«Эксплуатация систем электроснабжения. Импульсные искатели повреждения»

4. ИМПУЛЬСНЫЕ ИСКАТЕЛИ ПОВРЕЖДЕНИЙ

4.1.  Характеристики импульсных искателей

 

На рис. 4.1 представлена общая структурная схема импульсных искателей повреждений. Она охватывает автоматические и неавтоматические локационные устройства, волновые искатели одностороннего действия и основной комплект для двусторонних волновых искателей.

 

 

 

Рис. 4.1. Общая структурная схема импульсных искателей повреждений

Искатель находится в режиме ожидания, т. е. состоянии готовности к срабатыванию. При возникновении повреждения запускается блок управления 1. Он запускается либо от устройств релейной защиты, либо от собственного пускового органа, реагирующего, например, на уровень ВЧ-помех на линии. Блок 1 в зависимости от конкретных характеристик устройств подключает генератор зондирующих импульсов 3 и приемно-регулирующее устройство 5  к определенной линии (проводам линии). Выбор диапазона дальности и частотного диапазона, коммутация элементов регулировки усилитель­ного тракта приемно-регулирую-щего устройства, относящегося к данной линии, выполняются по программе работы блока 1,  установленной заранее, при на­ладке искателя на группе линий.

Во всех случаях от блока 1 запускается тактовый блок 2, синхронизирующий работу генератора 3, измерительного устройства 4 и приемно-регулирующего устройства 5. Зондирующие импульсы, подаваемые в обслуживаемую (подключенную блоком 1) линию, отражаются от МП или неоднородностей. Отраженные импульсы поступают в приемно-регулирующее устройство, а потом в измери­тельное устройство, где фиксируется интервал времени между зондирующим и отраженным от МП импульсами, пропорциональный искомому расстоянию.

В неавтоматических локационных искателях нет необхо-димости в автоматическом блоке управления 1. Волновые искатели одностороннего действия не имеют генератора зондирующих импульсов 3. В основные комплекты волновых двусторонних искателей, устанавливаемых на ведущем конце линии,  вместо генератора зондирующих импульсов может входить генератор хронирующих сигналов. Блок 3 может отсутствовать, если генератор хронирующих сигналов находится в дополнительном ком­плекте. В блоках 4 и 5 волновых искателей измеряются временные интервалы, соответствующие пришедшим с ли­нии фронтам волн или импульсам, пришедшим с противо­положного конца (от дополнительных комплектов).

 

4.2. Зондирующие импульсы

 

Как показали исследования [7, 8], фазочастотные характеристики (ФЧХ) волновых каналов силовых КЛ для частот f > 30 кГц с достаточно высокой точностью аппроксимируются прямой линией. Это означает, что фазовая скорость для f > 30 кГц практически остается неизменной. Для разных волновых каналов одной и той же КЛ скорости распространения весьма близки (их различие значительно меньше 1 %). Это физически объясняется экранированием электромагнитного поля металлической наружной оболочкой, препятствующей проникновению энергии в грунт.

Линейность ФЧХ может быть принята для КЛ с резиновой, пластмассовой и бумажно-масляной (пропитанной) изоляцией. В [8] показано, что для КЛ с этими же ви­дами изоляции амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) единообразны и для любых волновых каналов аппроксимируются с приемлемой точностью экспонентой. На рис. 4.2 приведены примеры нормированных АЧХ ка­бельных линий.

 

 

Рис. 4.2. Нормированные АЧХ волновых каналов кабельных линий:

а – канал «жила – жила» кабеля СБ Зx120, 10 кВ, l = 10 м;

б – канал «три жилы – оболочка» того же кабеля;

в – канал «жила –жила» кабеля ШРПЛ З x 0,75, 1 кВ, l = 15 м

 

Единообразный и достаточно близкий к монотонному характер АЧХ КЛ обеспечивает возможность согласования частотного спектра зондирующего импульса с этой АЧХ. Задача согласования сводится к подбору формы и длительности t_з зондирующего импульса, при которых основная часть амплитудного спектра отраженного импульса S_о(w) по подавляющей части энергии расположена в той же полосе частот, что и спектр зондирующего импульса S_з(w):

,                               (4.1)

где К (w) – коэффициент передачи участка волнового канала КЛ длиною  для двойного пробега импульса).

