روشی برای مکان یابی عیب کابل هاي برق قدرت

روشی برای مکان یابی عیب کابل هاي برق قدرت
خلاصه :
افزایش استفاده از کابل زیر زمینی برای توزیع نیرو ، روش دقیق ، سریع و ارزانی را برای موضع یابی عیب کابل ایجاد می کند . این مقاله یک موضع عیب یاب را بر اساس انعکاس پالس در خطوط انتقال بررسی خواهد کرد .

سیستم مورد نظر متشکل از پالس ولتاژ بالا ، مولد قابل تنظیم موج خطی و مولد پالس با مدوله کننده شدت نور می باشد . دستگاه جنبی بکار رفته در این روش اسیلوسکوپ خواهد بود . پالسر ولتاژ بالا پالس های منفی با با دامنه حدود ۱۰۰۰ ولت تولید می کند . مولد موج خطی را طوری تنظیم می شود که بتواند پهنای ۲۰ ، ۵۰ ، ۱۰۰ و ۴۰۰ میکرو ثانیه داشته باشد . مولد پالس با مدوله کننده دو مشخصه بارز دارد :

۱ ) ایجاد اطمینان از این که تصویری که روی صفحه اسیلوسکوپ ظاهر می شود تنها برای محدوده زمانی انتخاب شده قابل رویت است .
۲ ) این مدار یک نقطه نورانی روی صفحه اسیلوسکوپ تولید می کند که موقعیت آن روی محور زمان توسط یک پتانسیومتر قابل تنظیم است . خطای موضع یابی حداکثر ۱% خواهد بود .

۱) شرح روش :
اصل انعکاس پالس در خطوط انتقال ، برای تشخیص محل معیوب کابل های زیر زمینی از سال ۱۹۶۸ مورد استفاده قرار گرفته است . مزایای این روش ، از جمله سهولت در اندازه گیری و توانایی آن برای تشخیص طبیعت عیب ، با یک دقت منطقی ، باعث عمومیت پیدا کردن این روش شده است .

این مقاله مشخصات بارز دستگاهی از این نوع را طراحی و مورد آزمایش قرار گرفته است شرح خواهد داد . اصل کار دستگاه در بخش بعدی به طور خلاصه شرح داده شده و چندین طرح برای اندازه گیری فاصله زمانی در بخش ۳ ارائه شده است . بخش ۴ طرح کلی سیستم را ، شامل سیگنال جارو کننده(sweep signal)، پالس ولتاژ بالا و سیگنال مدوله شده با شدت نور(intensity modulation signal)مورد بررسی قرار خواهد داد . توانایی ها و محدودیت های دستگاه و چند نتیجه با بکار بردن اسیلوسکوپی که سه ورودی x y z را میتواند پذیرا باشد ، در بخش ۵ عرضه خواهد شد .
۲) اصول کار :
در یک خط انتقال و یا کابل انتقال ، اگر یک ورودی تک پله ای با دامنه E اعمال شود ، موج رفت با یک تاخیر زمانی به اندازهŤثانیه ، که در زیر مشخص شده ، به انتهای کابل خواهد رسید :

که در آن :
طول خط بر حسب متر =d
سرعت نور بر حسب متر بر ثانیه =c
ثابت دی الکتریک بکار رفته در کابل = Er
اگر در انتهای خط ، امپدانس بار با امپدانس مشخصه خط مساوی نباشد ، موج به طرف ابتدای خط منعکس می شود و ضریب انعکاس(reflection coefficient ) در زیر مشخص شده است :

که در آن :
امپدانس بار =Zl
امپدانس مشخصه خط =Zo
این موج منعکس شده در لحظه t=2t به ابتدای خط خواهد رسید . اگر امپدانس منبع مساوی با zo باشد در این لحظه انعکاس بیشتری در ابتدای سیستم اتفاق نمی افتد بنابراین برای یک پالس ورودی متناوب ، با پریودی بیش از ۲ ثابت زمانی می توانیم اشکال پایداری از پالس های برخورد کننده و منعکس شده روی صفه اسیلوسکوپی که به ابتدای خط متصل شده است مشاهده کنیم .

برای کابلی با امپدانس در حال تغییر ( به علت اتصالات و یا عیوب ) ، در طول مسیرش انعکاساتی به تناسب وجود خواهد داشت . فاصله زمانی بین این ها متناسب با فواصل آن هاست ، در صورتیکه دامنه ها و فازهای آنها سطوح امپدانس را نسبت به امپدانس مشخصه نشان خواهد داد . چون ضریب انعکاس مقداری بین ۱- تا ۱+ خواهد داشت . پالس منعکس شده ممکن است هم فاز و یا غیر هم فاز با پالس اولیه باشد در حالیکه دامنه آن متناسب با اندازه ضریب انعکاس خواهد بود .

بنابراین عیب کابل بر اساس این که امپدانسی بیشتر و یا کمتر از امپدانس مشخصه کابل دارد می تواند مشخص شود که این نیز بستگی به این موضوع دارد که پالس منعکس شده هم فاز با پالس ورودی است یا خیر ، فاصله قسمت معیوب را میتوان با استفاده از سرعت پالس و فاصله زمانی بین دو پالس محاسبه کرد .
۳ ) طرح اندازه گیری زمان :

روشهای متنوعی برای تولید پالس و اندازه گیری فاصله زمانی وجود دارد . زمانی که پالس تولید شد ، موضوع با اهمیت بعدی ، اندازه گیری فاصله زمانی پالس است . قبل از اینکه شمای دستگاهی که امروزه مورد استفاده قرار میگیرد ارائه شود ، دو روش معمول برای اندازه گیری در زیر شرح داده خواهد شد :
۱ – ۳ ) اندازه گیری فاصله زمانی به کمک سویپ داخل اسیلوسکوپ : ساده ترین راه برای اندازه گیری فاصله زمانی بین پالس اعمال شده و پالس منعکس شده مشاهده همزمان آنها روی صفحه اسیلوسکوپ با استفاده از سویپ داخلی آن میباشد . در این روش ، هر دو عامل دقت و میزان تفکیک اندازه گیری بسنگی به دقت چشم در اندازه گیری زمان تاخیر روی صفحه اسیلوسکوپ خواهد داشت .

