Состояние и перспективы импульсных измерений силовых кабельных линий

Н.А. Тарасов, канд. тех. наук, директор фирмы СТЭЛЛ

1. Введение

Для надежного и бесперебойного снабжения электроэнергией потребителей в городах и поселках важнейшее значение имеет поддержание кабельного хозяйства в исправном состоянии.

При возникновении повреждений силовых кабельных линий необходимо быстро найти место повреждения и устранить его. Для этой цели служат приборы, работающие на основе импульсных методов - импульсные рефлектометры и измерители волновых процессов.

Причин возникновения повреждений кабельных линий много, однако, в последнее время все большую актуальность приобретает проблема старения изоляции, в том числе из-за испытаний кабельных линий повышенным напряжением. Решение этой проблемы лежит в необходимости развивать диагностику состояния кабельных линий, и, в частности, за счет разработки методов и средств измерения частичных разрядов.

В статье рассматриваются особенности метода импульсной рефлектометрии, волнового метода, импульсно-дугового метода, а также приборы российского производства, работающие на основе этих методов. Рассматривается проблема диагностики состояния кабельных линий, актуальность и перспективы создания измерителей частичных разрядов.

2. Метод импульсной рефлектометрии

Метод импульсной рефлектометрии успешно используется в практике определения мест повреждения в силовых кабельных линий уже несколько десятилетий. На основе метода импульсной рефлектометрии работают такие широко распространенные отечественные приборы как Р5-10, Р5-13, Р5-17 и новые приборы "Портативный цифровой рефлектометр РЕЙС-105Р" и "Рефлектометр цифровой РЕЙС-205".

Сущность метода импульсной рефлектометрии заключается в следующем:
1. Зондировании кабеля (двухпроводной линии) импульсами напряжения.
2. Приеме импульсов, отраженных от места повреждения и неоднородностей волнового сопротивления.
3. Выделении отражений от места повреждений на фоне помех (случайных и отражений от неоднородностей линий).
4. Определении расстояния до повреждения по временной задержке отраженного импульса относительно зондирующего.

Упрощенная структурная схема импульсного рефлектометра приведена на рисунке

С генератора импульсов зондирующие импульсы подаются в линию. Отраженные импульсы поступают с линии в приемник, в котором производятся необходимые преобразования над ними. С выхода приемника преобразованные сигналы поступают на графический индикатор. Все блоки импульсного рефлектометра функционируют по сигналам блока управления.

На графическом индикаторе рефлектометра воспроизводится рефлектограмма линии - распределение отраженных сигналов как реакция линии на зондирующий импульс.

Вид отраженного сигнала зависит от характера повреждения или неоднородности. Например, при обрыве отраженный импульс имеет ту же полярность, что и зондирующий, а при коротком замыкании отраженный импульс меняет полярность.

В идеальном случае, когда отражение от повреждения полное и затухание отсутствует, амплитуда отраженного сигнала равна амплитуде зондирующего импульса.

Популярность метода импульсной рефлектометрии обусловлена его достоинствами:

1. Наглядностью. По рефлектограмме кабельной линии можно:

- обнаружить все естественные элементы (неоднородности) кабельной линии: начало кабельной линии, муфты, кабельные вставки, ответвления, конец линии, а также место дефекта,
- определить взаимное расположение элементов кабельной линии и дефекта,
- определить расстояние до места повреждения и любой неоднородности кабеля).

2. Высокой точностью определения расстояния до места повреждения с цифровым отображением измеренного значения. (Инструментальная погрешность измерения расстояния у современных рефлектометров составляет 0,2…2%. В результатах измерения расстояния автоматически учитывается установленный коэффициент укорочения).

3. Относительной простотой и удобством применения. (Для проведения измерений необходим только один прибор - импульсный рефлектометр и не требуется дополнительное оборудование. Подключение к кабельной линии производится только с одной стороны).

4. Возможностью определения повреждений разного типа: короткое замыкание, обрыв, понижение сопротивления изоляции.

5. В современных цифровых рефлектометрах обеспечивается возможность подробного анализа конкретного выбранного участка кабеля за счет введения растяжки изображения этого участка на рефлектограмме.

Возможности метода импульсной рефлектометрии по определению места повреждения ограничены в случаях, когда сопротивление в месте повреждения значительно (в 10…20 раз и более) выше, чем волновое сопротивление линии. В этом случае отражение от места повреждения имеет малую амплитуду и его сложно обнаружить по рефлектограмме на фоне помех. Аналогичная ситуация возникает при повреждениях, которые "проявляются" только при подаче на кабель высокого напряжения. Сопротивление такого повреждения при отсутствии напряжения имеет очень большую величину. По рефлектограмме такое повреждение, как правило, обнаружить невозможно. Если же на кабель подать напряжение, то в этом месте возникает пробой.

Для преобразования высоких сопротивлений в месте повреждения кабеля в низкие, необходимые для эффективного использования метода импульсной рефлектометрии, используют операцию прожига.

