Методы диагностики кабельных линий

 

Кабельные линии (КЛ) непосредственно после их сооружения и в процессе эксплуатации подвергаются разнообразным испытаниям, с помощью которых выявляются ослабленные места или дефекты в изоляции и защитных оболочках кабелей, соединительной и концевой арматуры и других элементах кабельных линий. Причины возникновения таких ослабленных мест различны. Они могут возникать при изготовлении кабеля и арматуры на заводе из-за конструктивных недостатков кабеля и арматуры, при небрежной прокладке кабельных линий, при некачественном выполнении монтажных работ. Ослабленные места выявляются в процессе эксплуатации КЛ, так как со временем наблюдается старение изоляции кабелей и коррозия их металлических оболочек. Кабельные линии, проложенные в земляной траншее, несмотря на дополнительную защиту в виде покрытия кирпичом и систематическое наблюдение за состоянием трассы, подвержены внешним механическим повреждениям, которые могут возникать при прокладке и ремонте других подземных сооружений, проходящих по трассе КЛ. За исключением прямых механических повреждений, ослабленные места и дефекты КЛ имеют скрытый характер. Своевременно не выявленные испытаниями, они могут с той или иной скоростью развиваться под воздействием рабочего напряжения. При этом возможно полное разрушение элементов КЛ в ослабленном месте с переходом линии в режим короткого замыкания, что влечет нарушение электроснабжения потребителей. Полный перечень испытаний КЛ в зависимости от напряжения и назначения регламентируется "Нормами испытания электрооборудования".

Для испытания кабельных линий повышенным напряжением применяют выпрямленное напряжение от передвижных испытательных установок. Параметры испытательных установок зависят от тока утечки и изоляции КЛ, в то время как при использовании повышенного переменного напряжения параметры установок определяются емкостью линий, которая для КЛ значительна. При этом выпрямленное напряжение, по сравнению с таким же по величине переменным напряжением, оказывает малое воздействие на неповрежденную изоляцию кабельных линий. Испытание выпрямленным напряжением выявляет не все ослабленные места изоляции КЛ. В частности, не выявляются: электрическое старение изоляции; осушение изоляции из-за перемещения или стекания пропиточного состава; высыхания изоляции из-за тяжелого теплового режима работы кабельных линий. Испытания повышенным напряжением являются разрушающими, так как при приложении испытательного напряжения изоляция КЛ в месте дефекта доводится до полного разрушения (пробоя). После пробоя необходим ремонт линии в том или ином объеме. Для линий напряжением до 1 кВ вместо испытания повышенным напряжением допускается проверка их мегомметром напряжением 2500 В.

При испытаниях повышенным напряжением необходимо учитывать характер изменения токов утечки, которые для КЛ с удовлетворительной изоляцией, как правило, довольно стабильны. Для кабелей с бумажной изоляцией напряжением до 10 кВ ток утечки находится в пределах 300 мкА, для кабелей 35 кВ около 800 мкА. При этом абсолютное значение тока утечки не является браковочным показателем. До и после испытания линий повышенным напряжением производится измерение сопротивления изоляции линии с помощью мегомметра. При этом сопротивление изоляции КЛ до 1 кВ должно быть не ниже 0,5 МОм. Для линий других напряжений сопротивление изоляции не нормируется. Проверка мегомметром позволяет также выявить серьезные повреждения КЛ, в частности, заземление и обрыв жил, замыкания между жилами и т.п. Профилактические испытания (ПИ) делятся на плановые и внеплановые. Профилактические испытания кабельных линий 6 - 35 кВ должны производиться не реже одного раза в три года. Линии, имеющие по опыту эксплуатации недостаточно удовлетворительное состояние изоляции или работающие в неблагоприятных условиях (частные земляные раскопки на трассе линий, активная коррозия и т.п.), рекомендуется подвергать более частым испытаниям. Внеочередные испытания назначаются после производства земляных работ на трассе КЛ, ее перекладки или капитального ремонта, при наличии осадки или размыва грунта на трассе и т.п. Профилактические испытания КЛ могут производиться двумя методами: с выводом из работы линий и их всесторонним отключением на время проведения испытания; без вывода из работы линий с наложением испытательного напряжения на участок сети, находящейся под рабочим напряжением и под нагрузкой нормального режима (испытания "под нагрузкой").

