Wyposażenie każdego elektryka jest dość podobne i zawsze składa się z kilku podstawowych przyrządów pomiarowych takich jak m.in. klasyczne mierniki parametrów instalacji elektrycznych. Od pewnego czasu listę tych przyrządów – swoistego „must have” - uzupełniają lokalizatory tras kablowych i ich uszkodzeń, przy czym trzeba tu wyraźnie rozróżnić między przyrządami stosowanymi dla przewodów zlokalizowanych w gruncie i przyrządami do lokalizacji tras przewodów w strukturze budynków.

Fot. 1. LKZ 2000 sprawdza się przy zagęszczonej infrastrukturze instalacji podziemnych dzięki bardzo wysokiej precyzji.

Zanim zostaną omówione poszczególne metody wykorzystywane przy lokalizowaniu przewodów, warto sobie uświadomić, że trzeba dokonać jeszcze jednego rozróżnienia pomiędzy przewodami przez które przepływa prąd elektryczny i przewodami bezprądowymi. Przy każdej z tych kategorii stosuje się oczywiście inną metodę detekcji. W dużym uogólnieniu można stwierdzić, że w przypadku tych pierwszych lokalizator odnajduje pole elektromagnetyczne generowane wokół przewodów przez przepływający przez nie prąd i poddaje je analizie, z której wyciągany jest wynik w postaci precyzyjnego wskazania. Natomiast w przypadku tych drugich to lokalizator wytwarza przemienne pole elektromagnetyczne, na które wszelkie metale mają wykrywalny wpływ. Gdy taki lokalizator zbliża się do znajdującego się w ścianie metalu (kabla, zbrojenia itp.), częstotliwość drgań jego pola się zmienia. Zmiany te przechodzą analizę, dzięki której przyrząd wskazuje lokalizację przewodu. Należy przy tym pamiętać, że w każdym z tych przypadków analiza przeprowadzana jest przez układy elektroniczne, zaś wskazania z reguły prezentowane są na wyświetlaczu.

Fot.2. FLUKE 2042 służy do lokalizowania Fot. 3. kabli i rur metalowych w ścianach i w ziemi, do odnajdywania bezpieczników i przyporządkowania obwodów prądu.

Lokalizatory przewodów i uszkodzeń w budownictwie

Urządzenia tego typu adresowane są przede wszystkim do elektroinstalatorów pracujących w budynkach mieszkalnych, jak też komercyjnych czy użyteczności publicznej, ale chętnie z nich korzystają fachowcy pracujący w ekipach budowlanych czy specjaliści zajmujący się klimatyzacją i wentylacją. Ich domeną jest wykrywanie przewodów w środowiskach takich jak beton, beton komórkowy, gips, cegła, klasyczny pustak, silikaty czy drewno. Łatwy w obsłudze i tani lokalizator przewodów - zarówno tych pod napięciem, jak i odłączonych od zasilania – to coraz częściej podstawa ich wyposażenia, zwłaszcza gdy sprzęt ten ponadto potrafi identyfikować wyłączniki i bezpieczniki (wyłączniki nadprądowe i różnicowe) oraz określać fazy napięcia sieciowego. Zestawy takie składają się z dwóch modułów, czyli odbiornika oraz nadajnika do lokalizowania wyłączników i bezpieczników oraz przewodów.

Fot. 3. LKZ-720 świetnie się sprawdza w budownictwie wykrywając m.in. przewody pod i bez napięcia oraz identyfi kując bezpieczniki.

