1. Introducere: Importanța diagnosticării defecțiunilor cablurilor
În societatea modernă, cablurile servesc ca purtători de bază în putere, telecomunicatii, și domeniile industriale, cu fiabilitatea lor care afectează direct siguranța sistemului și funcționarea stabilă. Cu toate acestea, defecțiunile cablurilor sunt inevitabile din cauza factorilor de mediu, stres mecanic, îmbătrânirea izolației, și alte influențe. Întreruperile sau întreruperile de comunicare cauzate de aceste defecțiuni au ca rezultat pierderi economice semnificative anual. Prin urmare, stăpânirea tehnicilor sistematice și eficiente de identificare și diagnosticare a defecțiunilor cablurilor este de o importanță critică.
Echipa de experți în sistemul de cabluri alcătuiește acest ghid pe baza standardelor Comisiei Electrotehnice Internaționale (IEC) și Institutul de Ingineri Electricieni și Electronici (IEEE), combinate cu o vastă experiență în domeniu. Acesta își propune să ofere un cadru tehnic complet de proces, de la preevaluarea defecțiunii până la repararea precisă, asistarea personalului tehnic în localizarea rapidă a tipurilor și pozițiilor de defecțiuni, scurtarea eficientă a timpilor de reparație, minimizarea pierderilor, și îmbunătățirea completă a fiabilității sistemului de cabluri.
2. Clasificarea defecțiunilor cablurilor, Caracteristici, și cauzele subiacente
Pentru a diagnostica eficient defecțiunile cablurilor, este esențial să înțelegem mai întâi tipurile de defecte și cauzele care stau la baza acestora. Diferite tipuri de defecțiuni prezintă caracteristici electrice diferite și necesită strategii de detectare diferite.
2.1 Tipuri comune de defecțiuni și caracteristicile lor electrice
Defecțiunile cablurilor sunt de obicei clasificate pe baza caracteristicilor de rezistență și a stării conexiunii la punctul de defecțiune:
Defecțiune de scurtcircuit:
Caracteristică: Conexiunea anormală apare între faze, sau între o fază și pământ (sau neutru). Rezistența punctului de eroare este de obicei foarte scăzută, aproape de zero (cunoscut sub numele de scurtcircuit cu rezistență scăzută).
Caracteristica electrică: Rezistența de izolație este aproape de zero, iar rezistența buclei este anormal de scăzută.
Manifestare: Poate duce la împiedicare, arsă siguranța, sau deteriorarea echipamentului.
Defecțiune în circuit deschis:
Caracteristică: Conductorul cablului este întrerupt, împiedicând curgerea curentului. Aceasta poate fi o întrerupere completă sau parțială într-unul, două, sau trei faze.
Caracteristica electrică: Rezistența conductorului este anormal de mare, sau chiar infinit; rezistența de izolație poate fi normală sau deteriorată.
Manifestare: Echipamentul nu reușește să primească energie, sau semnalul de comunicare este întrerupt.
Defecțiune la pământ:
Caracteristică: Conductorul cablului (sau stratul izolator după defectare) se leagă de pământ. Acesta este unul dintre cele mai comune tipuri de defecte ale cablurilor. Pe baza rezistenței de contact la punctul de eroare la pământ, poate fi clasificat ca o defecțiune la pământ cu rezistență scăzută sau o eroare la pământ cu rezistență ridicată.
Caracteristica electrică: Rezistența de izolație scade semnificativ, posibil de la sute de MΩ sau chiar infinit până la zeci sau câțiva MΩ, sau chiar sub 1kΩ (rezistență scăzută) sau peste 1kΩ (rezistență ridicată), ajungând uneori la sute de MΩ (rezistență ridicată).
Manifestare: Dispozitivul de protecție împotriva defecțiunii la pământ funcționează, curentul de masă a sistemului crește anormal, și poate provoca o schimbare de tensiune.
Defecțiune de înaltă rezistență:
Caracteristică: Rezistența punctului de eroare este mare, posibil variind de la câțiva kΩ la câțiva MΩ. Acest lucru rezultă de obicei din degradarea izolației, carbonizare, sau defalcare parțială, dar nu a format încă o cale completă cu rezistență scăzută. Defecțiunile de înaltă rezistență sunt adesea o etapă incipientă a multor defecțiuni cu rezistență scăzută și defecțiuni.
