Эти методы также относятся к группе контактных. В результате акустического контакта с МП воспринимаются механические колебания, распространяющиеся от него. При этом специальные методы и устройства требуются только для ОМП кабельных линий.
Акустический метод практически универсален. Им можно определять повреждения различного характера: однофазные и междуфазные замыкания с различными переходными сопротивлениями; обрывы одной, двух или всех жил; в отдельных случаях возможно определение нескольких повреждений на одной КЛ. Метод с успехом применяется при отыскании повреждений на подводных участках КЛ. Важнейшим достоинством акустического метода является возможность отыскания места замыкания одной жилы на оболочку. Если, однако, при этом переходное сопротивление не превышает нескольких десятков Ом, то найти МП во многих случаях не удается.
Сущность акустического метода заключается в прослушивании над МП звуковых колебаний, вызванных искровым разрядом в канале повреждения. Схема формирователя искрового разряда в МП кабеля приведена на рис. 8.18. Конденсатор С заряжается от высоковольтной выпрямительной установки. Когда напряжение на нем достигнет напряжения пробоя разрядника Р, последний пробьется и конденсатор С начнет разряжаться на поврежденную жилу кабеля. При этом в кабель посылается импульс высокого напряжения. Достигнув МП, этот импульс создаст искровое перекрытие с жилы кабеля на защитную оболочку. Искровой электрический разряд всегда сопровождается звуковым эффектом. Звуковые колебания, возникшие в месте искрового перекрытия, распространяются в окружающую среду и могут быть прослушаны на поверхности земли. По окончании разряда конденсатора разрядник гаснет, что позволяет конденсатору зарядиться снова для последующего разряда. Таким образом, схема обеспечивает периодическое повторение разрядов в МП. Звуки искровых разрядов достигают максимальной громкости над МП.
Звуковые колебания на поверхности земли могут быть прослушаны стетоскопом (рис. 9.7), который обеспечивает звукопроводящую связь между ухом оператора и поверхностью земли, исключая воздушную прослойку. Деревянный стержень стетоскопа хорошо проводит звуковые колебания. Иногда сила звуковых колебаний при искровом разряде оказывается недостаточной для непосредственного прослушивания. В таких случаях применяются акустические датчики с усилителями и индикаторами.
Рис. 9.8. Конструкция акустического датчика.
Известно много конструкций акустических датчиков. Основой датчика является чувствительный элемент — преобразователь механических колебаний звукового частотного диапазона в электрические. Наиболее распространены пьезоэлектрические преобразователи, представляющие собою пластинку монокристалла титаната бария, сегнетовой соли или другого материала, имеющего высокий пьезоэффект. Последний заключается в образовании электрических зарядов на поверхности пластинки при ее механической деформации, например при изгибе. Для снятия этих зарядов с поверхности пластинка металлизируется.
В качестве электромеханических преобразователей применяются также электромагнитные звукосниматели, в частности электромагнитные микрофоны, например типа ДЭМ, хорошо экранированные от внешних помех.
Для примера на рис. 9.8 показан разрез одного из акустических датчиков. Колебания грунта, даже незначительные, вызванные давлением, образованным в месте искрового разряда, передаются через корпус датчика на чувствительный элемент 1, что вызывает появление напряжения на его зажимах. Это напряжение подается на вход усилителя, а после усиления — на телефон или стрелочный индикатор. Большое значение имеет хороший контакт звукопроводящего стержня (цилиндра), на котором укреплен чувствительный элемент, с грузом 2. Для защиты элемента от внешних акустических помех, передаваемых по воздуху, в датчике предусмотрена акустическая изоляция 3 (например, на основе пористой резины). Электромагнитное экранирование достигается использованием металлических корпусов.
Механические волны испытывают отражения и преломления аналогично электромагнитным волнам, рассмотренным в гл. 4. Так, при переходе из плотного грунта в воздух коэффициент отражения составляет 0,96, а коэффициент преломления — только 0,04. Это означает, что лишь незначительная часть энергии волны может быть воспринята человеческим ухом. Деревянный стетоскоп позволяет поднять эту долю до 50—60 %. Зона слышимости искрового разряда зависит от энергии и характера разряда и акустических свойств среды вблизи МП.
Для создания искрового разряда в МП необходимо, чтобы к этому месту было приложено достаточное импульсное напряжение ип. Последнее зависит как от амплитуды посылаемого импульса так и от сопротивления Rп в месте повреждения:
(9.1) где z — волновое сопротивление кабеля.
