CC BY
16Статья поступила в редакцию 16.04.14. Ред. рег. № 1981
The article has entered in publishing office 16.04.14. Ed. reg. No. 1981
УДК 621.31
МЕТОД ПОИСКА ПОВРЕЖДЕНИЙ СИЛОВЫХ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ Д.С. Стребков, В.А. Королев, В.З. Трубников, А.В. Карачинцев
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии)
109456 Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2 Тел.: (499) 171-19-20, е-mail: korsakova36@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 21.04.14 Заключение совета экспертов: 26.04.14 Принято к публикации: 30.04.14
Рассмотрены новый подход и метод локализации однофазных повреждений силовых кабельных линий с переходным сопротивлением, близким или равным нулю (Япер = 0).
Ключевые слова: кабельная линия, зондирующий сигнал, эхосигнал, монохроматическая волна, диагностика.
METHOD OF LOCATION THE POWER CABLE LINES DAMAGES D.S. Strebkov, V.A. Korolev, V.Z. Trubnikov, A.V. Karachincev
All-Russian Scientific Research Institute for Electrification of Agriculture (VIESH) 2, 1-st Veshnyakovsky pr., Moscow, 109456, Russia Tel.: (499) 171-19-20, e-mail: korsakova36@mail.ru
Referred: 21.04.14 Expertise: 26.04.14 Accepted: 30.04.14
The new approaches and methods of the localization single-phase damages of cable lines with the transitional resistance close or equal zero are considered.
Keywords: cable line, probe signal, echo signal, single-phase short circuit, diagnostics.
Дмитрий Семенович Стребков
Сведения об авторе: директор ГНУ ВИЭСХ, академик РАСХН, д-р техн. наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ.
Основной круг научных интересов: энергетика и электрификация, возобновляемые источники энергии.
Публикации: 1200, в том числе 400 изобретений.
Владимир Александрович Королев
Сведения об авторе: канд. техн. наук, доцент, заведующий лабораторией ГНУ ВИЭСХ
Область научных интересов: математика, компьютерные технологии. Публикации: 180.
Владимир Захарович Трубников
Сведения об авторе: научный сотрудник отдела электроснабжения ГНУ ВИЭСХ.
Образование: электромеханический факультет МЭИ (1960), специальность «полупроводники и диэлектрики».
Область научных интересов: электродинамика и силовая электроника.
Публикации: 27, в том числе 15 изобретений.
Александр Владимирович Карачинцев
Сведения об авторе: мастер по испытаниям и измерениям ОАО «Объединенная энергетическая компания» Северо-Восточный район электрических сетей.
Публикации: 9.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (148) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
Вводные замечания
Стоимость строительства кабельных линий электроснабжения (КЛЭ) в полтора, а иногда в 3-4 раза превышает стоимость строительства воздушных линий. Тем не менее, характерные для воздушных линий большие материальные издержки при эксплуатации, на охрану окружающей среды, а также другие недостатки снижают их конкурентоспособность относительно КЛЭ. Быстрая урбанизация и развитие городов, рост мощностей сельского хозяйства способствуют увеличению числа и разветвленности подземных высоковольтных и низковольтных кабельных систем.
Даже безусловное соблюдение действующих норм, инструкций и методик монтажа, эксплуатации и ремонта не обеспечивают гарантии защиты КЛЭ от случайных (внезапных) повреждений. Развитие и повышение эффективности применения методологической и приборной базы для постоянного надлежащего контроля КЛЭ (диагностирование состояния, поиск повреждений и т.п.) - одна из приоритетных
задач повышения надежности, эффективного использования и обеспечения своевременного ремонта энергосистем [1].
Разработанность проблемы
Наиболее распространены в КЛЭ однофазные повреждения, когда одна из жил кабеля замкнута на экранирующую оболочку. Эти повреждения по значению переходного сопротивления в месте замыкания делят [2] на повреждения
- с переходным сопротивлением в десятки-сотни мОм (заплывающий пробой);
- с переходным сопротивлением от единиц Ом до сотен кОм;
- с переходным сопротивлением, близким к нулю.
Последний вид повреждений по возможным негативным последствиям наиболее опасен и требует при возникновении наличия средств автоматического отключения аварийной КЛЭ, другие виды - допускают ручное (рис. 1).
