СПОСОБ ПРОВЕРКИ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ И АНАЛИЗАТОР СИСТЕМЫ ЭНЕРГОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ
METHOD FOR CHECK OF ENERGY DISTRIBUTION SYSTEM AND ENERGY DISTRIBUTION SYSTEM ANALYSER

Уровень техники
Настоящее раскрытие изобретения в целом относится к способу проверки по меньшей мере одного силового кабеля, находящегося внутри электросети и, в частности, к управлению электросетью в зависимости от рабочего состояния электросети. Кроме этого, настоящее раскрытие изобретения относится к анализатору силового кабеля, выполненному с возможностью проверки силового кабеля, находящегося внутри электросети.
Рабочее состояние электропроводки может быть критичным в различных областях применения, например в электросетях, бортовой электропроводке самолетов, автомобильной электропроводке, электропроводке охранных систем, например, силовых установок и т.д. Поэтому исправная работа электропроводки и выявление возможных неисправностей является предметом обширного исследования. Точное определение неисправностей проводки и/или рабочего состояния проводки является одним из обязательных требований, предъявляемых к электрическим устройствам, в которых используется сложная система проводки.
Одной из важных задач, решаемых метрологией, является выявление и локализация неисправностей в силовых кабелях. В силовых кабелях, таких как силовые кабели среднего напряжения, для подачи электроэнергии на источник питания средней мощности может возникать множество неисправностей, например размыкание цепи, короткое замыкание, попадание воды внутрь кабеля и т.п.
Для обеспечения надежной и бесперебойной работы электросети с множеством силовых кабелей электросеть должна эксплуатироваться таким образом, чтобы даже при возникновении вышеописанных неисправностей не происходило превышения максимально допустимой номинальной нагрузки конкретного силового кабеля.
Поэтому необходимо повышать надежность электросети с множеством силовых кабелей, которые подвергаются негативному воздействию окружающей среды и эксплуатируются в изменяющихся условиях внутри электросети.
Раскрытие изобретения
Ввиду вышесказанного предлагается способ проверки системы энергораспределения по п.1 и анализатор по п.11.
По одному из аспектов изобретения способ проверки системы энергораспределения электросети включает в: подачу в проверяемую систему энергораепределения первого электрического сигнала; прохождение первого электрического сигнала через проверяемую систему энергораспределения; прием второго электрического сигнала, являющегося частью первого электрического сигнала, отражаемого внутри системы энергораспределения; измерение параметра изменения сигнала между первым электрическим сигналом и вторым электрическим сигналом; определение при помощи измеренного параметра изменения сигнала по меньшей мере одного местоположения критичного проводящего участка в системе энергораспределения; определение при помощи измеренного параметра изменения сигнала максимально допустимой нагрузки для критичного проводящего участка; а также вывод управляющего сигнала для управления электросетью таким образом, чтобы мощность, проходящая через критичный проводящий участок, не превышала максимально допустимой нагрузки.
По другому аспекту изобретения анализатор, выполненный с возможностью проверки системы энергораспределения электросети, содержит: передающий блок, выполненный с возможностью передачи первого электрического сигнала; блок связи, выполненный с возможностью связи первого электрического сигнала с проверяемой системой энергораспределения для прохождения первого электрического сигнала через проверяемую систему энергораспределения; принимающий блок, выполненный с возможностью приема второго электрического сигнала, являющегося частью первого электрического сигнала, отражаемого внутри системы энергораспределения; оценочный блок, выполненный с возможностью измерения параметра изменения сигнала между первым электрическим сигналом и вторым электрическим сигналом, а также определения при помощи измеренного параметра изменения сигнала местоположения критичного проводящего участка в системе энергораспределения и максимально допустимой нагрузки для критичного проводящего участка; блок вывода, выполненный с возможностью вывода управляющего сигнала для управления электросетью таким образом, чтобы мощность, проходящая через критичный проводящий участок, не превышала максимально допустимой нагрузки.
В целом, определение максимально допустимой нагрузки может включать в себя оценку функциональной зависимости перекрестной корреляции между первым электрическим сигналом и вторым электрическим сигналом.
Аспекты изобретения также включают в себя установки для реализации раскрываемых способов и элементы установок для осуществления каждого из описанных этапов способа. Подобные этапы способа могут осуществляться за счет использования компонентов аппаратных средств, компьютера с соответствующим программным обеспечением в любой комбинации из этих двух элементов или любым иным образом. Кроме этого, изобретение также включает в себя способы использования описанных установок, включая этапы способов по осуществлению каждой функции установки или изготовление каждой части установки. Таким образом, очевидно, что, например, дополнительные этапы способа по зависимым пунктам 2-11 могут быть осуществлены при помощи соответствующих частей установки, а дополнительные функции установки по зависимым пунктам 13-16 позволяют реализовать соответствующие этапы способа.
Дополнительные типовые варианты осуществления изложены в зависимых пунктах формулы изобретения, описании изобретения и прилагаемых чертежах.
Краткое описание чертежей
Полное и достаточное для воспроизведения раскрытие настоящего изобретения, включающее в себя лучший вариант, направленное на специалистов, обладающих рядовыми знаниями в данной области техники, изложено, в частности, в остальной части описания изобретения, со ссылкой на прилагаемые чертежи, где
на фиг.1 показана электросеть по типовому варианту осуществления, включающая в себя четыре подстанции, соединенные посредством силовых кабелей с подключенными к ним анализаторами;
на фиг.2 показана связь анализатора силового кабеля с проверяемым силовым кабелем;
на фиг.3 показано прохождение по проверяемому силовому кабелю тестового сигнала и отраженного сигнала;
на фиг.4 показана временная разница между тестовым сигналом и отраженным сигналом, выступающая в качестве параметра изменения сигнала;
на фиг.5 показан анализатор силового кабеля, соединенный с проверяемым силовым кабелем, находящимся в электросети, причем электросеть управляется управляющим сигналом, подаваемым анализатором силового кабеля;
на фиг.6 показана принципиальная схема анализатора силового кабеля по типовому варианту осуществления;
на фиг.7 показаны разные формы отраженного электрического сигнала (фиг.7(b) и 7 (с)) относительно первого электрического сигнала, используемого в качестве тестового сигнала (фиг.7(а)), по другому типовому варианту осуществления; и
на фиг.8 показана блок-схема способа проверки силового кабеля, находящегося в электросети, по одному из типовых вариантов осуществления.
