Jak najít místo poškození kabelu – přehled technik
Jsou porovnány tradiční a inovativní metody pro nalezení místa poškození pláště kabelu a úniku mezi jádrem a zemí (u optických vedení, stínění proti zemi). Poprvé jsou navrženy dvoufrekvenční fázové a dvoufrekvenční amplitudové metody.
Protože citlivost metod závisí na kapacitě jádra-zem, všechny kabely jsou rozděleny do tří skupin. Metody dosahují nejvyšší citlivosti na kabelech ISS s nejmenší kapacitou cca 30 nF/km. Zbývající metalické kabely jsou spojeny do jedné podmíněné skupiny s kapacitou 60 nF/km. U optických kabelů je hodnota kapacity mezi stíněním a zemí 150 nF/km.
Popis vyhledávacích metod je proveden na základě modelů trasových defektoskopů Search-310D-2 a Search-410, ve kterých jsou tyto metody implementovány.
Obecné schéma zapojení
Na Obr. Obrázek 1 ukazuje schéma připojení generátoru ke kabelu při hledání poškození izolace. Generátor je připojen mezi jádro (nebo izolovaný plášť) kabelu a zem. Na vzdáleném konci je kabel ponechán v nečinnosti. Mezi vodičem (plášťem) kabelu a zemí jsou dva kanály vedení střídavého proudu:
a) přes kapacitu vodič-zem;
b) přes poškozenou oblast.
Úkolem lokalizačních metod pro poškozenou oblast je rozpoznat svodový proud na pozadí parazitního signálu přes kapacitu. Je jasné, že čím blíže je poškozená sekce ke konci kabelu, tím nižší je kapacita sekce zbývající do konce a tím nižší je kapacitní proud. To usnadňuje nalezení závady.
Na druhou stranu, jak se blížíte ke konci kabelu, signál výrazně slábne a údaje se stávají nestabilními. Na samém konci kabelu je “mrtvá zóna”, kde je signál prakticky neslyšitelný.
Obr.1. Kapacitní proud a svodový proud v kabelu při připojení generátoru
1. Tradiční jednofrekvenční vyhledávací metody
Amplitudová metoda
Toto je nejjednodušší a nejméně citlivá metoda. Obvykle se používá na městských kabelech, kde není možný způsob kontaktu. Výhodou oproti kontaktu je pohodlí a vysoká rychlost vyhledávání. Pomocí této metody můžete při frekvenci 2 kHz najít poruchy menší než 1 kOhm (blízko zkratu) v oblasti ke konci kabelu ISS – až 4 km, zbytek – až 2 km , optický kabel – do 1 km.
Místo úniku se hledá podle prudkého poklesu signálu v anténě. Signál zároveň klesá s rostoucí hloubkou kabelu. Pro eliminaci falešného spouštění je nutné kontrolovat hloubku kabelu nebo hledat podle aktuální hodnoty v kabelu (v tomto případě musíte přesně umístit anténu nad kabel). Citlivost metody lze zvýšit použitím nízké frekvence 273 Hz. Při této frekvenci můžete hledat závady až do 2 kOhm.
- nízká citlivost;
- signál se při pohybu po kabelu neustále snižuje, proto je nutné kabel průběžně kontrolovat, abychom nepřehlédli místo, kde signál prudce klesá;
- hodnoty závisí na hloubce pohřbu, která se může u městských kabelů značně lišit;
- kabel může vést pod deskami vedle jiných komunikací, které také oslabují signál (protékají jimi zpětné proudy v protifázi s užitečným signálem).
Kontaktní metoda
Tato metoda je založena na skutečnosti, že když proud protéká zemí, vzniká mezi body potenciálový rozdíl. Tento potenciálový rozdíl se měří pomocí pinů, které jsou připojeny k přijímači místo antény. Pokud je jeden kontakt umístěn nad kabelem a druhý na straně kabelu, pak se změří rozdíl potenciálu od kapacitního proudu Ic (obr. 1) tekoucího z oblasti srovnatelné se vzdáleností mezi kolíky – přičemž se vezme v úvahu počítat s hloubkou v řádu několika metrů.
