Устройство дистанционного определения расстояния до места повреждения изоляции кабельных линий связи или электропередач

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и электроэнергетике и может быть использована для топографического определения расстояния до места повреждения кабельных линий связи или электропередач. Она позволяет повысить точность измерений расстояния до места повреждения, снизить материальные затраты, сократить время поиска места повреждения, упростить методику поиска и применяемую аппаратуру.
Отличительной особенностью предложенного устройства дистанционного определения расстояния до места повреждения изоляции кабельных линий связи или электропередач является применение одностороннего метода подключения измерительной аппаратуры, исключающего методическую погрешность измерения, и позволяет с высокой точностью непосредственно измерять расстояние до места повреждения изоляции или короткого замыкания (КЗ) кабельных линий связи или электропередач.
Известно устройство определения места повреждения изоляции кабеля (патент на изобретение №2361229, Россия, МПК G01R 31/08. «Способ определения места повреждения кабеля» / Кандаев В.А., Елизарова Ю.М. Опубликовано: 10.07.2009, Бюл. №19) состоящее из генераторной и приемной частей, причем генераторная часть содержит высокостабильный задающий генератор синусоидального сигнала, делитель частоты - формирователь, усилитель мощности и согласующее устройство, подключенное к оболочке кабеля, одна клемма задающего генератора заземляется. Приемная часть содержит датчик-формирователь, избирательный усилитель, высокостабильный опорный генератор, делитель частоты - формирователь, фазовращатель, фазометр, индикатор.
Недостатком данного устройства является необходимость использования высокостабильных задающего и опорного генераторов, предварительно синхронизированных друг с другом. Применение таких специализированных генераторов значительно увеличивает стоимость аппаратуры, а задача синхронизации генераторов не является простой и требует дополнительного решения. Причем, небольшая асинхронность задающего и опорного генераторов способна привести к значительной погрешности при поиске места повреждения изоляции кабеля.
Известно устройство определения места повреждения изоляции кабеля (Патент на полезную модель №97 830, Россия, МПК G01R 31/08. «Устройство определения места повреждения изоляции кабеля» / Кандаев В.А., Авдеева К.В., Ерита А.М. Опубликовано: 20.09.2010 Бюл. №26), состоящее из генераторной и приемной частей, причем генераторная часть, одна клемма которой заземляется, содержит задающий генератор, преобразователь частоты, усилитель мощности и согласующее устройство, подключенное к оболочке кабеля, приемная часть содержит датчик-формирователь, избирательный усилитель, опорный генератор, преобразователь частоты, фазовращатель, фазометр, индикатор, добавлены два GPS-приемника, используемые для синхронизации задающего и опорного генераторов.
В данной полезной модели точность определения места повреждения изоляции кабеля повышается за счет решения вопроса синхронизации задающего и опорного генераторов с помощью двух GPS-приемников, синхронизирующих генераторную и приемную части устройства определения места повреждения изоляции кабеля, к тому же нет необходимости в использовании дорогостоящих высокостабильных генераторов, поскольку синхронизация опорного и задающего генераторов осуществляется постоянно и не зависит от расстояния между генераторной и приемной частями устройства определения места повреждения изоляции кабеля.
Недостатком данного устройства является необходимость с приемной частью проходить по трассе поврежденного кабеля, что не всегда возможно и приводит к существенным временным затратам.
Одним из вариантов определения места повреждения изоляции кабельных линий связи или электропередач является применение односторонних методов, которые позволяет непосредственно измерять расстояние до места повреждения изоляции или короткого замыкания (КЗ).
Наиболее близким вариантом реализации одностороннего метода определения места повреждения изоляции кабеля является использование измерительного блока на базе схемы одинарного четырехплечего моста (метод Муррея) в случаях, когда жила с поврежденной изоляцией не имеет обрыва, а одна из неповрежденных жил имеет хорошую изоляцию, причем величина переходного сопротивления в месте повреждения относительно металлической оплетки кабеля или «земли» не превышает 5 кОм. При необходимости снижения величины переходного сопротивления изоляцию дожигают подачей высоковольтных импульсов. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство для определения места повреждения изоляции кабеля (Шалыт Г.М., Определение мест повреждения в электрических сетях: - М.: «Энергоиздат», 1982. - 312 с, ил., Рис. 1.9, С. 25), содержащее источник энергии, например, аккумулятор (высоковольтный источник постоянного тока при высоком сопротивлении пробоя относительно металлической оплетки или «земли»), один из выходов которого подсоединен к общей шине - «земля» или к металлической оплеткой силового кабеля, а второй выход источника энергии соединен с первым зажимом измерительного блока на базе одинарного четырехплечего моста, один из зажимов диагонали питания которого подключен к первому зажиму измерительного блока и к первым выводам первого и второго переменных резисторов, вторые выводы которых соединены с первым и вторым зажимам измерительной диагонали, содержащей измерительный прибор, например, гальванометр, и, соответственно, со вторым и третьим зажимами измерительного блока, которые подключены первой и второй перемычками, соответственно, к первому выводу поврежденной жилы контролируемого кабеля и к первому выводу первой из неповрежденных жил контролируемого кабеля, второй вывод которой подсоединен через третью перемычку, сечением не менее сечения жил кабеля, ко второму выводу поврежденной жилы.