От воздействия на кабельную линию прожигающей установки в месте повреждения сначала наступает пробой, а затем протекает соответствующий ток, от которого выделяется энергия и происходит науглероживание канала пробоя. Сопротивление в месте повреждения снижается.

Однако использование прожига имеет свои негативные моменты.
Во-первых, требуются дополнительные аппаратные и энергетические затраты.
Во-вторых, снижение сопротивления в месте повреждения, достигнутое в результате прожига, позволяет эффективно применить метод импульсной рефлектометрии, но не позволяет использовать такой эффективный трассовый метод, как акустический.
В-третьих, в процессе прожига кабель подвергается большой дополнительной нагрузке, что может отрицательно сказаться при его дальнейшей эксплуатации.
Кроме того, при прожиге в месте повреждения выделяется большое количество энергии, что может повредить соседние кабели.

3. Волновой метод (метод колебательного разряда)

Возникновение пробоя в месте повреждения вызывает появление в кабельной линии волновых процессов.

Существует 2 варианта осуществления волнового метода для определения расстояния до места повреждения: метод бегущей волны напряжения и метод импульсного тока.

3.1. Метод бегущей волны напряжения

При методе бегущей волны напряжения в кабельную линию от источника высокого испытательного напряжения через сопротивление, величина которого значительно больше волнового сопротивления линии, подают напряжение, которое медленно повышают. Структурная схема реализации волнового метода бегущей волны напряжения приведена на рисунке.

Под влиянием отрицательного испытательного напряжения в момент времени to на расстоянии L происходит пробой (короткое замыкание) и разряд. В месте повреждения формируются электромагнитные волне положительной полярности, так как испытательное напряжение имело отрицательную полярность, а коэффициент отражения в месте пробоя (короткого замыкания) также отрицателен К = -1.

Волновой процесс при методе бегущей волны напряжения показан на рисунке.

Одна из волн распространяется от места пробоя к началу кабеля, а другая - к концу кабеля. Достигнув начала кабеля, первая волна отражается от большого сопротивления источника и, не изменяя полярности, распространяется к месту повреждения. В месте повреждения вновь возникает пробой и отражение с обратным знаком, и так далее. Затухая, волновой процесс продолжается до тех пор, пока энергии волны достаточно для пробоя в месте повреждения.

3.2. Волновой метод импульсного тока (бегущей волны тока)

Метод импульсного тока используют в том случае, если высокоомные повреждения (снижение сопротивления изоляции или высокоомное замыкание жилы на землю, или малое расстояние между проводниками в муфтах) не удается преобразовать с помощью прожига в низкоомное повреждение. Причиной тому могут быть просачивание в кабель воды или заплывающие повреждения.

В отличие от метода бегущей волны напряжения выходное сопротивление высоковольтного импульсного генератора должно быть значительно меньше волнового сопротивления кабельной линии и коэффициент отражения напряжения от начала линии и места повреждения в момент пробоя равен Кu = -1, а коэффициент отражения тока К i= 1.

Высоковольтный импульсный генератор представляет собой источник высокого напряжения, у которого на выходе включен высоковольтный конденсатор и специальный разрядник, с которого высоковольтные импульсы поступают в кабель.

Структурная схема включения устройств для осуществления волнового метода импульсного тока показана на рисунке.

Ударная волна посылается в поврежденный кабель в момент t0 и в момент t1 достигает места повреждения. Под воздействием ударной волны происходит пробой поврежденного участка кабельной линии в момент t1з, вызывающий отражение. Этот отраженный сигнал возвращается к началу кабеля в момент t2 и отражается от начала кабеля (входное сопротивление генератора импульсов эквивалентно короткому замыканию) в сторону повреждения и в момент t4 снова достигает начала кабеля и т.д.

Состояние пробоя (длительность электрической дуги) сохраняется до тех пор, пока достаточно энергии для горения дуги. Для того чтобы вызвать пробой в месте повреждения, необходимо в течение определенного времени (t1з - t1) воздействовать на поврежденный участок (время ионизации). Это время зависит от амплитуды высоковольтного импульса и переходного сопротивления в месте повреждения. Чтобы исключить влияние задержки ионизации на результат измерения расстояния до места повреждения, замеряют время между первой и второй отраженными волнами t2 и t4: Tl = t4 - t2.

Связь измерителя волновых процессов с кабельной линией производится с помощью специального присоединительного устройства по току (импульсного токопреобразователя). Импульсный токопреобразователь дифференцирует импульсный ток на входе линии и преобразует его в однополярные импульсы, поступающие на вход измерителя волновых процессов.

При волновом методе измерений выходное сопротивление высоковольтного источника не равно волновому сопротивлению линии, поэтому кроме отраженных волн от участка повреждения появляются отраженные от неоднородностей кабеля (муфт, ответвлений) и переотраженные от начала кабеля импульсные сигналы - синхронные помехи, значительно затрудняющие оценку импульсной характеристики кабеля.

