CC BY
20
УДК 621.315.2 ББК 31.279-04 К 31
Кашин Яков Михайлович
Кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой электротехники и электрических машин Кубанского государственного технологического университета, профессор кафедры авиационного радиоэлектронного оборудования Краснодарского высшего военного авиационного училища летчиков им. А.К. Серова, Краснодар, e-mail: jlms@mail.ru Кириллов Геннадий Алексеевич
Кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры электротехники и электрических машин Кубанского государственного технологического университета, доцент кафедры авиационного и радиоэлектронного оборудования Краснодарского высшего военного авиационного училища летчиков им. А.К. Серова, Краснодар, e-mail: kirillov.g.a@yandex.ru
Энерго- и трудосберегающая технология определения места повреждения кабельной линии
(Рецензирована)
Аннотация. Рассмотрены актуальные вопросы технологии определения мест повреждения в силовых кабельных линиях, в частности, метод импульсной рефлектометрии, и погрешности, возникающие при его использовании. Предложен способ повышения точности определения мест повреждения кабеля за счет учета скрутки его жил.
Ключевые слова: кабель, укрутка, импульс, коэффициент скрутки, шаг скрутки. Kashin Yakov Mikhaylovich
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Electrical Engineering and Electrical Machines, Kuban State University of Technology, Professor of the Department of Aviation and Radio-electronic Equipment, Krasnodar Air Force Institute for Pilots named after A.K. Serov, Krasnodar, e-mail: jlms@mail.ru
Kirillov Gennadiy Alekseevich
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Professor of the Department of Electrical Engineering and Electrical Machines, Kuban State University of Technology, Associate Professor of the Department of Aviation and Radioelectronic Equipment, Krasnodar Air Force Institute for Pilots named after A.K. Serov, Krasnodar, e-mail: kirillov.g.a@yandex.ru
Energy- and labor-saving technology of determining the cable line failure point
Abstract. The paper discusses topical issues of technology of determining the cable line failure points, in particular, a method ofpulse reflectometry and the errors arising at its use. A method of improving the accuracy of determining places of cable damage due to accounting twist of its veins is offered. Keywords: cable, tightening, impulse, twist coefficient, twist step.
Эксплуатация кабельных линий электропередачи предполагает поиск и устранение повреждений в кабельных линиях при их возникновении.
Известен способ определения места повреждения кабеля [1], заключающийся в том, что в поврежденную цепь подземного кабеля подают импульсный сигнал, затем фиксируют на импульсной характеристике поврежденного кабеля цепи отраженный сигнал, запоминают местоположения сигнала на импульсной характеристике поврежденного кабеля. Затем посылают зондирующий сигнал во вспомогательную пару проводов, проложенных по поверхности Земли вдоль подземного кабеля с искусственно выполненным первым повреждением в этой паре, запоминают отраженный сигнал от этого искусственно созданного повреждения и сравнивают с отраженным сигналом от повреждения в подземном кабеле. В случае несовпадения передних фронтов указанных отраженных сигналов процесс зондирования искусственно выполненных второго, третьего и т.д. повреждений на вспомогательной паре и сравнения отраженных сигналов от этих повреждений и повреждения в подземном кабеле продолжают до тех пор, пока передние фронты отраженных импульсов от повреждения во вспомогательной паре и от повреждения в подземном кабеле не совпадут. По месту расположе-
ния последнего искусственного повреждения определяют расположение места повреждения подземного кабеля.
Однако при реализации такого способа, во-первых, необходимо прокладывать по поверхности земли вспомогательную пару, сравнимую по длине с поврежденной кабельной линией, которая может достигать в длину от сотен метров до нескольких километров, что трудновыполнимо технически и невыгодно экономически. Во-вторых, в технологии определения места повреждения кабеля, реализующей такой способ, не учитывается скрутка жил как поврежденного подземного кабеля, так и вспомогательной пары, имеющая достаточно большое различие и существенно влияющая на точность определения места повреждения подземного кабеля.
Известный из [1], что способ не учитывает также разницу в коэффициентах укорочения у (у=с/у - коэффициент укорочения электромагнитной волны в кабельной линии, где V -скорость распространения электромагнитной волны в кабельной линии, м/мкс; с - скорость распространения электромагнитной волны в вакууме (с=299,79 м/мкс)) в подземном кабеле и во вспомогательной паре, а в связи с тем, что диэлектрическая проницаемость материалов, из которых изготовлены жилы подземного кабеля и вспомогательной пары, различна, скорость распространения электромагнитной волны в них также различна, следовательно, погрешность определения места повреждения кабеля известным из [1] способом возрастает.