Осуществление изобретения
Далее будут подробно рассмотрены различные типовые варианты осуществления изобретения, один или более примеров которых изображены на чертежах. Каждый из примеров приведен в качестве пояснения, а не ограничения изобретения. Например, признаки, изображенные или описанные как часть одного из вариантов осуществления, могут быть использованы совместно с другими вариантами осуществления для получения дополнительных вариантов осуществления. Предполагается, что настоящее раскрытие изобретения охватывает подобные модификации и вариации.
Ниже будут рассмотрены несколько подобных вариантов осуществления. В данном случае одинаковые конструктивные признаки на чертежах обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Конструкции, изображенные на чертежах, показаны не в масштабе и служат исключительно для лучшего понимания вариантов осуществления.
На фиг.1 показана принципиальная схема электросети 400 по типовому варианту осуществления, включающей в себя четыре подстанции 401, 402, 403 и 404. Подстанции соединены друг с другом посредством силовых кабелей 200. На выходе или входе подстанций 401-404, соответственно, анализаторы 100 силовых кабелей связаны с проверяемыми силовыми кабелями 200 через блок 300 связи. Подстанции 401-404 в электросети 400 выполнены с возможностью управления максимальной нагрузкой, подаваемой на силовые кабели 200.
В целом, следующее описание и чертежи относятся к ситуации, когда осуществляется проверка силового кабеля 200 или части силового кабеля 200. Хотя подобная ситуация является важным общим аспектом, изобретение не ограничено подобной ситуацией и также позволяет проверять другие компоненты системы 210 энергораспределения, т.е. часть электросети 400, в которой осуществляется проверка. Подобные другие компоненты могут быть сетевым выключателем или прерывателем. Кабель или другие компоненты могут проверяться, например, за счет связи электрического сигнала с кабелем или другими частями системы энергораспределения и последующего прохождения электрического сигнала к проверяемой части. Таким образом, например, можно проверять рабочее состояние прерывателя силового кабеля системы энергораспределения.
Измерительные устройства, выполненные с возможностью определения надлежащей работы проверяемого силового кабеля 200, находятся в кабельных анализаторах 100. Кабельные анализаторы 100 могут быть расположены внутри изоляционной втулки проверяемого силового кабеля 200. Связь тестовых сигналов, посылаемых анализаторам 100 силового кабеля в направлении проверяемого силового кабеля 200, может осуществляться посредством блока 300 связи, который будет рассмотрен ниже со ссылкой на фиг.2.
Критичные проводящие участки 203 схематично показаны на фиг.1, критичный проводящий участок 203 свидетельствует, например, о повреждении силового кабеля 200 или попадании воды в силовой кабель 200.
Изобретателями было замечено, что наличие критичного проводящего участка подобного типа необязательно означает, что кабель становится полностью непригодным. Во многих случаях для продолжения его эксплуатации достаточно обеспечить, чтобы нагрузка на кабель не была слишком высокой. Для этого по меньшей мере одним кабельным анализатором 100 подается управляющий сигнал, используемый для управления по меньшей мере частью электросети 400 таким образом, чтобы мощность, проходящая через критичный проводящий участок 203, не превышала максимально допустимую нагрузку (максимально допустимая нагрузка рассчитывается за счет проведения анализа кабеля, как это более подробно рассматривается ниже). Подобная номинальная нагрузка может быть по меньшей мере одним из следующих параметров:
номинальной силовой нагрузкой, определяющей максимально допустимую передаваемую электрическую мощность, номинальным напряжением, определяющим максимальное напряжение, которое может передаваться по силовому кабелю, или номинальным током, определяющим максимально допустимую проходную силу тока. Для корректирования максимально допустимой нагрузки на критичный проводящий участок 203 управляющий сигнал, используемый для управления электросетью 400, подается таким образом, чтобы мощность, передаваемая через критичный проводящий участок 203, не превышала максимально допустимую нагрузку, как это будет рассмотрено ниже со ссылкой на фиг.5.
Местоположение критичного проводящего участка 203 по меньшей мере в одном из силовых кабелей 203 внутри электросети 400 может быть определено путем сравнения сигнала, отраженного от критичного проводящего участка 203, с тестовым сигналом, направляемым по меньшей мере одним кабельным анализатором 100. Вследствие отражения от критичного проводящего участка 203 тестовый сигнал может изменяться, а параметры подобного изменения зависят от особенностей и расположения критичного проводящего участка 203, как это будет рассмотрено ниже.
Использование способа для проверки силового кабеля 200, находящегося в электросети 400, таким образом, позволяет определять расположение критичного проводящего участка 203. За счет соответствующих измерений, таким образом, становится возможным распределять электрическую нагрузку внутри электросети 400 таким образом, чтобы избежать перегрузки поврежденного или частичного поврежденного кабеля 200.
На фиг.2 показана схематичная компоновка, позволяющая подключать анализатор 100 силового кабеля к проверяемому силовому кабелю 200. Аналогичная компоновка также может использоваться для связи соответствующего анализатора с другими частями проверяемой системы 210 энергораспределения (см. фиг.1). Силовой кабель 200 может быть коаксиальным кабелем, витой парой, ленточным кабелем и т.п., пригодным для использования в электросети 400, описанной выше со ссылкой на фиг.1.
На фиг.2 показаны различные схемы подключения. Первый анализатор 100-1 силового кабеля гальванически соединен с внутренним и внешним проводниками проверяемого коаксиального силового кабеля 200. Соответствующее соединительное устройство 300-1 состоит всего лишь из двух проводов, соединенных соответственно с внутренним и внешним проводниками коаксиального кабеля 200.
