ВЫСОКОВОЛЬТНОЕ УСТРОЙСТВО РЕГИСТРАЦИИ МЕСТ ПОВРЕЖДЕНИЙ ИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ СИЛОВЫХ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ ДИСТАНЦИОННЫМ СПОСОБОМ ПРЯМОГО ПОДКЛЮЧЕНИЯ К КАБЕЛЬНОЙ ЛИНИИ

Полезная модель относится к энергетике, преимущественно к электротехническим аппаратам, и может быть применена для дистанционного выявления места (зоны) отказа изоляции с высоким переходным сопротивлением в месте повреждения силовых кабельных линий по параметрам волнового процесса (относительный способ определения места повреждения методом колебательного разряда) во время диагностических работ повышенным напряжением отрицательной полярности постоянного тока, зафиксированной в начале кабельной линии в результате разряда короткого замыкания в изоляционном материале кабеля.
Известно устройство определения места повреждения кабельной линии относительными способами (Метод рефлектометрии https://www.eurostell.com), устройство является малогабаритным цифровым рефлектометром, предназначенного для обнаружения повреждений устойчивого характера в высоковольтных кабельных и воздушных линиях без рабочего напряжения, измерительная система позволяет выполнять измерения одним из трех методов: импульсной рефлектометрии, колебательного разряда и импульсно-дуговым методом. Устройство состоит из прибора - рефлектометра, проводов для подключения к кабельной линии.
К недостаткам описанного устройства можно отнести: низкое входное напряжение до 50 В, метод колебательного разряда и импульсно-дуговой метод могут быть реализованы только при совместном использовании с дополнительным оборудованием, например, высоковольтного источника и устройства подключения к кабельной линии, находящейся под высоким испытательным напряжением, что усложняет процесс определения места повреждения и расширяет площадь полигона испытания, невозможность применения метода колебательного разряда при неустойчивых междуфазных повреждениях изоляции для трехфазных кабельных линий.
Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и принятым автором за прототип, является устройство для определения повреждений кабельных линий с высоким переходным сопротивлением в месте повреждения, принцип работы которого основан на высоковольтном методе колебательного разряда со связью по напряжению (https://npp-tp.ru Руководство по эксплуатации рефлектометр высоковольтный осциллографический «И-4/00.00.00.00РЭ»), при котором контролируют изоляцию кабельной линии импульсами напряжения, принимают импульсы, отраженные от неоднородностей волнового сопротивления, выделяют отраженные от неоднородностей волнового сопротивления импульсы на индикаторе с временной разверткой луча, соответствующие месту повреждения кабеля. Конструктивно рефлектометр представляет собой малогабаритное переносное устройство с ЖК экраном для отображения на нем рефлектограммы, панелью управления устройством, аналого-цифровым преобразователем и контроллером расчета отраженного импульса, отдельно от устройства поставляются соединительные высоковольтные провода и высоковольтные датчики импульсного тока (ДИТ-1) и напряжения (ДИН-1) для подключения к силовой кабельной линии для работы под высоким напряжением.
К недостаткам описанного устройства можно отнести высокую погрешность в случае измерения расстояния на высоком напряжении в режимах «заплывающего пробоя», холостого хода, короткого замыкания погрешность составляет от 1,5% до 2,5% от общей длины кабельной линии на расстоянии до 1 км кабеля, и от 2,0% до 4,0% от общей длины кабельной линии при расстоянии свыше 1 км кабеля. Точность измерений очень сильно зависит от точности, установленного в приборе коэффициента укорочения (скорости распространения волны напряжения в кабельной линии). Также к существенным недостаткам описанного устройства необходимо отнести отсутствие возможности прямого подключения устройства определения места повреждения к жилам кабельной при высоковольтном испытании изоляции выпрямленным напряжением, для подключения рефлектометра необходимо применять дополнительные присоединительные устройства в виде датчиков импульсного напряжения (ДИН-1), что усложняет схему определения места повреждения, расширяет площадь полигона испытания, что не всегда возможно, отсутствие возможности автономной работы, невозможность применения метода колебательного разряда при неустойчивых междуфазных повреждениях изоляции (любых сочетаниях жил) для трехфазных кабельных линий.
Задача полезной модели заключается в разработке мобильного устройства для дистанционного определения места (зоны) повреждения изоляции кабельных линий электропередачи, применение которого было бы возможно при любых сочетаниях фаз повреждений изоляции с высокой остаточной электрической прочностью изоляции кабеля.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности процесса дистанционного способа определения поврежденных участков изоляции силовых кабельных линий с высоким переходным сопротивлением в месте повреждения (неустойчивые повреждения), а именно отсутствие искажения формы волнового процесса и периода его распространения в канале кабельной линии при любых сочетаниях повреждений фаз кабеля методом колебательного разряда без дополнительных присоединительных высоковольтных устройств между кабельной линией под испытательным напряжением и устройством определения места повреждения, без изменения схемы и площади полигона испытания, а также в отсутствии необходимости применения трудоемкого и не энергоэффективного процесса прожигания изоляции дополнительными устройствами снижения переходного сопротивления в месте повреждения.
