Способ оценки качества кабеля
METHOD OF THE CABLE QUALITY EVALUATION

Изобретение относится к импульсной технике и электроизмерениям и может использоваться для качественной оценки коаксиальных кабелей, в частности медных силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена или с бумажной пропитанной изоляцией.
Из научно-технической литературы известно, что для дистанционного контроля степени однородности кабельных линий и определения их параметров (абсолютных, относительных) широко используется импульсный метод электрических измерений, реализуемый, прежде всего, импульсными рефлектометрами (ИР) или рефлектометрами во временной области, основанный на зондировании кабельных линий короткими видеоимпульсами напряжения и последующей регистрации совокупности сигналов-откликов, отраженных от неоднородностей и повреждений. Функциональные возможности вышеизложенного метода могут быть расширены путем использования цифровой обработки рефлектограмм (графической зависимости напряжения от расстояния: u(х)) с зондирующими и отраженными импульсами, зарегистрированных существующими ИР (см. М.С. Былина «Усовершенствованная модель и методика расчета сигналов, отраженных из неоднородной кабельной цепи» // журнал «Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Информатика. Телекоммуникации. Управление», 2015 г., №1 (212), стр. 23-24).
пр
доп
ном
0
0
Качество кабеля как системы передачи электроэнергии оценивают с помощью критериев: фактическая потеря напряжения и длительно протекающий ток. Значения обоих критериев могут лежать в определенных диапазонах, например, фактическая потеря напряжения не может превышать 0,1 (ΔU≤0,1), а длительно протекающий ток не может превышать длительно допустимый ток для выбранного сечения (I≤I), выполнение этих условий подтверждает качество применяемого кабеля. Фактическая потеря напряжения может быть рассчитана по формуле: ; где Р - активная электрическая мощность приемника энергии, кВт; 1 - длина кабеля, км; U - номинальное напряжение кабеля, кВ; r - удельное активное сопротивление кабеля, Ом/км; х - удельное индуктивное сопротивление кабеля, Ом/км; ϕ - угол между векторами напряжения и тока у приемника энергии, град; (см. Маньков В.Д. «Основы проектирования электроснабжения». Справочное пособие. - СПб: НОУ ДПО «УМИТЦ «Электро Сервис», 2010 г., стр. 412, 416, 422). Длительно протекающий ток может быть найден путем расчета схемы замещения кабеля в нормальном режиме работы цепи «источник-кабель-нагрузка» (Л.А. Бессонов, «Теоретические основы электротехники. Электрические цепи», 1996 г.).
Известен способ определения дефектов изоляции (см. патент на изобретение RU 2240547), включающий предварительное определение методом высокочастотной рефлектометрии электрической емкости дефектов изоляции, определение значений входного сопротивления, волнового сопротивления контролируемого участка изолированного кабеля или трубы и коэффициента отражения на входе кабеля или трубы, покрытых слоем изоляции, и вычисление на основе коэффициента отражения места нахождения дефекта, причем дополнительно при вычислении коэффициента отражения определяют действительную часть коэффициента отражения.
Недостаток способа: невозможность получения оценки качества кабеля с неоднородностью.
Известно техническое решение по оценке количественных и статистических характеристик внутренних неоднородностей электрических кабелей (см. патент на полезную модель RU 97831), содержащее генератор зондирующих импульсов и устройство согласования, выходом связанное с приемником, содержащим усилитель и АЦП, вычислительный блок, содержащий процессор, соединенный входом/выходом с блоком памяти, причем соответствующими входом и выходом вычислительный блок связан соответственно с выходом и соответствующими входами приемника и входом блока индикации, отличающееся тем, что оно содержит блок подключения, выполненный с, по меньшей мере, двумя раздельными входами/выходами со стороны кабеля, которыми являются соответствующие входы/выходы упомянутого устройства согласования, входящего в блок подключения, содержащий также дифференциальную систему, входом соединенную с выходом генератора зондирующих импульсов, а входом/выходом - с выходом/входом устройства согласования, в приемник введен блок памяти рефлектограмм, соответствующим входом соединенный с выходом АЦП, соответствующим входом соединенного с выходом усилителя, вычислительный блок дополнительно содержит последовательно соединенные корректор искажений, амплитудный корректор, блок статистической обработки, соответствующие входы/выходы которого подключены к выходам/входам коррелятора и процессора, управляющий выход которого соединен с управляющими входами амплитудного корректора, корректора искажений, блока памяти рефлектограмм и усилителя приемника, генератора зондирующих импульсов и устройства согласования блока подключения, причем выход дифференциальной системы и соответствующий выход устройства согласования блока подключения подключены к соответствующим входам усилителя, являющимся входами приемника, выход блока памяти рефлектограмм, являющийся выходом приемника, подключен к входу вычислительного блока, которым является вход корректора искажений, а выход вычислительного блока, которым является выход блока статистической обработки, подключен ко входу блока индикации.