1
2
Последовательным подбором значений сопротивлений R и R, расположенных в первом и четвертом плечах моста, уравновешивается мост и определяется место повреждения изоляции кабельных линий связи или электропередач по формуле:
1
2
где  - расстояние от места измерения до места повреждения изоляции кабеля, м, L - длина кабельной линии, м, R, R - сопротивления плеч моста, Ом.
1
2
Процесс определения места повреждения изоляции кабельных линий связи или электропередач с использованием схемы одинарного четырехплечего моста требует высокого профессионализма оператора, и занимает продолжительное время при уравновешивании одинарного четырехплечего моста, т.к. даже небольшое отклонение гальванометра от нуля приводит к неточности отсчета и, соответственно, к ошибке в определении расстояния до места повреждения кабеля. Кроме того, для точного вычислении расстояния до места повреждения кабельных линий связи или электропередач необходимо использовать неповрежденную жилу такого же сечения и длины (т.е. сопротивления) как поврежденная жила, что не всегда выполнимо, например, при повреждении изоляции всех жил кабеля. Так как сопротивление жил кабеля мало по сравнению с сопротивлениями R и Rмоста, то соединительные провода (перемычки) от моста к кабелю также оказывают влияние на результат измерения.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание высокоточного автоматического устройства дистанционного определения расстояния до места повреждения изоляции кабельных линий связи или электропередач.
Технический результат заявленной полезной модели состоит в повышении точности автоматического определения расстояния до места повреждения изоляции кабельных линий связи или электропередач за счет уменьшения погрешности определения места пробоя линий связи на «землю», замыкания жил силового кабеля между собой, на «землю» или на его металлическую оболочку, с одновременным уменьшением времени и объема выполняемых работ по устранению повреждения кабеля.
Технический результат достигается за счет того, что устройство дистанционного определения расстояния до места повреждения изоляции кабельных линий связи или электропередач, содержащее измерительный блок, выполненный с возможностью соединения через первый зажим со вторым выходом источника энергии, а через шестой зажим с управляемым входом источника энергии, один из выходов которого подсоединен к общей шине - «земля» или к металлической оплетке силового кабеля, при этом второй и третий зажимы измерительного блока подключены первой и второй перемычками, соответственно, к первому выводу поврежденной жилы контролируемого кабеля и к первому выводу одной из неповрежденных жил контролируемого кабеля или к первому выводу одной из жил отдельного кабеля, второй вывод которой подсоединен через третью перемычку ко второму выводу поврежденной жилы. Полезная модель отличается тем, что четвертый и пятый зажимы измерительного блока, подключены четвертой и пятой перемычками, соответственно, к первому выводу поврежденной жилы и к первому выводу второй из неповрежденных жил контролируемого кабеля или к первому выводу второй жилы отдельного кабеля, второй вывод которой соединен шестой перемычкой со вторым выводом поврежденной жилы, измерительный блок содержит микропроцессорный блок управления, первый и второй преобразователи тока и двухпозиционный ключ, причем первый зажим измерительного блока соединен с первым входом первого преобразователя тока, второй вход которого подсоединен к входу ключа, управляющий вход которого подключен к первому выходу микропроцессорного блока управления, второй выход которого соединен с управляемым входом первого преобразователя тока, информационный выход которого подсоединен к первому информационному входу микропроцессорного блока управления, второй информационный вход и третий выход которого подключены, соответственно, к информационному выходу и управляемому входу второго преобразователя тока, первый и второй входы которого соединены, соответственно, со вторым и третьим зажимами измерительного блока, четвертый, пятый и шестой зажимы которого подсоединены, соответственно, к первому и второму выходам ключа и четвертому выходу микропроцессорного блока управления.
