Повышение эффективности эксплуатации кабельных линий передачи на основе их диагностики методом импульсной рефлектометрии

Актуальность работы. В современных условиях развития промышленности возрастает роль кабельных линий (КЛ) в сетях связи и системах электроснабжения предприятий. К сожалению, в настоящее время часть ведомственных КЛ на 50−80% морально и физически изношены [1, 2], что является одной из главных причин их аварийных отказов. Предприятиям, имеющим разветвленные и разбросанные по всему городу и за его пределами сети связи и электроснабжения, необходимо иметь как универсальное техническое оснащение, так и квалифицированный персонал. В техническом плане в структуре такого предприятия необходимо иметь специализированное подразделение, например, лабораторию, в которой должно быть сконцентрировано все оборудование, методики диагностики и испытаний, необходимое для качественного обслуживания и ремонта любой КЛ передачи: как симметричного или коаксиального кабеля связи (КС), так и КЛ электропередачи напряжением 6−10 кВ и воздушных линий (ВЛ) электропередачи напряжением 0,4, 6 и 10 кВ.

КЛ относятся к дорогостоящим, ответственным и долговременным элементам систем связи и электроснабжения. Надежность их работы для потребителей I и II категории — одна из важнейших задач их бесперебойного электроснабжения и связи для предприятий с непрерывной технологией производства.

Известно, что запас прочности КЛ рассчитывается на стадии проектирования, а при их изготовлении его величина принимает конкретное значение. Это и определяет уровень надежности работы КЛ в условиях эксплуатации.

Увеличение уровня эксплуатационной надежности КЛ можно достигнуть совершенствованием технологии производства, применением новых изоляционных материалов, конструкций и оболочек кабелей. Создать абсолютно надежное кабельное изделие невозможно, хотя бы потому, что это будет экономически нецелесообразным. Тем самым, основной задачей при эксплуатации КЛ является сохранение его запаса прочности или поддержание уровня надежности, заложенной заводом-изготовителем на рассчитываемый срок.

В реальных условиях эксплуатации на уровень эксплуатационной надежности КЛ воздействует множество разрушающих факторов, что ведет к снижению их надежности. Для сохранения нормативного ресурса или для повышения эксплуатационной надежности КС и КЛ электропередачи напряжением 6−10 кВ до требуемого уровня используются различные мероприятия. К ним можно отнести: создание защитных кабельных сооружений (кабельная канализация и траншея, туннели и каналы, кабельные эстакады и шахты и т. д.) — повышение квалификации обслуживающего персоналаповышение технической оснащенности служб, занимающихся профилактикой, монтажом и ремонтом КЛ.

Несмотря на это все перечисленные мероприятия не исключают возможности возникновения отказов КЛ из-за старения изоляции и возможного наличия в них заводских дефектов, так как при серийном производстве и массовом применении кабелей повышается вероятность появления в их изоляции дефектов из-за разного рода ошибок, возникающих в процессе их изготовления, транспортировки, монтажа, во время эксплуатации. Тем самым, чтобы существенно снизить вероятность аварийного повреждения изоляции КЛ электропередачи напряжением 6−10 кВ, используется система контроля их состояния на основе различных профилактических мероприятий, например повышенным напряжением выпрямленного тока, которая малоэффективна и вредна.

Если анализировать статистику отказов КС и КЛ электропередачи напряжением 6−10 кВ различных напряжений и степень их влияния на возникающие убытки, то наибольшие убытки возникают при отказах КЛ электропередачи напряжением 6−10 кВ, на которые приходится более 70% всех нарушений электроснабжения потребителей [1]. Так как эти КЛ составляют абсолютное большинство КЛ электропередачи напряжением 6−10 кВ промышленных предприятий, то на их состояние обращается особое внимание.

Одним из вариантов решения этой проблемы является замена КЛ, выработавших свой ресурс, но замена всех КЛ в течение двух или трех лет потребует больших финансовых затрат. Следовательно, замену необходимо производить постепенно в течение 10−15 лет. Тогда возникает вопрос о надежности существующих KJI, их ресурсе для дальнейшей работы.

Выходом из этого положения является совершенствование методов диагностики, которые позволят классифицировать KJI по их остаточному ресурсу и создать план постепенной замены старых кабелей, что может реально увеличить срок службы KJI сверх нормативных сроков и с большей экономией затрат обеспечит их техническое обслуживание и ремонт.

