Использование метода импульсной рефлектометрии
для определения повреждений кабельных линий

Николай Александрович Тарасов,
канд. тех. наук, директор фирмы СТЭЛЛ

Введение

Точному определению места повреждения в линиях связи и электропередачи, которое производится трассовыми методами, должна предшествовать предварительная его локализация методом импульсной рефлектометрии.

Метод импульсной рефлектометрии позволяет определить зону повреждения (в пределах погрешности измерения) и применить отдельные трассовые методы обнаружения только на небольших участках трассы, что позволяет существенно сократить время точного определения места дефекта.

Основными видами повреждений в кабельных линиях электропередачи и связи являются: короткие замыкания и обрывы, появление утечки между жилами или между жилой и экраном (броней), увеличение продольного сопротивления.

Причин возникновения повреждений много: механические повреждения, например при проведении земляных работ, старение изоляции, нарушение изоляции от воздействия влаги и т.п.

Перед проведением измерений методом импульсной рефлектометрии необходимо проверить участок кабельной линии омметром или мегоометром. Однако такая проверка может быть недостаточной. Например, после воздействия мегоометром на кабель, имеющий растрескавшуюся изоляцию с попавшей влагой, может произойти подсушивание места дефекта. При этом показания мегоометра соответствуют как бы исправному кабелю (сотни и тысячи МОм).

После выявления дефектных линий (жил, фаз) мегоомметром переходят к предварительному определению места повреждения методом импульсной рефлектометрии.

 Сущность метода импульсной рефлектометрии  

Метод импульсной рефлектометрии, называемый также методом отраженных импульсов или локационным методом, базируется на распространении импульсных сигналов в двух- и многопроводных системах (линиях и кабелях) связи.

Приборы, реализующие указанный метод, называются импульсными рефлектометрами.

Сущность метода импульсной рефлектометрии заключается в выполнении следующих операций:
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 - реакция линии на зондирующий импульс.

Образование рефлектограммы линии легко проследить по диаграмме, приведенной на рисунке ниже. Здесь осью ординат является ось расстояния, а осью абсцисс - ось времени.  

В левой части рисунка показана кабельная линия с муфтой и коротким замыканием, а в нижней части - рефлектограмма этой кабельной линии.

Анализируя рефлектограмму линии, оператор получает информацию о наличии или отсутствии в ней повреждений и неоднородностей.

Например, по приведенной выше рефлектограмме можно сделать несколько выводов.

1. На рефлектограмме кроме зондирующего импульса есть только два отражения: отражение от муфты и отражение от короткого замыкания. Это свидетельствует о хорошей однородности линии от начала до муфты и от муфты до короткого замыкания.

2. Выходное сопротивление рефлектометра согласовано с волновым сопротивлением линии, так как переотраженные сигналы, которые при отсутствии согласования располагаются на двойном расстоянии, отсутствуют.

3. Повреждение имеет вид короткого замыкания, так как отраженный от него сигнал изменил полярность.

4. Короткое замыкание полное, так как после отражения от него других отражений нет.

5. Линия имеет большое затухание, так как амплитуда отражения от короткого замыкания много меньше, чем амплитуда зондирующего сигнала. 

Если выходное сопротивление рефлектометра не согласовано с волновым сопротивлением линии, то в моменты времени 2* tм, 4* tм и т.д. будут наблюдаться переотраженные сигналы от муфты, убывающие по амплитуде, а в моменты времени 2* tх, 4*tх и т.д. - переотражения от места короткого замыкания.

Основную сложность и трудоемкость при методе отраженных импульсов представляет выделение отражения от места повреждения на фоне помех.

Метод импульсной рефлектометрии базируется на физическом свойстве бесконечно длинной однородной линии, согласно которому отношение между напряжением и током введенной в линию электромагнитной волны одинаково в любой точке линии. Это соотношение:

W = U/I

имеет размерность сопротивления и называется волновым сопротивлением линии.

При использовании метода импульсной рефлектометрии в линию посылают зондирующий импульс и измеряют интервал tх - время двойного пробега этого импульса до места повреждения (неоднородности волнового сопротивления). Расстояние до места повреждения рассчитывают по выражению:

Lx = tx*V/2 ,

где V - скорость распространения импульса в линии.

Отношение амплитуды отраженного импульса Uо к амплитуде зондирующего импульса Uз обозначают коэффициентом отражения Котр:

Котр = Uo/Uз = (W1 - W) / (W1 + W),

где: W - волновое сопротивление линии до места повреждения (неоднородности),
        W1 - волновое сопротивление линии в месте повреждения (неоднородности).

