Выбор аппаратуры для испытаний электрооборудования - Аппаратура для определения мест повреждения в кабелях

6. АППАРАТУРА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТ
ПОВРЕЖДЕНИЯ В СИЛОВЫХ КАБЕЛЯХ
В зависимости от характера повреждения кабельной линии и вида выявленного дефекта выбирается метод определения повреждения. Аппараты и приборы для испытания, прожигания и определения места повреждения в силовых кабелях монтируются в полной номенклатуре в передвижных испытательных установках или применяются порознь с учетом выявляемых дефектов в кабелях, их протяженности, организации технического обслуживания и ремонта кабельного хозяйства и других факторов. Номенклатура приборов, применяемых при определении мест повреждения в кабелях, приведена в табл. 28 и 29.

Таблица 28. Характеристика методов определения места повреждения

Таблица 29. Технические данные приборов для определения места повреждения силовых кабелей

Для уменьшения переходного сопротивления в месте пробоя кабеля до минимального значения применяются прожигательные установки, работающие на постоянном или переменном токе или в определенной их комбинации, с использованием полупроводниковых выпрямителей, дроссельных катушек, резонансных трансформаторов (рис. 27). Обычно прожигательные установки имеют не менее трех ступеней прожигания, обеспечивающих снижение пробивных напряжений до 30—15 кВ при токах 0,01—0,5 А; до 15—1 кВ при токах 0,5—10 А и до 1—0,1 кВ при токах 10—100 А. Часто прожигание на первой ступени осуществляется до пробивного напряжения 15 кВ с помощью испытательной установки на полупроводниковых выпрямителях. Последующие режимы, особенно дожигание места дефекта, при небольших длинах испытуемых кабелей ведутся на переменном напряжении.
В Харьковэнерго разработана установка АУПК-3/10, предназначенная для прожигания и определения места повреждения в кабелях на напряжение 0,4—10 кВ (табл. 30).
Максимальная потребляемая мощность установки 4 кВт; габариты преобразовательного блока с пультом управления 700x380x1050 мм, высоковольтного блока  700 X 380 X 750 мм, пульта управления 320X380X200 мм;

Рис. 27. Схемы прожигания силовых кабелей:
а —на выпрямленном напряжении; б — на переменном напряжении; в — способом резонанса напряжений; г — способом резонанса токов; д — схема прожигания с применением искрового промежутка и индуктивности; е — схема прожигания с использованием емкости неповрежденной фазы кабеля; 1 — испытательный трансформатор: 2 — выпрямитель; 3 —испытуемый кабель; 4 — индуктивная катушка с отпайками; 5 — дроссель; 6 — искровой разрядник; 7 — дроссель; 8 — резонансный конденсатор
Таблица 30. Технические данные установки АУПК-3/10

масса установки 220 кг. Частота выходного сигнала 1000 Гц.
Конструктивно установка выполнена в виде блоков: конденсаторного, преобразовательного и выпрямительного. Установка содержит также трансформатор дожигания и схему удвоения напряжения.
Структурная схема установки приведена на рис. 28. Трехфазное напряжение подается на выпрямители, преобразующие переменное напряжение промышленной частоты В пульсирующее выпрямленное напряжение. Последнее через фильтр поступает в инвертор, который преобразует постоянное напряжение в переменное прямоугольной формы частоты 1000 Гц.

Рис. 28. Структурная схема установки АУПК-3/10:
1 — трехфазный выпрямитель; 2 — емкостный фильтр; 3 —инвертор; 4 — согласующий трансформатор; 5 — выпрямитель: 6 —блок питания цепей управления и защиты; 7 — блок управления; 8 — блок сигнализации; 9 — блок защиты; 10 — датчик тока; 11 — блок обратной связи; 12 — испытуемый кабель

