Поиск по сайту:



Проверить аттестат

Мы принимаем Яндекс.Деньги

«Эксплуатация систем электроснабжения. Методы ОМП»

Файл: 4 КБ
Поделиться:

5. МЕТОДЫ ОМП

5.1. Характеристика индукционных методов ОМП

 

Индукционные методы предназначены для топографического (трассового) ОМП кабельных и воздушных линий. Для КЛ, проложенных в земле, индукционные методы позволяют также уточнить трассу линии, установить глубину залегания кабеля и места расположения соединительных муфт.

Сущность индукционных методов заключается в инди­кации параметров магнитного поля токов, протекающих по проводам (жилам) и в земле вдоль трассы линии. Изме­нения параметров магнитного поля вблизи МП или в иных характерных точках трассы улавливаются с помощью специальных датчиков (индукционных рамок), усилителей и индикаторов при их перемещении вдоль трассы ВЛ или КЛ

Для КЛ напряжением до 35 кВ ОМП производится с помощью специального генератора повышенной частоты после выделения и отключения поврежденного участка. Выделение же поврежденного участка КЛ, который можно отключить коммутационной аппаратурой, при однофазном замыкании на землю осуществляется индукционным методом за счет индикации параметров магнитного поля емкостного тока на границах участка, т. е. в РУ. Для ВЛ пара­метры магнитных полей емкостных токов сети используются и для выделения участков, и для ОМП.

Важное значение для индукционного метода имеет выбранный диапазон рабочих частот. Для всех индукционных методов, за исключением не нашедшего распространения импульсно-индукционного метода, применяется так называемый звуковой (тональный) диапазон частот. Для линий, включенных в сеть, практически используются промышленная частота 50 Гц и ее нечетные гармоники вплоть до 13-й. Для отключенных КЛ частотный диапазон составляет 0,4…12 кГц.

Для ОМП в трехфазных сетях существенные различия имеют характеристики магнитных полей токов нулевой последовательности и фазных токов.

 

 

5.2. Индукционные методы ОМП для отключенных от сети кабельных линий

 

Эти методы являются наиболее распространенными при трассовом поиске МП силовых КЛ. Для их использования необходимо снизить путем прожигания переходное сопро­тивление в МП до единиц или даже долей ома (фирма Seba dynatronic (ФРГ) указывает максимально допустимое значение в 10 Ом).

Определение трассы КЛ и глу­бины залегания кабеля. При опре­делении трассы один вывод генера­тора звуковой частоты присоеди­няется к неповрежденной жиле кабеля, а другой – к его зазем­ленной оболочке. Противополож­ный конец используемой жилы также заземляется (рис. 5.1). Сило­вые линии магнитного поля «одиночного» тока представляют собою концентрические окружности с центром в используемой жиле кабеля.

Ток при поисках трассы устанавливается в пределах 0,1…10 А в зависимости от глубины прокладки и наличия помех.

 

Рис. 5.1. Схема включения генератора при определении трассы

и глубины залегания КЛ

 

Если ось приемной рамки кабелеискателя расположена горизон­тально в плоскости, перпендикулярной оси кабеля (рис. 5.2, а), то над ним будет наводиться максимальная ЭДС. При перемещении рамки в стороны от трассы кабеля значение ЭДС убывает. Это обстоятельство и используется для ориентировочного нахождения трассы.

Если ось рамки расположена вертикально, то точно над кабелем ЭДС равна нулю, так как витки рамки не пересекаются магнитным пото­ком (рис. 5.2, б). При перемещении рамки в стороны от трассы кабеля ЭДС будет резко возрастать, а затем медленно убывать. Это свойство используется для точного определения трассы кабеля.

 

Если ось рамки кабелеискателя расположена параллельно оси ка­беля (рис. 5.2, в), то ЭДС равна нулю. При нарушении параллельности ЭДС возрастает, что используется для определения направления трасс кабеля.

Иногда (хотя и очень редко) ток заземления растекается от вывода генератора по оболочкам соседних кабелей, находящихся  под рабочим напряжением. При этом минимум звучания выявляется над тем кабелем, по которому течет ток заземления, а над кабелем, подключеннным к генератору, звучание совсем не прослушивается.  В таких случаях необходимо пользоваться схемой двухпроводного включения, т. е. включать выводы генератора на две жилы, закороченные с противоположной стороны перемычкой (рис. 5.3). При этом точность определения трассы ниже, чем при включении генератора по схеме «жила – земля».

