Испытания и определение мест повреждения кабеля

Испытания кабелей. Для выявления ослабленных мест в изоляции кабеля и муфт ка­бельные линии перед вводом в эксплуатацию, а также периодически втечение всего срока службы должны периодически подвергаться профилактическим испытаниям. Кабели с ослаб­ленной изоляцией при этом доводят до пробоя («прожигают»), чтобы предотвратить их аварий­ный выход из строя. Дефекты, которые трудно или невозможно обнаружить, выявляются испы­танием, повышенным напряжением выпрямленного тока. Испытательная аппаратура для такого способа

имеет сравнительно небольшую мощность; обычно используют аппараты АКИ-50 и АИ И-70 или передвижные лаборатории.

До начала испытаний проводят тщательны и внешний осмотр всех доступных участков и присоединений линии. При обнаружении концевых муфт или заделок в явно неудовлетвори­тельном состоянии (сильно потрескался или вытек заливочный состав, изломаны жилы кабеля или сильно повреждена изоляция, имеются сколы и трещины в изоляторах и т.п.), ремонтируют их до испытаний. Затем измеряют установившееся значение R₆₀" сопротивления изоляции жил кабеля мегаомметром на 2500 В. За величину сопротивления изоляции принимают установив­шееся значение R₆₀"

При испытании повышенное напряжение прикладывают поочередно к каждой жиле кабе­ля, а две другие жилы вместе с оболочкой заземляют. При этом случае надежно испытывается как изоляция жил по отношению к земле, так и междуфазная изоляция.

Плавно увеличивая напряжение со скоростью 1—2кВ/с, повышают его до величины U_ИСП,величина которого для кабелей с бумажной изоляцией напряжением до К) кВ включительно составляет 6U_Н а для кабелей с пластмассовой изоляцией — 5U_Н Оно поддерживается неиз­менным в течение всего испытания: после прокладки или монтажа — 10 мин, во всех остальных случаях — 5 мин. Отчет времени начинается с момента установления полной величины испыта­тельного напряжения.

Если во время испытаний не произошло пробоя, перекрытий по поверхности концевых муфт, роста тока утечки (особенно в последнюю минуту) или резких бросков тока, то кабель считается выдержавшим испытания. При заметном нарастании тока утечки продолжительность испытания увеличивают до 10—20 мин, а при дальнейшем увеличении испытание ведут до пробоя («прожигания») кабеля.

Необходимая точность измерений обеспечивается пульсацией выпрямленного напряже­ния в пределах 3—5 %от номинального. Чтобы избежать недопустимых погрешностей измере­ния из-за повышенной пульсации, в испытательную цепь вводят дополнительный балластный конденсатор. Это позволяет одновременно устранить погрешность измерения тока утечки, свя­занную с неполным выпрямлением.

Кроме пульсации на точность измерений влияет температура кабеля, которая учитывает­ся введением коэффициента k. Зависимость этого коэффициента от температуры кабеля показа­на на рис. 5.51.

Испытание кабеля повышенным напряжением рекомендуется проводить при температуре 5—30° С. Чтобы исключить влияние нагрева кабеля оттоков нагрузки, его следует испытывать не ранее, чем через 15 мин после отключения. При сравнении величины токов утечки, измерен­ных в разное время, их проводят к одной и той же температуре. В отдельных случаях для устра нения погрешностей, связанных с наличием паразитных токов, применяют экранированные кабели и специальные схемы из­мерений. Если при испытаниях после монтажа токи утечки имеют стабильное значение выше 300 мкА для линий до 10 к В, то КЛ принимают в эксплуатацию, по срок последующего про­филактического испытания уменьшают.

Появившиеся во время испытания толчки тока указыва­ют на повреждение кабеля. В этом случае испытания прекра­щают и определяют характер и место повреждения кабеля.

До и после испытаний повышенным напряжением сопро­тивление изоляции проверяют мегаомметром на 2500 В; в обо­их случаях его показания должны быть одинаковыми.

