nieniszczące metody lokalizacji uszkodzeń w kablach elektroenergetycznych

Transkrypt

1 prezentacja nieniszczące metody lokalizacji uszkodzeń w kablach elektroenergetycznych Tomasz Koczorowicz TOMTRONIX L okalizacją uszkodzeń w kablach elektroenergetycznych zajmują się grupy pomiarowe wyposażone w aparaturę umieszczoną na specjalnie do tego celu przystosowanych samochodach. Skorzystanie z usług tych jednostek jest najlepszym rozwiązaniem. Czasami jednak problem można rozwiązać we własnym zakresie, bez angażowania dużych środków technicznych i finansowych. Uszkodzenia w kablach elektroenergetycznych można lokalizować za pomocą różnych metod. Wynik badania nie jest w tym przypadku tak jednoznaczny jak np. podczas pomiaru napięć czy prądów. Każde uszkodzenie ma swoją specyfikę i wymaga indywidualnego traktowania. Wybór najlepszej metody badania zależy od charakteru uszkodzenia. Bez wątpienia najlepsze rezultaty osiąga się dysponując kilkoma miernikami, których zasadę działania oparto na różnych innych metodach pomiarowych. Każda metoda ma bowiem swoje wady i zalety. Metody lokalizacji uszkodzeń w kablach można umownie podzielić na nieniszczące i niszczące. Zawsze w pierwszej kolejności powinno się korzystać z tych metod, które nie narażają kabla na dalszą degradację należą do nich badanie rezystancji izo- lacji i ciągłości oraz metoda niskonapięciowego reflektometru lub trasera. Dopiero wówczas, kiedy nie przyniesie to spodziewanego efektu w postaci wyznaczenia miejsca uszkodzenia, należy przeprowadzać badania za pomocą metody udarowej. Trzeba jednak mieć na uwadze, że kable poddane inwazyjnej metodzie badania szczególnie starsze często nie wytrzymują tej próby lub ich izolacja osłabia się będąc w przyszłości przyczyną problemów. pomiar rezystancji izolacji i ciągłości metoda niskonapięciowego reflektometru Pomiar rezystancji izolacji i ciągłości jest przeprowadzany zawsze w pierwszej kolejności. Potwierdza niesprawność, informuje o tym, której żyły kabla dotyczy problem. Nie pozwala jednak precyzyjnie zlokalizować miejsca uszkodzenia. Pomiary te należy traktować jako wstępne. Mierniki rezystancji izolacji do pomiaru kabli (fot. 1) powinny charakteryzować się dużą obciążalnością wyjścia (od 2 do 5 m A przy 5 kv). Taka właściwość gwarantuje odpowiednio szybki proces ładowania pojemności obiektu, a tym samym krótki czas badania. Ze względu na zasadę działania reflektometr (fot. 2) jest często nazywany radarem kablowym. Funkcjonowanie przyrządu zostało oparte na zjawisku rozprzestrzeniania się fali elektromagnetycznej w niejednorodnym torze, w którym występuje nieciągłość impedancji falowej. Fala elektromagnetyczna, przemieszczając się wzdłuż kabla, ulega częściowemu odbiciu od tych miejsc, w których skokowo zmienia się ta impedancja. Amplituda sygnału odbitego zależy od różnicy impedancji i ma największą wartość w przypadku pełnego zwarcia (rys. 1) lub przerwy (rys. 2). W zależności od tego, czy nie- Rys. 1 Przebieg na ekranie reflektometru w przypadku zwarcia na końcu kabla Fot. 1 Miernik rezystancji izolacji do pomiaru kabli Fot. 2 R eflektometr jednorodność charakteryzuje się mniejszą czy większą impedancją względem średniej (znamionowej) falowej impedancji kabla, zmienia się faza odbitego sygnału. Urządzenie wysyła impuls energii do pary przewodników (dwóch żył lub żyły i ekranu). Szybkość rozchodzenia się (propagacji) impulsu w kablu zależy od rodzaju izolacji między żyłami i charakteryzuje się współczynnikiem, który liczbowo stanowi ułamek szybkości rozprzestrzeniania się fali elektromagnetycznej w próżni. Mikroprocesor reflektometru mierzy czas, który upłynął od chwili nadania impulsu do chwili odbioru odbitego sygnału. Następnie mnoży go przez szybkość rozchodzenia się światła w próżni oraz przez współczynnik propaga- Rys. 2 Przebieg na ekranie reflektometru w przypadku rozwarcia na końcu kabla nr 9/2006