В практике определения мест повреждений волновой метод измерения реализован в приборах К6Р-5 и РЕЙС-205 с блоком РАЗРЯД-205 (Россия, г. Брянск, фирма СТЭЛЛ).

При волновом методе расстояние до места повреждения определяется по временной задержке между приходом к началу кабеля импульсов напряжения или импульсов тока, отраженных от места повреждения. Импульсы напряжения по длительности занимают половину расстояния до места повреждения, а ударные импульсы тока также имеют достаточно большие длительности. Это приводит к следующим недостаткам по сравнению с методом импульсной рефлектометрии:

1. Сложность анализа полученных импульсных характеристик при измерениях волновым методом. (Вид этих характеристик зависит не только от характера повреждения и длины линии, но и от величины поданных импульсов, наличия или отсутствия пробоя в месте повреждения и т.д.)

2. Низкая разрешающая способность, то есть невозможность обнаруживать близко расположенные неоднородности. (Отражения от неоднородностей вообще трудно различимы на импульсной характеристике кабельной линии, а отражения от соседних неоднородностей вообще сливаются друг с другом)

3. По импульсной характеристике невозможно получить ориентировки, расстояние до которых известно (в виде отражений от муфт, кабельных вставок и т.д.)

4. Большая погрешность измерения. (Это обусловлено относительно большими длительностями фронтов и срезов волновых процессов, которые формируются самой линией и процессом пробоя)

5. Невозможность стабильного повторения волновых процессов, что может привести к появлению ошибок.
(Процесс пробоя является очень нестабильным, он в любой момент может прерваться и не повториться в том же виде. Это накладывает очень серьезные требования к быстродействию измерителя волновых процессов).

Таким образом, волновой метод по сравнению с методом импульсной рефлектометрии, с одной стороны, позволяет определять сложные (с большим сопротивлением) и неустойчивые (заплывающие) места повреждений кабельных линий, а с другой стороны, имеет существенные недостатки. В значительной степени совместить достоинства метода импульсной рефлектометрии и волнового метода позволяет метод кратковременной дуги.

4. Метод кратковременной дуги (импульсно-дуговой метод)

Метод кратковременной дуги может быть использован для определения расстояния до места сложного (высокоомного) или неустойчивого повреждения. Сущность метода кратковременной дуги заключается в одновременном воздействии на кабельную линию высоковольтным импульсом и выполнении измерений методом импульсной рефлектометрии.

Структурная схема подключения к кабельной линии устройств показана на рисунке.

Высоковольтный импульсный генератор, представляющий собой источник высокого напряжения, у которого на выходе включен высоковольтный конденсатор и специальный разрядник, подключается к кабельной линии через устройство поддержания дуги (его основной компонент - индуктивность).

При подаче импульса от источника высокого напряжения в месте высокоомного дефекта возникает пробой, через устройство поддержания дуги начинает протекать ток и пробой "затягивается" - образуется дуговой разряд. За счет индуктивности, имеющейся в устройстве поддержания дуги, ток дуги поддерживается в течении определенного времени (менее секунды). Электрическое сопротивление дуги близко к нулю, что эквивалентно короткому замыканию.

Импульсный рефлектометр подключается через специальное присоединительное устройство (фильтр). Зондирующие импульсы от рефлектометра через присоединительное устройство поступают в кабельную линию, а отраженные импульсы - возвращаются в рефлектометр.

Последовательность проведения измерений при методе кратковременной дуги следующая.

Через присоединительное устройство считывают рефлектограмму кабельной линии и сохраняют ее в памяти импульсного рефлектометра. Так как импульсы с генератора высоковольтных импульсов отсутствуют или имеют недостаточную для пробоя установленную амплитуду, то пробой и дуга в месте сложного или неустойчивого повреждения отсутствуют. На рефлектограмме отраженный сигнал от высокоомного повреждения практически неразличим на фоне помех. Наблюдаются отражения от неоднородностей линии (муфт, кабельных вставок и т.д.) и от разомкнутого конца кабельной линии.

Затем выходное напряжение высоковольтного источника в генераторе высоковольтных импульсы постепенно увеличивают до тех пор, пока в кабельной линии не появятся пробои. В такт с высоковольтными импульсами в месте дефекта будет зажигаться кратковременная электрическая дуга. Период повторения кратковременной дуги нестабильный. Зондирующие импульсы подаются в кабельную линию с частотой, которая во много раз больше частоты зажигания дуги. При совпадении зондирующего импульса с моментом зажигания дуги, он отражается от дуги как от короткого замыкания, и возвращаются к началу кабеля, где записывается в память рефлектометра.

Для более надежного определения места повреждения необходимо добиться неоднократного совпадения зондирующего импульса с моментом зажигания дуги. Импульс, отраженный от дуги, отчетливо виден на рефлектограмме. Дальше дуги импульс не проходит, поэтому на рефлектограмме не видно конца линии.

