходное сопротивление рефлектометра не согласовано с волновым сопротивлением линии, то в моменты времени 2•tм, 4•tм и т. д. будут наблюдаться переотраженные сигналы от муфты, убывающие по амплитуде, а в моменты времени 2•tх, 4•tх и т. д. — переотражения от места короткого замыкания.

Основную сложность и трудоемкость при методе отраженных импульсов представляет выделение отражения от места повреждения на фоне помех.

Метод импульсной рефлектометрии базируется на физическом свойстве бесконечно длинной однородной линии, согласно которому отношение между напряжением и током введенной в линию электромагнитной волны одинаково в любой точке линии. Это соотношение:

W = U/I (2.1)

имеет размерность сопротивления и называется волновым сопротивлением линии.

При использовании метода импульсной рефлектометрии в линию посылают зондирующий импульс и измеряют интервал tх — время двойного пробега этого импульса до места повреждения (неоднородности волнового сопротивления). Расстояние до места повреждения рассчитывают по выражению:

Lx = tx•V/2, (2.2)

где V — скорость распространения импульса в линии.

Отношение амплитуды отраженного импульса Uо к амплитуде зондирующего импульса Uз обозначают коэффициентом отражения Котр:

Котр = Uo/Uз = (W1 — W) / (W1 + W), (2.3)

где: W — волновое сопротивление линии до места повреждения (неоднородности),

W1 — волновое сопротивление линии в месте повреждения (неоднородности).

Отраженный сигнал появляется в тех местах линии, где волновое сопротивление отклоняется от своего среднего значения: у муфт, у мест изменения сечения жилы, у мест сжатия кабеля, у места обрыва, короткого замыкания и т. д.

Если выходное сопротивление импульсного рефлектометра отличается от волнового сопротивления измеряемой линии, то в месте подключения рефлектометра к линии возникают переотражения.

Переотражения — это отражения от входного сопротивления рефлектометра отраженных сигналов, которые пришли к месту подключения рефлектометра из линии. Выходное и входное сопротивления рефлектометра, как правило, равны между собой.

В зависимости от соотношения входного сопротивления рефлектометра и волнового сопротивления линии изменяется полярность и амплитуда переотражений, которая может оказаться соизмеримой с амплитудой отражений. Поэтому перед измерением рефлектометром обязательно нужно выполнить операцию согласования выходного сопротивления рефлектометра с волновым сопротивлением линии.

Рис 3.2.3 Примеры рефлектограммы линии без согласования выходного сопротивление с линией и с согласованием согласования выходного сопротивления При распространении вдоль линии импульсный сигнал затухает, то есть уменьшается по амплитуде.

Затухание линии определяется ее геометрической конструкцией и выбором материалов для проводников и изоляции и является частотно-зависимым.

Следствием частотной зависимости является изменение зондирующих импульсов при их распространении по линии: изменяется не только амплитуда, но и форма импульса — длительности фронта и среза импульса увеличиваются («расплывание» импульса). Чем длиннее линия, тем больше «расплывание» и меньше амплитуда импульса. Это затрудняет точное определение расстояния до повреждения.

Примеры рефлектограмм линий без затухания (идеальная линия) и с затуханием показаны на рисунке.

Для более точного измерения необходимо правильно, в соответствии с длиной и частотной характеристикой затухания линии, выбирать параметры зондирующего импульса в рефлектометре.

Рис 2.4 Линия с затуханием и без затухания

Критерием правильного выбора является минимальное «расплывание» и максимальная амплитуда отраженного сигнала.

Если при подключенной линии на рефлектограмме наблюдается только зондирующий импульс, а отраженные сигналы отсутствуют, то это свидетельствует о точном согласовании выходного сопротивления рефлектометра с волновым сопротивлением линии, отсутствии повреждений и наличии на конце линии нагрузки равной волновому сопротивлению линии.

Рис 2.5 Линия с согласованным сопротивлением рефлектометра и нагрузки Вид отраженного сигнала зависит от характера повреждения или неоднородности. Например, при обрыве отраженный импульс имеет ту же полярность, что и зондирующий, а при коротком замыкании отраженный импульс меняет полярность.

Рис 2.6 Отражение импульса от различных мест повреждения В идеальном случае, когда отражение от повреждения полное и затухание отсутствует, амплитуда отраженного сигнала равна амплитуде зондирующего импульса.

