1. Введение: Важность диагностики неисправностей кабеля
В современном обществе, кабели служат основными носителями энергии, телекоммуникации, и промышленные области, их надежность напрямую влияет на безопасность и стабильную работу системы.. Однако, неисправности кабеля неизбежны из-за факторов окружающей среды, механическое напряжение, старение изоляции, и другие влияния. Отключения или перерывы связи, вызванные этими неисправностями, ежегодно приводят к значительным экономическим потерям.. Следовательно, овладение систематическими и эффективными методами выявления и диагностики неисправностей кабеля имеет решающее значение..
Группа экспертов по кабельным системам составила это руководство на основе стандартов Международной электротехнической комиссии. (МЭК) и Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE), в сочетании с обширным опытом работы. Его цель – обеспечить полную техническую основу процесса., от предварительной оценки неисправности до точного ремонта, помощь техническому персоналу в быстром определении типов и положений неисправностей, эффективное сокращение времени ремонта, минимизация потерь, и комплексное повышение надежности кабельной системы.
2. Классификация повреждений кабеля, Характеристики, и основные причины
Для эффективной диагностики неисправностей кабеля, важно сначала понять типы неисправностей и их основные причины.. Различные типы неисправностей имеют разные электрические характеристики и требуют разных стратегий обнаружения..
2.1 Распространенные типы неисправностей и их электрические характеристики
Повреждения кабеля обычно классифицируются на основе характеристик сопротивления и состояния соединения в точке повреждения.:
Короткое замыкание:
Характеристика: Между фазами происходит неправильное соединение, или между фазой и землей (или нейтральный). Сопротивление точки повреждения обычно очень низкое., близко к нулю (известный как короткое замыкание с низким сопротивлением).
Электрические характеристики: Сопротивление изоляции близко к нулю., и сопротивление контура аномально низкое.
Проявление: Может привести к спотыканию, перегорание предохранителя, или повреждение оборудования.
Разомкнутая цепь:
Характеристика: Жила кабеля оборвана, предотвращение протекания тока. Это может быть полный или частичный разрыв одного, два, или три фазы.
Электрические характеристики: Сопротивление проводника аномально высокое, или даже бесконечный; Сопротивление изоляции может быть нормальным или поврежденным.
Проявление: Оборудование не получает питание, или сигнал связи прерван.
Замыкание на землю:
Характеристика: Проводник кабеля (или изоляционный слой после пробоя) соединяется с землей. Это один из самых распространенных типов неисправностей кабеля.. На основе контактного сопротивления в точке повреждения на землю., его можно классифицировать как замыкание на землю с низким сопротивлением или замыкание на землю с высоким сопротивлением..
Электрические характеристики: Сопротивление изоляции значительно падает, потенциально от сотен МОм или даже бесконечности до десятков или нескольких МОм, или даже ниже 1 кОм (низкое сопротивление) или выше 1 кОм (высокое сопротивление), иногда достигающие сотен МОм (высокое сопротивление).
Проявление: Устройство защиты от замыканий на землю сработало, Ток заземления системы увеличивается ненормально, и может вызвать сдвиг напряжения.
Ошибка высокого сопротивления:
Характеристика: Сопротивление места повреждения высокое., возможно в диапазоне от нескольких кОм до нескольких МОм. Обычно это происходит из-за ухудшения изоляции., карбонизация, или частичная поломка, но еще не сформировал полный низкоомный путь. Повреждения с высоким сопротивлением часто являются ранней стадией многих повреждений с низким сопротивлением и пробоев..
Электрические характеристики: Сопротивление изоляции падает, но все же имеет определенную ценность. Под высокое напряжение, в точке неисправности может произойти перекрытие или разряд, приводит к нестабильным значениям сопротивления.
Проявление: Может вызвать локальный нагрев, повышенные диэлектрические потери, частичный разряд, так далее. Рано, явных внешних признаков может не быть, но это легко выявляется при испытаниях на выдержку.
Ошибка перекрытия:
Характеристика: Под высоким напряжением, разряд происходит на поверхности или внутри изолятора, формирование переходной или прерывистой проводимости. Характеристики изоляции могут временно восстановиться после снятия напряжения..
Электрические характеристики: Сопротивление точки повреждения резко падает с увеличением напряжения и увеличивается, когда напряжение снижается или снимается..
Проявление: В системе может произойти мгновенное замыкание на землю или короткое замыкание., вызывающие защитные действия, но повторное включение может быть успешным. Диагностика является сложной задачей.
