Технология определения мест повреждения на высоковольтных линиях

Кабельная линия — это система, состоящая из кабеля, соединительных и стопорных муфт, концевых заделок и других элементов, необходимых для электропередачи. Силовые кабели, которые являются основой кабельной линии, имеют одну или несколько токопроводящих жил, отделенных друг от друга и от земли изоляцией.

Для защиты изоляции от влаги, кислот и механических повреждений поверх изоляции накладывается защитная оболочка, а также стальная ленточная броня с защитными покровами. Токопроводящие жилы обычно изготавливаются из алюминия как однопроволочные, так и многопроволочные. Применение кабелей с медными жилами рекомендуется только в специальных случаях, где существуют опасности, такие как взрывоопасные помещения, шахты, зоны с опасными газами и пылью.

Изоляция кабелей может быть выполнена из различных материалов, таких как кабельная бумага с масляной пропиткой, резина, полиэтилен или специальные полимеры типа СПЭ. Защитные оболочки могут быть алюминиевыми или поливинилхлоридными.

Броня, служащая для защиты оболочки от механических повреждений, обычно изготавливается из стальных лент или проволок. Под броней может быть установлена джутовая прослойка, которая служит внутренним защитным слоем. Наружный защитный покров обычно состоит из джута, пропитанного антикоррозионным составом или битумом, что обеспечивает дополнительную защиту кабеля от внешних воздействий.

Устойчивые повреждения высоковольтных линий, такие как короткие замыкания, низкоомные утечки и обрывы, характеризуются сохранением постоянного сопротивления в месте повреждения с течением времени при воздействии различных факторов. Это означает, что при устойчивых повреждениях изменения сопротивления в месте повреждения не наблюдаются, что может упростить обнаружение таких повреждений.

К неустойчивым повреждениям относятся утечки, заплывающие пробои, увлажнение в месте нарушения изоляции и другие. Неустойчивые повреждения характеризуются возможностью самоустранения, нахождения в неустойчивом состоянии или перехода в устойчивые повреждения в зависимости от условий и обстоятельств.

Большинство повреждений кабеля связаны именно с нарушением его изоляции. Повреждение изоляции может быть вызвано различными причинами, такими как заводской дефект, ошибки в проектной документации, нарушения правил монтажа, неправильная эксплуатация и другие факторы.

Существует ряд типичных ситуаций, которые могут привести к повреждению изоляции кабеля. Это может быть недопустимое перегревание из-за ошибочно заниженного сечения кабеля или выбора неподходящей защитной аппаратуры, механические повреждения при прокладке из-за крутых изгибов или несоблюдения допустимых расстояний до других объектов, ошибки при монтаже муфт и др.

Существует несколько видов повреждений линий:

1. Повреждения изоляции, вызывающие замыкание одной фазы на землю.

2. Повреждения изоляции, вызывающие замыкание двух или трех фаз на землю.

3. Повреждения изоляции, вызывающие замыкание двух или трех фаз между собой.

4. Обрыв одной, двух или трех фаз без заземления.

5. Обрыв одной, двух или трех фаз с заземлением необорванных жил.

6. Заплывающий пробой изоляции.

7. Повреждение линий одновременно в нескольких местах, с различными видами повреждений.

Причины повреждений разнообразны:

- Недостаточное качество материалов изоляции.

- Неправильная эксплуатация и обслуживание.

- Механические повреждения при строительстве или эксплуатации.

- Воздействие природных факторов (например, удар молнии).

- Нарушения правил монтажа и технических требований к эксплуатации.

- Обрывы или короткие замыкания из-за перегрузок или перенапряжений в сети.

Существующие подходы к оценке параметров аварийного режима с учетом различных характеристик делятся на следующие категории:

- способы, основанные на двусторонних (многосторонних) и односторонних измерениях параметров;

- методы, использующие измерения симметричных компонентов токов и напряжений, а также их сочетаний.

Несмотря на более высокую погрешность расчетов (4-6% длины ВЛ), методы оценки места повреждения с использованием параметров обратной последовательности следует применять в сочетании с другими подходами. Эти методы позволяют определить место повреждения как при однофазных, так и при двухфазных коротких замыканиях. Применение методов, основанных на измерениях параметров обратной последовательности, рекомендуется в следующих случаях:

1. На воздушных линиях с сложной электромагнитной связью при ручном расчете расстояния. Использование параметров обратной последовательности также целесообразно при применении вычислительной техники для упрощения алгоритма оценки места повреждения.