Рассмотрим два случая эквивалентных схем повреждений, которые наиболее часто встречаются на практике: шунтирующая утечка и продольное сопротивление.

Пусть место повреждения линии представляет собой шунтирующую утечку Rш:

Рис 2.7 Схема повреждения с продольной утечкой С изменением сопротивления утечки от нуля (соответствует короткому замыканию) до бесконечности (соответствует исправной линии), при положительном зондирующем импульсе отраженный импульс имеет отрицательную полярность и изменяется по амплитуде от максимального значения до нулевого, в соответствии с выражением:

Котр= (W1 — W) / (W1 + W) = - W / (W+2•Rш), (2.4)

где: Rш — сопротивление шунтирующей утечки,

W1 — волновое сопротивление линии в месте повреждения, определяется выражением:

W1 = (W•R ш) / (W + Rш) (2.5)

Так, например, при коротком замыкании (Rш = 0) получаем: Котр = -1. В этом случае сигнал отражается полностью с изменением полярности.

При отсутствии шунтирующей нагрузки (Rш = бесконечности) имеем:

Котр = 0. Сигнал не отражается вообще.

При изменении Rш от 0 до бесконечности амплитуда отраженного сигнала уменьшается от максимального значения до нулевого, сохраняя отрицательную полярность (см. рисунок).

Рис 3.2.8 Зависимость отражённого импульса от сопротивления Rш Если эквивалентная схема места повреждения линии имеет вид включения продольного сопротивления (например, нарушение спайки или скрутки жилы), то с изменением величины продольного сопротивления отраженный импульс изменяется по амплитуде, оставаясь той же полярности что и зондирующий импульс.

Рис 2.8 Схема повреждения с продольным сопротивлением Выражение для коэффициента отражения при наличии включения продольного сопротивления будет иметь вид:

Котр= (W1 — W) / (W1 + W) = 1 / (1+2*W/Rп), (2.6)

где: Rп — продольное сопротивление,

W1 — волновое сопротивление линии в месте включения продольного повреждения, определяемое выражением:

W1 = Rп + W (2.7)

В случае обрыва жилы (Rп = бесконечности) получаем коэффициент отражения: Котр = 1. Это означает, что сигнал отражается полностью без изменения полярности.

При нулевом значении продольного сопротивления (Rп= 0) имеем: Котр = 0. Сигнал не отражается вообще.

При изменении Rп от бесконечности до 0 отраженный сигнал уменьшается по амплитуде от максимального значения до нулевого, без изменения полярности (см. рисунок).

Рис 2.9 Зависимость отражённого импульса от сопротивления Rп

2.1.2 Виды зондирующих сигналов

В рефлектометрах для определения мест повреждения линий применяются в основном два вида зондирующих импульсов: короткий видеоимпульс и перепад напряжения. Иногда используется суперпозиция видеоимпульса и перепада напряжения.

Короткий видеоимпульс

Короткий видеоимпульс представляет импульс напряжения малой длительности, которая выбирается много меньше (в 10…100 раз) времени распространения импульса по линии. Выбор длительности может производиться вручную или автоматически, в зависимости от диапазона измеряемых расстояний.

При зондировании линии короткими видеоимпульсами наблюдаются отражения от начала и конца распределенных неоднородностей, поэтому такое зондирование используется для поиска локальных повреждений и крупных сосредоточенных неоднородностей волнового сопротивления.

Рис 2.10 Зондирование коротким видео импульсом Короткий зондирующий импульс обеспечивает высокую разрешающую способность, которая определяется его длительностью.

Разрешающая способность — это минимальное расстояние между двумя неоднородностями волнового сопротивления при котором отраженные от них сигналы еще наблюдаются как отдельные сигналы.

Рис 2.11 разрешающая способность импульса На рисунке отраженные от двух неоднородностей импульсы еще наблюдаются раздельно.

Длительность зондирующего видеоимпульса влияет на разрешающую способность рефлектометра — чем она меньше, тем выше разрешающая способность рефлектометра.

В тоже время, при уменьшении длительности зондирующих сигналов возрастает их затухание.

Следует иметь в виду, что для линий с одинаковой длиной более высокая разрешающая способность может быть получена на более высокочастотной линии.