В качестве другого примера анализатор 100-2 силового кабеля (второй анализатор силового кабеля) емкостно связан с коаксиальным силовым кабелем 200 через емкостной блок 300-2 связи. Емкостной блок 300-2 связи выполнен таким образом, что его непосредственное соединение с внутренним проводником и/или внешним проводником силового кабеля 200 не требуется. Подобную емкостную связь эффективно использовать на тех участках кабеля, где имеется слабое экранирование, либо экранирование отсутствует. Таким образом, в общем аспекте, предпочтительно, чтобы емкостная связь использовалась для экранированного силового кабеля 200 на тех участках кабеля, где экранирование отсутствует или уменьшено, например, в изоляционной втулке силового кабеля 200. В этом случае обеспечивается доступ к проверяемому силовому кабелю 200 без разрыва кабеля и/или без соединения внутреннего и внешнего проводов с соединительными проводами кабельного анализатора 100. Согласно компоновке, показанной на фиг.2, передача тестовых сигналов, используемых в качестве первых электрических сигналов, может осуществляться при помощи гальванической или емкостной связи 300-1 и 300-2, соответственно.
Как вариант, анализатор 100-2 силового кабеля может быть связан с силовым кабелем 200 индуктивно. Поскольку в этом случае связь на высоких частотах будет слабой, получение точного пространственного разрешения будет более затруднено. Между тем, индуктивная связь также может использоваться и на экранированных участках кабеля таким образом, чтобы доступ к кабелю мог обеспечиваться в любом месте, по всей длине.
На фиг.3 показана схематичная диаграмма, на которой изображен проверяемый силовой кабель 200 с критичным проводящим участком 203. Критичный проводящий участок 203 в силовом кабеле 200 может возникать из-за изменения рабочего состояния силового кабеля 200. Изменение рабочего состояния силового кабеля 200 может зависеть по меньшей мере от одного из следующих аспектов: электрических свойств силового кабеля или свойств окружающей среды вокруг кабеля. Электрические свойства силового кабеля 200 могут зависть по меньшей мере от одного из следующих аспектов: заземляющего контакта, перегоревшего предохранителя, размыкания цепи, короткого замыкания, частично разомкнутой цепи, частично короткого замыкания, состояния изоляции, частичного разряда, нарушения дугового разряда, рабочего состояния прерывателя кабеля и т.д.
Свойства окружающей среды вокруг проверяемого силового кабеля 200 могут зависеть по меньшей мере от одного из следующих аспектов: влажности окружающей среды, попадания воды внутрь силового кабеля, изменения температуры и т.д. По типовому варианту осуществления электрический тестовый сигнал, т.е. первый электрический сигнал 201, подается в проверяемый силовой кабель 200 через блок 300 связи, описанный выше со ссылкой на фиг.1 и 2. Подобный первый электрический сигнал 201 проходит по проверяемому силовому кабелю 200 в качестве тестового сигнала в направлении электрического проводящего участка 203. Первый электрический сигнал 201 проходит по проверяемому силовому кабелю 200 в качестве распространяющегося сигнала, без каких-либо существенных прерываний или отражений при условии, что значение полного сопротивления проверяемого силового кабеля 200 остается постоянным. Энергия электрического сигнала первого электрического сигнала 201 передается по проверяемому силовому кабелю 200. После того как первый электрический сигнал 201 доходит до конца проверяемого силового кабеля 200 или при возникновении любых изменений в полном сопротивлении силового кабеля 200 по меньшей мере часть энергии электрического сигнала, переносимой первым электрическим сигналом 201, отражается обратно, в противоположном направлении. Энергия и форма второго электрического сигнала 202, являющегося сигналом, отраженным критичным проводящим участком 203, определятся при помощи коэффициента R отражения, который может быть рассчитан по следующей формуле:
0
C
где Z - полное сопротивление силового кабеля 200, a Z - полное сопротивление критичного проводящего участка 203. Вышеупомянутая формула подразумевает резкое изменение полного сопротивления, но может также, в целом, использоваться и для плавных изменений полного сопротивления в кабеле. Подобные плавные изменения полного сопротивления можно рассматривать как серию (бесконечно малых) отражений в области кабеля, где происходят изменения полного сопротивления.
Поскольку направления прохождения двух сигналов 201, 202, т.е. направление 207 прохождения вперед и направление 208 прохождения назад, противоположны друг другу, для определения местоположения критичного проводящего участка 203 в проверяемом силовом кабеле 200 можно использовать принцип RADAR. Так, например, в режиме на отражение во временной области местоположение критичного проводящего участка 203 в проверяемом силовом кабеле 200 можно определить посредством измерения временных различий (см. фиг.4 ниже).
Однако здесь следует отметить, что измерение временных различий в режиме на отражение во временной области (TDR) является лишь одним из множества способов сравнения тестового сигнала, т.е. первого электрического сигнала 201, с отраженным сигналом, т.е. вторым электрическим сигналом 202. При выборе способа проверки силового кабеля 200, находящегося в электросети 400, второй электрический сигнал 202 может приниматься, при этом второй электрический сигнал 202, возникающий из части первого электрического сигнала 201, отражается внутри силового кабеля 200 от критичного проводящего участка 203. Затем может измеряться параметр изменения сигнала между первым электрическим сигналом 201 и вторым электрическим сигналом 202. По параметру изменения сигнала можно определять местоположение критичного проводящего участка 203 внутри электросети 400.
Параметр изменения сигнала может включать в себя, помимо информации, необходимой для определения местоположения (например, временные задержки между первым сигналом и вторым сигналом), дополнительную информацию (например, информацию, связанную с изменением формы, частоты распространения и/или фаз между первым и вторым сигналами или их частями). Поэтому при упоминании параметра изменения сигнала необязательно используется вся информация, содержащаяся в данном параметре, допустимы ситуации, когда используется лишь часть информации, содержащейся в параметре изменения сигнала.
Хотя на фиг.3 показана ситуация, когда для определения местоположения критичного проводящего участка 203 в проверяемом силовом кабеле 200 измеряется временная задержка между первым электрическим сигналом 201 и вторым электрическим сигналом 202, могут также использоваться и другие способы получения информации о местоположении, как это вкратце будет рассмотрено ниже.
