УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ КАБЕЛЯ

Предлагаемая полезная модель относится к электронным устройствам для измерения и контроля параметров состояния конструкций электрических кабелей, в частности, для выявления различных неоднородностей по длине кабеля с использованием рефлектометрии и высоковольтных испытаний.
В настоящее время известно множество как зарубежных, так и отечественных устройств определения неоднородностей кабелей, вызванных их механическим повреждением, коротким замыканием, износом и старением конструкции.
В основе ряда современных устройств определения мест неоднородностей кабеля используется сочетание рефлектометра - для определения предполагаемого места повреждения кабеля - и дополнительного источника внешнего воздействия на кабель, например, путем создания искусственной неоднородности на локальном участке предполагаемого места неоднородности или путем создания электродуги в месте повреждения кабеля, воздействуя на него высоковольтным напряжением и осуществляя прожиг места повреждения кабеля для его локализации.
Используемые в таких устройствах рефлектометры обычно содержат источник зондирующих импульсов, которые вводят в токоведущие жилы и оболочки кабелей, приемник, фиксирующий отраженные от мест неоднородностей импульсы, предварительно определяя предполагаемые места неоднородностей. Это определение производится расчетным путем с использованием различных устройств обработки сигналов, поступающих в приемник, имеющий также устройство отображения, на котором в графической форме представляется характеристика неоднородностей по длине кабеля.
Одно из современных устройств, использующих метод рефлектометрии (см. заявку РФ на изобретение №2001107701, М. кл. G 01 R 31/11, опубл. 10.03.2003 г.), содержит источник зондирующих импульсов направленного электромагнитного излучения, подключаемый к жиле кабеля, приемник импульсов, отраженных от места 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 по местоположению приемной индукционной рамки.
Как видим, такое устройство дает возможность определить лишь предполагаемое место повреждения. Причем при его использовании необходимо обеспечить его электромагнитную совместимость, поскольку влияние различных электромагнитных полей вносит существенную погрешность в результаты измерений, что влияет на точность определения фактического места повреждения кабеля.
Поэтому для более точного определения места повреждения кабеля и используют дополнительно источники внешнего воздействия на него.
Известно устройство определения места однофазных замыканий в кабельных линиях, проложенных в земле (см. патент РФ №2143703, М. кл. G 01 R 31/08, опубл. 27.12.99 г.), которое использует какой-либо дистанционный метод для предварительного определения места повреждения кабеля (например, используя рефлектометр), после чего к поврежденной жиле и оболочке кабеля подключают источник внешнего воздействия в виде генератора звуковой частоты. Последовательно в цепь, идущую от генератора звуковой частоты к жиле и оболочке кабеля, включают первичную обмотку регулируемого трансформатора, вторичную обмотку которого с параллельно включенной фазосдвигающей цепочкой подключают между землей и оболочкой кабеля на ближнем к генератору конце кабеля, а на поверхности земли над кабелем в предполагаемом месте повреждения дополнительно устанавливают датчик с радиопередатчиком. При этом датчик располагают так, чтобы он воспринимал преимущественно поле одиночного тока. Информация о параметрах поля одиночного тока передается по радиосвязи к тому месту, где находится регулируемый трансформатор. Компенсация поля одиночного тока в предполагаемом месте повреждения осуществляется регулированием величины и фазы напряжения трансформатора и фиксации нулевого значения поля одиночного тока. Затем перемещают вдоль трассы кабелеискатель, фиксируют изменение электромагнитного поля, создаваемого протекающими в кабеле токами.
В данном устройстве используется пассивный метод определения места повреждения, требующий использования чувствительного приемника, способного принять слабый отраженный сигнал в условиях влияния различных электромагнитных полей, которые вносят значительную погрешность в результаты измерений. При этом в определении места повреждения участвуют два технических средства: во-первых, генератор звуковой частоты с регулируемым трансформатором и фазосдвигающей цепочкой, и, во-вторых, датчик с радиопередатчиком, что обуславливает наличие различных погрешностей, вносимых каждым из этих средств в результаты
измерений, и существенно влияет на достоверность определения фактического места повреждения кабеля.
Известно устройство определения мест неоднородностей кабеля, в котором исключена погрешность измерений, связанная с наличием (как в вышеописанном устройстве) двух различных технических средств, участвующих в определении места неоднородности, путем создания двух независимых каналов: канала измерения и радиоканала передачи информации о расстоянии, предварительно определенном рефлектометром, на которое необходимо переместить источник внешнего воздействия вдоль кабеля до совмещения фактической неоднородности и искусственной неоднородности, создаваемой источником внешнего воздействия (см. патент на полезную модель №42111, М. кл. G 01 R 31/11, опубл. 20.11.2004 г.).