2.1.2.2. Перепад напряжения

Перепад напряжения — это зондирующий импульс такой длительности, которая больше чем время распространения импульса по линии.

При зондировании линии таким широким импульсом («перепадом») наблюдается профиль изменения волнового сопротивления вдоль линии. Поэтому такое зондирование может использоваться не только для измерения расстояния и величины неоднородности, но и при наличии в линии следующих друг за другом нескольких протяженных неоднородностей волнового сопротивления или его плавного изменения вдоль линии.

При прочих равных условиях, в частности при одинаковых длительностях фронтов зондирующих импульсов, разрешающая способность при измерении перепадом напряжения вдвое лучше, чем при измерении видеоимпульсом. Эта разрешающая способность определяется длительностью фронта «перепада».

Пример рефлектограммы линии с утечкой при зондировании «перепадам» напряжения показан на рисунке.

Рис 3.2.12 зондирующий импульс — перепад напряжения

2.1.3 Коэффициент укорочения электромагнитных волн

Зондирующие импульсы распространяются в кабельных линиях по определенным волновым каналам, определяемым режимом включения «жила — жила», «жила — оболочка» и другие варианты.

Импульсный сигнал распространяется в линии с определенной скоростью, которая зависит от типа диэлектрика и определяется выражением:

(2.8)

где с — скорость света, г — коэффициент укорочения электромагнитной волны в линии, е — диэлектрическая проницаемость материала изоляции кабеля.

Коэффициент укорочения показывает во сколько раз скорость распространения импульса в линии меньше скорости распространения в воздухе.

В любом рефлектометре перед измерением расстояния нужно установить коэффициент укорочения. Точность измерения расстояния до места повреждения зависит от правильной установки коэффициента укорочения.

Величина г является справочной только для радиочастотных кабелей, для других типов кабелей не нормируется. Коэффициент укорочения можно определить импульсным рефлектометром по кабелю известной длины.

Для многожильных и многопарных кабелей коэффициент укорочения, волновое сопротивление и затухание различны для каждого варианта включения, поэтому рекомендуются включения рефлектометра независимо от типа повреждения по схеме «жила — жила». При повреждении одной из жил можно использовать схему включения «поврежденная жила — неповрежденная жила».

Включение рефлектометра по схеме «жила — оболочка» позволяет выявить поврежденную жилу методом сравнения.

2.1.4 Помехи импульсной рефлектометрии и борьба с ними

По соотношению величин отражения от повреждения и напряжения помех все отражения можно разделить на простые и сложные.

Простое повреждение — это такое повреждение кабельной линии, при котором амплитуда отражения от места повреждения больше амплитуды помех.

Сложное повреждение — это такое повреждение, для которого амплитуда отражения от места повреждения меньше или равна амплитуде помех.

По источникам возникновения помехи бывают асинхронные (аддитивные) и синхронные.

Асинхронные помехи не связаны с зондирующим сигналом и неоднородностями кабельной линии и вызваны наводками от соседних кабельных линий, от оборудования, транспорта и различной аппаратуры.

Рис 2.13 Пример рефлектограммы кабельной линии с асинхронными помехами На рефлектограмме асинхронные помехи полностью закрывают отражение от повреждения. Это отражение невозможно рассмотреть на фоне помех.

Эффективными методами отстройки от асинхронных помех являются аналоговая фильтрация и цифровое накопление сигнала.

Аналоговая фильтрация применялась в основном в аналоговых рефлектометрах, таких как Р5−10 и Р5−13.

Сущность цифрового накопления заключается в том, что одну и туже рефлектограмму считывают несколько раз и вычисляют среднее значение. В связи с тем, что асинхронные помехи носят случайный характер, после цифрового накопления их уровень значительно снижается.

Рис 2.14 Пример предыдущей рефлектограммы линии, «очищенной» в результате цифрового накопления рефлектометром В этой рефлектограмме можно легко выделить сигнал, отраженный от места утечки.

Синхронные помехи связаны с зондирующим сигналом и являются отражениями зондирующего сигнала от неоднородностей волнового сопротивления линии (отражения от кабельных муфт, ответвлений, кабельных вставок, неоднородностей кабельных линий технологического характера и др.).

Основная масса кабельных линий (кроме кабелей связи) не предназначены для передачи коротких импульсных сигналов, используемых при методе импульсной рефлектометрии. Поэтому этим кабельным линиям присуще большое количество синхронных помех.