Отраженный сигнал появляется в тех местах линии, где волновое сопротивление отклоняется от своего среднего значения: у муфт, у мест изменения сечения жилы, у мест сжатия кабеля, у места обрыва, короткого замыкания и т.д.

Если выходное сопротивление импульсного рефлектометра отличается от волнового сопротивления измеряемой линии, то в месте подключения рефлектометра к линии возникают переотражения.

Переотражения - это отражения от входного сопротивления рефлектометра отраженных сигналов, которые пришли к месту подключения рефлектометра из линии. Выходное и входное сопротивления рефлектометра, как правило, равны между собой.

В зависимости от соотношения входного сопротивления рефлектометра и волнового сопротивления линии изменяется полярность и амплитуда переотражений, которая может оказаться соизмеримой с амплитудой отражений. Поэтому перед измерением рефлектометром обязательно нужно выполнить операцию согласования выходного сопротивления рефлектометра с волновым сопротивлением линии.

Примеры рефлектограммы линии без согласования выходного сопротивление с линией и с согласованием приведены на рисунках: 

При распространении вдоль линии импульсный сигнал затухает, то есть уменьшается по амплитуде.
Затухание линии определяется ее геометрической конструкцией и выбором материалов для проводников и изоляции и является частотно-зависимым.

Следствием частотной зависимости является изменение зондирующих импульсов при их распространении по линии: изменяется не только амплитуда, но и форма импульса - длительности фронта и среза импульса увеличиваются ("расплывание” импульса). Чем длиннее линия, тем больше “расплывание” и меньше амплитуда импульса. Это затрудняет точное определение расстояния до повреждения.

Примеры рефлектограмм линий без затухания (идеальная линия) и с затуханием показаны на рисунке. 

Для более точного измерения необходимо правильно, в соответствии с длиной и частотной характеристикой затухания линии, выбирать параметры зондирующего импульса в рефлектометре.
Критерием правильного выбора является минимальное "расплывание" и максимальная амплитуда отраженного сигнала.

Если при подключенной линии на рефлектограмме наблюдается только зондирующий импульс, а отраженные сигналы отсутствуют, то это свидетельствует о точном согласовании выходного сопротивления рефлектометра с волновым сопротивлением линии, отсутствии повреждений и наличии на конце линии нагрузки равной волновому сопротивлению линии.

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.

Рассмотрим два случая эквивалентных схем повреждений, которые наиболее часто встречаются на практике: шунтирующая утечка и продольное сопротивление.

Пусть место повреждения линии представляет собой шунтирующую утечку Rш:

С изменением сопротивления утечки от нуля (соответствует короткому замыканию) до бесконечности (соответствует исправной линии), при положительном зондирующем импульсе отраженный импульс имеет отрицательную полярность и изменяется по амплитуде от максимального значения до нулевого, в соответствии с выражением:

Котр= (W1 - W) / (W1 + W) = - W / (W+2*Rш),

где: Rш - сопротивление шунтирующей утечки,
        W1 - волновое сопротивление линии в месте повреждения, определяется выражением:

W1 = (W*R ш) / (W + Rш)

Так, например, при коротком замыкании (Rш = 0) получаем: Котр = -1. В этом случае сигнал отражается полностью с изменением полярности.

При отсутствии шунтирующей нагрузки (Rш = бесконечности ) имеем: Котр = 0. Сигнал не отражается вообще.
При изменении Rш от 0 до бесконечности амплитуда отраженного сигнала уменьшается от максимального значения до нулевого, сохраняя отрицательную полярность (см. рисунок). 

Если эквивалентная схема места повреждения линии имеет вид включения продольного сопротивления (например, нарушение спайки или скрутки жилы), 

то с изменением величины продольного сопротивления отраженный импульс изменяется по амплитуде, оставаясь той же полярности что и зондирующий импульс.

Выражение для коэффициента отражения при наличии включения продольного сопротивления будет иметь вид:

Котр= (W1 - W) / (W1 + W) = 1 / (1+2*W/Rп),

где: Rп - продольное сопротивление,
        W1 - волновое сопротивление линии в месте включения продольного повреждения, определяемое выражением:

W1 = Rп + W

В случае обрыва жилы (Rп = бесконечности) получаем коэффициент отражения:   Котр = 1. Это означает, что сигнал отражается полностью без изменения полярности.

При нулевом значении продольного сопротивления (Rп= 0) имеем: Котр = 0. Сигнал не отражается вообще.