2. На воздушных линиях с подстанциями, где отсутствуют фиксирующие устройства и пренебрежение токами нулевой последовательности может привести к недопустимой погрешности оценки (более 2%). Пренебрежение токами обратной последовательности, в свою очередь, практически не влияет на точность расчетов. Дополнительные подробности можно найти в разделе 4.2 текущих методических указаний.

3. При необходимости определения места повреждения на основе односторонних измерений, а также в сочетании с двусторонними измерениями параметров нулевой последовательности или без них (см. раздел 2.2.2).

4. В дополнение к другим методам для повышения достоверности и точности оценки места повреждения на всех типах воздушных линий.

Выбор конкретных методов оценки места повреждения должен быть обоснован расчетной логикой, чтобы обеспечить максимальную эффективность определения места короткого замыкания, учитывая конфигурацию воздушной линии и ее взаимосвязь с другими элементами сети. Приоритет следует отдавать методам, обеспечивающим высокую точность и достоверность вычислений для существующих устройств и средств вычислительной техники. Кроме того, стоит стремиться к автоматизации процесса определения места повреждения, насколько это возможно.

Омметр или мегаомметр — это приборы, используемые для обнаружения однофазных и междуфазных повреждений с сопротивлением в месте дефекта от нуля до сотен кОм. Омметр позволяет измерять сопротивление проводников или цепей. Мегаомметр, или мегаомметр, в свою очередь, предназначен для измерения высоких сопротивлений и изоляции.

При сопротивлении, превышающем пределы измерения омметра или мегаомметра, используется высоковольтная испытательная установка. Этот метод позволяет определить вид повреждения кабеля, испытывая все три жилы кабельной линии повышенным напряжением относительно оболочки кабеля. Таким образом, выявляются различные виды повреждений, такие как однофазные и междуфазные дефекты, разрывы кабеля, повреждения в концевых воронках и другие.

Для точного определения места повреждения необходимо иметь низкое переходное сопротивление в месте повреждения кабельной линии. Для снижения переходного сопротивления до необходимого уровня, которое составляет несколько десятков Ом, применяется метод прожигания изоляции в месте повреждения с использованием специальных установок.

Прожигание изоляции обычно осуществляется по нескольким ступеням, например, в установке типа ВУПК-03-25 выполняется пять ступеней прожигания. Этот процесс позволяет достичь необходимого уровня переходного сопротивления и точно определить местоположение повреждения кабельной линии для последующего ремонта или замены участка.

На первой ступени применяются высокие напряжение и ток прожига для инициирования процесса уменьшения переходного сопротивления и напряжения пробоя изоляции кабеля. Постепенно уровень напряжения уменьшается, что позволяет перейти ко второй и последующим ступеням прожига до окончания процесса. При этом с уменьшением напряжения проходящий через место повреждения ток увеличивается, достигая значений в сотни ампер на последней ступени.

Идеальным результатом прожига является формирование металлического соединения между поврежденными жилами или между жилой и металлической оболочкой в месте повреждения изоляции. Современные установки выполнения прожига позволяют автоматизировать процесс без необходимости ручного переключения оператором между ступенями.

После прожигания поврежденной жилы необходимо проверить целостность изоляции остальных жил, чтобы избежать дополнительных повреждений. Если обнаруживается пробой, проводится дополнительный цикл прожига для устранения дефекта. В случае если напряжение не уменьшается или возникает заплывающий пробой, прожигание прекращается.

Процесс прожига может занимать значительное время, особенно при прожигании кабелей во влажных условиях или в специфических местах, таких как туннели или подвалы. Наблюдатели должны быть выставлены для предотвращения возможных рисков возгорания кабелей во время проведения прожига.

Прожигание кабеля является одним из основных этапов при поиске и устранении мест повреждений и может требовать значительных затрат труда и времени. Устройства для прожига должны соответствовать определенным требованиям, гарантируя эффективное удаление изоляционного материала в месте повреждения при минимальном воздействии на остальную изоляцию и обеспечивая безопасные условия эксплуатации.

