СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЯ КАБЕЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
POWER SUPPLY CABLE DAMAGE IDENTIFICATION METHOD

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения наличия повреждения кабеля электроснабжения, расположенного в земле, и участка кабеля заданной длины, на котором это повреждение расположено.
Известен индукционный способ определения места повреждения кабеля, основанный на принципе фиксирования изменений магнитного поля, создаваемого протекающим по кабелю с повреждением током. По кабелю пропускают ток от генератора звуковой частоты, при этом вокруг кабеля образуется магнитное поле, величина которого пропорциональна величине тока в кабеле. На поверхности земли над кабелем при помощи приемной рамки, усилителя и телефона можно прослушать звучание, которое распространяется по пути прохождения тока по кабелю. Место повреждения кабеля определяют по скачкообразному изменению магнитного поля, фиксируемого приемной рамкой [1].
Недостатками данного способа являются повышенная трудоемкость и значительные временные затраты и низкая точность, обусловленная субъективным фактором.
Наиболее близким к предлагаемому является способ определения трассы прокладки и локализации места повреждения кабеля. На передвижном устройстве, способном перемещаться по поверхности только по прямой и в одном направлении, закрепляют датчики компонент магнитного поля и курвиметр. На поверхности над кабелем перемещают устройство параллельно одной из сторон выделенной прямоугольной области. С помощью датчиков магнитного поля измеряют уровни компонент магнитного поля, с помощью курвиметра - расстояние, которое прошло устройство по поверхности. По локальным экстремумам функции уровней компонент магнитного поля от расстояния определяют место повреждения [2].
Недостатками данного способа являются повышенная трудоемкость и значительные временные затраты, связанные с необходимостью проводить измерения многократно, постоянно перемещая устройство на определенное расстояние внутри выделенной прямоугольной области.
Цель изобретения - снижение трудоемкости и временных затрат при определении повреждения кабеля электроснабжения.
1
2
Для достижения этой цели в предлагаемом способе определения повреждения кабеля электроснабжения, включающем подключение источника переменного тока к кабелю электроснабжения, измерение напряженности магнитного поля, измерения проводят на поверхности земли и на высоте а в начале и конце участка кабеля, выделенного для измерения, длиной L, рассчитывают глубину залегания кабеля h и h в начале и конце участка кабеля, определяют проводимость исследуемого участка кабеля по формуле:
<mrow><mi>Y</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ln</mi><mfrac><mrow><msub><mi>H</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>h</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msup><mi>L</mi><mn>2</mn></msup><mi>Z</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
1
2
где H и Н - напряженности магнитного поля на поверхности земли в начале и конце исследуемого участка кабеля, А/м;
<mrow><msubsup><mi>H</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>H</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
и
- напряженности магнитного поля на высоте а над поверхностью земли в начале и конце исследуемого участка кабеля, А/м;
1
2
h, и h, - глубина залегания кабеля в начале и конце исследуемого участка кабеля, м;
<mrow><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>a</mi><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>H</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msubsup><mi>H</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><msub><mrow><mtext> и h</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>a</mi><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msubsup><mi>H</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
L - длина исследуемого участка кабеля электроснабжения, м;
Z - продольное сопротивление кабеля, определяемое в соответствии с [3, 4], Ом/м.
н
H
1
2
1
2
H
1
H
2
H
Полученное значение проводимости изоляции сравнивают с проводимостью неповрежденного кабеля У, соотношение Y>Y свидетельствует о наличии повреждения кабеля электроснабжения на исследуемом участке, затем участок делят на две части (в частном случае равные) длинами L и L, повторяют измерения, определяют проводимости первой Y и второй Y частей участка, сравнивают полученные значения с проводимостью неповрежденного кабеля Y, если Y>Y, то повреждение находится в первой части участка кабеля, если Y>Y - во второй, далее процесс повторяется до достижения заданной длины участка кабеля, на котором находится повреждение.
На чертеже представлена функциональная схема устройства, реализующая измерения по данному способу.
Устройство содержит датчики напряженностей магнитного поля 1 и 2, устройство обработки сигнала 3, устройство принятия решения 4, индикатор 5, генератор переменного тока 6, подключенный к кабелю 7, имеющему повреждение 8.
При подаче тока от генератора 6 в кабель 7 на поверхности земли возникает электромагнитное поле. Датчиками 1 и 2 измеряются напряженности магнитного поля на поверхности земли и на высоте а, значения которых поступают на устройство обработки сигналов 3. Далее преобразованные сигналы поступают на устройство принятия решений 4 и результат выводится на индикатор 5.
Определение глубины залегания кабеля осуществляется следующим образом. По полученным при измерениях в точке 1 значениям напряженностей магнитного поля на поверхности земли и на высоте а, находим глубину залегания кабеля в начале участка кабеля длиной L:
<mrow><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>a</mi><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>H</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msubsup><mi>H</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
1
где H - напряженность магнитного поля на поверхности земли в начале исследуемого участка кабеля, А/м;
<mrow><msubsup><mi>H</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
- напряженность магнитного поля на высоте а над поверхностью земли в начале исследуемого участка кабеля, А/м.
2
Аналогично определяется h - глубина залегания кабеля в точке 2 (конце исследуемого участка кабеля длиной L).