Kapacita sekce Xc délky L je určena lineární kapacitou Cп a frekvencí f:
Kapacita 1 metru je mnohem menší než kapacita úseku ke konci kabelu. Navíc u kontaktní metody nezávisí citlivost příjmu signálu na frekvenci, jako u indukční metody. To umožňuje řádově snížit frekvenci kontaktní metody. Snížením frekvence a omezením délky úseku se sníží parazitní kapacitní proud o několik řádů. To vysvětluje, proč je kontaktní metoda mnohem citlivější na únik než indukční metoda. V místě defektu se po zemi šíří svodový proud. Pokud je svodový odpor mnohem menší než kapacita krátkého úseku, pak na pozadí slabého signálu z kapacitního proudu je snadné zjistit místo poškození. Tato metoda má citlivost pro kabel MKS – 1 MOhm, zbytek – 500 kOhm, pro pláště optického vedení – 200 kOhm. Citlivost této metody nezávisí na umístění na kabelu.
Zároveň je to také nejnáročnější metoda. Na Obr. Obrázek 2 ukazuje oblast detekce úniku. S rostoucí odolností defektu se zóna rychle zužuje. Chcete-li hledat závady nad 100 kOhm, musíte prozkoumat doslova každý metr. V těžkém terénu to není snadný úkol. Dále to komplikuje stav půdy, podmínky hledání a hloubka. Aby byl úkol snazší, musí měřič alespoň přibližně znát místo defektu. Hledání je často vázáno na kabelové spojky.
V městských podmínkách (s kanalizací a asfaltovou vozovkou) se metoda nepoužívá. I když se můžete pokusit odhalit netěsnost v kanalizačním poklopu tak, že se jedním kolíkem dotknete kabelové spojky a druhým se dotknete uzemněné oblasti od kabelu.
Obr.2. Citlivost kontaktní metody
Úroveň necitlivosti: MKS – 1 MOhm, ostatní – 500 kOhm, FOCL – 200 kOhm. 1 – únik do 1 kOhm, detekční zóna 40-100 m; 2 – únik 10 kOhm, detekční zóna cca 10 m; 3 – únik 100 kOhm, detekční zóna 1m.
2. Inovativní metody dvoufrekvenčního vyhledávání
Venkovská dálnice: dvoufrekvenční fázová metoda
Tato metoda pracuje na dvou frekvencích najednou: 2 a 6 kHz. Fázová metoda je mnohem citlivější na únik než tradiční amplitudová metoda. Zároveň si zachovává všechny výhody bezkontaktní metody vyhledávání. Metoda je založena na skutečnosti, že proud procházející kapacitou jádro-zem je mimo fázi s ohledem na aktivní proud procházející svodem. V místě úniku mění celkový proud fázi. Při absenci pilotního signálu lze fázový skok detekovat pouze při pohybu po kabelu. Dvoufrekvenční analýza nahrazuje pilotní signál a umožňuje měření fáze v určitém bodě nezávisle na pohybu. Měřič má schopnost porovnávat fáze na relativně velkých částech kabelu. V tomto případě se můžete od kabelu úplně vzdálit, nebo se můžete vrátit k předchozímu bodu – naměřené hodnoty se budou opakovat. Tato metoda vyhledávání nevyžaduje neustálá měření při pohybu po kabelu. Pokud existuje obtížný úsek, můžete jej obejít a porovnat hodnoty fází na začátku a na konci úseku. Tímto způsobem je možné určit přítomnost defektu v oblasti až 300 m. Výhodou metody je, že se můžete vrátit a opakovat měření rozbitím oblasti.
Metoda funguje dobře v oblastech se vzdáleností k nezatíženému konci kabelu ISS – až 4 km, zbytek – až 2 km, kabel z optických vláken – až 1 km. Citlivost dvoufrekvenční metody pro různé kabely je uvedena v tabulkách 1 – 3.