Далее на экране рефлектометра накладывают друг на друга две записанные в рефлектограммы: рефлектограмму до возникновения дуги и рефлектограмму после возникновения дуги. Это позволяет отчетливо наблюдать место начала расхождения рефлектограмм, которое и соответствует месту сложного или неустойчивого повреждения. Наложение рефлектограмм при методе кратковременной дуги показано на рисунке.

Таким образом, при методе кратковременной дуги высокоомное повреждение кратковременно переводится в низкоомное.

Достоинства метода кратковременной дуги:

1. Высокая точность измерений. (Точность измерения такая же как у метода импульсной рефлектометрии. Есть возможность воспользоваться растяжкой рефлектограммы выбранного участка линии).

2. Простота представления результатов измерения. (По рефлектограмме кабельной линии до возникновения кратковременной дуги легко определить длину всей кабельной линии и ее неоднородности. На рефлектограмме в момент кратковременной дуги легко присутствует отражение от места повреждения, как отражение короткого замыкания при методе импульсной рефлектометрии. Для устранения влияния неоднородностей достаточно воспользоваться сравнением двух рефлектограмм.).

3. В месте повреждения выделяется небольшое, по сравнению с прожигом, количество энергии, поэтому вредное влияние на кабель минимальное. Нет вредного воздействия и на соседние кабели.

4. Возможность реализации этого метода на различных типах кабеля.

5. Возможность применения стандартных высоковольтных источников и измерительных средств. Небольшое количество дополнительных устройств.

В России поставкой измерительных комплексов с приборами РЕЙС-205 для реализации импульсно-дугового метода занимаются фирма ИНОРГСПЕЦТЕХНИКА (г. Москва), т.(095)719-21-20.

5. Метод измерения частичных разрядов

В последние годы все более широкое распространение в нашей стране и за рубежом находит мнение о необходимости замены испытаний кабельных линий повышенным напряжением постоянного тока, превышающем рабочее напряжение в 3…6 раз рабочее напряжение (Uраб) на диагностику изоляции с помощью измерения частичных разрядов (ЧР), токов утечки, абсорбционных токов и других методов с приложением напряжения (1…1,5)Uраб.

Дело в том, что проведение испытаний кабеля, находящегося в эксплуатации продолжительное время, повышенным напряжением отрицательно влияет на изоляцию и снижает срок эксплуатации.

В отличие от испытаний диагностика изоляции кабельной линии относится к неразрушающим методам контроля. Одним из прогрессивных методов диагностики является метод измерения ЧР, позволяющий не только определить уровень частичных разрядов в кабельной линии, но и определить их местонахождение по длине.

Частичный разряд – это электрический разряд, длительность которого составляет единицы-десятки наносекунд. Частичный разряд частично шунтирует изоляцию кабельной линии. Частичные разряды появляются в слабом месте кабельной линии под воздействием переменного напряжения и приводят к постепенному развитию дефекта и разрушению изоляции.

Сущность метода измерения частичных разрядов заключается в следующем. В момент появления частичного разряда в кабельной линии возникает два коротких импульсных сигнала, длительности которых десятки-сотни наносекунд. Эти импульсы распространяются к разным концам кабельной линии. Измеряя импульсы, достигшие начала кабеля, можно определить расстояние до места их возникновения и уровень.

Структурная схема измерений частичных разрядов в кабельных линиях показана на рисунке. Основными узлами измерительной схемы являются: компьютерный анализатор дефектов и частичных разрядов в кабельных линиях и высоковольтный адаптер. Компьютерный анализатор дефектов и частичных разрядов в кабельных линиях может быть выполнен в виде совокупности измерительного блока и портативного компьютера (как показано на рисунке) или в виде специализированного измерительного прибора. Высоковольтный адаптер служит для развязки компьютерного анализатора и источника воздействующего напряжения. Так, короткие импульсы напряжения, распространяющиеся в кабельной линии, беспрепятственно проходят на вход рефлектометра TDR или на выход частичных разрядов, но не попадают в низкочастотный (50 или меньше герц) источник напряжения. В тоже время напряжение (1…1,2)*Uраб от источника беспрепятственно поступает на кабельную линию. В качестве воздействующего напряжения может служить напряжение промышленной сети или напряжения от источника сверхнизкой частоты.

Фирмой СТЭЛЛ по заказу предприятия ДИАКС Минатомэнерго в середине 90-х годов был разработан и изготовлен в виде самостоятельного прибора компьютерный анализатор дефектов и назван ИДК (Индикатор Дефектов Кабелей). Этот прибор испытывался на атомных электростанциях России и в энергопредприятиях некоторых зарубежных стран.

Последовательность анализа дефектов кабельной линии с частичными разрядами и представление результатов измерений, на примере прибора ИДК, показана на рисунке ниже.