Caracteristica electrică: Rezistența de izolație scade, dar are totuși o anumită valoare. Sub înaltă tensiune, punctul de defecțiune poate suferi o fulgerare sau descărcare, conducând la valori instabile de rezistenţă.
Manifestare: Poate provoca încălzire locală, pierderi dielectrice crescute, descărcare parțială, etc. Devreme, s-ar putea să nu existe semne externe evidente, dar se dezvăluie cu ușurință în timpul testelor de rezistență.
Defecțiune de intermitent:
Caracteristică: Sub tensiune înaltă, descărcarea are loc la suprafață sau în interiorul izolatorului, formând o conducere tranzitorie sau intermitentă. Performanța izolației se poate reveni temporar după ce tensiunea este îndepărtată.
Caracteristica electrică: Rezistența punctului de eroare scade brusc odată cu creșterea tensiunii și crește atunci când tensiunea este scăzută sau îndepărtată.
Manifestare: Sistemul poate avea o eroare instantanee la pământ sau un scurtcircuit, provocând acțiuni de protecție, dar reînchiderea poate avea succes. Diagnosticul este o provocare.
Defecțiune intermitentă:
Caracteristică: Simptomele defectelor apar și dispar intermitent, posibil legat de factori precum temperatura, umiditate, nivelul de tensiune, sau vibratii mecanice. De exemplu, o fisură mică se poate extinde odată cu creșterea temperaturii, provocând contact, și separați când temperatura scade.
Caracteristica electrică: Rezistența și starea de conectare a punctului de defect sunt instabile și se modifică în funcție de condițiile externe.
Manifestare: Dispozitivele de protecție ale sistemului funcționează intermitent, ceea ce face dificilă capturarea defecțiunilor și reprezintă o provocare semnificativă pentru diagnostic.
2.2 Analiza factorilor interni și externi care duc la defecțiuni ale cablurilor
Defecțiunile cablurilor nu sunt întâmplătoare; cauzele lor sunt complexe și diverse, rezultând de obicei din acţiunea pe termen lung sau tranzitorie a mai multor factori:
Deteriorări mecanice:
Cauze externe: Avarii accidentale cauzate de excavatoare, echipamente de ridicare a conductelor, etc., în timpul construcției; daune cauzate de construcția drumurilor sau de activități ale terților; tensiuni de tracțiune sau compresiune din tasarea fundației sau mișcarea solului; animal (de ex., şobolani, termite) roadând teaca.
Cauze interne: Tensiune excesivă de îndoire sau tragere în timpul instalării; calitate slabă a instalării sau impactul forței externe asupra accesoriilor pentru cablu (de ex., articulațiilor, rezilierile).
Coroziune chimică:
Substanțe corozive în sol, precum acizii, alcalii, și sare,erodează mantaua cablului și straturile de armătură; lichide reziduale industriale, pete de ulei, etc., pătrunde în structura cablului; coroziunea electrolitică (mai ales în zonele de curent vagabond).
Îmbătrânire termică:
Operarea pe termen lung la suprasarcină sau temperatura ambientală ridicată în timpul așezării cauzează îmbătrânirea accelerată, întărire, fragilizare, sau chiar carbonizarea materialelor de izolație și manta cabluri, conducând la pierderea performanței de izolare. Disiparea slabă a căldurii (de ex., cabluri dens împachetate, ventilație insuficientă) exacerbează îmbătrânirea termică.
Intrarea de umiditate și umiditate:
Deteriorarea mantalei cablului, etanșare slabă a îmbinărilor, sau pătrunderea umezelii în terminale permite pătrunderea apei în interiorul cablului. Sub acțiunea câmpului electric, umiditatea formează copaci de apă, canale microscopice de deteriorare în materialul izolator, care reduc semnificativ rigiditatea dielectrică și conduc în cele din urmă la defecțiuni (Arbori electrici).
Stresul electric:
Supratensiune: Impulsuri de supratensiune cauzate de loviturile de fulger, operațiuni de comutare, rezonanţă, etc., poate depăși capacitatea de rezistență a izolației cablului, conducând la defectarea izolației.
Concentrația câmpului electric: Defecte de proiectare sau instalare în accesorii pentru cabluri (articulațiilor, rezilierile) duce la distribuția neuniformă a câmpului electric, creând o putere excesiv de mare a câmpului electric în zonele locale, accelerarea degradarii izolatiei, și descărcare parțială.
