W pierwszej części artykułu dotyczącego lokalizowania uszkodzeń w kablach elektroenergetycznych – zamieszczonego w wydaniu 8/2007 magazynu Elektrosystemy – omówiono zagadnienia związane z nieniszczącymi metodami lokalizacji uszkodzeń, w tym pomiar rezystancji izolacji i ciągłości oraz metodę niskonapięciowego reflektometru. Druga część publikacji koncentruje się na metodzie trasera kabli.

Metoda trasera (lokalizatora uszkodzeń) różni się od metody reflektometru m.in. tym, że operator nie analizuje problemu z miejsca, w którym podłączył przyrząd do kabla, ale przemieszcza się wraz z przyrządem wzdłuż trasy kabla. Wyznaczane jest rzeczywiste położenie kabla w ziemi. Metoda ta stanowi dobre uzupełnienie diagnostyki wykonanej reflektometrem.

Rys. 12. Traser (lokalizator uszkodzeń) kabli

Budowa trasera

Traser składa się z nadajnika i odbiornika (rys. 12). Sygnał z nadajnika może być doprowadzony do kabla na kilka sposobów – metodą bezpośredniego (galwanicznego) podłączenia, metodą sprzężenia indukcyjnego przez postawienie nadajnika nad obiektem lub metodą sprzężenia indukcyjnego przez objęcie kabla sztywnym lub elastycznym uchwytem cęgowym. Niektóre trasery umożliwiają lokalizację pasywną bez użycia nadajnika, czyli pozwalają trasować przebieg kabli znajdujących się pod napięciem przemiennym o częstotliwości 50 Hz.

Rys. 13. Uziemienie przeciwległego końca kabla

Nadajniki generują sygnały pomiarowe w szerokim zakresie częstotliwości. Częstotliwości mniejsze od 20 kHz (akustyczne) dobrze sprawdzają się w obszarach zurbanizowanych, tam gdzie występują silne sprzężenia pojemnościowe z innymi instalacjami zakopanymi w ziemi. Małe częstotliwości, z uwagi na niewielki prąd upływności pojemnościowej, przynoszą lepsze efekty na dłuższych dystansach. Wyższe częstotliwości powyżej 20 kHz, nawet do 80 kHz, stosuje się wszędzie tam, gdzie w najbliższym sąsiedztwie nie ma innych obiektów lub gdy kabel jest trasowany na niewielkiej odległości lub gdy nie ma możliwości poprowadzenia ścieżki powrotnej dla sygnału pomiarowego (brak możliwości połączenia przeciwległego końca kabla z ziemią).

Rys. 14. Sprzęgi indukcyjne

Podłączenie trasera

Zawsze w pierwszej kolejności, o ile jest to możliwe, należy podłączyć bezpośrednio jedno z wyjść nadajnika do trasowanego kabla, natomiast drugie do pomocniczej sondy uziemiającej. Jeżeli ziemia w miejscu wbicia sondy jest sucha należy skorzystać z dłuższej sondy lub polać wodą powierzchnię wokół sondy w celu zmniejszenia rezystancji przejścia do ziemi. Sondę pomocniczą należy umieszczać możliwie najdalej od trasowanego kabla oraz sąsiadujących z nim innych kabli lub rur. Zaleca się, aby przeciwległy koniec trasowanego kabla łączyć tymczasowo z ziemią (rys. 13). Jeżeli wykonanie takiego połączenia nie jest możliwe należy doprowadzić do kabla sygnał wyższej częstotliwości 80 kHz, mając na uwadze to, że wówczas efektywny zasięg trasowania mocno się zmniejszy. W takim układzie prąd pomiarowy będzie miał wyłącznie charakter pojemnościowy. W pewnej odległości od nadajnika jego wartość zmniejszy się do zera.

Rys. 15. Podłączenie nadajnika do kabla sprzęgiem indukcyjnym

Rys. 16. Podłączenie indukcyjne z wykorzystaniem wewnętrznej anteny nadajnika

Rys. 17. Pętla pomiarowa przy połączonym końcu kabla z ziemią

Rys. 18. Pętla pomiarowa przy braku połączenia końca kabla z ziemią

Jeżeli bezpośrednie podłączenie nadajnika do kabla nie jest możliwe stosuje się podłączenie indukcyjne cęgami sztywnymi lub elastycznymi tzw. pasem Rogowskiego (rys. 14). Również w tym przypadku zaleca się łączyć tymczasowo przeciwległy koniec trasowanego kabla z ziemią, aby zwiększyć prąd pomiarowy płynący w pętli (rys. 15). W sytuacji, w której trasowany kabel znajduje się pod ziemią i nie ma do niego dostępu, sygnał można doprowadzać metodą indukcyjną stawiając nadajnik na powierzchni ziemi, bezpośrednio nad obiektem (rys. 16). Nadajnik ma wbudowaną antenę nadawczą. Takie sprzężenie wymaga użycia wyższej częstotliwości. Nadajnik musi być oddalony od odbiornika na odległość co najmniej kilku metrów, aby uniknąć zjawiska interferencji.
Najlepsze efekty przynosi taka konfiguracja układu pomiarowego, kiedy odległy koniec kabla jest tymczasowo połączony z ziemią. Dzięki temu zmniejsza się rezystancja pętli, zwiększa prąd pomiarowy oraz natężenie pola elektromagnetycznego, które jest wykrywane przez odbiornik (rys. 17). Jeżeli przeciwległy koniec kabla jest odseparowany od ziemi, wówczas prąd płynący w pętli ma charakter pojemnościowy (przez izolację lub osłonę kabla) i rezystancyjny (przez uszkodzoną izolację kabla) (rys. 18). W sytuacji, w której uziemienie przeciwległego końca kabla nie jest możliwe do wykonania można zamknąć pętlę pomiarową przewodem w izolacji (rys. 19). Należy wówczas umieścić przewód powrotny w pewnej odległości od trasowanego kabla, aby uniknąć powstania zjawiska interferencji.