Более эффективным методом определения мест повреждения в кабельных линях является метод импульсной рефлектометрии [2].
Реализация этого метода изложена в [2, 3]. Реализуя этот метод, зондируют измеряемую кабельную линию импульсами напряжения, принимают импульсы, отраженные от не-однородностей волнового сопротивления, выделяют отраженные от неоднородностей волнового сопротивления импульсы на индикаторе с временной разверткой луча, соответствующие месту повреждения кабеля, вычисляют расстояние до места повреждения кабеля по временной задержке отраженного импульса относительно зондирующего по формуле:
4= ^ = (1)
х 2 2/
где Ьх - расстояние до неоднородности волнового сопротивления, принимаемое равным расстоянию до места повреждения кабеля, м; V - скорость распространения электромагнитной волны (ЭМВ) в кабельной линии, м/мкс; 4 - время задержки отраженного сигнала относительно зондирующего, мкс; с - скорость распространения ЭМВ в вакууме (с=299,79 м/мкс); y=с/v - коэффициент укорочения электромагнитной волны в кабельной линии.
Скорость V распространения ЭМВ в кабельной линии зависит от материала изоляции жил кабеля, а точнее, от диэлектрической проницаемости материала изоляции е.
Импульс распространяется в кабеле со скоростью V, которая является характеристикой кабеля. Эта скорость может быть примерно описана через относительную диэлектрическую проницаемость материала изоляции и вычислена по формуле:
у = с, (2)
где с - скорость распространения ЭМВ в вакууме (с=299,79 м/мкс), е - диэлектрическая проницаемость материала изоляции.
Недостатком такого метода определения места повреждения кабельной линии является высокая погрешность, обусловленная тем, что при его реализации, определяя расстояния до места повреждения кабеля (неоднородности волнового сопротивления), учитывают только электрическую длину кабеля и не учитывают скрутку жил кабеля. Известно [4-6], что скрутка жил кабеля приводит к их укрутке, в результате чего геометрическая длина кабеля из скрученных жил будет меньше электрической длины скрученных жил. То есть геометрическая и электрическая длины кабеля, жилы которого скручены, не совпадают. Вследствие этого расстояние до места повреждения кабеля (неоднородности волнового сопротивления), определенное известным из [2, 3] методом, не совпадает с фактическим расстоянием до места повреждения кабеля (неоднородности волнового сопротивления).
Скрутка жил кабеля характеризуется такими показателями, как шаг скрутки Н (длина одного полного витка скрученной жилы, измеренная вдоль оси кабеля), коэффициент скрутки m, диаметр кабеля D и коэффициент укрутки Ку. Коэффициент скрутки определяется по формуле:
m = H, (3)
D
где m - коэффициент скрутки, Н - шаг скрутки, D - диаметр кабеля.
Если сделать развертку витка любой из скрученных жил, измеренного вдоль оси кабеля, то его длина L1 определяется по формуле [4]:
L - н ■
V 2m J
(4)
где Ь1 - длина одного полного витка скрученной жилы, т - коэффициент скрутки, Н - шаг скрутки.
Укрутка (приращение А/ длины Ь1 к шагу Н скрутки) равна:
ж2
А/ = жт- (5)
2т
Коэффициент укрутки Ку равен отношению длины Ь1 одного полного витка скрученной жилы к шагу скрутки Н:
Т ж2
Ку * 1 + = 1 + А/ . (6)
у Н 2т2
На практике при изготовлении кабелей напряжением 6-10 кВ коэффициент скрутки т для круглых жил принимается равным 20-60, для секторных жил - 50-80. В таблице 1 приведены значения коэффициента укрутки Ку круглых жил, рассчитанные по формуле (6), в зависимости от коэффициента скрутки т [7].
Таблица 1
Значения коэффициента укрутки Ку круглых жил
m Ку
20 1,012
30 1,005
40 1,0031
50 1,002
60 1,0014
Из таблицы 1 и из формулы (6) видно, что чем больше коэффициент скрутки т, тем меньше коэффициент укрутки Ку, и, следовательно, меньше укрутка (приращение длины А/). Коэффициент укрутки Ку зависит только от коэффициента скрутки т, то есть от шага скрутки Н и диаметра кабеля Пн.
