CC BY
21
УДК 621.315.2:621.316.3 ББК 31.261 И 60
Кашин Яков Михайлович
Кандидат технических наук, доцент, заведующий 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, Краснодар, e-mail: kirillov.g.a@yandex.ru
Сидоренко Вера Степановна
Кандидат педагогических наук, профессор, преподаватель кафедры физики и электротехники Краснодарского высшего военного авиационного училища летчиков им. А.К. Серова, Краснодар, e-mail: ve-ra_sidorenko_47@mail.ru Шкода Валентин Васильевич
Доцент, кандидат педагогических наук, доцент кафедры физики и электротехники Краснодарского высшего военного авиационного училища летчиков им. А.К. Серова, Краснодар, e-mail: vshkoda@mail.ru Шаршак Алексей Александрович
Магистрант кафедры электротехники и электрических машин Кубанского государственного технологического университета, Краснодар, e-mail: vip.sharshak@mail.ru
Индукционно-акустический кабелеискатель
(Рецензирована)
Аннотация. Рассмотрена сущность индукционно-акустического метода определения места повреждения кабеля. Разработана конструкция устройства для его реализации.
Ключевые слова: кабелеискатель, искровой разряд, место повреждения кабеля, силовой кабель, зона повреждения, трасса кабеля, замыкание.
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 Radioelectronic 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, Krasnodar, e-mail: kirillov.g.a@yandex.ru
Sidorenko Vera Stepanovna
Candidate of Pedagogical Sciences, Professor, Lecturer of the Department of Physics and Electrical Engineering, Krasnodar Air Force Institute for Pilots named after A.K. Serov, Krasnodar, e-mail: vera_sidorenko_47@mail.ru
Shkoda Valentin Vasilyevich
Associate Professor, Candidate of Pedagogical Sciences, Associate Professor of the Department of Physics and Electrical Engineering, Krasnodar Air Force Institute for Pilots named after A.K. Serov, Krasnodar, e-mail: vshkoda@mail.ru
Sharshak Aleksey Aleksandrovich
Master's Degree Student of the Department of Electrical Engineering and Electrical Machines, Kuban State University of Technology, Krasnodar, e-mail: vip.sharshak@mail.ru
Inductive-acoustic cable detector
Abstract. The essence of the induction-acoustic method for determining the location of cable damage is considered. The design of the device for its implementation is developed.
Keywords: cable detector, .spark discharge, place of cable damage, power cable, damage zone, cable path, short circuit.
Сущность индукционно-акустического метода заключается в фиксации времени между моментами прихода электромагнитной и акустической волн, возникающих в месте искрового разряда в поврежденном кабеле при посылке в него импульса от специального генератора высоковольтных импульсов ВВИ (рис. 1) [1-4].
Рис. 1. Функциональная схема индукционно-акустического метода
В момент возникновения искрового разряда в месте повреждения одновременно появляются электромагнитные и акустические колебания, которые распространяются с различными скоростями. Скорость распространения электромагнитной волны по отношению к акустической волне можно практически считать мгновенной. Скорость акустических волн в различных грунтах колеблется от 1500 до 6500 м/с. Следовательно, расстояние от места повреждения до места расположения оператора однозначно определяется по формуле:
£х = га ■ Уа, (1)
где га - время распространения акустической волны;
Уа - скорость распространения акустической волны.
Скорость акустических волн в грунтах можно измерить специальным прибором - хронометром со шкалой в миллисекундах.
Электромагнитная волна улавливается индукционным датчиком ИД, а акустическая волна - акустическим датчиком АД, усиливаются в усилителях У1 и У2 и подаются на головные телефоны, где преобразуются в звуковые сигналы, улавливаемые человеческим ухом. Разница в приходе этих волн фиксируется оператором на слух в головных телефонах ТЛФ. Однако прием сигналов оператором на слух имеет недостатки, связанные с восприимчивостью звуковых сигналов человеческим ухом, что влияет на точность определения места повреждения, особенно на фоне помех от посторонних источников искровых разрядов.
Рассмотрим разработанное авторами в [5] устройство для определения места повреждения кабеля индукционно-акустического методом, которое позволяет избежать указанных недостатков и повысит точность определения места повреждения кабеля.