Изоляцию кабелей напряжением до 1000 В после мел­ких ремонтов, не связанных с перемонтажом кабеля, можно проверять только мегаомметром, обязательно разряжая кабель после измерения.

Определение места повреждения КЛ начинают с отклю­чения и отсоединения концов кабеля с обеих сторон. Затем оп­ределяют характер повреждения, измеряя мегаомметром сопро­тивление изоляции каждой токоведущей жилы относительно земли и между всеми жилами кабеля. Кроме того, определяют отсутствие обрыва токоведущих жил.

Если с помощью мегаомметра не удастся обнаружить по­вреждение изоляции, то характер повреждения определяют до­полнительным поочередным испытанием изоляции токоведущих жил между собой и по отношению к оболочке высоким напряже­нием выпрямленного тока. Возможны следующие варианты:

- повреждение изоляции с замыканием одной фазы на землю;

- повреждение изоляции с замыканием двух или трех фаз на землю либо двух или трех фаз
между собой;

- обрыв одной, двух или трех фаз (с заземлением или без заземления фаз);

- заплывающий пробой изоляции;

- сложные, представляющие собой комбинации из различных повреждений.

После выяснения характера повреждения КЛ выбирают метод, наиболее подходящий для оп­ределения места повреждения в данном конкретном случае. В первую очередь рекомендуется опре­делить зону, в границах которой расположено повреждение. Для этого используют импульсный и емкостный методы, а также метод колебательного разряда и петли. Затем точное место повреждения выявляют непосредственно на кабельной трассе индукционным или акустическим методом. Иногда можно достаточно точно определить место повреждения одним методом (например, петлевым), в большинстве же случаев приходится применять два, а иногда и несколько методов.

Импульсный метод основан на измерении времени пробега зондирующего импульса, посылаемого в поврежденную линию, от места измерения (с конца кабеля) до места повреждения (где импульс отражается) и обратно. На экране осциллографа одновременно с изображением зонди­рующего 1 (рис. 5.52) и отраженного 2 импульсов проектируется изображение масштабных меток Д позволяющих вести отсчет непосредственно в метрах, исходя из условия, что скорость распростра­нения электромагнитных колебаний в силовых кабелях составляет ν = 160+3 м/мкс.

Расстояние до места повреждения l_Х (между точками а, б на экране) пропорционально измеренному времени пробега определяется по формуле

где t — время пробега зондирующего импульса до места повреждения и обратно.

Метод неприменим при переходных сопротивлениях в месте повреждения более 100 Ом.

Измерения проводят приборами типа ИКЛ-4, ИКЛ-5 или Р5-1 А. Подача импульса в ли­нию происходит с частотой 2,5 кГц, причем развертка по времени идет с той же частотой, благо­даря чему кривая на экране выглядит неподвижно.

Погрешности, возникающие при измерении, связаны с определением скорости распростра­нения импульсов. Зная точную длину КЛ, можно определить скорость распространения импуль­сов по здоровой жиле. Чтобы получить отраженный импульс 2 по величине больший, чем другие импульсы 4, возникающие из-за неоднородности волнового сопротивления вдоль линии, требует­ся, чтобы переходное сопротивление в месте повреждения изоляции было, как сказано выше, не более 100 Ом. Этого добиваются предварительным прожиганием поврежденной изоляции.

Метод колебательного разряда основан на измерении периода собственных электрических колебаний в кабеле, возникающих в нем в момент пробоя (разряда в поврежден­ном месте). Его применяют для определения места повреждения при заплывающем пробое и во всех случаях, когда в месте повреждения появляются электрические разряды. Для измерения на поврежденную жилу кабеля подают напряжение U_б от выпрямительной установки.

Расстояние до места повреждения l_Х пропорционально периоду собственных колебаний Т, который соответствует времени четырехкратного пробега волны до места повреждения:

где n - скорость распространения волны колебаний ( для кабелей 6 – 10 кВ с бумажной изоляцией n=160 м/с).