Теоретические и практические аспекты решения задач в этой области рассмотрены в работах таких ученых как: Гроднев И. И., Андреев В. А., Шалыт Г. М., Аксенов Ю. П., Лебедев Г. М., Ляпина А. Г., Кадомская К. П., Качесов В. Е., Лавров Ю. А., Сахно В. В., Benjamin T.L., Chen C.S., Roemer L.E., Robinson S.R., Thorn D.C., Grumbach R.S., Backmann M., Pfeiler С., Wabmuth А. и других.

Объектом исследования являются кабельные линии передачи в сетях связи и электроснабжения промышленных предприятий.

Предметом исследования является диагностика их состояния на основе метода импульсной рефлектометрии.

Целью работы является повышение эффективности эксплуатации кабельных линий передачи, создание системы моделирования и количественная оценка рефлектограмм (РФГ) кабельных линий.

Задачи исследования. Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработка математической модели обобщенной кабельной линии передачи (ОКЛП), позволяющей на единой методологической основе проводить анализ процесса распространения импульсного сигнала, как в симметричном кабеле связи, так и в кабельной линии электропередачи напряжением 6−10 кВ.

2. Разработка математической модели обобщенной кабельной линии передачи с сосредоточенной неоднородностью при импульсном входном воздействии.

3. Разработка алгоритма имитационного моделирования обобщенной кабельной линии передачи.

4. Разработка прикладного программного обеспечения, реализующего метод импульсной рефлектометрии и его внедрения на производстве. Проведение численных экспериментов.

5. Разработка методики количественной оценки рефлектограмм кабельных линий с внедрением в эксплуатацию линий передачи.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теории распространения электромагнитных волн в многопроводных линиях передачи, теории цепей с распределенными параметрами, теории функции комплексной переменной, а также теории интегрального и дифференциального исчисления. Применены методы математического моделирования, с применением компьютера. Проведены натурные эксперименты на разработанном экспериментальном стенде.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель обобщенной кабельной линии передачи.

2. Математическая модель кабельной линии передачи с сосредоточенной неоднородностью, представленной в виде четырехполюсника, при импульсном входном воздействии.

3. Алгоритм имитационного моделирования кабельной линии передачи и прикладное программное обеспечение, описывающие процессы распространения импульсного сигнала по кабельной линии и позволяющие производить аналитическое построение ее рефлектограмм.

4. Методика количественной оценки рефлектограмм кабельных линий передачи.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Математическая модель кабельной линии передачи с сосредоточенной неоднородностью, которая в отличие от существующих моделей, позволяет проводить оптимальный анализ результатов диагностики состояния эксплуатируемых, как симметричных кабелей связи, так и кабельных линий электропередачи напряжением 6−10 кВ с учетом затухания и искажения импульсного входного сигнала.

2. Алгоритм имитационного моделирования кабельной линии передачи и прикладное программное обеспечение, которые в отличие от известных алгоритмов и прикладных программных систем, учитывают зависимость вторичных параметров кабеля от частоты, что позволяет аналитически строить рефлекто-граммы различных кабельных линий, анализировать влияние неоднородностей на их форму и прогнозировать состояние линий.

3. Впервые предложена методика количественной оценки влияния неоднородностей на форму рефлектограмм кабельных линий передачи.

Практическую ценность имеют:

1. Методика количественной оценки рефлектограмм кабельных линий, позволяющая отслеживать динамику изменения его состояния, прогнозировать развитие различных дефектов (неоднородностей), что в конечном итоге повысит надежность и эффективность эксплуатации кабельных сетей.

2. Прикладное программное обеспечение, позволяющее не прибегая к измерениям на реальных, находящихся в эксплуатации кабелях (сетях), набрать статистику и установить влияние различных неоднородностей на форму рефлектограмм.

Результаты работы внедрены на производстве в электротехнической лаборатории МУЛ «Уфаводоканал» и использованы в учебном процессе ГОУ ВПО УГАТУ в рамках дисциплин «Направляющие системы электросвязи» и «Линии связи».

Апробация результатов работы. Основные результаты работы обсуждались на: 54-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Уфа, 2003) — Всероссийской научной конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности» (Астрахань 2007) — VII и VIII Международных научно-технических конференциях «Физика и технические приложения волновых процессов» (Казань, 2007, Самара, 2008) — пятой и седьмой Международных конференциях «Оптические технологии в телекоммуникациях» (Уфа, 2007, Самара, 2009) — девятой Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» (Казань, 2008) — на семинарах кафедры «Телекоммуникационные системы» ГОУ ВПО УГАТУ (2008;2009).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 9 публикациях, в том числе в статье журнала, рекомендованного ВАК и 8 статьях в материалах Всероссийских и Международных конференций, а также в одном свидетельстве о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2 009 616 341 от 17 ноября 2009 г.