 

 

 

Рис. 5.2. Варианты расположения оси приемной рамки относительно

 поверхности грунта над кабелем: а – горизонтально-поперечное;

б– вертикальное; в – горизонтально-продольное;

г – под углом 45° к вертикали

 

Для определения глубины залегания кабеля используется та же схема измерения, что и для определения трассы. Ось рамки кабелеискателя ставится вертикально, и прочерчиваемая на поверхности земли определяет трассу кабеля линия. Поворачивая рамку таким образом, чтобы ее ось была под углом 45° к вертикальной плоскости, проходящей через кабель, рамку отводят  в сторону от намеченной трассы. В зоне отсутствия ЭДС (отсутствие звучания в наушниках приемника) проводится вторая линия. Расстояние а между двумя отмеченными линиями будет равно глубине залегания кабеля h (рис. 5.2, г).

 

Рис.5.3. Включение генератора по схеме «жила – жила»

 

Для определения места повреждения КЛ при замыкании между жилами (междуфазные повреждения) и отыскания соедини-тельных муфт на трассе используют схему (рис. 5.4), в которой в две поврежденные жилы кабеля от генератора Г подается ток (5…25 А) повышенной частоты.

 

 

Рис. 5.4. Схема включения генератора при замыкании между жилами КЛ

(а), кривая изменения уровня напряженности магнитного поля вдоль трассы

 поврежденного кабеля (б) и структурная схема приемника кабелеискателя (в)

 

 

С рамкой Р, усилителем У и индикатором И (обычно – телефоном) оператор движется по трассе кабеля, улавливая характерное звучание, обусловленное наведенной в рамке и усиленной ЭДС. Протекающий по жилам ток создает магнитное поле, силовые линии которого при различном взаимном положении жил показаны на рис. 5.5. В приемной рамке, магнитная ось которой расположена вертикально над кабелем, при ее перемещении по трассе будет индуктироваться периодически изменяющаяся (в соответствии со скруткой жил) ЭДС. Минимальное значение ЭДС соответствует вертикальному рас­положению жил, а максимальное – горизонтальному.

Скрутка жил  кабеля с шагом повива – от 0,5 до 3 м в зависимости от сечения жил. В соответствии с этим шагом изменяется напряженность результирующего магнитного поля на поверхности земли над кабелем (рис. 5.4).

 

 

Рис. 5.5. Силовые линии магнитного поля над кабелем при горизонтальном

(а) и вертикальном (б) взаимном расположении двух его жил

 

Над местом расположения муфты длина интервалов между точками максимальной слышимости заметно нарушается и звучание в телефоне резко усиливается (из-за большего расстояния между жилами в муфте). Это обстоятельство используется для отыскания места расположения соедини­тельных муфт на трассе.

Из рис. 5.6 видно, что на некоторых участках трассы звучание резко ослабляется. Это происходит вследствие большой глубины залегания или экранировки кабеля металлическими трубами. За исключением таких участков, звучание будет слышно на той части трассы, где протекает ток от генератора, т. е. до МП.

 

 

 

 

Рис. 5.6. Кривая изменения напряженности магнитного поля Н над КЛ

при наличии соединительных муфт:

 

а – шаг скрутки (повива) жил; б – длина муфты (б > а);

1– повышенное заглубление кабеля; 2 – теплопровод;

3– соединительная муфта; 4 – уча­сток кабеля в металлической трубе;

5 – место повреждения

 

Над МП напряженность магнитного поля несколько усиливается и звучание в телефоне заметно возрастает, затухая совсем на расстоянии 0,5 м за местом повреждения (рис. 5.4 и 5.6). Поэтому особое внимание надо обращать на «концевой эффект». Если звучание прекращается плавно или обрывается без заметного усиления, то это говорит о том, что кабель проложен либо на большой глубине, либо заложен в металлическую трубу. Если же звучание усиливается, а далее скрутка не прослушивается, то рамка находится над МП. Рекомендуется производить измерения с двух сторон, при этом звучание должно прекращаться в одном и том же месте.

При недостаточной степени прожигания изоляции одной или обеих жил на оболочку или выгорании отрезка одной из жил (более 5…10 см) кроме магнитного поля межпроводного тока пары I(ж) образуется поле тока растекания I(р) (рис. 5.7). Напряженность магнитного поля тока растекания во много раз больше напряженности междупроводного поля, образованного током I(ж) такого значения, как I(р). Поэтому даже при меньшем относительно основного тока значении I(р) создаются большие помехи непериодического медленно уменьшающегося за МП звучания 
(рис. 5.7, кривая l). Устранение таких помех иногда достигается дополнительным прожиганием, если последнее позволяет получить КЗ жил кабеля.

 

 

Рис. 5.7. Кривые изменения напряжен­ности магнитного поля H

при наличии тока растекания:

1– для поля тока растекания I(р); 2 – для поля пары токов I(ж);

О – оболочка; МП – место повреждения

 

Погрешность определения места замыкания между жилами индукционным методом с поверхности земли не превышает ±0,5 м, а при работе на открытом кабеле составляет несколько сантиметров. Индукционный метод определения места замыкания между жилами (или замыкания двух жил на оболочку в одной точке кабеля) весьма эффективен, поскольку до МП есть периодическое (в соответствии с шагом скрутки) изменение сигнала, за МП этого изменения нет, и в подавляющем большинстве случаев за МП принимаемый сигнал уменьшается  в десятки раз.