Рассчитанные значения шага скрутки Н, выведенные из формулы (3) в зависимости от известного сечения (наружного диаметра) жил кабеля и принятого коэффициента скрутки т, приведены в таблице 2.
Таблица 2
Значения шага скрутки Н в зависимости от сечения (диаметра) кабеля
и коэффициента скрутки т
Сечение жил, мм2 Наружный диаметр DH, мм Шаг скрутки H=mDH
m=20 m=30 m=40 m=50 m=60
25 38 760 1140 1521 1900 2280
70 45 900 1350 1800 2250 2700
150 55 1100 1650 2200 2750 3300
240 64 1280 1920 2560 3200 3840
Анализ представленных в таблице 2 значений шага скрутки Н показывает, что шаг скрутки Н растет как с увеличением наружного диаметра Пн кабеля, так и с увеличением коэффициента скрутки т.
В таблице 3 представлены результаты рассчитанных по формуле (4) значений длины кабеля Ь1 и приращений Д/н длины Ь1 на шаге скрутки Н для приведенных в таблице 2 значений одного шага скрутки Н и коэффициента скрутки т и приведенных в таблице 1 значениях коэффициента укрутки Ку.
Таблица 3
Результаты рассчитанных значений Ь1 и приращений Д/н длины Ь1
на шаге скрутки Н
S, мм2 Dh, мм m=20; #„=1,012 m=30; #„=1,00547
H, мм L1, мм Д/н, мм H, мм Li, мм Д1н, мм
25 38 760 769,12 9,12 1140 1146,23 6,23
70 45 900 910,80 10,80 1350 1357,38 7,38
150 55 1100 1113,20 13,20 1650 1659,02 9,02
240 64 1280 1295,36 15,36 1920 1930,50 10,50
Продолжение таблицы 3
S, 2 мм Dh, мм m=40; #„=1,0031 m=50; #„=1,002 m=60; #„=1,0014
H, мм L1, мм Д/н, мм H, мм L1, мм Д/н, мм H, мм L1, мм Д/н, мм
25 38 1521 1525,72 4,72 1900 1903,8 3,8 2280 2283,20 3,20
70 45 1800 1805,58 5,58 2250 2254,5 4,5 2700 2703,78 3,78
150 55 2200 2206,82 6,82 2750 2755,5 5,5 3300 3304,62 4,62
240 64 2560 2567,94 7,94 3200 3206,4 6,4 3840 3845,37 5,37
Анализ таблицы 3 показывает, что с ростом шага скрутки Н укрутка Д/н (приращение на одном шаге скрутки Н) возрастает, а с ростом коэффициента скрутки укрутка уменьшается. С уменьшением коэффициента укрутки т укрутка Д/н (приращение на одном шаге скрутки Н) также уменьшается.
Рассмотрим приращение длины кабельной линии для различных сечений кабеля £, мм , на единицу ее длины N равной кратностям шага скрутки: 100Н, 1000Н, 3000Н, 7000Н и 10000Н. Результаты расчетов сведем в таблицу 4.
Таблица 4
Приращение Д/н длины Ь1 кабельной линии для различных сечений жил кабеля
и кратности шагов скрутки
S=25 мм2
m Н, мм Д1н, мм, N=1H Д1н, мм, N=100H Д1н, мм, N=1000H Д1н, мм, N=3000H Д1н, мм, N=7000H Д1н, мм, N=10000H
20 760 9,12 912 9120 27360 63840 91200
30 1140 6,23 623 6230 18690 43610 62300
40 1521 4,72 472 4720 14160 33040 47200
50 1900 3,80 380 3800 11400 26600 38000
60 2280 3,20 320 3200 9600 22400 32000
S=70 мм2
20 900 10,80 1080 10800 32400 75600 108000
30 1350 7,38 738 7380 22140 51660 73800
40 1800 5,58 558 5580 16740 39060 55800
50 2250 4,50 450 4500 13500 31500 45000
60 2700 3,78 378 3780 11340 26460 37800
S=150 мм2
20 1100 13,20 1320 13200 39600 92400 132000
30 1650 9,02 902 9020 27060 63140 90200
40 2200 6,82 682 6820 20460 47740 68200
50 2750 5,50 550 5500 16500 38500 55000
60 3300 4,62 462 4620 13860 32340 46200
Таблица 4 (Окончание)
5=240 мм2
20 1280 15,36 1536 15360 46080 107520 153600
30 1920 10,50 1050 10500 31500 73500 105000
40 2560 7,94 794 7940 23820 55580 79400
50 3200 6,40 640 6400 19200 44800 64000
60 3840 5,37 537 5370 16110 37590 53700
В таблице 5 приведен пример зависимости укрутки (приращения Д/н) от сечения жил кабеля (диаметра) и коэффициента скрутки для кратности #=10000Н.
