Устройство для поиска мест повреждения изоляции высоковольтного кабеля
DEVICE FOR SEARCHING FOR DAMAGES OF INSULATION OF HIGH-VOLTAGE CABLE

Устройство по изобретению относится к области преобразовательной электротехники и предназначено для улучшения основных параметров формирователя акустических импульсов в электротехнических установках для поиска мест повреждения в силовых кабельных линиях.
Из уровня техники известны различные способы определения места повреждения в электрических сетях и кабелях связи, которые условно разделяются на две группы: относительные, позволяющие приблизительно определить расстояние от места измерения до места повреждения (импульсный, колебательного разряда, волновой, петлевой, емкостной, высокочастотный), и абсолютные, указывающие точное место повреждения на трассе (акустический, индукционный, индукционно-коммутационный, контактный).
При этом считается, что необходимо применение не менее двух способов: относительного и абсолютного, так как с помощью первого обеспечивается быстрота определения зоны повреждения, а с помощью второго определяется точное место на трассе, где необходимо провести раскопки. [В.С. Дементьев, В.К. Спиридонов, Г.М. Шалыт "Определение места повреждения силовых кабельных линий". Госэнергоиздат, Москва-Ленинград, 1962 г.].
Существуют разработанные позже довольно быстрые и точные методы поиска повреждений кабельных сетей с использованием двух считающихся абсолютными методов. Так известен комплекс аппаратуры для определения мест повреждения в кабельных сетях, сочетающий в себе два абсолютных метода: акустический, индукционный. Этот комплекс состоит из генератора и приемника с индукционным и акустическим преобразователями. [Молоканов М.В., Спиридонов В.К. «Комплекс индукционной и акустической аппаратуры для определения мест повреждения в кабельных сетях», Энергетик, №11, 1979, с. 28-29.]. При этом индукционным методом определяют трассу, глубину залегания кабеля и место короткого замыкания. Созданное этим током магнитное поле кабеля индуцирует напряжение в индукционном преобразователе, усиленном на специальном усилителе и перемещаемом по трассе. Индикатором сигнала служит головной телефон или стрелочный прибор. А затем акустическим методом определяют места повреждений связанных с высоковольтным разрядом в этом месте, его сигналы улавливаются акустическим преобразователем. Оба метода дают высокий результат поиска, но не работают один без другого. Схема совмещения этих методов очень сложна и работает с перебоями.
В то же время известно сочетание двух абсолютных методов акустического и индукционного в одном приборе, хотя авторы и назвали этот метод акустическим: [«Устройство для определения мест повреждения кабельных линий акустическим методом» Патент РФ №2010253, МПК G01R 31/08], в котором для повышения надежности и эффективности поиска одновременно содержатся акустический и индукционный преобразователи, подключенные к двухканальному усилителю с общим питанием, на выходе которого реализуется логическая операция, и сигнал через одновибратор поступает на вход индикатора места повреждения. Недостаток этого устройства состоит в том, что акустический и индукционный преобразователи являются совершенно разными по своим характеристикам, и они должны работают раздельно, а их совмещение в одном приборе - трудная, сложная и дорогостоящая техническая задача. Кроме того, в акустической системе используют пьезоэлемент, а это слабое место в системе, поскольку использование пьезокристаллов подразумевает высокую чувствительность к помехам от внешних электромагнитных наводок и к механическим сотрясениям, т.е. необходимо обеспечить системе дополнительной усиленное экранирование от этих помех, что значительно увеличивает вес и габариты прибора.
Акустический метод является наиболее универсальным из абсолютных методов, который заключается в создании в месте повреждения мощных электрических разрядов и фиксации на поверхности земли электромагнитных колебаний преобразованных в звук с помощью чувствительных приемных устройств. Для создания мощных разрядов в месте повреждения электрическая энергия предварительно накапливается в высоковольтных конденсаторах или в емкости самого кабеля путем заряда от выпрямительной установки. При достижении напряжения пробоя эта энергия расходуется за очень короткое время (десятки микросекунд) и в месте повреждения происходит мощный удар. Звук от этого удара распространяется в окружающей среде и может быть прослушан на поверхности земли. Обычно периодичность разрядов составляет 2-3 секунды.