Переменное напряжение 1000 Гц с помощью трансформаторов повышается до необходимого значения и после последующего выпрямления и коммутации подается на испытуемый кабель. Ток прожигания и дожигания с помощью датчика тока через блок защиты, реагирующий на аварийные режимы инвертора, действует на блок управления. В свою очередь, блок управления действует на ключевые элементы инвертора. Для предотвращения срыва инвертирования за счет одновременного открытия тиристоров в установке предусмотрена схема синхронизации, подающая синхронизирующий импульс на блок управления таким образом, что только при закрытии одного тиристора возможно открытие другого. Блок питания обеспечивает питающим напряжением цепи управления, защиты и сигнализации. При необходимости, для формирования заданных
выходных характеристик и автоматического регулирования выходных параметров установки, схема охватывается обратной связью по току прожигания с воздействием на блок управления и через него на тиристоры инвертора.
В Новочеркасском политехническом институте разработана аппаратура для определения мест повреждения в силовых кабелях, которая состоит из резонансно-импульсного генератора тока и избирательного кабелеискателя. Характерной особенностью аппаратуры является импульсный характер поискового сигнала, что позволяет увеличить значение тока, подаваемого в кабель, до нескольких сотен ампер. Кроме того, предусмотрена синхронизация работы генератора и кабелеискателя, что повышает помехозащищенность аппаратуры. Технические данные резонансно-импульсного генератора: амплитуда тока при металлическом замыкании в кабеле 600 А и 60 А — при переходном сопротивлении в месте повреждения кабеля 20 Ом; частота импульсов 900 Гц; период повторения импульсов 0,5 с; питание от сети 220 В; потребляемая мощность 200 В-А; габариты 280X190Х160 мм; масса 12 кг.
Для подстройки частоты импульсов в генераторе предусмотрена плавкая регулировка индуктивности резонансного контура. Синхронизация с работой кабелеискателя осуществляется с помощью специально встроенного генератора мощностью 10 Вт частотой 1500 Гц. Кабелеискатель собран на микросхемах и имеет следующие технические данные: частота резонансной настройки 900 Гц; чувствительность не хуже 3 мВ; питание от аккумулятора 7Д01; габариты 180X90X65 мм и магнитоприемника 560X60 мм.
Установка УДПК-15/10, разработанная в Башкирэнерго, состоит из трансформатора с блоком полупроводниковых выпрямителей, батареи конденсаторов (рис. 29). Обмотка НН трансформатора включена в сеть последовательно с батареей конденсаторов.

Рис. 29. Схема установки УПДК-15/10
В основу работы установки положен принцип перераспределения напряжения на катушке индуктивности и конденсаторе (соединенных последовательно) при изменении индуктивного сопротивления обмотки НН трансформатора.
Установка имеет четыре ступени тока прожигания: 15 кВ, 0,6 А; 10 кВ, 1 А; 5 кВ, 2 А; I кВ, 10 А. Мощность установки 10 кВ-А.
Аппарат ПА-33, разработанный в ПНУ «Казэлектромонтаж» для прожигания дефектной изоляции кабелей, имеет следующие технические данные: напряжение питающей сети 220 В; ток, потребляемый из сети в режиме XX, 12 А; в режиме КЗ 7 А; напряжение на выходе аппарата выпрямленное 33 кВ при 75 мА и 4 кВ при 0,6 А; промышленной частоты 800 В при 3 А и 400 В при 6 А.
При пользовании аппаратом, в случае необходимости для повышения импульса тока в месте пробоя, используется емкость второй фазы кабеля или устанавливается дополнительный конденсатор емкостью 0,25—1 мкФ, на напряжение 10—20 кВ.
Установка для прожигания кабелей Тулэнерго состоит из испытательного трансформатора 4000/220 В, схемы умножения, разрядника и катушки индуктивности (рис. 30). Катушка индуктивности включается последовательно с емкостью кабеля Сх.
Параллельно этой цепи присоединяется цепь из 25 последовательно соединенных диодов ВЛ-200. Высокое напряжение на изоляцию кабеля подается от схемы умножения через разрядник.