В процессе обследования кабельных линий сначала определяют общую зону повреждения, а затем точно локализуют место повреждения прямо на маршруте. Для выявления зоны повреждения линий используются следующие методы:

- импульсный подход;

- метод колебательной разрядки;

- метод петли;

- метод емкости.

Импульсный метод — это один из способов определения расстояния до места повреждения в кабельных линиях при однофазных и межфазных замыканиях, а также при обрывах жил. Суть этого метода заключается в измерении времени пробега импульса в линии от точки отправления до места повреждения и обратно.

При проведении импульсного метода специальный импульсный сигнал посылается по кабелю, после чего фиксируется время, за которое сигнал доходит до поврежденного участка и возвращается обратно. Зная скорость распространения сигнала в кабеле, можно определить расстояние до места повреждения.

Этот метод является эффективным инструментом для локализации неисправностей в кабельных линиях, так как позволяет точно определить место повреждения и принять необходимые меры по его устранению. Кроме того, импульсный метод позволяет проводить диагностику линий без необходимости отключения электропитания и применяется как один из основных способов обследования кабельной инфраструктуры.

Метод колебательного разряда используется для измерения периода (или полупериода) свободных (собственных) колебаний, возникающих в заряженной кабельной линии при пробое изоляции в месте повреждения. Эти колебания характеризуются периодическим распространением электромагнитной волны от места повреждения до конца линии и обратно с постепенным затуханием процесса.

Принцип работы метода заключается в том, что при возникновении пробоя изоляции в кабельной линии происходит непрерывное распространение электромагнитной волны от места повреждения в обе стороны по линии. Эта волна вызывает колебания в системе, которые можно измерить. Путем анализа периода или полупериода этих колебаний можно определить местоположение повреждения на линии.

Метод колебательного разряда представляет собой эффективный способ обнаружения и локализации повреждений в кабельных линиях. Этот метод позволяет найти место пробоя изоляции, определить его характеристики и принять меры по устранению неисправности. Кроме того, данный метод имеет широкий спектр применения и широко используется специалистами при обследовании кабельных сетей и линий связи.

Метод петли применяется для определения зоны повреждения при одно- и двухфазных замыканиях при наличии одной неповрежденной жилы или параллельного кабеля с неповрежденными жилами. Этот метод заключается в использовании петли, создаваемой подключением неповрежденных жил к кабелю с повреждением, для определения места повреждения.

В настоящее время метод петли используется в случаях, когда невозможно применить импульсный метод из-за отсутствия необходимых приборов или из-за большого переходного сопротивления в месте повреждения. Однако в современной практике метод петли практически не применяется для определения зоны повреждения кабеля из-за его недостаточной точности, высокой трудоемкости и невозможности точно определить место обрыва жилы без ее замыкания на оболочку.

Петлевой метод был одним из первых методов определения места повреждения кабеля, однако с развитием технологий и появлением более точных и эффективных методик и приборов этот метод вышел из употребления в кабельных работах. В настоящее время специалисты предпочитают использовать более современные и точные методы для обнаружения и локализации повреждений в кабельных линиях.

Емкостной метод применяется для определения зоны повреждения при обрывах одной или нескольких жил кабельной линии. Основой этого метода является зависимость емкости кабеля от его длины. Для измерения емкости оборванной жилы применяют мост переменного тока или баллистический гальванометр на постоянном токе.

Однако емкостной метод уступает импульсному как по быстроте, так и по точности измерений. Именно из-за этого в настоящее время он не широко применяется в практике обнаружения и локализации повреждений кабельных линий.

Хотя емкостной метод может использоваться для определения места обрывов жил кабеля, его недостатками являются невысокая точность и длительность процесса измерений. Именно поэтому специалисты предпочитают более современные и эффективные методы для проведения диагностики и ремонта кабельных линий. В современной практике обычно применяются более совершенные технологии и приборы, позволяющие более точно и быстро определить место повреждения кабеля.

Для локализации повреждений на кабельной линии чаще всего используются следующие подходы (абсолютные методы):

- метод с использованием индукции;

- акустический метод;

- метод с применением накладной рамки;

- метод измерения потенциалов.

