W atmosferze ziemskiej wskutek pracy urządzeń elektrycznych powstają pola elektromagnetyczne o różnych parametrach. Pochodzą one od źródeł, takich jak przemysłowe urządzenia elektryczne, urządzenia elektroniczne oraz urządzenia elektroenergetyczne. Powstałe pola elektromagnetyczne, definiowane jako zakłócenia radioelektryczne, są szkodliwe dla urządzeń radiokomunikacyjnych, jednak można doszukać się także pozytywnego dla energetyki aspektu ich występowania.
Dość duży procent pól zakłóceń radioelektrycznych stanowią pola wytwarzane przez wyładowania elektryczne w układach elektroenergetycznych. Można je podzielić na wyładowania zupełne i niezupełne. Głównymi przyczynami wyładowań zupełnych są zapłon odgromnika i czynności łączeniowe. Zjawiska te są krótkotrwałe (ich czas nie przekracza sekundy) i sporadyczne. Wyładowania niezupełne to przede wszystkim wyładowania ulotowe z przewodów lub metalowych elementów osprzętu izolatorowego czy aparatowego, wyładowania ślizgowe rozwijające się wzdłuż izolacji stałej, przeskoki częściowe, np. przez przebite ogniwo izolatorowe, zwieranie przeskokiem złego styku w obwodzie prądowym czy też wyładowania niezupełne w izolacji wewnętrznej urządzeń. We wszystkich wymienionych przypadkach pole zakłóceń jest wytwarzane bezpośrednio przez impulsy prądowe wywołane nagłym rozładowaniem pojemności odciętej dużą impedancją od źródła energii.
Wyładowania niezupełne na przewodach, łańcuchach izolatorów linii, w aparatach, izolacji i oszynowaniu stacji elektroenergetycznych oraz przeskoki częściowe występujące w uszkodzonych elementach linii i stacji są przyczynami powstawania zakłóceń. Mogą one rozchodzić się w dwojaki sposób: jako fala przemieszczających się po przewodach linii (przewody działają wtedy jak falowód) oraz jako fala elektromagnetyczna (linia energetyczna pełni rolę anteny nadawczej).
Wytwarzanie zakłóceń radioelektrycznych wskutek zjawiska ulotu na przewodach objawia się w postaci wyładowania elektrycznego lub snopienia powstającego na powierzchni albo w bliskości powierzchni przewodu. W pobliżu wyładowania wstęgowego tworzy się pole umiejscowione, a wzdłuż linii powstaje pole bezpośrednie. Jest ono wytworzone przez impulsy przemieszczające się wzdłuż linii. W liniach najwyższych napięć jedynie pole bezpośrednie ma znaczenie i jest ono wykrywalne w odległości 100-150 metrów od miejsca wyładowania, co znacznie zawęża obszar jego występowania. Poziom zakłóceń radioelektrycznych wzrasta wraz ze wzrostem średnicy przewodów, nawet jeśli przewodowe powierzchniowe natężenie pozostaje niezmienione. W konsekwencji pole elektryczne okrążające gruby przewód wywołuje dłuższe wstęgi wyładowania ulotowego niż pole elektryczne wokół cienkich przewodów. Rodzaj przewodu, np. splot kołowy lub segmentowy, oraz stan jego powierzchni, obecność zanieczyszczeń, kropli wody, płatków śniegu itp. mają także silny wpływ na wytwarzanie wyładowań ulotowych.
Spadek ciśnienia atmosferycznego lub wzrost temperatury otoczenia albo oba te czynniki występujące jednocześnie mogą obniżać gęstość powietrza, co zmniejsza jego wytrzymałość na przebicie
i przez to zwiększa możliwość powstawania wyładowań ulotowych na elementach systemu elektroenergetycznego. W regionach o znacznych opadach deszczu, mgłach, szronie lub spadkach temperatury, które mogą prowadzić do powstawania oblodzenia lub kropelek wody na przewodzie, istnieje większe prawdopodobieństwo powstawania wyładowań ulotowych. Deszcz i śnieg stanowią przyczynę największego nasilenia wyładowań ulotowych na powierzchni przewodu i mogą znacznie zwiększać ich poziom. Źródła zakłóceń powodowanych przez izolatory mogą być różnego rodzaju. Większa ich część jest związana ze zjawiskami zachodzącymi na ich powierzchni, np. małymi wyładowaniami spowodowanymi podwyższeniem się miejscowych natężeń pól, wyładowaniami ulotowymi spowodowanymi nierównościami utworzonymi przez suche osady lub krople wody. Niektóre źródła zakłóceń powodowane są przez pojawienie się łuków, poprzez suche pasma spowodowane prądami upływowymi na zanieczyszczonych izolatorach. Tylko w przypadkach szczególnych, np. przy uszkodzeniach izolatorów, zakłócenia są wynikiem zjawisk zachodzących wewnątrz izolatora, to jest iskrzeniem w wewnętrznych lukach lub szczelinach. Zakłócenia mogą powstawać także wskutek wyładowań pomiędzy cementem, porcelaną lub szkłem i mogą występować w przypadku pojawienia się małych przerw powietrznych na obrzeżach tych miejsc. Lokalne wartości natężeń pól na izolatorze i co za tym idzie poziomy zakłóceń zależne są od wartości stosowanego napięcia i w przypadku łańcucha izolatorów również od rozkładu napięcia wzdłuż łańcucha. Rozkład ten staje się mniej jednorodny w miarę wzrastania liczby izolatorów w łańcuchu. Poziomy zakłóceń i częstotliwość graniczna ich widma zależne są od pojemności własnej izolatora i impedancji falowej linii, do której jest dołączony izolator. Dla normalnej wartości tych parametrów częstotliwość graniczna wynosi około 1 MHz. Zakłócenia wytworzone przez czysty i suchy izolator są ograniczone częstotliwością do 30 MHz i dla izolatorów o typowej charakterystyce mają poziom stosunkowo niski. Natomiast izolator źle zaprojektowany lub z nieodpowiednimi połączeniami może powodować wyższy poziom zakłóceń rozciągający się na znacznie większe częstotliwości.
