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.

Метод индукционного поиска трасс
и точное определение мест повреждения кабельных линий
индукционными трассоискателями

Тарасов Николай Александрович, кандидат технических наук

Аннотация

Методические материалы посвящены индукционным трассовым методам поиска силовых кабельных линий, кабельных линий связи, контроля, управления и точного определения мест повреждения на местности.

Рассмотрены вопросы анализа последовательности поиска повреждений силовых кабельных линий и кабельных линий связи, некоторые вопросы поиска трасс кабельных линий и точного определения места повреждения на трассе индукционным методом.

Предназначена для персонала, занятого эксплуатацией кабельных линий, для инженерно-технических работников, создающих передвижные лаборатории для определения повреждений кабельных линий, для руководителей предприятий энергетики и связи.

Введение

В современных условиях непрерывно возрастают требования к надежности и бесперебойности электроснабжения и связи предприятий, учреждений, жилищных массивов, всех видов транспорта, почты и телеграфа, строительства, шахт и других объектов народного хозяйства, а также различных систем управления и контроля. Выход из строя кабельной линии приводит к большим экономическим потерям.

Повреждения в силовых кабелях, дефекты в телефонных линиях, линиях связи, управления и контроля требуют быстрого устранения, предпосылкой которого является рациональное определение места повреждения.

Особенно важным является точное определение места повреждения кабельной линии на трассе. Указанное наиболее актуально в условиях города или в зимнее время, так как позволяет значительно сократить размеры вскрываемого асфальтодорожного покрытия или мерзлого грунта.

Определение мест повреждения в кабельных линиях - это сложная взаимосвязанная система операций. Каждая операция позволяет решить конкретную задачу из всей процедуры определения места повреждения посредством использования определенных приборов.

Совершенство используемых для определения мест повреждения приборов, устройств и систем значительно облегчает работу персоналу, эксплуатирующему кабельные линии. Однако при большой плотности прокладки кабельных линий, что характерно для крупных городов, точное определение места повреждения на кабельной трассе под силу лишь специалистам - профессионалам, имеющим многолетний опыт определения повреждений кабельных линий.

Данная работа систематизирует общий подход к проблеме обнаружения и точного определения мест повреждения кабельных линий и содержит конкретные рекомендации по методике трассового индукционного поиска повреждений. В работе рассмотрены вопросы анализа последовательности поиска повреждений силовых кабельных линий и кабельных линий связи, некоторые вопросы поиска трасс кабельных линий и точного определения места повреждения на трассе индукционным методом, информацию о комплектах приборов индукционного типа, выпускаемымых фирмой СТЭЛЛ, и областях их применения на практике.

Работа будет полезна всем, кто занимается проблемами определения мест повреждения кабельных линий и тем, кто будет использовать приборы фирмы СТЭЛЛ.

1. Последовательность обнаружения и определения повреждений в кабельных линиях

Определение мест повреждения кабельных линий обычно проводится в определенной последовательности.

Последовательность операций для обнаружения и определения мест повреждения кабельных линий приведена в табл.1.

Необходимая приборная обеспеченность зависит от вида обслуживаемых линий: силовые или связные, контроля и управления, а также от вида кабельной трассы: подземные, в коробах, в шахтах, в метро и т.д.

Например, для обслуживания силовых кабельных линий обязательным является наличие высоковольтных генераторов, прожигающих устройств, локационных и волновых дистанционных искателей повреждений, индукционных и аккустических топографических искателей повреждений.

Для кабелей связи, управления и контроля использование методов пробоя и прожига, как правило, не допускается, поэтому применяют локационные и мостовые дистанционные искатели повреждений и индукционные топографические искатели повреждений.

Таблица 1.

2. Характер повреждений в кабельных линиях и актуальность индукционных трассовых методов

Все повреждения по характеру делятся на устойчивые и неустойчивые, простые и сложные.

К устойчивым повреждениям относятся короткие замыкания (КЗ), низкоомные утечки и обрывы. Характерной особенностью устойчивых повреждений является неизменность сопротивления в месте повреждения с течением времени и под воздействием различных дестабилизирующих факторов.

