УСТРОЙСТВО ОБСЛЕДОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ

Предлагаемая полезная модель относится к электронным устройствам обследования и контроля состояния конструкции и положения кабеля, проложенного под землей, с использованием дистанционных методов, например, рефлектометрии, а также фотографическим методом с фиксацией мест неоднородностей кабеля и привязкой к их местоположению на местности.
Известно устройство обследования состояния оболочки кабеля (см. патент Японии №7260453, М. кл. G 01 B 11/24, G 01 R 31/08, G 03 B 37/02, H 04 N 5/232, G 03 B 37/00, опубл. 13.10.1995 г.) с помощью телевизионной камеры, которая перемещается вдоль кабеля специальным устройством, включающим двигатель и связанную с ним систему плеч, на которой укреплена визуальная часть камеры, а также устройство управления отдельными частями этого устройства, расположенное на земле и имеющее устройство отображения, на которое проецируется изображение оболочки кабеля, передаваемое камерой. В основе действия данного устройства лежит пассивный метод получения информации о внешнем состоянии и местах неоднородностей оболочки кабеля по отраженному от нее излучению.
При этом данное устройство не содержит средств, которые бы позволили получить информацию о внутреннем состоянии кабеля.
Такую информацию позволяет получить, например, использование рефлектометра (см. заявку на изобретение №2001107701, М. кл. G 01 R 31/11, опубл. 10.03.2003 г.). Это устройство позволяет определять места повреждения кабеля с металлическими элементами. Для этого оно содержит источник зондирующих импульсов направленного электромагнитного излучения, подключаемый к жиле кабеля, приемник импульсов, отраженных от мест повреждения кабеля, устройство обработки сигналов и устройство отображения (осциллограф), на экране которого осуществляется совмещение зондирующего и отраженного импульсов при перемещении приемника в виде индукционной рамки над кабелем вдоль трассы его прокладки. При совмещении упомянутых импульсов на экране осциллографа определяют предполагаемое место повреждения жилы кабеля по местоположению индукционной рамки.
Данное устройство, как видно из его описания, не позволяет определить места неоднородностей по длине кабеля, а позволяет определить лишь одно предполагаемое место неоднородности, причем в случае явного повреждения кабеля. Кроме того, на работу данного
устройства оказывают влияние различные внешние электромагнитные ноля, вносящие существенную погрешность в результаты измерений и ограничивающие чувствительность используемого приемника с индукционной рамкой.
Следует также отметить, что ни устройство по патенту Японии №7260453, ни устройство по заявке РФ №2001107701 не дают возможности зафиксировать при обследовании состояния кабеля места неоднородностей в нем с их привязкой к положению кабеля, лежащего под землей, на местности для последующего быстрого нахождения этих мест.
Известен способ дистанционного обследования объектов электрических сетей с помощью тепловидеосъемочного устройства (см. заявку РФ №2004104193, М. кл. G 01 C 11/00, G 01 C 11/06, опубл. 20.07.2005 г.), при котором съемку линий электропередачи выполняют с летательного аппарата с помощью тепловизионного сканера низкого разрешения., сопряженного с навигационным GPS-приемником и системой измерения ориентации самолета, а также цифрового фотоаппарата с высоким пространственным разрешением, имеющим совмещенную со сканером полосу обзора.
Результаты съемки, представленные в виде непрерывного сканерного изображения и серии перекрывающихся кадров цифрового фотоаппарата, передают на компьютер и сохраняют их в памяти компьютера.
Затем с помощью компьютерных средств на основе априорной информации о параметрах перемещения визирующего луча сканера и передаваемых в составе сканерного изображения углах ориентации и пространственных координат летательного аппарата вычисляют географические координаты пикселов сканерного снимка.
После этого с помощью компьютерных средств выполняют геометрическое трансформирование сканерного изображения в картографическую проекцию с размером пиксела, соответствующим разрешению цифрового аппарата.
По результатам геометрического трансформирования с помощью компьютерных средств получают новое сканерное изображение с известными географическими и картографическими координатами пикселов и записывают его в память компьютера.
Далее из указанной серии перекрывающихся кадров цифрового фотоаппарата с помощью компьютерных средств выбирают первый кадр и с помощью процедуры корреляционно-экстремального анализа на этом кадре и новом сканерном изображении находят несколько участков с отображенными на них одноименными объектами и для каждой пары одноименных найденных участков изображений определяют взаимно корреляционные функции, аргументы которых характеризуют рассогласование местоположений отображенных на изображении одноименных объектов.