Прерывистая неисправность:
Характеристика: Симптомы неисправности периодически появляются и исчезают., возможно, связано с такими факторами, как температура, влажность, уровень напряжения, или механическая вибрация. Например, крошечная трещина может расшириться при повышении температуры, вызывая контакт, и отделить, когда температура упадет.
Электрические характеристики: Сопротивление и состояние соединения точки повреждения нестабильны и изменяются в зависимости от внешних условий..
Проявление: Устройства защиты системы работают с перебоями, затрудняет выявление неисправностей и представляет собой серьезную проблему для диагностики.
2.2 Анализ внутренних и внешних факторов, приводящих к неисправностям кабеля
Неисправности кабеля не случайны; их причины сложны и разнообразны, обычно возникает в результате длительного или временного действия множества факторов:
Механические повреждения:
Внешние причины: Случайное повреждение экскаваторами, трубоподъемное оборудование, и т.п., во время строительства; ущерб от дорожного строительства или деятельности третьих лиц; растягивающее или сжимающее напряжение от осадки фундамента или движения грунта; животное (например, крысы, термиты) грызть ножны.
Внутренние причины: Чрезмерное изгибание или натяжение во время установки.; плохое качество монтажа или внешнее силовое воздействие на кабельную арматуру (например, суставы, прекращение).
Химическая коррозия:
Коррозионные вещества в почве, такие как кислоты, щелочи, и соль,разрушает оболочку кабеля и слои брони; жидкие промышленные отходы, масляные пятна, и т.п., проникнуть в структуру кабеля; электролитическая коррозия (особенно в районах блуждающих течений).
Термическое старение:
Длительная работа с перегрузкой или высокая температура окружающей среды при укладке вызывают ускоренное старение., закалка, охрупчивание, или даже карбонизация материалов изоляции и оболочки кабеля, приводит к потере изоляционных характеристик. Плохая теплоотдача (например, плотно упакованные кабели, недостаточная вентиляция) усугубляет термическое старение.
Попадание влаги и влажность:
Повреждение оболочки кабеля, плохая герметизация стыков, или попадание влаги в наконечники приводит к попаданию воды во внутреннюю часть кабеля.. Под действием электрического поля, влага образует Вода Деревья, микроскопические каналы разрушения изоляционного материала, которые существенно снижают электрическую прочность и в конечном итоге приводят к пробою (Электрические деревья).
Электрический стресс:
Перенапряжение: Импульсы перенапряжения, вызванные ударами молнии, операции переключения, резонанс, и т.п., может превысить предел прочности изоляции кабеля., приводит к разрушению изоляции.
Концентрация электрического поля: Дефекты конструкции или монтажа в кабельные аксессуары (суставы, прекращение) привести к неравномерному распределению электрического поля, создание чрезмерно высокой напряженности электрического поля на локальных участках, ускорение разрушения изоляции, и частичный разряд.
Частичный разряд (ПД): Когда крошечные пустоты, примеси, влага, или другие дефекты существуют внутри, на поверхности, или на границах раздела изоляционного материала, Частичный разряд может произойти под рабочим напряжением, высвобождение энергии, постепенное разрушение изоляционного материала, формирование разрядных каналов, и в конечном итоге приводит к пробою изоляции.
Конструктивные и производственные дефекты:
Примеси, пустоты, или посторонние предметы в изоляционном материале во время изготовления корпуса кабеля; неправильный процесс экструзии, приводящий к неравномерной толщине изоляции или микротрещинам; шероховатая поверхность или выступы на металлических экранах или полупроводниковых слоях.
Проблемы с качеством материалов для кабельной арматуры (суставы, прекращение) или необоснованный структурный дизайн.
Монтажные и строительные дефекты:
Неправильная прокладка кабеля (слишком маленький радиус изгиба, чрезмерное натяжение, близость к источникам тепла или коррозии); нестандартные процессы изготовления концевой заделки кабеля (неточные размеры зачистки, неправильная обработка полупроводящего слоя, плохая герметизация, неправильная установка стресс-конуса); использование некачественного засыпного материала.
Понимание типов и причин неисправностей имеет основополагающее значение для эффективной диагностики неисправностей и разработки превентивных стратегий..
3. Основные методы и оборудование для диагностики повреждений кабеля
Диагностика неисправности кабеля представляет собой поэтапный процесс., обычно включает оценку неисправности, предварительное расположение, точное местоположение неисправности, и определение места повреждения на местности. Для каждого этапа необходимы разные инструменты и методы..
3.1 Базовое тестирование и предварительная оценка
После подтверждения потенциальной неисправности кабеля, Первым шагом является выполнение основных измерений электрических параметров для предварительной оценки характера неисправности..
