دانلود گزارش کارآموزی روشی برای مکان یابی عیب کابل های برق قدرت

روشی برای مکان یابی عیب کابل های 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 1000 ولت تولید می کند . مولد موج خطی را طوری تنظیم می شود که بتواند پهنای 20 ، 50 ، 100 و 400 میکرو ثانیه داشته باشد . مولد پالس با مدوله کننده دو مشخصه بارز دارد :

1 ) ایجاد اطمینان از این که تصویری که روی صفحه اسیلوسکوپ ظاهر می شود تنها برای محدوده زمانی انتخاب شده قابل رویت است .

2 ) 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 1% خواهد بود .

1) شرح روش :

 اصل انعکاس پالس در خطوط انتقال ، برای تشخیص محل معیوب کابل های زیر زمینی از سال 1968 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 3 ارائه شده است . بخش 4 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 5 عرضه خواهد شد .       

2) 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 2 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 1- تا 1+ 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 .

3 ) 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 :

 1 – 3 ) 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 .

 2 - 3 ) 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 5/0 میکرو ثانیه انتخاب شود ( در کابل های قدرت ، این زمان مربوط به یک طول 40 متری است ) ، پریود علائم حداکثر 5/0 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 .

 3 – 3 ) 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 .

4 ) 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 ) 

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 1 نشان داده شده است . شکل موج های مربوط به این دیاگرام در شکل 2 نشان داده شده است .

1 - 4 )مولد جارو کننده (sweep generator) : این مولد ولتاژهای جارو کننده با پهنای 5 و 20 و  100 و 400 میکرو ثانیه به تناسب دامنه انتخاب شده تولید میکند . ماکزیمم محدوده ( 400 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 30 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 1 و پریود تثبیت شده در مقدار 800 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.

2 - 4 ) 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 1 است (mS1)  بنابر این پریود پالس ولتاژ بالا در مقدار 800 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 3 نشان داده شده است .

در غیاب سیگنال تحریک کننده ، لامپ خاموش بوده و خازن تقریبا باندازه ولتاژ منبع شارژ می شود . وقتی سیگنال تحریک کننده اعمال می شود ، لامپ هدایت خود را شروع کرده و خازن شروع به دشارژ شدن میکند . به مجرد این که ولتاژ آند لامپ به پایین تر از ولتاژ نگهداری ( holding ) افت پیدا می کند هدایت لامپ متوقف میشود .

لذا در خروجی مدار یک پالس منفی با دامنه ای تقریبا مساوی با ولتاژ منبع بوجود می اید . چون این پالس فقط در مدتی که لامپ هدایت می کند وجود دارد ، امپدانس منبعی که در آن زمان بوسیله کابل دیده می شود به ترمینال ورودی کابل میرسد، لامپ خاموش بوده و مقاومتی که لامپ میبیند برابر با R2 است. لذا اگرR2 با امپدانس مشخصه کابل تطبیق داشته باشد ، پالس منعکس شده در ترمینال ورودی جذب شده و از انعکاس های چند گانه اجتناب می شود .

3 – 4 ) سیگنال مدوله کننده شدت ( intensity modoulating signal ): این سیگنال از بلاک های آشکار ساز ماکزیمم ( peak detector )  پتانسیومتر ، مقایسه کننده ، مولتی ویبراتور مونو استابل وشکل دهنده پالس ( pulse shaper ) تامین می شود . پالس تحریک کننده برای مولد سیگنال جارو کننده

(sweep generator ) میتواند برای از بین بردن ( blanking ) جزئی از تصویر که خارج از محدوده سویپ است بکار رود . برای بدست آوردن نقطه روشن روی تصویر محو نشده ( unblanking ) یک پالس باریک به پالس از بین برنده اضافه می شود . این پالس پس از طی مراحل زیر تولید می شود :

_ مقدار ماکزیمم ولتاز جارو کننده توسط یک مدار آشکار ساز ماکزیمم ( peek- hold circuit ) ، حس شده و نگه داشته می شود .

_ ولتاز جارو کننده با یک ولتاژ مرجع که توسط جزئی از این مقدار ماکزیمم تامین می شود مقایسه میشود .

_ خروجی مدار مقایسه کننده ( comparatot )  که وقتی که سیگنال جارو کننده از سطح ولتاژ مرجع عبور

کند تغییر حالت می دهد ، مدار مونو استابل 2 ( در شکل 1 ) را تحریک (trigger )  میکند .

_ خروجی مدار مونو استابل 2 ( MS2) با پالس از محو کننده در قسمت مدار شکل دهنده پالس (pulse shaper ) ترکیب شده و پالس مدوله کننده شدت نهایی را بوجود می آورد .

لذا توسط تغییرات پیوسته ولتاژ مرجع مدار مقایسه کننده ، توسط یک پتانسیومتر تنظیم شده ، نقطه ای که پالس خروجی مونو استابل 2 اتفاق می افتد می تواند در عرض سویپ حرکت کند . این پالس مدوله کننده شدت به ورودی  Z  اسیلوسکوپ داده شده که تصویر دلخواه با نقطه روشن قابل حرکت بوجود خواهد آورد .