После этого с помощью компьютерных средств минимизируют рассогласование местоположений отображнных на изображениях одноименных объектов и в результате минимизации рассогласования получают первый кадр высокого пространственного разрешения с известными географическими координатами отображенных на нем объектов линий электрических сетей и сохраняют его в памяти компьютера.
Доя каждого следующего кадра цифрового фотоаппарата выполняют операции выбора на нем и сканерном изображении одноименных объектов, определения их взаимно корреляционных функций, аргумент которых характеризует рассогласование местоположения одноименных объектов, последующей минимизации рассогласования местоположения одноименных объектов и получения кадра высокого пространственного разрешения с известными географическими координатами отображенных на нем объектов линий электрических сетей. Эти операции выполняют до совмещения последнего кадра серии, и полученную серию перекрывающихся геопривязанных кадров с помощью компьютерных средств объединяют в одно непрерывное двухслойное изображение высокого пространственного разрешения с известной температурой представленных на нем объектов, первый слой которого содержит четкое и контрастное изображение видимого спектрального канала, а второй, температурный слой, содержит соответствующие первому слою пикселы тепловизионного снимка.
В результате обеспечивается получение цветного двухслойного изображения высокого пространственного разрешения с известными географическими координатами и температурой представленных на нем объектов.
Как видно из приведенного описания основной задачей известного устройства является получение сканированного тепловизионного изображения, несущего информацию о местах перегрева электрических сетей, возникающего из-за имеющихся в них скрытых дефектов с их привязкой к географическим координатам на местности.
В то же время устройство не может обеспечить определение скрытых мест неоднородностей (дефектов) кабеля, лежащего под землей.
При этом использование тепловизора требует, чтобы объект обследования обязательно находился в работающем состоянии (под максимальной нагрузкой, и для этого необходимо подключение к мощному источнику электроэнергии) для обеспечения возможности получения тепловизионного изображения.
Это является препятствием для его использования, например, при строительстве кабельной линии, когда необходима проверка ее состояния без подключения к источнику электроэнергии, или при
проверке кабеля, находящегося в аварийном состоянии, или если величина или тип неоднородности не вызывает нагрева жилы, например, понижение изоляции.
При этом требуется значительное время для проведения обследования таким устройством и определенное состояние атмосферы, не мешающее тепловому излучению, исходящему от воздушных линий электросетей.
Данное устройство выбрано за прототип.
Задачей заявляемой полезной модели является обеспечение возможности определения скрытых мест неоднородностей электрического кабеля, лежащего под землей с одновременным отображением, регистрацией и фиксацией в базе данных местоположения этих мест кабеля на местности.
Решение указанной задачи обеспечивается в предлагаемом устройстве обследования состояния электрического кабеля, содержащем устройство воздействия на объект обследования для определения в нем предполагаемых мест скрытых дефектов, цифровой фотоаппарат, связанный с переносным персональным компьютером, отличающемся тем, что оно содержит в качестве устройства воздействия на объект обследования, которым является кабель, для определения в нем предполагаемых мест скрытых дефектов, рефлектометр, включающий источник зондирующих импульсов, подключенный к одному из контактов переключателя, связанного выходом с входным торцом (электрической цепи) кабеля, приемник отраженных от неоднородности импульсов с устройством обработки сигналов и устройством отображения и интерфейс, входом связанный с выходом устройства обработки сигналов, а также, по меньшей мере, один дополнительный источник внешнего воздействия на кабель для создания искусственной неоднородности на локальном участке предполагаемого места скрытого дефекта, выполненный с возможностью перемещения вдоль кабеля для воздействия на него с боковой стороны и связанный с выходом интерфейса рефлектометра через введенные первый и второй радиомодемы, первый из которых установлен с входной стороны кабеля, а другой - в предполагаемом месте неоднородности кабеля и связан с переносным персональным компьютером.
При этом дополнительный источник внешнего воздействия на кабель с боковой стороны может быть выполнен в виде источника теплового воздействия.
Для обеспечения возможности перемещения дополнительного источника внешнего воздействия на кабель с боковой стороны он может быть установлен и зафиксирован на устройстве перемещения таким образом, чтобы его излучающая часть была углублена и направлена на располагаемый под землей кабель. На этом же устройстве перемещения может быть установлен фотоаппарат.
Причем устройство перемещения может содержать направляющие в виде рельс, располагаемые по трассе кабеля, на которых размещается передвижная подставка с механическим исполнительным устройством для точного перемещения на необходимое расстояние.