Wyglądają one dość podobnie do typowych mierników parametrów instalacji elektrycznych – są poręczne, kompaktowe, posiadają wyświetlacze LCD i wskazania dźwiękowe wspierane nieraz opcją wibracji. W większości modeli różnych producentów odbiornik wykrywa sygnał w przewodach i kablach przy użyciu aktywnej metody śledzenia z wykorzystaniem nadajnika. Czujniki z reguły umieszcza się w końcówce odbiornika by łatwo śledzić przewody w trudno dostępnych miejscach, jakimi są narożniki lub inne ciasne przestrzenie. Nadajniki działają oczywiście zarówno na obwodach pod napięciem – do kilkuset wolt przy prądzie AC i DC – jak i na tych odłączonych od zasilania, oferując kilka trybów pracy, takich jak np. tryb podwyższonej mocy sygnału oraz tryb pętli. Ten pierwszy zalecany jest do lokalizowania większości zasilanych i niezasilanych przewodów napowietrznych oraz wyłączników, lecz nie sprawdza się w przypadku przewodów uziemionych na końcu. Natomiast tryb pętli (z angielskiego Loop) sprawdza się przy pracy z zamkniętymi obwodami niezasilanych przewodów (przewody zwarte, ekranowane oraz niezasilane i uziemione na końcu). Niektóre zestawy lokalizacyjne można używać w jeszcze jednym trybie pracy, z cęgami sygnałowymi, co przydaje się w sytuacjach, gdy dostęp do styków obwodu jest ograniczony lub kiedy fachowiec nie jest w stanie podłączyć nadajnika do obwodu za pomocą przewodów testowych. Trzeba przy tym mieć na uwadze, że zestawy od sprawdzonych producentów śledzą konkretne przewody podłączone do nadajnika, niezależnie od ewentualnych przesłuchów ze strony innych kabli – to ważne gdy pracuje się w gąszczu przewodów. Na rynku można spotkać się też z zestawami, które ze względu na znacznie poszerzoną ilość dostępnych trybów pracy można śmiało nazwać zestawami „multi-mode”. Warto je dokładnie prześledzić gdyż ujawnia to absolutną wszechstronność tych urządzeń.

  • Tryb prądowy ma zastosowanie w nieuszkodzonych przewodach będących pod napięciem od około 10 V w górę. W tym trybie jedno z wyjść nadajnika musi być podłączone do przewodu fazowego w sieci AC lub dodatniego w sieci DC badanego obwodu, zaś drugie do przewodu neutralnego. Napięcie z tego obwodu służy nadajnikowi do wytworzenia sygnału prądowego (np. 40 mA) w postaci impulsów o wysokiej częstotliwości i rozłożonych na osi czasu w sposób charakterystyczny dla tego trybu (modulacja). Składowa magnetyczna wytworzonego w ten sposób pola wykrywana jest przez zsynchronizowany odbiornik.
  • Praca w trybie napięciowym ma zastosowanie w przewodach beznapięciowych, w których z powodu na przykład przerwy w przewodzie nie da się stworzyć obwodu zamkniętego. Jedno z wyjść nadajnika podłącza się wówczas do badanego przewodu, zaś drugie do ziemi wraz z resztą żył lokalizowanego przewodu. Nadajnik wytwarza sygnał napięciowy w postaci charakterystycznych impulsów (wysokiej częstotliwości), wytwarzając w ten sposób pole elektryczne, które wykrywa odbiornik.
  • Tryb napięciowo-prądowy, stanowiący połączenie obu powyższych, ma zastosowanie w przewodach pozbawionych napięcia i stanowiących obwód zamknięty. Jedno z wyjść nadajnika podłącza się wówczas do przewodu fazowego lub neutralnego badanego obwodu i podobnie czyni się z drugim: przyłącza się je odpowiednio do przewodu fazowego lub neutralnego. Nadajnik, wykorzystując własne napięcie zasilające, wytwarza sygnał prądowy (np. 40 mA) w postaci impulsów rozłożonych w czasie w sposób charakterystyczny dla trybu napięciowo-prądowego. Składowa magnetyczna tak wytworzonego pola zostaje wykryta przez odbiornik.
  • Zestawy nadawczo-odbiorcze mogą też pracować w tak zwanym trybie fazowym, co polega na tym, że nadajnik podłączony jest do obwodu będącego pod napięciem, pomiędzy przewód fazowy L oraz przewód neutralny N (lub uziemienia). Odbiornik, z informacji dostarczonej drogą radiową z nadajnika i na podstawie przejścia napięcia przez zero, identyfikuje fazę badanego przewodu.
  • Tak zwany tryb mocowy jest szczególnie zalecany dla lokalizacji tras kabli. W tym trybie nadajnik podłączany jest do obwodu zamkniętego pozbawionego napięcia i wymusza w obwodzie przepływ prądu ograniczony impedancją obwodu. Odbierany sygnał jest proporcjonalny do przepływającego prądu, co przekłada się na zwiększenie zasięgu detekcji obiektu. Przy tym trybie trzeba pamiętać, że gdy impedancja jest zbyt mała, nadawanie może być niemożliwe.
  • Tryb lokalizacji zabezpieczeń instalacyjnych FUSE polega na tym, że nadajnik podłączony do obwodu będącego pod napięciem, pomiędzy przewód fazowy L oraz przewód neutralny N, wytwarza przebiegi prądowe w lokalizowanym obwodzie. Odbiornik (lub sondę bezdotykową do niego podłączoną) należy przemieszczać wzdłuż zabezpieczeń i czekać na sygnał wskazujący na miejsce występowania lokalizowanego obwodu.
  • Tryb z cęgami nadawczymi służy do wprowadzenia sygnału w obwód, w którym nie ma możliwości rozłączenia linii. Cęgi stosuje się w obwodach zamkniętych z płynącym prądem o określonej wartości, np. do 16 A prądu AC. Cęgi najlepiej zakładać na wielożyłowy przewód, a nie na poszczególne żyły.
  • Tryb wykrywania pola elektrycznego prądu o częstotliwości 50 lub 60 Hz zwany jest trybem neonówki bezdotykowej i pozwala lokalizować przewody właśnie pod takim napięciem. Pomiar wykonuje się przy użyciu wyłącznie odbiornika.
lokalizatory tras oraz uszkodzen kabli i przewodow4