Это устройство содержит рефлектометр для дистанционного определения предполагаемого места неоднородности кабеля, включающий источник зондирующих импульсов, подключенный к входному торцу жилы и оболочки кабеля, приемник отраженных от неоднородности кабеля импульсов с устройством обработки сигналов и устройством отображения, при этом рефлектометр снабжен интерфейсом, связанным с выходом устройства обработки сигналов, а также источник внешнего воздействия на кабель для создания искусственной неоднородности на локальном участке предполагаемого места неоднородности кабеля, выполненный с возможностью перемещения вдоль кабеля, связанный с выходом интерфейса рефлектометра через первый и второй радиомодемы, образующими радиоканал, при этом первый радиомодем установлен с входной стороны кабеля, а второй - в предполагаемом месте неоднородности кабеля и связан с имеющимся в устройстве переносным персональным компьютером.
В качестве источника внешнего воздействия в данном устройстве предлагается использовать, в частности, источник теплового воздействия.
Использование источника теплового воздействия и последующая фиксация сигнала, отраженного от фактического места созданной искусственной неоднородности кабеля, тем же приемником рефлектометра, которым фиксировался сигнал, отраженный от предполагаемого места неоднородности, позволяет исключить погрешность измерений, связанную наличием двух различных технических средств, участвующих в определении места неоднородности кабеля, и тем самым повысить достоверность определения фактического места неоднородности кабеля.
Достоверность определения фактического места неоднородности повышается также за счет того, что в данном устройстве осуществляется определение расстояния между импульсом, отраженным от предполагаемого места неоднородности и импульсом,
отраженным от места фактической искусственно созданной неоднородности, но уже находящейся в зоне предполагаемого места неоднородности кабеля.
Наличие в устройстве радиоканала позволяет, как уже отмечено выше, независимо от канала измерения передавать информацию о расстоянии, на которое необходимо переместить источник искусственной неоднородности для совмещения фактической и искусственной неоднородностей, а персональный компьютер позволяет отобразить эту информацию в месте нахождения источника внешнего воздействия. Это также обеспечивает повышение достоверности определения места неоднородности.
Перемещение источника внешнего воздействия вдоль кабеля для постепенного уточнения фактического места неоднородности кабеля позволяет определять места явных неоднородностей, крупных дефектов муфт, аварий типа короткого замыкания или обрыва, но не дает возможности прогнозировать возможные аварийные ситуации, когда дефекты кабеля являются еще небольшими, практически скрытыми.
При этом использование в качестве источника внешнего воздействия источника теплового воздействия не дает возможности обнаружить такие скрытые неявные дефекты кабеля, например, доаварийные места, поскольку они часто являются дополнительно замаскированными электромагнитными наводками, различными внешними факторами, переотражениями. К таким скрытым дефектам можно, в частности, отнести заводские технологические дефекты, дефекты, связанные с ошибками монтажа.
Известно устройство обнаружения места повреждения кабеля (см. ЕР патент №148674, М. кл. G 01 R 31/11, опубл. 17.07.1985 г.) и созданные на основе метода, используемого в этом патенте, приборы ВРА 703 TEST UNIT для прожига кабеля с целью обнаружения как достаточно крупных, так и неявных скрытых неоднородностей кабеля, фирмы BICOTEST, Surgeflex 8, Surgeflex 15 и Surgeflex 25 для локализации повреждений кабелей созданием электрической дуги и КАВ 31-Е для определения места повреждения с использованием стабилизации электродуги, фирмы SEBA dynatronic.
Устройство по ЕР патенту №148674 содержит генератор высоковольтного напряжения («шоковой волны») для введения кабеля в возбужденное состояние путем создания в месте повреждения электрической дуги, средства синхронизации, рефлектометр, подключенные к кабелю. При этом рефлектометр включает генератор коротких импульсов для подачи их в кабель для последующего отражения от: а) места неоднородности или б) другого конца кабеля, при этом в случае а) имеет место возбужденное состояние кабеля, а в случае б) - состояние покоя. На дисплее рефлектометра отражаются одновременно импульсы, распространяющиеся по кабелю, находящемуся в возбужденном состоянии и в состоянии покоя. Это
позволяет осуществить их сравнение. Кроме того рефлектометр содержит память с возможностью хранения рефлектограмм каждого мгновенного значения импульсного сигнала. Имеющиеся средства синхронизации обеспечивают синхронизацию во времени подачи высоковольтного напряжения («шоковой волны») и записи в память рефлектограмм, соответствующих возбужденному состоянию кабеля и состоянию покоя. В устройстве также имеется устройство согласования, включаемое между рефлектометром и исследуемым кабелем.
