Содержание материала

1 ВИЗНАЧЕННЯ МІСЦЯ ПОШКОДЖЕННЯ НА КАБЕЛЬНИХ ЛІНІЯХ ЕЛЕКТРОПЕРЕДАЧІ

Для знаходження місця пошкодження на кабельних лініях (КЛ) необхідно розробити практичний, найбільш ефективний метод і отримати кінцевий алгоритм для реалізації цього методу. Кінцевим результатом цієї роботи і є такий алгоритм.
Для пошуку місця пошкодження на КЛ пропонується використовувати такі засоби:
При низькоомних пошкодженнях:

  1. генератор високої частоти та пошукова електромагнітна котушка;
  2. ударна установка та акустичний прилад;
  3. локаторна установка (метод відображеного імпульсу).

При високоомних пошкодженнях:

  1. ударна установка та пошукова електромагнітна котушка;
  2. ударна установка та акустичний прилад;

3) локаторна установка (метод «імпульсної (ударної) локалізації» або метод «локалізації перекриттям дугою»)

1. Схеми підключення випробувальної установки.

Спираючись на опит роботи можна сказати що частіше зустрічаються пошкодження КЛ «жила - оболонка», менше – «жила - жила». Отже для проведення якісного випробування КЛ достатньо зробити три випробування за схемами наведеними на рисунку 2.

схеми підключення випробувальної установки
Рисунок 1 – схеми підключення випробувальної установки для виконання випробування КЛ підвищеною напругою.

1.2 Пошук місць пошкодження «індуктивним» методом.

Найбільшої уваги та навичок потребує пошук траси та місця пошкодження кабелю за допомогою високочастотного генератора та пошукової електромагнітної котушки. Цей метод найбільш зручний та часто застосовується, тому розглянемо проблемні питання які виникають при пошуку місць пошкоджень на КЛ та методи їх вирішення.
При пошуку місця пошкодження КЛ необхідно максимально точно визначити це місце, для того щоб було витрачено менше часу на виконання земляних робіт (У випадку прокладки кабелю в землі) і в коротший термін була ліквідована аварійна ситуація. 
Підземна прокладка кабелів часто вимагає пошуку та визначення його  точного слідування, тому що у багатьох випадках плани прокладки відсутні, не відповідають дійсному стану або неповні.
Внаслідок різноманітних передаючих властивостей кабелів, похибок вимірювань, виникаючих при практичному визначенні відстані від дефекту, виникають, як правило, допуски до декілька процентів відстані. Це означає, що при відстані від пошкодження більше 100 м похибка настільки велика, що виникає необхідність обмеження місця пошкодження перед початком копальних робіт.
З метою рішення вище наведеної задачі можна застосовати кабельно-пошукові прилади, принцип яких засновано на протіканні струмів високої частоти (або промислової частоти 50 Гц) по струмоведучим частинам пошкодженої ділянки. Вони складаються з генератора та індикатора. 
При пошуку пошкодження може бути застосований одночасно індуктивний та акустичний спосіб.
Для проведення пошукового процесу за індуктивним методом, в кабель що необхідно знайти чи провід, потрібно подати пошуковий струм, магнітне поле якого б визначалось пошуковою котушкою (ПК) індикатора. Як пошуковий може бути використаний струм частотою 50 Гц мережі загального користування. Цей метод може бути застосований з метою встановлення на незнайомій території наявність КЛ чи проводів.
Для усунення можливості переплутування з іншими з’єднаннями, по яким може протікати струм мережі, в якості пошукового струму треба застосовувати змінний струм тональної частоти, генеруємий пошуковим генератором. Висока пошукова частота застосовується при індуктивному наведенні пошукового струму на територіях з потужними поміхами. Низька – відрізняється меншим перехідним звуком від сусідніх проводів, внаслідок чого – у випадку гальванічного наведення струму – отримуємо кращу вибірковість.
Коли кінці КЛ доступні перевага віддається гальванічному з’єднанню. Для утворення пошукового струму у непошкодженій КЛ замикаються жили або жила на оболонку кінця, а у випадку пошкодження – ту ж роль грає коротке замикання «жила-жила» або «жила-оболонка». У випадку обриву жил, коли немає можливості утворення низькоомного з’єднання, ємнісний струм утічки дозволяє вирішити пошукову задачу.
Форма магнітного поля сильно різноманітна в залежності від виду спряження пошукового струму. Котушка індикатора відрізняється ясно вираженою характеристикою направленості, реагуючи лише на складені, паралельні до її осі.
При більш точних пошуках пошкодження на КЛ, вимірювання повинно бути проведено по черзі, при різних положеннях ПК для отримання однозначного результату.

1.2.1 Одиничний провідник.