При снижении переходного сопротивления до значения волнового сопротивления кабеля начинается резкое уменьшение напряжения на искровом промежутке. Поэтому в случае малого переходного сопротивления в МП искровой разряд может и не возникнуть. При высоком напряжении пробоя, примерно равном испытательному напряжению кабеля
, пробои в изоляции кабеля создаются по схеме рис. 8.19, а, т. е. без использования разрядника.
Если нельзя поднять напряжение на кабеле из-за большого тока, протекающего через МП, то необходимо использовать схему рис. 8.18, выбрав разрядник с пробивным напряжением
. Это ограничение вызвано опасностью возникновения перенапряжений из-за удвоения амплитуды посылаемого импульса у разомкнутого конца в случае отсутствия пробоя МП, а также опасностью возникновения импульсных перенапряжений в связанной сети низкого напряжения, что может привести к повреждению низковольтной аппаратуры.
Следует иметь в виду что при импульсном пробое возникает большое падение напряжения на заземлении, которое может привести к так называемому обратному перекрытию с заземления на низковольтную сеть. Во избежание этого конденсатор и другие элементы цепи импульсного разряда заземляют отдельным проводом с выносным заземлителем. Хорошая слышимость пробоев получается, когда в защитной оболочке кабеля имеется отверстие. Если при этом замеренное омметром переходное сопротивление будет очень мало 
, то это еще не
означает, что искрового разряда не возникнет. Дело в том, что при большом по объему выгорании изоляции очередной пробой может легко разрушить образовавшийся канал с низким сопротивлением. С другой стороны, при металлическом сплавлении жилы с защитной оболочкой кабеля искровой разряд получить невозможно, если только спай не будет нарушен при прохождении импульса.
Фирма Seba dynatronic ограничивает применение акустического метода условием Rn>10 Ом. Однако опыту эксплуатации более соответствует необходимость переходного сопротивления порядка нескольких десятков Ом. Чем плотней и однородней грунт, расположенный над кабелем, тем лучше передача звуковых колебаний. Поэтому покровы из рыхлого снега, сухого песка, щебня, шлака и строительного мусора обусловливают резкое сокращение зоны слышимости. Наибольшую зону слышимости обеспечивают глинистые грунты, лед и монолитные бетонные покрытия. Акустический метод невозможно применить на кабелях, не имеющих отверстия в оболочке на МП, если кабель залегает на очень большой (больше 2—3 м) глубине или имеется звукопоглощающая среда в грунте над МП, при наличии прочного металлического мостика, а также при высокой изоляции оборванных жил.
Важнейшим показателем эффективности акустического метода является энергия разряда, Дж:
При I = 2500 м и v = 160 м/мкс время пробега составит 15 мкс, откуда С > 0,5 мкФ. Опыт эксплуатации подтверждает необходимость использования емкости не менее 0,5 мкФ. Так как акустическая энергия увеличивается пропорционально и0, то следует стремиться к максимальному подъему напряжения и0, ограничивая его уровнем допустимых перенапряжений. Для низковольтных кабелей приходится увеличивать энергию в основном за счет емкости, используя батареи в десятки и даже сотни микрофарад. Типичное значение энергии разряда для акустического метода лежит в диапазоне 200—1000 Дж. Эта
энергия обеспечивается для КЛ 6—10 кВ при и0 = 20 кВ и С = 0,5-2,5 мкФ, а для низковольтных КЛ при и0 = 2-3 кВ и С = 20-100 мкФ.
Перед началом ОМП акустическим методом необходимо знать зону его расположения, так как для кабелей длиной более 100 м прослушивание всей трассы нецелесообразно. Предполагаемое МП определяется дистанционным методом и отмечается на трассе. Зона поиска в зависимости от примененного метода и состояния документации может составлять до нескольких десятков метров.
Поиски наиболее удобно производить, установив периодичность искровых разрядов в кабеле равной одному пробою в 2—6 с. Поиски в зоне повреждения производятся путем установки акустического датчика на грунт или дорожное покрытие над трассой кабеля через каждые 1—2 м до достижения максимальной слышимости искровых разрядов. Если трасса кабеля точно не известна, то ее уточняют с помощью индукционной рамки, в которой наводится импульсное напряжение в момент разряда. Отыскание трассы производится аналогично вышеописанному ее определению индукционным методом с включением генератора по схеме «жила — земля». С помощью этой же рамки легко установить наличие разрядов в кабеле и их периодичность.
Периодичность разрядов может нарушаться из-за обгорания электродов разрядника. Поэтому часто применяют трехэлектродные разрядники. При этом импульсы напряжения на поджигающий электрод подаются строго периодически от специального генератора. Кроме улавливания периодичности разрядов на трассе вблизи МП индукционной рамкой используют также прием звука пробоя разрядника по радиоканалу (радиотелефону).