При изменении Rп от бесконечности до 0 отраженный сигнал уменьшается по амплитуде от максимального значения до нулевого, без изменения полярности (см. рисунок). 

Виды зондирующих сигналов 

В рефлектометрах для определения мест повреждения линий применяются в основном два вида зондирующих импульсов: короткий видеоимпульс и перепад напряжения. Иногда используется суперпозиция видеоимпульса и перепада напряжения.

        1. Короткий видеоимпульс  
Короткий видеоимпульс представляет импульс напряжения малой длительности, которая выбирается много меньше (в 10...100 раз) времени распространения импульса по линии. Выбор длительности может производиться вручную или автоматически, в зависимости от диапазона измеряемых расстояний.

При зондировании линии короткими видеоимпульсами наблюдаются отражения от начала и конца распределенных неоднородностей, поэтому такое зондирование используется для поиска локальных повреждений и крупных сосредоточенных неоднородностей волнового сопротивления.

Короткий зондирующий импульс обеспечивает высокую разрешающую способность, которая определяется его длительностью.

Разрешающая способность - это минимальное расстояние между двумя неоднородностями волнового сопротивления при котором отраженные от них сигналы еще наблюдаются как отдельные сигналы.

На рисунке отраженные от двух неоднородностей импульсы еще наблюдаются раздельно.

Длительность зондирующего видеоимпульса влияет на разрешающую способность рефлектометра - чем она меньше, тем выше разрешающая способность рефлектометра.

В тоже время, при уменьшении длительности зондирующих сигналов возрастает их затухание.

Следует иметь в виду, что для линий с одинаковой длиной более высокая разрешающая способность может быть получена на более высокочастотной линии (см. рисунок).

Зондирующие сигналы в виде коротких видеоимпульсов нашли применение во многих отечественных рефлектометрах относительно низкочастотных и высокочастотных диапазонов (Р5-5, Р5-8, Р5-9, Р5-10,Р5-13, Р5-17, К6Р-5 и РЕЙС-105Р), предназначенных для определения мест повреждения и неоднородностей волнового сопротивления в линиях связи, электропередачи, контроля и управления различных типов.

        2. Перапад напряжения 

Перепад напряжения - это зондирующий импульс такой длительности, которая больше чем время распространения импульса по линии.

При зондировании линии таким широким импульсом (“перепадом”) наблюдается профиль изменения волнового сопротивления вдоль линии. Поэтому такое зондирование может использоваться не только для измерения расстояния и величины неоднородности, но и при наличии в линии следующих друг за другом нескольких протяженных неоднородностей волнового сопротивления или его плавного изменения вдоль линии.

При прочих равных условиях, в частности при одинаковых длительностях фронтов зондирующих импульсов, разрешающая способность при измерении перепадом напряжения вдвое лучше, чем при измерении видеоимпульсом. Эта разрешающая способность определяется длительностью фронта "перепада".

Пример рефлектограммы линии с утечкой при зондировании "перепадам" напряжения показан на рисунке. 

Зондирующие импульсы в виде перепада напряжения нашли применение в рефлектометрах СВЧ диапазона (Р5-11, Р5-12, Р5-15, СК7-18), используемых для анализа однородности антенных систем, волноводных трактов и т. д.

Коэффициент укорочения электромагнитных волн 

Зондирующие импульсы распространяются в кабельных линиях по определенным волновым каналам, определяемым режимом включения "жила - жила", "жила - оболочка" и другие варианты.

Импульсный сигнал распространяется в линии с определенной скоростью, которая зависит от типа диэлектрика и определяется выражением:

где    с - скорость света,
        g - коэффициент укорочения электромагнитной волны в линии,
         e - диэлектрическая проницаемость материала изоляции кабеля.

Коэффициент укорочения показывает во сколько раз скорость распространения импульса в линии меньше скорости распространения в воздухе.

В любом рефлектометре перед измерением расстояния нужно установить коэффициент укорочения. Точность измерения расстояния до места повреждения зависит от правильной установки коэффициента укорочения.

Величина g является справочной только для радиочастотных кабелей, для других типов кабелей не нормируется. Коэффициент укорочения можно определить импульсным рефлектометром по кабелю известной длины.

Для многожильных и многопарных кабелей коэффициент укорочения, волновое сопротивление и затухание различны для каждого варианта включения, поэтому рекомендуются включения рефлектометра независимо от типа повреждения по схеме "жила - жила". При повреждении одной из жил можно использовать схему включения "поврежденная жила - неповрежденная жила".

Включение рефлектометра по схеме "жила - оболочка" позволяет выявить поврежденную жилу методом сравнения.