После пробоя КЛ по причине отказа или в результате испытания, за исключением прямых механических повреждений, возникает необходимость в определении места повреждения линии. В настоящее время имеются совершенные методы, с помощью которых место повреждения, как правило, устанавливается с достаточной точностью и в ограниченное время. Каждый метод имеет свою область использования, которая определяется характером повреждения КЛ и, в том числе, переходным сопротивлением, возникающем в месте повреждения. В связи с этим перед определением места повреждения необходимо определить характер повреждения, а также произвести, при необходимости, прожигание кабеля с целью снижения переходного сопротивления в месте повреждения его изоляции до требуемого уровня. Повреждения КЛ имеют различный характер: повреждение изоляции с замыканием одной жилы на землю; повреждение изоляции с замыканием двух или трех жил на землю, двух или трех жил между собой в одном или в разных местах; обрыв одной, двух или трех жил с заземлением и без заземления жил; заплывающий пробой изоляции; сложные повреждения, содержащие указанные виды повреждений. Наиболее распространенный случай – это повреждение между жилой и оболочкой кабеля, т.е. однофазные повреждения, особенно для кабелей с жилами в самостоятельных оболочках.

Все измерения на КЛ производятся с их полным отключением и выполнением необходимых мер техники безопасности. Как правило, определение характера повреждения производится с помощью мегомметра на 2500 В, которым измеряется сопротивление изоляции каждой жилы по отношению к земле и сопротивление изоляции между жилами. Целостность жил проверяется с обоих концов линии путем поочередной установки закоротки на концах линии. При определении характера сложного повреждения используются измерители неоднородностей кабельных линий, а при необходимости характер уточняется с помощью поочередного испытания выпрямленным напряжением изоляции каждой жилы по отношению к оболочке и между жилами.

В соответствии с установившейся практикой, место повреждения определяют в два приема: сначала определяют зоны повреждения кабельной линии, затем уточняется место повреждения в пределах зоны. На первом этапе определение места повреждения производится с конца линии, на втором этапе — непосредственно на трассе линии. В связи с этим методы соответственно разделяются на дистанционные (относительные) и топографические (абсолютные). К дистанционным методам относятся; импульсный, колебательного разряда и мостовой, а к топографическим — индукционный, акустический и метод накладной рамки. При импульсном методе в КЛ посылается так называемый зондирующий электрический импульс и измеряется время между моментом посылки зондирующего импульса и моментом прихода импульса, отраженного от места повреждения. При этом учитывается, что скорость распространения электромагнитных колебаний в КЛ с бумажной изоляцией находится в пределах 160 м/мкс. Прибор присоединяется к одному концу линии (схема присоединения выбирается в зависимости от характера повреждения). Импульсный метод может быть применен в КЛ любых конструкций при однофазных и многофазных повреждениях устойчивого характера и при сложных повреждениях.

Метод колебательного разряда базируется на измерении периода (полупериода) собственных электрических колебаний, которые возникают в КЛ в момент ее пробоя, т.е. при разряде электрической дуги в месте повреждения. Для определения места повреждения по данному методу, линию необходимо доводить до пробоя в момент измерений, что достигается подачей на линию повышенного напряжения (ниже испытательного). Метод предназначен для определения места повреждения кабельных линий при наличии "заплывающего" пробоя или в тех случаях, когда в месте повреждения отмечаются электрические разряды. "Заплывающий" пробой характеризуется следующими друг за другом пробоями с разными промежутками времени под воздействием повышенного напряжения. При снижении напряжения пробои прекращаются. В некоторых случаях поврежденная линия начинает выдерживать более высокое напряжение, вплоть до испытательного, т.е. изоляция линии временно восстанавливается. Это наблюдается преимущественно в муфтах. В процессе определения места повреждения напряжение установки поднимается до пробивного, в момент пробоя прибор производит измерение. При определении места однофазного повреждения целые жилы КЛ должны быть изолированы. При повреждении между жилами напряжение испытательной установки подается на одну жилу, а две других заземляются через сопротивление более 1000 Ом.