Абсолютная невосприимчивость к индустриальным электромагнитным помехам и полное отсутствие «перенаводок» на соседние объекты делают акустический метод превосходной альтернативой электромагнитному методу поиска металлических трубопроводов в сложных городских условиях, а для трассировки коммуникаций из неэлектропроводных материалов акустический метод просто незаменим. Акустический метод позволяет осуществить:
- определение нахождения кабельной линии, находящейся под напряжением. Чем больше нагрузка (ток) линии, тем лучше она прослушивается;
- определение трассы отключенной линии. Для этого используется генератор звуковых сигналов. Он подключается между двумя жилами линии на одном из ее концов, на другом конце эти жилы закорачиваются. Сигнал, подаваемый в линию, представляет собой последовательность модулированных электромагнитных импульсов, с небольшой частотой следования.
- определение места замыкания двух жил между собой. Для этого с одного из концов линии на эти жилы подается сигнал. Кабель излучает его до места повреждения, за ним сигнал пропадает.
Благодаря универсальности, точности и быстроте определения мест повреждения в силовых кабельных линиях акустический метод широко используется во всем мире.
Электротехническая промышленность выпускает генераторы импульсов, в том числе акустические, например, генератор высоковольтных импульсов ГВИ-2000М, используемый в Лаборатории ЛВИ HVT-1 (ООО «Ярославский электромеханический завод»), предназначенный для накапливания энергии в высоковольтных конденсаторах и посылки высоковольтных импульсов различной частоты с целью создания условий для определения места повреждения в силовых кабелях акустическим методом [http://www.emzlvi.ru/doc/Leaflet%20LVI-3FAV.pdf], но этот генератор работает в комплексе с оборудованием специальной передвижной лаборатории - громоздкого устройства, которое перемещается вместе с автомобилем. Генератор трассировочный автоматический АГ-144 выпускается компанией ООО «Ака-Гео» [http://www.akageo.ru/], он предназначен для создания распространяющихся сигналов в трассах скрытых коммуникаций при активных методах трассопоиска (электромагнитном или, акустическом). Прибор создает в исследуемой коммуникации переменный синусоидальный ток, необходимый для определения ее местоположения или звуковые импульсы при помощи ударного механизма, но при этом у него большое затухание сигнала в «длинной» коммуникации. Прибор достаточно дешев и прост в работе, но не надежен. К тому же в настоящее время он снят с производства [http://www.geo-ndt.ru/pribor-955-generator-trassirovochnii-ag-144-moshnostu-60-vt.htm].