Как показано на фиг.3, первый электрический сигнал 201 подается в качестве импульсного тестового сигнала с амплитудой А, которая меняется в зависимости от времени t. Если происходит отражение от критичного проводящего участка 203, как это рассматривалось выше, то форма второго электрического сигнала 202, в целом, может быть аналогична форме первого электрического сигнала 201, т.е. амплитудное изменение А относительно времени t при прохождении в обратном направлении будет аналогично. Между тем, происходит временная задержка между первым электрическим сигналом 201 и вторым электрическим сигналом 202, которая может использоваться для определения местоположения критичного проводящего участка 203, как это будет рассмотрено ниже при помощи уравнений (2) и (3).
Следует отметить, что отражение, необходимое для формирования второго электрического сигнала 202, в целом, возникает из-за изменения общего сопротивления в проверяемом силовом кабеле 200, которое, в свою очередь, происходит, например, из-за разницы общих сопротивлений, изменения электрических свойств силового кабеля и/или изменения свойств окружающей среды вокруг кабеля. Поэтому подобные явления могут диагностироваться при помощи описанной технологии. Другие примеры подобных явлений изложены ниже.
Измерения в режиме на отражение во временной области позволяют определять временную задержку, вызванную смещением по времени второго электрического сигнала 202 относительно первого электрического сигнала 201, как это показано на фиг.4. Кроме этого, измерения по отражению могут осуществляться в частотной области, т.е. может использоваться рефлектометрия в частотной области (FDR). По сравнению с рефлектометрией во временной области рефлектометрия в частотной области позволяет получать дополнительную информацию по критичному проводящему участку 203 в проверяемом силовом кабеле 200. При проверке силового кабеля 200 с использованием нескольких частот можно получить исключительно точную информацию о местоположении неисправности.
В способе, основанном на рефлектометрии в частотной области, происходит формирование сигнала с разными контрольными частотами, а отраженный сигнал содержит измеряемые величины, относящиеся к частотам и/или к фазам (относительно подаваемого сигнала). Например, в рефлектометрии с частотно модулируемой незатухающей гармонической волной (FMCW) формируемый сигнал, сопрягаемый с кабелем 200, имеет быстрое качание частоты в заданном частотном диапазоне.
Рефлектометрия в частотной области основана на формировании резонансов между отраженным и передаваемым сигналами. В широком частотном диапазоне возникает множество резонансов, вызывающих многочисленные периодические пульсации. Шаг частот между подобного рода пульсациями включает в себя информацию о местоположении критичного проводящего участка 203. Измеряемые сигналы, получаемые при помощи рефлектометра в частотной области, могут подвергаться быстрому преобразованию Фурье (FFT). Выходные импульсы FFT могут отображаться и анализироваться для определения местоположения критичного проводящего участка 203.
Рефлектометрия во временной области (TDR) может использоваться комбинированно с методом передачи сигналов с расширенным спектром (SST), который заключается в преднамеренном распределении в области частот электромагнитной энергии с определенной шириной полосы. Это позволяет получать сигнал с более широкой шириной полосы. Подобная рефлектометрия во временной области с расширенным спектром (SSTDR) также может использоваться для определения критичного проводящего участка 203 в проверяемом силовом кабеле 200. Метод SSTDR позволяет осуществлять мониторинг различных неисправностей, возникающих в проверяемом силовом кабеле 200. В целом, комбинирование временной и частотной спектроскопии позволяет использовать преимущества обоих подходов. Для этих целей в комбинированной рефлектометрии используется рефлектометр для смешанных сигналов (во временной и частотных областях).
Подобные неисправности могут включать в себя, не ограничиваясь, заземляющий контакт, перегоревший предохранитель, размыкание цепи, короткое замыкание, частично разомкнутую цепь, частично короткое замыкание, состояния изоляции проверяемого силового кабеля 200, частичный разряд или нарушение дугового разряда в силовом кабеле 200, рабочее состояние прерывателя силового кабеля 200 и т.д. В подобных методах термин «участок» сигнала необязательно относится к участку сигнала в реальном времени и может также относится к участку в частотной области или к другому участку сигнала.
Первый электрический сигнал может подаваться по меньшей мере в форме одного из следующих сигналов: сигнала с расширенным спектром, модулированного сигнала или импульсного сигнала. Параметр изменения сигнала может включать в себя временную задержку между первым электрическим сигналом и вторым электрическим сигналом. Кроме этого, изменение сигнала может включать в себя изменение в заданном частотном диапазоне, причем второй электрический сигнал является спектрально разложенным.
На фиг.4 схематично показано определение различия 205 между сигналами в качестве параметра изменения сигнала. На диаграмме, изображенной на фиг.4, параметр изменения сигнала показан в виде временной задержки 205 между первым электрическим сигналом 201 и вторым электрическим сигналом 202, показывающим таким образом изменение между первым электрическим сигналом 201 (распространяющимся сигналом) и вторым электрическим сигналом 202 (отраженным сигналом). При использовании рефлектометрии во временной области подобный параметр изменения сигнала является всего лишь временной разницей, которая может быть получена при помощи корреляционной процедуры. Поскольку формы первого и второго электрических сигналов 201 и 202, соответственно, аналогичны друг другу, взаимная корреляция может позволять определить временной сдвиг второго электрического сигнала 202 относительно первого электрического сигнала 201. По временному сдвигу местоположение критичного проводящего участка 203 в проверяемом силовом кабеле 200 (см. фиг.3 выше) может быть рассчитано с учетом известной скорости распространения сигнала внутри проверяемого силового кабеля 200.
На фиг.5 показана принципиальная схема анализатора 100 силового кабеля, установленного в электросети 400 для проверки силовых кабелей 200, находящихся в электросети 400. Хотя показан лишь один проверяемый силовой кабель 200, в электросети 400 может находиться множество силовых кабелей 200, выполненных с возможностью распределения электроэнергии между подстанциями 401-404 (фиг.1). По типовому варианту осуществления, показанному на фиг.5, производится проверка одного силового кабеля 200. Анализатор 100 силового кабеля соединен с проверяемым силовым кабелем 200 через блок 300 связи, который может быть выполнен в виде емкостного блока связи или гальванического блока связи.
