Artykuły techniczne

PRZEGLĄD METOD LOKALIZACJI USZKODZEŃ KABLI ENERGETYCZNYCH

Spis treści:

Zastosowania
Techniki lokalizacji uszkodzeń oparte na pomiarach odbicia
Konfiguracja systemu pomiarowego

Systemy elektryczne często stwarzają problem dokładnego lokalizowania miejsca uszkodzenia w kablu. Tego typu uszkodzenia często występują w najmniej korzystnym czasie oraz powodują maksymalne niedogodności dla odbiorcy energii. Służby techniczne muszą w szybko znaleźć i zaizolować miejsce uszkodzenia w celu przywrócenia dostaw energii. Dostępnymi metodami lokalizacji miejsca uszkodzenia są: wskaźniki uszkodzeń, generatory udaru, radary, detektory akustyczne lub kombinacja powyższych. Prowadzone badania wykazały, że badanie starszych systemów kablowych nadmiernymi udarami skraca ich czas życia. Rzeczywiście, często są słyszane anegdotyczne opowieści, że starsze kable, które są nadmiernie "dopalane" stają się pewnym kandydatem do uszkodzenia w przeciągu następnego roku. W odpowiedzi na potrzebę bardziej delikatnych metod lokalizacji, rozwinięto bardziej wymyślne metody, które redukują narażenie starszych systemów izolacyjnych. Podstawowym osiągnięciem jest zredukowanie ilości udarów koniecznych do zlokalizowania miejsca uszkodzenia z równoczesnym zredukowaniem napięcia wymaganego do wykonania zadania.

Metoda radaru używana w nowych przyrządach jest związana z wykorzystaniem reflektometrów (TDR od słów Time Domain Reflectometry) i z metodą stanów nieustalonych, które zostały opracowane w latach 70. Metoda radaru zdecydowanie redukuje narażenia kabla dzięki szybkiemu lokalizowaniu miejsca uszkodzenia. Dodatkowym zyskiem jest skrócenie czasu lokalizowania uszkodzenia.

Jak tylko wstępna lokalizacja miejsca uszkodzenia zostanie określona dzięki technice radarowej, obsługujący musi sprecyzować dokładne miejsce lokalizacji uszkodzenia. Najszerzej stosowaną w praktyce techniką jest słuchanie małych eksplozji w miejscu uszkodzenia, w czasie, gdy wysoka energia jest rozładowywana przez miejsce uszkodzenia tzw. "udary". Zakres stosowanych metod: od słuchania za pomocą tuby megafonowej, aż do wyrafinowanych przyrządów zawierających geofony. Nie tylko techniki radarowe zostały gwałtownie rozwinięte, ale również metody punktowej lokalizacji. Kiedy wysoka energia generatora udarów przebija miejsce uszkodzenia, emitowana jest fala akustyczna. Ponieważ kable energetyczne są typowo zakopane na głębokości 0,9m pod powierzchnią ziemi, akustyczna emisja może nie zawsze być słyszana bez pomocy akustycznych przyrządów wzmacniających.

Techniki wstępnej lokalizacji uszkodzeń oparte na pomiarach odbicia

Reflektometry TDR (Time Domain Reflectometry)

Reflektometry, będące pewną odmianą aktywnych radarów, wysyłają impulsy o dużej częstotliwości i niskim napięciu do badanego kabla. Kiedy te impulsy napotykają punkt gdzie zmienia się impedancja falowa kabla, na skutek zmian struktury kabla, część lub cała energia impulsu odbija się z powrotem do TDR gdzie na ekranie wyświetlana jest charakterystyka impedancji kabla.

TDR dokonuje pomiaru czasu jaki potrzebuje impuls na dotarcie do miejsca zmiany impedancji plus czas potrzebny na powrót impulsu. Znając prędkość z jaką impulsy przemieszczają się w kablu, przyrząd automatycznie oblicza odległość od miejsca wystąpienia zmiany impedancji.

