Определение места повреждения кабельных линий является критически важной задачей в электроэнергетике, поскольку от скорости и точности локализации дефекта зависит продолжительность перерыва электроснабжения потребителей. Современная практика поиска повреждений кабеля включает комплексный подход, сочетающий дистанционные методы предварительной локализации зоны повреждения и топографические методы точного определения координат дефекта на местности.
В этой статье представлен технический обзор классических и современных методов поиска повреждений кабельных линий, их физических принципов, области применения и практических рекомендаций по использованию в зависимости от типа повреждения.
Повреждения кабельных линий классифицируются по характеру дефекта: короткие замыкания между жилами или на землю с различным переходным сопротивлением, обрывы одной или нескольких жил, появление утечки между жилами или между жилой и экраном, увеличение продольного сопротивления. Причинами повреждений являются механические воздействия при проведении земляных работ, старение изоляции, нарушение герметичности от воздействия влаги, термические перегрузки.
Процесс определения места повреждения кабеля традиционно состоит из двух этапов: дистанционного определения расстояния до зоны повреждения от одного из концов кабельной линии и точного определения места повреждения на местности топографическими методами. Такой подход позволяет существенно сократить время поиска и минимизировать объем земляных работ.
Классификация методов поиска повреждений
Методы определения мест повреждений кабельных линий подразделяются на две основные группы: дистанционные методы и топографические методы. Дистанционные методы выполняются с одного или обоих концов кабельной линии без необходимости доступа к трассе и позволяют определить расстояние до места повреждения.
К дистанционным методам относятся импульсная рефлектометрия, петлевой метод, емкостной метод и импульсно-дуговой метод. Топографические методы применяются после предварительной локализации зоны повреждения и позволяют определить точные координаты дефекта непосредственно на трассе кабеля.
Топографические методы включают акустический метод, индукционный метод, метод накладной рамки и потенциальный метод. Выбор конкретного метода определяется характером повреждения, доступностью концов кабельной линии, наличием соответствующего оборудования и требуемой точностью локализации.
Метод импульсной рефлектометрии
Метод импульсной рефлектометрии, называемый также методом отраженных импульсов или локационным методом, является наиболее универсальным и широко распространенным способом дистанционного определения места повреждения кабельных линий. Метод основан на распространении импульсных сигналов в двух- и многопроводных системах и анализе отраженных от места повреждения импульсов.
Сущность метода импульсной рефлектометрии заключается в выполнении следующих операций: зондирование кабеля импульсами напряжения, прием импульсов, отраженных от места повреждения и неоднородностей волнового сопротивления, выделение отражений от места повреждений на фоне помех, определение расстояния до повреждения по временной задержке отраженного импульса относительно зондирующего.
На графическом индикаторе рефлектометра воспроизводится рефлектограмма линии — реакция линии на зондирующий импульс. Анализируя рефлектограмму, оператор получает информацию о наличии или отсутствии в ней повреждений и неоднородностей. Расстояние до места повреждения рассчитывается по формуле
L=(v х t)/2,
где v — скорость распространения сигнала в кабеле, t — время задержки отраженного импульса.
При распространении вдоль линии импульсный сигнал затухает, то есть уменьшается по амплитуде. Затухание определяется геометрической конструкцией линии, выбором материалов для проводников и изоляции и является частотно-зависимым. Следствием частотной зависимости является изменение формы зондирующих импульсов при их распространении по линии — длительности фронта и среза импульса увеличиваются.
Современные импульсные рефлектометры, такие как BAUR TDR 510, позволяют определять места повреждений всех видов металлических кабелей: силовых кабелей, кабелей связи, коаксиальных кабелей. Кроме определения места повреждения, рефлектометр используется для измерения длины кабеля на барабане, выявления несанкционированных врезок в линию.
Метод импульсной рефлектометрии применим для обнаружения коротких замыканий, обрывов, повышенного переходного сопротивления изоляции. Однако метод не эффективен для поиска "заплывающих" пробоев с высоким переходным сопротивлением, которые не создают достаточного отражения зондирующего импульса.
Петлевой метод определения места повреждения
Метод петли или петлевой метод используют для установления зоны повреждения при двух- и однофазных замыканиях, если имеется одна неповрежденная жила или параллельный кабель, жилы которого не повреждены. Этот метод был первым методом для выявления мест повреждения кабельных линий и сегодня практически не используется, так как в сравнении с другими методами является самым неточным и трудоемким.