Трудности возникают, если велика глубина залегания кабеля или значителен уровень помех от действия проходящих вблизи ВЛ, соседних кабелей или сетей, питающих городской транспорт. При этих условиях оказывается недостаточным абсолютное значение сигнала либо его значение по отношению к уровню помех. Сигнал характеризуется напряженностью магнитного поля пары токов I(ж), протекающих от генератора по скрученным жилам,

  ,                      (5.1)

где P(г) – мощность генератора; Z(вx) – входное сопротивление поврежденной КЛ; kэ – коэффициент экранирова­ния потока электромагнитной энергии сквозь оболочку и броню кабеля; kс – коэффициент, учитывающий ослабле­ние напряженности поля вследствие скрутки жил (коэффи­циент скрутки); d– диаметр жилы кабеля. При этом в рамке наводится ЭДС

,                                     (5.2)

где fг – частота генератора; w – число витков рамки, s – площадь среднего витка рамки; m –  магнитная проницаемость материала сердечника рамки.

Подставляя выражение (5.1) в (5.2), получаем

 

 .                            (5.3)

Из анализа (5.3) следует, что существует некоторый оптимальный диапазон рабочих частот, которому соответствует область наибольших значений Еп, т. е. значений сигнала для заданной мощности генератора Рг. Ход кривой Еп F(fГ) определяется частотной зависимостью сомножителя fг kЭZ(вх). С ростом fГ значение ЕП сначала увеличивается, так как ÖZ(вх) меняется медленнее от fг, чем по линейному закону. Но при дальнейшем увели­чении fг начинает проявляться экранирующее действие оболочки и брони, приводящее к уменьшению Еп. Таким образом, функция fг kэ/ÖZ(вх)  и соответственно сигнал имеют максимум в некотором диапазоне частот. Оптималь­ная частота при отыскании междуфазных повреждений, по данным В. В. Платонова, лежит в диапазоне 1000…2000 Гц для кабелей типа АСБ и 500…1000 Гц для кабелей типа ААБ.

Из анализа соотношения (5.3) также следует, что сигнал существенно уменьшается с увеличением глубины залегания кабеля и прежде всего из-за того, что kс является функцией h. Увеличение h, например, вдвое (от 0,9 до 1,8 м) при шаге скрутки l = 1,8 м приводит к уменьшению kc от 0,5 до 0,07, т. е. в 7,2 раза. Если еще учесть, что Еп пропорциональна 1/h2, то получаем, что удвоение ослаб­ляет сигнал в 30 раз.

Таким образом, именно скрутка жил затрудняет поиск междуфазных повреждений на большой глубине, хотя в целом при достаточном сигнале она обеспечивает выявление МП.

Соответственно верхнюю границу частоты сигнала целесообразно выбирать равной 6500 Гц.

Для успешного поиска междуфазных повреждений с помощью селективного приемника, как правило, доста­точно использовать полупроводниковый генератор мощ­ностью 150…200 Вт.

Однофазные повреждения (замыкания жилы на оболочку кабеля). Основным препятствием, которое встре­чается на пути определения места однофазного повреждения, является мешающее (маскирующее) действие поля тока растекания в земле

Дело в том, что ток звуковой частоты I = II2, протекая по поврежденной жиле, возвращается в генератор не только по оболочке (I1) но и по земле (I2).Следовательно, до МП существует поле пары токов «поврежденная жила – оболочка» I1 и поле одиночного тока I2,протекающего по оболочке до ближайшего ее заземле­ния и уходящего в землю (к заземленному полюсу генератора). Тогда по обе стороны от МП существует одно и то же поле с напряженностью

 ,                                        (5.4)

 

создаваемое одиночным током. Напряженность этого поля во много раз превышает напряженность поля пары токов

.                                   (5.5)

При этом

 

 

Рис.5.8. Структурная схема развития направлений индукционного

 поиска повреждений вида «жила-оболочка»

Таким образом, Но существенно превышает Нп и выявление сигнала (пропорционального напряженности поля пары токов) на фоне такой сильной маскировки – существенно затрудняет поиск однофазных повреждений. Решение этой проблемы должно предусматривать совершенствование не только аппа­ратуры, но и методики поиска. Рассмотрим структурную схему, характеризующую развитие методики поиска (рис. 5.8). Первое направление предполагает уменьшение напря­женности поля одиночного тока или ослабление его мешаю­щего действия. При этом полезным, подлежащим обнаружению и измерению является сигнал, обусловленный парой токов. Второе направление основано на выявлении особенностей (изменений, отклонений) напряженности поля одиночного тока в зоне МП. Задача состоит только в том,  чтобы их обнаружить.

