Problematika lokalizácie porúch na kábloch je pomerne komplexná vzhľadom na veľký počet rôznych typov káblov, ako aj rôznych druhov káblových porúch, ktoré vyžadujú špecifickú voľbu vhodných meracích metód a prístrojovej techniky. Treba jasne rozlišovať medzi lokalizáciou porúch na telekomunikačných kábloch, nízkonapäťových kábloch a vysokonapäťových kábloch. Niektoré lokalizačné metódy (ako je reflektometrická metóda na predmeranie vzdialenosti miesta poruchy) sa používajú vo všetkých uvedených oblastiach, ale inak je metodika lokalizácie porúch v závislosti od typu (konštrukcie) kábla a jeho napäťovej úrovne značne odlišná. Preto sa v tomto príspevku budeme ťažiskovo venovať lokalizácii porúch na NN kábloch, ktorá sa dá pri dnešnom stave vývoja meracej techniky realizovať mobilnou, prenosnou technikou.

Na lokalizáciu porúch na VN kábloch sú naproti tomu potrebné výkonnejšie metódy a zariadenia (tzv. rázové generátory a ďalšie), ktoré sa vzhľadom na ich rozmery a hmotnosť väčšinou pevne zabudovávajú do špecializovaných káblových meracích vozidiel. V prípade VN káblov je k dispozícii niekoľko metód na diagnostikovanie izolačného stavu v rámci profylaktickej údržby káblov počas ich životnosti (meranie čiastkových výbojov, meranie stratového činiteľa tan delta), zatiaľ čo pri NN kábloch je jedinou diagnostickou metódou meranie izolačného odporu.

Tento článok sa venuje výlučne lokalizácii porúch na NN kábloch, pričom budeme vychádzať z predpokladu, že podiel káblov s papierovou izoláciou a oloveným tienením je dnes už v oblasti NN sietí zanedbateľný a sústredíme sa preto na meracie metódy aplikovateľné na NN káble s plastovou izoláciou (typicky CYKY, AYKY štvoržilové káble bez tienenia).

Typy káblových porúch

Ak sa teda obmedzíme na oblasť štvoržilových NN káblov bez tienenia, môžeme sa stretnúť s nasledujúcimi typmi porúch, pričom väčšinou máme dočinenia s kombináciou niektorých týchto typov porúch.

Zemné spojenie (zvod žila – zem)

Na mieste poruchy je poškodený vonkajší ochranný plášť, ako aj izolácia aspoň jednej žily a žila (alebo viaceré žily) má vzhľadom na zem nevyhovujúci znížený izolačný stav. Prechodový odpor žily voči zemi sa môže pohybovať v širokom rozmedzí od jednotiek MΩ cez desiatky alebo jednotky kΩ až po stovky Ω. Prechodový odpor zemného spojenia je v konečnom dôsledku ovplyvnený aj odporom zeme, čiže rovnaká porucha môže pri suchom teréne (napr. v lete) vykazovať relatívne vysoký prechodový odpor a pri vlhkom teréne (napr. po daždi) sa môže prechodový odpor zemného spojenia výrazne znížiť.

Zvod žila – žila

Štatisticky najčastejšou príčinou káblových porúch na NN kábloch sú vonkajšie mechanické poškodenia pri výkopových a iných stavebných prácach. Vo väčšine prípadov teda na mieste poruchy dôjde k zemnému spojeniu žily a často aj k zníženiu izolačného stavu medzi žilami. Prechodový odpor takéhoto medzižilového zvodu opäť môže vykazovať široký rozptyl hodnôt, od jednotiek MΩ cez desiatky alebo jednotky kΩ až po jednotky Ω, resp. tvrdý skrat. Znížený izolačný stav (v extrémnom prípade skrat) medzi žilami bez súčasného zemného spojenia na rovnakom mieste (teda vnútorná porucha v kábli bez vonkajšieho poškodenia plášťa a izolácie, obr. 2) je veľmi zriedkavo sa vyskytujúci typ poruchy. Ak k nemu dochádza, tak najčastejšie v káblových spojkách v dôsledku nekvalitnej montáže spojky.