2 Rys. 3 Przebieg na ekranie reflektometru w przypadku niskoomowego zwarcia z ziemią na trasie kabla Rys. 4 Przebieg na ekranie reflektometru w przypadku przerwy w kablu Rys. 5 Przebieg na ekranie reflektometru w przypadku rozgałęzienia na trasie kabla Rys. 6 Przebieg na ekranie reflektometru w przypadku niesprawności złącza na trasie kabla cji. W ten sposób obliczana jest odległość od punktu odbicia. Na monitorze przyrządu pojawia się obraz przebiegu impulsu. Widoczne są miejsca, w których występują uszkodzenia kabli (rys. 3, 4, 7), rozgałęzienia (rys. 5), niesprawności złączy (rys. 6), zawilgocenia, zagięcia itp. W miejscach o impedancji większej niż impedancja falowa kabla powstają odbicia o fazie zgodnej z nadawanym impulsem (dodatniej). Miejsca o mniejszej impedancji charakteryzują się odbiciami o fazie przeciwnej (ujemnej). Przystępując do badania kabla należy przede wszystkim określić jego impedancję falową oraz współczynnik propagacji. Wartość impedancji związana jest z typem kabla lub przewodu i jest inna dla przewodu współosiowego (koncentrycznego), skrętki, przewodu instalacyjnego lub kabla energetycznego. Właściwe ustalenie współczynnika propagacji jest bardzo istotne przy wyznaczaniu odległości do miejsca uszkodzenia. W większości przypadków wartość ta zawiera się w zakresie od 0,5 do 0,9. Zależy ona od rodzaju zastosowanej izolacji (właściwości dielektryka), geometrii oraz okresu eksploatacji kabla. Dwa kable, w których zastosowano ten sam materiał izolacyjny, wykonane przez różnych producentów, mogą charakteryzować się różnymi wartościami tego współczynnika, ze względu na odmienne procesy technologiczne. Często się zdarza, że osoba wykonująca pomiary nie zna wartości współczynnika propagacji badanego kabla. Konieczne jest wówczas wyznaczenie tej wartości eksperymentalnie. W tym celu należy przyłączyć reflektometr do jednego z końców nieuszkodzonego odcinka kabla o znanej, możliwie największej długości (np. 20 m). Przeciwległy koniec reklama Rys. 7 Przebieg na ekranie reflektometru w przypadku rozgałęzienia i niskoomowego zwarcia z ziemią na trasie kabla Rys. 8 Metoda trzech punktów n r 9 /

3 p r e z e n t a c j a Rys. 9 Idea analizy porównawczej Fot. 3 Traser (lokalizator uszkodzeń) kabli Fot. 4 Sprzęgi indukcyjne kabla będzie widoczny na ekranie przyrządu jako silne odbicie o fazie dodatniej (koniec rozwarty) lub ujemnej (koniec zwarty). Następnie należy ręcznie ustawić kursor odległości reflektometru na miejsce odbicia i zmieniając nastawy wartości współczynnika propagacji doprowadzić do wskazania przez przyrząd długości kabla zgodnej z rzeczywistością. Postępując w ten sposób (przy założeniu, że znajomość długości kabla jest rzetelna) można dokładnie wyznaczyć szukaną wartość współczynnika propagacji. Po określeniu parametrów kabla konfigurowane są parametry układu pomiarowego. W pierwszej kolejności jest wybierany odpowiedni zakres pomiarowy. Należy tu uwzględnić, że emitowany impuls ulega tłumieniu w kablu, gdyż zmniejsza się jego amplituda w miarę oddalania się od przyrządu. Poziom tłumienia zależy od typu kabla, okresu eksploatacji oraz jakości połączeń występujących wzdłuż jego toru. Granica, określająca zasięg widzenia jest tym miejscem, poza którym nie jest możliwe dostrzeżenie ewentualnego