Недостаток технического решения: невозможность получения оценки качества кабеля с неоднородностью, а также сложное конструктивное устройство.
Наиболее близким аналогом является способ количественной оценки внутренних неоднородностей (см. М.С. Былина «Теоретическое и экспериментальное исследование импульсного метода измерений параметров неоднородных двухпроводных цепей» // Бюллетень результатов научных исследований. СПб.: ПГУПС, 2014. №3 (12), стр. 5-6, 21), включающий зондирование кабеля короткими импульсами напряжения, получение рефлектограммы, выделение фрагмента рефлектограммы, исключение «эффекта лыжи», смещения нулевой линии и вычисление оценочного коэффициента неоднородности из фрагмента рефлектограммы.
Недостаток прототипа: невозможность получения оценки качества кабеля с неоднородностью.
Техническим результатом является возможность получения оценки качества кабеля с неоднородностью.
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
з
з
D0
D1
D
ном
0
0
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
доп
Технический результат достигается тем, что в способе оценки качества кабеля, включающем зондирование кабеля короткими импульсами напряжения, получение рефлектограммы с зондирующими и отраженными импульсами, выделение фрагмента рефлектограммы для определения расстояния до неоднородности и ее схемы замещения, исключение «эффекта лыжи», смещения «нулевой линии» и вычисление оценочного коэффициента неоднородности из фрагмента рефлектограммы, согласно изобретению предварительно измеряют диаметр токопроводящей жилы и определяют тип изоляции кабеля, а в качестве оценочного коэффициента неоднородности из фрагмента рефлектограммы используют значение отношения площадей фигур отраженного импульса от неоднородности и зондирующего импульса, затем рассчитывают величину активного сопротивления неоднородности для схемы замещения «продольная неоднородность» по формуле: , где а, а, а, а - эмпирические коэффициенты для кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена: a=8,678497; а=2,182438; а=0,775739; а=-0,736041; для кабеля с бумажной пропитанной изоляцией: а=8,251717; а=2,232208; а=1,036615; а=-0,794184; OK - оценочный коэффициент неоднородности, который определяют по формуле: , где 0 - координата начала кабеля, м; х - конечная координата зондирующего импульса на рефлектограмме, м; u - функция напряжения зондирующего импульса, В; dx - шаг интегрирования, м; x - начальная координата отраженного импульса на рефлектограмме, м; х - конечная координата отраженного импульса на рефлектограмме, м; u - функция напряжения отраженного импульса, В; х - расстояние до неоднородности на рефлектограмме, м; d - диаметр токопроводящей жилы кабеля, мм; после проверяют неравенство: ; где Р - активная электрическая мощность приемника энергии, кВт; l - длина кабеля, м; U - номинальное напряжение кабеля, кВ; r - удельное активное сопротивление кабеля, Ом/км; х - удельное индуктивное сопротивление кабеля, Ом/км; ϕ - угол между векторами напряжения и тока у приемника энергии; R - активное сопротивление неоднородности, Ом; 0,1 - допустимое отклонение напряжения; если неравенство выполняется, то кабель качественный; для схемы замещения «поперечная неоднородность» рассчитывают по формуле: ; где а, а, а, а - эмпирические коэффициенты для кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена: а=2,76876; а=-1,40164; а=-0,49824; а=-0,68309; для кабеля с бумажной пропитанной изоляцией: а=2,83903; а=-1,32283; а=-0,61436; а=-0,62646; ОK - оценочный коэффициент неоднородности; х - расстояние до неоднородности на рефлектограмме, м; d - диаметр токопроводящей жилы кабеля, мм; после проверяют неравенство: ; где  - номинальное напряжение кабеля, В;  - комплексное полное сопротивление кабеля до неоднородности, Ом;  - комплексное полное сопротивление кабеля после неоднородности, Ом;  - комплексное полное сопротивление приемника энергии, Ом; R - активное сопротивление неоднородности, Ом; I - длительно допустимый ток в кабеле, А; если неравенство выполняется, то кабель качественный.