Descărcare parțială (PD): Când goluri minuscule, impurităţi, umiditate, sau alte defecte există în interior, la suprafata, sau la interfețele materialului izolator, poate apărea descărcare parțială sub tensiune de funcționare, eliberând energie, erodând treptat materialul izolator, formând canale de descărcare, și în cele din urmă conducând la defectarea izolației.
Defecte de proiectare și fabricație:
Impurităţi, goluri, sau materii străine din materialul izolator în timpul fabricării corpului cablului; proces de extrudare necorespunzător care duce la grosimea neuniformă a izolației sau la microfisuri; suprafață rugoasă sau proeminențe pe scuturi metalice sau straturi semiconductoare.
Probleme de calitate cu materialele pentru accesoriile pentru cablu (articulațiilor, rezilierile) sau proiectare structurală nerezonabilă.
Defecte de instalare și construcție:
Pozare necorespunzătoare a cablurilor (rază de îndoire prea mică, tensiune excesivă de tragere, apropierea de surse de căldură sau corozive); procese nestandard de fabricare a terminațiilor de cablu (dimensiuni inexacte de decapare, tratarea necorespunzătoare a stratului semiconductor, etanșare slabă, instalarea incorectă a conului de tensiune); utilizarea de material de rambleu necalificat.
Înțelegerea acestor tipuri și cauze de defecțiuni este fundamentală pentru diagnosticarea eficientă a defecțiunilor și formularea de strategii preventive.
3. Tehnici și echipamente de bază pentru diagnosticarea defecțiunilor cablurilor
Diagnosticarea defecțiunii cablului este un proces pas cu pas, de obicei, inclusiv evaluarea defecțiunilor, pre-localizare, localizarea precisă a defecțiunii, și identificarea locației defecțiunii pe sol. Sunt necesare instrumente și tehnici diferite pentru fiecare etapă.
3.1 Testarea de bază și evaluarea preliminară
După confirmarea unei posibile defecțiuni a cablului, pasul inițial este de a efectua măsurători de bază ale parametrilor electrici pentru a face o evaluare preliminară a naturii defecțiunii.
Megohmmetru (Tester de rezistență la izolație):
Scop: Măsoară rezistența de izolație între conductorii cablului și între conductori și ecran (sau pământ). Aceasta este metoda cea mai comună și de bază pentru evaluarea stării izolației cablurilor.
Operațiunea: Aplicați o tensiune de testare DC (de obicei 500V, 1000V, 2500V, 5000V, selectat în funcție de tensiunea nominală a cablului), și înregistrați valoarea rezistenței de izolație după un timp specificat (de ex., 1 minut sau 10 minute).
Evaluare: Rezistența de izolație semnificativ mai mică decât valorile normale sau cerințele specificațiilor (de ex., standardele recomandate: cabluri de joasă tensiune ≥ 100 MΩ/km, 10cabluri kV ≥ 1000 MΩ/km) indică o potenţială degradare a izolaţiei sau o eroare la pământ. Dacă valoarea rezistenței este aproape de zero, indică o eroare la pământ cu rezistență scăzută sau un scurtcircuit.
Multimetrul:
Scop: Măsoară rezistența conductorului DC, verifică continuitatea (circuit deschis), și măsoară rezistența între fază sau fază-pământ (potrivit pentru tensiune joasă sau situații cu rezistență scăzută la punctul de defect).
Operațiunea: Utilizați intervalul de rezistență pentru a măsura rezistența la capetele conductorului pentru a determina dacă este un circuit deschis; Măsurați rezistența între fază sau fază-pământ pentru a determina dacă este un scurtcircuit sau o eroare la masă cu rezistență scăzută.
Evaluare: Rezistența infinită a conductorului indică un circuit deschis; rezistența între fază sau fază-pământ aproape de zero indică un scurtcircuit sau o eroare la pământ cu rezistență scăzută.
Traseul cablului:
Scop: Folosit pentru a determina traseul precis al cablurilor în scenarii de pozare invizibile, cum ar fi îngroparea directă subterană. Deosebit de important în etapa de identificare a erorilor.