На рисунке 2 представлена структурная схема модернизированного индукционно-акустического кабелеискателя, на рисунке 3 - поврежденный силовой кабель с местом повреждения МП, генератор высоковольтных импульсов ГВИ, индукционно-акустический ка-белеискатель (приемник) с индукционным ИД и акустическим АД выносными датчиками и головными телефонами ТЛФ.
Приемник индукционно-акустического кабелеискателя содержит переключатель П, усилители У-1, У-2, У-3, транзисторные ключи ТК-1 и ТК-2, управляющие статическим триггером СТ с двумя устойчивыми состояниями, транзисторный импульсный ключ ТИК, задающий генератор ЗГРЧ с регулируемой частотой посылки импульсов, измеритель расстояния до места повреждения цифровой ИРЦ и измеритель времени цифровой ИВЦ, блок сброса показаний БСП с кнопкой «Сброс».
Измеритель времени цифровой ИВЦ содержит цифровой индикатор времени ЦИВ, который подключен к выходу блока сброса показаний БСП. Измеритель расстояния до места повреждения цифровой ИРЦ содержит цифровой индикатор расстояния ЦИР, который также подключен к выходу блока сброса показаний БСП. Вход усилителя У-3 подключен к выходу переключателя П, который выполнен с возможностью поочередного подключения входа усилителя У-3 к индукционному ИД и к акустическому АД выносным датчи-
ком, которые подключены к переключателю П, и головным телефонам ТЛФ, подключенным к выходу усилителя У-3.
ТИК
ТК-2
ИВЦ
БСП
ИРЦ
Рис. 2. Структурная схема индукционно-акустического кабелеискателя
Рис. 3. Функциональная схема индукционно-акустического кабелеискателя
Определение мест повреждения (ОМП) силового кабеля с помощью индукционно-акустического кабелеискателя осуществляется двумя операторами: первым - находящимся в электролаборатории, и вторым - находящимся на трассе силового кабеля. В случае повреждения кабеля срабатывает устройство релейной защиты и автоматики (РЗиА), которое автоматически отключает поврежденный силовой кабель от электрической сети. Один из операторов электролаборатории известным методом (например, мегомметром) определяет характер повреждения силового кабеля: однофазное замыкание на оболочку силового кабеля или межфазное замыкание. Каждый вид повреждения может быть с большим или малым переходным сопротивлением в месте замыкания.
Затем с помощью любого импульсного искателя определяется зона повреждения на трассе силового кабеля. Далее известным геофизическим методом или по геофизическим таблицам определяется скорость распространения звука в определенной импульсным искателем зоне повреждения кабеля. В зависимости от характера повреждения кабеля индукци-онно-акустический кабелеискатель может работать в одном из четырех режимов.
1. Первый (основной) режим - режим ОМП кабеля (однофазного замыкания фазы на оболочку кабеля с большим переходным сопротивлением) индукционно-акустическим методом.
2. Второй (основной) режим - режим определения места повреждения кабеля (меж-
фазного замыкания с малым переходным сопротивлением) индукционным методом.
3. Третий (резервный) режим - режим ОМП кабеля (однофазного замыкания фазы на оболочку силового кабеля с большим переходным сопротивлением) индукционно-акустическим методом при выходе из строя одного или нескольких элементов цепей прохождения сигналов от переключателя П через первый У-1 и второй У-2 усилители на измерители времени ИВЦ и расстояния цифровые ИРЦ.
4. Четвертый (резервный) режим - режим ОМП кабеля (однофазного замыкания фазы на оболочку кабеля с большим переходным сопротивлением) акустическим методом при выходе из строя одного или нескольких элементов цепей прохождения сигналов от переключателя П через первый У1 и второй У2 усилители на измерители времени ИВЦ и расстояния цифровые ИРЦ, а также канала индукционного выносного датчика.