Рис 2.15 Пример рефлектограммы кабельной линии с синхронными помехами Синхронные помехи можно существенно уменьшить посредством сравнения или дифференциального анализа.

При сравнении накладывают рефлектограммы двух линий (неповрежденной и поврежденной), проложенных по одной трассе.

Рис 2.16 При сравнении накладывают рефлектограммы двух линий Наложение двух рефлектограмм позволяет быстро обнаружить начальную точку их различия, по которой и определяют расстояние L до повреждения.

При дифференциальном анализе рефлектограммы поврежденной и неповрежденной линий вычитают, как показано на рисунке ниже.

Рис 2.17 При дифференциальном анализе рефлектограммы поврежденной и неповрежденной линий Из рисунка видно, что при вычитании все синхронные помехи компенсируются. По разностной рефлектограмме легко обнаружить отражение от места повреждения и определить расстояние L до него.

Наилучшие результатов от сравнения и вычитания удается получить при использовании в качестве исправной линии жилы или кабельной пары того же кабеля.

При измерении кабельной линии методом импульсной рефлектометрии асинхронные и синхронные помехи присутствуют на рефлектограмме одновременно.

Асинхронные помехи (кроме помех импульсного характера), как правило, имеют одинаковые величины, независимо от того, с какого конца кабельной линии ведется измерение рефлектометром.

Синхронные помехи при измерении с разных концов кабеля имеют различную величину, в зависимости от многих факторов: длины кабельной линии, затухания импульсных сигналов, удаленности места повреждения и мест неоднородностей волнового сопротивления кабельной линии, точности согласования выходного сопротивления импульсного рефлектометра с волновым сопротивлением линии и других факторов. Поэтому отраженный сигнал от одной и той же неоднородности может иметь различные величины при измерении с разных концов линии.

Если хотя бы предположительно известно, к какому концу кабельной линии ближе может быть расположено место повреждения, то для измерений нужно выбирать именно этот конец кабельной линии. В других случаях желательно проводить измерения последовательно с двух концов кабельной линии.

Следует учитывать, что даже такие повреждения как «короткое замыкание» и «обрыв», дающие максимальные отражения зондирующего сигнала, не всегда можно легко обнаружить на фоне помех. Например при большом затухании и больших неоднородностях волнового сопротивления линии амплитуда отражения от удаленного повреждений типа «короткое замыкание» или «обрыв» зачастую бывает меньше, чем отражения от близко расположенных неоднородностей волнового сопротивления. Поэтому такие повреждения являются сложным для обнаружения.

Рис 2.18 Рефлектограмма кабельной линии со сложным повреждением Как правило, сложные повреждения встречаются значительно чаще чем простые.

На практике метод импульсной рефлектометрии позволяет эффективно определить обрыв, короткое замыкание, низкоомное соединения жил или оболочки при сопротивлении утечки до 10 кОм, муфты, ответвления и т. д. При малых синхронных помехах возможно обнаружение повреждений и при более высоких значениях сопротивлений утечки.

2.1.5 Выводы по методу

Метод импульсной рефлектометрии удобен для практического использования, так как для измерения импульсным рефлектометром достаточно доступа к линии с одного конца.

Импульсные рефлектометры позволяют определить расстояние до места повреждения линии при любом характере повреждения (обрыв, короткое замыкание, утечка, продольное сопротивление и т. д.).

Результаты, достигаемые при измерениях импульсным рефлектометром, зависят от его возможностей по отстройке от помех.

Метод импульсной рефлектометрии позволяет достигнуть более высокой точности измерений расстояния до места повреждения по сравнению с другими методами (например, по сравнению с мостовым): 1% - для аналоговых импульсных рефлекторов и 0,2% - для цифровых.

2.2 Метод кратковременной дуги (импульсно-дуговой метод)

Метод кратковременной дуги может быть использован для определения расстояния до места сложного (высокоомного) или неустойчивого повреждения. Сущность метода кратковременной дуги заключается в одновременном воздействии на кабельную линию высоковольтным импульсом и выполнении измерений методом импульсной рефлектометрии.