Для выявления точного места скрытого дефекта предлагаемое устройство может содержать второй дополнительный источник внешнего воздействия на кабель в виде генератора ступенчато изменяющегося высоковольтного напряжения, подключенного к другому контакту упомянутого переключателя.
Для определения точного места и направления перемещения по земле вдоль трассы дополнительного источника внешнего воздействия на кабель с боковой стороны предлагаемое устройство может дополнительно содержать селективный приемник сигналов рефлектометра, связанный с этим дополнительным источником внешнего воздействия, который может быть установлен на устройстве перемещения.
Использование в предлагаемом устройстве в качестве устройства воздействия на объект обследования, которым является электрический кабель, рефлектометра позволяет, в отличие от прототипа, где объектом обследования являются электрические сети, получить информацию о внутреннем состоянии кабеля, лежащего под землей, и в частности, определить предполагаемые места его скрытых дефектов.
При этом наличие в устройстве, по меньшей мере, одного дополнительного источника внешнего воздействия (с боковой стороны), например теплового, выполненного с возможностью перемещения вдоль кабеля и связанного с интерфейсом рефлектометра через образованный первым и вторым радиомодемами радиоканал, который, в свою очередь, связан с переносным персональным компьютером, обеспечивает возможность фиксации сигнала, отраженного от фактического места созданной этим дополнительным источником внешнего воздействия неоднородности кабеля. Причем фиксация производится тем же приемником рефлектометра, которым фиксировался сигнал, отраженный от предполагаемого места неоднородности кабеля, позволяя исключить погрешность измерений, возникающую при использовании различных технических средств.
Использование цифрового фотоаппарата, связанного с персональным переносным компьютером, который, в свою очередь, имеет связь через радиоканал с перемещающимся вдоль кабеля дополнительным источником внешнего воздействия с боковой стороны, позволяет получить отображение точных мест дефектов внутри кабеля, привязанное к местности. Включение в предлагаемое устройство второго дополнительного источника внешнего воздействия в виде генератора ступенчато
изменяющегося высоковольтного напряжения позволяет подавать в кабель со стороны его входного торца постепенно нарастающее (ступенями) высоковольтное напряжение только до момента, когда это напряжение только начинает терять стабильность, что соответствует кратковременному локальному изменению электрических характеристик кабеля в местах скрытого дефекта. Это позволяет более ясно и четко выявлять и фиксировать сигнал от мест скрытых дефектов кабеля, в которые вводится эта искусственная неоднородность, приемником рефлектометра. При этом предотвращается необратимое разрушение кабеля, которое, например, имеет место в известных методах высоковольтного прожига кабеля в местах неоднородностей, а достоверность обнаружения повышается, т.к. удается обнаружить ранее скрытые дефекты кабеля.
Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на чертеже, в соответствии с которым заявляемое устройство содержит рефлектометр 1, включающий источник 2 зондирующих импульсов, выходом подключенный через переключатель 3 к входному торцу жилы и оболочки кабеля 4, приемник 5 отраженных импульсов, также входом подключенный к торцу кабеля 4 (электрической цепи кабеля), а выходом соединенный с первым входом устройства 6 обработки сигналов, второй вход которого соединен со вторым выходом источника 2 зондирующих импульсов. Первый выход устройства 6 обработки сигналов соединен со входом устройства 7 отображения, а второй выход - со входом интерфейса 8.
Предлагаемое устройство содержит также дополнительный источник 9 внешнего воздействия на кабель с боковой стороны для создания искусственной неоднородности на локальном участке предполагаемого места скрытого дефекта кабеля, выполненный с возможностью перемещения вдоль кабеля 4. В качестве примера на чертеже показано устройство 10 перемещения, которое содержит передвижную подставку 11 с исполнительным устройством перемещения ручным или автоматическим способом, установленную на направляющие в виде рельс, которые укладываются по трассе кабеля 4. При этом дополнительный источник 9 внешнего воздействия фиксируется на подставке 11 таким образом, чтобы его излучающая часть была углублена и направлена на расположенный под землей кабель 4.