Рис. 30. Схема установки для прожигания кабелей Тулэнерго
Источник высокого напряжения поддерживает уровень изоляции, необходимый для прохождения тока от мощных источников низкого напряжения. Разрядник предназначен для «разбивания» проводящих мостиков между жилой и оболочкой кабеля. Индуктивность катушки содействует выделению постоянной мощности в канале разряда, препятствует восстановлению электрической прочности места повреждения кабеля.
Технические данные установки: ток первой стадии прожигания при напряжении на кабеле 25 кВ 0,2 А; ток второй стадии прожигания при напряжении на кабеле 2,5 кВ 2 А; наибольший ток дожигания 200 А; потребление трансформатора высокого напряжения из сети не более 20 А; общая масса устройства 150 кг. Четыре блока устройства размещаются в отдельных корпусах и легко транспортируются. Малогабаритный аппарат ИКМ-10М для испытания силовых кабелей и электрооборудования с номинальным напряжением до 10 кВ повышенным напряжением переменного и выпрямленного тока разработан СКТБ ВКТ Мосэнерго. Аппарат имеет следующие технические данные: наибольшее напряжение промышленной частоты 42,5 кВ, наибольшее выпрямленное напряжение 60 кВ; выпрямленный ток 12 мА; габариты высоковольтного блока 890Х350Х Х350 мм, блока управления 276x185x177 мм; масса 27 кг.
Для определения мест повреждения в силовых кабелях часто используются генераторы повышенной частоты.
Машинные генераторы серии ГИС (табл. 31) изготовляются в трехфазном исполнении и имеют частоту вращения ротора 3000 об/мин. Обмотка возбуждения генератора получает питание постоянным током от селеновых выпрямителей, расположенных отдельно от генератора или от иного источника постоянного тока.
Та б л и ц а 31. Технические данные машинных генераторов

Примечание. Напряжение статора генераторов 230 В.

По специальному заказу завод-изготовитель поставляет генераторы с встроенным выпрямителем. В качестве привода генератора в большинстве случаев применяют асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором.
Существенным недостатком генераторов является то, что при однофазной нагрузке получаемая от них мощность уменьшается примерно на одну треть номинальной, что не обеспечивает определение места повреждения в длинных кабелях. Так, если принять, что индуктивное сопротивление трехфазного кабеля сечением 120 мм² на частоте 1000 Гц составляет 1,6 Ом/км, а ток, необходимый для четкой индикации электромагнитного поля, должен быть не менее 20 А, тогда потребляемую генератором мощность в зависимости от длины и сопротивления можно определить по данным, приведенным ниже:

СКТБ ВКТ Мосэнерго предложило повысить отдаваемую мощность до 2,5 кВ-А путем пересоединения схемы соединения обмоток генератора со звезды в зигзаг. Для этого обмотка фазы С отпаивается от нулевой точки и присоединяется к линейному выводу обмотки фазы В. После пересоединения на выходе генератора обеспечивается напряжение 265 В, что дает возможность получить достаточный ток для четкой индикации места повреждения на кабелях длиной до 3 км. 
Токи нагрузки реконструированного генератора при прожигании кабеля сечением 120 мм² в зависимости от длины и сопротивления кабеля приведены ниже:

При низком уровне помех и хорошем усилителе кабелеискателя можно определять места повреждения на расстоянии большем, чем 3 км. При включении генератора на двухфазное замыкание в поврежденном кабеле генератор работает в режиме КЗ, поскольку сопротивление нагрузки мало. Для ограничения тока, протекающего по обмотке генератора, до номинального значения 9,4 А приходится
уменьшать напряжение возбуждения, а следовательно, и мощность генератора.
Согласование токов нагрузки и генератора достигается с помощью специального согласующего трансформатора, рассчитанного на частоту 1200 Гц. Номинальные параметры согласующего трансформатора приведены ниже:

Согласующий трансформатор, разработанный в СКТБ ВКТ Мосэнерго, собран на магнитопроводе трансформатора напряжения НОМ-10. Обмотки намотаны проводом ПБД и располагаются симметрично на обоих стержнях магнитопровода. Первичная обмотка содержит 60 витков провода диаметром 2,44 мм.
Отпайки вторичной обмотки имеют: 0-1 —16 витков (провод диаметром 4,5 мм), 0-2 — 4 витка (4,1 мм), 0-3 — 6 витков (3,53 мм), 0-4 — 24 витка (2,63 мм) и 0-5 — 16 витков (2,44 мм) (рис. 31).
Для обнаружения мест повреждения в кабельных линиях Львовское специализированное производственное предприятие «Союзэнергоавтоматики» изготовляет кабелеискатель КАИ-80, состоящий из генератора звуковой частоты, приемника, двух преобразователей, используемых при индуктивном и акустическом методах поиска, и головных телефонов.
При индукционном методе поиска по поврежденному кабелю пропускается ток частотой 1000 или 10 000 Гц от генератора звуковой частоты. При этом вокруг кабеля образуется магнитное поле, которое принимается индукционным преобразователем. Сигнал, принятый преобразователем, усиливается приемником и контролируется оператором с помощью головных телефонов и стрелочного индикатора.