Ниже рассматриваются методики поиска однофазных повреждений в указанных направлениях

Выявление напряженности поля пары токовИзмерение производной ЭДС по длине. Во ВНИИЭ предложено измерять не ЭДС, наводимую в рамке, а производную ЭДС по длине перемещения рамки вдоль трассы. Генератор включают по схеме «поврежденная жила-неповрежденная жила» и неповрежденную жилу заземляют на дальнем конце (рис. 5.9). В этом случае напряженность медленно изменяющегося поля тока растекания I(р) характеризуется производной, близкой к нулю, а напряженность поля пары токов I(ж), изменяющаяся от максимума до минимума с шагом скрутки жил кабеля, характеризуется некоторым уровнем сигнала. Именно скрутка жил, периодически изменяя направление вектора напряженности магнитного поля пары токов с вертикального на горизонтальное, позволяет получить изменение уровня производной ЭДС по длине вдоль оси кабеля. За МП пары токов, протекающих по скрученным жилам, нет, периодическое изменение производной исчезает, а уровень производной снижается, Таким образом, задача сводится к регистрации периодических, в соответствии с шагом скрутки жил, низкочастотных изменений UW напряжения звуковой частоты, постоянный уровень которого Uw, определяется напряженностью электромагнитного поля одиночного тока.

 

Метод поиска однофазных повреждений затруднен двумя обстоятельствами: мало отношение UW/Uw = Нп/Но = 0,01…0,03 и для получения полезного сигнала UW необходимо перемещение рамки вдоль трассы. Поэтому всякие отклонения oт трассы 
(в сторону и по высоте), изменение ориентации рамки относительно оси кабеля, которых трудно избежать при перемещении рамки, вызывают так назы­ваемые динамические помехи.

 

Рис. 5.9. Схема токораспределения при поиске МП по изменению

производной магнитного поля вдоль КЛ

 

При реализации метода приходится выделять обусловленную скруткой жил низкочастотную огибающую UW  звукового сигнала при UW/Uw = 0,01…0,03 и полезные, обусловленные скруткой жил периодические изменения сигнала (около 1 % постоянного уровня) среди ложных, связанных с перемещением рамки. Причем ложные изменения могут превышать 1 % постоянного уровня.

Практическое решение обеих задач, а следовательно и проблема в целом, упрощаются при увеличении отношения UW/Uw. Этого можно добиться снижением уровня Uw, создаваемого полем одиночного тока растекания в земле.

Уменьшение напряженности поля одиночного тока в зоне МП Можно отметить два пути уменьшения напряжения, наводимого в приемной рамке от действия поля тока растекания в земле: компенсация в кабельной линии и компенсация в приемном устройстве.

Компенсации первого типа предложены в [9]. В соответствии с этим методом генератор звуковой частоты следует подключать согласно схеме, показанной на рис. 5.10,а. Для токов, протекающих в жилах кабеля, оболочке и земле, эту схему можно рассматривать как составленную из двух более простых схем (рис. 5.10, б, в).

 

 

Рис. 5.10. Схемы осуществления компенсации токов растекания в КЛ:

а – полная схема; б и в – составляющие полной схемы

 

В схеме, приведенной  рис. 5.10, б, генератор звуковой частоты задает ток I1, который в МП растекается вправо (I) и влево (I). На дальнем конце обе составляющие суммируются и возвращаются к генератору по неповрежденной жиле. Отношение I/I1п следует считать неопределенным вследствие неопределенности условий растекания тока в земле (раз­личная влажность грунтов, различные способы заземления оболочки). Поэтому в общем виде

                                                   (5.6)

где k1– коэффициент, постоянный для определенного кабеля и конкретных условий растекания (k1 = 0…1).

Токи, протекающие в жилах, оболочке (Iоб) и земле, создают электромагнитные поля, которые наводят ЭДС в индукционной рамке приемника. В схеме рис. 5.10, 6 можно считать, что до МП существуют поле пары жила–жила (ток пары I1) и поле одиночного тока I1П, протекающего по оболочке и уходящего в землю. За МП существуют поле пары неповрежденная жила – оболочка I и поле одиночного тока I, протекающего по неповрежденной жиле. Таким образом, как до МП, так и за ним, в направлении справа налево протекает одиночный ток I, создающий мешающее поле, маскирующее полезный сигнал.

В схеме, приведенной на рис. 5.10, в, от генератора звуковой частоты в поврежденную жилу вводится ток I2, который в МП тоже растекается по оболочке вправо и влево (II). Правая и левая составляющие тока I2 суммируются на ближнем конце кабеля и замыкаются через заземленный вывод генератора. При этом можно записать

,                   (5.7)

где k2 = 0–1 – коэффициент, причем  k2 ¹ k1k2 ¹ 1-k1.