Генераторы импульсного напряжения SSG 1100, SSG 1500, SSG 2100 и SSG 3000, выпускаемые немецкой фирмой.[BAUR GmbH https://www.baur.eu/products/cable-fault-location/surge-voltage-generators/ssg-1500] являются также импульсными генераторами для определения мест повреждений в высоко- и низковольтных силовых кабелях, они сконструированы таким образом, что они генерируют импульсное напряжение с крутым фронтом, которое используется для осуществления пробоя кабеля в месте повреждения. Высоко импульсный электрический ток в месте повреждения кабеля генерирует электромагнитные и акустические волны, которые расходятся от места повреждения кабеля. Эти волны можно обнаружить на поверхности земли с помощью соответствующих устройств, таких как поисковые катушки или наземные микрофоны. Генераторы этой фирмы надежны, но очень дороги, а среднее время поиска, например генератором SSG 1500 составляет 3-5 часов. Генераторы SSG 1100, SSG 1500 и SSG 2100 оборудованы таймером, привязанным к частоте электросети, который позволяет автоматически инициировать импульсы с частотами следования 10 имп./мин. и 20 имп./мин. Частота импульсов очень низкая, поэтому импульсы трудно отличать от помех, отсюда увеличение времени поиска.-
Технический результат заключается в улучшении точности нахождения места повреждения и ускорении процесса отыскания повреждения изоляции высоковольтного кабеля акустическим методом, а также в упрощении схемы устройства, которое собирается из доступных недорогих деталей, изготовление его несложно и не требует больших материальных затрат.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для создания акустического сигнала при поиске мест повреждения изоляции высоковольтного кабеля, включающем в качестве источника высокого напряжения прожигающее устройство, переключатель для дистанционного управления высоковольтными цепями и конденсатор, переключатель для дистанционного управления, заряжаемый от источника высокого напряжения выполнен, как высоковольтный импульсный коммутатор, управляемый низковольтным генератором, роль которого выполняет тиристор, соединенный с конденсатором коммутатора и одним из резисторов, параллельно которому подключен второй резистор для подачи напряжения на диод, обеспечивающий выпрямление постоянного тока, поступающего на обмотку низковольтного импульсного электромагнитного реле.
Отыскание повреждений акустическим методом с помощью устройства, как правило, проводится на топографически определенных трассах.
Схема устройства для создания акустического сигнала при поиске повреждений изоляции высоковольтного силового кабеля представлена на Фиг. 1. Она включает источник высокого напряжения 1, которым служит включенное постоянно в сеть малогабаритное прожигающее устройство (МПУ-3). К его выходу подключен переключатель для дистанционного управления высоковольтными цепями 2, представляющий собой высоковольтный импульсный коммутатор (ВИК). Он предназначен, для того, чтобы обеспечить заданную частоту ударов электромагнитных импульсов для формирования акустического сигнала. Частота ударов должна быть такой, чтобы ее было удобно улавливать поисковым приемником сигналов ПП 500 (трассовиком). Устройство также включает импульсный конденсатор 3, который заряжается от источника высокого напряжения через высоковольтный импульсный коммутатор, и при достижении пробивного напряжения на конденсаторе, происходит его пробой, что обеспечивает электромагнитные колебания в поврежденном кабеле, преобразующиеся в акустическую волну.
Для того, чтобы устройство по данной схеме работало быстро, и точность отыскания повреждения была высокой (кабель залегает на глубине до 4-х метров, а раскопки трудо- и материально-затратные), в него внесены изменения: а именно в переключателе для дистанционного управления высоковольтными цепями 2, выполненном, как высоковольтный импульсный коммутатор (ВИК), встроено другое дополнительное устройство, схема которого представлена на Фиг. 2.
Схема высоковольтного импульсного коммутатора (Фиг. 2) дополнительно содержит сопротивления Rl (1 К) и R2 (20 К) - они оба, это делитель напряжения. Оба сопротивления подбирались экспериментальным путем - изменением вольт амперной характеристики (ВАХ) напряжения на управляющий электрод тиристора КУ-201. Тиристор КУ-201, соединенный с резистором R1, служит в качестве ключа управления частотой сигналов акустической волны. Диод Д-203 встроен в схему высоковольтного импульсного коммутатора для выпрямления переменного тока в постоянный, для того, чтобы включать низковольтное электромагнитное импульсное реле Р (14 вольт). Конденсатор С1 (40 Мк × 220 в), в импульсном коммутаторе служит для создания цепи с частотно-зависимыми свойствами. Таким образом, высоковольтный импульсный коммутатор управляется низковольтным генератором, роль которого выполняет тиристор КУ-201. Отключается тиристор при поступлении отрицательного напряжения на управляющий электрод, вследствие чего последний закрывается, и этот процесс повторяется: конденсатор снова заряжается и снова разряжается открывая и закрывая тиристор, и реле Р работает в заданном частотном режиме, направляя сигнал на поврежденный силовой кабель (СК).