К неустойчивым повреждениям относятся утечки и продольные сопротивления с большими величинами сопротивлений, "заплывающие пробои" в силовых кабельных линиях, увлажнения места нарушения изоляции и другие. Неустойчивые повреждения могут самоустраняться, оставаться неустойчивыми или переходить при определенных условиях в устойчивые. Сопротивление в месте неустойчивого повреждения может изменяться как с течением времени, так и под воздействием различных дестабилизирующих факторов (напряжения, тока, температуры и др.)

Устойчивость повреждения может быть определена посредством измерения сопротивления изоляции и прозвонки поврежденного кабеля при отсутствии или наличии дестабилизирующих факторов. Это первая операция, указанная в таблице 1, которая является обязательной для определения места повреждения как силовой кабельной линии, так и кабельной линии связи, контроля и управления.

Важная роль из всех операций, указанных в таблице 1 принадлежит 3-ей операции "Обнаружение зоны нахождения места повреждения" локационными и волновыми искателями повреждений.

Успешное решение операции дистанционного определения расстояния до зоны нахождения места повреждения измерением с одного конца кабеля позволяет значительно сократить трудоемкость и время точного определения места повреждения, так как зона обследования кабельной линии трассовыми методами существенно сужается. Это наиболее актуально для протяженных кабельных линий.

Наибольшей эффективности по обнаружению зоны повреждения можно добиться использованием современных отечественных приборов и систем, разработанных фирмой СТЭЛЛ и использующих локационный принцип работы: "Портативный цифровой рефлектометр РЕЙС-105М", "Цифровой рефлектометр РЕЙС-205" и "Рефлектометр РЕЙС-305".

Наряду с рассмотренными другие операции из таблицы 1 также заслуживают внимания, однако все последующее рассмотрение посвятим индукционным трассовым методам поиска, входящим в 4-ую операцию "Отыскание трассы кабельной линии на местности" и 5-ую операцию "Отыскание места повреждения на трассе кабельной линии".

Важнаяая роль, отведенная индукционным трассовым методам обусловлена следующими обстоятельствами.

Из вышеизложенного следует, что наибольшей эффективности обнаружения мест повреждения кабельных линий можно добиться совместным использованием приборов дистанционного определения мест повреждения (Портативных импульсных рефлектометров РЕЙС-105М и Цифровых рефлектометров РЕЙС-205) и приборов трассового поиска мест повреждения. Для этого сначала прибором дистанционного типа определяют зону нахождения места повреждения, а затем трассовым прибором в зоне нахождения места повреждения определяют трассу залегания кабельной линии и определяют точное местонахождение повреждения.

При этом возникает вопрос о возможности обнаружения и точного определения места повреждения только прибором дистанционного типа или только прибором трассового типа, например в случае отсутствия или выхода из строя одного из приборов.

Удобства применения приборов дистанционного типа, в частности основанных на локационном методе измерения, обусловлены прежде всего возможностью проведения измерений с одного конца кабельной линии и достаточно точным определением расстояния до места повреждения, имея в виду расстояние, проходимое электрическим импульсом по линии.

Точно указать место повреждения на трассе по результатам замеров локационным прибором возможно при укладке кабеля в коробах или в метро - при наличии точной разметки трассы и по дополнительным признакам (наличию видимого обрыва, пережатию, нарушению защитного покрова или брони, следам от пробоя или выгорания участка кабеля, увлажнению и т.п.).

Приборы трассового поиска позволяют определить трассу, глубину залегания и точное местонахождение повреждения кабельной линии.

Основной недостаток трассовых методов заключается в том, что при неизвестной зоне нахождения места повреждения для точного его определения трассовым методом потребуется пройти с трассоискателем вдоль всей трассы. Это приводит к большим затратам, особенно для протяженных кабельных линий или для случаев прокладки кабеля в труднодоступных местах. Для сокращения затрат в этих случаях нужно пользоваться способом последовательного приближения, изложенным в п 7.2.

Среди всех трассовых методов наибольшее применение получил индукционный метод.

3. Основы трассового поиска залегания и мест повреждения
кабельных линий индукционным методом

В основу индукционного метода трассового поиска кабельных линий положено наличие магнитного поля, которое создается протекающим по кабелю током. Поле вокруг одиночного кабеля можно представить в виде концентрических линий, опоясывающих кабель (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Электрическое поле одиночного кабеля

Посредством обнаружения магнитного поля обнаруживают наличие кабельной линии, а посредством измерения поля определяют местоположение кабельной линии, глубину ее залегания и место повреждения.