odbicia. W przypadku, gdy uszkodzenie (odbicie) pojawia się w dalszej odległości, np. pod koniec danego zakresu pomiarowego, może się okazać konieczne wzmocnienie nadawanego impulsu, tj. zwiększenie jego amplitudy lub szerokości. Wydłużenie czasu trwania impulsu, podobnie jak wzrost jego amplitudy, powoduje wzrost energii emitowanego sygnału. Inaczej należy konfigurować parametry układu wówczas, gdy uszkodzenie występuje na początku zakresu pomiarowego. Zbyt duże wzmocnienie sygnału może spowodować przesterowanie układu pomiarowego i zniekształcenie zobrazowania na wskaźniku przyrządu. Z kolei nadmierna szerokość impulsu będzie przyczyną wydłużenia tzw. martwej strefy. Powstaje ona na początku badanego odcinka kabla (przewodu), w miejscu przyłączenia przyrządu oraz we wszystkich tych miejscach wzdłuż kabla, w których występuje niejednorodność impedancji. Martwa strefa na początku kabla jest wynikiem niedopasowania impedancji wyjściowej miernika i kabla. Nadawany impuls ulega odbiciu w tym miejscu wskutek niejednorodności toru, tworząc strefę, w której ukryte są wszelkie odbicia będące wynikiem występowania uszkodzeń. W celu wykrycia uszkodzeń na początku kabla jest wskazane, aby szerokość martwej strefy była jak najmniejsza. Mała szerokość nadawanego impulsu jest także ważna dla zapewnienia rozróżnialności uszkodzeń przy dużym ich zagęszczeniu na krótkim odcinku. W przeciwnym razie przyrząd prezentuje na ekranie oddzielnie tylko te uszkodzenia, między którymi odległość jest większa niż długość martwej strefy. Podczas wyznaczania miejsca uszkodzenia pomocna jest tzw. metoda trzech punktów (rys. 8). W pierwszej kolejności operator podłącza przyrząd do jednego z końców kabla, a następnie ustawiając kursor w miejscu odbicia, wyznacza odległość do miejsca uszkodzenia (punkt 1). W dalszej kolejności powtarza tą samą czynność dla przyrządu podłączonego do drugiego końca kabla (punkt 2). W praktyce oba punkty mogą znajdować się w tym samym miejscu albo w niedalekiej odległości od siebie. W tym drugim przypadku rzeczywiste Rys. 10 Uziemienie przeciwległego końca kabla Rys. 11 Podłączenie nadajnika do kabla sprzęgiem indukcyjnym Rys. 12 Podłączenie indukcyjne z wykorzystaniem wewnętrznej anteny nadajnika Rys. 13 Pętla pomiarowa przy połączonym końcu kabla z ziemią n r 9 /

4 Rys. 14 Pętla pomiarowa przy braku połączenia końca kabla z ziemią Rys. 15 Zamknięcie pętli pomiarowej przewodem w izolacji miejsce uszkodzenia znajduje się między dwoma wcześniej wyznaczonymi znacznikami w punkcie nr 3. Wyznaczenie punktu nr 3 następuje z uwzględnieniem proporcji między odległościami do punktu nr 1 (d1) i punktu nr 2 (d2) oraz uchybów pomiarów odległości odpowiednio (e1) i (e2). W tym celu oblicza się odległość między punktami nr 1 i nr 2 (d3), a następnie mnoży się tę wartość przez iloraz odległości (d1) oraz sumy odległości (d1+d2). Uzyskuje się wartość uchybu (e1): e1=d3(d1/ (d1+d2)). Miejsce uszkodzenia znajduje się w pobliżu wyznaczonego w ten sposób punktu nr 3 (d1+e1). Należy zaznaczyć, że dobór parametrów układu pomiarowego powinien być każdorazowo dostosowany do sytuacji i występujących warunków. Zależy on od charakteru uszkodzeń, częstości ich występowania oraz odległości od miejsca przyłączenia reflektometru. Podczas badania kabla należy tak zmieniać nastawy przyrządu, aby doprowadzić do najlepszego zobrazowania odcinka kabla, który jest przedmiotem obserwacji. Nie zawsze prostymi metodami udaje się jednoznacznie rozwiązać zadanie pomiarowe. Z tego względu w niektórych reflektometrach zastosowano bardziej zaawansowane metody