Метод петли используют в тех случаях, когда на испытываемом кабелн есть хотя бы одна неповрежденная жила, а величина переходного сопротивления поврежденной – не более 5000 Ом. Для измерений используют мост. Возможно также применение высоковольтного измерительного моста реохордного типа при большом, но устойчивом переходном сопротивлении.

Методом петли надежно определяют однофазные и двухфазные замыкания устройчивого характера. Трехфазные замыкания могут быть определены при наличии дополнительной жилы, для чего вдоль трассы прокладывают вспомогательный кабель или провод.

Для определения места повреждения кабеля при однофазном замыкании (рис. 5.53, а) поврежденную 1 и здоровую 2 жилы соединяют накоротко перемычкой 3 на противоположном (от подключения измерительной схемы) конце схемы, образуя петлю. Чтобы уменьшить переходное сопротивление, соединение жил выполняют непосредственно под болт или специальными зажимами, а при больших соединениях жил перемычкой сечением не менее 50 мм. С другой стороны к концам жил подсоединяют дополнительные (регулируемые) резисторы RR1 и RR2, которые вместе с петлей создают схему моста. При равновесии моста расстояние до места повреждения находят из выражения

где L – полная длина КЛ, м;

r₁ и r₂ – сопротивления резисторов RR1 и RR2, подсоединенных соответственно к поврежденной и здоровой жилам.

Для линии, состоящей из кабелей разных сечений, длину приводят к одному эквивалентному сечению. Для уменьшения погрешности измерений необходимо повысить плотность и надежность контактов в месте присоединения к измерительному мосту и уменьшить влияние соединительных проводов. Место повреждения трезфазного кабеля при двухфазном замыкании (точка «К», рис.5.53, б) определяют также с помощью моста. Во время измерения зажимы моста, к которым обычно подключают испытуемое сопротивление, остаются свободными, а плечо RR3 не используется. Плечами моста служат резисторы RR2,

RR4 и участки кабеля от точки «а» до точки «К» — места повреждения и от точки «К»до точки «б». Третью жилу кабеля (среднюю) используют как проводник для присоединения гальванометра к точке «К», являющейся узлом моста. При равновесии моста расстояние до места повреждения

где r₂ и r₄ — сопротивления резисторов RR2 и RR4 соответственно, Ом.

Одним из современных приборов, использующих новые методы измерения с программ­ным обеспечением и блоками памяти для ускорения и упрощения определения мест поврежде­ний кабелей с большим переходным сопротивлением (до 10 МОм), является полностью автома­тизированный измерительный мост BARTEC ЮТ. Выбор разных режимов измерений проводит­ся на нем с помощью меню пользователя, в режиме самодиагностики прибор выдает информа­цию о плохих контактах измерительных проводов или клемм. После ввода всех необходимых параметров прибор автоматически выдает результат в метрах.

Емкостный метод основан на сравнении емкостей оборванной и целой (неповреж­денной) жил кабелей; его применяют для определения мест повреждения с обрывом одной или двух жил с глухим заземлением их концов, обрывом одной или нескольких жил с переходным сопротивлением на землю не менее 5000 Ом или просто обрыва жил.

Емкостный метод менее точен, чем импульсный, поэтому его применяют только в случае отсутствия приборов для измерения импульсным методом.

В зависимости от характера повреждения емкость измеряют на постоянном (при обрыве без заземления) или на переменном (обрыв с заземлением) токе.