Таблица 5
Зависимость укрутки Д/н, мм, (приращения) от сечения жил кабеля (диаметра) и коэффициента скрутки т для кратности #=10000Н
m 5=25 мм2 5=70 мм2 5=150 мм2 5=240 мм2
20 91200 108000 132000 153600
30 62300 73800 90200 105000
40 47200 55800 68200 79400
50 38000 45000 55000 64000
60 32000 37800 46200 53700
Из таблиц 4 и 5 видно, что с увеличением сечения (диаметра) кабеля при одном и том же коэффициенте скрутки т ошибка в измерении расстояния до места повреждения импульсным методом возрастает. Например, для т=20 и сечения кабеля 25 мм2 при кратности #=10000Н погрешность измерения длины кабельной линии составляет 91,2 м, а для сечения 240 мм2 при том же значении т=20 и той же кратности #=10000Н ошибка составит 53,6 м.
Из анализа таблиц 3-5 и формулы (6) видно, что коэффициент укрутки Ку зависит от коэффициента скрутки т и, следовательно, от шага скрутки, сечения кабеля, а так как длина измеренной кабельной линии пропорциональна шагу скрутки Н и коэффициенту укрутки Ку (Ь]=ЫНКУ), то для исключения погрешности измерения расстояния до места повреждения кабеля в знаменатель формулы (1) целесообразно ввести коэффициент укрутки Ку, что и предложено авторами при разработке перспективного способа определения места повреждения кабельной линии [8].
Этот способ [8] заключается в том, что зондируют измеряемую кабельную линию импульсами напряжения, принимают импульсы, отраженные от неоднородностей волнового сопротивления, выделяют отраженные от неоднородностей волнового сопротивления импульсы на индикаторе с временной разверткой луча, соответствующие месту повреждения кабеля, вычисляют расстояние до места повреждения кабеля по временной задержке отраженного импульса относительно зондирующего по формуле (1).
Дополнительно вычисляют коэффициент укрутки, с учетом которого вычисляют уточненное расстояние до места повреждения кабеля по формуле:
= —, (7)
К и
где Ьхт - уточненное расстояние до места повреждения кабеля; Ку - коэффициент укрутки, вычисленный по формуле (6); Ьх - расстояние до места повреждения кабеля по временной задержке отраженного импульса относительно зондирующего, м.
Технология определения места повреждения кабельной линии реализуется следующим образом:
- зондируют измеряемую кабельную линию импульсами напряжения;
- принимают импульсы, отраженные от неоднородностей волнового сопротивления;
- выделяют отраженные от неоднородностей волнового сопротивления импульсы на индикаторе с временной разверткой луча, соответствующие месту повреждения кабеля;
- вычисляют расстояние до места повреждения кабеля по временной задержке отраженного импульса относительно зондирующего по формуле (1);
- вычисляют коэффициент укрутки по формуле (6);
- вычисляют с учетом коэффициента укрутки уточненное расстояние до места повреждения кабеля по формуле (7).
Этот способ определения места повреждения кабельной линии [6] позволяет существенно повысить точность определения места повреждения кабельной линии, что позволило уменьшить объем работ и, соответственно, трудозатраты на устранение повреждения кабеля.
Например, при сечении кабеля 240 мм2:
а) при реализации технологии определения места повреждения кабеля по способу [2, 3] Ьх=9087,52 м:
- зондируют измеряемую кабельную линию импульсами напряжения;
- принимают импульсы, отраженные от неоднородностей волнового сопротивления;
- выделяют отраженные от неоднородностей волнового сопротивления импульсы на индикаторе с временной разверткой луча, соответствующие месту повреждения кабеля;
- вычисляют (определяют прибором, реализующим известный способ без учета коэффициента укрутки Ку) расстояние до места повреждения кабеля по временной задержке отраженного импульса относительно зондирующего по формуле (1):
& 299 79Т = ^. 299,79 ^ = 9087,52м;
х 2у 2у
б) при реализации заявляемого способа ^=8979,76 м:
- зондируют измеряемую кабельную линию импульсами напряжения;
- принимают импульсы, отраженные от неоднородностей волнового сопротивления;
- выделяют отраженные от неоднородностей волнового сопротивления импульсы на индикаторе с временной разверткой луча, соответствующие месту повреждения кабеля;
- вычисляют расстояние до места повреждения кабеля по временной задержке отраженного импульса относительно зондирующего по формуле (1):
& 299 79Т
= ст^. 299,79 т3 = 9087,52м;
х 2у 2у
- вычисляют коэффициент укрутки по формуле (6) (табл. 1);
- вычисляют с учетом коэффициента укрутки уточненное расстояние до места повреждения кабеля по формуле (7), которое оказалось равным
Ь 9087,52 ^
Ь т ==-2— = 8979,76 м .