pomiaru. Pierwsza z nich analiza porównawcza (rys. 9) polega na jednoczesnym przyłączeniu dwóch torów wejściowych przyrządu do dwóch żył kabla nieuszkodzonej i uszkodzonej. Obie żyły sąsiadując ze sobą w kablu są poddawane takiemu samemu oddziaływaniu czynników zewnętrznych, np. zawilgoceniu. Czynniki te wprowadzają w błąd, gdyż nie stanowiąc uszkodzenia są powodem występowania innych fałszywych odbić na ekranie reflektometru. Podobny skutek może wywołać zgięcie o małym promieniu lub skręcenia kabla. Odbicia tym spowodowane będą jednakowo widoczne dla obu badanych żył. Metoda porównawcza polega na analizie sygnału różnicowego. W wyniku odejmowania dwóch sygnałów, które pochodzą od sąsiadujących ze sobą żył, zostają wyeliminowane z przebiegu wszelkie symetryczne zmiany sygnału. Powstaje zobrazowanie, które różni obydwa przebiegi i jednoznacznie określa miejsce uszkodzenia. Druga metoda polega na uśrednianiu odbieranego sygnału i jest szczególnie przydatna wówczas, gdy lokalizuje się uszkodzenie w kablu wykorzystując duże wzmocnienie wysyłanego sygnału. W takich przypadkach będą wzmacniane zarówno obserwowany sygnał odbity, jak i szumy występujące w kablu. W celu ułatwienia analizy przyrząd w sposób zadany wysyła impuls wielokrotnie (dwu-, trzy- lub czterokrotnie), a następnie odpowiednio uśrednia odbieraną informację. Ponieważ szumy są zjawiskiem przypadkowym, dla kilku próbek istnieje małe prawdopodobieństwo wielokrotnego powtórzenia się powodowanych przez nie efektów w tym samym miejscu badanego kabla (w tej samej odległości od reflektometru). Trzecia metoda polega na rozszerzeniu podstawy czasu wokół kursora tzw. lupa (zoom). Dzięki temu operator uzyskuje możliwość precyzyjnej obserwacji tych miejsc, w których występuje niejednorodność impedancji. Metoda reflektometru doskonale sprawdza się w przypadku ewidentnych przerw oraz niskoomowych zwarć w zakresie do około kilkuset W. Jeżeli operator prawidłowo określi współczynnik propagacji może spodziewać się małego błędu (około 1 %) przy pomiarze odległości do uszkodzenia. Trzeba jednak zdawać sobie sprawę z tego, że pomiar wykonywany jest po kablu, a więc wszelkie zapętlenia kabla lub położenie kabla w gruncie niezgodne z dokumentacją będą wprowadzały nieoczekiwany, dodatkowy błąd podczas wyznaczania miejsca awarii. Z tego powodu dobrze jest zweryfikować uzyskane dane traserem (lokalizatorem uszkodzeń) kabli. metoda trasera kabli Metoda trasera (lokalizatora uszkodzeń) różni się od metody reflektometru m.in. tym, że operator nie analizuje problemu z miejsca, w którym podłączył przyrząd do kabla, ale przemieszcza się wraz z przyrządem wzdłuż trasy kabla. Wyznaczane jest rzeczywiste położenie kabla w ziemi. Metoda ta stanowi dobre uzupełnienie diagnostyki wykonanej reflektometrem. Traser składa się z nadajnika i odbiornika (fot. 3). Sygnał z nadajnika może być doprowadzony do kabla na kilka sposobów metodą bezpośredniego (galwanicznego) podłączenia, metodą sprzężenia indukcyjnego przez postawienie nadajnika nad obiektem lub metodą sprzężenia indukcyjnego przez objęcie kabla sztywnym lub elastycznym uchwytem cęgowym. Niektóre trasery umożliwiają lokalizację pasywną bez użycia nadajnika, czyli pozwalają trasować przebieg kabli znajdujących się pod napięciem przemiennym o częstotliwości 50 Hz. Nadajniki generują sygnały pomiarowe w szerokim zakresie częstotliwości. Częstotliwości mniejsze od 20 khz (akustyczne) dobrze sprawdzają się w obszarach zurbanizowanych, tam gdzie występują silne sprzężenia pojemnościowe z innymi instalacjami zakopanymi w ziemi. Małe częstotliwości, z uwagi na niewielki prąd upływności pojemnościowej, przynoszą lepsze efekty na dłuższych dystansach. Wyższe częstotliwości, po- Rys. 16 Poszukiwanie sygnału w pobliżu miejsca podłączenia nadajnika Rys. 17 Metody trasowania według sygnału maksymalnego i minimalnego n r 9 /