Principiu: Un semnal cu o anumită frecvență este aplicat cablului, iar un receptor detectează câmpul electromagnetic indus pentru a urmări traseul cablului.
Modele: Modelele comune includ RD8000, vLocPro, etc.
3.2 Tehnici precise de localizare a erorilor
Testele de bază pot determina doar tipul de defecțiune, nu locația exactă. Tehnicile de localizare precisă a defectelor urmăresc măsurarea distanței dintre capătul de testare și punctul de defecțiune.
3.2.1 Reflectometrie în domeniul timpului (TDR)
Principiu: Un impuls de tensiune cu creștere rapidă este injectat în cablu și se propagă de-a lungul acestuia. Când pulsul întâmpină o nepotrivire a impedanței (cum ar fi un punct de eroare, comun, rezilierea, sau capăt deschis), o parte sau tot pulsul este reflectat înapoi. Prin măsurarea intervalului de timp dintre impulsurile transmise și reflectate, și cunoașterea vitezei de propagare a semnalului în cablu (viteza de propagare, Vp), se poate calcula distanța de eroare: Distanța = (Diferența de timp / 2) * Vp.
Scenarii aplicabile: Excelent pentru localizarea circuitelor deschise și a scurtcircuitelor cu rezistență scăzută. Semnalele reflectate sunt clare și ușor de interpretat.
Limitări: Pentru defecțiuni de înaltă rezistență (mai ales rezistenta foarte mare), energia pulsului poate fi atenuată sau absorbită în punctul de eroare, rezultând semnale reflectate slabe sau distorsionate, reducerea preciziei locației sau chiar imposibilitatea locației.
Precizie: În general ridicat, poate ajunge la ±0,5% sau chiar mai mult (în funcție de performanța echipamentului, acuratețea Vp cunoscută, și experiența operatorului). VP trebuie calibrat prin testarea unei lungimi cunoscute a unei secțiuni de cablu sănătoase.
3.2.2 Metoda podului de înaltă tensiune (Murray Loop, Metoda podului)
Principiu: Utilizează principiul podului clasic Wheatstone. Un segment de cablu sănătos sau o fază sănătoasă din cablul defect este utilizat pentru a construi un circuit de punte. Când podul este echilibrat, distanța punctului de eroare se calculează pe baza raportului de rezistență al conductorilor cablului. Podul Murray Loop folosit în mod obișnuit este potrivit pentru defecțiuni monofazate la pământ sau scurtcircuite fază-la fază.
Avantaj: Potrivit în special pentru defecțiuni la pământ de înaltă rezistență (chiar și până la câțiva MΩ), care este o slăbiciune pentru TDR. Principiul se bazează pe măsurarea rezistenței DC, neafectat de atenuarea semnalului reflectat.
Puncte de operare: Necesită cel puțin un conductor sănătos ca cale de întoarcere; necesită măsurarea precisă a totalului lungimea cablului și rezistența conductorului; necesită utilizarea unui generator de înaltă tensiune (cum ar fi echipamentele de testare a rezistenței la DC) la “stare” sau “arde” izolația în apropierea punctului de defect de înaltă rezistență pentru a reduce rezistența punctului de defect, facilitând măsurarea podului sau localizarea ulterioară acustic-magnetică. Tensiunea de ardere este adesea mare, cum ar fi 8kV, 15kV, sau chiar mai sus, iar operarea trebuie să fie extrem de precaută și să respecte reglementările de siguranță.
3.2.3 Metoda curentului de impuls (GHEAŢĂ) și metoda impulsului secundar (DA/EU)
Principiu: Aceste metode sunt îmbunătățiri ale TDR pentru localizarea defecțiunilor de înaltă rezistență. Ei aplică un impuls de înaltă tensiune cablului defect, provocând defecțiuni sau fulgerări la punctul de defect de înaltă rezistență, generând un impuls de curent. Senzorii captează apoi forma de undă a impulsului curent care se propagă de-a lungul cablului, iar analiza similară cu TDR este utilizată pentru a localiza defecțiunea prin analiza undei reflectate.
GHEAŢĂ: Analizează direct impulsul de curent reflectat generat în punctul de eroare.