Prerušenie žily

Podobne ako pri medzižilovom zvode, aj k prerušeniu žily (alebo viacerých žíl) dochádza vo väčšine prípadov v dôsledku vonkajšieho mechanického poškodenia kábla pri výkopových prácach. Poškodenie kábla stavebnou mechanizáciou má väčšinou okrem prerušenia žily za následok zároveň vznik medzižilového zvodu a zemného spojenia žily (alebo viacerých žíl) na mieste poruchy. Máme teda často dočinenia s kombináciou viacerých typov porúch, čo s výhodou využívame práve pri lokalizácii miesta poruchy. Prípady prerušenia žily bez súčasného poškodenia vonkajšieho plášťa a izolácie na mieste poruchy (obr. 3) sa vyskytujú veľmi zriedkavo.

Zatečenie kábla

Zatečenie kábla je špecifickým typom poruchy, pričom môže ísť o lokálne zatečenie (napr. mokrá spojka) alebo o celkové zatečenie celej káblovej dĺžky, resp. celého čiastkového úseku. V posledných rokoch sa v dôsledku používania nekvalitných typov NN káblov, ktoré od výroby nie sú pozdĺžne vodotesné (dutiny medzi žilami), hromadia prípady, keď už po relatívne krátkom čase prevádzkovania (napr. po dvoch rokoch) začne kábel vykazovať nevyhovujúce izolačné stavy medzi žilami (všetky kombinácie žíl medzi sebou majú typicky izolačné stavy v desiatkach alebo jednotách kΩ). Kábel je schopný natiahnuť vlhkosť aj na veľkú vzdialenosť a jediné protiopatrenie proti tomuto javu je zatesnenie káblových koncov ihneď po jeho montáži zmršťovacími zakončovacími hlavicami. Treba si uvedomiť, že pri takomto celkovom zatečení kábla v skutočnosti už nejde o lokálnu káblovú poruchu, ktorú možno lokalizovať pomocou meracích metód opísaných ďalej; takýto stav je v skutočnosti nevratným znehodnotením izolačných vlastností kábla a jediným opatrením je jeho kompletná výmena.

Pokiaľ ide o lokálne zatečenie v dôsledku lokálneho poškodenia vonkajšieho plášťa (čiastkový úsek alebo mokrá spojka), lokalizácia takejto poruchy je síce značne zložitá, ale použitím vhodných metód je realizovateľná a porucha je odstrániteľná výmenou spojky alebo čiastkového káblového úseku.

Metódy na lokalizáciu káblových porúch na NN kábloch

Jednotlivé metódy a meracie postupy uvádzame v poradí, v akom sa v praxi aplikujú pri lokalizácii porúch na NN kábloch. Dodržanie tejto postupnosti a metodiky zabezpečuje maximálnu efektivitu a spoľahlivosť lokalizácie.

Meranie izolačného odporu

Prvým meraním po príchode na poruchový kábel by malo byť meranie izolačného stavu. K základnej výbave technika, ktorý vykonáva údržbu NN káblových vedení, patrí vhodný tester izolačného odporu s meracím napätím 500 V a s meracím rozsahom v MΩ, resp. GΩ, a zároveň s meracím rozsahom v kΩ, resp. (na meranie nízkoohmového izolačného stavu. Veľmi často sa na meranie izolačného stavu kábla používajú nevhodné typy „megmetov“, ktoré nemajú kΩ rozsah a ktoré pri zníženom izolačnom stave, napr. medzi žilami, zobrazia hodnotu izolačného odporu ako 0 Ω (teda totálny skrat), pričom v skutočnosti ide o desiatky kΩ. Z hľadiska lokalizácie porúch a voľby vhodnej lokalizačnej metódy je kľúčové poznať skutočný prechodový odpor poruchy (teda či naozaj ide o tvrdý skrat 0Ω alebo o znížený izolačný stav rádovo v kΩ).

Dôležité je najskôr odpojiť a odizolovať všetky žily vrátane nulového vodiča na oboch koncoch meraného kábla a následne premerať izolačné stavy všetkých žíl medzi sebou, ako aj žíl voči zemi a vytipovať kombináciu žíl s najhoršími izolačnými stavmi medzi sebou, resp. žilu s najhorším izolačným stavom voči zemi. Rozsah v jednotkách Ω je dôležitý na premeranie kontinuity žily, resp. na „prezvonenie“ kábla v záujme potvrdenia odpojenia správneho odľahlého konca kábla. Obr. 5 zobrazuje meranie izolačného odporu medzi žilami na kábli verejného osvetlenia.