Znając przyczyny emitowania pól elektromagnetycznych przez elementy sieci elektroenergetycznej, można praktycznie wykorzystać zjawisko powstających zakłóceń radioelektrycznych do wykrywania i lokalizacji miejsc awarii w systemie elektroenergetycznym. Wykrywanie uszkodzeń przy pomocy lokalizacji źródeł zakłóceń wymaga stosowania odpowiednich do tego celu metod i urządzeń Najbardziej znane i niezawodne metody oraz przyrządy stosowane są przez instytucje zajmujące się kompatybilnością elektromagnetyczną. W związku z faktem, że linie elektroenergetyczne i sprzęt towarzyszący są źródłami bardzo różnorodnych pól wysokiej częstotliwości, badania należy rozpocząć od miernika zakłóceń i odbiornika radiowego. Najprostszym, wstępnym lokalizatorem jest wyposażony w antenę ferrytową odbiornik radiowy ogólnego stosowania z modulacją amplitudy, przestrajany w zakresie 500 kHz-18 MHz. W dalszej kolejności należy użyć miernika natężenia pola (mikrowoltomierza selektywnego) dla zakresu do 50 MHz oraz miernika natężenia pola obejmującego częstotliwości 500 MHz i 800 MHz. Do wykonania pomiaru będą potrzebne również anteny kierunkowe, które pozwolą na zawężenie obszaru generowanych sygnałów zakłócających. Na rynku dostępne są co prawda małe i stosunkowo niedrogie analizatory widma radiowego obejmujące wszystkie wymienione wyżej pasma częstotliwości, jednak ich czułość jest zbyt mała do tego typu pomiarów. Stosowanie klasycznych mierników jest zatem bardziej miarodajne.
W celu zlokalizowania pojedynczego źródła zakłóceń (uszkodzenia w linii energetycznej lub osprzęcie) stosuje się odbiornik radiowy nastrojony na pasmo 500 kHz. Obracając odbiornik, określa się kierunek, z którego emitowane są zakłócenia. W miarę zbliżania do linii zwiększa się mierzoną częstotliwość zakłóceń, zawężając tym samym obszar ich występowania. Miernikiem natężenia pola wyposażonym w antenę kierunkową można wyodrębnić poszukiwany obszar do kilku przęseł linii. Zakresy częstotliwości 500 i 800 MHz, na których z bliskiej odległości wykrywalne są zakłócenia powodowane iskrzeniem i ulotami, pozwalają na precyzyjne zlokalizowanie słupa lub innego urządzenia z uszkodzonym osprzętem. Lokalizacji uszkodzenia dopełnia kamera termowizyjna. Dzięki niej dokładnie określimy, który z izolatorów, bądź jakie z połączeń jest wadliwe.
Obecnie opisana wyżej metoda może być znacznie tańszą alternatywą dla obchodów, czy też oblotów linii. Pierwsze próby lokalizowania uszkodzeń w liniach energetycznych na podstawie zjawiska zakłóceń radioelektrycznych podejmowano już w latach 30. XX wieku. Z sukcesem prace takie prowadził inżynier Ralph Koske. Sposób lokalizacji uszkodzeń w liniach był na tyle skuteczny, że nazwano go metodą Koskego. Lata późniejsze zaowocowały gwałtownym rozwojem elektroniki, a tym samym gwałtownym przyrostem źródeł radiowych, dlatego zaniechano tego typu pomiarów. Lata 70. to rozwój nowego typu aparatury pomiarowej. Zaczęto produkować w tym czasie mikrowoltomierze selektywne, które pozwalają dostroić się do szukanego sygnału i wyeliminować wszelkie inne niepożądane sygnały. Pomimo skuteczności tej metody i nowoczesnego sprzętu pomiarowego nie lokalizowano już uszkodzeń w liniach energetycznych w taki sposób. A może warto zastanowić się nad skutecznością metody Koskego w dzisiejszych czasach?
MACIEJ SKORASZEWSKI, Biuro PTPiREE