Технический результат достигается за счет применения переносного высоковольтного устройства регистрации мест повреждения изоляционных материалов силовых кабельных линий дистанционным способом основанного на методе колебательного разряда, состоящего из высоковольтного блока согласования сигналов и блока расчета электромагнитной волны.
Высоковольтный блок согласования сигналов включает высоковольтный разделительный конденсатор (на выпрямленном напряжении), делитель напряжения, высоковольтные резисторы согласования жил кабельной линии.
Блок расчета электромагнитной волны включает аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорное устройство, блок визуализации рефлектограммы, блок питания устройства со схемой.
На фиг.1 представлена структурная схема высоковольтного устройства регистрации мест повреждения изоляционных материалов силовых кабельных линий дистанционным способом.
На фиг.2 представлена электромагнитная волна-рефлектограмма кабельной линии марки СБ-50 при неустойчивом междуфазном повреждении «жила-жила» в контролируемом кабеле на расстоянии 49,5 м от полигона испытания (зажимов кабельной лини).
Высоковольтное устройство регистрации мест повреждения (ВУРМП) 8 состоит из высоковольтного блока согласования сигналов (ВБС) 1, соединенного с блоком расчета электромагнитной волны (БРЭВ) 2.
р
дi
дj
Высоковольтный блок согласования (ВБС) 1 имеет три высоковольтных вывода (проводника) для подключения к высоковольтным жилам силовой кабельной линии. Высоковольтный блок согласования (ВБС) 1 включает высоковольтный разделительный конденсатор (C) 9, создающий разрыв цепи подключения устройства на выпрямленном испытательном напряжении и через него (высоковольтный разделительный конденсатор 9) подключенный одним выводом к высоковольтной испытываемой жиле кабеля А(В)(С). Высоковольтный разделительный конденсатор (Cр) 9 вторым выводом последовательным соединением соединен с входом делителя напряжения (R, R) 10,11.
св1
св2
дj
дi
дj
Высоковольтный блок согласования (ВБС) 1 также содержит высоковольтные резисторы согласования волнового процесса (R, R) 12,13, соединенные одним выводом со свободными жилами контролируемого кабеля В(C)(А), C(А)(В), другим выводом к заземляющей шине устройства (на фиг.не обозначен). Второй вывод делителя напряжения (R)11подключен к заземляющей шине устройства. К выходу делителя напряжения (R, R) 10,11параллельно подключен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3 блока расчета электромагнитной волны (БРЭВ) 2.
дi
дj
Блок расчета электромагнитной волны (БРЭВ) 2 устройства состоит из аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 3, вход которого параллельно соединен с делителем напряжения (R, R) 10,11, выход последовательным соединением связан с входом микропроцессорного устройства 4, выход которого последовательно соединен с входом визуализации электромагнитной волны - рефлектограммы (ВР) 5. Выход визуализации рефлектограммы (ВР) 5 последовательным соединением связан с выходом блока питания (БП) 6, позволяющий устройству 8 работать как от сети 220 В переменного напряжения, так и от источника питания напряжением 12 В постоянного тока.
Рассмотрим работу переносного высоковольтного устройства регистрации мест повреждения изоляционных материалов силовых кабельных линий дистанционным способом (фиг.1).
св1
св2
р
р
р
с
дi
дj
К предварительно отключенной силовой трехфазной кабельной линии (КЛ) подключается высоковольтный источник (ВИ) 7 выпрямленного напряжения отрицательной полярности (VD) к испытуемой жиле А(В)(С) контролируемого кабеля. Свободные жилы кабельной линии В(С)(А) и С(А)(В) подключаются к вводу высоковольтного блока согласования (ВБС) 1 устройства регистрации мест повреждения 8. Оболочка силовой трехфазной кабельной линии заземляется, на конце силовой трехфазной кабельной линии жилы разомкнуты и отключены от потребителя электроэнергии. Ввод высоковольтного блока согласования (ВБС) 1 подключен к заземленным высоковольтным резисторам согласования волнового процесса (R)12 и (R)13соответственно, тем самым заземляя свободные жилы контролируемого кабеля во время высоковольтного испытания изоляции согласно правилам устройств электроустановок. Вывод высоковольтного блока согласования (ВБС) 1 связанного с разделительным конденсатором (C) 9 подключают к испытуемой жиле контролируемого кабеля А(В)(С) параллельно с источником высокого напряжения - высоковольтным источником (ВИ) 7. Высоковольтный источник (ВИ) 7 плавно заряжает кабельную линию (КЛ) выпрямленным напряжением (VD) до испытательного напряжения (U) с контролем тока утечки (А) в кабеле. В процессе заряда кабельной линии (КЛ) устройство 8 регистрации мест повреждения гальванически изолировано от испытательного напряжения (ТрП) за счет параллельно включенного высоковольтного разделительного конденсатора (C) 9. Разность потенциалов между высоковольтным источником (ВИ) 7 и высоковольтным блоком согласования (ВБС) 1 устройства равно нулю. В случае отказа изоляции (повреждения с высоким переходным сопротивлением) в контролируемой кабельной линии формируется электромагнитная волна, распространяющаяся от места отказа изоляции в обе стороны кабельной линии, имеющая характер затухающих колебаний. Набегающая электромагнитная волна кабельной линии через разделительный конденсатор (C) 9, емкостное сопротивление Х=1/2πfС в момент пробоя стремится к нулю и измерительный преобразователь напряжения (делитель) (R,, R) 10,11 оцифровывается в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) 3, аналого-цифровой преобразователь 3 передает оцифрованную электромагнитную волну в микропроцессорное устройство 4 для выполнения необходимых операций расчета и графического отображения электромагнитной волны - рефлектограммы в блоке визуализации рефлектограммы (ВР) 5 (фиг.2), отображающей расстояние до места пробоя изоляции в кабельной линии от места (полигона) испытания.