Использование в данном устройстве источника внешнего воздействия в виде генератора высоковольтного напряжения («шоковой волны») создает в месте повреждения кабеля электрическую дугу, вызывая процесс локального необратимого разрушения конструкции кабеля, при этом скрытая малая неоднородность становится явной, заметной и стабильно сохраняется, а в дальнейшем ускоряет аварии, поскольку увеличивает обнаруженные дефекты.
При этом к кабелю одновременно подключаются как источник опасного высоковольтного воздействия, так и высокочувствительное устройство приема рефлектометра. Высоковольтное воздействие является опасным для обслуживающего персонала и входных каскадов рефлектометра.
Кроме того, для обеспечения синхронной работы рефлектометра и генератора высоковольтного напряжения известное устройство требует специального средства синхронизации, значительно усложняющего процесс обследования кабеля. Кроме того, это устройство вносит значительные искажения в спектр зондирующих и отраженных импульсов рефлектометра, что снижает достоверность и точность определения места повреждения кабеля.
Для обеспечения согласования рефлектометра и исследуемого кабеля в устройстве имеется устройство согласования, также усложняющее процесс измерений.
Данное устройство выбрано за прототип.
Задачей полезной модели является повышение достоверности и точности определения фактического места повреждения кабеля, как путем снижения вносимых искажений за счет одновременной работы высоковольтного генератора и высокочувствительного рефлектометра, так и за счет исключения необходимости синхронизации их одновременной работы и согласования при одновременном предотвращении необратимого локального разрушения кабеля в месте создания электродуги и обеспечении безопасной работы обслуживающего персонала.
Решение поставленной задачи обеспечивается в предлагаемом устройстве определения мест неоднородностей кабеля, содержащем рефлектометр для дистанционного определения предполагаемого места неоднородности кабеля, включающий источник зондирующих
импульсов, подключенный к входному торцу жилы и оболочки исследуемого кабеля, приемник отраженных от неоднородности импульсов с устройством обработки сигналов и устройством отображения, источник внешнего воздействия на кабель, подключенный к входному торцу исследуемого кабеля, отличающемся тем, что рефлектометр снабжен интерфейсом, связанным входом с выходом устройства обработки сигналов, источник внешнего воздействия на кабель выполнен в виде генератора ступенчато изменяющегося высоковольтного напряжения и введен дополнительный источник внешнего воздействия на кабель для создания искусственной неоднородности на локальном участке предполагаемого места неоднородности кабеля, выполненный с возможностью перемещения вдоль кабеля и связанный с выходом интерфейса рефлектометра через первый и второй радиомодемы, первый из которых установлен с входной стороны исследуемого кабеля, а второй - в предполагаемом месте неоднородности исследуемого кабеля и соединен с персональным переносным компьютером, при этом источник зондирующих импульсов рефлектометра и генератор ступенчато изменяющегося высоковольтного напряжения подключены к входному торцу исследуемого кабеля через переключатель.
Кроме того, для обеспечения дополнительного повышения достоверности определения фактического места скрытой неоднородности кабеля путем уменьшения паразитных переотражений от входа исследуемого кабеля на его входе до переключателя предлагается включить через устройство согласования по волновому сопротивлению образцовый кабель длиной не менее 1/3 стандартной строительной длины кабеля, выполненный с возможностью регулирования мощности мод волн внутри кабеля.
Использование в предлагаемом устройстве в качестве источника внешнего воздействия генератора ступенчато изменяющегося высоковольтного напряжения позволяет подавать в кабель постепенно нарастающее (ступенями) высоковольтное напряжение только до момента, когда это напряжение теряет стабильность, что дает возможность обнаружить скрытые дефекты кабеля, в которые и вносится искусственная неоднородность. При этом предотвращается необратимое разрушение кабеля, которое имеет место в прототипе при создании в месте неоднородности электродуги, и повышается достоверность обнаружения, т.к. удается обнаружить скрытые ранее дефекты.
Кроме того, ступенчатое высоковольтное напряжение и зондирующие импульсы от рефлектометра подаются в кабель через переключатель, т.е. неодновременно, в отличие от прототипа. Следовательно, не вносятся искажения в спектр зондирующих и отраженных импульсов, что обеспечивает повышение достоверности определения места повреждения кабеля, а также не является опасным
для работы обслуживающего персонала и не оказывает влияния на входные каскады рефлектометра.
