Причины повреждения кабеля
Процесс электроснабжения предприятий, организаций, учреждений, да, собственно, любых потребителей, должен быть максимально непрерывным. И для успешного выполнения данной задачи требуется использование кабелей соответствующего качества.
Но, после того как кабельная линия проложена, закопана и введена в эксплуатацию, со временем неизбежно могут происходить аварии. Металлы, используемые в кабелях, такие как свинец, алюминий, медь, пластичны, изоляция кабелей тоже относительно мягкая. Естественно, что при проседании грунта или при сдавливании кабеля, к примеру, каменистым грунтом, появляются деформации, нарушающие правильность расположения изоляции и токоведущих жил.
Коррозия покрытий, защищающих токоведущие жилы, тоже вносит свою лепту в процесс разрушения кабеля снаружи. Появляется возможность поступления влаги внутрь кабеля. Это существенно ухудшает свойства изоляции и создаёт условия для замыканий. Но и мельчайшие трещины, не выявленные в процессе изготовления, отверстия в защитных покрытиях токоведущих частей, некачественные соединительные муфты, изменение со временем свойств изоляции рано или поздно проявляются и становятся причиной аварий.
Статистика повреждений кабельных линий следующая:
- соединительные муфты – 14%;
- концевые муфты – 17%;
- тело кабеля – 69%.
- электрический пробой изоляции без механических воздействий на кабель – 40%;
- механические повреждения, которые приводят к пробою изоляции – 60%.
Виды повреждений
Повреждение одной из фаз
Чаще всего аварии возникают в виде замыканий между одной из фазных жил и экраном – оболочкой кабеля. В кабельных электросетях до 1 киловольта этот вид аварий случается наиболее часто. В месте повреждения между оболочкой и жилой появляется как бы резистор, сопротивление которого определяет тяжесть аварийной ситуации. Это так называемое «переходное сопротивление» классифицируется по одной из трёх групп:
- первая группа – величина сопротивления более нескольких десятков килоОм;
- вторая группа – от нескольких Ом и до нескольких десятков килоОм;
- третья группа – менее одного Ома.
Повреждения между фазными жилами
По статистическим данным на замыкания между фазами приходится примерно двадцать процентов всех аварий в кабельных электросетях. Как и для однофазного замыкания, для замыкания между фазами применяется классификация по величине переходного сопротивления в месте аварии:
- первая группа – сопротивление меньше одного Ома;
- вторая группа – сопротивление больше нескольких килоом.
Межфазные замыкания обычно являются развитием однофазных повреждений. Из-за небольших расстояний нагрев и разрушения происходят очень быстро и часто приводят к перегоранию кабеля или свариванию всех жил с экраном.
Растяжение или разрыв токоведущих жил
Этот вид повреждений наиболее характерен для подвижных грунтов, когда в месте смещения грунта оказывается кабельная муфта. Но кабельная линия может повредиться не только в муфте, но и в любом другом месте. Всё зависит от приложенной силы и качества изготовления кабеля.
Нарушение целостности наружного покрытия
Если по тем или иным причинам наружное пластиковое покрытие трескается, в трещину начинает поступать влага. Под пластиковой оболочкой расположена металлическая экранирующая оболочка, которая начинает реагировать с водными растворами на основе компонентов грунта и материала покрытия. Этот разрушительный процесс длится в зависимости от влажности грунта. Но обычно он протекает довольно быстро, поскольку тающий снег и дожди питают влагой этот процесс круглый год.
Поиск повреждений
В большинстве случаев кабельные линии расположены под землёй, и, чтобы устранить появившееся повреждение, необходимо сначала найти его.
Поиск повреждения выполняется по такой схеме:
- Определение элемента с повреждением.
- Прожигание изоляции на повреждённом элементе.
- Дистанционное определение места повреждения.
- Топографическое определение места повреждения.
Поскольку в электросетях используется релейная защита, которая контролирует и отключает подконтрольные ей электрические цепи с нарушениями установленных режимов, первый пункт реализуется весьма просто. По срабатыванию защиты определяется участок, в пределах которого надо искать повреждение.