На чертеже показан также второй дополнительный источник 12 внешнего воздействия на кабель, который может быть подключен через переключатель 3 к входному торцу кабеля 4 для точного определения мест скрытых дефектов в нем. При этом второй дополнительный источник 12 внешнего воздействия представляет собой генератор ступенчато изменяющегося высоковольтного напряжения и в его состав входит вольтметр 13, фиксирующий возникновение
нестабильности напряжения при подаче в кабель 4 ступенчато изменяющегося высоковольтного напряжения от генератора 12, что соответствует нестабильности напряжения на кабеле 4, которое возникает из-за временного снижения сопротивления изоляции кабеля 4 в местах скрытых дефектов и соответствует временному увеличению их размеров.
Дополнительный источник 9 внешнего воздействия на кабель с боковой стороны связан с интерфейсом 8 рефлектометра 1 через радиоканал, образуемый первым радиомодемом 14 и вторым радиомодемом 15, причем второй радиомодем 15 устанавливается в предполагаемом месте скрытой неоднородности кабеля 4, предварительно определяемом рефлектометром 1, и связан с переносным персональным компьютером 16, с которым также связан цифровой фотоаппарат 17, который может быть установлен на устройстве 10 перемещения дополнительного источника 9 внешнего воздействия на кабель с боковой стороны.
Заявляемое устройство также может содержать селективный приемник 18 сигналов рефлектометра 1, связанный с дополнительным источником 9 внешнего воздействия на кабель с боковой стороны, который также может быть установлен на устройстве 10 перемещения. Этот приемник позволяет отслеживать положение кабеля на местности под землей вдоль трассы дополнительного источника 9 внешнего воздействия на кабель с боковой стороны и уточнять реальные места скрытых дефектов кабеля на местности.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
На первом этапе проводится предварительное определение предполагаемого места неоднородности кабеля 4 путем снятия его рефлектограммы дистанционным методом, реализуемым рефлектометром 1 при подключении его к входному торцу кабеля 4 замыканием соответствующего контакта переключателя 3. При этом на устройстве 7 отображения рефлектометра 1 в виде графика отображается вся протяженность кабеля 4 (его длина) от начала до конца. Отдельным сигналом в виде всплеска небольшой амплитуды положительной или отрицательной полярности колоколообразной формы отображается фактическая неоднородность в предполагаемом месте по длине кабеля.
Кроме того, на устройстве 7 отображения с помощью устройства 6 обработки сигналов формируются подвижные маркеры в виде вертикальных линий для обозначения начала и конца кабеля 4 и мест имеющихся в нем неоднородностей. С помощью маркеров определяется расстояние до неоднородностей по длине внутри кабеля 4. Это расстояние показывает область на местности для определения точного положения неоднородности относительно поверхности земли.
Фактическое расстояние по поверхности земли всегда будет меньше измеренного предварительно дистанционным методом, т.к. кабель лежит под землей не по прямой линии, а волнообразно и имеет дополнительные укладочные изгибы и петли. Чем больше изгибов и петель кабеля под землей, тем значительнее различия между предварительно определенным местом неоднородности и реальным местом неоднородности.
Снятая рефлектограмма записывается в базу данных устройства 6 обработки сигналов. При этом выявление скрытого дефекта малой амплитуды затруднено из-за помех, наводок, влияния внешних факторов. На выявление скрытых дефектов влияют также технологические дефекты, дефекты монтажа и нелинейность регистрируемых рефлектограмм.
На втором этапе для точного определения места неоднородности на трассе кабеля 4 на местности в предварительно определенной зоне предполагаемого места неоднородности устанавливается дополнительный источник 9 внешнего воздействия на кабель с боковой стороны для создания искусственной неоднородности на локальном участке предполагаемого места неоднородности кабеля 4. Источник 9 воздействует на локальный участок кабеля 4, расположенного под землей, таким образом, что в нем возникает внутренняя временная неоднородность. После обработки отраженного от этой искусственной неоднородности сигнала устройством 6 обработки сигналов и соответствующего обозначения маркером на устройстве 7 отображения искусственной неоднородности с помощью фотоаппарата 17 делаем цифровой фотоснимок местности, где зафиксировано фактическое место искусственной неоднородности.
При этом с помощью радиомодемов 14 и 15 по образованному ими радиоканалу передается сигнал о расстоянии, на которое должен быть перемещен источник 9 по поверхности трассы кабеля 4 в направлении сокращения расстояния до фактического места неоднородности. Эта информация отображается на переносном персональном компьютере 16. После этого источник 9 перемещается на необходимое расстояние, и вновь с помощью фотоаппарата 17 делается цифровой фотоснимок местности. Причем цифровые сигналы, соответствующие каждому фотоснимку для каждого случая воздействия источником 9 на кабель 4, с фотоаппарата 17 вводятся в переносной персональный компьютер 16 и фиксируются в базе данных устройства 6 обработки сигналов.