Первый режим - режим ОМП кабеля индукционно-акустическим методом. В этом случае первый оператор, находящийся в ЭТЛ, подключает генератор ГВИ к поврежденной фазе и оболочке кабеля (фаза А на рис. 3). Второй оператор перемещается в зону повреждения кабеля с индукционно-акустическим кабелеискателем и переключателем П подключает индукционный датчик ИД ко входу усилителя У-1, акустический датчик АД - ко входу усилителя У-2, а затем устанавливает частоту задающего генератора регулируемой частоты ЗГРЧ в соответствии с заранее определенной скоростью распространения звука в грунте -установленная в Гц частота должна быть численно равна скорости распространения звука в грунте в м/с, например, при скорости распространения звука в грунте 1500 м/с должна быть установлена частота задающего генератора ЗГРЧ - 1500 Гц. После этого он докладывает о готовности первому оператору. Первый оператор включает генератор ГВИ и дает команду второму оператору на поиск места повреждения. По этой команде второй оператор включает кабелеискатель в работу.
Перемещаясь по трассе кабеля, второй оператор удерживает над трассой поврежденного кабеля индукционный датчик ИД и периодически устанавливает акустический датчик АД на землю для фиксации акустических колебаний. При этом он постоянно контролирует поступающие с выходов индукционного ИД и акустического АД датчиков сигналы путем прослушивания их в головных телефонах ТЛФ.
Генератор ГВИ подает импульсы высокого напряжения в поврежденный кабель, в результате чего в месте повреждения МП кабеля возникает электрический разряд. В результате электрического разряда возникают электромагнитная и звуковая волны, распространяющиеся от места повреждения МП кабеля во все стороны. При включении индукционно-акустического кабелеискателя в работу триггер СТ автоматически устанавливается в первое (закрытое) устойчивое состояние.
Электромагнитная волна, распространяющаяся по сравнению со звуковой волной мгновенно, воспринимается индукционным датчиком ИД. Сигнал с выхода индукционного датчика ИД одновременно поступает через переключатель П на вход усилителя У-3 и на вход усилителя У-1, с выхода которого усиленный сигнал поступает на вход ключа ТК-1, а с его выхода поступает на вход триггера СТ, переводя его во второе (открытое) устойчивое состояние.
При этом с выхода триггера СТ усиленный в У-1 сигнал поступает на вход ключа ТИК, который открывается, своим выходным сигналом запускает измеритель времени ИВЦ и открывает канал прохода импульсов установленной частоты от задающего генератора ЗГРЧ на измеритель расстояния ИРЦ, который начинает осуществлять отсчет расстояния от второго оператора до места повреждения МП кабеля, преобразуя импульсы установленной частоты в значение расстояния, фиксируемое на цифровом индикаторе расстояния ЦИР в метрах.
Звуковая волна от места повреждения МП до акустического датчика АД (то есть до места положения второго оператора на трассе поврежденного кабеля) приходит по сравнению с электромагнитной волной с запаздыванием на время
г = г - г = I ¡у , (2)
з зв эм х/ зв ' V '
где гз - время запаздывания;
гвв - время прихода звуковой волны;
гэм - время прихода электромагнитной волны;
1Х - расстояние от второго оператора до места повреждения кабеля;
Узв - скорость распространения звука в грунте.
Эта звуковая волна воспринимается установленным на землю вторым оператором акустическим датчиком АД, который преобразует звуковую волну в электрический сигнал и одновременно подает его через переключатель П на вход усилителя У-3, на вход усилителя У-2, с выхода которого усиленный сигнал поступает на вход ключа ТК-2, а с его выхода усиленный сигнал поступает на вход триггера СТ, находящегося во втором (открытом) устойчивом состоянии, переводя его в первое (закрытое) устойчивое состояние. При этом с выхода триггера СТ на вход ключа ТИК поступает сигнал, закрывающий его.
После закрытия ключа ТИК индикация отсчета времени на цифровом индикаторе времени ЦИВ измерителя времени ИВЦ и индикация отсчета расстояния от места повреждения до второго оператора на индикаторе расстояния ЦИР измерителя расстояния ИРЦ прекращаются, а показания на цифровых индикаторах времени ЦИВ и расстояния ЦИР самоблокируются до поступления последующих импульсов от ГВИ, воспринимаемых индукционным ИД и акустическим АД выносными датчиками, и нажатия вторым оператором кнопки «Сброс» блока сброса показаний БСП.