Блок 300 связи, таким образом, обеспечивает гальваническую или емкостную связь сигналов с проверяемым силовым кабелем 200. Анализатор 100 силового кабеля, по существу, соединен с блоком 300 связи через два пути прохождения сигнала, т.е. через передний путь, используемый для передачи сигнала в направлении 207 вперед, и через задний путь, используемый для передачи сигнала в направлении 208 назад. Первый электрический сигнал 201 является тестовым сигналом, данный сигнал распространяется в направлении 207 вперед, в сторону блока 300 связи, где он сопрягается с проверяемым силовым кабелем 200. Если вследствие разницы полных сопротивлений и т.п. внутри проверяемого силового кабеля 200 происходит отражение (как это было рассмотрено выше со ссылкой на фиг.3), то в этом случае может формироваться отраженный сигнал, являющийся вторым электрическим сигналом 202, проходящим по заднему пути, в направлении 208 назад, в сторону анализатора 100 силового кабеля.
Анализатор 100 силового кабеля принимает второй электрический сигнал 202, являющийся частью первого электрического сигнала 201, отражаемый внутри проверяемого силового кабеля 200. В оценочный блок, который будет рассмотрен ниже со ссылкой на фиг.6, определяется соотношение между первым электрическим сигналом 201 и вторым электрическим сигналом 202. После этого анализатор 100 силового кабеля может измерять параметр изменения сигнала между первым электрическим сигналом 201 и вторым электрическим сигналом 202. По измеренному параметру изменения сигнала можно определить местоположение критичного проводящего участка 203 (рассмотренного выше со ссылкой на фиг.3) внутри электросети 400 (см. фиг.1).
После этого может быть определена максимально допустимая нагрузка для критичного проводящего участка 203 и передан управляющий сигнал 206, используемый для управления электросетью 400 таким образом, чтобы мощность, передаваемая через критичный проводящий участок 203, не превышала максимально допустимую нагрузку. Управляющий сигнал 206 передается в электросеть 400 по линии 209 управления. Внутри электросети 400 могут быть предприняты соответствующие меры, направленные на то, чтобы мощность, передаваемая через критичный проводящий участок 200, не превышала максимально допустимой нагрузки для соответствующего силового кабеля 200.
Измерение параметра изменения сигнала, определение местоположения критичного проводящего участка 203 внутри электросети 400, а также определение максимально допустимой нагрузки для критичного проводящего участка 203 будут рассмотрены ниже со ссылкой на фиг.6.
На фиг.6 показана принципиальная схема, на которой изображены функциональные блоки анализатора 100 силового кабеля по типовому варианту осуществления. Анализатор 100 силового кабеля соединен с электросетью 400. Анализатор 100 силового кабеля включает в себя передающий блок 101, передающий первый электрический сигнал 201.
Следует заметить, что хотя выше со ссылкой на фиг.2 и 3 были рассмотрены различные сигналы, используемые в методах TDR, SSTDR и FDR, по настоящему варианту осуществления в качестве тестового сигнала используется импульсообразный первый электрический сигнал 201. Формы сигнала и соответствующие изменения форм сигнала у отраженного сигнала будут рассмотрены ниже со ссылкой на фиг.7. Первый электрический сигнал 201 проходит через блок 300 связи в направлении проверяемого силового кабеля 200. Связь первого электрического сигнала 201 с силовым кабелем 200 была рассмотрена выше со ссылкой на фиг.2 и во избежание излишнего повторения повторно рассматриваться не будет.
Критичный проводящий участок 203 может быть расположен в проверяемом силовом кабеле 200 таким образом, что отраженный сигнал может приниматься в качестве второго электрического сигнала 202 и передаваться через блок 300 связи на принимающий блок 102 анализатора 100 силового кабеля. Помимо этого анализатор 100 силового кабеля включает в себя блок 105 управления, выполненный с возможностью управления передающим блоком 101 и передающим блоком 102.
Следует отметить, что, хотя это и не показано на фиг.6, передающий блок 101 и приемопередающий блок 102 могут быть выполнены как единый приемопередающий блок. Выходной сигнал с принимающего блока 102 поступает в оценочный блок 103, который также управляется блоком 105 управления. Оценочный блок 103 выполнен с возможностью определения соотношения между первым электрическим сигналом 201 и вторым электрическим сигналом 202, а также измерения параметра изменения сигнала между первым электрическим сигналом 201 и вторым электрическим сигналом 202.
Параметр изменения сигнала может включать в себя, не ограничиваясь, временную задержку между участком первого электрического сигнала 201 и соответствующим участком второго электрического сигнала 202. Кроме этого, параметр изменения сигнала может включать в себя изменения по форме и/или амплитудному распределению у отраженного, второго электрического сигнала 202, как это будет рассмотрено ниже со ссылкой на фиг.7(b) и 7(с). Оценочный блок 103 может включать в себя запоминающее устройство, в котором хранятся формы сигналов при калибровке. Формы сигналов при подобной калибровке могут закладываться в память до проверки силового кабеля 200, таким образом, чтобы фактически замеряемые формы сигналов могли сравниваться с формами сигналов, хранящимися в запоминающем устройстве оценочного блока 103. Таким образом, за счет сопоставления фактически замеренной формы второго электрического сигнала 202 относительно соответствующей формы первого электрического сигнала 201 с калибровочными кривыми форм сигналов, можно рассчитывать фактическую номинальную нагрузку.
В частности, замеренный параметр изменения сигнала может сравниваться с эталонным параметром изменения сигнала, заранее заложенным в память запоминающего устройства. После этого, на основании подобного сравнения и эталонной номинальной нагрузки, полученной во время предшествующих замеров для эталонного сигнала, может определяться максимально допустимая нагрузка. Параметр изменения эталонного сигнала может храниться в памяти запоминающего устройства, находящегося в оценочном блоке. Например, параметр изменения эталонного сигнала может быть получен в результате измерения отраженного сигнала в эталонном силовом кабеле, максимально допустимая нагрузка которого известна. Подобная номинальная нагрузка эталонного кабеля может затем использоваться в качестве эталонной номинальной нагрузки. Обычно оценочный блок включает в себя сравнительное устройство, выполненное с возможностью сравнения параметра изменения эталонного сигнала, полученного до начала измерений параметра изменения сигнала, с параметром изменения фактически замеренного сигнала, параметр изменения эталонного сигнала предпочтительно заранее помещается в память запоминающего устройства.