Рис. 1. Распределение причин возникновения повреждений КЛЭ и виды их отключений при повреждениях: а - автоматическое отключение; b - ручное; c - соотношение ручных и автоматических отключений Fig. 1. Distribution of causes of cable lines damages and types of their disconnections: a - automatic disconnection; b - manual disconnection; c - ratio of manual and automatic disconnections
В настоящее время известен ряд методов диагностики целостности, качества монтажа и прокладки, поиска мест повреждений КЛЭ: импульсный, им-пульсно-дуговой, волновой [1].
Наиболее точным является импульсный метод, обеспечивающий измерение полной длины кабельной линии, расстояния до места повреждения при снижении сопротивления изоляции, коротком замыкании, обрыве жил кабеля (рис. 2). Метод предусматривает последовательно-сканирующий аппаратный мониторинг трассы КЛЭ зондирующим сигналом и базируется на измерении временной задержки эхосигнала, отраженного от точки обрыва, утечки или короткого замыкания в кабеле. Зондирующий сигнал формируют в виде короткого (ударного) прямоугольного импульса электрического тока. Из-за влияния явления интерференции и дисперсии скоро-
стей распространения гармоник тока (волн различных длин) кривая эхосигнала «размазывается» и приобретает колоколообразную или близкую к ней форму (рис. 3). Спектр частот зондирующего сигнала в силу его малой длительности - очень широкий, спектр эхосигнала - существенно меньше из-за большего поглощения средой передачи составляющих верхней части частотного диапазона. Нечеткость положения максимума эхосигнала на измерителе, фиксируемого как момент прихода эхосигнала, затрудняет определение времени задержки и, соответственно, снижает точность определения места повреждения кабеля. Искажения формы кривой снимаемого сигнала, а также погрешность измерений возрастают с увеличением неоднородности кабельных линий, характерной при их больших протяжен-ностях (рис. 3).
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (148) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
Рис. 3. Рефлектограмма однофазного к.з. в КЛ (R„ep. = 0) Fig. 3. Trace of single-phase short circuit in cable lines (R„ep. = 0)
Для более точной локализации мест повреждения на практике с помощью отжигающих установок вынужденно осуществляют принудительное снижение переходного сопротивления между жилами КЛЭ (металлический спай, сварка) до значений не более 100 Ом. При этом изоляцию между жилами кабеля разрушают большими токами и осуществляют перевод повреждения в двухфазное короткое замыкание с возникновением в линии новых нештатных ситуаций и повреждений, существенным сокращением срока службы линии.
Устройство диагностики мест повреждения КЛЭ
Предложение решения задачи повышения точности диагностики и локализации мест повреждений КЛЭ базируется на сканирующем мониторинге трассы прокладки кабельных линий электроснабжения в резонансном режиме. Настройка устройства диагностики мест повреждения КЛЭ на резонансный режим требует регулировки параметров сканирующего диагностического сигнала.
При сканирующем аппаратном мониторинге поочередно на каждую из жил на входе диагностируемой КЛЭ (рис. 4) подают зондирующий монохроматический сигнал, напряжение которого поддерживают постоянным, а частоту, начиная с нижней части диапазона, плавно меняют: при длинах кабеля до 100 км -от 3-102 до 3-107 Гц, при длинах кабеля до 10 км - от 3-103 до 3-107 Гц, при длинах кабеля до 1 км - от 3-104 до 3-107 Гц. При включении в работу источника непрерывного монохроматического сигнала 1 в диагностируемой КЛЭ возникает падающая (бегущая) волна диагностического сигнала. В месте повреждения диагностируемой линии диагностический сигнал
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (148) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
отражается (изменение среды распространения). В результате этого образуется отраженная волна диагностического сигнала (эхосигнал). В резонансном режиме в результате интерференции диагностического сигнала и эхосигнала образуются стоячие волны тока1.