Измерения обычно производят при помощи специальной поисковой катушки, имеющей сердечник для концентрации электрического поля.

Если ось поисковой катушки расположить параллельно поверхности земли непосредственно над кабелем, вдоль линий поля, то в катушке наведется электрический сигнал максимальной амплитуды (рис. 3.1а). При смещении катушки в сторону амплитуда снимаемого с катушки сигнала будет плавно уменьшаться.

По максимуму сигнала при указанном положении катушки на практике обнаруживают ориентировочное местонахождение трассы кабельной линии. Однако из-за размытости максимума сигнала точно определить местонахождения кабеля весьма затруднительно.

Если ось поисковой катушки расположить перпендикулярно поверхности земли непосредственно над кабелем (перпендикулярно линиям поля, когда ось катушки проходит через ось кабеля), то электрический сигнал с катушки будет иметь минимальную амплитуду (рис. 3.1б). При смещении катушки в сторону амплитуда сигнала сначала резко увеличивается, а затем плавно уменьшается.

Перпендикулярное к поверхности земли расположение катушки позволяет получить резко выраженный минимум сигнала, который на практике используется для точного определения местонахождения кабеля.

Для эффективного обнаружения трасс кабельных линий и точного определения мест повреждения на трассе обычно используют специальные индукционные комплекты приборов, состоящие из генератора звуковых частот и индукционного приемника (индукционный комплекты фирмы СТЭЛЛ: SG-600 и SG-80)

4. Определение трассы залегания кабельной линии

4.1. Обследование местности и определение трассы кабеля

Обследование местности индукционными приборами проводится на предмет наличия кабельных линий и трубопроводов в следующих случаях:

а) перед проведением земляных и других работ для предотвращения повреждения кабельных линий или трубопроводов;

б) при поиске трассы кабельной линий, например для ее ремонта.

Обследование местности может проводиться одним индукционным приемником, если нет возможности подключить к кабельной линии генератор звуковых частот или нет возможности отключить кабель из рабочего состояния. В этом случае обнаружение кабелей в основном базируется на приеме сигналов с частотой 50 Гц.

Наиболее эффективное обнаружение кабеля, особенно при наличии других кабелей, можно провести при подключении к началу (концу) искомого кабеля генератора звуковых частот, входящего в индукционный комплект.

На рис. 4.1 показано широкое обследование местности на предмет наличия кабельных линий или трубопроводов.

Для обследования неизвестной местности обходят эту местность по периметру и прослушивают сигналы, принимаемые индукционным приемником. Ось поисковой катушки приемника держится параллельно поверхности земли и параллельно направлению обхода. Любая кабельная линия, проходящая через обследуемую местность, при обходе пересекается дважды.

Рис. 4.1. Широкое обследование местности

Каждый раз при пересечении кабельной трассы приемник выдает сигнал. Максимальная амплитуда сигнала указывает на место прохождения кабельной трассы.

Для более надежного определения наличия кабельных линий необходимо обойти обследуемую местность несколько раз.

Местность с большой площадью необходимо обследовать по частям.

После широкого обследования местности определяют трассу кабельной линии. Для этого перемещаются между двумя точками кабельной линии, найденным при обследовании, и индукционным приемником определяют точное прохождение кабельной трассы по данной местности. На рис. 4.2 показано определение трассы кабельной линии.

Рис. 4.2. Определение трассы кабельной линии

Точное определение трассы кабельной линии осуществляется по максимальному уровню сигнала, принятого индукционным приемником. Для этого ось катушки должна находиться параллельно поверхности земли и перпендикулярно оси кабельной линии.

4.2. Методы непосредственного подлючения генератора к кабельной линии

Непосредственное подключение генератора к кабельной линии используется во всех случаях когда это возможно. При непосредственной связи выходной ток генератора протекает непосредственно по кабелю, поэтому создаваемое им поле имеет наибольшую эффективность. Это позволяет достигнуть наивысшей эффективности поска индукционным методом: наибольшей дальности и глубины обнаружения кабельной линии.