В основе метода петли лежит принцип измерительного моста постоянного тока, который позволяет установить отношение обратной петли и сопротивлений поврежденной жилы кабеля между местом измерения и точкой замыкания. Чтобы определить этот показатель, неповрежденную и поврежденную кабельные жилы соединяют на одном конце линии с помощью перемычки в форме петли.
Так создается четырехплечевой мост, состоящий из регулируемых сопротивлений R1R и R2, подключенных соответственно к неповрежденной и поврежденной жилам кабеля, а также сопротивлений жил кабеля Rx, пропорционального длине участка кабеля L, и Ry, пропорционального длине участка кабеля 2Lk х L.
Для определения расстояния до места повреждения кабельной линии используется формула
L=(2Lk х R2)/(R1+R2),
где Lk — общая длина кабеля, R1 — сопротивление моста, подключенное к неповрежденной жиле, R2 — сопротивление моста, подключенное к поврежденной жиле.
Для определения места повреждения кабеля петлевым методом пользуются мостами постоянного тока Р333, Р333-М1. Недостатками метода являются низкая точность измерений, необходимость наличия неповрежденной жилы и сложность проведения измерений. Метод практически вытеснен более современными способами локализации.
Емкостной метод определения места повреждения
Емкостной метод применяют для определения зоны повреждения при обрывах одной или нескольких жил кабельной линии. Основа метода — зависимость емкости кабеля от его длины. Емкость оборванной жилы измеряют с помощью моста переменного тока или баллистического гальванометра на постоянном токе.
Если оборвана жила кабеля без заземления, определяется ее емкость с обоих концов линии. Для определения зоны повреждения используется формула
Lx=(L х C1)/(C1+C2),
где C1 и C2 — измеренные емкости кабельной жилы с одной и с другой стороны линии, Lx — расстояние до точки обрыва, L — вся длина кабельной линии.
При измерении емкости с помощью моста переменного тока плечи моста образуются регулируемыми комбинированными сопротивлениями R1 и R2, емкостью поврежденной жилы Cx и эталонной емкостью Cэ с регулируемым сопротивлением R3. К одной диагонали моста подводят переменное напряжение звуковой частоты, обычно 1000 Гц, ко второй подключают телефон или усилитель переменного тока со стрелочным индикатором.
Если поврежденная жила имеет с одного конца глухое заземление, то расчет производят по формуле
Lx=(L х Cx)/C,
где C — емкость неповрежденной жилы. В случае, когда емкость поврежденной жилы можно замерить только с одного конца, а все неповрежденные жилы имеют глухое заземление, применяют формулу
Lx=Cx/C0,
где C0 — удельная емкость жилы, взятая из таблицы характеристик кабелей.
Емкостной метод особенно удобен в случаях, когда обрыв жил кабеля происходит в соединительных муфтах. После определения зоны повреждения к ней направляется специалист с оборудованием для проведения акустического, индукционного исследования или исследования методом накладной рамки для установления точного места обрыва жил.
Импульсно-дуговой метод
Импульсно-дуговой метод может быть использован для определения расстояния до места сложного высокоомного или неустойчивого повреждения, являющегося одним из наиболее трудных для диагностики типов дефектов. Метод позволяет с высокой точностью локализовать повреждения, которые невозможно обнаружить обычной импульсной рефлектометрией.
Сущность импульсно-дугового метода заключается в одновременном воздействии на кабельную линию высоковольтным импульсом и выполнении измерений методом импульсной рефлектометрии. Высоковольтный импульсный генератор подключается к кабельной линии через устройство поддержания дуги, основным компонентом которого является индуктивность.
Для выполнения проверки данным методом используются три прибора: высоковольтный импульсный генератор, устройство для поддержания электрической дуги индуктивного типа или прожигающая установка и рефлектометр. Для соединения рефлектометра с кабельной линией применяются специальные фильтры, если они не встроены в прибор.
При подаче высоковольтного импульса в месте высокоомного повреждения возникает кратковременный электрический пробой, создающий дугу с низким сопротивлением. В этот момент рефлектометр фиксирует отраженный импульс, позволяя точно определить расстояние до места повреждения. Импульсный рефлектометр подключается через комбинированное устройство сопряжения.