Рис. 4. Структурная схема устройства диагностики мест повреждения КЛЭ: 1 - источник непрерывного монохроматического сигнала; 2 - блок контроля эхосигнала; 3 - вычислительный блок; 4 - диагностируемая кабельная линия электроснабжения Fig. 4. Block scheme of diagnostic system of cable lines damage locations: 1 - source of continuous monochromatic signal; 2 - echo control unit; 3 - computing unit; 4 - diagnosed cable power line
Контролируют на входе КЛЭ ток в жиле, на которую подан зондирующий монохроматический сигнал, потенциал - на остальных жилах.
Возрастание тока на входе кабельной линии электроснабжения до некоторого максимума и отсутствие изменения потенциала на других жилах означает обрыв жилы кабеля, снижение сопротивления изоляции (утечка) или короткое замыкание на землю на расстоянии от точки измерения, равном I = 0,5А, где I - расстояние до точки повреждения кабельной линии электроснабжения; X = у// - длина волны зондирующего сигнала на частотах, соответствующих максимальному значению результата интерференции диагностического и отраженного сигналов; у - скорость распространения волны тока в кабеле; /- частота максимума тока.
Возрастание тока на входе кабельной линии электроснабжения до некоторого максимума и изменения потенциала на одной из других жил означает короткое замыкание между жилами кабеля на расстоянии от точки измерения, равном I = 0,25А.
После проведения испытаний с подключенной первой жилой кабеля между выходом источника непрерывного монохроматического сигнала и входом блока контроля эхосигнала подключают, соответственно, вторую, третью и четвертую жилы диагностируемой КЛЭ и выполняют контроль линии для второй, третьей и четвертой жил.
Если диагностируемая кабельная линия электроснабжения настроена на режим полуволнового вибратора на входе, амплитуда тока существенно увеличится (результирующий ток равен сумме токов падающего и отраженного сигналов) [3].
Эксперимент
При диагностике повреждения КЛЭ (силовой кабель марки 2Х82УЯАА с изоляцией из сшитого полиэтилена, сечение жилы - 30 мм2, рабочее напряжение - 10 кВ) частота диагностического сигнала, при которой ток на входе диагностируемой КЛЭ в жиле кабеля, к которой подключен источник монохроматического сигнала, достиг некоторого максимума, составила 51,6-103 Гц. Скорость распространения электромагнитного возмущения в данном кабеле -1,031-108 м/с. При этом потенциалы других жил кабеля не изменились. Диагностируется повреждение жилы кабеля на расстоянии от точки измерения, равном I = 0,5А = 0,5 у// = 0,5-1,031-108/(51,6-103) = = 999,03 м.
Полученные в ходе испытаний интерференционные картины при подаче синусоидального непрерывного диагностирующего сигнала на частотах 12500 и 25000 Гц представлены на рис. 5.
15 mV- 5V-
12.5 kS/s
10 ms
15 mV- 5V~
Vrms; ...mV dürr 25 kS/s 5 ms
b
Vrms: ...mV ...dBm
Рис. 5. Изменения эхосигнала при настройке устройства диагностики мест повреждения КЛЭ при разных частотах
диагностического сигнала: а - 12500 Гц; b - 25000 Гц Fig. 5. Echo signal changes in setting of diagnostic device of cable lines damage locations at different frequencies of diagnostic signal: a - 12500 Hz; b - 25000 Hz
Выводы
Однонаправленная резонансная система с одно-проводниковым источником электромагнитного поля позволяет повысить точность диагностики и локализации мест повреждений КЛЭ. При этом в точке замыкания токопроводящей жилы на оболочку влияние рассеивающего электромагнитного поля, созданного емкостными токами, исключено.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (148) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
4
a
Список литературы
1. www.kabel-news.ru.
2. Сакара А.В. Организационные и методические рекомендации по проведению испытаний электрооборудования и аппаратов электроустановок потребителей. М., 2006.
3. Стребков Д. С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи и применения электрической энергии. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008.
References
1. www.kabel-news.ru.
2. Sakara A.V. Organizacionnye i metodiceskie rekomendacii po provedeniü ispytanij elektrooboru-dovania i apparatov elektroustanovok potrebitelej. M., 2006.
3. Strebkov D.S., Nekrasov A.I. Rezonansnye metody peredaci i primenenia elektriceskoj energii. M.: GNU VIESH, 2008.
Транслитерация по ISO 9:1995
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (148) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