Рассмотрим методы непосредственного подключения индукционного генератора при определении местонахождения кабельной линии.

4.2.1. Непосредственное подключение генератора по схеме "неповрежденная жила - земля"

При этом методе один конец неповрежденной жилы кабеля присоединяют к одной из выходных клемм генератора. Вторую клемму генератора соединяют с заземлителем, которым может служить: специальный заземляющий наконечник (металлический стержень длиной 0,5 м с припаянным к нему проводом), вбитый в землю на расстоянии 6...8 м от генератора, водопроводная сеть или металлическая опора линии электропередачи. Другой конец неповрежденной жилы также заземляют. На рис. 4.3 приведена схема подключения "неповрежденная жила-земля".

Рис. 4.3. Непосредственное подключение генератора
по схеме "неповрежденная жила - земля"

Выходной ток генератора протекает в основном через присоединенную неповрежденную жилу кабельной линии и замыкается через землю. Вокруг кабеля возникает поле, интенсивность которого слабо зависит от удаления от начала кабеля. Это поле можно прослушивать на протяжении всей линии и тем самым определять ее местонахождение.

Однако некоторая часть обратного тока может протекать не через землю, а через броню или экран кабеля. Это приводит во-первых, к некоторому обшему ослаблению интенсивности поля, а во-вторых к некоторому постепенному ослаблению интенсивности поля вдоль кабельной линии.

Первая причина ослабления поля обусловлена тем, что направления токов в жиле и оболочке кабельной линии противоположны и поля от них частично компенсируются. Вторая причина обусловлена емкостным током, величина которого уменьшается при удалении от начала кабеля. На рис. 4.4 показана интенсивность магнитного поля над кабелем при подключении генератора по схеме "неповрежденная жила-земля".

Рис. 4.4. Интенсивность поля над кабелем
при подключении генератора по схеме "неповрежденная жила - земля"

4.2.2. Непосредственное подключение генератора по схеме "неповрежденная жила - броня"

При этом методе неповрежденную жилу подключают к одному из выходных клемм генератора, а другую выходную клемму генератора соединяют с броней (экраном) кабельной линии. На другом конце кабельной линии неповрежденную жилу также соединяют с броней (экраном) кабельной линии. Подключение индукционного генератора к кабельной линии по схеме "неповрежденная жила-броня" показано на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Непосредственное подключение генератора
по схеме "неповрежденная жила - броня"

Выходной ток генератора протекает по неповрежденной жиле и возвращается по броне (экрану) кабеля. Токи в жиле и броне протекают в противоположных направлениях, поэтому интенсивность результирующего магнитного поля вокруг кабеля уменьшается.

Если выход генератора подключить к двум жилам кабеля и соединить эти жилы на противоположном конце между собой, то интенсивность результирующего поля вокруг кабеля будет периодически изменяться (см. п. 4.2.4).

Методы непосредственно подключения генератора с использованием неповрежденной жилы и брони удобно использовать для определения местоположения кабельной линии на местности. Однако все рассмотренные методы требуют соединений на противоположном конце кабельной линии.

В случае полного обрыва кабеля или короткого замыкания (между жилами или между жилами и броней) в кабеле все соединения на противоположном конце кабеля не имеют смысла. Доступ к месту повреждения невозможен, так как его местонахождение неизвестно. Поэтому используемые в этом случае методы подключения генератора служат как для определения трассы кабельной линии, так и для точного определения места повреждения. Рассмотрим примеры подключения генератора при наличии в кабельной линии повреждения.