При измерениях на воздушных линиях электропередачи с горизонтальным расположением проводов рефлектометр следует подключать по схеме "средний провод - крайний провод" или "средний провод - земля".

Помехи импульсной рефлектометрии и борьба с ними 

По соотношению величин отражения от повреждения и напряжения помех все отражения можно разделить на простые и сложные.

Простое повреждение - это такое повреждение кабельной линии, при котором амплитуда отражения от места повреждения больше амплитуды помех.

Сложное повреждение - это такое повреждение, для которого амплитуда отражения от места повреждения меньше или равна амплитуде помех.

По источникам возникновения помехи бывают асинхронные (аддитивные) и синхронные.

Асинхронные помехи не связаны с зондирующим сигналом и неоднородностями кабельной линии и вызваны наводками от соседних кабельных линий, от оборудования, транспорта и различной аппаратуры.

Пример рефлектограммы кабельной линии с асинхронными помехами показан на рисунке.

На рефлектограмме асинхронные помехи полностью закрывают отражение от повреждения. Это отражение невозможно рассмотреть на фоне помех.

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 туже 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.

Пример предыдущей рефлектограммы линии, "очищенной" в результате цифрового накопления рефлектометром РЕЙС-105Р, приведен на рисунке. 

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

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

Основная масса кабельных линий (кроме кабелей связи) не предназначены для передачи коротких импульсных сигналов, используемых при методе импульсной рефлектометрии. Поэтому этим кабельным линиям присуще большое количество синхронных помех.

Пример рефлектограммы кабельной линии с синхронными помехами показан на рисунке.

Синхронные помехи можно существенно уменьшить посредством сравнения или дифференциального анализа.

При сравнении накладывают рефлектограммы двух линий (неповрежденной и поврежденной), проложенных по одной трассе. 

Наложение двух рефлектограмм позволяет быстро обнаружить начальную точку их различия, по которой и определяют расстояние L до повреждения.

При дифференциальном анализе рефлектограммы поврежденной и неповрежденной линий вычитают, как показано на рисунке ниже.

Из рисунка видно, что при вычитании все синхронные помехи компенсируются. По 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 результатов 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 асинхронные и синхронные помехи присутствуют на рефлектограмме одновременно.

Асинхронные помехи (кроме помех импульсного характера), как правило, имеют одинаковые величины, независимо от того, с какого конца кабельной линии ведется измерение рефлектометром.

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 сигнал от одной и той же неоднородности может иметь различные величины при измерении с разных концов линии.

Если хотя бы предположительно известно, к какому концу кабельной линии ближе может быть расположено место повреждения, то для измерений нужно выбирать именно этот конец кабельной линии. 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 большом затухании и больших неоднородностях волнового сопротивления линии амплитуда отражения от удаленного повреждений типа “короткое замыкание” или “обрыв” зачастую бывает меньше, чем отражения от близко расположенных неоднородностей волнового сопротивления. Поэтому такие повреждения являются сложным для обнаружения.

Рефлектограмма кабельной линии со сложным повреждением показана на рисунке.

Как правило, сложные повреждения встречаются значительно чаще чем простые.

На практике метод импульсной рефлектометрии позволяет эффективно определить обрыв, короткое замыкание, низкоомное соединения жил или оболочки при сопротивлении утечки до 10 кОм, муфты, ответвления и т.д. При малых синхронных помехах возможно обнаружение повреждений и при более высоких значениях сопротивлений утечки.

Выводы   

Метод импульсной рефлектометрии удобен для практического использования, так как для измерения импульсным рефлектометром достаточно доступа к линии с одного конца.

Импульсные рефлектометры позволяют определить расстояние до места повреждения линии при любом характере повреждения (обрыв, короткое замыкание, утечка, продольное сопротивление и т.д.).

Результаты, достигаемые при измерениях импульсным рефлектометром, зависят от его возможностей по отстройке от помех.

Метод импульсной рефлектометрии позволяет достигнуть более высокой точности измерений расстояния до места повреждения по сравнению с другими методами (например, по сравнению с мостовым): 1% - для аналоговых импульсных рефлектометров и 0,2% - для цифровых рефлектометров.

За счет хороших технических характеристик и широких функциональных возможностей все более широкое распространение в практике кабельных измерений линий связи и силовых линий получают приборы "Портативные цифровые рефлектометры РЕЙС-105Р" и "Цифровые рефлектометры РЕЙС-205"   разработки и производства фирмы СТЭЛЛ, г. Брянск, Россия.