Мостовой метод предусматривает использование измерительных мостов постоянного или переменного тока. Для измерения расстояния до места повреждения собирается мостовая схема из регулируемых резисторов измерительного моста, поврежденной и здоровой жил, соединенных накоротко с противоположного конца линии. При определении места повреждения путем изменения R ₁ и R ₂ добиваются равновесия моста. Расстояние до места повреждения определяется как

 

l _x = 2 LR ₁/(R ₁+ R ₂), (5.1)

 

где L - длина линии;

R ₁ и R ₂ - сопротивление резисторов, присоединенных к поврежденной и неповрежденной жилам соответственно.

При применении мостового метода необходимо иметь одну неповрежденную жилу или жилу с переходным сопротивлением, не менее чем в 100 раз большим переходного сопротивления других жил. Методом надежно определяются однофазные и многофазные повреждения устойчивого характера.

При обрывах жил определение места повреждения производится путем измерения емкости линии при помощи моста переменного тока. Как правило, применяется универсальный кабельный мост, который допускает измерение на постоянном и переменном токе.

Индукционный метод относится к топографическим методам и основан на принципе прослушивания с поверхности земли звука, который создается электромагнитными колебаниями при прохождении по жилам КЛ тока звуковой частоты (800 - 1200 Гц). С этой целью генератор звуковой частоты присоединяется к двум жилам кабельной линии. Для прослушивания звука используются специальная приемная рамка с усилителем (кабелеискатель) и телефонные наушники. При движении оператора с кабелеискателем по трассе звук в наушниках будет периодически изменяться из-за наличия скрутки жил. Кроме того, звук будет усиливаться над соединительной муфтой, изменяться в зависимости от изменения глубины прокладки линии, наличия труб и т.п. Только над местом повреждения будет отмечаться резкое возрастание звука с последующим его затуханием на расстоянии 0,5 - 1,0 м от повреждения. С помощью индукционного метода определяются двух- и трехфазные повреждения устойчивого характера при значении переходного сопротивления не более 20 - 25 Ом. Применяются генераторы звуковой частоты и кабелеискатели различного схемного и конструктивного исполнения. С целью увеличения чувствительности метода и исключения индустриальных помех (соседние кабели, электрифицированный транспорт и т.п.), увеличивают частоту генератора до 10 кГц, применяют кабелеискатели с высокоизбирательными антеннами и используют настроенные рамки. Индукционный метод широко используется для определения трассы кабеля и глубины его залегания в земляной траншее. С этой целью первый вывод генератора присоединяется к жиле, противоположный ее конец и второй вывод генератора заземляется. Ток генератора в зависимости от величины помех и глубины залегания кабеля устанавливается до 15 - 20 А. При горизонтальном расположении приемной рамки кабелеискателя максимальный звук в наушниках будет соответствовать положению над кабелем. При вертикальном расположении рамки над кабелем звук будет исчезать, при перемещении рамки в одну и другую сторону от кабеля звук сначала возрастает, а затем медленно убывает. В результате прослушивания звука над трассой устанавливается ее точное положение. Для определения глубины залегания кабеля приемную рамку кабелеискателя устанавливают под углом 45° к вертикальной плоскости, проходящей через кабель. Рамку отводят от линии расположения кабеля до того момента, когда пропадет звук в наушниках. Расстояние между линией трассы и положением рамки будет соответствовать, глубине прокладки кабеля. Метод используется также для определения положения соединительных муфт на трассе. В таком случае генератор включают по схеме двухпроводного питания, т.е. выводы генератора присоединяются к двум жилам линии, последние с другого конца соединяются накоротко. Над муфтами будет прослушиваться резкое усиление звука. Метод накладной рамки является разновидностью индукционного метода. При этом вместо приемной рамки к кабелеискателю присоединяется так называемая накладная рамка, выполненная в виде металлической обоймы, внутри которой расположена измерительная катушка. Накладная рамка вращается оператором вокруг поврежденного кабеля при включенном генераторе звуковой частоты. Звук в наушниках до места повреждения будет дважды изменяться, достигая максимума и минимума, над местом повреждения в наушниках будет прослушиваться монотонное звучание. Метод накладной рамки применяется на открыто проложенных КЛ, при замыкании одной жилы на оболочку и при повреждении изоляции двух или трех жил с большим переходным сопротивлением. При применении метода для линий, проложенных в земле, производится вскрытие трассы с помощью шурфов.