Рис 2.19 Структурная схема подключения к кабельной линии устройств

Высоковольтный импульсный генератор, представляющий собой источник высокого напряжения, у которого на выходе включен высоковольтный конденсатор и специальный разрядник, подключается к кабельной линии через устройство поддержания дуги (его основной компонент — индуктивность).

При подаче импульса от источника высокого напряжения в месте высокоомного дефекта возникает пробой, через устройство поддержания дуги начинает протекать ток и пробой «затягивается» — образуется дуговой разряд. За счет индуктивности, имеющейся в устройстве поддержания дуги, ток дуги поддерживается в течении определенного времени (менее секунды). Электрическое сопротивление дуги близко к нулю, что эквивалентно короткому замыканию.

Импульсный рефлектометр подключается через специальное присоединительное устройство (фильтр). Зондирующие импульсы от рефлектометра через присоединительное устройство поступают в кабельную линию, а отраженные импульсы — возвращаются в рефлектометр.

Последовательность проведения измерений при методе кратковременной дуги следующая.

Через присоединительное устройство считывают рефлектограмму кабельной линии и сохраняют ее в памяти импульсного рефлектометра. Так как импульсы с генератора высоковольтных импульсов отсутствуют или имеют недостаточную для пробоя установленную амплитуду, то пробой и дуга в месте сложного или неустойчивого повреждения отсутствуют. На рефлектограмме отраженный сигнал от высокоомного повреждения практически неразличим на фоне помех. Наблюдаются отражения от неоднородностей линии (муфт, кабельных вставок и т. д.) и от разомкнутого конца кабельной линии.

Затем выходное напряжение высоковольтного источника в генераторе высоковольтных импульсы постепенно увеличивают до тех пор, пока в кабельной линии не появятся пробои. В такт с высоковольтными импульсами в месте дефекта будет зажигаться кратковременная электрическая дуга. Период повторения кратковременной дуги нестабильный. Зондирующие импульсы подаются в кабельную линию с частотой, которая во много раз больше частоты зажигания дуги. При совпадении зондирующего импульса с моментом зажигания дуги, он отражается от дуги как от короткого замыкания, и возвращаются к началу кабеля, где записывается в память рефлектометра.

Рис. 2.20 Совпадение импульса горения дуги и зондирующего импульса Для более надежного определения места повреждения необходимо добиться неоднократного совпадения зондирующего импульса с моментом зажигания дуги. Импульс, отраженный от дуги, отчетливо виден на рефлектограмме. Дальше дуги импульс не проходит, поэтому на рефлектограмме не видно конца линии.

Далее на экране рефлектометра накладывают друг на друга две записанные в рефлектограммы: рефлектограмму до возникновения дуги и рефлектограмму после возникновения дуги. Это позволяет отчетливо наблюдать место начала расхождения рефлектограмм, которое и соответствует месту сложного или неустойчивого повреждения.

Рис 2.21 Наложение рефлектограмм при методе кратковременной

Таким образом, при методе кратковременной дуги высокоомное повреждение кратковременно переводится в низкоомное.

Достоинства метода кратковременной дуги:

1. Высокая точность измерений. (Точность измерения такая же как у метода импульсной рефлектометрии. Есть возможность воспользоваться растяжкой рефлектограммы выбранного участка линии).

2. Простота представления результатов измерения. (По рефлектограмме кабельной линии до возникновения кратковременной дуги легко определить длину всей кабельной линии и ее неоднородности. На рефлектограмме в момент кратковременной дуги легко присутствует отражение от места повреждения, как отражение короткого замыкания при методе импульсной рефлектометрии. Для устранения влияния неоднородностей достаточно воспользоваться сравнением двух рефлектограмм.).

3. В месте повреждения выделяется небольшое, по сравнению с прожигом, количество энергии, поэтому вредное влияние на кабель минимальное. Нет вредного воздействия и на соседние кабели.

4. Возможность реализовать этот метод на различных типах КЛ.

2.3 Волновой метод (метод колебательного разряда)

Возникновение пробоя в месте повреждения вызывает появление в кабельной линии волновых процессов.

Существует 2 варианта осуществления волнового метода для определения расстояния до места повреждения: метод бегущей волны напряжения и метод импульсного тока.

2.3.1 Метод бегущей волны напряжения

При методе бегущей волны напряжения в кабельную линию от источника высокого испытательного напряжения через сопротивление, величина которого значительно больше волнового сопротивления линии, подают напряжение, которое медленно повышают.