Индукционный метод — это эффективный способ локализации повреждений на кабельных линиях, который применяется в различных ситуациях, включая поиск мест пробоя изоляции жил между собой, обрыв линии с одновременным замыканием жил, определение трассы и глубины залегания неповрежденного кабеля, а также определение местоположения кабельных муфт.

Индукционный метод обладает рядом преимуществ:

- Измерения имеют абсолютный характер, что позволяет указать место повреждения непосредственно на трассе или на самом кабеле.

- Определение места повреждения с высокой точностью до 0,5 метра.

- Возможность выявления металлических однофазных замыканий на оболочку при открытой прокладке кабеля с использованием метода накладной рамки.

- Способность определения положения оператора на трассе относительно места повреждения, что облегчает процесс обслуживания и ремонта кабельных линий.

Акустический метод является практически универсальным и широко применяется в кабельных сетях для определения различных типов повреждений. Этот метод позволяет обнаруживать как однофазные, так и межфазные замыкания с различными переходными сопротивлениями, а также обрывы одной, двух или всех жил кабеля. Более того, иногда акустическим методом можно определить несколько повреждений на одной кабельной линии.

Акустический метод применяется для точного определения места повреждения в силовых кабельных линиях, подверженных заплывающему пробою. Также этот метод может быть использован при замыканиях с переходным сопротивлением, которые вызывают устойчивые искровые разряды, а также в случае обрыва жил кабеля.

Принцип работы акустического метода основан на детектировании звуковых сигналов, возникающих в месте повреждения кабельной линии. При помощи специальных устройств и оборудования специалисты могут произвести точную локализацию повреждений и незамедлительно приступить к их устранению, обеспечивая надежную работу кабельной инфраструктуры.

Метод накладной рамки, также известный как метод индуктивной прослушки, является одним из способов диагностики повреждений кабельных линий. Этот метод основан на измерении интенсивности поля пары токов «жила-оболочка» непосредственно у оболочки кабеля. Интенсивность этого поля соизмерима с интенсивностью поля одиночного тока, проходящего по оболочке за местом повреждения. Благодаря этому метод накладной рамки позволяет обнаруживать однофазные повреждения при протекании тока по цепи «жила-земля».

С помощью накладной рамки можно определить кабель, который нуждается в ремонте, даже если он проложен в одной траншее с другими кабелями, которые находятся под напряжением. Для проведения диагностики по этому методу необходимы накладная рамка, усилитель и телефонные трубки.

Однако следует отметить, что метод накладной рамки имеет свой недостаток, заключающийся в большом объеме работ по раскопке шурфов. Это может затруднить и замедлить процесс обнаружения и устранения повреждений. Тем не менее в определенных ситуациях этот метод может быть эффективным и полезным инструментом для обследования и ремонта кабельных линий.

Метод измерения потенциалов является одним из способов непосредственного обнаружения места однофазного замыкания на кабельной линии. Суть этого метода заключается в пропускании постоянного тока через место повреждения и измерении падения напряжения на металлической оболочке кабеля или на поверхности земли для кабелей с пластмассовой оболочкой.

При использовании метода измерения потенциалов специалисты могут определить точное местоположение повреждения на кабельной линии. Этот метод позволяет быстро и точно выявить замыкание и принять меры по его устранению.

Для проведения измерений по этому методу необходимы специальные устройства для подачи постоянного тока на кабель и для измерения падения напряжения. Полученные данные помогают определить характер повреждения и принять необходимые меры по его устранению.

Метод измерения потенциалов является важным инструментом для обследования и обнаружения повреждений на кабельных линиях, что позволяет обеспечить надежную и безопасную работу электрооборудования.

В современном мире технологии определения мест повреждения на высоковольтных линиях играют ключевую роль в обеспечении надежности и безопасности энергетических систем. Развитие инновационных методов и приборов позволяет специалистам быстро и точно выявлять места возможных поломок, что в свою очередь способствует оперативному устранению проблем и минимизации простоев в энергоснабжении.

Использование современных технологий, таких как термовизионное обследование, акустическая диагностика и методы измерения потенциалов, позволяет эффективно проводить мониторинг состояния высоковольтных линий, повышая их надежность и продолжительность службы. Эти методы позволяют не только быстро локализовать возможные дефекты, но и предотвращать возможные аварийные ситуации, что является крайне важным для сохранения стабильности энергосистем.