Сначала кабельная линия отключается от источника воздействующего напряжения, вызывающего появление частичных разрядов. При помощи кнопки Кн на высоковольтном адаптере (или специального устройства) проверяют разряженность кабельной линии. Компьютерный анализатор включают в режим импульсного рефлектометра и снимают рефлектограмму кабельной линии. По рефлектограмме определяют длину кабельной линии и коэффициент затухания импульсов в линии.

Затем переключают компьютерный анализатор в режим измерения частичных разрядов.
Далее снимают гистограмму - распределение частоты следования n импульсов частичных разрядов от амплитуд импульсов от частичных разрядов Uчр, пришедших к началу кабельной линии.
По гистограмме n=f(Uчр) можно сделать вывод о наличии и количестве слабых мест (потенциальных дефектов) в кабельной линии.
Так, на рисунке показана гистограмма кабельной линии с тремя потенциальными дефектами. Дефект №1 имеет самую высокую частоту следования n1 и самую маленькую амплитуду импульсов U1. Соответствующие параметры имеют дефект №2 и дефект №3.

По амплитуде импульсов частичных разрядов, представленных на гистограмме, еще нельзя делать вывод о мощности частичного разряда в месте дефекта, так как пока неизвестно расстояние до него. В тоже время известно, что импульсы частичных разрядов, имея малые длительности, сильно затухают при распространении по кабельной линии. Поэтому следующим шагом является измерение расстояния до каждого из дефектов.

Компьютерный анализатор дефектов позволяет измерить расстояние до каждого из дефектов: L1, L2 и L3 и сохранить их в памяти.

Далее, на основе гистограммы и данных о расстоянии до каждого из дефектов, компьютерный анализатор вычисляет мощность частичных разрядов в каждом из дефектов и строит сводную таблицу дефектов. Указанная таблица может быть вызвана на экран компьютерного анализатора.

Выводы

1. Для эффективного обнаружения повреждений в кабелях связи нужно использовать приборы РЕЙС-205, или комплект приборов РЕЙС-105 и ПКМ-105.

2. Все самые современные методы обнаружения повреждений в силовых кабельных линиях (метод импульсной рефлектометрии, метода колебательного разряда и импульсно-дуговой метод) реализуются измерительными комплексами на основе прибора РЕЙС-205.

3. Требуется развитие методов щадящих испытаний кабельных линий и создание приборов, высоковольтного оборудования и нормативной базы для измерения частичных разрядов.

Отечественные цифровые рефлектометры

Н.А. ТАРАСОВ, директор фирмы "СТЭЛЛ", кандидат технических наук

(Статья опубликована в журнале "Вестник связи", 2001 г., №8, стр. 16…23)

Импульсные рефлектометры нашли широкое применение на предприятиях связи. Их популярность обусловлена следующими достоинствами:

- по рефлектограмме можно легко и наглядно обнаружить все элементы (неоднородности) кабельной линии, такие как муфты, кабельные вставки, ответвления, конец линии, а также место дефекта; определить взаимное расположение элементов и места повреждения, расстояние до него и до любой неоднородности, а также расстояние между любыми элементами кабельной линии;
- инструментальная погрешность современных цифровых рефлектометров не превышает 0,2 %;
- подключение к кабельной линии производится только с одной стороны, при этом просматривается вся длина линии;
- рефлектометр позволяет обнаружить повреждение разного типа - короткое замыкание, обрыв, утечку в сопротивлении изоляции, увеличение продольного сопротивления и т. п.;
- любой выбранный по длине участок кабельной линии может быть подробно проанализирован за счет введения растяжки и усиления этого участка на рефлектограмме.

Метод импульсной рефлектометрии базируется на распространении импульсных сигналов в двух- и многопроводных линиях и кабелях связи. Его суть заключается в следующем. В линию от рефлектометра подаются зондирующие импульсы, одновременно с этим принимается импульсы, отраженные от неоднородностей волнового сопротивления и места повреждения. Далее производится анализ рефлектограммы (реакции линии на зондирующие импульсы) с целью выделения импульсов, отраженных от места повреждения, на фоне помех. По времени запаздывания отраженного импульса относительно зондирующего рассчитывается расстояние до места повреждения или неоднородности.

Широко распространенные в России рефлектометры Р5-10 и Р5-13, разработанные в 70-х – 80-х годах в Брянске, являются аналоговыми приборами и зачастую не удовлетворяют современным требованиям по разрешающей способности, точности измерений, имеют относительно большой вес (10 кг), малое время работы от аккумуляторов, у них нет памяти для хранения рефлектограмм и связи с компьютером.

Разработанные на отечественной элементной базе в 90 – 95-х годах фирмой СТЭЛЛ (Брянское научно-производственное предприятие “Системы тестирования электрических линий”) первые цифровые рефлектометры Р5-17 и К6Р-5 в настоящее время также не удовлетворяют современным требованиям.