Графическое объемное расположения частей устройства представлено на Фиг. 3, а общий вид устройства показан на Фиг. 4, где:
1. Источник высокого напряжения - МПУ-3 высоковольтный генератор прожига (малогабаритное прожигающее устройство).
2. Высоковольтный Импульсный Коммутатор (ВИК).
3. Импульсный конденсатор (4 Мкф × 6,3 кВ).
4. Испытуемый силовой кабель (СК).
ГЭШ - главная заземляющая шина.
Одной из самых значимых характеристик при поиске места повреждения силового кабеля акустическим методом является частота ударов звуковой волны, с которой подается сигнал на приемник, с помощью которого прослушивают трассу. От того насколько четким и легко прослушиваемым является сигнал очень сильно зависит скорость и точность отыскания повреждения. Обычно акустические установки с прожигающими устройствами обеспечивают частоту подаваемых импульсов на поврежденный кабель 1 раз в 2-3 секунды (периодичность разрядов) [https://elektro-montagnik.ru/?address=labs/lab13/&page=page46]. Наиболее удобной и приемлемой для улавливания человеческим ухом является частота разрядов 1 раз в 1,0-1,2 сек. (1 и 1,2 герц) [А.Н. Ремизов «Медицинская и биологическая физика», 4-е изд. Раздел 2, гл. 8,// ГЕОТАР-Медиа, 2012.; http://vmede.org/sait/?page=l2&id=Medbiofizika_remizov_2012&menu=Medbiofizika_remizov_2012].
Именно предлагаемая схема высоковольтного импульсного коммутатора, встроенного в устройство для поиска мест повреждения силовых кабельных линий, обеспечивает акустический сигнал с частотой ударов: 1 удар в 1,2 секунды, который позволяет четко находить место расположения кабеля под землей и не отклоняться от трассы во время поиска, а высота звука (максимальная - в месте разрыва) четко отыскивать именно место повреждения. Устройство позволяет сократить время поиска почти в два раза (с 3-4-х часов в среднем до 1.5-2,0 часов), и увеличить точность отыскания до 90%.
Устройство работает следующим образом:
1. Собирают схему согласно указанной на Фиг. 1.
2. Подают напряжение на МПУ-3 1 (Фиг. 1) и высоковольтный импульсный коммутатор 2. Работа акустической системы начинается через 20 секунд.
3. В высоковольтном импульсном коммутаторе (Фиг. 2) конденсатор С1 начинает пропускать ток заряда, и напряжение поступает на управляющий электрод тиристора КУ-201, который включает тиристор, сигнал с которого подается на обмотку катушки импульсного низковольтного реле Р (на выходе 14 в), задающего частоту сигналов. 1 удар в 1,2 сек.
4. При включении импульсного коммутатора происходит разряд накопительного импульсного конденсатора С (4 Мкф × 6,3 кВ) в силовой кабель (СК) до места повреждения его изоляции. По кабелю проходит звуковой сигнал с заданной частотой (1 удар в 1,2 секунды), который улавливается наушниками трассоискателя.
Устройство обеспечивает равномерный устойчивый сигнал с частотой 1 удар в 1,2 секунды, который очень хорошо прослеживается, и его нельзя спутать с помехами, поэтому быстро и точно прослушивается трасса, и находится место повреждения, даже на глубине до 4-х метров. Точность отыскания при применении данного устройства достигает 90%.
Устройство для создания акустического сигнала при поиске мест повреждения изоляции высоковольтного кабеля помимо того, что позволяет сократить вдвое сроки поиска и обеспечивает высокую точность нахождения пробоя, надежно в эксплуатации и просто в управлении. Его габариты позволяют достаточно легко переносить устройство вдоль трассы даже в труднодоступных местах. Собирается устройство из доступных, взаимозаменяемых деталей, легко монтируется, а материальные затраты на его изготовление незначительны и существенно не увеличивают его стоимость.