Формулы для расчета активного сопротивления неоднородности «R» для схемы замещения «поперечная неоднородность» и «продольная неоднородность» получены с помощью программы для ЭВМ «STATISTICA 6.0» посредством нелинейного множественного регрессионного анализа в программной среде, где за независимые переменные, влияющие на значение сопротивления, приняты наиболее значимые факторы, характеризующие физический процесс при проведении электроизмерений на кабеле с определенной диэлектрической проницаемостью изоляции, а именно: оценочный коэффициент, расстояние до неоднородности в кабеле, диаметр токопроводящей жилы кабеля.
з
з
з
з
з
Понятие определенный интеграл функции на определенном диапазоне независимой переменной, например, функции напряжения u на интервале расстояний [0, х] в u/x-системе координат, эквивалентно площади криволинейной фигуры, «накрытой» сверху линией u=f(x), а именно, ограниченной линиями u=f(x), х=0, х=х, u=0:
;
з
з
з
где 0 - координата начала кабеля, м; х - конечная координата зондирующего импульса на рефлектограмме, м; u - функция напряжения зондирующего импульса, В; dx - шаг интегрирования, м; ПКФ - величина площади криволинейной фигуры под функцией напряжения u, В⋅м;
з
з
Справедливо данное рассуждение в случае, если u=f(x)>0. Однако, в соответствии со свойствами интеграла, положим, что, если u=f(x)<0, то площадь, вычисленная таким образом, окажется с отрицательным знаком:
;
Но величина площади изменений не претерпит. Отсюда модуль площади криволинейной фигуры можно вычислять независимо от знака функции на определенном диапазоне независимой переменной, что используется при определении оценочного коэффициента (ОК) по заявленному способу:
;
Обоснование критериев охраноспособности изобретения
ЛИНИИ
0
0
5
В зависимости от схемы замещения неоднородности выбирается критерий, по которому оценивается качество кабеля. Для «продольной неоднородности» удобно пользоваться понятием «отклонение напряжения», так как существенную роль играет стремительное уменьшение потенциала, подводимого по ветви-«токопроводящей жиле» к приемнику энергии от источника, обусловленное ростом эквивалентного полного сопротивления за счет появления сопротивления неоднородности «R» (фиг. 1). Для «поперечной неоднородности» - понятием «длительно протекающий ток», так как существенную роль играет возможность возрастания входного тока в кабеле из-за уменьшения эквивалентного сопротивления схемы замещения кабеля в нормальном режиме работы цепи «источник-кабель-нагрузка», что обусловлено появлением поперечной ветви с активным сопротивлением неоднородности «R» (фиг. 2). Неоднородность как повреждение вносит изменения в суммарное полное сопротивление кабеля «Z», что непременно влияет на результат расчета критериев качества. Известна формула для расчета отклонения напряжения в кабеле без неоднородностей: . Из вышерассмотренного уравнения видно, что выражение [10⋅Р⋅l⋅(r+х⋅tg(ϕ))] есть сумма квадратов падений напряжений на суммарных активном и реактивном сопротивлениях по всей длине кабеля. Если рассматривать кабель с неоднородностью в виде активного сопротивления, например, сосредоточенного, то необходимо учесть дополнительное падение напряжения в нем. Формула для расчета отклонения напряжения в кабеле с неоднородностью примет вид: ; где R - активное сопротивление неоднородности, Ом. Также известно, что максимальное значение тока при появлении поперечной неоднородности приходится на участок кабеля до нее, расчет действующего значения тока в комплексной форме в начале кабеля можно произвести по формуле: ; где  - комплексное номинальное напряжение кабеля, В;  - комплексное полное сопротивление кабеля до неоднородности, Ом;  - комплексное полное сопротивление кабеля после неоднородности, Ом;  - комплексное полное сопротивление приемника энергии, Ом; R - активное сопротивление неоднородности, Ом.
Активное сопротивление неоднородности возможно рассчитать в заявленном способе по эмпирическим нелинейным формулам косвенно, используя графический интерфейс рефлектометра для кабельных линий. Отсюда можно сделать вывод о наличии в способе «изобретательского уровня».