В конце 90-х годов фирма СТЭЛЛ начала реализовывать программу замены аналоговых и цифровых рефлектометров группы Р5 на цифровые группы РЕЙС. Их отличительными особенностями являются: высокая разрешающая способность, низкая погрешность измерения, малые габариты и вес, наличие большой энергонезависимой памяти рефлектограмм и коэффициентов укорочения, связь с компьютером, реализация всех возможностей больших рефлектометров, введение новых дополнительных возможностей и режимов измерения.

Первым представителем приборов этой группы является "Портативный цифровой рефлектометр РЕЙС-105Р", позволяющий:

- обнаружить и точно определить расстояние до места повреждения или неоднородности линии;
- измерить длину кабеля, в том числе на барабане или в бухте;
- измерять коэффициенты укорочения и записывать их значения с маркой кабеля во внутреннюю энергонезависимую память прибора;
- сохранять рефлектограмму в памяти и создавать базу рефлектограмм в компьютере и т. д.

Возможность установки малой длительности зондирующего импульса (не более 7 нс) и малая дискретность считывания (минимальный промежуток между соседними выборками соответствует расстоянию всего 1,5 мм) обеспечивают высокую разрешающую способность прибора. Разрешающая способность - это минимальное расстояние между двумя неоднородностями волнового сопротивления, при котором отраженные от них сигналы наблюдаются как отдельные (рис. 1).

Рисунок 1

Чем меньше длительность зондирующего импульса, тем выше разрешающая способность рефлектометра, в то же время при уменьшении длительности зондирующих импульсов их затухание возрастает. Следует иметь в виду, что для линий с одинаковой длиной более высокая разрешающая способность может быть получена на более высокочастотной линии. Так, на рис. 2 показаны рефлектограммы двух линий.

Рисунок 2

Линия 2 - более широкополосная, поэтому разрешающая способность рефлектометра на ней выше, чем у более низкочастотной линии 1.

Режимы выбора длительности зондирующего импульса

В рефлектометре РЕЙС-105Р существует два режима выбора длительности зондирующего импульса: автоматический (включается по умолчанию) и ручной.

В случае автоматического выбора при изменении оператором диапазона измеряемых расстояний длительность зондирующего импульса меняется автоматически (в соответствии с установленным диапазоном). Этот режим удобен для предварительного просмотра и анализа рефлектограмм, поиска отражения от конца кабеля, места обрыва или короткого замыкания.

В ручном режиме при изменении диапазона измеряемых расстояний длительность зондирующего импульса не меняется. Этот режим используется при подробном анализе рефлектограммы в месте предполагаемого повреждения. Например, если место дефекта расположено недалеко от конца кабеля, а длительность зондирующего импульса достаточно велика, то отраженный сигнал на рефлектограмме может слиться с сигналом, отраженным от конца кабеля, как показано на рис. 3.

Рисунок 3

В данном случае для повышения разрешающей способности необходимо уменьшать длительность зондирующего импульса без изменения диапазона измеряемых расстояний. Рефлектометр РЕЙС-105Р позволяет легко это сделать в режиме ручного выбора.

После уменьшения длительности зондирующего импульса отраженные от места дефекта и от конца кабеля сигналы наблюдаются на рефлектограмме как отдельные.

АВТОПОИСК конца кабеля

При включении режима АВТОПОИСК рефлектометр РЕЙС-105Р автоматически устанавливает такой диапазон измерения, чтобы рефлектограмма всей линии была видна на экране прибора. Затем нулевой курсор автоматически устанавливается на начало зондирующего импульса, а измерительный - на начало отраженного импульса. По положению курсоров встроенный микроконтроллер автоматически рассчитывает расстояние до конца кабеля и отображает на его экране рефлектометра. При этом не важно разомкнут кабель на конце или замкнут. Режим АВТОПОИСК удобен при измерении длины кабеля на барабане.

Борьба с помехами

В импульсной рефлектометрии в зависимости от соотношения величин отражения от повреждения и напряжения помех все повреждения условно делятся на простые и сложные. При простом повреждении амплитуда отражения от места повреждения больше амплитуды помех, при сложном - меньше или равна ей.

По источникам возникновения помехи подразделяются на асинхронные (аддитивные) и синхронные. Асинхронные помехи не связаны с зондирующим сигналом и неоднородностями кабельной линии и вызваны наводками от соседних кабельных линий, оборудования, транспорта и различной аппаратуры.

На рис. 4 приведена рефлектограмма кабельной линии с асинхронными помехами, которые полностью закрывают отражение от повреждения, поэтому его невозможно рассмотреть.

Рисунок 4

Эффективными методами отстройки от асинхронных помех являются аналоговая фильтрация и цифровое накопление сигнала. Аналоговая фильтрация применялась в основном в аналоговых рефлектометрах, таких как Р5-10 и Р5-13.

Сущность цифрового накопления заключается в том, что одну и ту же рефлектограмму считывают несколько раз и вычисляют среднее значение. В связи с тем, что асинхронные помехи носят случайный характер, после цифрового накопления их уровень значительно снижается.

На рис. 5 приведен пример предыдущей рефлектограммы линии, "очищенной" в результате цифрового накопления рефлектометром РЕЙС-105Р.