4.2.3. Непосредственное подключение генератора по схеме "оборванная жила - броня"

Данный метод подключения в сущности является разновидностью метода подключения по схеме "неповрежденная жила-броня" с тем лишь отличием, что на противоположном конце соединение между жилой и броней не производится. Подключение генератора к кабельной линии по схеме "оборванная жила-броня" показано на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Непосредственное подключение генератора
по схеме "оборванная жила броня"

Данный метод использует наличие распределенной емкости кабельной линии. Выходной ток генератора протекает через подключенную к его выходу поврежденную жилу, распределенную емкость кабеля и броню кабельной линии. При удалении от начала кабеля ток в подключенной жиле постепенно убывает из-за ответвления на распределенную по длине емкость. Поэтому интенсивность поля, окружающего кабель, при удалении от начала кабеля также убывает. Интенсивность магнитного поля над кабелем в месте обрыва становится нулевой. Уменьшение интенсивности магнитного поля вдоль кабельной линии показано на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Интенсивность магнитного поля над кабелем
при непосредственном подключении по схеме "оборванная жила - броня"

Для увеличения интенсивности магнитного поля над кабельной линией, необходимо увеличить ток, протекающий по кабелю. В рассматриваемом случае выходной ток генератора протекает через распределенное емкостное сопротивление между жилой и броней, погонная величина которого вырожается в виде:

Xi =1 / (j*w*Ci)

где:
Xi - емкостное сопротивление i-го участка кабеля,
w = 2*p*f - круговая частота (f-выходная частота генератора),
Ci - емкость i-го участка кабеля.

Для увеличения тока необходимо уменьшить емкостное сопротивление, для чего согласно выражения формулы необходимо либо выбрать более высокую выходную частоту генератора, либо увеличить погонную емкость кабеля.

Увеличения погонной емкости кабеля можно добиться параллельным соединением нескольких жил кабеля.

4.2.4. Непосредственное подключение генератора
между двумя короткозамкнутыми жилами кабельной линии

При этом методе выходные клеммы генератора подключаются к двум короткозамкнутым жилам кабельной линии по схеме, показанной на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Схема подключения индукционного генератора
между двумя короткозамкнутыми жилами кабельной линии

Выходной ток индукционного генератора протекает непосредственно по поврежденным жилам кабельной линии: по одной жиле - в одном направлении, по другой - в обратном направлении.

Если при коротком замыкании между жилами переходное сопротивление низкое, то такое повреждение называется "низкоомным" или повреждением типа "металлическое короткое замыкание".

Индукционный метод позволяет точно определять такие повреждения при переходном сопротивлении порядка 1 Ом. При этом в месте повреждения не должно быть никаких контактов с оболочкой (экраном) кабеля или с другими жилами. Если контакт все же имеется, то необходимо его устранить, например воздействуя на контактирующие элементы высоковольтным импульсным генератором.

Для точного определения места повреждения генератор включают в режим непрерывной генерации и начинают двигаться вдоль кабельной линии с индукционным приемником, у которого ось поисковой катушки расположена параллельно поверхности земли и перпендикулярно направлению движения (трассе кабельной линии).

При движении с индукционным приемником вдоль трассы кабельной линии слышимость кабельной линии будет периодически ослабевать и усиливаться. Это объясняется наличием повива жил кабельной линии. Из-за повива жил преобладание на поверхности земли магнитного поля одной жилы периодически меняется на преобладание противоположного магнитного поля от другой жилы.

На рис. 4.9а показаны повив двух короткозамкнутых жил кабельной линии и токи в них. На рис. 4.9б приведен график слышимости сигналов при движении с горизонтально расположенной катушкой приемника вдоль трассы кабельной линии. На рис. 4.9в показано распределение магнитных полей от двух повитых жил в разрезе А — А и В - В кабельной линии.

При вертикальном расположении поисковой катушки слышимость также периодически изменяется из-за скрутки (рис. 4.9г) при движении с приемником вдоль кабельной линии.

На рис. 4.10а показана кабельная линия с муфтой и участком, имеющим увеличение глубины залегания. На рис. 4.10б приведена зависимость интенсивности магнитного поля кабельной линии от длины.

Над муфтами и другими неоднородностями интенсивность магнитного поля изменяется. В местах кабельных муфт расстояние между соседними жилами увеличивается, поэтому создаваемые жилами поля меньше компенсируют друг друга. Скрутка жил в этих местах отсутствует. Все это приводит к увеличению интенсивности магнитного поля над кабельной муфтой.

В местах, где кабельная линия плавно уходит на большую глубину наблюдается плавное уменьшение интенсивности магнитного поля.

В местах, требующих особой защиты кабельной линии от механических повреждений, кабель прокладывают в металлических трубах. В этих случаях из-за экранирования наблюдается значительное ослабление интенсивности магнитного поля.