В схеме, показанной на рис. 5.10, в, до МП существуют поле пары поврежденная жила – оболочка I и поле одиночного тока I2П, протекающего по оболочке и уходящего в землю. И в этой схеме по обе стороны от МП протекает неизменный одиночный ток I, создающий поле, мешающее выявлению полезного сигнала. Однако в схеме на рис. 5.10,б одиночный ток протекает слева направо, т. е. навстречу одиночному току, протекающему в схеме на рис. 5.10,6. Поэтому в общей схеме (рис. 5.10,а), получаемой в результате наложения составляющих схем, одиночный ток, протекающий в зоне растекания как до МП, так и за ним, равен разности I – I2п. Эта разность может быть малой при выполнении условия

 .                                      (5.8)

Таким образом, при определенном соотношении между токами I1 и I2 может быть обеспечен малый одиночный ток в зоне МП, а следовательно, улучшено исходное для рамки соотношение между напряжениями UW и Uw.

Так как ослабление напряженности мешающего поля тока растекания в земле может быть зафиксировано по снижению уровня сигнала, принимаемого в зоне МП при постоянном коэффициенте усиления приемника и неизменной ориентации рамки, то условие (5.8) следует обеспечивать путем изменения тока I1 или I2 до тех пор, пока это изменение понижает уровень принимаемого сигнала. При реализации этого метода компенсации возникают определенные эксплуатационные трудности, обусловленные сложной схемой подключения генератора и необходимостью взаимодействия двух операторов, один из которых находится  на трассе у приемного  устройства, а другой – на трансформаторной подстанции у генератора.

Из методов компенсации второго типа (компенсация в приемном устройстве) заслуживает внимания дифференциально-частотный метод. Его сущность заключается в том, что в КЛ посылают токи двух частот fи f2. Сигналы Uf1 Uf2 принимают по двум узкополосным каналам, усиливают и подают на разностный индикатор (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Схема дифференциально-частотного метода

 

Определение МП вида жила-оболочка методом накладной рамки. Этот метод применяется для определе­ния МП открыто проложенных КЛ (в помещениях, тун­нелях, подвалах и пр.). Он может быть применен также для КЛ, проложенных в земле. В этом случае необходимо произвести раскопку нескольких шурфов в зоне повреждения кабеля. Кроме того, методом накладной рамки можно определить отключенный, например, для ремонта кабель, лежащий в пучке других кабелей.

Генератор включают по схеме поврежденная жила – земля  (см. рис. 5.7). Ток в поврежденной жиле устанавливают от 0,5 до 5 А. Если кабель проложен в земле, то на трассе КЛ в зоне МП, определенной каким-либо дистанционным методом, раскапываются шурфы и на открытых кабелях сопоставляются характеры изменения напряженности магнитного поля при вращении рамки вокруг оси кабеля по его оболочке.

Если шурф расположен до МП со стороны генератора звуковой частоты, то по кабелю, как было отмечено выше, протекают токи I-I2 и I1, образующие междупроводное поле. За один оборот накладной рамки вокруг оси кабеля в телефоне будут прослушиваться два максимума и два минимума звучания (рис. 5.12, а). Если шурф расположен за МП кабеля, то по его оболочке протекает ток I2, образующий практически неизменяющееся магнитное поле. В этом случае за один оборот накладной рамки вокруг оси кабеля в телефоне кабелеискателя будет прослушиваться неизменяющееся звучание (рис. 5.12, б).

Таким образом, по различию характера звучания определяется поврежденный участок трассы. Если расстояние между шурфами небольшое, то, раскопав перемычку между ними, находят МП кабеля. При большом расстоянии между шурфами раскапывают дополнительный шурф, уменьшая зону расположения МП, и т. д.

Однако применение метода накладной рамки при его использовании для КЛ, проложенных в земле, требует большого объема работ по раскопке шурфов.

Этот метод возможно применять только при наличии металлического замыкания между жилой и оболочкой кабеля.

 

 

 

Рис. 5.12. Характеристики напряженности магнитного поля Н

при определении МП с помощью накладной рамки:

а – до места повреждения; б – за местом повреждения;

Г – генератор; Р – рамка; У – усилитель; И – индикатор (телефон);

Ш – шурфы К – кабель; МП – место повреждения

 

Метод электроразведки. При невозможности подключения генератора синусоидальных сигналов непосредственно к жиле кабеля (например, в случае поиска трассы остав­ленного в земле отрезка кабеля) используют метод электро­разведки [10]. В этом случае генератор подключают к основной индукционной рамке, наводящей ток в метал­лической оболочке кабеля, а приемное устройство – к другой индукционной рамке. При расположении, в частности, осей обеих рамок под прямым углом исключа­ется их взаимное влияние. Поиск трассы осуществляется аналогично обычному присоединению генератора по схеме жила – земля.