Rys. 19. Zamknięcie pętli pomiarowej przewodem w izolacji

Rys. 20. Poszukiwanie sygnału w pobliżu miejsca podłączenia nadajnika

Rys. 21. Metody trasowania według sygnału maksymalnego i minimalnego

Wykonywanie pomiarów

Operator, po podłączeniu nadajnika do kabla, powinien rozpocząć trasowanie od zatoczenia wokół nadajnika kręgu o promieniu 3 m w celu wykrycia tego miejsca, w którym odbiornik wskazuje maksimum sygnału (rys. 20). Odbiorniki oferowane są w wersji analogowej (wskaźnik wychyłowy) lub cyfrowej (wskaźnik ciekłokrystaliczny). Zarówno jedne jak i drugie są wyposażane w regulację wzmocnienia sygnału. Informacji wizualnej towarzyszy sygnalizacja akustyczna z regulowanym natężeniem dźwięku.
Niektóre urządzenia mają możliwość wyboru metody trasowania według sygnału maksymalnego lub minimalnego (rys. 21). W bardziej zaawansowanych technicznie zestawach istnieje możliwość określania głębokości zalegania kabla w ziemi automatycznie, w wyniku naciśnięcia jednego przycisku na pulpicie odbiornika. W prostszych, analogowych urządzeniach, wyznaczanie głębokości zalegania przeprowadza się metodą triangulacyjną (rys. 22). Operator powinien raz po raz kontrolować ten parametr, a szczególnie wówczas, kiedy skokowo zmienia się siła odbieranego sygnału. Gwałtownemu zmniejszeniu sygnału powinno towarzyszyć zwiększenie głębokości zalegania kabla. Jeżeli tak nie jest, powodem może być upływność do ziemi lub rozgałęzienie. Należy również brać pod uwagę fakt, że obecność innych obiektów w pobliżu trasowanego kabla może, w wyniku zjawisk interferencji, deformować pole elektromagnetyczne (rys. 23). Błąd trasowania, będący wynikiem takiego zjawiska, jest często niemożliwy do wykrycia i widoczny dopiero po usunięciu ziemi.

Rys. 22. Wyznaczanie głębokości zalegania metodą triangulacyjną

Rys. 23. Błąd trasowania spowodowany deformacją pola elektromagnetycznego

Bardziej zaawansowane urządzenia mierzą również relatywną wartość natężenia prądu pomiarowego płynącego przez kabel. Dysponując taką informacją zdecydowanie ogranicza się ryzyko związane z trasowaniem przebiegu tych kabli, które przenoszą sygnał pasożytniczy o częstotliwości generowanej przez nadajnik.

Rys. 24. Ramka powrotna (A-ramka)

Ramka powrotna (A-ramka)

Jak wspomniano na wstępie podstawowe wykorzystanie traserów związane jest z wyznaczaniem trasy przebiegu kabli, jednak urządzenia te mogą również pełnić funkcję lokalizatorów uszkodzeń kabli. W tym celu wyposaża się je w tzw. ramkę powrotną (A-ramkę), która służy do lokalizacji zwarć doziemnych kabli (rys. 24). Jeżeli podczas trasowania obiektu operator stwierdza gwałtowny spadek sygnału i jednocześnie nie ulega zmianie głębokość zalegania kabla w gruncie, może to oznaczać, że część sygnału na odcinku ostatnich kilku metrów „uciekła” do gruntu. W takiej sytuacji odbiornik mocowany jest na A-ramce oraz wykonywane jest połączenie przewodem sygnałowym między odbiornikiem i A-ramką. Obwód między przednią i tylną sondą A-ramki tworzy ścieżkę dla prądu upływowego. Prąd wpływa jedną sondą A-ramki i wypływa drugą. Odbiornik mierzy wartość prądu płynącego przez A-ramkę. Prąd w gruncie rozpływa się promieniście z miejsca uszkodzenia i posiada największą gęstość w pobliżu miejsca uszkodzenia oraz miejsca montażu sondy uziemiającej nadajnika. Między miejscem uszkodzenia i sondą uziemiającą nadajnika prąd jest silnie rozproszony w gruncie. Lokalizacja miejsca przebicia polega na wbijaniu A-ramki co trzy lub cztery kroki. Odbiornik, w miarę zbliżania do obszaru o dużej gęstości prądu, wskazuje coraz wyższy poziom sygnału (rys. 25). Sygnał nasila się dopóty, dopóki jedna z sond A-ramki nie ominie miejsca uszkodzenia. Jeżeli sondy ramki powrotnej znajdą się dokładnie w równej odległości od miejsca uszkodzenia i po obu stronach od tego miejsca, wówczas prądy płynące przez A-ramkę znoszą się, a wskazanie odbiornika jest bliskie zeru (rys. 26).

Rys. 25. Lokalizacja miejsca upływności do ziemi

Rys. 26. Precyzyjne wyznaczanie miejsca uszkodzenia

Podsumowanie

Na umiejętność lokalizacji uszkodzeń kabli pod ziemią składa się wiedza, indywidualne predyspozycje i, chyba najbardziej, praktyczne doświadczenie operatora. Procedura lokalizacji nie jest zadaniem łatwym i prawdopodobnie, ze względu na nieustanną rozbudowę podziemnych instalacji, pozostanie również czynnością skomplikowaną w przyszłości.

Tomasz Koczorowicz
Autor jest pracownikiem
firmy Tomtronix