Рис. 31. Согласующий трансформатор: 1 — первичная обмотка; 2— вторичная обмотка
Характер распределения магнитного поля над кабелем позволяет судить о месте повреждения, трассе кабеля, месте расположения муфты.
При акустическом методе поиска в месте повреждения кабеля создается искровой разряд с помощью аппаратуры испытательной передвижной лаборатории. Акустические колебания, вызванные искровым разрядом, улавливаются преобразователем, устанавливаемым на грунт над местом прокладки кабеля. Сигнал акустического преобразователя усиливается приемником и контролируется оператором. Генератор ГК-80 обеспечивает работу в двух режимах: непрерывном и периодически прерываемом, применяемом при наличии сильных электромагнитных промышленных помех.
Технические данные генератора ГК-80: максимальная мощность, отдаваемая в согласованную активную нагрузку от 0,5 до 1000 Ом, при номинальном напряжении питания не менее 150 В-А; рабочие частоты 1000±5 и 10 000±50 Гц; коэффициент нелинейных искажений при максимальной отдаваемой мощности 25%; ток, потребляемый из сети, при котором включается защита от перегрузки, 2,4±0,2 А.
Технические данные приемника КАИ-80: коэффициент усиления на частоте 1 кГц не менее 3,5-104; коэффициент усиления в полосе частот от 300 до 1000 Гц не менее 3-104; коэффициент усиления на частоте 10 кГц не менее 10s.
Технические данные индукционного преобразователя КАИ-80ПИ: максимальная чувствительность к переменному магнитному полю не менее 100 мВ-м/А на частоте 1000 Гц и не менее 200 мВ-м/А на частоте 10 000 Гц.
Технические данные акустического преобразователя КАИ-80ПА: рабочий диапазон частот от 300 до 1100 Гц; сигнал на выходе преобразователя не менее 2,5 мВ.
Чувствительность к переменному электромагнитному полю приемника КАИ-80 с подключенными индукционным преобразователем и головными телефонами не более ЗХ Х10-4 А/м на частоте 1000 Гц и не более 5-10-5 А/м на частоте 10 000 Гц.
Чувствительность к виброускорению приемника КАИ-80 с подключенными акустическим преобразователем и головными телефонами на частоте 1000 Гц не более 5-10-2 м/с2.
Принцип работы генератора поясняется структурной схемой, приведенной на рис. 32. Кварцевый задающий генератор ЗГ вырабатывает прямоугольные импульсы частоты 100 кГц. Импульсы поступают на согласующий инвертор СИ, к выходу которого последовательно включены делители частоты Д1 и Д2 с коэффициентом деления каждый 1: 10. С выходов делителей снимаются сигналы частотой 10 000 и 1000 Гц соответственно. В зависимости от выбранного частотного диапазона сигнал с выхода одного из усилителей поступает на устройство формирования синусоиды УФС.

Рис. 32. Структурная схема генератора КАИ-80
Далее выходной сигнал поступает на предварительный усилитель ПУ и на усилитель мощности УМ. Для согласования с нагрузкой служит каскад СК. Ток, отдаваемый генератором, контролируется устройством индикации У И с выходом на стрелочный прибор.
При переключении генератора из непрерывного режима работы в прерывистый к инвертору СИ подключается устройство прерывистого сигнала УПС. Блок питания БП работает от сети 220 В и предназначен для обеспечения стабилизированным напряжением +5 В задающего генератора ЗГ и делителей Д1 и Д2 и напряжением +50 В усилителей ПУ и УМ. Узел защиты УЗ обеспечивает отключение блока питания при превышении его тока потребления.
Структурная схема приемника кабелеискателя КАИ-80 приведена на рис. 33.