Преимуществом импульсно-дугового метода является возможность определения расстояния до места сложного высокоомного или неустойчивого повреждения с точностью, сопоставимой с обычной импульсной рефлектометрией для низкоомных замыканий. Современные высоковольтные генераторы серии ГИ-500, ГИ-1000, ГИ-2000 реализуют данный метод в передвижных высоковольтных лабораториях.
Акустический метод поиска повреждений
Акустический метод поиска повреждений кабеля практически универсален и позволяет находить повреждения различного типа: "заплывающие" пробои, однофазные и междуфазные повреждения с различными переходными сопротивлениями, обрывы одной или нескольких жил. При этом полное замыкание с маленьким переходным сопротивлением не дает искрового разряда и не может быть определено данным методом.
Сущность акустического метода обнаружения повреждений кабельных линий заключается в улавливании кратковременного звукового сигнала — щелчка, удара, возникающего одновременно с электрическим искровым или дуговым разрядом, происходящим в месте повреждения кабеля в момент подачи на него высоковольтного импульса электрического напряжения.
Для контроля и индикации сигнала используется высокочувствительный акустический датчик (микрофон), преобразующий звуковой сигнал в электрический. Датчик подключен к переносному приемно-усилительному устройству, снабженному звуковой и визуальной индикацией. Оператор, пошагово перемещая по поверхности вдоль трассы кабеля датчик в направлении увеличения сигнала, находит точку с максимальным сигналом, которая находится непосредственно над местом повреждения.
Акустический метод основан на прослушивании над местом повреждения кабельной линии звуковых колебаний, вызванных искровым разрядом в канале повреждения. На трассе кабельной линии в зоне предполагаемого места повреждения, определенной дистанционным методом, для более точного определения целесообразно провести измерения акустическим методом.
В ряде случаев с помощью акустического метода поиска возможно найти несколько повреждений на одной кабельной линии. Точность метода составляет от нескольких сантиметров до метра в зависимости от глубины прокладки кабеля, типа грунта и характера повреждения.
Индукционный метод определения места повреждения
Индукционный метод определения места повреждения основан на принципе улавливания магнитного поля над кабелем, по которому пропускается ток от генератора звуковой частоты. Частота тока составляет от 1000 до 10000 Гц. Метод обеспечивает высокую точность определения места повреждения и имеет широкое распространение.
Индукционным методом можно определить трассу кабельной линии, глубину прокладки кабельной линии, искомый кабель в пучке кабелей, междуфазные повреждения кабельной линии, однофазные повреждения кабеля. При определении трассы кабельной линии генератор звуковой частоты включается по схеме фаза-земля.
Для поиска места повреждения используются кабелеискатели КИИ-83 и КИИ-89, которые позволяют однозначно определить, в каком направлении следует вести поиск вдоль трассы линии, чтобы приблизиться к месту повреждения. Это исключает производство ошибочных действий оператора.
Магнитная антенна приемного устройства воспринимает электромагнитное поле кабеля. Индикатором служит стрелочный прибор или звуковой индикатор. Оператор перемещается вдоль трассы кабеля, фиксируя изменение интенсивности сигнала. Место повреждения определяется по характерному изменению сигнала — после точки повреждения интенсивность резко падает.
Для определения глубины прокладки кабеля сначала находят линию трассы кабеля и проводят черту. Затем, располагая ось рамки под углом 45 градусов к вертикальной плоскости, проходящей через ось кабеля, добиваются отсутствия в рамке индуцированного ЭДС. Расстояние от этого места до трассы, отмеченной чертой, равно глубине залегания кабеля.
Метод накладной рамки
Метод накладной рамки является разновидностью индукционного метода и применяется для определения места короткого замыкания между жилой кабеля и металлической оболочкой. Данный метод можно использовать как для открыто проложенных кабелей, так и для кабельных линий, проложенных в земле. В последнем случае необходимо предварительно произвести раскопку нескольких шурфов в зоне повреждения кабеля.
Накладная рамка применяется при поиске поврежденной жилы в кабельной линии или выделения кабеля из пучка после точной локализации места повреждения и проведения раскопок. Неправильное определение поврежденного кабеля перед проведением электромонтажных работ может вызвать опасные для жизни персонала последствия или выход из строя системы электроснабжения потребителей.