Reflektometrické meranie (TDR)

Reflektometrické meranie (TDR – Time Domain Reflectometry) je kľúčovou metódou pri lokalizácii káblových porúch. Na lokalizáciu na NN kábloch je výhodné a pre väčšinu porúch postačujúce použiť kompaktné samostatné prenosné prístroje (vhodné napr. aj na lokalizáciu porúch na telekomunikačných párovaných alebo koaxiálnych kábloch). Na lokalizáciu na VN kábloch sú potrebné špeciálne typy reflektometrov, ktoré podporujú aj špeciálne meracie metódy na predmeranie vysokoohmových porúch v kombinácii s ďalšími výkonovými zariadeniami, ako sú rázové generátory alebo skúšobné zdroje. Princíp reflektometra je analogický s princípom radara – prístroj pripojený medzi dve žily (alebo na tienených kábloch medzi žilu a tienenie) vyšle impulz do kábla. Tento impulz sa čiastočne alebo úplne (v závislosti od typu chyby) odrazí od miesta impedančnej zmeny v kábli a na displeji sa zobrazí krivka (tzv. reflektogram). Zo zmeraného času od vyslania impulzu po prijatie reflexie je prístroj schopný vykalkulovať vzdialenosť miesta impedančnej zmeny (poruchy) na kábli, pričom používateľ musí prístroju zadať tzv. polovičnú rýchlosť šírenia impulzu v kábli v/2. Rýchlosť šírenia závisí od typu izolačného materiálu, pričom typická hodnota, s ktorou sa pracuje pri energetických kábloch, je v/2 = 80 m/µs. Na obr. 6 sú znázornené typické vzorové reflektometrické krivky pre jednotlivé typy porúch, pričom paralelná porucha (zvod) sa prejavuje ako záporná reflexia a sériová porucha (zvýšený prechodový odpor alebo prerušenie žily, resp. koniec kábla) ako kladná reflexia.

Z fyzikálneho princípu reflektometrickej metódy vyplýva, že zamerateľné sú len zvody medzi žilami (alebo medzi žilou a tienením), ktorých prechodový odpor je rádovo do 200 Ω. Len čo je prechodový odpor zvodu nad touto hodnotou, činiteľ odrazu je príliš malý a čiastková reflexia z miesta poruchy nie je na krivke dostatočne rozpoznateľná. Čím je prechodový odpor paralelnej poruchy (zvodu) nižší, tým je amplitúda reflexie z miesta poruchy väčšia. V extrémnom prípade tvrdého skratu 0 Ω nastáva totálny odraz (záporná reflexia) s vysokou amplitúdou z miesta skratu a za touto udalosťou už na krivke nie je viditeľný odraz z konca kábla alebo z prípadných ďalších porúch.

Pri lokalizácii porúch na NN kábloch využívame skutočnosť, že vo väčšine prípadov je na mieste poruchy kombinácia viacerých typov porúch – zvod medzi žilami využijeme na približné predmeranie vzdialenosti miesta poruchy reflektometrom a zemné spojenie (zvod žila – zem) využijeme na bodové spresnenie miesta poruchy metódou krokového napätia (pozri časť Bodové spresnenie miesta poruchy metódou krokového napätia). Reflektometrické predmeranie vzdialenosti poruchy sa v praxi používa ako „prvé priblíženie“ na zorientovanie sa z hľadiska približnej vzdialenosti poruchy v záujme skrátenia času potrebného na následné bodové spresnenie poruchy. Presnosť reflektometrického zamerania vzdialenosti poruchy, ale hlavne presnosť, s akou sme schopní vyniesť zmeranú vzdialenosť do terénu, nie sú dostatočné na to, aby sa reflektometrické zameranie použilo ako jediná metóda a na základe nej sa zrealizoval výkop.