5 p r e z e n t a c j a wyżej 20 khz, nawet do 80 khz, stosuje się wszędzie tam, gdzie w najbliższym sąsiedztwie nie ma innych obiektów, gdy kabel jest trasowany na niewielkiej odległości, lub gdy nie ma możliwości poprowadzenia ścieżki powrotnej dla sygnału pomiarowego (brak możliwości połączenia przeciwległego końca kabla z ziemią). Zawsze w pierwszej kolejności, o ile jest to możliwe, należy podłączyć bezpośrednio jedno z wyjść nadajnika do trasowanego kabla, natomiast drugie do pomocniczej sondy uziemiającej. Jeżeli ziemia w miejscu wbicia sondy jest sucha, należy skorzystać z dłuższej sondy lub polać wodą powierzchnię wokół sondy w celu zmniejszenia rezystancji przejścia do ziemi. Sondę pomocniczą należy umieszczać możliwie najdalej od trasowanego kabla oraz sąsiadujących z nim innych kabli lub rur. Zaleca się, aby przeciwległy koniec trasowanego kabla łączyć tymczasowo z ziemią (rys. 10). Jeżeli wykonanie takiego połączenia nie jest możliwe, należy doprowadzić do kabla sygnał wyższej częstotliwości 80 khz, mając na uwadze to, że wówczas efektywny zasięg trasowania mocno się zmniejszy. W takim układzie prąd pomiarowy będzie miał wyłącznie charakter pojemnościowy. W pewnej odległości od nadajnika jego wartość zmniejszy się do zera. Jeżeli bezpośrednie podłączenie nadajnika do kabla nie jest możliwe, stosuje się podłączenie indukcyjne cęgami sztywnymi lub elastycznymi tzw. pasem Rogowskiego (fot. 4). Również w tym przypadku zaleca się łączyć tymczasowo przeciwległy koniec trasowanego kabla z ziemią, aby zwiększyć prąd pomiarowy płynący w pętli (rys. 11). W sytuacji, w której Rys. 21 Precyzyjne wyznaczanie miejsca uszkodzenia Rys. 18 Wyznaczanie głębokości zalegania metodą triangulacyjną Fot. 5 Ramka powrotna (A-ramka) Rys. 20 Lokalizacja miejsca upływności do ziemi Rys. 19 Błąd trasowania spowodowany deformacją pola elektromagnetycznego trasowany kabel znajduje się pod ziemią i nie ma do niego dostępu, sygnał można doprowadzać metodą indukcyjną stawiając nadajnik na powierzchni ziemi, bezpośrednio nad obiektem (rys. 12). Nadajnik ma wbudowaną antenę nadawczą. Takie sprzężenie wymaga użycia wyższej częstotliwości. Nadajnik musi być oddalony od odbiornika na odległość co najmniej kilku metrów, aby uniknąć zjawiska interferencji. Najlepsze efekty przynosi taka konfiguracja układu pomiarowego, kiedy odległy koniec kabla jest tymczasowo połączony z ziemią. Dzięki temu zmniejsza się rezystancja pętli, zwiększa prąd pomiarowy oraz natężenie pola elektromagnetycznego, które jest wykrywane przez odbiornik (rys. 13). Jeżeli przeciwległy koniec kabla jest odseparowany od ziemi, wówczas prąd płynący w pętli ma charakter pojemnościowy (przez izolację lub osłonę kabla) i rezystancyjny (przez uszkodzoną izolację kabla) (rys. 14). W sytuacji, w której uziemienie przeciwległego końca kabla nie jest możliwe do wykonania, można zamknąć pętlę pomiarową przewodem w izolacji (rys. 15). Należy wówczas umieścić przewód powrotny w pewnej odległości od trasowanego kabla, aby uniknąć powstania zjawiska interferencji. Operator, po podłączeniu nadajnika do kabla, powinien rozpocząć trasowanie od zatoczenia kręgu wokół nadajnika o promieniu 3 m w celu wykrycia tego miejsca, w którym odbiornik wskazuje maksimum sygnału (rys. 16). Odbiorniki oferowane są w wersji analogowej (wskaźnik wychyłowy) lub cyfrowej (wskaźnik ciekłokrystaliczny). Zarówno jedne, jak i drugie są wyposażane w regulację wzmocnienia sygnału. Informacji wizualnej towarzyszy sygnalizacja akustyczna z regulowanym natężeniem dźwięku. Niektóre urządzenia mają możliwość wyboru metody trasowania według sygnału maksymalnego lub minimalnego (rys. 17). W bardziej zaawansowanych technicznie zestawach istnieje możliwość określania głębokości zalegania kabla w ziemi automatycznie, w wyniku naciśnięcia jednego przycisku na pulpicie odbiornika. W prostszych, analogowych urządzeniach, wyznaczanie głębokości zalegania przeprowadza się metodą triangulacyjną (rys. 18). Operator powinien często kontrolować ten parametr, szczególnie wówczas, kiedy skokowo zmienia się siła odbieranego sygnału. Gwałtownemu zmniejszeniu sygnału powinno towarzyszyć zwiększenie głębokości zalegania kabla. Jeżeli tak nie jest, powodem może być upływność do ziemi lub rozgałęzienie. Należy również brać pod uwagę fakt, że obecność innych obiektów w pobliżu trasowanego kabla może, w wyniku zjawisk interferencji, deformować pole elektromagnetyczne (rys. 19). Błąd trasowania, będący wynikiem takiego zjawi- n r 9 /

6 ska, jest często niemożliwy do wykrycia i widoczny dopiero po usunięciu ziemi. Bardziej zaawansowane urządzenia mierzą również relatywną wartość natężenia prądu pomiarowego płynącego przez kabel. Dysponując taką informacją zdecydowanie ogranicza się ryzyko związane z trasowaniem przebiegu tych kabli, które przenoszą sygnał pasożytniczy o częstotliwości generowanej przez nadajnik. Jak wspomniano na wstępie podstawowe wykorzystanie traserów związane jest z wyznaczaniem trasy przebiegu kabli, jednak urządzenia te mogą również pełnić funkcję lokalizatorów uszkodzeń kabli. W tym celu wyposaża się je w tzw. ramkę powrotną (Aramkę), która służy do lokalizacji zwarć doziemnych kabli (fot. 5). Jeżeli podczas trasowania obiektu operator stwierdza gwałtowny spadek sygnału i jednocześnie nie ulega zmianie głębokość zalegania kabla w gruncie, może to oznaczać, że część sygnału na odcinku ostatnich kilku metrów uciekła do gruntu. W takiej sytuacji odbiornik mocowany jest na A-ramce oraz wykonywane jest połączenie przewodem sygnałowym między odbiornikiem i A ramką. Obwód między przednią i tylną sondą A ramki tworzy ścieżkę dla prądu upływowego. Prąd wpływa jedną sondą A ramki i wypływa drugą. Odbiornik mierzy wartość prądu płynącego przez A-ramkę. Prąd w gruncie rozpływa się promieniście z miejsca uszkodzenia i posiada największą gęstość w pobliżu miejsca uszkodzenia oraz miejsca montażu sondy uziemiającej nadajnika. Między miejscem uszkodzenia i sondą uziemiającą nadajnika prąd jest silnie rozproszony w gruncie. Lokalizacja miejsca przebicia polega na wbijaniu A-ramki co trzy lub cztery kroki. Odbiornik, w miarę zbliżania do obszaru o dużej gęstości prądu, wskazuje coraz wyższy poziom sygnału (rys. 20). Sygnał nasila się dopóty, dopóki jedna z sond A-ramki nie ominie miejsca uszkodzenia. Jeżeli sondy ramki powrotnej znajdą się dokładnie w równej odległości od miejsca uszkodzenia i po obu stronach od tego miejsca, wówczas prądy płynące przez A-ramkę znoszą się, a wskazanie odbiornika jest bliskie zeru (rys. 21). Na umiejętność lokalizacji uszkodzeń kabli pod ziemią składa się wiedza, indywidualne predyspozycje i, chyba przede wszystkim, praktyczne doświadczenie operatora. Procedura lokalizacji nie jest zadaniem łatwym, i prawdopodobnie, ze względu na nieustanną rozbudowę podziemnych instalacji, pozostanie również czynnością skomplikowaną w przyszłości. n r 9 /