Сущность метода аналогична индукционному. После подключения генератора на кабель накладывают рамку с телефоном и поворачивают ее вокруг оси кабеля. Если измерение производится до места повреждения, то за один поворот рамки будет прослушиваться два максимума и два минимума звукового сигнала. За местом повреждения при повороте рамки будет прослушиваться монотонный звук.
При выделении поврежденного кабеля из пучка генератор подключается к двум неповрежденным жилам кабеля, которые на другом конце закорачиваются. Накладная рамка подключается вместо магнитной антенны к входу приемника. Оператор вращает рамку вокруг кабеля при включенном генераторе звуковой частоты.
Возможно использование накладной рамки для поиска междуфазных повреждений. Генератор подключают между поврежденными жилами. До места повреждения будут наблюдаться два максимума сигнала. После места повреждения в наушниках будет прослушиваться монотонное звучание. Для осуществления поиска потребуется сделать несколько шурфов на протяжении кабельной линии.
Потенциальный метод
Потенциальный метод используется для топографического определения места повреждения при междуфазных и однофазных замыканиях. Метод основан на измерении разности потенциалов в различных точках над трассой кабеля при пропускании через поврежденную жилу постоянного или переменного тока низкой частоты.
При однофазном замыкании генератор подключается между поврежденной жилой и землей. В месте повреждения ток растекается в земле, создавая разность потенциалов на поверхности грунта. Измеряя потенциалы в различных точках вдоль трассы кабеля, можно определить место, где разность потенциалов максимальна — это соответствует месту повреждения.
Потенциальный метод эффективен при низкоомных замыканиях на землю и требует хорошей проводимости грунта. В сухих песчаных грунтах метод менее эффективен. Преимуществом метода является простота оборудования и относительно высокая точность при благоприятных условиях.
Сравнительная таблица методов оиска и определения мест повреждений кабельных линий
| Метод | Тип повреждения | Точность (%) | Преимущества | Недостатки |
|---|---|---|---|---|
| Импульсная рефлектометрия | КЗ, обрывы, утечки | 0.5–2 | Универсальность, быстрота | Не для высокоомных дефектов |
| Петлевой метод | КЗ с неповрежденной жилой | 5–10 | Простота оборудования | Низкая точность, трудоемкость |
| Емкостной метод | Обрывы | 1–3 | Легкость для обрывов | Только для емкостных измерений |
| Импульсно-дуговой | Высокоомные дефекты | 0.5–1 | Для сложных случаев | Требует высокого напряжения |
| Акустический | Пробои, обрывы | 0.1–1 м | Универсальность на местности | Зависит от грунта и шума |
| Индукционный | КЗ, трасса | 0.5–1 м | Определение трассы | Частотные ограничения |
| Накладной рамки | КЗ на оболочку | 0.5 м | Для пучков кабелей | Требует раскопок |
| Потенциальный | КЗ на землю | 1–2 м | Простота | Не для сухих грунтов |
Практические рекомендации по выбору метода
Выбор метода поиска повреждения определяется характером дефекта кабельной линии. Для коротких замыканий с низким переходным сопротивлением рекомендуется использовать импульсную рефлектометрию в сочетании с индукционным или потенциальным методом для точной локализации на местности.
При высокоомных и неустойчивых повреждениях применяется импульсно-дуговой метод для дистанционной локализации и акустический метод для точного определения места повреждения на трассе. Эта комбинация обеспечивает наиболее надежный результат при сложных повреждениях.
Для обрывов жил кабеля используется емкостной метод дистанционной локализации, после чего возможно применение индукционного метода или метода накладной рамки для точного определения места обрыва при раскопке шурфов.
При наличии неповрежденной жилы или параллельного кабеля возможно применение петлевого метода, хотя он уступает по точности современным методам. Для выделения поврежденного кабеля в пучке обязательно применяется метод накладной рамки после раскопки.
Современная передвижная электролаборатория оснащается комплектом оборудования, позволяющим реализовать все основные методы поиска повреждений: импульсным рефлектометром, высоковольтным генератором импульсов, устройством поддержания дуги, акустическим датчиком с приемником, кабелеискателем и накладной рамкой.
Последовательность действий при поиске повреждения кабельной линии включает предварительную диагностику характера повреждения мегаомметром, дистанционное определение расстояния до зоны повреждения соответствующим методом, выезд на место предполагаемого повреждения, точную локализацию дефекта топографическим методом, раскопку шурфа и выполнение ремонтных работ.