Наличие в предлагаемом устройстве дополнительного источника внешнего воздействия, связанного с радиоканалом, образованным первым и вторым радиомодемами, позволяет независимо от канала измерения передавать информацию для уточнения места расположения фактической неоднородности на земле, т.е. скрытого ранее дефекта кабеля, а персональный компьютер позволяет отобразить эту информацию, что также повышает достоверность измерений.
Причем дополнительный источник внешнего воздействия (бокового) для обеспечения его перемещения вдоль кабеля может быть установлен на устройстве перемещения, которое, в частности, может содержать направляющие в виде рельс или лестницы, на которых располагается подставка с механическим исполнительным устройством перемещения ручным или автоматическим способом на необходимое расстояние. Направляющие могут укладываться по трассе кабеля, а дополнительный источник внешнего воздействия фиксируется на подставке таким образом, чтобы его излучающая часть была углублена и направлена на расположенный под землей кабель. Это устройство позволяет перемещать дополнительный источник внешнего воздействия на необходимое расстояние до тех пор, пока не будет достигнуто совмещение искусственной и фактической неоднородностей.
Работа предлагаемого устройства упрощается также, поскольку не требуется средств для согласования рефлектометра и исследуемого кабеля и обеспечения синхронизации работы рефлектометра и генератора ступенчато изменяющегося высоковольтного напряжения.
Дополнительного повышения достоверности обнаружения фактического места неоднородности можно также добиться установкой на входе кабеля через устройство согласования образцового кабеля длиной не менее 1/3 стандартной строительной длины кабеля, выполненного с возможностью регулирования мощности мод внутри кабеля. Это позволяет уменьшить паразитные переотражения от входа кабеля, влияющие на точность и достоверность измерений.
Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.1, на фиг.2 показана установка на входе кабеля через устройство согласования образцового кабеля длиной не менее 1/3 стандартной строительной длины кабеля, выполненного с возможностью регулирования мощности мод внутри кабеля с помощью устройства регулировки, которое может быть выполнено в виде адаптера, аттенюатора или перехода.
В соответствии с фиг.1 предлагаемое 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 входному торцу жилы и оболочки кабеля 4, 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 источник 9 внешнего воздействия, представляющий собой генератор ступенчато изменяющегося высоковольтного напряжения, подключаемый через переключатель 3 к входному торцу жилы и оболочки кабеля 4 и дополнительный источник 10 внешнего воздействия, например, теплового воздействия, на кабель с боковой стороны, связанный с интерфейсом 8 рефлектометра 1 через образующие радиоканал первый радиомодем 11 и второй радиомодем 12, причем второй радиомодем 12 установлен в предполагаемом месте неоднородности кабеля 4 и связан с переносным компьютером 13. На фиг.1 также показаны включенный на входе исследуемого кабеля 4 вольтметр 14, входящий в генератор 9 ступенчато изменяющегося высоковольтного напряжения, фиксирующий возникновение нестабильности напряжения при подаче в кабель 4 ступенчато изменяющегося высоковольтного напряжения от генератора 9, и устройство 15 перемещения, на котором размещен дополнительный источник 10 внешнего воздействия. Устройство 15 содержит в качестве примера выполнения направляющие в виде рельс, на которых располагается передвижная подставка 16 с исполнительным устройством перемещения ручным или автоматическим способом на необходимое расстояние. Направляющие укладываются по трассе кабеля 4, а дополнительный источник 10 внешнего воздействия фиксируется на подставке 16 таким образом, чтобы его излучающая часть была углублена и направлена на расположенный под землей кабель 4.
На фиг.2 показана установка на входе кабеля 4, длиной L иссл., образцового кабеля 17, длиной L обр. которая выбирается не менее 1/3 стандартной строительной длины кабеля, через устройство 18 согласования. Это позволяет уменьшить паразитные переотражения от входа кабеля, влияющие на точность и достоверность измерений. На фиг.2 также показано устройство 19 регулирования мощности мод внутри кабеля 4, а также концовка кабеля 4 в виде нагрузки 20.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
На первом этапе проводится предварительное определение предполагаемого места неоднородности по длине кабеля путем снятия рефлектограммы кабеля с помощью дистанционного метода, реализуемого 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 неявная неоднородность в предполагаемом месте по длине кабеля 4. Кроме того, на устройстве 7 отображения с помощью устройства 6 обработки сигналов формируются подвижные 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 кабеля 4 внутри него. Это расстояние показывает область на местности для определения точного положения неоднородности относительно поверхности земли. Фактическое расстояние по поверхности земли всегда будет меньше измеренного предварительно рефлектометром 1, 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 базе 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.