DA/EU (cunoscută și sub denumirea de Metoda de reflectare a arcului): Utilizează arcul format în timpul defectării punctului de eroare pentru a crea o impedanță scăzută “scurt-circuit” pentru impulsul TDR la punctul de eroare, generând o formă de undă reflectată clar. Acest lucru depășește problema reflexiilor TDR slabe în defecțiunile de înaltă rezistență și este în prezent o metodă foarte eficientă pentru a le trata.
Scenarii aplicabile: Localizarea precisă în prealabil a defecțiunilor la pământ de înaltă rezistență și a defecțiunilor flashover.
Echipamente: De obicei integrate în localizatoare profesionale de defecțiuni ale cablurilor, necesitând coordonarea cu un generator de înaltă tensiune (echipamente de înaltă tensiune într-o dubă de testare a erorilor de cablu).
3.2.4 Identificarea punctului de eroare
Tehnicile de pre-localizare oferă distanța de defect, dar punctul de eroare real poate fi într-o zonă mică. Localizarea punctului de defecțiune utilizează metode externe bazate pe rezultatul pre-localizării pentru a determina cu precizie locația defecțiunii pe sol.
Metoda acustic-magnetică:
Principiu: O supratensiune de înaltă tensiune (folosind un generator de înaltă tensiune) este aplicat pe cablul defect. Când punctul de eroare se defectează și se descarcă, produce sunet (val de presiune) și semnale electromagnetice. Un operator folosește un receptor sincron acustic-magnetic pentru a asculta sunetul prin căști și pentru a primi semnalul electromagnetic printr-o bobină de inducție. Datorită diferenței semnificative în vitezele de propagare dintre undele sonore și cele electromagnetice, echipamentul poate determina dacă sunetul și semnalul electromagnetic provin din aceeași locație și dacă sunetul întârzie semnalul electromagnetic (viteza undelor electromagnetice este apropiată de viteza luminii, viteza undelor sonore este mult mai mică), indicând astfel direcția și localizarea punctului de eroare. Semnalul sonor este cel mai puternic chiar deasupra punctului de eroare.
Scenarii aplicabile: Diferite tipuri de defecțiuni de descărcare prin defecțiune (sol, scurt-circuit, flashover), deosebit de eficient pentru cablurile subterane îngropate direct.
Puncte de operare: Zgomotul ambiental poate afecta ascultarea; energia de supratensiune trebuie ajustata pentru a provoca o descărcare continuă în punctul de defecțiune, fără a deteriora părțile sănătoase ale cablului; operatorul are nevoie de experiență pentru a distinge sunetele de descărcare de defect de alte zgomote.
Metoda de tensiune în pas:
Principiu: O tensiune de curent continuu sau de curent alternativ de joasă frecvență este aplicată unui cablu cu defecțiune la pământ, determinând scurgerea curentului în pământ în punctul de eroare. Acest lucru creează un câmp de gradient de tensiune în jurul punctului de eroare. Două sonde sunt introduse în pământ și conectate la un voltmetru de înaltă sensibilitate, și s-a deplasat pe calea cablului. Direct deasupra punctului de eroare, diferența de tensiune va inversa polaritatea.
Scenarii aplicabile: Defecțiuni la pământ cu rezistență scăzută sau medie, deosebit de util pentru punctele de defect care nu produc un sunet clar de descărcare.
Puncte de operare: Afectat semnificativ de umiditatea și uniformitatea solului; necesită suficientă tensiune și curent de testare; adâncimea de introducere a sondei și distanța afectează precizia.
Curent minim / Metoda câmpului magnetic maxim:
Principiu: O frecvență audio sau un semnal de curent de frecvență specifică este aplicat cablului defect. Dacă defecțiunea este un scurtcircuit sau o eroare la masă cu rezistență scăzută, curentul formează o buclă la punctul de eroare; dacă este un circuit deschis, curentul se oprește la punctul de întrerupere. O clemă de curent sau un senzor de câmp magnetic este utilizat pentru a detecta intensitatea curentului sau a câmpului magnetic de-a lungul traseului cablului. După un scurtcircuit sau un punct de eroare la masă cu rezistență scăzută, curentul va scădea sau va dispărea semnificativ (curent minim), sau câmpul magnetic se va schimba. Înainte de un punct de circuit deschis, curentul este normal, iar după punct, curentul este zero.
Scenarii aplicabile: Scurtcircuite cu rezistență scăzută, defecțiuni la pământ, sau defecțiuni în circuit deschis. De asemenea, este adesea folosit împreună cu un traseu pentru a confirma calea.