Проводимость рассчитывается исходя из следующего уравнения:
<mrow><mi>γ</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mi>Z</mi><mi>Y</mi></mrow></msqrt><mo>,</mo></mrow>
где γ - коэффициент распространения на заданном участке, 1/м;
Z - продольное сопротивление кабеля, определяемое в соответствии с [3, 4], Ом/м.
1
2
1
2
По измеренным значениям напряженностей магнитного поля H и Н и рассчитанным значениям глубины залегания кабеля h и h в двух исследуемых точках находим:
<mrow><mi>γ</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ln</mi><mfrac><mrow><msub><mi>H</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>h</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>L</mi></mfrac><mo>.</mo></mrow>
Следовательно, проведя соответствующие преобразования, получим проводимость изоляции кабеля:
<mrow><mi>Y</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ln</mi><mfrac><mrow><msub><mi>H</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>h</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msup><mi>L</mi><mn>2</mn></msup><mi>Z</mi></mrow></mfrac><mo>.</mo></mrow>
H
Данное значение необходимо сравнить с проводимостью неповрежденного кабеля Y.
H
Соотношение Y>Y свидетельствует о наличии повреждения кабеля электроснабжения на исследуемом участке.
1
2
1
2
H
1
H
2
H
Затем делим участок кабеля длиной L на две части (в частном случае равные) длинами L и L, повторяем измерения напряженностей магнитного поля на поверхности земли и на высоте а в точке 3, рассчитываем глубину залегания кабеля в точке 3. Определяем проводимости первой Y и второй Y частей участка, сравниваем полученные значения с проводимостью неповрежденного кабеля Y. Если Y>Y, то повреждение находится в первой части участка кабеля, если Y>Y - во второй.
Далее повторяем процесс до достижения необходимой точности, т.е. до определения заданной (требуемой) длины участка кабеля, на котором это повреждение находится.
Например, имеется кабель ААШв 3×35, проводимость земли σ=0,1 Сим/м, частота f=10 Гц. Определим продольное сопротивление Z и полную проводимость Y для оболочки кабеля в исправном состоянии по формулам [3, стр. 60-65] или [4, стр. 127-134].
н
-8
-4
Полная проводимость исправного кабеля, полученная из расчета равна |Y|=4,518·10 Сим/м, продольное сопротивление кабеля |Z|=3,714·10 Ом/м.
-4
2
3
j35°
Примем, что повреждение находится на расстоянии 1,3 км от начала участка кабельной линии, ток генератора 400 мА, глубина залегания кабеля h=1 м. Площадь повреждения 10 м, полное переходное сопротивление в месте повреждения Z=3·10e Ом [5].
12
-7
Сначала обследуется участок кабеля длиной L-4 км. Полная проводимость на участке между точками 1 и 2 составляет |Y|=1,029·10 Сим/м.
H
-8
Проводимость на данном участке больше проводимости неповрежденного кабеля (|Y|=4,518·10 Сим/м), следовательно, на участке между точками 1 и 2 имеется повреждение.
1
2
13
-7
Далее оператор выполняет измерения, например, в середине поврежденного участка в точке 3 (на расстоянии L=L=2 км от начала участка кабельной линии). Полная проводимость |Y|=4,629·10 Сим/м.
Проводимость на участке 1-3 больше проводимости исправного кабеля, следовательно, повреждение находится на данном участке.
2
14
43
-8
-6
Снова делим поврежденный участок пополам (L'=1 км) и выполняем измерения в точке 4. По полученным результатам проводимость на участках между точками 1 и 4, 4 и 3 равна |Y|=4,518·10 Сим/м (участок 1-4) и |Y|=2,09·10 Сим/м (участок 4-3). Из результатов измерений следует, что
кабель поврежден на участке между точками 4 и 3.
1
45
-6
Снова делим поврежденный участок пополам (L"=0,5 км) и выполняем измерения в точке 5. На участке 4-5 |Y|=8,973·10 Сим/м. Следовательно, кабель поврежден на участке между точками 4 и 5.
Далее оператор проводит аналогичные измерения магнитного поля до достижения необходимой точности, т.е. до определения заданной (требуемой) длины участка кабеля, на котором это повреждение находится.
В данном способе снижаются трудоемкость и временные затраты при определении повреждения кабеля электроснабжения.
Использованные источники
1. Дементьев B.C. Как определить место повреждения в силовом кабеле. - М. - Л.: Госэнергоиздат, 1960.
2. Пат. 2350974 Российская Федерация, МПК G01R 31/08. Способ определения трассы прокладки и локализации места повреждения кабеля. / Бурдин В.А.
3. Кандаев В.А. Совершенствование эксплуатационного контроля коррозионного состояния подземных сооружений систем электроснабжения железнодорожного транспорта: Монография. Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2003. 198 с.
4. Михайлов М.И., Разумов Л.Д. Защита кабельных линий связи от влияния внешних электромагнитных полей. - М.: Связь, 1967. 344 с.
5. Адамов Н.И. Исследования параметров металлической алюминиевой оболочки в местах наличия повреждений шлангового изоляционного покрытия / Н.И.Адамов, В.А.Кандаев // Влияние внешних электромагнитных полей на линии железнодорожной связи / Омский ин-т инж. ж-д. трансп. - Омск, 1982. С. 67-80.