До следующего электрического разряда, возникающего вследствие подачи очередного импульса от генератора ГВИ, также прекращается звуковой сигнал в головных телефонах. Частоту подачи импульсов от ГВИ устанавливает первый оператор, согласуя ее со вторым оператором.
Для анализа последующих замеров при передвижении второго оператора по трассе кабеля в сторону места его повреждения МП с целью уточнения его местоположения второй оператор нажимает кнопку «Сброс» блока сброса показаний БСП, при этом цифровые индикаторы времени ЦИВ и расстояния ЦИР разблокируются, и их работа продолжается, как описано выше.
При движении второго оператора в сторону к месту повреждения МП кабеля показания цифровых индикаторов времени ЦИВ и расстояния ЦИР уменьшаются, а при удалении от места повреждения - увеличиваются. Таким образом, место повреждения МП кабеля определяется по минимальному значению показаний цифрового индикатора времени ЦИВ, а также по минимальному показанию цифрового индикатора расстояния цифрового ЦИР. Это показание не должно быть более одного метра, то есть примерной глубины залегания силового кабеля.
Второй режим. В случае межфазного замыкания (например, между фазами В и С -рисунок 3) с малым переходным сопротивлением в месте замыкания индукционно-акустический кабелеискатель работает во втором режиме - режиме определения места повреждения силового кабеля индукционным методом. В этом случае первый оператор, находящийся в ЭТЛ, импульсным искателем повреждений известным способом определяет зону повреждения силового кабеля на трассе кабеля и подключает генератор звуковой частоты ГЗЧ к поврежденным фазам В и С силового кабеля (рис. 3).
Второй оператор перемещается в зону повреждения с индукционно-акустическим кабе-леискателем и переключателем П подключает выход индукционного датчика ИД через переключатель П ко входу усилителя У-3, и докладывает первому оператору, находящемуся в ЭТЛ, о готовности к работе. После доклада первый оператор, находящийся в ЭТЛ, включает генератор ГЗЧ и дает команду второму оператору начать поиск межфазного замыкания. В дальнейшем поиск места двухфазного повреждения осуществляется известным индукционным методом, который в данной статье не рассматривается.
Третий (резервный) режим второй оператор включает при однофазном замыкании с
большим переходным сопротивлением в месте замыкания в случае отказа каналов первого и/или второго усилителей У-1 и У-2 или цифровых измерителей времени ИВЦ и/или расстояния ИРЦ.
В этом случае первый оператор, находящийся в ЭТЛ, подключает генератор ГВИ к поврежденной фазе и оболочке кабеля (фаза А на рис. 3). Второй оператор перемещается в зону повреждения кабеля с индукционно-акустическим кабелеискателем и переключателем П подключает выход индукционного датчика ИД к усилителю У-3.
Генератор высоковольтных импульсов ГВИ подает импульсы высокого напряжения в поврежденный кабель, в результате чего в месте повреждения МП кабеля возникает электрический разряд. В результате электрического разряда возникают электромагнитная и звуковая волны, распространяющиеся от места повреждения МП кабеля во все стороны. Электромагнитная волна воспринимается индукционным выносным датчиком ИД, который второй оператор держит над кабельной трассой, преобразуется им в электрический сигнал, который с выхода индукционного выносного датчика ИД через переключатель П поступает на вход усилителя У-3, усиливается и поступает на вход головных телефонов, который прослушивается вторым оператором.
Пришедшая с запозданием по сравнению с электромагнитной волной звуковая волна воспринимается периодически устанавливаемым вторым оператором на землю акустическим выносным датчиком АД, который преобразует звуковую волну в электрический сигнал и через переключатель П передает его на вход усилителя У-3. Усиленный усилителем У-3 электрический сигнал подается на вход головных телефонов, преобразуется ими в звуковой сигнал, который прослушивается вторым оператором. Перемещаясь в сторону предполагаемого места повреждения МП кабеля, второй оператор периодически устанавливает акустический датчик АД на землю и на слух фиксирует разницу прихода во времени сигналов от индукционного ИД и акустического АД датчиков. По мере приближения к месту повреждения МП разница между моментами прихода сигналов, индуктируемых электромагнитной и звуковой волнами, во времени уменьшается. Кроме того, громкость звукового сигнала в головных телефонах, полученного путем преобразования сигнала, снимаемого с выхода акустического выносного датчика АД, точно над местом повреждения МП будет намного выше, чем вдали от него. Точное место повреждения МП определяется по минимальной разнице прихода электромагнитного и звукового сигналов во времени или по их слиянию в один сигнал.