5.3. Акустические методы ОМП

 

Эти методы также относятся к группе контактных. В результате акустического контакта с МП воспринимаются механические колебания, распространяющиеся от него. При этом специальные методы и устройства требуются только для ОМП кабельных линий.

Акустический метод практически универсален. Им можно определять повреждения различного характера: однофазные и междуфазные замыкания с различными переходными сопротивлениями; обрывы одной, двух или всех жил; в отдельных случаях возможно определение не­скольких повреждений на одной КЛ. Метод с успехом при­меняется при отыскании повреждений на подводных участках КЛ. Применение акустического метода позволяет отыскать место замыкания одной жилы на оболочку. Если, однако, при этом переходное сопротивление не превышает нескольких десятков оМ, то найти МП во многих случаях не удается.

Сущность акустического метода заключается в прослушивании над МП звуковых колебаний, вызванных искровым разрядом в канале повреждения. Конденсатор С заряжается от высоковольтной выпрямительной установки. Когда напряжение на нем достигнет напряжения пробоя разрядника Р, последний пробьется и конденсатор С начнет разряжаться на поврежденную жилу кабеля. При этом в кабель посылается импульс высокого напряжения. Достигнув МП, этот импульс создаст искровое перекрытие с жилы кабеля на защитную оболочку. Искровой электрический разряд всегда сопровождается звуковым эффектом. Звуковые колебания, возникшие в месте искрового перекрытия, распространяются в окружающую среду и могут быть прослушаны на поверхности земли. По окончании разряда конденсатора разрядник гаснет, что позволяет конденсатору зарядиться снова для последующего разряда. Таким образом, схема обеспечивает периодическое повторение разрядов в МП. Звуки искровых разрядов достигают максимальной громкости над МП.

Звуковые колебания на поверхности земли могут быть прослушаны стетоскопом (рис. 5.13), который обеспечивает звукопроводящую связь между ухом оператора и поверхностью земли, исключая воздушную прослойку. Деревянный стержень стетоскопа хорошо проводит звуковые колебания. Иногда сила звуковых колебаний при искровом разряде оказывается недостаточной для непосредственного прослушивания. В таких случаях применяются акустические датчики с усилителями и индикаторами.

Рис. 5.13.  Деревянный стетоскоп

 

Известно много конструкций акустических датчиков. Основой датчика является чувствительный элемент – преобразователь механических колебаний звукового частотного диапазона в электрические. Наиболее распространены пьезоэлектрические преобразователи, представляющие собою пластинку монокристалла титаната бария, сегнетовой соли или другого материала, имеющего высокий пьезоэффект. Последний заключается в образовании электрических зарядов на поверхности пластинки при ее механической деформации, например при изгибе. Для снятия этих зарядов с поверхности пластинка металлизируется.

В качестве электромеханических преобразователей приме­няются также электромагнитные звукосниматели, в частности электромагнитные микрофоны, например типа ДЭМ, хорошо  экранированные от внешних помех. Для примера на рис. 5.14 показан разрез одного из акустических датчиков. Колебания грунта, даже незначительные, вызванные давлением, образованным в месте искрового разряда, передаются через корпус датчика на чувствительный элемент 1, что вызывает появление напряжения на его зажимах. Это напряжение подается на вход усилителя, а после усиления – на телефон или стрелочный индикатор. Большое значение имеет хороший контакт звукопроводящего стержня (цилиндра), на котором укреплен чувствительный элемент, с грузом 2. Для защиты элемента от внешних акустических помех, передаваемых по воздуху, в датчике предусмотрена акустическая изоляция (например, на основе пористой резины). Электромагнитное экранирование достигается использованием металлических корпусов.

Механические волны испытывают отражения и прелом­ления аналогично электромагнитным волнам, рассмотренным выше. Так, при переходе из плотного грунта в воздух коэффициент отражения составляет 0,96, а коэффициент преломления – только 0,04. Это означает, что лишь незначительная часть энергии волны может быть воспринята человеческим ухом. Деревянный стетоскоп позволяет поднять эту долю до 50…60 %. Зона слышимости искро­вого разряда зависит от энергии и характера разряда и акустических свойств среды вблизи МП.

Для создания искрового разряда в МП необходимо приложить к нему достаточное импульс­ное напряжение ип. Последнее зависит как от амплитуды посылаемого импульса u0, так и от сопротивления Rп в месте повреждения

,                              (5.9)

 

где z – волновое сопротивление кабеля.