Tabulka 1 Fázový rozdíl dvoufrekvenčního signálu na koncích poškozené části v závislosti na vzdálenosti ke konci kabelu (ve stupních)
| ISS kabel | ||||
| metrů | 2 kΩ | 5 kΩ | 10 kΩ | 20 kΩ |
| 500 | > 45 | 40 | 25 | 14 |
| 1000 | > 45 | 25 | 13 | 7 |
| 1500 | 35 | 16 | 9 | 5 |
| 2000 | 30 | 13 | 7 | 4 |
| 2500 | 25 | 10 | 6 | 3 |
| 3000 | 20 | 9 | 5 | 2 |
| 3500 | 18 | 8 | 4 | 2 |
| 4000 | 16 | 7 | 3 | 2 |
Tabulka 2 Fázový rozdíl dvoufrekvenčního signálu na koncích poškozené části v závislosti na vzdálenosti ke konci kabelu (ve stupních)
| Kovové kabely, kromě ISS | ||||
| metrů | 2 kΩ | 5 kΩ | 10 kΩ | 20 kΩ |
| 250 | > 45 | 40 | 25 | 14 |
| 500 | > 45 | 25 | 13 | 7 |
| 750 | 35 | 16 | 9 | 5 |
| 1000 | 30 | 13 | 7 | 4 |
| 1250 | 25 | 10 | 6 | 3 |
| 1500 | 20 | 9 | 5 | 2 |
| 1750 | 18 | 8 | 4 | 2 |
| 2000 | 16 | 7 | 3 | 2 |
Tabulka 3 Fázový rozdíl dvoufrekvenčního signálu na koncích poškozené části v závislosti na vzdálenosti ke konci kabelu (ve stupních)
| Kovové kabely, kromě ISS | ||||
| metrů | 2 kΩ | 5 kΩ | 10 kΩ | 20 kΩ |
| 100 | > 45 | 40 | 23 | 12 |
| 200 | > 45 | 23 | 12 | 6 |
| 300 | 35 | 16 | 8 | 4 |
| 400 | 28 | 12 | 6 | 3 |
| 500 | 23 | 10 | 5 | 2 |
| 600 | 20 | 8 | 4 | 2 |
| 700 | 17 | 7 | 3 | 2 |
| 800 | 15 | 6 | 3 | 1 |
| 900 | 13 | 5 | 3 | 1 |
| 1000 | 12 | 5 | 3 | 1 |
Metoda má ještě jednu pozoruhodnou vlastnost. U defektů s nízkým odporem s fázovou odchylkou asi 200 dochází při přiblížení k defektu k rotaci fáze. Jeho aktivní složka se zvyšuje a kapacitní proud tekoucí do země začne měnit fázi, když se anténa odchýlí od kabelu. Odkloněním antény od kabelu se zdá, že měřič „vidí“ závadu, která je před vámi (pokud přejdete od generátoru ke konci kabelu). Po projetí defektu dochází k fázovému skoku a efekt mizí.
V městských podmínkách je aplikace metody obtížná. Kabel je zpravidla umístěn vedle jiných komunikací, kterými protéká zpětný proud. U TPP kabelů s vysokým ohmickým odporem žil to vede ke zkreslení fáze pilotního signálu a ztrátě funkčnosti metody. Dvoufrekvenční fázová metoda funguje dobře na venkovských trasách (včetně optických linek), kde umožňuje nahradit tradiční kontaktní metodu (piny) na těžko dostupných místech s poškozením do 20 – 50 kOhm.
Městské kabely: metoda dvoufrekvenční amplitudy
Tato metoda pracuje na dvou frekvencích najednou: 273 Hz a 2 kHz. Generátor dodává nízkofrekvenční signál 273 Hz citlivý na poškození izolace a během pauzy signál o frekvenci 2 kHz, který funguje jako pilotní signál. Tento signál se mění s hloubkou kabelu stejně jako nízkofrekvenční signál. Zařízení analyzuje poměr úrovní signálu na dvou frekvencích. Při absenci poškození zůstává poměr signálu podél kabelu prakticky nezměněn. Pokud dojde k poškození kabelu, pak místem úniku poteče proud Ir (obr. 1). Tento proud významně přispívá k signálu 273 Hz a řádově méně patrný k signálu 2 kHz. Poměr signálu se mění. Při průjezdu místem poškození se poměr obnoví. Je tedy možné určit poškozenou oblast měřením signálových poměrů na koncích studované oblasti. V městském prostředí je povolen úsek do 100 m Z hlediska produktivity práce to znamená, že na 1 km kabelu je možné určit poškozený úsek v 10 měřeních. Na poškozeném místě lze poté provést podrobnější měření a rozdělit jej na kratší části.
V tabulce Obrázek 4 ukazuje citlivost metody pro městské kabely Hospodářské a průmyslové komory, kde je kapacita mezi jádrem a zemí obvykle asi 80 nF/km. Z prezentovaných údajů je vidět, že poškození do 5 kOhm lze nalézt v úseku 2 km ke konci kabelu – tedy na kabelu dlouhém do 4 km, pokud prozkoumáte polovinu kabel co nejdále od generátoru. Izolace cca 5 kOhm na všech žilách je typická situace netěsné spojky, kdy poškození nepozná ani můstek, ani často reflektometr. Připomeňme, že tradiční jednofrekvenční amplitudová metoda (redukcí signálu) detekuje pouze nízkoodporové poruchy blízké zkratu. Dvoufrekvenční metoda proto otevírá elektroměru nové možnosti.
Dvoufrekvenční metoda má kromě vysoké citlivosti ještě jednu výhodu: umožňuje obejít oblasti nepřístupné pro měření. To značně zjednodušuje práci měřiče.