Выполнение второго пункта поиска связано с необходимостью получения по возможности наименьшего по величине переходного сопротивления (оно возникает в местах пробоя и, по факту, может оказаться довольно высоким), не больше нескольких сот Ом. Прожигание изоляции на повреждённом элементе необходимо для эффективного выполнения последующих пунктов. Для этого нужно подать напряжение на испытуемый кабель. Это напряжение должно иметь довольно высокий потенциал, чтобы вызвать пробой изоляции в том месте, где произошел пробой. В месте повреждения в ходе прожигания происходит обугливание изоляции с образованием углеродистых соединений. Поскольку они электропроводны, сопротивление уменьшается. Для большинства методов определения места повреждения необходимо сопротивление менее одного Ома, поэтому надо наполнить место прожигания частицами металла для максимального уменьшения сопротивления. Существует несколько способов прожигания, которые используются в различных установках, предназначенных для этого.
Третий пункт даёт возможность быстро определить зону, в которой находится место повреждения кабельной линии. Это делается путём измерений расстояний на трассе кабельной линии на основе имеющейся документации. Применяется также и специальное оборудование.
Четвёртый пункт позволяет определить повреждение в пределах круга диаметром 6 метров. При этом используется специальная аппаратура и методика определения места повреждения.
После того, как характер повреждения определен, можно приступать к выбору методики и необходимой аппаратуры, с помощью которой выполнять поиск повреждения.
Методы определения места повреждения кабельной линии
Существуют методики относительного и абсолютного характера (различаются они точностью определения).
Методика относительного характера работает с погрешностью, с её помощью можно отыскать лишь область, в которой имеется повреждение, тогда как методики абсолютного характера предоставляют возможность поиска практически точного местоположения возникновения неисправности.
В целом это можно проиллюстрировать схемой:
Импульсный метод
Импульсный метод применяется для определения зоны повреждения кабеля при переходном сопротивлении до 150 Ом в любых случаях, кроме заплывающего пробоя. Метод основан на измерении интервала времени между моментами подачи зондирующего импульса переменного тока и приема отраженного импульса от места повреждения. Скорость распространения импульсов в кабельных линиях высокого и низкого напряжения – величина постоянная и равна V=160 м/мкс.
Поэтому по времени пробега импульса до места повреждения и обратно (Tx) определяют расстояние до точки повреждения кабеля (Lx, м):
Измерения производятся рефлектометрами (например, РЕЙС-105Р). На экране прибора имеется линия масштабных отметок и линия импульсов. По форме отраженного импульса можно судить о характере повреждения. Отрицательное значение отраженный импульс имеет при КЗ, положительное – при обрыве жил.
Метод колебательного разряда
Методом колебательного разряда определяются повреждения в тех случаях, когда не получается прожигание изоляции. Тогда в месте повреждения появляется так называемый «заплывающий пробой». Для того чтобы расчётным путём по формулам вычислить расстояние от места подключения поискового оборудования до этого заплывающего пробоя по кабельной линии пропускается высоковольтный импульс. Из-за повреждения этот импульс имеет вид затухающих колебаний. Поэтому по его периоду можно рассчитать искомое расстояние.
Петлевой метод
Петлевой метод применяется для поиска места замыкания. Он основан на измерении сопротивлений при помощи моста постоянного тока. Применение метода возможно при повреждении одной или двух жил кабеля и при наличии одной неповрежденной жилы. При повреждении трех жил можно использовать жилу рядом проложенного кабеля. Для этого поврежденную жилу накоротко присоединяют к целой жиле кабеля, образуя петлю. К противоположным концам жил присоединяют регулируемые сопротивления моста.
Равновесие моста будет при условии:
Сопротивление жилы кабеля прямо пропорционально его длине, поэтому расстояние до точки повреждения, м:
где R1 и R2 – регулируемые сопротивления моста, Ом;
LK – полная длина линии, м.
К недостаткам этого метода следует отнести большие затраты времени, меньшую точность, необходимость устанавливать «закоротки». Поэтому метод «петли» сейчас вытесняется другими методами: емкостным, импульсным методами, методом колебательного разряда и другими.