Мегомметр (Тестер сопротивления изоляции):
Цель: Измеряет сопротивление изоляции между жилами кабеля, а также между жилами и экраном. (или земля). Это наиболее распространенный и основной метод оценки состояния изоляции кабеля..
Операция: Подайте испытательное напряжение постоянного тока (обычно 500 В, 1000V., 2500V., 5000V., выбирается в соответствии с номинальным напряжением кабеля), и запишите значение сопротивления изоляции через определенное время (например, 1 минута или 10 минуты).
Оценка: Сопротивление изоляции значительно ниже нормальных значений или требований спецификаций. (например, рекомендуемые стандарты: кабели низкого напряжения ≥ 100 МОм/км, 10кВ кабели ≥ 1000 МОм/км) указывает на потенциальное ухудшение изоляции или замыкание на землю. Если значение сопротивления близко к нулю, это указывает на замыкание на землю низкого сопротивления или короткое замыкание.
Мультиметр:
Цель: Измеряет сопротивление проводника постоянному току, проверяет непрерывность (разомкнутая цепь), и измеряет межфазное сопротивление или сопротивление между фазой и землей (подходит для низкого напряжения или ситуаций с низким сопротивлением точки повреждения).
Операция: Используйте диапазон сопротивления для измерения сопротивления на концах проводника, чтобы определить, является ли это разомкнутой цепью.; Измерьте межфазное сопротивление или сопротивление между фазой и землей, чтобы определить, является ли это коротким замыканием или замыканием на землю с низким сопротивлением..
Оценка: Бесконечное сопротивление проводника указывает на обрыв цепи.; Межфазное или фазное сопротивление, близкое к нулю, указывает на короткое замыкание или замыкание на землю с низким сопротивлением..
Кабельный трассировщик:
Цель: Используется для определения точного маршрута кабелей в сценариях невидимой прокладки, таких как прямое захоронение в земле.. Особенно важно на этапе выявления неисправности..
Принцип: На кабель подается сигнал определенной частоты., а приемник обнаруживает наведенное электромагнитное поле для отслеживания пути кабеля..
Модели: Общие модели включают RD8000., вЛокПро, так далее.
3.2 Методы точного определения места повреждения
Базовые тесты могут определить только тип неисправности., не точное местоположение. Методы точного определения места повреждения направлены на измерение расстояния между концом испытания и точкой повреждения..
3.2.1 Рефлектометрия во временной области (СПТР)
Принцип: Быстро нарастающий импульс напряжения подается в кабель и распространяется по нему.. Когда импульс сталкивается с несоответствием импеданса (например, точка неисправности, соединение, прекращение, или открытый конец), часть или весь импульс отражается обратно. Путем измерения временного интервала между переданными и отраженными импульсами, и зная скорость распространения сигнала в кабеле (скорость распространения, ВП), расстояние до места повреждения можно рассчитать: Расстояние = (Разница во времени / 2) * ВП.
Применимые сценарии: Отлично подходит для обнаружения обрывов цепи и коротких замыканий с низким сопротивлением.. Отраженные сигналы ясны и легко интерпретируются..
Ограничения: Для повреждений с высоким сопротивлением (особенно очень высокое сопротивление), энергия импульса может быть ослаблена или поглощена в точке повреждения, что приводит к слабым или искаженным отраженным сигналам, снижение точности определения местоположения или даже невозможность определения местоположения.
Точность: Обычно высокий, может достигать ±0,5% или даже выше (в зависимости от производительности оборудования, точность известного Vp, и опыт оператора). VP необходимо калибровать путем тестирования известной длины исправного участка кабеля..
3.2.2 Метод высоковольтного моста (Петля Мюррея, Мостовой метод)
Принцип: Использует принцип классического моста Уитстона.. Исправный сегмент кабеля или исправная фаза неисправного кабеля используется для построения мостовой схемы.. Когда мост сбалансирован, Расстояние до точки повреждения рассчитывается на основе соотношения сопротивлений жил кабеля.. Обычно используемый мост Мюррея подходит для однофазных замыканий на землю или междуфазных коротких замыканий..
Преимущество: Особенно подходит для защиты от замыканий на землю с высоким сопротивлением. (даже до нескольких МОм), что является слабостью TDR. Принцип основан на измерении сопротивления постоянному току., не зависит от затухания отраженного сигнала.