Tabulka 4. Změna úrovně dvoufrekvenčního signálu (dB) na koncích poškozené části v závislosti na velikosti poškození (kOhm) a vzdálenosti od nezatíženého konce kabelu (metry)
| Městské kabely TPP | ||||
| metrů | 1 kΩ | 2 kΩ | 5 kΩ | 10 kΩ |
| 250 | 18 | 17 | 16 | 10 |
| 500 | 17 | 15 | 10 | 5 |
| 750 | 17 | 14 | 7 | 3 |
| 1000 | 16 | 12 | 5 | 2 |
| 1250 | 16 | 10 | 4 | |
| 1500 | 14 | 9 | 3 | |
| 1750 | 13 | 8 | 2 | |
| 2000 | 12 | 7 | 2 | |
Závěr
Navzdory pohodlí při vyhledávání lze z hlediska svých vlastností dvoufrekvenční fázovou metodu zatím považovat pouze za doplněk k tradiční metodě vyhledávání kontaktů v zóně „nízkoodporového vyhledávání“ do 20 – 50 kOhm na venkovské cesty. Dvoufrekvenční amplitudová metoda svými vlastnostmi převyšuje tradiční metody hledání závad na městských kabelech a umožňuje je zcela nahradit.
Podle povahy poškození v třífázových kabelových vedeních Rozlišují se tyto typy: poškození izolace, způsobující zkrat jedné fáze k zemi; poškození izolace způsobující zkrat dvou nebo tří fází k zemi nebo dvou nebo tří fází navzájem; přerušení jedné, dvou nebo tří fází bez uzemnění nebo s uzemněním přerušeného i nepřerušeného vodiče; porušení plovoucí izolace; poškození linie současně na dvou nebo více místech, z nichž každé může patřit do jedné z výše uvedených skupin.
K podobnému poškození může dojít u čtyřvodičových kabelových vedení do 1000 V.
Nejběžnější typ poškození kabelových vedení je poškození izolace mezi vodičem a kovovým pláštěm kabelu nebo spojky, tzn. jednofázové poškození.
pro určení místa poškození je nutné mít nízký přechodový odpor v místě poškození kabelového vedení. Snížení přechodového odporu na požadovanou úroveň se provádí spálením izolace v místě poškození pomocí instalace kenotron-gastron.
na hořící místa, kde jsou poškozena kabelová vedenípoložených v tunelech, kolektorech, sklepech a dalších místnostech je nutné umístit pozorovatele, aby bylo možné zjistit poškození a zabránit možnosti požáru kabelu.
Před provedením měření kabelové vedení musí být odpojeny od zdroje pomocí odpojovačů a všechny elektrické přijímače musí být odpojeny od vedení.
Po provedení všech nezbytných měření se vypracuje schéma formuláře poškození kabelového vedení, která se zapisuje do protokolu o měření.
Metody určování místa poškození kabelových vedení. U kabelových vedení se nejprve určí zóna poškození a poté se přímo na trase upřesní místo poškození.
Pro určení zóny poruchy vedení se používají následující metody: impuls, oscilační výboj, smyčka a kapacita.
Pro určení místa poškození přímo na trase se doporučuje použít následující metody: indukční, akustickou a stropní rámovou metodu.
Pulzní metoda se používá k určení vzdálenosti k místu poškození v kabelových a venkovních vedeních (pro jednofázové a mezifázové poruchy, stejně jako pro přerušení vodičů).
Práce se provádějí pomocí zařízení IKL-5, R5-1A, R5-5, které vysílají do kabelu krátkodobý impuls střídavého proudu. Po dosažení místa poškození se proudový impuls odrazí a vrátí se zpět. Povaha poškození kabelu (zkrat nebo přerušení) je určeno obrazem, který se objeví na obrazovce katodové trubice. Vzdálenost k místu poškození lze určit na základě znalosti doby průchodu impulsu a rychlosti jeho šíření.
Při měření pomocí zařízení IKL-5, R5-1A chyba obvykle nepřesahuje 1,5% a u zařízení R5-5 – 0,5%, což je docela přijatelné. Výhody této metody jsou rychlost, přehlednost a snadnost měření; schopnost detekovat jakékoli typy poškození, a to i na různých místech kabelu, za předpokladu, že přechodový odpor nepřesáhne 200 Ohmů. V tomto případě zpravidla stačí provést měření pouze na jednom konci vedení, aniž by se na druhém konci propojovaly, ale přímým měřením vzdáleností od konce vedení k místu poškození kabelu pomocí stínění nebo kalibrované měřítko zpoždění, bez ohledu na délku a typ kabelového vedení.