Емкость кабеля на постоянном токе измеряют баллистическим гальванометром (рис. 5.54, а). Жилу кабеля 4, имеющую обрыв, подключают к переключателю S1, а эталонный конденсатор С_ЭТ — к переключателю S2. Для измерения емкости С_х оборванной жилы шунтом RR устанавливают наимень­шую чувствительность гальванометра рА, Ключ S2 ставят в положение 1 (в положение 2 ключ возвраща­ется пружиной), тогда зарядный ток от батареи GB в жилу кабеля пройдет через гальванометр рА и отклонит его стрелку на какой-то угол a_Х. Меняя положение шунта, увеличивают чувствительность галь­ванометра и находят наибольшее допустимое отклонение стрелки для данной емкости. Чтобы повы­сить точность измерения, жилу 4 включают на заряд несколько раз (3-4 раза) и находят среднее значе­ние отклонения стрелки гальванометра a_Х Далее при этом же положении шунта гальванометра и напряжения батареи нажимают ключ S1 эталонного конденсатора и наблюдают отклонение стрелки гальванометра a_ЭТ соответствующее заряду известной нам емкости С_ЭТ и вычисляют С_Х по формуле

Таким же образом определяют и емкость здоровой жилы:

где a _СР — среднее (от нескольких замеров) отклонение гальванометра при измерении емкости здоровой жилы.

По данным измерений находят расстояние до места повреждения кабеля:

км (если его длина неизвестна),

где C_О — удельная емкость одной жилы для данных напряжения и сечения кабеля при заземленных двух других жилах (по заводским или паспортным данным).

Для измерения емкостей на переменном токе используют схему, приведенную на рис. 5.54, б. Источником питания является ламповый генератор с частотой 800— 1000 Гц, который включают в диагональ моста 1—3, одновременно в диагональ 2—4 включают телефонную трубку Т. Поврежден­ную жилу включают в плечо моста 2—3 (она представляет собой емкость С_Х и заземляют ее через резистор R3. Плечи моста /—2 и 1—4 должны быть равными, а в плечо 3—4 параллельно подключа­ют магазины сопротивлений R (0—10000 Ом) и емкостей С (0,001 —2,0 мкФ) и подбирают в них такие значения R_ЭТ и С_ЭТ, чтобы в диагонали моста 2—4 не было тока, т. е. уравнивают плечи моста. Это подтверждается отсутствием звучания в телефонной трубке. Тогда С_ЭТ = С_Х, R_ЭТ= R₃Формулы для расчета расстояния до места повреждения приведены выше.

Индукционный метод основан на принципе прослушивания с поверхности земли с помощью телефонных трубок звука, порождаемого магнитным полем, которое создается в результате прохождения по жилам кабеля тока звуковой частоты от генератора G.

Следуя по трассе КЛ с трассоискателем, улавливают создаваемые кабелем электромагнит­ные колебания до тех пор, пока не достигнут места повреждения «К» (рис. 5.55), за которым слы­шимость резко снижается и пропадают ее периодические усиления, связанные с шагом скрутки жил кабеля (1—1,5м), причем увеличение шага скрутки повышает слышимость, поэтому кабели больших сечений, имеющие увеличенный шаг скрутки, прослушиваются лучше, чем малых.

Индукционный метод дает большие возможности в определении трассы кабеля, глубины его залегания, мест нахождения муфт и отыскании кабеля в пучке работающих кабелей.

Чтобы определить трассу КЛ, один вывод генератора присоединяют к здоровой жиле, а другой — к заземленной оболочке кабеля. Противоположный конец здоровой жилы также за­земляют. Величину тока устанавливают в пределах 0,5—20 А в зависимости от глубины про­кладки и наличия помех. Для определения трассы КЛ при значительных помехах посылают в линию серии импульсов тока, что позволяет выделить сигнал при прослушивании.

Акустическим методом можно определить повреждения различного характера: однофазные и междуфазные замыкания с различными переходными сопротивлениями, обрыв одной, двух или всех жил. В отдельных случаях можно выявить несколько повреждений на од­ной КЛ. Метод неприменим при металлическом соединении жилы с оболочкой и отсутствии

искровых разрядов в месте повреждения. Сущность мето­да заключается в прослушивании над местом повреждения звуковых ударов, вызванных искровым разрядом в канале повреждения.