Кроме этого, по меньшей мере два параметра изменения сигналов могут замеряться по меньшей мере для двух силовых кабелей, причем параметры изменения замеренных сигналов сравниваются друг с другом, а максимально допустимая нагрузка определяется в результате сравнения параметров изменения по меньшей мере двух сигналов. Обычно по меньшей мере две номинальные нагрузки, полученные при измерении параметров изменения сигналов по меньшей мере двух силовых кабелей (200), сравниваются между собой, предпочтительно при помощи сравнительного устройства.
Параметр изменения сигнала может представлять собой сигнал изменения полного сопротивления между полным сопротивлением силового кабеля и полным сопротивлением критичного проводящего участка, а именно изменение пространственного полного сопротивления между полным сопротивлением критичного проводящего участка 203 и полным сопротивлением проводящего участка, смежного с критичным проводящим участком 203. Предпочтительно изменение сопротивления измеряется как временная функциональная зависимость, что позволяет получать параметр, указывающий временные изменения. По меньшей мере одно из свойств сигнала изменения полного сопротивления может использоваться для оценки максимально допустимой нагрузки, предпочтительно по меньшей мере какое-то одно из следующих свойств: временная производная сигнала изменения полного сопротивления, максимальная величина сигнала, минимальная величина сигнала, изменчивость сигнала, временная продолжительность изменения полного сопротивления и т.п. Например, если фактически измеренный сигнал изменения полного сопротивления, замеренный для конкретного силового кабеля 200, превышает максимальную величину сигнала, то максимально допустимая нагрузка для данного конкретного силового кабеля 200 уменьшается до более низкого значения. Таким образом, становится возможным избежать перегрузки подобного силового кабеля 200.
Также можно прогнозировать возможные будущие неисправности критичного проводящего участка. В частности, можно прогнозировать высокую вероятность будущего повреждения критичного проводящего участка 203. В данном случае высокая вероятность риска может указываться, например, в виде оценочного прогноза риска и/или путем указания, что вероятность риска превышает допустимый предел риска. Прогноз может основываться на измеренном параметре изменения сигнала, например, путем сравнения измеренного параметра изменения сигнала, для которого дается соответствующий прогноз по вероятности возникновения неисправности, с заложенными в память параметрами изменения сигнала. Предпочтительно прогнозирование риска основано на временных характеристиках измеренного параметра изменения сигнала. Так, например, значительные изменения или изменения во времени могут свидетельствовать о повышенной степени риска.
Информация (максимальная нагрузка, а также, если это применимо, вероятность будущих неисправностей и т.п.), основанная на измеренном параметре изменения сигнала, передается на блок 104 вывода, который выполнен с возможностью вывода местоположения критичного пропускного участка 203 в электросети, а также вывода управляющего сигнала 206 для управления электросетью 400 таким образом, чтобы мощность, передаваемая через критичный проводящий участок 203, не превышала максимально допустимого значения.
Вторые электрические сигналы 202, которые отражаются от критичного проводящего участка 203 проверяемого силового кабеля 200, рассматриваются ниже со ссылкой на фиг.7(b) и 7(с). Анализатор 100 силового кабеля, таким образом, может калиброваться за счет использования множества различных силовых кабелей 200, имеющих разные критичные проводящие участки 203. После этого вторые электрические сигналы 202, полученные в результате отражения первого электрического сигнала 201 от подготовленных критичных проводящих участков 203, могут использоваться в качестве эталона при фактическом измерении проверяемого неизвестного силового кабеля 200. Измеренные различия могут заноситься в качестве калибровочных измеренных значений в память оценочного блока 103 анализатора 100 силового кабеля.
Управляющий сигнал 206, таким образом, содержит информацию о параметре изменения сигнала. Информация, содержащаяся в параметре изменения сигнала, может включать в себя по меньшей мере одно из следующих значений: временную задержку между участком первого электрического сигнала 201 и соответствующим участком второго электрического сигнала 202 и/или информацию по изменению формы соответствующего участка второго электрического сигнала 202 относительно участка первого электрического сигнала 201.
Тогда как временная задержка определяется в зависимости от местоположения критичного проводящего участка 203 проверяемого силового кабеля 200, изменение формы может содержать информацию о рабочем состоянии силового кабеля 200. Рабочее состояние силового кабеля 200 может включать в себя по меньшей мере одно электрическое свойство силового кабеля. По меньшей мере одно электрическое свойство силового кабеля может включать в себя по меньшей мере один из следующих аспектов:
заземляющий контакт, перегоревший предохранитель, размыкание цепи, короткое замыкание, частичное размыкание цепи, частичное короткое замыкание, состояние изоляции, частичный разряд, нарушение дугового разряда, а также рабочее состояния прерывателя кабеля.
Кроме этого, рабочее состояние силового кабеля 200 может включать в себя по меньшей мере одно свойство окружающей среды вокруг кабеля. По меньшей мере одно свойство окружающей среды вокруг кабеля может включать в себя по меньшей мере один из следующих аспектов: попадание воды внутрь силового кабеля 200, состояние окружающей среды, например песок, сырая земля, гравий или камни.
Помимо этого анализатор 100 силового кабеля может включать в себя корреляционное устройство, выполненное с возможностью корреляции первого электрического сигнала 201 со вторым электрическим сигналом 202. За счет корреляционной функции можно определять метод измерения схожести первого электрического сигнала 201 со вторым электрическим сигналом 202. При помощи полученного коэффициента корреляции можно определять изменение формы участка второго электрического сигнала 202 относительно соответствующего участка первого электрического сигнала 201. Следует отметить, что изменение сигнала может включать в себя изменение в заданном частотном диапазоне, причем второй электрический сигнал 202 является спектрально разложенным.