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
з
з
D0
D1
D
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
Новизна обусловлена тем, что предлагаемая совокупность существенных признаков не известна из сведений об уровне техники, а именно: использование в качестве оценочного коэффициента неоднородности значение отношения площадей фигур отраженного импульса от неоднородности и зондирующего импульса из фрагмента рефлектограммы, расчет величины активного сопротивления неоднородности для схемы замещения «продольная неоднородность» по формуле: , где а, а, а, а - эмпирические коэффициенты для кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена: a=8,678497; а=2,182438; а=0,775739; а=-0,736041; для кабеля с бумажной пропитанной изоляцией: a=8,251717; а=2,232208; а=1,036615; а=-0,794184; ОK - оценочный коэффициент неоднородности, который определяют по формуле: , где 0 - координата начала кабеля, м; х - конечная координата зондирующего импульса на рефлектограмме, м; u - функция напряжения зондирующего импульса, В; dx - шаг интегрирования, м; x - начальная координата отраженного импульса на рефлектограмме, м; х - конечная координата отраженного импульса на рефлектограмме, м; u - функция напряжения отраженного импульса, В; х - расстояние до неоднородности на рефлектограмме, м; d - диаметр токопроводящей жилы кабеля, мм; для схемы замещения «поперечная неоднородность» по формуле: ; где а, а, а, а - эмпирические коэффициенты для кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена: а=2,76876; а=-1,40164; а=-0,49824; а=-0,68309; для кабеля с бумажной пропитанной изоляцией: a=2,83903; а=-1,32283; а=-0,61436; а=-0,62646; ОK - оценочный коэффициент неоднородности; х - расстояние до неоднородности на рефлектограмме, м; d - диаметр токопроводящей жилы кабеля, мм; в способе оценки качества кабеля, включающем зондирование кабеля короткими импульсами напряжения, получение рефлектограммы с зондирующими и отраженными импульсами, выделение фрагмента рефлектограммы для определения расстояния до неоднородности и ее схемы замещения, исключение «эффекта лыжи», смещения нулевой линии и вычисление оценочного коэффициента неоднородности из фрагмента рефлектограммы.
Промышленная применимость подтверждается возможностью осуществления технического решения при диагностике и ремонте кабельных линий в промышленности и сельском хозяйстве.
Способ оценки качества кабеля осуществляется следующим образом.
з
з
D0
D1
D
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
ном
0
0
доп
Жилы и экран неисправного коаксиального силового кабеля отключают со стороны источника питания и со стороны приемника энергии. С одной стороны кабеля жилы и экран оставляют в разомкнутом состоянии, а с другой стороны кабеля проводят электрические измерения заявленным способом: с помощью штангенциркуля измеряют диаметр токопроводящей жилы, определяют тип изоляции по комплектной документации завода-производителя, подключают рефлектометр по схеме «неисправная жила-экран», посредством рефлектометра осуществляют зондирование кабеля короткими импульсами напряжения, получают рефлектограмму с зондирующими и отраженными импульсами, выделяют фрагмент рефлектограммы. Далее посредством рефлектометра, а именно с помощью графического интерфейса прибора, определяют расстояние до неоднородности и ее схему замещения по фрагменту рефлектограммы. После выполняют исключение «эффекта лыжи» и смещения «нулевой линии». Далее вычисляют оценочный коэффициент неоднородности по формуле: ; где 0 - координата начала кабеля; х - конечная координата зондирующего импульса на рефлектограмме, м; u - функция напряжения зондирующего импульса, В; dx - шаг интегрирования, м; x - начальная координата отраженного импульса на рефлектограмме, м; x - конечная координата отраженного импульса на рефлектограмме, м; u - функция напряжения отраженного импульса, В. Затем рассчитывают величину активного сопротивления неоднородности для схемы замещения «продольная неоднородность» по формуле: ; где a, а, а, а - эмпирические коэффициенты для кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена: a=8,678497; а=2,182438; а=0,775739; а=-0,736041; для кабеля с бумажной пропитанной изоляцией: a=8,251717; а=2,232208; а=1,036615; а=-0,794184; ОK - оценочный коэффициент неоднородности; х - расстояние до неоднородности на рефлектограмме, м; d - диаметр токопроводящей жилы кабеля, мм; для схемы замещения «поперечная неоднородность» рассчитывают по формуле: ; где a, a, a, a - эмпирические коэффициенты для кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена: a=2,76876; а=-1,40164; а=-0,49824; а=-0,68309; для кабеля с бумажной пропитанной изоляцией: a=2,83903; а=-1,32283; а=-0,61436; а=-0,62646; ОK - оценочный коэффициент неоднородности; х - расстояние до неоднородности на рефлектограмме, м; d - диаметр токопроводящей жилы кабеля, мм. После для схемы замещения «продольная неоднородность» проверяют неравенство: ; где Р - активная электрическая мощность приемника энергии, кВт; l - длина кабеля, м; U - номинальное напряжение кабеля, кВ; r - удельное активное сопротивление кабеля, Ом/км; х - удельное индуктивное сопротивление кабеля, Ом/км; ϕ - угол между векторами напряжения и тока у приемника энергии; R - активное сопротивление неоднородности, Ом; 0,1 - допустимое отклонение напряжения; если неравенство выполняется, то кабель качественный; а для схемы замещения «поперечная неоднородность» проверяют неравенство: ; где  - комплексное номинальное напряжение кабеля, В;  - комплексное полное сопротивление кабеля до неоднородности, Ом;  - комплексное полное сопротивление кабеля после неоднородности, Ом;  - комплексное полное сопротивление приемника энергии, Ом; R - активное сопротивление неоднородности, Ом; I - длительно допустимый ток в кабеле, А; если неравенство выполняется, то кабель качественный.
Примеры конкретного осуществления способа.
Пример 1. В качестве дефектного (с неоднородностью) коаксиального силового кабеля был принят однофазный кабель типа ПвП (изоляция из сшитого полиэтилена) 1×50/16-10 кВ длиной 1000 м. На расстоянии 500 м была искусственно создана неоднородность в виде активного сопротивления в ветви токопроводящей жилы 750 Ом по схеме замещения «поперечная неоднородность». Диаметр токопроводящей жилы составлял 8 мм. Посредством рефлектометра серии РИ-407 марки «Эрстед» производили зондирование кабеля короткими импульсами напряжения с длительностью 50 нс в соответствии с технической документацией к рефлектометру. С помощью графического интерфейса рефлектометра была получена рефлектограмма с зондирующими и отраженными импульсами, выделен фрагмент рефлектограммы, по которому определено расстояние до неоднородности: х=504 м; а схема замещения была определена как «поперечный дефект», выполнено исключение «эффекта лыжи» и смещения «нулевой линии». Был вычислен оценочный коэффициент: ОК=0,0066. Активное сопротивление по расчетам согласно заявленному методу составило 753,7 Ом. Условие  при подстановке абсолютных значений обращается в верное неравенство: 146 А≤215 А. Следовательно неравенство выполняется, а значит кабель качественный.
Пример 2. В качестве дефектного (с неоднородностью) коаксиального силового кабеля был принят однофазный кабель типа ЦСВнг-LS (бумажно-пропитанная изоляция) 1×70/16-10 кВ длиной 1000 м. На расстоянии 300 м была искусственно создана неоднородность в виде активного сопротивления в ветви токопроводящей жилы 714 Ом по схеме замещения «продольная неоднородность». Диаметр токопроводящей жилы составлял 16,7 мм. Посредством рефлектометра серии РИ-407 марки «Эрстед» производили зондирование кабеля короткими импульсами напряжения с длительностью 50 нс в соответствии с технической документацией к рефлектометру. С помощью графического интерфейса рефлектометра была получена рефлектограмма с зондирующими и отраженными импульсами, выделен фрагмент рефлектограммы, по которому определено расстояние до неоднородности: х=295 м; а схема замещения была определена как «поперечный дефект», выполнено исключение «эффекта лыжи» и смещения «нулевой линии». Был вычислен оценочный коэффициент: ОК=0,43479. Активное сопротивление по расчетам согласно заявленному методу составило 717 Ом. Условие  при подстановке абсолютных значений обращается в неверное неравенство: 1,2≤0,1. Следовательно неравенство не выполняется, а значит кабель некачественный.
Способ позволяет качественно оценить кабель, а также рассчитать электрическое сопротивление неоднородности в кабеле. Информация об электрическом сопротивлении неоднородности может быть использована при оценке КПД и энергоэффективности кабельной линии, являясь ключевым параметром качества передаваемой электроэнергии.