При прямоугольном зондирующем видеоимпульсе длительностью Тз кабельная линия длиной  является оптимальным фильтром, если отраженный от ее короткозамкнутого или открытого конца импульс, вернувшись к началу, превратится в квазитреугольный длительностью по основанию примерно 2t_з 
(рис. 4.3). Для участка любой длины l любого волнового канала существует своя критическая длительность t_кр = t_з, при которой этот участок представляет собой оптимальный фильтр.

С ростом длительности t_з при постоянной амплитуде зондирующего импульса повышается чувствительность, т. е. дальность измерений, так как увеличивается амплитуда отраженного импульса. Одновременно уменьшается разрешающая способность, так как отраженный импульс удлиняется и отражения от соседних неоднородностей накладываются друг на друга. На рис. 4.4 это повышение чувствительности показано в виде отношения амплитуд A₀/A_з отраженного и зондирующего импульсов, здесь же рассмотрено и снижение разрешающей способности в форме отношения некоторой минимальной для данной КЛ длительности t_{0, min} к длительности отраженного импульса t₀, соответствующей заданному значению t_з.

Как показано в [8], близкая к оптимальной длительность прямоугольного зондирующего импульса:

,                                      (4.2)

где l – длина КЛ; y – коэффициент, определяемый по АЧХ соответствующего волнового канала.

С достаточной для практики точностью коэффициент передачи равен:

,                                       (4.3)

откуда ln К (w) = - 2yw1. Последняя зависимость графически представляет собой прямую линию, по которой при заданных w и l возможно определить y.

 

 

 

 

 

Рис. 4.3. Квазитреугольный отраженный импульс, полученный

после пробега прямоугольным зондирующим импульсом участка

волнового канала КЛ оптимальной длины

 

 

Рис. 4.4. Графики изменения чувствительности (А₀/А₃) и разрешающей

способности (t_0min/t₀) в зависимости от длительности зондирующего

импульса t_з при ОМП КЛ

 

Значительное повышение разрешающей способности обеспечивает применение сдвоенного импульса (рис. 4.5, а). Два прямоугольных одинаковых по длительности импульса имеют разную полярность. Второй импульс отстает по времени на интервал t_з и имеет регулируемую амплитуду. При амплитуде первого импульса А амплитуда второго составляет nА, где 0 < п < 1. На рис. 
4.5, б приведены нормированные спектры такого зондирующего импульса для различных n, причем через S_å(w) обозначен спектр «сдвоенного» импульса, через S₁(0) – значение спектральной характеристики одиночного импульса (п = 0) при w = 0.

С ростом n спектр обогащается более высокими частотами, так как максимум S_å(w) смещается вправо по оси частот, а это значит, что увеличивается разрешающая способность. Частотный спектр отраженного импульса – это произведение спектра зондирующего импульса и коэффициента передачи КЛ длиною  (за счет двойного пробега). Регулировкой коэффициента коррекции п можно добиться уменьшения длительности отраженного импульса. Отраженный импульс становится однополярным. Для каждой длины двойного пробега  существует значение п, когда отраженный импульс минимален по длительности, т. е. обеспечивается максимальная разрешающая способность.

 

Рис. 4.5. Форма двухполярного  зондирующего импульса

(а) и кривые изменения его частотного спектра

(б) при различных значениях  коэффициента коррекции п

 ;                   (4.4)

;                                  (4.5)

;                           (4.6)

                  .                                      (4.7)

На лицевую панель искателя выводится ручка потенциометра «Компенсация», плавно регулирующая амплитуду второго импульса. Компенсируется повышенное затухание более высоких частотных составляющих и по сравнению с зондированием монополярным импульсом разрешающая способность повышается в 5,4 раза.

 

Рис. 4.6. Отраженные сигналы для КЛ с двумя шунтирующими

 сопротивлениями («утечками») при отсутствии (а) и наличии

(б) корректирующего импульса противоположной полярности

 

На рис.4.6 показаны сиг­налы, отраженные от двух шунтирующих  сопротивле­ний (R_ш1 = 200 Ом и R_ш1 = 420 Ом), имитирующих утечки на расстояниях lx₁= 100 м и lx₂ = 120 м. Волновое сопротивление испыты­ваемого кабеля РПШ-0,75 х 2 всего несколько десятков Ом, поэтому отыскание таких утечек – достаточно сложная задача. При отсутствии компенсации (рис. 4.6, кривая а) выявить наличие второй (более удаленной от места измерения) утечки не представляется возможным. Видно лишь незначительное изменение кривизны хвоста импульса, отраженного от первой утечки. Введение компенсации с п = 0,6 (рис. 4.6, кривая б) позволяет четко зафиксировать вторую утечку в виде отдельного отраженного импульса. Впервые двухполярный импульс с регулированием величины n применен в неавтоматических искателях типа Р5-10.