Точность дистанционных методов составляет от 0.5% до 2% длины кабеля в зависимости от применяемого оборудования и характера повреждения. Топографические методы обеспечивают точность локализации от нескольких сантиметров до 1-2 метров, что позволяет минимизировать объем земляных работ.
Развитие технологий поиска повреждений кабельных линий продолжается в направлении повышения точности локализации, сокращения времени диагностики и создания универсальных приборов, объединяющих функции нескольких методов. Современные цифровые рефлектометры с расширенными возможностями обработки сигналов позволяют обнаруживать дефекты, которые ранее считались труднодиагностируемыми.
Практические рекомендации по выбору метода
Выбор метода поиска повреждения определяется характером дефекта кабельной линии, а также условиями эксплуатации и доступным оборудованием.
Для коротких замыканий с низким переходным сопротивлением рекомендуется использовать импульсную рефлектометрию в сочетании с индукционным или потенциальным методом для точной локализации на местности.
При высокоомных и неустойчивых повреждениях применяется импульсно-дуговой метод для дистанционной локализации и акустический метод для точного определения места повреждения на трассе, что обеспечивает наиболее надежный результат при сложных дефектах.
Для обрывов жил кабеля используется емкостной метод дистанционной локализации, после чего возможно применение индукционного метода или метода накладной рамки для точного определения места обрыва при раскопке шурфов.
При наличии неповрежденной жилы или параллельного кабеля возможно применение петлевого метода, хотя он уступает по точности современным методам. Для выделения поврежденного кабеля в пучке обязательно применяется метод накладной рамки после раскопки.
Алгоритм диагностики повреждений кабельных линий
Процесс диагностики повреждений кабельных линий следует поэтапному алгоритму, который минимизирует время поиска и снижает риски ошибок.
Сначала проводится предварительная диагностика характера повреждения с помощью мегаомметра для проверки сопротивления изоляции каждой жилы относительно земли и между жилами, что позволяет выявить тип дефекта (КЗ, обрыв, утечка).
На основе результатов выбирается дистанционный метод для определения расстояния до зоны повреждения: импульсная рефлектометрия для низкоомных дефектов, емкостной для обрывов, импульсно-дуговой для высокоомных.
После локализации зоны выезд на трассу для топографического поиска: акустический метод для пробоев, индукционный для трассы и КЗ. Завершается алгоритм раскопкой шурфа, ремонтом и повторной проверкой.
Влияние факторов окружающей среды на выбор метода
Факторы окружающей среды существенно влияют на эффективность методов локализации, требуя адаптации подхода. Глубина прокладки кабеля (стандартно 0,7–1 м, но до 2–3 м в сложных условиях) ограничивает применение акустического метода: на глубине более 1,5 м сигнал затухает, и точность падает до 1–2 м из-за ослабления звуковых колебаний в грунте, поэтому предпочтительны индукционные или потенциальные методы с повышенной чувствительностью.
Тип грунта также критичен: в сухих песчаных почвах потенциальный метод менее эффективен из-за низкой проводимости, где ток не создает достаточной разности потенциалов, в то время как в влажных глинистых грунтах акустический сигнал распространяется лучше, но шум от помех (дождь, трафик) может искажать результаты.
Для кабелей длиной более 10 км возникают проблемы с затуханием сигналов в дистанционных методах: импульсная рефлектометрия теряет точность (до 5–10% ошибки) из-за дисперсии волн и неоднородностей, требуя многоточечных измерений с обоих концов или использования продвинутых цифровых рефлектометров с компенсацией затухания. В таких случаях комбинируют методы с предварительным сканированием трассы дронами или трассопоискателями для учета кривизны и помех.
Современная передвижная электролаборатория оснащается комплектом оборудования, позволяющим реализовать все основные методы: импульсным рефлектометром, высоковольтным генератором, акустическим датчиком и кабелеискателем.
Последовательность действий включает диагностику, дистанционный поиск, выезд на место, топографическую локализацию, раскопку и ремонт, с учетом указанных факторов для оптимизации. Точность дистанционных методов составляет 0,5–2% длины кабеля, а топографических — от сантиметров до 2 м, что минимизирует земляные работы.
Андрей Повный