Zasada działania klasycznych systemów lokalizacji przewodów i ich uszkodzeń w budownictwie

Uważny czytelnik spostrzegł już zapewne, że użyte kilka linijek wyżej sformułowanie „wykrywanie dzięki aktywnej metodzie śledzenia z wykorzystaniem nadajnika” jest bardzo ogólnikowe i właściwie niewiele wyjaśnia. Dlatego niniejszy rozdział zostanie w całości poświęcony tej kwestii. Jak już to zostało wspomniane, każdy taki zestaw składa się z nadajnika i odbiornika. Nadajnik po podłączeniu do lokalizowanego obwodu wymusza powstanie wokół niego odpowiedniego pola magnetycznego bądź elektrycznego. To pierwsze powstaje w wyniku przepływu odpowiednio zmodulowanego prądu przez badany zamknięty obwód. Zaś pole elektryczne powstaje w wyniku wytwarzania odpowiednio zmodulowanego napięcia w badanym otwartym obwodzie, przy czym natężenie oraz kształt tego pola jest inny w zależności od środowiska jakim to pole jest wytwarzane. Odbiornik umieszczony wzdłuż badanego obwodu wykrywa zmodulowane pole i informuje o tym użytkownika. Lokalizacja trasy obwodu oraz jego uszkodzenia dokonuje się w drodze obserwacji poziomu wykrywanego sygnału i analizy oraz interpretacji tych zmian, za co odpowiada elektronika. Na pytanie o cel modulowania sygnałów elektromagnetycznych wysyłanych przez nadajnik, odpowiedź jest oczywista: właśnie dzięki temu zabiegowi możliwe jest ich odróżnienie od innych sygnałów, które mogą występować w lokalizowanym obwodzie lub jego pobliskim otoczeniu. Co więcej, sygnały z reguły są nieco inne dla każdego z trybów nadawania, co dodatkowo ułatwia zdalną interpretację sygnału przez odbiornik.

lokalizatory tras oraz uszkodzen kabli i przewodow5

Przechodząc do odbiornika wpierw należy skupić się na jego głowicy. To w niej umieszcza się detektory pola elektrycznego magnetycznego. Detektor pola elektrycznego – najczęściej przyjmujący postać mniej lub bardziej płaskiej anteny – odpowiada za wykrywanie zmian pola elektrycznego zgodnych z generowanym przez nadajnik sygnałem (modulowanym). Natomiast detektor pola magnetycznego najczęściej jest wielopłaszczyznową anteną, która wykrywa kierunek rozchodzenia się sygnału. W większości modeli urządzeń dostępnych na rynku zmierzone wartości natężenia obu pól obrazowane są na wyświetlaczach LCD w postaci liczbowej. Dla podsumowania niniejszego rozdziału, warto wrócić do najpowszechniejszych funkcji jakie oferują produkty już ze średniej półki cenowej oraz ich możliwych zastosowań. Zacząć należy od lokalizowania przewodów w obwodach zabezpieczonych wyłącznikami różnicowoprądowymi, lokalizowania przewodów ekranowanych, nieraz też i podziemnych, a ponadto lokalizowania przewodów niskonapięciowych i kabli do przesyłania danych. Kolejnym punktem na liście są funkcje takie jak detekcja i znajdowanie wszelkich przerw ciągłości, zwarć i otwartych obwodów oraz lokalizowanie przepustów i orurowania metalowego i niemetalowego (instalacje C.O. i wodne). Na koniec tej listy dochodzą takie pozycje jak sortowanie wiązek przewodów, odwzorowywanie obwodów za pomocą przewodów testowych oraz lokalizowanie wyłączników w systemach ze ściemniaczami oświetlenia. Jak widać funkcjonalność typowych lokalizatorów do wykorzystania w budynkach jest spora.