Рисунок 5

По этой рефлектограмме можно легко выделить сигнал, отраженный от места утечки.

Синхронные помехи связаны с зондирующим сигналом и являются его отражениями от неоднородностей волнового сопротивления линии (от кабельных муфт, ответвлений, кабельных вставок, неоднородностей кабельных линий технологического характера и др.).

Основная масса кабельных линий (кроме кабелей связи) не предназначена для передачи коротких импульсных сигналов, используемых при методе импульсной рефлектометрии. Поэтому им присуще большое число синхронных помех.

Пример рефлектограммы кабельной линии с синхронными помехами показан на рис. 6.

Рисунок 6

Синхронные помехи можно существенно уменьшить посредством сравнения или дифференциального анализа. При этом рефлектограммы двух линий (неповрежденной и поврежденной), проложенных по одной трассе, накладывают друг на друга. Это позволяет быстро обнаружить начальную точку различия рефлектограмм, по которой и определяют расстояние L до повреждения.

При дифференциальном анализе рефлектограммы поврежденной и неповрежденной линий вычитают, как показано на рис. 7.

Рисунок 7

При вычитании все синхронные помехи компенсируются. На разностной рефлектограмме легко обнаружить отражение от места повреждения и определить расстояние L до него.

Сравнение и дифференциальный анализ рефлектограмм легко реализуется в рефлектометре РЕЙС-105Р. Наилучшие результаты от сравнения и вычитания удается получить при использовании в качестве исправной линии жилы или кабельной пары того же кабеля.

При измерении кабельной линии методом импульсной рефлектометрии на рефлектограмме присутствуют и асинхронные, и синхронные помехи. Асинхронные помехи (кроме помех импульсного характера), как правило, имеют одинаковые величины, независимо от того, с какого конца кабельной линии ведется измерение.

Синхронные помехи при измерении с разных концов кабеля имеют различную величину, в зависимости от многих факторов: длины кабельной линии, затухания импульсных сигналов, удаленности места повреждения и мест неоднородностей волнового сопротивления кабельной линии, точности согласования выходного сопротивления импульсного рефлектометра с волновым сопротивлением линии и других факторов. Поэтому отраженный от одной и той же неоднородности сигнал может иметь различные величины при измерении с разных концов линии.

Если хотя бы предположительно известно, ближе к какому концу кабельной линии может быть расположено место повреждения, то именно его нужно выбирать для подключения рефлектометра. В других случаях желательно проводить измерения последовательно с двух концов кабельной линии.

Следует учитывать, что даже такие повреждения как "короткое замыкание" и "обрыв", дающие максимальные отражения зондирующего сигнала, не всегда можно легко обнаружить на фоне помех.

Например, при больших затуханиях и неоднородностях волнового сопротивления линии амплитуда отражения от удаленного повреждения типа “короткое замыкание” или “обрыв” зачастую бывает меньше, чем отражения от близко расположенных неоднородностей волнового сопротивления. Поэтому такие повреждения сложно обнаружить. Рефлектограмма кабельной линии со сложным повреждением приведена на рис. 8.

Рисунок 8

На практике сложные повреждения встречаются чаще, чем простые.

Компенсация затухания

При распространении импульсов вдоль линии их амплитуда уменьшается, а длительность увеличивается. Из-за отличия дисперсионных свойств законы затухания импульсных сигналов в разных кабельных линиях различны. Закон затухания зависит от соотношения длительности зондирующих импульсов рефлектометра и полосы пропускания кабеля. В практических измерениях принято считать, что закон затухания ориентировочно соответствует экспоненциальной зависимости.

Отметим только одно обстоятельство, по которому можно судить о вредном влиянии затухания на результаты измерения. При анализе рефлектограмм считается, что наибольший отраженный сигнал соответствует месту повреждения. Однако синхронные помехи затрудняют определение на рефлектограмме полезного сигнала - отражения от места повреждения. При измерениях рефлектометром кабельная вставка (или муфта) может быть расположена значительно ближе к началу кабеля, чем место повреждения. В подобных случаях при большом затухании сигнал, отраженный от кабельной вставки (или муфты), по амплитуде может быть больше чем сигнал, отраженный от места повреждения.

Человек, проводящий измерения и имеющий небольшой опыт, может предположить, что отражение от кабельной вставки является отражением от повреждения. Тем самым, будет допущена ошибка в определении места повреждения. Чтобы исключить подобное, рефлектометр РЕЙС-105Р имеет режим компенсации затухания сигналов в линии. Закон компенсации - экспоненциальный.

Эффективность указанного режима видна из сравнения рефлектограмм одной и той же кабельной линии с включенным и выключенным режимом компенсации затухания.

Рефлектограмма кабельной линии с кабельной вставкой и выключенным режимом компенсации затухания имеет вид, представленный на рис. 9.