Подсоединение четвертого и пятого зажимов устройство дистанционного определения расстояния до места повреждения изоляции кабельных линий связи или электропередач, соответственно, четвертой и пятой перемычками, к первому выводу поврежденной жилы и к первому выводу второй из неповрежденных жил контролируемого кабеля или к первому выводу второй жилы отдельного кабеля, второй вывод которой соединен шестой перемычкой со вторым выводом поврежденной жилы, позволяет исключить методическую погрешность определения расстояния до места повреждения изоляции кабельных линий связи или электропередач. Соединение шестого зажима измерительного блока с управляемым входом источника энергии позволяет по командам микропроцессорного блока управления изменять полярность источника энергии, и тем самым исключить (существенно уменьшить) аддитивную составляющую преобразователей тока и термоэдс зажимов.
Ведение в измерительный блок устройства дистанционного определения расстояния до места повреждения изоляции кабельных линий связи или электропередач, микропроцессорного блок управления, первого и второго преобразователей тока, двухпозиционного ключа и шестого зажима для подключения к управляемому входу источника энергии позволяет автоматизировать процесс дистанционного определения расстояния до места повреждения изоляции кабельных линий связи или электропередач.
if
qe
fm
ek
km
nf
pd
fm
dh
hm
Для определения расстояния  до места (g) повреждения кабеля первый выходной зажим источник энергии 2 подсоединен к общей шине - «земля» с или к металлической оплеткой силового кабеля, а второй выход источника энергии 2 соединен с первым зажимом b измерительного блока, второй  и третий q зажимы которого, подключены первой L и второй L перемычками (сечение которых не зависят от сечения жил контролируемого кабеля), соответственно, к первому выводу f поврежденной жилы L контролируемого кабеля и к первому выводу е одной из неповрежденных жил L контролируемого кабеля или к первому выводу одной из жил отдельного кабеля, второй вывод k которой подсоединен через третью перемычку L (сечение которой не зависят от сечения жил контролируемого кабеля) ко второму выводу m поврежденной жилы, четвертый n и пятый р зажимы измерительного блока 1, подключены четвертой L и пятой L перемычками (сечение которых не зависят от сечения жил контролируемого кабеля), соответственно, к первому выводу f поврежденной жилы L и к первому выводу d второй из неповрежденных жил L контролируемого кабеля или к первому выводу второй жилы отдельного кабеля, второй вывод h которой соединен шестой перемычкой L (сечение которой не зависит от сечения жил контролируемого кабеля) со вторым выводом m поврежденной жилы, шестой зажим s измерительного блока подсоединен к управляемому входу источника энергии 2.
l
х
0
cb
1
2
рт1
ba
пт2
1q
1
2
1
lf
2
qe
1
ek
ek
2
dh
dh
3
km
6
hm
km
hm
k1
ap
k1
an
Рассмотрим возможность повышения точности дистанционного определения расстояния  до места g повреждения изоляции кабельных линий связи или электропередач, как элементов многополюсной электрической цепи (МЭЦ) типа «звезда», путем исключения зависимости результата измерения от конечных значений внутреннего сопротивления R=R источника энергии (ИЭ) 2, (Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 3) входных сопротивлений преобразователей тока (ПТ 4 и ПТ 5), соответственно, R=R, R=R и их коэффициентов передачи, n, n, сопротивлений перемычек r =R, r=R, R=R первой L и R=R второй L из неповрежденных жил контролируемого кабеля или к первой и второй жилам независимого кабеля, сопротивлений r=R и r=R, соответственно, перемычек L и L, переходных сопротивлений ключа (К) R=R, R=R и зажимов а, b, с, р, n, q, l, d, e, f, g, m, k, h, s.
x
fm
y
fm
В качестве примера рассмотрим измерение отношений сопротивления R, поврежденной жилы L контролируемого кабеля, от зажима f до места пробоя g и сопротивления R, поврежденной жилы L контролируемого кабеля, от места пробоя g до зажима m, которые входят в МЭЦ типа «звезда», что эквивалентно отношению расстояния  от зажима f до места пробоя g и расстояния  от места пробоя g до зажима m.
n
В качестве ИЭ 2, устройства дистанционного определения расстояния до места повреждения изоляции кабельных линий связи или электропередач 1, используется источник постоянного тока, например, аккумулятор, а при большом сопротивлении пробоя R, высоковольтный источник постоянного тока.
x
fg
y
gm
fm
x
y
Длина поврежденной жилы разделена на два участка , причем участку  соответствует сопротивление R=R, а участку  соответствует сопротивление R=R. Для определения места повреждения необходимо знать длину линии L, и отношение расстояний  что соответствует отношению сопротивлений R/R.