Поскольку кабельный анализатор 100 может использоваться в электросети 400 во время эксплуатации электросети 400, появляется возможность получать информацию о неисправностях проверяемых силовых кабелей 200 при заданной электрической нагрузке на силовой кабель 200. Для получения данных с результатами измерений в любой момент во время эксплуатации электросети 400 анализатор 100 силового кабеля может быть полностью встроен в изоляционную втулку проверяемого силового кабеля 200. В подобной изоляционной втулке проверяемого силового кабеля 200 может быть достаточно места для размещения компонентов анализатора 100 силового кабеля, которые изображены и были рассмотрены выше со ссылкой на фиг.6. Кроме этого, поскольку анализатор 100 силового кабеля выполнен с возможностью проверки силовых кабелей 200, подача питания непосредственно для самого анализатора 100 силового кабеля может осуществляться по проверяемому силовому кабелю 200. Поэтому по меньшей мере часть питания для проверки системы энергораспределения может забираться из системы энергораспределения, точнее из проверяемого силового кабеля. Преимущество в данном случае заключается в том, что отдельный источник питания не требуется.
На фиг.7 показаны три графика, на которых изображены формы сигнала для тестирования проверяемого силового кабеля 200 по типовому варианту осуществления. На фиг.7(а) изображена типовая форма сигнала первого электрического сигнала 201. В данном случае амплитуда А первого электрического сигнала 201 показана в виде временной функциональной зависимости t. Следует отметить, хотя это и не показано на чертежах, что для первого электрического сигнала 201 могут использоваться произвольные формы сигнала. Для пояснения способа проверки силового кабеля 200 по типовому варианту осуществления была выбрана импульсная форма электрического сигнала 201 относительно времени t.
Между тем, как отмечалось ранее, можно использовать различные методы рефлектометрии, включая, но не ограничиваясь, такие методы, как рефлектометрия во временной области с расширенным спектром (SSTDR) и рефлектометрия в частотной области (FDR). Процессы рефлектометрии, показанные на фиг.7(а), 7(b) и 7(с), основаны на рефлектометрии во временной области (TDR), хотя настоящее раскрытие изобретения не ограничено рефлектометрией во временной области.
0
C
0
C
0
На фиг.7(b) и 7(с) показаны формы сигналов вторых электрических сигналов 202, отраженных от критичного проводящего участка 203 проверяемого силового кабеля 200. В данном случае амплитуда отраженного сигнала обозначена Ar, а время обозначено t. Согласно уравнению (1) выше, коэффициент отражения, а следовательно, отраженный сигнал могут изменяться в зависимости от несоответствия полных сопротивлений между полным сопротивлением Z силового кабеля и полным сопротивлением (Z) критичного проводящего участка 203. Кроме этого, как видно из уравнения (1) выше, коэффициент отражения может быть положительным или отрицательным. На фиг.7(b) показаны формы сигнала и изменения форм, соответственно для положительных коэффициентов отражения, т.е. форм сигнала 202-1, 202-2 и 202-4 второго электрического сигнала 202. В соответствии с уравнением (1) выше коэффициент отражения в данном случае является положительным, поскольку полное сопротивление критичного проводящего участка 203 превышает полное сопротивление (Z) силового кабеля. Чем больше полное сопротивление Zкритичного проводящего участка 203 превышает полное сопротивление Z силового кабеля 200, тем больше становится амплитуда Ar на фиг.7(b). Таким образом, наибольшее изменение полных сопротивлений создает второй электрический сигнал, обозначенный ссылочной позицией 202-1, причем ссылочными позициями 202-2 и 202-3 соответственно обозначены среднее изменение полных сопротивлений и малое изменение полных сопротивлений.
На фиг.7(с) показан отрицательный коэффициент отражения по уравнению (1) выше. Отрицательный коэффициент отражения и, соответственно, отрицательная амплитуда Ar второго электрического сигнала 202 возникают из-за отличия полных сопротивлений, причем полное сопротивление Zc критичного проводящего участка 203 меньше полного сопротивления проверяемого силового кабеля 200. Для форм сигнала, показанных на фиг.7(с), второй электрический сигнал, обозначенный ссылочной позицией 202-4, соответствует наибольшему изменению полных сопротивлений, причем формы сигнала, обозначенные ссылочными позициями 202-5 и 202-6 соответственно, относятся к среднему изменению полных сопротивлений и малому изменению полных сопротивлений.
При сравнении форм сигнала второго электрического сигнала 202, показанных на фиг.7(b) и 7(с), с формами сигнала первого электрического сигнала 201 размер и характер отличий полного сопротивления могут определяться при помощи оценочного блока 103 по фиг.6. Как следует из уравнения (1) выше, кривые, показанные на фиг.7(b), соответствуют разомкнутой цепи или по меньшей мере частично разомкнутой цепи, причем кривые, показанные на фиг.7(с), соответствуют замкнутой накоротко цепи или по меньшей мере частично замкнутой накоротко цепи. Подобный тип изменения полных сопротивлений может быть вызван различными рабочими состояниями проверяемого силового кабеля 200. Подобные рабочие состояния могут зависеть от электрических свойств силового кабеля 200 и/или свойств окружающей среды вокруг кабеля. Подобные свойства были описаны выше, но не ограничиваются свойствами, упоминаемыми в настоящем раскрытии изобретения.
Помимо анализа формы второго электрического сигнала 202 относительно первого электрического сигнала 201 можно также рассчитать временную задержку 205 между первым электрическим сигналом 201 и вторым электрическим сигналом 202. Временная задержка 205 позволяет непосредственно определять местоположение критичного проводящего участка 203 в силовом кабеле 200. Временная разница или временная задержка 205 может измеряться между местом ввода, где осуществляется ввод в кабель первого электрического сигнала 201, и местоположением отражающего участка внутри кабеля. Зная известное расстояние D между входным участком и отраженным участком, можно осуществлять калибровку системы. В этом случае, зная временную задержку 205 (Δt), скорость «с» распространения внутри проверяемого силового кабеля первого электрического сигнала 201 и второго электрического сигнала 202 может быть определена по следующему уравнению (2):
Используя подобную калибровку, местоположение критичного проводящего участка 203 внутри проверяемого силового кабеля 200 можно рассчитать по следующему уравнению (3):
Δt в уравнении (3) выше является измеренной временной задержкой между подачей первого электрического сигнала 201 в проверяемый силовой кабель 200 и приемом в этом же месте второго электрического сигнала 202. Длина L в уравнении (3) выше, таким образом, указывает географическое расстояние между местом ввода/вывода сигнала и местоположением критичного проводящего участка 203.