Операционные точки: Требуется как минимум один исправный проводник в качестве обратного пути.; требует точного измерения общего количества длина кабеля и сопротивление проводника; требует использования генератора высокого напряжения (например, оборудование для испытаний на устойчивость к постоянному току) к “состояние” или “гореть” изоляция вблизи точки повреждения с высоким сопротивлением для снижения сопротивления точки повреждения, облегчение измерения моста или последующей акустико-магнитной локации. Напряжение горения часто бывает высоким., например 8кВ, 15кв, или даже выше, и при эксплуатации необходимо быть предельно осторожными и соблюдать правила техники безопасности..
3.2.3 Метод импульсного тока (ЛЕД) и метод вторичных импульсов (ДА/Я)
Принцип: Эти методы являются усовершенствованием TDR для обнаружения повреждений с высоким сопротивлением.. Они подают на неисправный кабель высоковольтный импульс., вызывая пробой или пробой в точке повреждения с высоким сопротивлением, генерирование импульса тока. Затем датчики фиксируют форму импульса тока, распространяющегося по кабелю., и анализ, аналогичный TDR, используется для обнаружения неисправности путем анализа отраженной волны..
ЛЕД: Непосредственно анализирует отраженный импульс тока, генерируемый в точке повреждения..
ДА/Я (также известный как метод отражения дуги): Использует дугу, образующуюся при пробое точки повреждения, для создания низкоомного сопротивления. “короткое замыкание” для импульса TDR в точке повреждения, генерация четкого отраженного сигнала. Это решает проблему слабых отражений TDR при повреждениях с высоким сопротивлением и в настоящее время является очень эффективным методом борьбы с ними..
Применимые сценарии: Точная предварительная локализация высокоомных замыканий на землю и пробоев.
Оборудование: Обычно интегрируется в профессиональные устройства обнаружения повреждений кабеля., требующие согласования с импульсным высоковольтным генератором (высоковольтное оборудование в фургоне для проверки повреждений кабеля).
3.2.4 Определение места неисправности
Методы предварительной локализации позволяют определить расстояние до места повреждения., но фактическая точка неисправности может находиться на небольшой площади. При определении точки повреждения используются внешние методы, основанные на результатах предварительного определения местоположения, для точного определения места повреждения на земле..
Акустико-магнитный метод:
Принцип: Скачок высокого напряжения (с помощью импульсного генератора высокого напряжения) применяется к неисправному кабелю. Когда точка неисправности выходит из строя и разряжается, он производит звук (волна давления) и электромагнитные сигналы. Оператор использует акусто-магнитный синхронизированный приемник для прослушивания звука через наушники и приема электромагнитного сигнала через индукционную катушку.. Из-за значительной разницы в скоростях распространения звуковых и электромагнитных волн, оборудование может определить, исходят ли звук и электромагнитный сигнал из одного и того же места и отстает ли звук от электромагнитного сигнала (скорость электромагнитной волны близка к скорости света, скорость звуковой волны намного медленнее), таким образом указывая направление и местоположение точки повреждения. Звуковой сигнал наиболее силен непосредственно над местом повреждения..
Применимые сценарии: Различные типы пробоев-разрядов (земля, короткое замыкание, вспышка), особенно эффективен для подземных кабелей, проложенных напрямую.
Операционные точки: Окружающий фоновый шум может повлиять на прослушивание; энергию импульса необходимо отрегулировать так, чтобы вызвать непрерывный разряд в точке повреждения, не повреждая здоровые части кабеля.; оператору необходим опыт, чтобы отличать звуки разряда от других шумов.
Метод шагового напряжения:
Принцип: На заземлённый кабель подается постоянное или низкочастотное переменное напряжение., вызывая утечку тока в землю в месте повреждения. Это создает поле градиента напряжения вокруг точки повреждения.. Два щупа вставляются в землю и подключаются к высокочувствительному вольтметру., и двинулся по кабельной трассе. Непосредственно над местом повреждения, разница напряжений изменит полярность.
Применимые сценарии: Замыкания на землю с низким или средним сопротивлением, особенно полезно в местах неисправностей, в которых не издается четкий звук разряда.
Операционные точки: Значительное влияние оказывает влажность и однородность почвы.; требует достаточного испытательного напряжения и тока; глубина и расстояние введения зонда влияют на точность.
Минимальный ток / Метод максимального магнитного поля:
Принцип: На неисправный кабель подается сигнал звуковой частоты или ток определенной частоты.. Если неисправность связана с коротким замыканием или замыканием на землю с низким сопротивлением., ток образует петлю в месте повреждения; если это разрыв цепи, ток останавливается в точке разрыва. Токовые клещи или датчик магнитного поля используются для определения силы тока или магнитного поля вдоль пути кабеля.. После короткого замыкания или замыкания на землю при низком сопротивлении., ток значительно уменьшится или исчезнет (минимальный ток), или магнитное поле изменится. До точки обрыва цепи, ток нормальный, и после точки, ток равен нулю.