TDR wyświetla informację graficznie w formie wykresu. Czytanie tych wykresów jest podobne do czytania mapy.

Zalety:

łatwe i szybkie lokalizowanie miejsca uszkodzenia
bezpieczne, niskie napięcie pomiarowe
wykresy TDR mogą być archiwizowane dla późniejszego użycia, jako narzędzie diagnostyczne (przez porównanie nowego wykresu z wcześniejszym) lub do lokalizacji miejsca uszkodzenia

Ograniczenia:

TDR nie może lokalizować miejsc uszkodzeń o dużej impedancji, wymagających wysokich napięć do wykreowania stanu awarii - dla tego typu uszkodzeń zalecaną metodą jest "odbicie od łuku"

Cyfrowe odbicie od łuku (DAR od Digital Arc Reflection)

Uszkodzenie kabla, które daje się przebijać, czasami nazywane uszkodzeniem błyskającym, jest zasadniczo uszkodzeniem z rezystancją zerową w czasie trwania palenia się łuku. Aby móc wykorzystać to zjawisko został skonstruowany filtr, który umożliwia wysyłanie przez reflektometr (TDR) impulsów do uszkodzonego kabla w tym samym czasie gdy generator udarów wysyła impuls napięcia przebijający badany kabel. Impulsy reflektometru odbijają się od łuku powstającego w miejscu uszkodzenia kabla i są następnie wyświetlane na ekranie przyrządu.

Zalety pomiaru:

mogą być zlokalizowane wszystkie uszkodzenia, które podtrzymują palący się łuk podczas udaru
liczba udarów wymaganych do lokalizowania miejsca uszkodzenia jest minimalizowana
napięcie wyjściowe podawane do kabla jest automatycznie regulowane przez filtr odbicia od łuku

Ograniczenia:

niemożność lokalizacji uszkodzeń powyżej 15000m
brak możliwości lokalizacji uszkodzeń, które nie podtrzymują łuku (tj. uszkodzenia nasycone wodą lub olejem)
zalecaną techniką dla tego typu uszkodzeń jest "odbicie impulsu udaru"

Odbicie impulsu udaru

Kiedy rozładowuje się generator udaru w uszkodzonym kablu, fala napięcia wytwarzana przez generator udaru przemieszcza się wzdłuż kabla. Impuls najpierw przechodzi obszar uszkodzenia następnie odbija się od końca kabla wracając w kierunku uszkodzenia. Prąd w miejscu uszkodzenia powoduje ustalenie małej rezystancji łuku i generuje nowe czoło fali. To nowe czoło fali przemieszcza się z powrotem w kierunku generatora udaru. Kiedy nowe czoło fali osiąga generator udaru, widzi pojemność generatora jako zwarcie obwodu i odbija się ponownie w kierunku uszkodzenia, które również okazuje się zwarciem obwodu podczas przebicia. Czoło fali będzie kontynuowało przemieszczanie się w tą i z powrotem pomiędzy generatorem udaru i miejscem uszkodzenia, z powoli malejącą amplitudą. Wynikiem tej przemieszczającej się fali są chwilowe prąd oraz napięcie. Sprzęg indukcyjny lub bocznik prądowy są używane do przechwycenia, a następnie wyświetlania tych chwilowych wartości na ekranie analizatora.

Zalety:

lokalizuje uszkodzenia, w sytuacji gdy łuk nie może być podtrzymywany podczas udaru

Wady:

napięcie wyjściowe dokładane do kabla nie jest automatycznie regulowane.
nieznacznie większe błędy są otrzymywane przy pomiarach odległości w porównaniu z metodą odbicia od łuku.

Konfiguracja systemu pomiarowego

System do pomiaru uszkodzeń w kablach energetycznych składa się z kilku przyrządów pracujących razem. Typowy system, w minimalnej konfiguracji, wykorzystuje następujące komponenty:

generator udaru
przełącznik potwierdzenia uszkodzenia/dopalanie
filtr odbicia od łuku
sprzęg impulsu udaru
analizator kabla