У випадку протікання струму по одножильному проводу навкруги нього виникає магнітне поле, лінії якого охоплюють струмовий центр у формі концентричних окружностей. Направлення поля співпадає торкаючоюся до такої окружності в точці спостереження. Сила поля зворотно пропорційна до відстані від точки спостереження. Якщо пересувати ПК вздовж поверхні ґрунту та перпендикулярно до вісі проводу безперервно змінюється сила магнітного поля та її напрям.
Перпендикулярно до проводу напрям поля тільки горизонтальний, внаслідок чого у встановленій поперечній до вісі проводу котушці наводиться максимальна напруга. У випадку бокового зміщення котушки поступово падає наведена напруга внаслідок зменшення сили поля і збільшуючогося її  нахильного положення.
В вертикально встановленій ПК поперечно до проводу не виникає напруги. При боковому зміщенні ПК наведена напруга спочатку зростає, внаслідок нахилого положення напрямку поля, не дивлячись на падаючу силу поля, проходить через максимум і потім поступово знижується.
Оскільки горизонтально встановлена ПК може бути повернена вздовж або поперечно  до вісі проводу, тому наведена в ПК напруга теж змінюється. Вона набуває нульового значення в положенні паралельному до кабелю і зростає при подальшому повороті.
форма магнітного поля навколо одиничного провод

Рисунок 2 – форма магнітного поля навколо одиничного проводу.
Рівень сили магнітного поля в залежності від глибини розташування кабелю та відстані від пошукової котушки 
Рисунок 3 – Рівень сили магнітного поля в залежності від глибини розташування кабелю та відстані від пошукової котушки.
Де,    F – рівень сили магнітного поля у відсотковому відношенні;
d – Відстань від місця знаходження КЛ;
h – Глибина розташування КЛ.  
Якщо провести диференціацію дільниці графіку сили магнітного поля від одиничного проводу то побачимо що при пошуку мінімального рівня сигналу рівень сигналу більш різко змінюється на відміну від форми графіка при пошуку максимуму сигналу. Також слід враховувати що при зміні більш слабого сигналу на більш сильний більш важко знайти той самий максимум, на відміну від способу пошуку мінімуму, коли сигнал змінюється тишею. Це слід враховувати при пошуку більш точного місця знаходження проводу.
Завдяки викладеним ствердженням легко можна визначити точне розташування проводу та напрямок його слідування при виконанні недуже складних дій.
При поперечно встановленій ПК мінімально наведена напруга вказує на провід. При горизонтально розташованій ПК мінімальна величина наведеної  напруги вказує на напрямок проводу.
Якщо мінімальний сигнал важко визначити через високий рівень поміх, то визначення максимуму при поперечно встановленій котушці дозволяє отримати той же результат.
Визначення глибини розташування кабелю
Рисунок 4  – Визначення глибини розташування кабелю.
За допомогою такого пристрою можна також визначити глибину прокладки проводу (КЛ). Якщо ПК нахилити на кут 45°, а її вісь встановити перпендикулярно до вісі проводу, наведена напруга при боковому пересуванні котушки також проходить через мінімум. Внаслідок нахилу вісі ПК на кут 45° трикутник АВВ´ при горизонтальній поверхні ґрунту стає рівнобедреним і прямокутним. Відстань мінімуму для нахиленої котушки до мінімуму для перпендикулярної котушки ВВ´ рівна глибині прокладки проводу (КЛ).   

1.2.2 Пара проводів.

Якщо два паралельних проводу завантажені тим самим струмом з різним напрямом, то форми магнітні поля у вигляді окружності перекриваються. В залежності від відстані між цими проводами буде змінюватись і компенсація складених поля.
В залежності від місця розташування ПК буде змінюватись сила магнітного поля навколо проводів а от же і наведена напруга. Площина прокладення цих проводів може бути під різним кутом (від паралельного до 90° по відношенню до ґрунту), а от же і наведена напруга в ПК буде різна в різних випадках. При вертикальному розташуванні площини проводів магнітне поле над поверхнею ґрунту буде мати вигляд магнітного поля від одиничного проводу.
Магнітне поле при перпендикулярній площі розташування пари проводів відносно поверхні ґрунту
Рисунок 5 – Магнітне поле при перпендикулярній площі розташування пари проводів відносно поверхні ґрунту
Магнітне поля від пари горизонтально розташованих проводів
Рисунок 6 – Магнітне поля від пари горизонтально розташованих проводів.
Де 1, 2 – провід 1, 2.
F1, F2 – сила магнітного поля яка утворена при протіканні струму по проводу 1 та 2 згідно.
a, b, c – місце розташування ПК відносно центру пари проводів.
При горизонтальному розташуванні пари проводів і поперечному розташуванні котушки, максимальна наведена напруга буде виникати при розташуванні її над цими проводами (Рисунок 4). На відміну від магнітного поля одиничного проводу при боковому переміщенні ПК наведена напруга проходить через мінімум, а після бокового переміщення проходить крізь максимум і спадає до «0» (Рисунок 5).
Рівень сили магнітного поля від пари проводів залежно від площі та глибини розташування
Рисунок 7 – Рівень сили магнітного поля від пари проводів залежно від площі та глибини розташування.
У випадку з КЛ в яких струмоведучі жили виконані за принципом навивки, тобто площа яка утворена парою проводів постійно змінюється, сили і форми магнітного поля також змінюються за принципом наведеним вище. При цьому графік сил магнітного поля має не симетричний вигляд.