Четвертый (резервный режим) второй оператор включает только для поиска места однофазного замыкания фазы на оболочку кабеля, имеющего большое переходное сопротивление в месте замыкания в случае отказа каналов первого и/или второго усилителей У-1 и У-2 или цифровых измерителей времени ИВЦ и/или расстояния ИРЦ, а также в случае отказа канала индукционного выносного датчика АД.
В этом режиме используются только акустический выносной датчик АД, усилитель У-3 и головные телефоны. В этом случае первый оператор, находящийся в ЭТЛ, подключает генератор высоковольтных импульсов ГВИ к поврежденной фазе и оболочке силового кабеля (фаза А на рис. 3). Второй оператор перемещается в зону повреждения МП кабеля с индук-ционно-акустическим кабелеискателем и переключателем П подключает выход акустического датчика АД через переключатель П ко входу усилителя У-3, к выходу которого подключены головные телефоны ТЛФ.
Генератор ГВИ подает импульсы высокого напряжения в поврежденный кабель, в результате чего в месте повреждения МП кабеля возникает электрический разряд. В результате электрического разряда возникают электромагнитная и звуковая волны, распространяющиеся от места повреждения МП силового кабеля во все стороны.
Акустический выносной датчик АД воспринимает только звуковую волну, преобразует ее в электрический сигнал и через переключатель П подает его на вход усилителя У-3. Усиленный усилителем У-3 электрический сигнал подается в головные телефоны, которые прослушиваются вторым оператором. По мере приближения к месту повреждения МП силового кабеля звуковой сигнал в головных телефонах усиливается и становится максимальным над
местом повреждения МП кабеля.
Вывод. Таким образом, разработанный индукционно-акустический кабелеискатель [5] позволит значительно повысить эффективность определения мест повреждения в кабеле и сократить трудозатраты.
Примечания:
1. Кириллов Г. А. Теория и практика поиска отказов в кабельных линиях электропередачи: монография. Краснодар: КВВАУЛ, 2006. 274 с.
2. Кириллов Г.А., Горбатенко В.П., Ракло А.В. К вопросу о поиске однофазных замыканий в силовых кабелях // ЭМПЭ-04: материалы Третьей межвуз. науч. конф. Т. 2. Краснодар: КВАИ, 2004.
3. Кириллов Г. А. Поиск отказов в кабельных линиях электропередачи. МО СССР, 1991.
4. Аппаратура поиска отказов в кабельных линиях. Технические описания и инструкции по применению. Германия, SEBA DYNATRONIK, 2004-2006.
5. Кашин Я.М., Кириллов Г. А., Елфимов М.А. Индукционно-акустический кабелеискатель: патент на изобретение 2688854 RU. БИПМ. 06.08.2018, опубл. 22.05.2019. Бюл. № 15. URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU2688854C1_20190522
References:
1. Kirillov G.A. Theory and practice of finding failures in cable power lines: a monograph. Krasnodar: KVVAUL, 2006. 274 pp.
2. Kirillov G.A., Gorbatenko V.P., Raklo A.V. To the question of the search for single-phase short circuits in power cables // EMPE-04: materials of the third inter-university scientific conference. Vol. 2. Krasnodar: KVAI, 2004.
3. Kirillov G.A. Search for failures in cable power lines. USSR Ministry of Defense, 1991.
4. Equipment for the search for failures in cable lines. Technical descriptions and instructions for use. Germany, SEBA DYNATRONIK, 2004-2006.
5. Kashin Ya.M., Kirillov G.A., Elfimov М.А. Inductive-acoustic cable detector: Patent for Invention RUS No. 2688854. 06.08.2018, 22.05.2019. Bul. No. 15. URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU2688854C1_20190522