 

Рис.5.14. Конструкция акустического датчика

 

При снижении переходного сопротивления до значения волнового сопротивления кабеля начинается резкое умень­шение напряжения на искровом промежутке. Поэтому в случае малого переходного сопротивления в МП искровой разряд может и не возникнуть. При высоком напряжении пробоя, примерно равном испытательному напряжению кабеля uп » uисп, в изоляции кабеля создаются пробои без использования разряд­ника.

Если нельзя поднять напряжение на кабеле из-за большого тока, протекающего через МП, то необходимо выбрать разрядник с пробивным напряжением u0 £ uисп. Это ограничение вызвано опасностью возникновения перенапряжений из-за удвое­ния амплитуды посылаемого импульса у разомкнутого конца в случае отсутствия пробоя МП, а также перенапряжений в связанной сети низкого напряжения, что может привести к повреждению низковольтной аппаратуры.

Следует иметь в виду, что при импульсном пробое возникает большое падение напряжения на заземлении, которое может привести к так называемому обратному перекрытию с заземления на низковольтную сеть. Во избежание этого конденсатор и другие элементы цепи импульсного разряда заземляют отдельным проводом с выносным заземлителем. Хорошая слышимость пробоев получается, когда в защитной оболочке кабеля имеется отверстие. Если при этом замеренное омметром переходное сопротивление будет очень мало Rп» 0, то это еще не означает, что искрового разряда не возникнет. Дело в том, что при большом по объему выгорании изоляции очередной пробой может легко разрушить образовавшийся канал с низким сопротивлением. С другой стороны, при металлическом сплавлении жилы с защитной оболочкой кабеля искровой разряд получить невозможно, если только спай не будет нарушен при прохождении импульса.

Фирма Seba dynatronic ограничивает применение акустичес-кого метода условием Rп ³ 10 Ом. Однако опыту эксплуатации более соответствует необходимость пере­ходного сопротивления порядка нескольких десятков Ом. Чем плотней и однородней грунт, расположенный над кабелем, тем лучше передача звуковых колебаний. Поэтому покровы из рыхлого снега, сухого песка, щебня, шлака и строительного мусора обусловливают резкое сокращение зоны слышимости. Наибольшую зону слышимости обеспечивают глинистые грунты, лед и монолитные бетонные покрытия. Акустический метод невозможно применить на кабелях, не имеющих отверстия в оболочке на МП, если кабель залегает на очень большой (больше 2…3 м) глубине или имеется звукопоглощающая среда в грунте над МП, при наличии прочного металлического мостика, а также  при высокой изоляции оборванных жил.

Важнейшим показателем эффективности акустического метода является энергия разряда, Дж

,                                     (5.10)

где uо – напряжение пробоя разрядника, кВ; С – емкость, разряжаемая на поврежденный кабель, мкФ.

При слишком малой емкости С акустический метод неэффективен. Это объясняется следующим. Длительность разряда определяется постоянной времени t = Cz. По­скольку для силовых кабелей = 10…50 Ом, то, приняв Zcp = 30 Ом, можно записать следующее условие:

.                        (5.11)

Если tmin меньше времени пробега импульса по кабелю, то амплитуда импульса снижается по мере приближения к месту пробоя и тем более снижается акустическая энергия.

При l = 2500 м и u = 160 м/мкс время пробега составит 15 мкс, откуда С ³ 0,5 мкФ. Опыт эксплуатации подтвер­ждает необходимость использования емкости не менее 0,5 мкФ. Так как акустическая энергия увеличивается пропорционально uo2, то следует стремиться к максималь­ному подъему напряжения uо, ограничивая его уровнем допустимых перенапряжений. Для низковольтных кабелей приходится увеличивать энергию в основном за счет емкости, используя батареи в десятки и даже сотни микрофарад. Типичное значение энергии разряда для акусти­ческого метода лежит в диапазоне 200…1000 Дж, Эта энергия обеспечивается для КЛ 6…10 кВ при uо = 20 кВ и С = 0,5…2,5 мкФ, а для низковольтных КЛ – при uо = 2…3 кВ и С = 20…100 мкФ.

Перед началом ОМП акустическим методом необходимо знать зону его расположения, так как для кабелей длиной более 100 м прослушивание всей трассы нецелесообразно. Предполагаемое МП определяется дистанционным методом и отмечается на трассе. Зона поиска в зависимости от примененного метода и состояния документации может составлять до нескольких десятков метров.

Поиски наиболее удобно производить, установив пери-одичность искровых разрядов в кабеле, равную одному пробою в 2…6 с. Поиски в зоне повреждения производятся путем установки акустического датчика на грунт или дорожное покрытие над трассой кабеля через каждые 1-2 м до достижения максимальной слышимости искровых разрядов. Если трасса кабеля точно не известна, то ее уточняют с помощью индукционной рамки, в которой наводится импульсное напряжение в момент разряда. Отыскивают трассу, как и при индукционном методе, с включением генератора по схеме жила-земля. С помощью этой же рамки легко установить наличие разрядов в кабеле и их периодичность.