Поэтому на втором этапе замыканием соответствующего контакта переключателя 3 к входному торцу жилы и оболочки кабеля 4 подключают источник 9 внешнего воздействия в виде генератора ступенчато изменяющегося высоковольтного напряжения, которое подают в кабель ступенями до момента, когда это напряжение начинает терять стабильность, что соответствует нестабильности напряжения на кабеле, которое возникает из-за временного снижения сопротивления изоляции кабеля в местах скрытого неявного дефекта, и измеряется с помощью включаемого параллельно входу кабеля 4 вольтметра 14 и определяет снижение сопротивления изоляции кабеля до величины
номин. паспортное
из
номин. паспортное.
цR<ΔR<R
Далее отключаем от кабеля 4 генератор 9 ступенчато изменяющегося высоковольтного напряжения размыканием соответствующего контакта переключателя 3 и подключением с помощью переключателя 3 рефлектометра 1 снимаем вторую рефлектограмму, соответствующую незначительным изменениям электрических свойств кабеля в месте скрытой неявной неоднородности. При этом режим работы рефлектометра 1 при снятии первой и второй рефлектограмм поддерживаем одинаковым. Затем с помощью устройства 6 обработки сигналов производим вычитание одной рефлектограммы из другой. За счет сравнения рефлектограмм небольшое изменение в месте скрытого дефекта от внешнего
воздействия, поданного с входного торца кабеля, будет выделено с помощью дополнительной настройки рефлектометра 1.
Для повышения достоверности обнаружения фактического местоположения этого дефекта на поверхности земли осуществляется боковое внешнее воздействие дополнительным источником 10 на участке предполагаемого места выявленной скрытой неоднородности. После чего уточняется расстояние до фактического места неоднородности путем использования радиоканала, образованного первым 11 и вторым 12 радиомодемами, по которому передается сигнал о расстоянии, на которое должен быть перемещен дополнительный источник 10 внешнего (бокового) воздействия по поверхности земли вдоль трассы кабеля 4 в направлении сокращения расстояния до фактического места неоднородности. Эта информация отражается на переносном персональном компьютере 13. После перемещения дополнительного источника 10 внешнего воздействия на необходимое расстояние передается сигнал на отключение рефлектометра 1, и определяется остаточное расстояние между искусственной и фактической неоднородностями внутри кабеля 4. Такая процедура осуществляется до тех пор, пока не будут совмещены искусственная и фактическая неоднородности, что отразится на устройстве 7 отображения рефлектометра 1 и на переносном персональном компьютере 13 - расстояние между сигналами станет равным нулю. Это соответствует расположению дополнительного источника 10 непосредственно над местом по трассе кабеля 4, где расположена фактическая неоднородность.
Дополнительно возможна пассивная подстройка предлагаемого устройства с помощью устройства 18 согласования и устройства 19 регулирования мощности мод - на входе кабеля 4 и нагрузкой 20 - на выходе исследуемого кабеля 4.
Рассмотрим пример выполнения блоков предлагаемого устройства.
В качестве рефлектометра 1 может быть использован рефлектометр Т12/3.
В качестве радиомодемов 11 и 12 могут быть использованы радиомодемы марки «Телур-РМ».
В качестве переносного персонального компьютера 13 может быть использован, например, компьютер PORTEG20CT.
В качестве дополнительного источника 10 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 9 внешнего воздействия в виде генератора ступенчато изменяющегося высоковольтного напряжения может быть использована установка для проверки параметров электробезопасности, включающая вольтметр для контроля нестабильности напряжения, GPT-705A/715A. (Тайвань) или Высоковольтная измерительная (испытательная) установка УПУ-21, выпускаемая ОАО МНИПИ, г.Минск.
Переключатель 3 может представлять собой пакетный выключатель 3П10-16А ПВЗ.
Устройство 18 согласования может представлять собой широкополосный коаксиально-волноводный переход КВП с круглым волноводным сечением производства Научно-производственной фирмы МИКРАН.
В качестве устройства 19 регулирования мощности мод можно использовать механическую микрометрическую подвижку.
Нагрузка 20 может представлять собой омическое регулируемое сопротивление (0-50 Ом) типа ППБ-3А или СП5-20ВА.