Ёмкостный метод
Ёмкостный метод применяется для определения расстояния от конца линии до места обрыва одной или нескольких жил кабельной линии путем измерения емкости кабеля. Метод основан на измерении емкости оборванной жилы с помощью моста переменного или постоянного тока, так как емкость кабеля зависит от его длины. При обрыве жилы кабеля без заземления измеряется емкость оборванной жилы с обоих концов. Считаем, что длина кабеля делится пропорционально измеренным емкостям С1 и С2, тогда:
После определения зоны повреждения в этот район для определения места повреждения направляется оператор, который использует акустический или индукционный методы.
Акустический метод
Сущность акустического метода состоит в создании в месте повреждения искрового разряда и прослушивании на трассе звуковых колебаний, вызванных этим разрядом над местом повреждения. Этот метод применяют для обнаружения на трассе всех видов повреждения с условием, что в месте повреждения может быть создан электрический разряд и это место ориентировочно известно. Для возникновения устойчивого разряда необходимо, чтобы величина переходного сопротивления в месте повреждения превышала 40 Ом.
Слышимость звука на поверхности земли зависит от глубины залегания кабеля, плотности грунта, вида повреждения и мощности разрядного импульса. Возможная глубина прослушивания колеблется от 1 до 5 м. Применять этот метод для открыто проложенных кабелей, кабелей, проложенных в каналах и в туннелях, не рекомендуется, так как из-за хорошего распространения звука по металлической оболочке кабеля можно допустить большую ошибку в определении места повреждения.
В качестве генератора импульсов применяется кенотрон с дополнительным включением в схему высоковольтных конденсаторов и шарового разрядника. Вместо конденсаторов можно использовать емкость неповрежденных жил кабеля. В качестве акустического датчика используют датчики пьезомагнитной или электромагнитной системы, преобразующие механические колебания грунта в электрические сигналы, поступающие на вход усилителя звуковой частоты. Над местом повреждения сигнал наибольший.
Индукционный метод
Индукционный метод применяют для непосредственного отыскания мест повреждения кабеля на трассе:
- при замыкании изоляции жил между собой или на землю;
- при обрыве с одновременным пробоем изоляции между жилами или на земле;
- для определения трассы и глубины залегания кабеля;
- для определения местоположения соединительных муфт.
По этому методу на поверхности земли с помощью приемной рамки фиксируют изменения электромагнитного поля над кабелем при пропускании по нему тока от долей ампера до 20 А (звуковой частоты 800÷1200 Гц). Диапазон определяется в зависимости от наличия помех и глубины залегания кабеля. ЭДС, наводимая в рамке, зависит от распределения тока в кабеле и взаимного пространственного расположения рамки и кабеля. Зная характер изменения поля, можно по ориентации рамки определить трассу прохождения и место повреждения кабеля. Более точные результаты получают при прохождении тока по цепи «жила – жила», для этого выжиганием однофазные замыкания переводят в двух- и трехфазные или создают искусственную цепь «жила – оболочка кабеля», снимая заземление с цепи с двух сторон и подключая генератор к жиле и оболочке кабеля.
Силовые линии поля от тока цепи «жила – земля» представляют собой концентрические окружности, центром которых является ось кабеля. Ток, идущий по прямому и обратному проводам, создает два концентрических магнитных поля, действующих в противоположных направлениях (поле от пары токов). При расположении жил в горизонтальной плоскости результирующее поле на поверхности земли наибольшее, а при расположении жил в вертикальной плоскости – наименьшее. Поскольку кабели имеют скрутку жил, то в рамке, расположенной вертикально и перемещаемой вдоль трассы кабеля, будут индуцироваться ЭДС, изменяющиеся от минимума при вертикальном расположении жил до максимума при горизонтальном расположении жил. При отыскании повреждения следует помнить, что сигнал за местом повреждения затухает на расстоянии не более половины шага.
Этим методом определяют трассу кабеля, глубину его прокладки, место расположения соединительных муфт (по усилению звучания в телефоне из-за увеличенного расстояния между жилами). Для определения глубины прокладки кабеля сначала находят линию его трассы и проводят черту. Затем, располагая ось рамки под углом 45º к вертикальной плоскости, проходящей через ось кабеля, устанавливают место исчезновения в рамке индуцированной ЭДС. Расстояние от этого места до трассы, отмеченной чертой, равно глубине залегания кабеля. При наличии защитной металлической трубы уровень звука резко уменьшается, так как труба является экраном.