1
2
Выражения для токов с выходов ПТ 4 и ПТ 5 в любом из тактов измерения можно записать, если преобразовать формулу Мезона к виду:
1
ij
ijk
ijk
j
где  - ток с выхода i-го ПТ в j-м такте измерения, n - коэффициент передачи i-го ПТ в любом из тактов измерения. Е - напряжение ИЭ, Н - системная функция измерительной цепи на основе пассивного делителя тока, которая определяется отношением величины измеряемой i-м ПТ в j-м такте измерения к величине напряжения Е, P - величина k-го пути передачи проходящего через i-й ПТ в j-м такте измерения, Δ- алгебраическое дополнение соответствующего пути передачи, m - число возможных путей передачи через i-й ПТ в j-м такте измерения, Δ- определитель измерительной цепи в j-м такте измерения.
а
1
2
Работа устройства для дистанционного определения расстояния до места повреждения изоляции кабельных линий связи или электропередач 1 осуществляется по командам микропроцессорного блока управления (МПБУ) 3 за два такта изменения конфигурации МЭЦ типа «звезда». В первом такте изменения конфигурации МЭЦ ключ К1 по команде МПБУ соединяет зажимы  и р. Численные значения токов с выхода ПТ 4 и ПТ 5 в первом такте измерения, поступающие синхронно на информационные входы МПБУ 3, имеют вид:
1
2
Микропроцессорный блок управления 3 рассчитывает на основании полученных синхронно значений с выходов ПТ 4 и ПТ 5, описываемых уравнениями (1) и (2), отношение:
1
2
а
Численные значения токов с выхода ПТ 4 и ПТ 5 во втором такте измерения (ключ К по команде МПБУ соединяет зажимы  и n), поступающие синхронно на информационные входы МПБУ 3, имеют вид:
1
2
Микропроцессорный блок управления 3 рассчитывает на основании полученных синхронно значений с выходов ПT 4 и ПT 5, описываемых уравнениями (4) и (5), отношение:
Используя численные значения отношения токов в соответствии с уравнениями (3)-(6) МПБУ рассчитывает значение
fm
Зная длину кабельной линии L, м, и полученное значение по уравнению (7), МПБУ рассчитывает значение расстояния  до места повреждения изоляции кабеля по формуле:
1
2
Аналогично определяют расстояние до места короткого замыкания между двумя жилами двухжильного и многожильного кабеля. Для исключения влияния термоэдс на контактах на результат определения расстояния до места повреждения кабеля по команде МПБУ 3 с четвертого выхода на управляющий вход источника энергии 2 изменяется полярность на зажимах с и b, и, после фиксации численных значений преобразователей тока ПТ 4 и ПТ 5 в дополнительных третьем и четвертом тактах изменения конфигурации МЭЦ типа «звезда», рассчитывается расстояние до места повреждения кабеля, как полусумму полученных значений в четырех тактах изменения конфигурации МЭЦ.
пт
пт2
1
2
1
2
0
к1
к2
1
2
lf
qe
1
2
ek
dh
3
4
5
6
km
nf
pd
hm
x
y
n
Таким образом, в предлагаемом устройстве для дистанционного определения расстояния  до места g повреждения изоляции кабельных линий связи или электропередач исключается влияние на результат определения расстояния  до места g повреждения изоляции кабеля от ненулевого значения входных сопротивления R1 и R, соответственно, преобразователей тока ПТ 4 и ПТ 5, и, соответственно, их коэффициентов передачи, n, n конечного значения внутреннего сопротивления R источника энергии ИЭ 2, величин сопротивлений R, R ключа К, соответственно, в первом и втором (третьем и четвертом) тактах изменения конфигурации МЭЦ, сопротивлений r, r, соответственно, первой L и второй L перемычек, сопротивлений R и R, соответственно, первой L и второй L из неповрежденных жил кабеля, а также сопротивлений r, r, r, r, соответственно, L, L; L, L перемычек, расположенных в других ветвях исследуемой МЭЦ типа «звезда», состоящей из сопротивлений R, R, R.