Применимые сценарии: Короткие замыкания с низким сопротивлением, замыкания на землю, или обрыв цепи. Также часто используется вместе с трассировщиком маршрута для подтверждения пути..
3.3 Оценка состояния изоляции и методы раннего предупреждения
Эти методы в основном используются для оценки общего состояния изоляции кабеля и обнаружения потенциальных дефектов.. Они подпадают под категорию профилактического обслуживания или диагностики неисправностей с высоким сопротивлением/ранней стадии..
Частичный разряд (ПД) Обнаружение:
Принцип: Дефекты изоляционного материала (такие как пустоты, примеси) вызвать частичный разряд под действием электрического поля, генерация электрических импульсов, электромагнитные волны, акустические волны, свет, и химические побочные продукты. Детекторы частичного разряда улавливают эти сигналы, чтобы оценить степень ухудшения изоляции и тип дефекта..
Технические параметры: Чувствительность обычно измеряется в пикокулонах. (ПК), способен обнаруживать очень слабые сигналы разряда (например, 1 ПК).
Методы:
Электрический метод: Обнаруживает импульсы тока, генерируемые разрядом (например, через высокочастотный трансформатор тока, датчики HFCT на заземляющих проводах, или путем измерения емкостно связанных сигналов). Применимо для онлайн- или офлайн-тестирования..
Акустический метод: Обнаруживает ультразвуковые волны, генерируемые разрядом (например, через контактные или воздушные датчики). Подходит для тестирования кабельных аксессуаров..
Сверхвысокая частота (УВЧ) Метод: Обнаруживает электромагнитные волны УВЧ (300 МГц – 3 ГГц) генерируемый разрядом. Обеспечивает сильную помехоустойчивость, обычно используется для ГИС, трансформаторы, и т.п., а также может использоваться для концевой заделки кабеля.
Переходное напряжение заземления (ТЭВ) Метод: Обнаруживает переходные напряжения на землю, связанные с металлическими корпусами распределительных устройств., и т.п., из внутреннего ПД.
Цель: Обнаруживает ранние дефекты изоляции в кабелях и их аксессуарах. (например, пустоты в суставах, попадание влаги в клеммы, водяные деревья/электрические деревья в теле кабеля). Это ключевая технология профилактического обслуживания..
Диэлектрические потери (Итак, Дельта, tgδ) Тест:
Принцип: Измеряет тангенс угла диэлектрических потерь изоляционного материала кабеля под напряжением переменного тока.. Диэлектрические потери представляют собой способность изоляционного материала преобразовывать электрическую энергию в тепловую.. Здоровые изоляционные материалы имеют низкие потери, низкое значение tanδ, и значение мало меняется с увеличением напряжения. Попадание влаги, старение, или наличие водяных деревьев и других дефектов изоляции приведет к тому, что значение tanδ будет увеличиваться и быстро увеличиваться с ростом напряжения..
Цель: Оценивает общий уровень проникновения влаги или повсеместного старения изоляции кабеля.. Часто выполняется в сочетании с испытаниями на устойчивость к переменному или СНЧ-измерению..
Выдержать испытание:
Цель: Проверяет способность кабеля выдерживать определенный уровень перенапряжения без нарушения изоляции.. Он эффективно выявляет дефекты, которые проявляются только под высоким напряжением..
Методы:
Устойчивость к постоянному току: Традиционный метод, но напряжение постоянного тока может накапливать пространственный заряд в сшитом полиэтилене и других экструдированных изоляционных материалах., потенциально повредить здоровые кабели. Постепенно его заменяет VLF..
Устойчивость к переменному току: Более точно имитирует реальные условия эксплуатации кабеля., но испытательное оборудование большое и требует большой энергии.
Очень низкая частота (ОНЧ) Устойчивость к переменному току (0.1 Гц): Сегодня широко используется для испытаний на стойкость кабелей из сшитого полиэтилена и других экструдированных изоляционных материалов.. Оборудование портативное, требует низкой энергии, и не вызывает накопления пространственного заряда. Часто сочетается с измерениями tanδ и PD..
В следующей статье, мы объясним устранение неисправностей кабеля в различных сценариях с конкретными случаями. Следите за ZMS CABLE FR, чтобы узнать больше о кабелях.