1.2.3 Одножильний кабель.

Якщо пошуковий струм протікає крізь жилу одножильного кабелю до короткозамкненого кінця чи до місця пошкодження, а назад через оболонку, то струм в жилі та струм в оболонці утворюють протилежні, однакові по величині магнітні поля форми окружності, які взаємно перекриваються.
У випадку точно концентрично конструкції КЛ центри окружностей співпадають, магнітні поля цілком компенсуються. В цьому випадку неможливо визначити зовнішнього магнітного поля навіть при збільшені пошукового струму. Однак, внаслідок заземлення оболонки з обох кінців КЛ струм в жилі I1 розділяється на струм в оболонці I2 та зворотній струм через землю або інші металеві провідності I 3. В такому випадку струм I1 більший за I2 і навколо КЛ виникає магнітне поле.
Шлях протікання струму при непошкодженій КЛ і замкненій струмоведучої жилі в кінці КЛ
Рисунок 8 – Шлях протікання струму при непошкодженій КЛ і замкненій струмоведучої жилі в кінці КЛ.
Внаслідок цього виникає магнітне поле, пропорційне різності струмів      I1 - I2 = I3 , тобто рівний струму, який протікає через землю. При концентричній конструкції КЛ центри струмів перекриваються, форма поля точно відповідає формі, яка створюється одиночним проводом, через котрий протікає струм I3.
Шлях протікання струму при пошкодженні струмоведучої жили на оболонку КЛ
Рисунок 9 – Шлях протікання струму при пошкодженні струмоведучої жили на оболонку КЛ.            
Магнітне поле яке утворюється струмом пошкодження «жила – оболонка»
Рисунок 10 – Магнітне поле яке утворюється струмом пошкодження «жила – оболонка»

1.2.4 Багатожильний кабель

Складності виникають при пошуку пошкоджень багатожильних КЛ, особливо тих на яких є встановлені муфти. В муфтах відстань між жилами збільшується, що призводить до збільшення сили поля і тим самим до збільшення наведеної в пошуковій котушці напруги. При плоскому розміщені жил в муфті наступає зміщення площі пари проводів або у випадку схрещеного розміщення жил схрещене поле перекривається на довжині в муфті. Це теж можна використовувати як одну з прикмет місця знаходження муфти.
Особливостями пошуку місця пошкодження в багатожильних КЛ є те що при короткому замкнені «жила – жила» без замкнення на землю, створене пошуковим струмом, наведеним на пошкодженій жили, магнітне поле закінчується в місці пошкодження.

розподілення струмів при пошкодженні «жила - жила» без замкнення на землю
Рисунок 11 – розподілення струмів при пошкодженні «жила - жила» без замкнення на землю.
У випадку короткого замикання «жила – жила» з замиканням на землю струм може текти далі за місце пошкодження, створюючи однопровідне поле.
розподілення струмів при пошкодженні «жила - жила» з замкненням на землю
Рисунок 12 – розподілення струмів при пошкодженні «жила - жила» з замкненням на землю.
При пошуку місця пошкодження на багатожильних КЛ за допомогою генератора пропонується застосовувати наступні схеми його підключення:
1) між двома жилами;
2) між однією жилою та групою жил;
3) між однією жилою та оболонкою;
4) між групою жил та оболонкою.
Однопровідне магнітне поле може виникнути тільки, коли пошуковий струм наводиться в жилу та повертається частково через оболонку, а частково через землю і коли струмові центри перекриваються. Ці умови можуть бути виконані лише тоді, коли пошуковий струм наводиться точно в центральну жилу або коли усі жили, які рівномірно розташовані навколо кабельного центру, з’єднанні паралельно. В усіх інших випадках магнітне поле утворюється парою проводів. На відміну від одножильного проводу утворюється парне або схрещене поле, незалежно від того повертається струм через землю чи інші провода до генератора.
Обов’язковою умовою переходу магнітного поля в однопровідне чи скінчення магнітного поля в місці пошкодження для багатожильних КЛ є те, що всі не приймаючі участі в вимірюванні жили з усіх кінців повинні бути розземлені (Рис. 10,11).
Ця умова необхідна для того щоб індуктивно чи ємкісно передаваємі компоненти пошукового струму не утворили за пошкодженням магнітне поле, дуже схоже на поле перед пошкодженням. Це створювало б труднощі при локалізації місця пошкодження (Рис. 12).
Для зручності пошуку місця пошкодження в багатожильних КЛ бажано перетворювати схему з’єднання пошукового генератора таким чином щоб магнітне поле мало вигляд як при одножильному кабелі. При цьому пошук місця пошкодження значно полегшується, а за місцем пошкодження сигнал буде відсутній.