Ку 1,012
Тогда погрешность определения места повреждения кабеля, устраняемая предлагаемым способом, равна:
АЬ=9087,52-8979,76=107,76 м.
В таблице 6 представлены расстояния до места повреждения кабеля сечением 240 мм2, вычисленные при коэффициенте скрутки т=20 и соответствующем ему коэффициенте укрутки Ку=1,012, определенные известным из прототипа способом (Ьх=9087,52 м) и заявленным способом (Ьхт=8979,76 м). Погрешность определения места повреждения кабеля, устраняемая предлагаемым способом, равна АЬ=107,76 м.
Таблица 6
Расстояния до места повреждения кабеля при определенных коэффициентах скрутки и укрутки
m #„ Lx, м Lxт, м AL, м
20 1,012 9087,52 8979,76 107,76
Таким образом, из приведенного примера, сведенного в таблицу 6, видно, что предлагаемая технология позволяет с более высокой точностью обнаружить место повреждения ка-
бельной линии. Более точное обнаружение места повреждения кабельной линии позволяет в свою очередь уменьшить объем работ, выполняемых по устранению повреждения (а именно, уменьшить объем земельных работ: уменьшение объема извлекаемого грунта, в котором уложена кабельная линия, и соответственно уменьшение объема работ по засыпке кабеля извлеченным грунтом после устранения повреждения). Кроме того, уменьшается время простоя оборудования, связанное с отключением электроэнергии.
Примечания:
1. Кокарев В.В., Павлов С.Г. Способ определения места повреждения кабеля. А.с. № 1817044, опубл. 23.05.1993 г. в БИ № 19.
2. Тарасов Н.А. Использование метода импульсной рефлектометрии для определения повреждений кабельных линий. URL:
http://reis205.narod.ru/metod.htm (дата обращения: 9.12.2016).
3. Техническое описание и инструкция по эксплуатации измерителя неоднородностей Р5-13. 1987. С. 3-8.
4. Превезенцев В. А., Ларина Э.Т. Силовые кабели и высоковольтные кабельные линии. М.: Энергия, 1970. С. 245.
5. Кранихфельд Л.И., Рязанов И.Б. Теория, расчет и конструирование кабелей и проводов. М.: Высш. шк., 1972. 284 с.
6. Белоруссов Н.И. Электрические кабели и провода. М.: Энергия, 1971. 512 с.
7. РД-16. 405-8. Расчет масс материалов кабельных изделий. ВНИИКП, табл. 8.
8. Патент 2653583 RU. Способ определения места повреждения кабельной линии / Я.М. Кашин, Г.А. Кириллов // БИПМ. 13.04.2017, опубл. 11.05.2018. Бюл. № 8.
References:
1. Kokarev V.V., Pavlov S.G. Method of determining the cable line failure point. Copyright certificate RUS No. 1817044, Publ. on 23.05.1993 in BI No. 19.
2. Tarasov N.A. Using the method of pulse reflectometry to determine the damage of cable lines. URL: http://reis205.narod.ru/metod.htm (access date: 9.12.2016).
3. Technical description and operating instructions of the measuring instrument of discontinuity of P5-13, 1987. P. 3-8.
4. Prevezentsev V.A., Larina E.T. Power cables and high-voltage cable lines. M.: Energiya, 1970. P. 245.
5. Kranikhfeld L.I., Ryazanov I.B. Theory, calculation and design of cables and wires. M.: Vyssh. Shk., 1972. 284 pp.
6. Belorussov N.I. Electrical cables and wires // M.: Energiya, 1971. 512 pp.
7. Guidance document RD-16. 405-87. Calculation of masses of materials of cable products. VNIIKP, table 8.
8. Patent for Invention RUS No. 2653583. Method of determining of cable line failure point / Ya.M. Kashin, G.A. Kirillov // BIPM. 13.04.2017, publ. on 11.05.2018. Bulletin No. 8.