3.3 Evaluarea stării de izolare și tehnici de avertizare timpurie
Aceste tehnici sunt utilizate în principal pentru a evalua starea generală de sănătate a izolației cablului și pentru a detecta defecte potențiale. Acestea se încadrează în categoria întreținerii preventive sau diagnosticarea defecțiunilor de înaltă rezistență/stadii precoce.
Descărcare parțială (PD) Detectare:
Principiu: Defecte ale materialului de izolare (precum golurile, impurităţi) provoacă descărcări parțiale sub influența câmpului electric, generand impulsuri electrice, unde electromagnetice, unde acustice, aprinde, și produse secundare chimice. Detectoarele PD captează aceste semnale pentru a evalua gradul de degradare a izolației și tipul de defect.
Parametrii tehnici: Sensibilitatea este de obicei măsurată în picocoulombs (pc), capabil să detecteze semnale de descărcare foarte slabe (de ex., 1 pc).
Metode:
Metoda electrică: Detectează impulsurile de curent generate de descărcare (de ex., prin senzori HFCT cu transformator de curent de înaltă frecvență pe cablurile de masă, sau prin măsurarea semnalelor cuplate capacitiv). Aplicabil pentru testarea online sau offline.
Metoda acustică: Detectează undele ultrasonice generate de descărcare (de ex., prin senzori de contact sau cuplați cu aer). Potrivit pentru testarea accesoriilor pentru cablu.
Frecvență ultra-înaltă (UHF) Metodă: Detectează undele electromagnetice UHF (300 MHz – 3 GHz) generate de descărcare. Oferă imunitate puternică la interferențe, utilizate în mod obișnuit pentru GIS, transformatoare, etc., și poate fi folosit și pentru terminarea cablurilor.
Tensiune tranzitorie la pământ (TEV) Metodă: Detectează tensiunile tranzitorii la masă cuplate pe carcasele metalice ale aparatului de comutare, etc., din PD intern.
Scop: Detectează precoce defectele de izolație ale cablurilor și accesoriilor acestora (de ex., goluri în articulații, pătrunderea umezelii în terminale, arbori de apă/pomi electrici în corpul cablului). Este o tehnologie cheie pentru întreținerea predictivă.
Pierdere dielectrică (Deci Delta, tgδ) Test:
Principiu: Măsoară tangenta unghiului de pierdere dielectrică a materialului izolator al cablului sub tensiune AC. Pierderea dielectrică reprezintă capacitatea materialului izolator de a transforma energia electrică în căldură. Materialele de izolare sănătoase au pierderi reduse, o valoare tanδ scăzută, iar valoarea se modifică puțin odată cu creșterea tensiunii. Pătrunderea umezelii, îmbătrânire, sau prezența copacilor de apă și a altor defecte în izolație va face ca valoarea tanδ să crească și să crească rapid odată cu creșterea tensiunii.
Scop: Evaluează nivelul general de pătrundere a umidității sau îmbătrânirea pe scară largă în izolația cablului. Deseori efectuată împreună cu testele de rezistență AC sau VLF.
Test de rezistență:
Scop: Verifică capacitatea cablului de a rezista la un anumit nivel de supratensiune fără defectarea izolației. Expune eficient defectele care se manifestă doar sub tensiune înaltă.
Metode:
Rezistă la DC: O metodă tradițională, dar tensiunea DC poate acumula încărcătură de spațiu în XLPE și alte izolații extrudate, potenţial dăunătoare cablurilor sănătoase. Este înlocuit treptat de VLF.
Rezistenta la AC: Simulează mai îndeaproape condițiile reale de funcționare a cablului, dar echipamentul de testare este mare și necesită energie mare.
Frecvență foarte joasă (VLF) Rezistenta la AC (0.1 Hz): Utilizat pe scară largă astăzi pentru testarea rezistenței la XLPE și a altor cabluri de izolație extrudată. Echipamentul este portabil, necesită energie scăzută, și nu provoacă acumulare de încărcare spațială. Adesea combinat cu măsurători tanδ și PD.
În articolul următor, vom explica depanarea cablurilor în diferite scenarii cu cazuri specifice. Urmați ZMS CABLE FR pentru a afla mai multe despre cabluri.