Рисунок 9

Из него видно, что сигнал, отраженный от конца линии, по амплитуде в несколько раз меньше, чем зондирующий импульс и отражение от кабельной вставки. Поэтому возможна ошибка определения повреждения.

На рис. 10 приведена рефлектограмма той же линии при включенном режиме компенсации затухания.

Рисунок 10

Амплитуда сигнала, отраженного от конца кабельной линии, стала равной амплитуде зондирующего сигнала. Сигнал, отраженный от места повреждения, также увеличился по амплитуде и стал легко различим на фоне синхронных помех.

Встроенная таблица коэффициентов укорочения

Зондирующие импульсы распространяются в кабельных линиях по определенным волновым каналам, определяемым режимом подключения рефлектометра: “жила-жила”, “жила-оболочка” и т. д. Скорость их распространения зависит от типа диэлектрика, конструкции кабеля и определяется выражением:

V = C/g ,

где: С - скорость света в вакууме, g - коэффициент укорочения электромагнитных волн в линии.

В импульсных рефлектометрах измерение расстояния до места повреждения L производится по времени задержки t отраженного импульса относительно зондирующего, в соответствии с выражением:

L= t ґ (V/2) = T ґ C/g ,

где Т- время пробега импульса от рефлектометра до места повреждения и обратно.
Поэтому в любом рефлектометре перед измерением расстояния необходимо установить коэффициент укорочения.

Для удобства хранения данных о коэффициентах укорочения в рефлектометре РЕЙС-105Р имеется энергонезависимая память для 64 типов кабелей и их коэффициентов укорочения. Таким образом, нет необходимости постоянно записывать все данные по коэффициентам укорочения, так как они находятся в памяти рефлектометра.

Если коэффициент укорочения кабеля неизвестен, то потребитель может измерить его рефлектометром РЕЙС-105Р по кабелю известной длины и записать значение в память рефлектометра.

Запоминание и хранение результатов измерения

В рефлектометре РЕЙС-105Р реализовано два режима записи рефлектограмм в память:
- без растяжки (с фиксированной относительной погрешностью 0,78 % от длины линии);
- с растяжкой, которая позволяет уменьшить погрешность в 2, 4, 8, 16, 32 или 64 раза.

В режиме с растяжкой рефлектограмма линии запоминается более подробно. Например, использование растяжки при запоминании рефлектограммы позволяет сохранить в памяти линию длиной 1000 м с дискретностью 12 см. Режим записи рефлектограмм с растяжкой позволяет проводить “паспортизацию” линий. Вместе с рефлектограммой в памяти сохраняется имя линии, присвоенное потребителем при записи, и все измерительные параметры.

Информация может храниться в памяти рефлектометра не менее 10 лет, в том числе при отключении встроенных аккумуляторов. Ее можно использовать для сравнения с текущим состоянием линии или переписать во внешний компьютер.

В рефлектометре РЕЙС-105Р имеется режим сравнения и вычитания рефлектограмм из памяти или с двух входов. Сравнение и вычитание может быть реализовано для рефлектограмм из памяти, а также непосредственно с линии. Для перехода к режиму сравнения или вычитания рефлектограмм из линии и из памяти предварительно производится автоматическая настройка прибора по параметрам из памяти.

Работа с компьютером

Вся информация из памяти рефлектометра РЕЙС-105Р может быть переписана в компьютер по интерфейсу RS-232. В компьютере под управлением специальной программы можно выполнить дополнительную обработка рефлектограмм, а также создать “библиотеку” обслуживаемых линий. Созданная “библиотека” позволяет ускорить и упростить поиск места повреждения путем сравнения поврежденной линии с той же линией из “библиотеки”.

Для рефлектометра РЕЙС-105Р существует два варианта программы обработки информации на компьютере:
- программа, входящая в комплект поставки рефлектометра РЕЙС-105Р;
- программа обработки РЕЙД-6, имеющая широкие возможности и поставляемая по отдельному заказу.

Универсальность питания

Рефлектометр РЕЙС-105Р питается от встроенных аккумуляторов (входят в комплект поставки прибора), сети переменного тока напряжением 85 – 265 В, бортовой сети автомобиля.

Время непрерывной работы рефлектометра от сети переменного тока или бортовой сети автомобиля не ограничено, однако при отсутствии команд от оператора в течение четырех минут прибор автоматически отключается. При этом все режимы измерения сохраняются.

Цифровые рефлектометры имеют много новых возможностей и режимов, удобны для практического использования, позволяют сохранять данные в своей памяти и в памяти компьютера, исключают ошибки измерений, обеспечивают экономичность измерений, менее подвержены моральному старению. Они дают возможность достигнуть более высокой точности измерений расстояния до места повреждения (погрешность 0,2 %) по сравнению аналоговыми, в лучшем случае имеющими погрешность 1%.

Портативные цифровые рефлектометры РЕЙС-105Р российского производства за счет хороших технических характеристик, широких функциональных возможностей и невысокой цены получают все более широкое распространение в практике кабельных измерений линий связи.