Ak nie je splnená podmienka hodnoty prechodovej poruchy medzižilového zvodu do 200 Ω, používajú sa v praxi tzv. prepaľovacie zdroje na zníženie prechodového odporu pod túto hranicu tak, aby bolo následne možné vzdialenosť zvodu predmerať reflektometrom. Zemné spojenie (zvod žila – zem) nie je predmerateľné reflektometrickou metódou, keďže chýba spätná cesta pre odrazený impulz, ktorý je v takomto prípade odfiltrovaný zemou.

Aj na krátkych kábloch (napr. káble verejného osvetlenia) má predmeranie vzdialenosti miesta poruchy reflektometrom praktický význam a výrazne skracuje celkový čas potrebný na lokalizáciu poruchy. Práve na verejnom osvetlení sa napr. vyskytujú pomerne často prípady porúch, ktoré sú priamo pod stĺpom, čiže doslova meter od miesta merania. Vhodný reflektometer, ktorý má dostatočne úzke výstupné impulzy (ideálne 5 ns a menej) a je tak schopný merať aj na krátke vzdialenosti, nás na takúto blízku poruchu ihneď upozorní.

Prepaľovanie káblov

Praktické skúsenosti s lokalizáciou porúch na NN kábloch ukazujú, že väčšina poruchových stavov vykazuje prechodový odpor medzižilových zvodov aj zemných spojení v ohmickej oblasti desiatok až stoviek kΩ. To znamená, že takéto medzižilové zvody nie sú predmerateľné reflektometrom. Preto sa používajú vhodné prenosné prepaľovacie zdroje (zdroje jednosmerného napätia s výstupným napätím aspoň 5 kV a dostatočným výstupným prúdom), pomocou ktorých možno znížiť prechodový odpor poruchy do oblasti pod 200 Ω, v ktorej už je vzdialenosť miesta medzižilového zvodu predmerateľná reflektometrom. Je vhodné použiť prepaľovací zdroj, ktorý zároveň umožňuje aj impulzný (taktovaný) režim výstupného jednosmerného napätia. Tento režim sa s výhodou používa pri poslednej etape lokalizácie poruchy – pri bodovom spresnení pomocou metódy krokového napätia (pozri ďalej). Obr. 8 zobrazuje použitie prenosného prepaľovacieho zdroja na zníženie prechodového odporu káblovej poruchy.

Vytýčenie trasy káblového vedenia

Vytyčovanie trás podzemných káblových a potrubných vedení je samo o sebe každodennou činnosťou prevádzkovateľov inžinierskych sietí, ako aj servisných organizácií vykonávajúcich údržbu týchto sietí. Presné vytýčenie podzemných vedení je základným opatrením, aby sa zabránilo ich poškodeniu pri výkopových prácach a iných stavebných činnostiach. V súvislosti s lokalizáciou porúch na kábloch je presná znalosť priebehu trasy nutnou podmienkou na presné lokalizovanie miesta poruchy. Napr. v oblasti verejného osvetlenia, kde by sme často predpokladali, že trasa kábla predstavuje rovnú spojnicu medzi dvoma stĺpmi verejného osvetlenia, je prax často celkom odlišná a káble bývajú často uložené v na prvý pohľad nelogických priebehoch trasy. Predmeranie vzdialenosti poruchy reflektometrom stráca význam, pokiaľ nepoznáme presný priebeh trasy a nie sme tým činom schopní vyniesť zmeranú vzdialenosť správne do terénu. Na vytyčovanie podzemných vedení sa používajú lokátory pracujúce na princípe elektromagnetickej indukcie. Z generátora tónovej frekvencie (typicky frekvencie v rozsahu od niekoľkých stoviek Hz do max. 100 kHz, pričom najčastejšie sa využíva frekvencia okolo 8 až 10 kHz a výkon do 10 W) privedieme signál na kábel, ktorého trasu chceme určiť. Ak je kábel v beznapäťovom stave, pripájame sa generátorom priamo galvanicky na žilu proti zemi, pri vytyčovaní káblov za prevádzky sa alternatívne používajú tzv. vysielacie kliešte, ktorými sa obopne kábel na mieste napojenia a induktívne sa privedie trasovací signál na vyhľadávané vedenie (obr. 9). Samotný lokátor (prijímač) prijíma magnetické pole okolo trasovaného vedenia a je schopný určiť polohu aj hĺbku uloženia vedenia (obr. 10).