Metoda oscilačního výboje spočívá v měření periody (půlcyklu) volných kmitů, které se vyskytují v nabitém kabelovém vedení při porušení izolace v místě poškození z instalace usměrňovače. Při porušení izolace dochází v kabelu k oscilačnímu výboji. Doba oscilace T tohoto výboje odpovídá době, za kterou vlna čtyřikrát projde do místa poškození, proto
kde lx — vzdálenost k místu poruchy, m; V je rychlost šíření vibrační vlny rovna 160-103 km/s.
Zařízení EMKS-58M obvykle měří pouze dobu půlcyklu oscilace. Pak lx = t/2V.
Vzdálenost k místu poškození se zaznamenává na přístrojové stupnici, odstupňované v kilometrech.
Metoda smyčky se používá k určení zóny poškození pro jednofázové a dvoufázové poruchy v přítomnosti jednoho neporušeného jádra nebo paralelního kabelu s neporušenými žilami.
Metoda je založena na principu stejnosměrného měřícího můstku, který umožňuje určit odporový poměr poškozeného jádra kabelu od místa měření k místu zkratu a zpětné smyčky. K tomu se poškozená a nepoškozená jádra kabelu spojí na jednom konci vedení propojkou ve tvaru smyčky (obr. 1).
Obr. 1. Schéma pro určení místa poškození kabelu pomocí smyčkové metody: 1 – fáze testovaného kabelového vedení; 2 — propojka (zkrat); r1, r2 —nastavitelná ramena mostu; L je délka kabelového vedení; lx — vzdálenost od konce čáry k místu poškození
Výsledkem je čtyřramenný most: nastavitelné odpory r1, r2 a odolnost kabelových žil (poškozených i nepoškozených). Po vyvážení mostu pomocí odporů r1 a r2 vzdálenost od místa měření k místu poruchy vedení je určena vzorcem
lx = 2Lr1 /(r1 +r2), m, kde L je délka kabelového vedení, m.
Kapacitní metoda používá se k určení zóny poškození při porušení jednoho nebo více vodičů kabelového vedení, pokud alespoň na jedné straně poškození není porušena izolace. Základem metody je závislost kapacity kabelu na jeho délce. Kapacita přerušeného drátu se měří pomocí střídavého můstku (obr. 2, a) nebo stejnosměrného balistického galvanometru (obr. 2, b).
Obr. 2. Schémata pro určení zóny poškození pomocí kapacitní metody: 1 – žíly testovaného kabelu; 2 – místo přerušení drátu; P1, P2 – spínače; Sx — kapacita v přerušené fázi; Sэ, Rф — nastavitelná kapacita a odpor; R1, R2 — nastavitelný odpor pomocí můstkového obvodu; T – telefon; G – galvanometr; B – zdroj energie; Rш – rezistor
V prvním případě jsou ramena AC můstku tvořena nastavitelnými kombinovanými odpory R1 a R.2, kapacita měřeného jádra Cx a referenční kapacita Cэ s nastavitelným odporem Rф. Na jednu úhlopříčku můstku je přivedeno střídavé audiofrekvenční napětí (obvykle 1000 Hz) a na druhou je připojen telefon nebo střídavý zesilovač s úchylkoměrem. Nastavení odporu R1 a R.2, referenční kapacita Cэ a odpor Rф, získat poklesy napětí na odporech R, které jsou téměř stejné velikosti a fáze1 a R.2 — To odpovídá minimální slyšitelnosti (resp. minimální odchylce ručičky indikátoru), tzn. vyvážení ramen mostu R1 / R.2 = Cx / Sэ.
Z výsledného poměru se určí kapacita měřeného jádra vůči zemi:
Pokud se například přeruší jádro kabelu bez uzemnění, změří se kapacita přerušeného drátu na obou koncích. Za předpokladu, že délka kabelu je úměrná naměřeným kapacitám C1 a C2, máme
jako výsledek dostaneme
Pro upřesnění na trase místa poškození kabelů používají indukční (pro poškození mezi jádry) a akustické (pro plovoucí průrazy) metody. U indukční metody se používá generátor zvukové frekvence. Poškozenými žilami kabelu prochází audiofrekvenční proud. Elektromagnetické vibrace vznikající kolem kabelu jsou zachycovány přijímacím rámem a poslouchány telefonem po celé nepoškozené trase kabelu (za místem poškození zvuk v telefonu zmizí).