Рис. 33, Структурная схема приемника кабелеискателя КАИ-80
При индукционном методе сигнал от преобразователя поступает на вход 1000 или 10 000 Гц в зависимости от выбранного режима поиска. Сигнал частотой 1000 Гц поступает на согласующий каскад СК и избирательный усилитель МУ2. При индукционном методе поиска к усилителю при помощи переключателя В2 подключается фильтр Ф2, настроенный на частоту 1000 Гц. Сигнал поступает на выходной усилитель УЗ и далее на головные телефоны и устройство индикации У И. При работе на частоте 10 000 Гц сигнал подается на избирательный усилитель ИУ1, настроенный на 10 000 Гц, и далее после преобразователя на каскад СК.
При акустическом методе сигнал от акустического преобразователя поступает на вход 1000 Гц, при этом к усилителю ИУ2 для расширения полосы пропускания подключается фильтр Ф1. При нажатии кнопки В1 подключается встроенная в приемник антенна ВА, предназначенная для приема электромагнитных волн, создаваемых при высоковольтном разряде в кабеле.
Для получения периодических импульсов высокого напряжения при определении места повреждения в кабелях акустическим способом в Горэнерго разработан тиратронный коммутатор. Коммутатор обеспечивает стабильность генерируемых импульсов по значению напряжения, пониженный уровень радиопомех и имеет следующие технические данные: частота коммутации — импульс длительностью 2—3 с; габариты 1000X400X400 мм; масса 22 кг.
Оригинальная конструкция разрядного устройства на базе вакуумной камеры КВД-21 предложена Черновицкими ОПЭС. Устройство предназначено для коммутации тока в цепи разряда конденсатора при акустическом способе отыскания повреждения кабеля. Применение устройства позволяет бесшумно коммутировать цепь разряда конденсатора. При прожигании кабелей и определении мест повреждения в них акустическим способом в цепи испытания могут протекать токи с большой амплитудой и высокой крутизной фронта волны, вызывающие значительные перенапряжения на элементах испытательной установки. Может происходить также вынос высоких потенциалов по оболочке испытуемого кабеля за пределы зоны испытания. По данным МЭИ, при разряде конденсатора импульсной установки на объект испытания (рис. 34, а) на индуктивном сопротивлении проводника обратного тока (рис. 34, б) могут возникать высокие потенциалы. Из графика (рис. 34, в) видно, что изменение во времени потенциала, точки Г относительно нижней обкладки конденсатора С (точка А) отличается от значения iR0c на Lo6p(di/dt).

Рис. 34. Схема разрядной цепи импульсной установки:
а — упрощенная схема; б — схема замещения; в — зависимость тока и напряжения при разряде конденсатора С; 1 — объект; I пр— прямой ток; i0gp— обратный ток (имеет два пути протекания);            индуктивность провода; Lqq — индуктивность объекта: L ogp— индуктивность заземляющей проводки; Rпр — сопротивление провода;   сопротивление объекта; Rсдр — сопротивление заземляющей проводки

Последнее значение является источником волн перенапряжения, распространяющихся по проводникам заземления, присоединенным к точке Г.
Снижение потенциалов в определенной мере достигается выполнением дополнительных заземляющих устройств вблизи испытательной установки для улучшения растекания токов в земле и уменьшения индуктивного сопротивления. Однако это не исключает возможности нежелательных повышений потенциалов. Для защиты элементов испытательной установки (сигнальные лампы, обмотки измерительных трансформаторов и т. д.) от возможных перенапряжений они шунтируются включенными на землю конденсаторами емкостью 2—3 мкФ на номинальное напряжение 600—1000 В.
Инженером В. И. Таракановским (ПНУ «Казэлектромонтаж») для защиты элементов испытательной установки от опасных перенапряжений, возникающих в момент пробоя кабеля при его испытании и прожигании и для предотвращения выноса высоких потенциалов за пределы зоны испытания, предложен ряд практических мероприятий (рис. 35): применение защитно-заградительного устройства  ЗЗУ 1 в схеме испытательной установки (ориентировочно С3=20—40 мкФ, £3=300—500 мкГн); соединение одного из выводов обмотки НН с заземляющим зажимом испытательной установки; включение катушки индуктивности между заземляющим зажимом испытательной установки и заземляющим контуром и т. п.

Рис. 35. Устройства для ограничения уровня перенапряжения:
1 — защитно-заградительное устройство (ЗЗУ); 2 — трансформатор испытательной установки; 3 — выпрямитель испытательной установки; 4 — испытуемый кабель,  5 — кабель питания 380/220 В; L3 — индуктивность устройства ЗЗУ; LK — индуктивность кабеля; L  — индуктивность катушки; RK — сопротивление кабеля; Cg— емкость кабеля