Имеется положительный опыт повышения помехоустойчивости акустического метода путем использования двухканального приемника по структуре, показанной на рис. 9.9. Импульсный сигнал разряда, принятый индукционной рамкой 1 и усиленный в блоке 5, приводит к срабатыванию порогового устройства 5, которое запускает блок временной задержки 6 и открывает ключ 7 для передачи акустического сигнала от датчика 2 на усилитель 4. Через время задержки Δt ключ закрывается. Если акустический сигнал возникнет в интервале времени между открытием и закрытием ключа 7, то сработает индикатор 5. Установив Δt<Т (где Т — периодичность повторения разрядов), резко увеличивают помехоустойчивость, так как интервал времени приема акустических помех сокращается.
В США для кабелей в металлических трубах нашли применение две разновидности акустического метода: «направление звука» и «измерение расстояния, пройденного звуком».
Метод «направление звука» использует разность времени распространения звуковых колебаний, вызванных дугой в МП, до двух акустических датчиков, установленных в разных точках линии. О направлении, в котором надо искать МП, можно судить по тому, который из датчиков сработает первым, так как он является ближайшим к МП. При установке датчиков непосредственно на металлической трубе удается улавливать звуковые колебания на расстоянии до 60 м от места пробоя. Перемещая датчики, находят МП с точностью до нескольких сантиметров.
Рис. 9.9. Структурная схема двухканального приемника для акустического метода.
Рис. 9.10. Схема измерения расстояния, пройденного звуковой волной.
1 — металлическая труба кабеля; 2 — жила кабеля; 3 — место пробоя; 4 — акустический датчик; 5 — блоки пуска и останова счетчика; 6 — счетчик; 7 — высоковольтная выпрямительная установка.
В случае второй из указанных разновидностей акустического метода измеряется специальным счетчиком (или с помощью осциллографа) интервал времени от момента прихода по трубе электрического импульса до момента прихода звукового импульса при пробое в МП. Так как электрический импульс распространяется вдоль трубы значительно быстрее звукового, то измеренное время практически равно времени распространения звука. Если измерения производить на двух стойках, вбитых в землю над трубой в 2 м от нее и на расстоянии 3—8 м друг от друга, то можно определить направление на МП и расстояние до него. Перемещая стойки, можно приблизиться к МП. Можно также рассчитать расстояние до МП, если проводить измерения в колодцах с обеих сторон от этого места.
Принципиальная схема измерения с применением электронного счетчика приведена на рис. 9.10. Электрический импульс, распространяющийся по трубе, запускает счетчик, а остановка счетчика происходит после прихода звукового импульса. Скорость распространения звука по стальной трубе составляет 3874 м/с. Для усилителей акустического сигнала непригодна узкая полоса (несколько десятков герц) селективных усилителей индукционных приемников.
Упоминавшийся выше универсальный индикатор типа 81018 фирмы Robotron Messelektronik «Otto Schon» (ГДР) кроме диапазонов для приема индукционных сигналов имеет два диапазона для акустических сигналов: 50— 500 Гц при использовании пьезоэлектрического микрофона и 100—2000 Гц при использовании электродинамического микрофона. Универсальный приемник фирмы Seba dynatronic (ФРГ) имеет для усиления акустических сигналов канал с полосой 100—7000 Гц. Эта же фирма использует разные датчики: для рыхлого грунта массой 1,7 кг и для твердого грунта датчик массой 5,8 кг.
Широкополосные усилители (полоса 400—700 Гц и более) могут использоваться для переключения с индукционной рамки на акустический датчик.
Индукционная рамка для приема импульсов тока акустического разряда должна подключаться к тракту усиления с полосой не менее нескольких сотен герц. Комбинированное (универсальное) приемное устройство для индукционного и акустического метода ОМП должно иметь либо специализированные частотные диапазоны, либо отдельные усилители с разной полосой пропускания.
В отечественных испытательно-прожигательных установках для образования импульсов акустического разряда используются те же выпрямительные устройства, что и для прожигания дефектной изоляции. Такова же практика и в ГДР. Приведем данные по установке типа 82012, выпускаемой фирмой Robotron Messelektronik «Otto Schon», импульсное напряжение — 3/6/12 кВ; импульсная (разрядная) энергия —900 Вт·с (1800 Вт·с); период следования импульсов — 6 с ± 2 %; наряжение питания 220 В при токе 10 А (кратковременно 20 А).
Фирма Seba dynatronic выпускает специальные установки для получения импульсов акустического разряда. Эти установки для КЛ до 15 кВ выполняются на энергию импульсов 250, 400, 600, 800 и 1000 Вт-с и имеют по три ступени напряжения в диапазоне от 2,5 до 24 кВ. Масса установок 20—85 кг.