Применение импульсного, индукционного или акусти­ческого методов отыскания повреждений требует значитель­ного снижения переходного сопротивления в месте прожига­ния до 10—100 Ом. Это достигается путем прожигания изоляции в поврежденном месте специальными установ­ками. Эффективный прожиг наблюдается до тех пор, пока сопротивление в месте повреждения имеет тот же порядок величины, что и внутреннее сопротивление прожигатель­ной установки, поэтому наиболее целесообразным методом прожигания является «ступенчатый способ». Сущность его

состоит в перемене источников питания по мере снижения напряжения пробоя и сопротивления в месте повреждения, для чего применяют комбинированные установки: вначале кенотронную с большим напряжением (до 50—60 кВ) и малым током (до 0,3 А); затем — газотронную, а на заключительной стадии—трехфазный трансформатор, регулируя его работу дроссельными ка­тушками, подключенными в первичную цепь, или обычным силовым трансформатором. Дове­дением тока прожигания до 3—4 А можно понизить переходное сопротивление до требуемых пределов. При использовании передвижной лаборатории ЛИК-ЮМ дожигание можно осуще­ствлять высокочастотным генератором 48ГПС2.

Для прожигания кабелей можно применять также резонансный метод. Для этого парал­лельно прожигаемому кабелю, обладающему емкостью С_к, подключают высоковольтную ка­тушку lj, которая при настройке образует с кабелем резонансный контур 50 Гц. Колебания в этом контуре возбуждаются благодаря связи с другой катушкой L j, получающей питание от сети НН. В резонансном контуре может развиваться импульсная реактивная мощность до несколь­ких сотен кВ-А, в то время как из сети НН потребляется мощность порядка нескольких кило­ватт, идущая на покрытие потерь. Прожигательная установка получается легкой и портативной.

При влажной изоляции процесс прожигания кабеля проходит спокойно, но переходное сопротивление обычно не удается снизить менее 1000 Ом. Применение мощных прожигатель­ных установок также не дает эффекта (характерная величина переходного сопротивления влаж­ной кабельной изоляции в месте повреждения 1000—5000 Ом). В таких случаях для определе­ния места повреждения рекомендуется использовать метод петли.

При прожигании мест повреждений на КЛ возможны пробои и воспламенение кабельных концевых муфт на противоположной стороне линии, поэтому во время работ необходимо выс­тавлять у концевых муфт наблюдающего.

В современных условиях для поиска мест повреждений КЛ обычно используют специаль­ные передвижные электротехнические лаборатории, предназначенные для проведения профилактических испытаний электрооборудования до 35 кВ, а также для опре­деления дефектов силовых кабелей напряжением до 10 кВ. Весь необходимый комплект обору­дования такой лаборатории смонтирован в кузове автомобиля и конструктивно разделен на два отсека: оператора и высоковольтного оборудования. В отсеке оператора расположена приборная стойка с сетевым пультом управления, с помощью которого можно подключать к выходному измерительному кабелю отдельные системы, не выходя из отсека. При этом неиспользуемые фазы выходного кабеля, а также системы приборов автоматически заземляются и блокируются друг от друга. Кроме того, в отсеке оператора расположен шкаф с ящиками для малогабаритных приборов и документации, шкаф для рабочей одежды, вращающийся стул с креплением для транспортировки и столик. В отсеке высоковольтного оборудования расположены: модуль ка­бельных барабанов, высоковольтный блок испытательной установки, устройство разрядки и заземления, устройство стабилизации электрической дуги и др.

Лаборатория снабжена принудительной защитой от поражения персонала электрическим током при касании. Незаземленная часть корпуса (отсек оператора) отделена от опасной высо­ковольтной зоны жесткой прозрачной перегородкой и дополнительной изоляцией. Включение установки возможно лишь после закрытия задних дверей лаборатории. Отключение защиты вызывает автоматическое отключение всего высоковольтного оборудования, а также его разряд­ку. Дополнительно во время работы контролируется потенциал автомобиля относительно земли и значение сопротивления заземления.