Такая процедура перемещения и фиксации на фотоснимках соответствующих мест на местности повторяется до тех пор, пока не будет достигнут о совмещение искусственной и фактической неоднородностей, что будет отражено на графике устройства 7 отображения, где также этим местам будут соответствовать цифровые сигналы соответствующих фотоснимков, а на переносном компьютере 16 расстояние между сигналами станет равным нулю. Это будет
соответствовать расположению источника 9 на поверхности земли по трассе кабеля 4 непосредственно над местом, где расположена фактическая неоднородность в кабеле.
В случае, если кабель недавно введен в эксплуатацию или в данный момент в кабеле отсутствуют скрытые неоднородности или явные повреждения, процедура перемещения проводится от начала кабеля до его дальнего конца для получения фотоснимков местности, соответствующих подземному расположению трассы для целей паспортизации и техучета прохождения трассы на местности. При этом источник 9 внешнего воздействия может воздействовать на кабель 4 после перемещения на каждые 10-15 метров (данное расстояние выбирается исходя из рельефа местности).
номин. паспортное
из
номин. паспортное
Иногда для более точного выявления и фиксации сигналов от скрытых дефектов кабеля к нему через переключатель 3 может подключаться поочередно с источником 2 зондирующих импульсов рефлектометра второй дополнительный источник 12 внешнего воздействия в виде генератора ступенчато изменяющегося высоковольтного напряжения. В этом случае в кабель 4 от этого источника 12 подают ступенями высоковольтное напряжение до момента, когда это напряжение начинает терять стабильность, что соответствует временному снижению сопротивления изоляции кабеля в местах скрытого неявного дефекта. Это напряжение измеряется с помощью включаемого параллельно входу кабеля 4 вольтметра 13, и оно определяет снижение сопротивления изоляции кабеля до величины цR<ΔR<R. Далее генератор 12 отключается от кабеля 4 размыканием соответствующего контакта переключателя 3, и замыканием соответствующего контакта этого переключателя 3 подключается рефлектометр 1 для снятия рефлектограммы, соответствующей незначительным изменениям электрических свойств кабеля 4 в месте скрытой неоднородности. Режим работы рефлектометра 1 поддерживается таким же, как это было при снятии им рефлектограммы для определения предполагаемого места неоднородности. Затем с помощью устройства 6 обработки сигналов производится вычитание одной рефлектограммы из другой, в результате такого сравнения небольшое изменение в месте скрытого дефекта кабеля 4 от внешнего воздействия, поданного с входного торца кабеля 4, будет выделено с помощью дополнительной настройки рефлектометра 1.
Рассмотрим пример выполнения блоков предлагаемого устройства.
В качестве рефлектометра 1 может быть использован рефлектометр Т12/3.
В качестве радиомодемов 14 и 15 могут быть использованы радиомодемы марки «Телур-РМ».
В качестве переносного персонального компьютера 16 может быть использован, например, компьютер PORTEG20CT.
R качестве дополнительного источника 9 внешнего (бокового) воздействия может быть использован источник теплового воздействия, например, устройство ускоренного отогревания грунта в зимних условиях производства НИИ Сварки (с рабочей температурой 500С) или газовая пропановая горелка (см. Сборник «Наука для города. Передовые технологии», опубл. Научно-техническим Советом Мэрии Санкт-Петербурга, 1998 г.) или Универсальный портативный плазменный аппарат для сварки, резки и пайки металлов «Мультиплаз-2500» (см. информацию на сайте сети Интернет: www.multiplaz.ru). В качестве источника 12 внешнего воздействия в виде генератора ступенчато изменяющегося высоковольтного напряжения может быть использована установка для проверки параметров электробезопасности, включающая вольтметр для контроля нестабильности напряжения, GPT-705А/715А (Тайвань) или Высоковольтная измерительная (испытательная) установка УПУ-21, выпускаемая ОАО МНИПИ, г.Минск.
Переключатель 3 может представлять собой пакетный выключатель 3П10-16А ПВЗ.
В качестве цифрового фотоаппарата 17 может быть использован фотоаппарат «Olympus».
В качестве селективного приемника 18 может использоваться приемник индуктивного типа, настроенный на частоту импульсов рефлектометра от 50 Нс до 1000 Нс, включающий селективный усилитель и антенну, настроенную на прием сигналов рефлектометра.