lokalizatory tras oraz uszkodzen kabli i przewodow6

Lokalizatory przewodów i uszkodzeń w gruncie

Stosowane dziś najnowocześniejsze zestawy lokalizacyjne uzbrojenia podziemnego to głównie odbiorniki, których zadaniem jest dostarczenie dokładnych danych dotyczących pozycji, kierunku przebiegu oraz głębokości ułożenia lokalizowanej instalacji w gruncie. Oczywiście bardzo często się zdarza, że sygnały elektromagnetyczne emitowane z trasowanego kabla (lub rurociągu) są zakłócane przez sąsiednie instalacje, jednak urządzenia te korzystają z szeregu zaawansowanych funkcji wspomagających lokalizację w trudnych warunkach terenowych (elektronika) i prawidłowe odróżnienie sygnału odbieranego z trasowanego kabla (rury) od innych pól elektromagnetycznych lub czynników wprowadzających jakiekolwiek zakłócenia. Cyfrowa obróbka uzyskiwanych sygnałów wspomaga precyzję pomiarów związanych z położeniem, głębokością zalegania i tożsamością lokalizowanych sieci w gruncie. Często odbiorniki wyposaża się w kolorowe wyświetlacze LCD z graficzną prezentacją obrobionych sygnałów, co bardzo ułatwia pracę w trudnych warunkach terenowych.

lokalizatory tras oraz uszkodzen kabli i przewodow7

Specjalnie opracowywane układy anten odbiorczych odbiorników pozwalają dziś bardzo precyzyjnie określać pozycję i kierunek lokalizowanych instalacji, a w obszarach o krytycznie dużym zgęszczeniu infrastruktury podziemnej lub w sąsiedztwie silnych pól elektromagnetycznych odbiorniki są w stanie określać i identyfikować trasy własnych instalacji – oraz określać błąd pomiaru pozycji lokalizowanej instalacji – przy wykorzystaniu złożonych funkcji wspierających selekcję i detekcję, za którymi kryje się zaawansowana elektronika. Popularne mobilne zestawy zaawansowane składają się nie tylko z odbiorników, ale też z nadajników, czyli generatorów sygnałowych o mocach wyjściowych rzędu na przykład 10 Wat, które pracują w najbardziej istotnych trybach, takich jak indukcyjny, galwaniczny (podłączenie bezpośrednie) oraz cęgowy (poprzez klamrę nadawczą). W generatory sygnałowe producenci wbudowują oczywiście amperomierze i omomierze, które automatycznie określają rezystancję każdej badanej linii, dzięki czemu wybór najbardziej efektywnej częstotliwości do lokalizacji – na przykład w zakresie od 64 Hz do 200 kHz – jest łatwy i szybki. Zestawy od renomowanych producentów posiadają też tryb pracy z ramką, do punktowej lokalizacji uszkodzeń na zewnętrznej powłoce kabli energetycznych, kabli telekomunikacyjnych, stalowych rur czy izolowanych rur ciepłowniczych. Ramki lokalizują zwarcia doziemne metodą niskonapięciową która nie niszczy kabli i daje często dużą dokładność lokalizacji miejsca uszkodzenia – nawet do +/-5 cm. W mobilnych zestawach lokalizacyjnych do infrastruktury podziemnej spotyka się regularnie kilka najistotniejszych funkcji pomiarowych. Zasługują na poniższe omówienie:

  • funkcja rozpoznawania kierunku prądu sygnałowego wysyłanego z generatora (nadajnika) według reguły lewej ręki (tzw. reguła Lenza) polega na pomiarze kierunku prądu w instalacji, do której generator podłączony jest galwanicznie oraz kierunku prądu w instalacjach, w których nastąpiła indukcja sygnału. Wiedząc, że prąd zaindukowany w obcych instalacjach ma zawsze kierunek przeciwny do kierunku prądu który go wytworzył, fachowiec bezbłędnie może wskazać „swoją” instalację.
  • funkcja pomiaru poziomu zakłóceń pola magnetycznego w miejscu lokalizacji to ważna funkcja, ponieważ zakłócenia powodują zmiany fazy sygnału, wykrywane przez lokalizator dzięki porównaniu fazy sygnału odbieranego z fazą odniesienia sygnału wysłanego z generatora
  • funkcja pomiaru natężenia prądu sygnałowego (płynącego z generatora) pozwala na mierzenie wartości prądu sygnałowego w instalacjach, w których on występuje, czyli w instalacji „własnej”, do której generator podaje sygnał bezpośrednio oraz w instalacjach, w których sygnał został zaindukowany. Funkcja ta służy do wstępnej identyfikacji własnej linii, z dość dużym marginesem błędu.
  • funkcja graficznej prezentacji przebiegu badanej linii na wyświetlaczu LCD, ze wskazaniem wszystkich zagięć i rozgałęzień oraz funkcja lokalizacyjna oparta na module GPS
  • funkcja rejestracji danych, czyli punktów pomiarowych z określeniem takich parametrów, jak data i dokładna godzina pomiaru, głębokość zalegania badanej instalacji, wartość prądu sygnałowego, współrzędne geograficzne (moduł GPS) oraz kilku innych, które razem mogą być wyeksportowane do komputera w postaci choćby arkusza Excell

Wśród lokalizatorów uszkodzeń przewodów w gruncie na szczególną uwagę zasługują reflektometry – niezależnie od tego czy są to urządzenia w wersjach ręcznych i mobilnych, czy też dużych, przyjmujących postać sporych, ważących do 40 kg modułów, zasilanych sieciowo lub akumulatorowo, transportowanych na podstawach kołowych i znajdujących zastosowanie przy zarówno sieciach niskiego, jak i średniego napięcia. Czasem można spotkać określenia takie jak echometr, lokalizator echowy, lokalizator impulsowo-echowy czy TDR, jednak za każdym razem chodzi o ten sam typ przyrządu. Jak dobrze wiadomo doświadczonym fachowcom, przy kablach o sporej długości (czyli dłuższych niż na przykład kable między poszczególnymi lampami w systemie oświetlenia ulicznego), bardzo ważny jest wstępny pomiar odległości uszkodzenia od miejsca w którym się podłączyli.

lokalizatory tras oraz uszkodzen kabli i przewodow8

Pozwala to określić szacunkową odległość od miejsca podłączenia do miejsca uszkodzenia w badanym przewodzie – co prawda ze sporym marginesem błędu, jednak w przypadku przewodu ponadkilometrowego sama wiedza, że do miejsca uszkodzenia przewodu mamy na przykład około 500 metrów z błędem +/- 50 metrów, jest już cenna. W reflektometrach z reguły stosuje się metodę bezpośredniego pomiaru impulsowo-echowego, która jest optymalna dla uszkodzeń takich jak zwarcie metaliczne, uszkodzenie niskoomowe czy przerwa wzdłużna ciągłości żyły kabla. Metodologia lokalizowania uszkodzeń jest dość prosta: reflektometr wysyła impuls pomiarowy i rejestruje jego odbite echo od miejsca uszkodzenia w kablu. Znając prędkość rozchodzenia się sygnału (oznaczaną symbolem V) fachowiec jest w stanie określić czas potrzebny na przebycie impulsu pomiarowego i tym samym drogę jaką impuls przebył – a z tego łatwo wywnioskować odległość do uszkodzenia. Należy jednak pamiętać, że impuls pomiarowy biegnie do uszkodzenia i z powrotem, czyli dwa razy pokonuje tą samą drogę, dlatego trzeba wynik zmniejszyć o 50% (urządzenie liczy według wzoru V/2). Wykryte przez reflektometr zwarcia widoczne są na wykresie w postaci jednoznacznego odgięcia echogramu do dołu. Natomiast przerwa wzdłużna w żyle lub koniec kabla wizualizowane są jako odgięcie echogramu do góry.

Łukasz Lewczuk

Na podstawie materiałów publikowanych m.in. przez: Robert Bosch Sp. z o.o., Fluke Europe B.V., Sonel S.A., Tomtronix, Megger Sp. z o.o. oraz Merazet S.A. i Beha-Amprobe.