Акустический метод основан на прослушивании над местом повреждения звуковых колебаний, возникающих в месте повреждения по причине искрового разряда от электрических импульсов, посылаемых в кабельную линию. В качестве источника импульсов служит испытательная установка. Схема определения места повреждения зависит от вида повреждения КЛ. Если произошел "заплывающий" пробой, то источником импульсов служит испытательная установка, напряжение которой поднимается до пробоя в месте повреждения. При устойчивых замыканиях в месте повреждения для образования импульса используется испытательная установка, разрядник и накопительная (зарядная) емкость или емкость неповрежденных жил. В этом случае одновременно с разрядником происходит разряд в месте повреждения КЛ. В процессе определения места повреждения звук разряда периодически посылаемых импульсов прослушивается в месте повреждения оператором с помощью стетоскопа или кабелеискателя с пьезодатчиком, который преобразует механические колебания, возникающие в грунте при разряде импульса, в электрические. Максимальный звук соответствует месту повреждения. Метод используется при "заплывающих" пробоях, одно- и многофазных повреждениях устойчивого характера (но не металлических замыканий), при обрывах жил с заземлением в месте повреждения. Современные кабелеискатели являются акустико-индукционными и могут использоваться для акустического и индукционного методов измерения. Определенные трудности, возникающие при дистанционном и топографическом методах определения места повреждения, возникают при однофазных замыканий на землю. В частности, импульсный метод дает надежные результаты только при малом значении переходного сопротивления в месте повреждения. По этой причине были разработаны новые приборы, принцип работы которых базируется на импульсной локации во время горения дуги. В результате область использования импульсного метода значительно расширился. В частности, с его помощью можно определять дефект кабельной линии при увлажненной изоляции и даже "заплывающий" пробой. При однофазных повреждениях КЛ (при металлическом замыкании на землю) акустический метод непригоден. Индукционный метод в таких случаях также не всегда эффективен. Только применение накладной рамки с соответствующим шурфованием на трассе кабельной линии обеспечивает определение места повреждения с необходимой точностью. Применение индукционного метода при наличии переходного сопротивления в месте однофазного повреждения вообще исключено, так как невозможно устранить электромагнитное поле помех, которое создается током звуковой частоты, стекающим с оболочки кабеля в землю. По этим причинам средства поиска однофазных повреждений необходимо совершенствовать. Так, можно отметить индукционно-фазовый способ, который базируется на контроле фазового сдвига тока, протекающего по поврежденной жиле кабельной линии. С этой целью в целую и поврежденную жилы линии посылают токи кратной частоты, например 1 и 10 кГц, которые создаются генераторным комплексом. Контроль производится индукционным методом с помощью усовершенствованного приемно-передающего переносного устройства. Место повреждения определяется по изменению фазового угла тока на месте дефекта кабельной линии. Для диагностирования кабелей с пластмассовым покрытием применяются потенциальные методы, которые предусматривают измерение разности потенциалов на поверхности земли, создаваемой током растекания в месте повреждения. В основу одного из таких способов положено сравнение двух сигналов звуковой частоты, создаваемых током в оболочке кабеля и током растекания в земле. Генератор присоединяется к оболочке кабеля и к земле. Приемная аппаратура содержит индукционный датчик, усилители обоих сигналов, потенциальные зонды и схему сравнения фазы сигналов и индикатор. Место повреждения устанавливается на трассе линии по нулевому показанию индикатора.