Для выделения полезного импульса, т. е. отраженного от МП, на фоне множества импульсов, отраженных от неоднородностей КЛ, в качестве зондирующего сигнала эффективнее использовать наложение видеоимпульса (короткого импульса) на единичную ступень напряжения [8]. При этом ступень напряжения позволяет различить повреждение от неоднородностей, а короткий импульс обеспечивает высокие точность отсчета и разрешающую способность. Дело в том, что за местом повреждения меняется уровень напряжения при воздействии ступени напряжения.

На рис. 4.7, а и б, где показаны импульсные характеристики (ИХ), хорошо видно такое изменение уровня. На рис. 4.7, в и д уровень ступени напряжения не изменяется (лишь кратковременные выбросы отражают влияние реактивности неоднородностей). На рис. 4.7, гуровень меняется, так как включение конденсатора в рассечку КЛ для длинного импульса равносильно обрыву.

 

 

Рис. 4.7. Упрощенные импульсные характеристики для КЛ с дополнительно включенными сосредоточенными элементами, имитирующими

неоднородности волнового сопротивления

 

Реальные изменения уровня в случае повреждения (КЗ) показаны на рис. 4.8, б (Е´₁¹ Е´₂). В случае неоднородности (соединительной муфты) уровень под воздействием сту­пени напряжения не меняется (Е_1’» Е₂). Для сравнения на рис.4.8, а приведена импульсная характеристика той же КЛ при зондировании коротким импульсом с t_з = 1 мкс. Отражения от муфты и места КЗ соответствуют примерно одному уровню напряжения.

Ухудшение выявления неоднородности (муфты) и улучшение выявления места ответвления по мере удлинения зондирующего импульса вплоть до единичной ступени напряжения показано на рис. 4.9.

Практически за единичную ступень можно принять прямоугольный импульс длительностью в 2-3 раза большей, чем 2L/v, где L – полная длина измеряемой КЛ; v – скорость распространения сигнала.

 

     Рис. 4.8. Импульсные характеристики КЛ с КЗ и соединительной муфтой при

зондировании коротким импульсом (а) и единичной ступенью напряжения (б)

 

 

Рис. 4.9. Импульсные характеристики КЛ с соединительной муфтой

 и ответвлением при различных длительностях зондирующего

импульса а – t_з = 50 нс; б – t_з = 300 нс;

в – единичная ступень напряжения

На рис. 4.10, б показана ИХ, полученная при наложении короткого зондирующего импульса (t_з = 1 мкс) на ступень напряжения. Отчетливо видны отражения от обрыва (конца КЛ) и соединительных муфт, и при этом сохранена крутизна отраженных импульсов, т. е. точность отсчета. Для сравнения на рис. 4.10, а показана ИХ при зондировании только ступенью напряжения. Отражения от муфт почти не видны^/ Точность отсчета низкая, так как от места обрыва (конца КЛ) отражение получается с пологим фронтом. Рис. 4.10 наглядно демонстрирует достоинства использования сложного (комбинированного) зондирующего сигнала «ступень – короткий импульс». Впервые такие сложные сигналы использованы в приборе Р5-10.

 

Рис. 4.10. Импульсные характеристики КЛ с двумя соединительными

муфтами при зондировании ступенью напряжения (а) и способом

наложения короткого импульса на ступень напряжения (б)

 

Таким образом, близким к оптимальному по форме для ОМП силовых КЛ является видеоимпульс, полученный наложением короткого двухполярного импульса на единичную ступень напряжения. Для ОМП каждой конкретной КЛ существует оптимальная длительность короткого импульса и значение коэффициента коррекции п, обеспечивающего максимальную разрешающую способность. Это положение справедливо как для контрольных кабелей, так и для кабелей связи.