۲ – ۳ ) اندازه گیری با استفاده از علائم نشان دهنده (marker pips) : در این روش بهمراه با تصویر پالسهای اعمال شده ، علائم نشان دهنده زمانی در فواصل زمانی مشخص زمانی نیز روی صفحه اسیلوسکوپ ظاهر می شود . بنابراین با شمردن تعداد علائم بین دو پالس ، فاصله زمانی را می توان محاسبه کرد .
از نقطه نظر تئوری این یک روش دقیقی است ولی به هر حال دقت اندازه گیری بستگی به دقت پریود علائم دارد عامل آخری دقت اندازه گیری نهایی را محدود می کند . برای مثال اگر فاصله زمانی ۵/۰ میکرو ثانیه انتخاب شود ( در کابل های قدرت ، این زمان مربوط به یک طول ۴۰ متری است ) ، پریود علائم حداکثر ۵/۰ میکروثانیه می تواند باشد . بنابراین این موضوع باعث می شود که احتیاج به تولید علائم فرکانس داشته باشیم . همچنین باید پال اسیلوسکوپ دو کاناله با پهنای باند کافی باشد که از همزمانی synchronazation) بین علائم و پالسهای ولتاژ بالا اجتناب گردد .

۳ – ۳ ) اندازه گیری زمان به روش مدولاسیون شدت 🙁 ( Intensity modulation روش بهبود یافته ای نسبت به روش فوق با استفاده از مدولاسیون شدت تصویر ظاهر شده روی صفحه اسیلوسکوپ وجود دارد . در روش مدولاسیون شدت تنها قسمت دلخواه سیگنال روی صفحه اسیلوسکوپ ظاهر می شود که نقطه ای نورانی نیز روی آن وجود دارد . اگر نقطه نورانی بتواند بصورت پیوسته از ابتدای پالس اعمال شده تا انتهای تصویر ظاهر شده روی صفحه حرکت کند ، می توان این حرکت را بر حسب واحد زمان مدرج کرد . توضیح دستگاهی که با این روش اندازه گیری زمان کار می کند در بخش بعدی ارائه شده است .
۴ ) طرح کلی سیستم :

چون در حالتی که از روش مدولاسیون شدت برای اندازه گیری زمان استفاده میشود ، تصویر بایستی برای قسمت مشخصی از زمان قابل رویت باشد ، سویپ با پهنای مساوی با محدوده زمانی ، مورد نیاز است . شروع سویپ بایستی با شروع پالس رفت همزمان گردد . برای اجتناب از تشکیل تصویر خارج از محدوده زمانی انتخاب شده ، یک سیگنال محو کننده(blanking signal ) با پلاریته مناسب بایستی در دسترس باشد . این سیگنال محو کننده همچنین بایستی در تامین روشنایی یک نقطه تیز روشن ، که در طول محور زمان قابل حرکت است ، شرکت نماید ( در محدوده انتخاب شده ) .

بر اساس احتیاجات فوق ، دیاگرام بلوکی دستگاه مورد نظر در شکل ۱ نشان داده شده است . شکل موج های مربوط به این دیاگرام در شکل ۲ نشان داده شده است .

۱ – ۴ )مولد جارو کننده (sweep generator) : این مولد ولتاژهای جارو کننده با پهنای ۵ و ۲۰ و ۱۰۰ و ۴۰۰ میکرو ثانیه به تناسب دامنه انتخاب شده تولید میکند . ماکزیمم محدوده ( ۴۰۰ میکروثانیه ) به ترتیبی انتخاب می شود که ماکزیمم فاصله عیبی که می تواند اندازه گیری شود . برای کابلی که کاغذی با r=3.6 بعنوان دی الکتریک داشته باشد ، تقریبا ۳۰ کیلو متر باشد .
سیگنال تحریک کننده سویپ از یک ساعت کریستالی . پس از تقسیم فرکانس مناسب برای محدوده های مختلف تامین می شود . از پالس های مربعی پیوسته با پریود مساوی زمان دامنه انتخاب شده ، تک پالسی همزمان با خروجی مونو استابل ۱ و پریود تثبیت شده در مقدار ۸۰۰ میکرو ثانیه از مولد تک پالس تولید می شود .
پهنای این پالس توسط سوئیچ انتخاب کننده محدوده زمان تغییر میکند . این پالس برای کنترل عمل شارژینگ خازن مدار مولد سویپ بکار برده می شود . این سیگنال جارو کننده به ورودی افقی اسیلوسکوپ داده میشود.

۲ – ۴ ) مولد پالس ولتاژ بالا ( high voltage pulser ) : پالس ولتاژ بالا تقریبا توسط یک تیراتون (thyratron) تولید می شود . سیگنال آتش این مدار خروجی تقویت شده مدار مونو استابل ۱ است (mS1) بنابر این پریود پالس ولتاژ بالا در مقدار ۸۰۰ میکرو ثانیه تثبیت می شود . این پالس مستقیما به کابل معیوب اعمال شده و توسط یک مدار از محدود کننده به ورودی قائم اسیلوسکوپ داده می شود . مدار پالسر در شکل ۳ نشان داده شده است .