ємкісний струм утічки при заземленні жили
Рисунок 13 – ємкісний струм утічки при заземленні жили що не бере участі у пошуку місця пошкодження.

1.3 Пошук місць пошкодження «Акустичним» методом.

Для більш локального визначення місця пошкодження КЛ можна застосовувати акустичний метод пошуку. При підключенні ударної установки до кабелю, процес пошуку місця пошкодження основується на прослуховуванні звуку, який виникає при пробої ізоляційного матеріалу кабелю в місці пошкодження. В пересувній електротехнічній лабораторії встановлені конденсаторні батареї, які заряджаються а потім короткочасно підключаються до струмоведучих частин пошкодженої ділянки і розряджаються, пробиваючи пошкоджену ділянку ізоляції кабелю. При знаходженні персоналу в припустимому районі пошкодження кабелю, за допомогою кристалічного мікрофона та навушників (рідкокристалічного табло) акустичного приладу, знаходиться місце з найбільш потужним сигналом від пробою ізоляції кабелю навіть при прокладці його в землі.

1.4 Алгоритм випробування та пошуку місця пошкодження на КЛ.

Перед початком виконання випробування КЛ високою напругою, згідно з ГКД 34.20.302-2002 «Норми випробування електрообладнання», необхідно виконати вимір опору ізоляції мегомметром на напругу 2,5 кВ протягом 1хв.
Але в даній роботі пропонується першочергово, перед виконанням вимірювань та випробувань, зробити ехограму (за допомогою локаційної установки). Це дасть можливість отримати первинну інформації щодо кабелю. Бажано занести її в пам'ять локаційного пристрою (якщо є така можливість).
Якщо при вимірюванні опору ізоляції мегомметром визначено що опір ізоляції нижче норми, наведеної в діючих нормативних документах, то виконується локалізація місця пошкодження. В іншому разі – виконується випробування ізоляції КЛ підвищеною напругою.
Якщо при випробуванні було виявлене пошкодження ізоляції КЛ, то подальшим етапом є локалізація місця пошкодження, яка починається з зняття ехограми методом «відображеного імпульсу». При цьому визначити відстань до місця пошкодження можна лише у випадку низькоомного пошкодження. Якщо пошкодження низькоомне і вдалось отримати значення відстані до місця пошкодження, то за допомогою приладів «індукційної» установки та (або) акустичного пристрою і установки «удару» виконується пошук місця пошкодження на місцевості (точне визначення місця пошкодження).
При високоомному пошкодженні необхідно перетворити його на низькоомне, створивши струм прожогу такої величини, щоб в місці пошкодження, внаслідок продуктів горіння виникаючих в процесі іонізації, виникла струмоведуча доріжка з малою величиною опора. Це необхідно для того, щоб можна було локалізувати місце пошкодження за методом «відображення імпульсу» (найбільш зручний метод). При високоомних пошкодженнях цим методом цього зробити неможливо тому, що при цьому використовується напруга невеликої величини (декілька Вольт).
Перетворивши високоомне пошкодження на низькоомне пошук точного місця пошкодження виконується таким же чином, як було вказано раніше.
Якщо цього досягти не вдається то локалізувати місце пошкодження можна за допомогою методу «імпульсної (ударної) локалізації» або методом «локалізації перекриттям дугою». Ці методи більш складні і потребують більшої витрати часу. Якщо за допомогою цих методів вдається це зробити то в подальшому, знову таки, потрібно більш точно визначити місце пошкодження. Це можна зробити за допомогою «ударної» установки та ПК та акустичного пристрою.
Якщо за цими двома методами визначити відстань до місця пошкодження  не вдається, треба знову спробувати перетворити високоомне пошкодження на низькоомне.
Алгоритм випробування та пошуку місць пошкодження на кабельних лініях буде мати вигляд (рис. 1).

Алгоритм пошуку місця пошкодження на кабельних лініях

Рисунок 14 – Алгоритм пошуку місця пошкодження на кабельних лініях.