آزمایش مدار : ( 5

1- 5 ) روش آزمایش : با استفاده از مقدار ثابت دی الکتریک ماده عایق به کار رفته در کابل معیوب ، سرعت پالس تعیین می شود . اگر این عمل امکان پذیر نیست ، سرعت می تواند با استفاده از فاصله معین ترمینال دیگر مشخص شود . برای دریافت انعکاسات ، ترمینال های X و Z مدار به ترمینال های مربوطه روی اسیلوسکوپ وصل می شود که تصویر X-Y مربوطه روی صفحه ظاهر می شود . برای چک کردن حرکت نقطه نورانی ، سیگنال جارو کننده (X ) با هر پهنای زمانی روی صفحه ظاهر می کنیم . کنترل شدت نور اسیلوسکوپ به اندازه ای تنظیم می شود که نقطه نورانی از بقیه قسمت سیگنال قابل تشخیص باشد .

ترمینال های کابل ( یک فاز و دو زمین و یا دو فاز ) به ترمینال های خروجی و زمین مدار اتصال پیدا کرده و ورودی قائم اسیلوسکوپ به ترمینال "2" مدار وصل می شود . رنج زمان اسیلوسکوپ به ماکزیمم مقدار خود منتقل می شود . اگر در تصویر ظاهر شده روی صفحه اسیلوسکوپ ، پالسهای انعکاس یافته چندی وجود دارد ، که به تدریج دامنه آنها کم می شود ، بدلیل انعکاس چند گانه ای است که می توان آنها را توسط  کنترل پتانسیومتر از بین برد . ( این پتانسیومتر می تواند در مدار شکل 3 بصورت سری با R2  بکار رود ).

محور تنظیم چرخانده می شود که نقطه روشن روی صفحه اسیلوسکوپ به لبه پیشرو ( leading edge ) پالس منعکسه مورد نظر منتقل شود . وقتی که سلکتور اسیلوسکوپ بدرستی تنظیم شود ، فاصله زمانی بین پالس اعمال شده و پالس منعکسه انتخاب شده را بصورت قسمتی از محدوده زمان انتخاب شده نشان میدهد .

از آنجا که آخرین پالس منعکس شده روی تصویر مربوط به دورترین ترمینال کابل است ، با استفاده از مقدار طول کابل و فاصله زمانی بین پالس اعمال شده و آخرین پالس منعکس شده ، سرعت انتقال پالس مشخص میشود . با استفاده از این مطلب می توان فاصله بین ترمینال های ورودی تا نقاطی که باعث انعکاس شده است را مشخص کرد .

2 – 5 ) نتایج آزمایش : با استفاده از این دستگاه ساخته شده ، نتایج جدول 1 از چند کابل معیوب بدست آمده است . در تمام این کابلها ، کاغذ به عنوان دی الکتریک استفاده شده و ثابت دی الکتریک برابر با 3.5 در نظر گرفته شده است .

اختلاف کم فاصله عملی و فاصله ای که دستگاه مشخص کرده است ، احتمالا بعلت این حقیقت است که سرعت پالس محاسبه شده با استفاده از ثابت دی اکتریک بوده است ، که مقدار آن دقیق نبوده است . منبع دیگر خطا احتمالا این بوده است که طول کامل کابل ها بطور دقیق مشخص نشده بود و لذا محاسبه سرعت پالس بدقت انجام نگرفته است .

دقت اندازه گیری با این دستگاه را می توان با عکسبرداری سریع از صفحه اسیلوسکوپ زمانی که کابلی سالم مورد آزمایش قرار می گیرد و انعکاس از جعبه های تقسیم مورد مطالعه ، بهبود بخشید . به این ترتیب وقتی از دستگاه برای مشخص کردن عیب کابل معیوب استفاده می شود ، تشخیص انعکاسی که در اثر عیب بوده است ساده تر است .

3 – 5 ) محدودیت ها ومسائل : محدودیت اصلی این دستگاه اسیلوسکوپ است . تقویت کننده افقی اسیلوسکوپ بایستی پاسخ فرکانسی مناسب برای گرفتن سیگنال جارو کننده در پایین ترین محدوده زمانی دستگاه ( در حالت 5 میکرو ثانیه ) داشته باشد . تقویت کننده های Y و Z بایستی توانایی تولید مجدد سیگنال هایی با زمان صعود   کمتر از 40 نانو ثانیه داشته باشند . لذا یک الکتروسکوپ با پهنای باند حداقل 20 مگا هرتز با ورودی های X و Z  مورد نیاز است .

مسائل دیگری که ممکن است بروز کند ، تریگر کردن غلط مدار های فلیپ فلاپ بعلت مجاور بودن با پالس های ولتاژ بالا و تنظیم نقطه روشن برای قرار گرفتن در کل محدوده زمانی سویپ است .

6 ) نتیجه :

دقت در اندازه گیری فواصل با استفاده از این دستگاه ، بویسیله تنظیم صحیح نقطه روشن ، می تواند تا بهتر از 1 % بهبود یابد . قدرت تفکیک تقریبا 1 متر است .

از دستگاه مشابهی می توان برای خطوط هوایی استفاده کرد ، به شرط آینکه پریود پالس ولتاژ بالا و محدوده زمانی سویپ ، به علت وجود فواصل بیشتر بین ایستگاه های فرعی ( substation ) افزایش یابد .

اندازه گیری فاصله زمانی بین پالس رفت و هر کدام از پالس های منعکس شده می تواند بصورت دیجیتالی ، با شمردن تعداد کلاک پالس های بین لبه های پیشرو پالس رفت و پالس های منعکس شده صورت گیرد . انتخاب مناسب فرکانس کلاک ، امکان کالیبراسیون تصویر به صورت دیجیتالی و فواصل به صورت متر را میسر میسازد . این روش هم اکنون مورد استفاده است .

منبع:

www.barghmadar.com