Формирование управляющего сигнала 206, который был рассмотрен ранее со ссылкой на фиг.6, может осуществляться за счет калибровки анализатора 100 силового кабеля, причем калибровка осуществляется следующим образом. Для определения местоположения критичного проводящего участка 203 внутри проверяемого силового кабеля 200 используются вышеупомянутые уравнения (2) и (3). Временная разница Δt (обозначенная позицией 205) является первым параметром изменения сигнала между участком первого электрического сигнала 201 и соответствующим участком второго электрического сигнала 202.
Другим параметром изменения сигнала является изменение формы. В частности, изменение формы участка второго электрического сигнала 202 относительно соответствующего участка первого электрического сигнала 201 показано на фиг.7(b) и 7(с). Подобное изменение формы позволяет определять величину разниц полного сопротивления или изменения полного сопротивления по формуле (1) выше. Таким образом, можно осуществлять оценку критичного проводящего участка 203 с точки зрения его местоположения, а также его характера или его влияния на передачу мощности по силовому кабелю 200. Если изменения форм сигнала были ранее заложены в запоминающее устройство оценочного блока 103 и если испытания проводятся с использованием эталонных замеренных значений и силовых кабелей, имеющих разные изменения полных сопротивлений, то можно узнать максимально допустимую нагрузку для критичного проводящего участка 203 фактически проверяемого силового кабеля 200.
Таким образом, может выводиться управляющий сигнал 206 для управления электросетью 400 таким образом, чтобы мощность, передаваемая через критичный проводящий участок 203, не превышала подобную максимально допустимую нагрузку. Максимально допустимую нагрузку узнают в результате измерений, которые могут осуществляться до начала проверки силового кабеля 200. В этом случае могут использоваться соответствующие разницы полных сопротивлений, которые произвольно вводятся в эталонный силовой кабель 200. Таким образом, фактически измеряемый силовой кабель 200 может сравниваться с силовым кабелем 200, который был замерен ранее.
Вышеупомянутое сравнение и калибровка кабеля, используемые для получения максимально допустимой нагрузки, были описаны для форм сигналов в реальном времени. Между тем, вместо этого можно использовать оценку, например, в частотной области. Для этого можно производить оценку и/или сравнение сигналов, преобразованных или частично преобразованных по методу Фурье. В этом случае параметр изменения сигналов может включать в себя, например, коэффициенты уровня сигналов между первым и вторым сигналами для разных частот и/или фазовый сдвиг между первым и вторым сигналами для разных частот.
На фиг.8 показана блок-схема с описанием способа проверки силового кабеля, находящегося в электросети (причем предполагается, что данный способ может использоваться, в целом, для проверки системы энергораспределения). Процесс начинается с этапа S1 и переходит к этапу S2, на котором первый электрический сигнал подается в проверяемый силовой кабель 200. На следующем этапе S3 первый электрический сигнал 201 проходит по проверяемому силовому кабелю 200. Если в проверяемом силовом кабеле 200 имеется критичный проводящий участок 203, где происходит изменение полных сопротивлений, таким образом, что возникает отражение сигнала, то второй электрический сигнал 202, являющийся частью первого электрического сигнала 201, может быть принят на этапе S4.
Процесс переходит к этапу S5, на котором соотношение между участком первого электрического сигнала 201 и соответствующим участком второго электрического сигнала 202 определяется при помощи оценочного блока 103, описанного выше со ссылкой на фиг.6. На следующем этапе S6 измеряется параметр изменения сигнала между участком первого электрического сигнала 201 и соответствующим участком второго электрического сигнала 202. Затем процесс переходит к этапу S7, на котором по параметру изменения замеренного сигнала определяется местоположение критичного проводящего участка внутри электросети. На следующем этапе S8 определяется максимально допустимая нагрузка для критичного проводящего участка путем анализа отраженного сигнала, т.е. второго электрического сигнала 202, например, по изменению его формы от первого электрического сигнала 201.
Затем процесс переходит к этапу S9, на котором выводится управляющий сигнал, управляющий сигнал выполнен с возможностью управления электросетью 400 таким образом, чтобы мощность, передаваемая через критичный проводящий участок 203, не превышала максимально допустимую нагрузку. После этого процесс завершается на этапе S10.
Следует отметить, что использование анализатора 100 силового кабеля и способа проверки силового кабеля 200 описаны применительно для электросетей. Между тем, анализатор может использоваться для проверки электрических кабелей в других областях, например в самолетах, силовых установках и т.п.
Изобретение было рассмотрено на примере вариантов осуществления, показанных на прилагаемых чертежах и допускающих дальнейшие усовершенствования и модификации. Между тем раскрытие изобретения не ограничено конкретными рассмотренными вариантами осуществления, в него могут быть внесены соответствующие изменения и модификации. Объем изобретения охватывает комбинирование индивидуальных признаков и комбинаций признаков одного из вариантов осуществления с признаками и комбинациями признаков другого варианта осуществления соответствующим образом для получения дополнительных вариантов осуществления.
Специалистам в данной области техники будет очевидно, что на основании изложенных идей изобретения можно осуществлять различные изменения и модификации, не отходя от раскрытия изобретения в его широком аспекте. То есть все приведенные выше примеры являются типовыми и не ограничивающими.
ССЫЛОЧНЫЕ ПОЗИЦИИ
№ Элемент/этап
100 - анализатор силового кабеля
101 - передающий блок
102 - принимающий блок
103 - оценочный блок
104 - блок вывода
105 - блок управления
200 - силовой кабель
201 - первый электрический сигнал
202 - второй электрический сигнал
203 - критичный проводящий участок
204 - кабельное соединение
205 - временная задержка
206 - управляющий сигнал
207 - направление распространения вперед
208 - направление распространения назад
209 - линия управления
210 - проверяемая система энергораспределения
300 - блок связи
400 - электросеть
401 - подстанция
402 - подстанция
403 - подстанция
404 - подстанция