Устройство 8 обладает невысокими массогабаритными показателями, что обеспечивает ему высокую мобильность в процессе эксплуатации. Возможность работы блока питания 6 устройства как от сети переменного напряжения, так и от аккумуляторных батарей, что повышает эксплуатационную мобильность устройства.
Период распространения электромагнитной волны (фиг.2), позволяют определить расстояние до места (зоны) повреждения от зажимов высоковольтного источника 7 во время тестирования кабельной линии. Один полный период распространения электромагнитной волны в кабеле (собранный по диагностической схеме), а именно жилы кабеля и его оболочка заземлены в начале и разземлены в конце, согласно при испытании выпрямленным напряжением отрицательной полярности, определяется четырехкратным пробегом электромагнитного импульса пробоя изоляции в канале кабельной линии (между высоковольтным источником и дугой короткого замыкания).
пр
Изменением знака (перезаряд) происходит в месте повреждения, тем самым формируя положительную и отрицательную полуволну: T=4⋅t. Скорость распространения электромагнитной волны для данного класса кабельных линий известен и равен 160-165 м/мкс, необходимо отметить, что скорость распространения в канале кабеля зависти от параметров кабеля, а именно от его L (индуктивности) и С (емкости). Соответственно зная период распространения электромагнитной волны и время одного периода, можно с высокой точностью определить расстояние до места повреждения дистанционным методом по формуле:
, (1)
пр
где Тх - один периода волнового процесса (электромагнитной волны), υ - скорость распространения волны в канале кабеля, t - время прохождения электромагнитной волны от места повреждения до места испытания.
св1
св2
св1
св2
св1
св2
Воспользовавшись формулой (1) и известными из фиг.2 данными Тх=1,24 мкс, υ=160 м/мкс определим расстояние до места повреждения 49,5 м, что соответствует искомому, т.к. электромагнитная волна - рефлектограмма, представленная на фиг. 2 получена при пробое в имитационной модели кабельной линии в режиме высоковольтной диагностики 4,6 кВ на расстоянии 1/2 длины 99 метрового кабеля от зажимов высоковольтного источника 7 и жилы кабельной линии А(В)(С). Наличие высоковольтных резисторов согласования волнового процесса (R, R) 12,13 в блоке согласования (ВБС) 1 позволяет фиксировать волновой процесс (электромагнитную волну) без искажения периода колебаний волны Tх в контролируемом кабеле при междуфазных повреждениях, отсутствие резисторов (R, R) 12,13 ведет к значительному искажению формы и периода рефлектограммы, что затрудняет определение места повреждения при неустойчивых междуфазных повреждениях в кабельных линиях методом колебательного разряда, сопротивление резисторов согласования (R, R) 12,13 должны превышать волновое сопротивление в кабеле минимум на один порядок и должны составлять не менее 300 Ом.
Таким образом, высоковольтное (прямого подключения) устройство 8 регистрации мест повреждения изоляционных материалов силовых кабельных линий позволяет выявлять с высокой точностью неустойчивые повреждения изоляции в разных сочетаниях жил (фаз) кабеля дистанционным способом методом колебательного разряда, исключая длительный, трудоемкий и не энергоэффективный процесс прожига изоляции, а также без дополнительного подключения присоединительных устройств между контролируемым высоковольтным кабелем и устройством регистрации, что ведет к упрощению схемы определения места повреждения и как следствие сокращению времени готовности схемы испытания, уменьшении площади полигона испытания, снижению ошибок оперативного персонала и повышению эффективности процесса дистанционного способа определения поврежденных участков изоляции силовых кабельных линий с высоким переходным сопротивлением в месте повреждения, а возможность работы от аккумуляторной батареи дополнительно повышает эксплуатационную маневренность устройства в полевых условиях.