Периодичность разрядов может нарушаться из-за обгорания электродов разрядника. Поэтому часто применяют трехэлектродные разрядники. При этом импульсы напряжения на поджигающий электрод подаются строго периодически от специального генератора. Кроме улавливания периодичности разрядов на трассе вблизи МП индукционной рамкой используют также прием звука пробоя разрядника по радиоканалу (радиотелефону).

Как показывает опыт, повысить помехоустойчивость акустического метода позволяет использование двухканального приемника, как это показано на рис. 5.15. Импульсный сигнал разряда, принятый индукционной рамкой 1 и усиленный в блоке 3, приводит к срабатыванию порогового устройства 5, которое запускает блок временной задержки 6 и открывает ключ 7 для передачи акустического сигнала от датчика на усилитель 4. Через время задержки Dt ключ закрывается. Если акустический сигнал возникнет в интервале времени между открытием и закрытием ключа 7, то сработает индикатор 8. Установив Dt << T (где T – периодичность повторения разрядов), резко увеличивают помехоустойчивость, так как интервал времени приема акустических помех сокращается.

В США для кабелей в металлических трубах нашли применение две разновидности акустического метода: «направление звука» и «измерение расстояния, пройденного звуком».

Метод «направление звука» использует разность времени распространения звуковых колебаний, вызванных дугой в МП, до двух акустических датчиков, установленных в разных точках линии. Первым сработает ближайший к МП датчик.

 

Рис. 5.15. Структурная схема двухканального приемника

для акустического метода

 

При установке датчиков непосредственно на металлической трубе удается улавливать звуковые колебания на расстоянии до 60 м от места пробоя. Перемещая датчики, находят МП с точностью до нескольких сантиметров.

 

Рис. 5.16. Схема измерения расстояния, пройденного звуковой волной:

1– металлическая труба кабеля; 2– жила кабеля; 3 – место пробоя;  

4 – акустический датчик; 5 – блоки пуска и останова счетчика;

6 – счетчик;  7 –  высоко­вольтная   выпрямительная установка

 

Вторая из указанных разновидностей акусти­ческого метода предусматривает измерение специальным счетчиком (или с помощью осциллографа) интервала времени от момента прихода по трубе электрического импульса до момента прихода звукового импульса при пробое в МП. Так как электрический импульс распространяется вдоль трубы значительно быстрее звукового, то измеренное время практически равно времени распространения звука. Если измерения производить на двух стойках, вбитых в землю над трубой в 2 м от нее и на расстоянии 3…8 м друг от друга, то можно определить, в каком направлении находится МП, и расстоя­ние до него. Перемещая стойки, можно приблизиться к МП. Можно также рассчитать расстояние до МП, если прово­дить измерения в колодцах с обеих сторон от этого места.

Принципиальная схема измерения с применением электронного счетчика приведена на рис. 5.16. Электрический импульс, распространяющийся по трубе, запускает счетчик, а остановка которого происходит после прихода звукового импульса. Скорость распространения звука по стальной трубе составляет 3874 м/с. Для усилителей акустического сигнала непригодна узкая полоса (не­сколько десятков герц) селективных усилителей индук­ционных приемников.

Универсальный индикатор типа 81018 фирмы Robotron Messelektronik «Otto Schon» (ФРГ) кроме диапазонов для приема индукционных сигналов имеет два диапазона для акустических сигналов: 50…500 Гц при использовании пьезоэлектрического микрофона и 100…2000 Гц при использовании электродинамического микрофона. Универсальный приемник фирмы Seba dynat-ronic (ФРГ) имеет для усиления акустических сигналов канал с полосой 100…7000 Гц. Эта же фирма использует разные датчики: для рыхлого грунта массой 1,7 кг и для твердого грунта датчик  – 8 кг.

Широкополосные усилители (полоса 400…700 Гц и более) могут использоваться для переключения с индук­ционной рамки на акустический датчик.

Индукционная рамка для приема импульсов тока акустического разряда должна подключаться к тракту усиления с полосой не менее нескольких сотен герц. Комбинированное (универсальное) приемное устройство для индукционного и акустического метода ОМП должно иметь либо специализированные частотные диапазоны, либо отдельные усилители с разной полосой пропускания.

В отечественных испытательно-прожигательных уста­новках для образования импульсов акустического разряда используются те же выпрямительные устройства, что и для прожигания дефектной изоляции.

Фирма Seba dynatronic выпускает специальные уста­новки для получения импульсов акустического разряда. Эти установки для КЛ до 15 кВ выполняются на энергию импульсов 250, 400, 600, 800 и 1000 Вт.×с и имеют по три ступени напряжения в диапазоне от 2,5 до 24 кВ. Масса установок – 20…85 кг.