Káble pod napätím možno alternatívne detegovať tzv. pasívnym vyhľadávaním, keď do kábla nepúšťame trasovací signál z generátora, ale prijímač deteguje 50 Hz pole v okolí živého kábla. Takáto pasívna lokalizácia má však len indikatívny charakter a nemôže z hľadiska presnosti a spoľahlivosti nahradiť aktívne vytýčenie v kombinácii s generátorom.

Bodové spresnenie miesta poruchy metódou krokového napätia

Ako sme uviedli v predchádzajúcich častiach, štatisticky prevažná väčšina porúch na NN kábloch je spôsobená vonkajším poškodením, teda na mieste poruchy dochádza k zemnému spojeniu žily (alebo viacerých žíl) proti zemi. Najvýkonnejšou a najpresnejšou metódou na bodovú lokalizáciu zemných spojení je metóda krokového napätia. Do žily, ktorá má zemné spojenie, púšťame jednosmerné impulzné napätie proti zemi (ako zdroj sa používajú väčšinou prenosné prepaľovacie zdroje, ktoré sa zároveň využívajú na zníženie prechodového odporu poruchy, pozri časť Prepaľovanie káblov). Na mieste poruchy vzniká tzv. napäťový lievik a pomocou špeciálneho prijímača krokového napätia so snímacími sondami možno detegovať krokové napätie, pričom smer pravidelných výchyliek galvanometra prijímača nás navádza na miesto poruchy (obr. 11).

Táto metóda má vysokú efektivitu aj pri poruchách, ktoré majú ešte relatívne vysoké prechodové odpory medzi žilou a zemou a umožňuje bodovo lokalizovať miesto poruchy v teréne s presnosťou niekoľko centimetrov. Aj v prípade sťažených podmienok v podobe spevnených povrchov možno vďaka vysokej citlivosti tejto metódy detegovať krokové napätie (detekcia sa môže vykonávať aj paralelne s trasou kábla, snímacie sondy nemusíme zapichávať presne nad trasou).

Na obr. 11 je znázornený princíp lokalizácie zemného spojenia metódou krokového napätia, pričom zapojenie jednosmerného impulzného zdroja znázorňuje pripojenie na tienenie VN kábla proti zemi, čiže tu ide o tzv. plášťovú poruchu VN kábla (poškodenie vonkajšieho plášťa a zvod tienenia voči zemi), ktorá sa lokalizuje rovnakým spôsobom ako zemné spojenie žila – zem na NN kábloch.

Za predpokladu, že na mieste poruchy bol okrem zemného spojenia aj medzižilový zvod a boli splnené podmienky na predmeranie vzdialenosti tohto zvodu reflektometrom (pozri predchádzajúci odsek), vynesieme po zameraní vzdialenosti po poruchu a vytýčení trasy (pozri predchádzajúci odsek) zmeranú vzdialenosť čo najpresnejšie do terénu. Tým činom už máme stanovené približné miesto poruchy a nemusíme pri finálnom bodovom spresnení metódou krokového napätia prechádzať naslepo celú trasu, ale bodové spresnenie miesta poruchy vykonáme len v okolí vyneseného približného predmeraného miesta poruchy, čo výrazne skráti čas potrebný na lokalizáciu. Predmeranie reflektometrom má o to väčší význam, o čo väčšia je dĺžka kábla.

Záver

Metodika a postupy uvedené v tomto príspevku vychádzajú z praktických skúseností v oblasti údržby NN káblov a predstavujú najefektívnejší spôsob lokalizácie prevádzkových káblových porúch. Napriek tomu, že časť metód je univerzálne použiteľná pri všetkých typoch káblov (napr. reflektometrická metóda), lokalizácia porúch telekomunikačných párovaných, resp. vysokonapäťových káblov, má v porovnaní s opísanou metodikou svoje špecifiká a vyžaduje z veľkej miery použitie iných postupov, metód a meracej techniky.

Literatúra

[1] Fault location on power cables. Firemná literatúra Megger.

[2] Herpertz, P.: Time Domain Reflectometers – the physical basis. Electrical Tester. 2014.

Ing. Róbert Madarász
robert.madarasz@megger.com