Рис 2.22 Структурная схема реализации волнового метода бегущей волны напряжения Под влиянием отрицательного испытательного напряжения в момент времени to на расстоянии L происходит пробой (короткое замыкание) и разряд. В месте повреждения формируются электромагнитные волне положительной полярности, так как испытательное напряжение имело отрицательную полярность, а коэффициент отражения в месте пробоя (короткого замыкания) также отрицателен К= -1.

Рис 2.23 Волновой процесс при методе бегущей волны напряжения Одна из волн распространяется от места пробоя к началу кабеля, а другая — к концу кабеля. Достигнув начала кабеля, первая волна отражается от большого сопротивления источника и, не изменяя полярности, распространяется к месту повреждения. В месте повреждения вновь возникает пробой и отражение с обратным знаком, и так далее. Затухая, волновой процесс продолжается до тех пор, пока энергии волны достаточно для пробоя в месте повреждения.

2.3.1 Волновой метод импульсного тока (бегущей волны тока)

Метод импульсного тока используют в том случае, если высокоомные повреждения (снижение сопротивления изоляции или высокоомное замыкание жилы на землю, или малое расстояние между проводниками в муфтах) не удается преобразовать с помощью прожига в низкоомное повреждение. Причиной тому могут быть просачивание в кабель воды или заплывающие повреждения.

В отличие от метода бегущей волны напряжения выходное сопротивление высоковольтного импульсного генератора должно быть значительно меньше волнового сопротивления кабельной линии и коэффициент отражения напряжения от начала линии и места повреждения в момент пробоя равен Кu = -1, а коэффициент отражения тока К i= 1.

Рис 2.24 Структурная схема реализации волнового метода бегущей волны тока Высоковольтный импульсный генератор представляет собой источник высокого напряжения, у которого на выходе включен высоковольтный конденсатор и специальный разрядник, с которого высоковольтные импульсы поступают в кабель.

Рис 2.24 Волновой процесс при методе бегущей волны тока Ударная волна посылается в поврежденный кабель в момент t0 и в момент t1 достигает места повреждения. Под воздействием ударной волны происходит пробой поврежденного участка кабельной линии в момент t1з, вызывающий отражение. Этот отраженный сигнал возвращается к началу кабеля в момент t2 и отражается от начала кабеля (входное сопротивление генератора импульсов эквивалентно короткому замыканию) в сторону повреждения и в момент t4 снова достигает начала кабеля и т. д.

Состояние пробоя (длительность электрической дуги) сохраняется до тех пор, пока достаточно энергии для горения дуги. Для того чтобы вызвать пробой в месте повреждения, необходимо в течение определенного времени (t1з — t1) воздействовать на поврежденный участок (время ионизации). Это время зависит от амплитуды высоковольтного импульса и переходного сопротивления в месте повреждения. Чтобы исключить влияние задержки ионизации на результат измерения расстояния до места повреждения, замеряют время между первой и второй отраженными волнами t2 и t4: Tl = t4 — t2.

Связь измерителя волновых процессов с кабельной линией производится с помощью специального присоединительного устройства по току (импульсного токопреобразователя). Импульсный токопреобразователь дифференцирует импульсный ток на входе линии и преобразует его в однополярные импульсы, поступающие на вход измерителя волновых процессов.

При волновом методе измерений выходное сопротивление высоковольтного источника не равно волновому сопротивлению линии, поэтому кроме отраженных волн от участка повреждения появляются отраженные от неоднородностей кабеля (муфт, ответвлений) и переотраженные от начала кабеля импульсные сигналы — синхронные помехи, значительно затрудняющие оценку импульсной характеристики кабеля.

При волновом методе расстояние до места повреждения определяется по временной задержке между приходом к началу кабеля импульсов напряжения или импульсов тока, отраженных от места повреждения. Импульсы напряжения по длительности занимают половину расстояния до места повреждения, а ударные импульсы тока также имеют достаточно большие длительности. Это приводит к следующим недостаткам по сравнению с методом импульсной рефлектометрии:

1. Сложность анализа полученных импульсных характеристик при измерениях волновым методом. (Вид этих характеристик зависит не только от характера повреждения и длины линии, но и от величины поданных импульсов, наличия или отсутствия пробоя в месте повреждения и т. д.)