В печати находится публикация в рецензируемом журнале из списка ВАК: «Анализ процесса распространения сигнала в поврежденной кабельной линии» / Султанов А. Х., Тлявлин А. З., Гильманов Э. А. и др. // Телекоммуникации. Москва: 2010. № 1. С. 7−10.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из 167 страниц машинописного текста, включающего в себя введение, четыре главы основного текста, выводы и заключение- 38 рисунков, 14 таблиц, библиографического списка из 62 наименований и трех приложений на 52 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и трех приложений.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработана математическая модель обобщенной кабельной линии передачи на основе теории цепей с распределенными параметрами с применением обобщенной системы телеграфных уравнений, позволяющая при импульсном входном воздействии в одной из цепей учитывать затухание и искажение формы сигнала. Это дает возможность на единой методологической основе анализировать процесс его распространения, как в симметричном кабеле связи, так и в кабельной линии электропередачи напряжением 6−10 кВ. Определена связь параметров обобщенной модели с параметрами кабеля связи и кабельной линии электропередачи напряжением 6−10 кВ.

2. Разработана математическая модель обобщенной кабельной линии передачи с сосредоточенной неоднородностью, учитывающая импульсное входное воздействие и неоднородность, представленную в виде четырехполюсника с известными А-параметрами. Получены выражения для напряжений и токов в цепях трехпроводной обобщенной кабельной линии передачи, позволяющие численно моделировать процессы диагностики реальных кабельных линий методом импульсной рефлектометрии.

3. Разработан алгоритм имитационного моделирования обобщенной кабельной линии передачи, отличающийся от известных алгоритмов своей универсальностью инвариантного использования, как для кабелей связи, так и для кабельных линий электропередачи напряжением 6−10 кВ, позволяющий оказывать информационную поддержку при принятии решения об их состоянии и обеспечивающий достаточно точную сходимость с экспериментированием на физической модели.

4. На основе алгоритма разработано прикладное программное обеспечение, позволяющее производить аналитическое построение рефлектограмм кабельных линий передачи, набирать статистику по неоднородностям и принимать решение о состоянии линии. (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2 009 616 341 от 17 ноября 2009 г.) В результате численного моделирования установлено, что: при дефекте в виде понижения сопротивления изоляции расхождение по амплитуде отраженного импульса не превышает 8%- при дефекте в виде омической асимметрии расхождение по амплитуде отраженного импульса не превышает 6%- при дефекте представляемого в виде емкости, расхождение по амплитуде отраженного импульса не превышает 12%.

5. Предложена методика количественной оценки рефлектограмм кабельных линий передачи в виде двух параметров: 1) отношение амплитуды отраженного от неоднородности импульса к амплитуде импульса, отраженного от разомкнутого конца в случае отсутствия неоднородности- 2) отношение амплитуды отраженного от неоднородности импульса к амплитуде импульса, отраженного от разомкнутого конца, позволяющая производить количественную оценку дефектов. Результаты работы внедрены в процесс эксплуатации кабельных линий передачи на МУП «Уфаводоканал» и в учебном процессе ГОУ ВПО УГАТУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполненной работы исследована возможность повышения эффетивности эксплуатации кабельных линий передачи на основе совершенствования их диагностики методом импульсной рефлектометрии с использованием положений теории распространения электромагнитных волн и импульсов в многопроводных линиях. А также возможность применения диагностики при эксплуатации кабельных линий передачи в системах телекоммуникаций и электроснабжения.

С целью исключения допущений, в виде так называемых «линий без потерь» или «линий без искажений», а также минимизации погрешностей моделирования кабельных линий передачи с распределенными параметрами учитываются потери энергии в цепях и связь между ними. Одновременно ставилась задача обеспечения хорошей сходимости результатов численного моделирования с экспериментами на физической модели.

По завершению работы над диссертацией предполагается продолжить научно-исследовательскую деятельность в области диагностики состояния кабельных сетей. В частности, ставится задача разработки информационно-измерительного комплекса диагностики кабельных сетей.