2. Низкая разрешающая способность, то есть невозможность обнаруживать близко расположенные неоднородности. (Отражения от неоднородностей вообще трудно различимы на импульсной характеристике кабельной линии, а отражения от соседних неоднородностей вообще сливаются друг с другом)

3. По импульсной характеристике невозможно получить ориентировки, расстояние до которых известно (в виде отражений от муфт, кабельных вставок и т. д.)

4. Большая погрешность измерения. (Это обусловлено относительно большими длительностями фронтов и срезов волновых процессов, которые формируются самой линией и процессом пробоя)

5. Невозможность стабильного повторения волновых процессов, что может привести к появлению ошибок.

(Процесс пробоя является очень нестабильным, он в любой момент может прерваться и не повториться в том же виде. Это накладывает очень серьезные требования к быстродействию измерителя волновых процессов).

Таким образом, волновой метод по сравнению с методом импульсной рефлектометрии, с одной стороны, позволяет определять сложные (с большим сопротивлением) и неустойчивые (заплывающие) места повреждений кабельных линий, а с другой стороны, имеет существенные недостатки. В значительной степени совместить достоинства метода импульсной рефлектометрии и волнового метода позволяет метод кратковременной дуги.

повреждение кабельный определение линия

2.4 Метод измерения частичных разрядов

В последние годы все более широкое распространение в нашей стране и за рубежом находит мнение о необходимости замены испытаний кабельных линий повышенным напряжением постоянного тока, превышающем рабочее напряжение в 3…6 раз рабочее напряжение (Uраб) на диагностику изоляции с помощью измерения частичных разрядов (ЧР), токов утечки, абсорбционных токов и других методов с приложением напряжения (1…1,5) Uраб.

Дело в том, что проведение испытаний кабеля, находящегося в эксплуатации продолжительное время, повышенным напряжением отрицательно влияет на изоляцию и снижает срок эксплуатации.

В отличие от испытаний диагностика изоляции кабельной линии относится к неразрушающим методам контроля. Одним из прогрессивных методов диагностики является метод измерения ЧР, позволяющий не только определить уровень частичных разрядов в кабельной линии, но и определить их местонахождение по длине.

Частичный разряд — это электрический разряд, длительность которого составляет единицы-десятки наносекунд. Частичный разряд частично шунтирует изоляцию кабельной линии. Частичные разряды появляются в слабом месте кабельной линии под воздействием переменного напряжения и приводят к постепенному развитию дефекта и разрушению изоляции.

Амплитудно-фазовые диаграммы (АФД) сегодня являются одним из основных методов представления информации о характеристиках частичных разрядов (ЧР) в изоляции оборудования. АФД обеспечивают необходимую информацию как для идентификации типов дефектов изоляции так и для выделения сигналов ЧР из помех. Кроме того, использование метода АФД при хранении информации обеспечивает минимизацию объема запоминаемых данных, что важно при создании экспертных систем. Высокая эффективность метода АФД обусловлена учетом стохастических свойств ЧР и использованием усредненных характеристик сигналов ЧР в амплитудно-фазовом пространстве.

Существующая на сегодняшний день аппаратура для измерения сигналов ЧР, как правило, регистрирует параметры каждого импульса ЧР, что обуславливает ее избыточную сложность и стоимость. Применение метода АФД не только при анализе данных, но и при измерении сигналов ЧР позволяет снизить стоимость аппаратуры регистрации ЧР. При этом резко сокращается избыточность регистрируемых данных и достигается оптимальное соответствие требуемой точности измерений, стоимости аппаратуры, объема накапливаемой информации и времени измерения.

2.4.1 Какие параметры импульсов ЧР нужно измерять

В зависимости от сложности и стоимости аппаратуры можно измерять различные параметры импульсов. Первое и основное разделение — измерять некий набор параметров каждого импульса (с последующей обработкой) или измерять некие усредненные характеристики импульсов, такие как средний ток, количество импульсов превышающих заданный порог и т. п. В первом случае мы увеличиваем сложность и стоимость аппаратуры — во втором теряем некоторую информацию (в частности, возможность отличить сигнал ЧР от помехи по форме импульса и др.). Общего однозначного решения этого вопроса, вероятно, не существует, однако на основании уже накопленного опыта можно предложить вариант оптимального на наш взгляд решения.

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.