В месте короткого замыкания между жилами кабельной линии ток от индукционного генератора меняет свое направление, структура магнитного поля вокруг кабеля изменяется и компенсация от жил проявляется более слабо. Поэтому над местом повреждения интенсивность магнитного поля усиливается (рис. 4.10б) и становится нулевой после места повреждения.

Рис. 4.9. Изменение слышимости кабельной линии из-за повива

Рис. 4.10. Кабельная линия с неоднородностями и распределение магнитного поля от длины

4.3. Индуктивная связь генератора с кабельной линией или металлическим трубопроводом

Индуктивная связь используется в тех случаях, когда необходимо исследовать определенную местность на предмет наличия кабельных линий или металлических трубопроводов, например перед проведением земляных работ, или когда невозможно непосредственно подключиться генератором к кабельной линии. Для этого применяют специальную индукционную рамку, которую подключают к выходным клеммам генератора. Генератор с подключенной индукционной рамкой располагают на поверхности земли над предполагаемым местом нахождения кабельной линии или металлического трубопровода. Принцип индуктивной связи генератора с кабельной линией показан на рис. 4.11.

Рис. 4.11. Принцип индуктивной связи генератора с кабельной линией

Выходной ток генератора протекает по виткам индукционной рамки и вызывает появление магнитного поля, проходящего через окно рамки. Это поле проникает через землю и охватывает кабельную линию или трубопровод. В кабеле или трубопроводе начинает протекать индуцированный ток. Этот ток в свою очередь вызывает появление магнитного поля, которое опоясывает кабель (трубопровод) и может быть принято индукционным приемником. Таким образом, удается обнаружить кабельную линию (трубопровод) без непосредственного подключения к ним. При этом желательно, чтобы трубопровод был изолирован от земли.

Рассмотрим некоторые особенности определения местонахождения кабельных линий или металлических трубопроводов при индуктивной связи с ними генератора звуковых частот.

Из рис. 4.11 следует, что эффективность индуктивной связи генератора с кабельной линией будет наибольшей в том случае, когда плоскость индукционной рамки генератора расположена параллельно кабелю и непосредственно над кабелем.

Методика определения местонахождения кабельной линии или трубопровода при индуктивной связи с ними генератора звуковых частот поясняется на рис. 4.12.

Рис. 4.12. Определение местонахождения кабельной линии или металлического трубопровода при индуктивной связи с генератором

Согласно рисунка можно рекомендовать следующую методику определения местонахождения кабельной линии или трубопровода:

1. Расположить индукционный приемник на местности в зоне предполагаемого местонахождения кабельной линии или трубопровода. Поисковая катушка должна находиться в центре обследуемой зоны.
2. К выходу индукционного генератора, имеющего автономное питание, подключить индукционную рамку.
3. Исключить возможность прямой связи индукционной рамки генератора с индукционным приемником. Для этого отнести генератор от приемника на расстояние не менее 15 метров. Установить плоскость индукционной рамки генератора перпендикулярно поверхности земли по направлению на приемник.
4. С включенным генераторе начать обход местности вокруг приемника по окружности, сохраняя ориентировку плоскости рамки генератора перпендикулярно поверхности земли и по направлению на приемник.
5. При пересечении местопрохождения кабельной линии или металлического трубопровода приемником будет зафиксирован максимальный сигнал. Отметить указанное местонахождения генератора и продолжать обход местности до завершения окружности. Отметить другое место пересечения трассы на местности.
6. Обойти указанную местность еще раз и проверить найденные ранее точки пересечения.
7. Расположить генератор непосредственно над обнаруженной кабельной линией и определить точное метопрохождения трассы посредством прохождения с приемником по обследуемой местности от одной отмеченной точки до другой.

Примечание. Все работы удобно проводить вдвоем.

4.4. Определение трассы работающей кабельной линии без генератора

Работающие силовые кабельные линии, кабельные линии связи, контроля и управления, а также металлические трубопроводы имеют вокруг себя магнитные поля.

Магнитные поля вокруг кабельных линий вызываются протекающими по их жилам рабочими токами, а также различными уравнительными токами в броне или металлических экранах. Диапазон частот магнитного поля вокруг кабельных линий зависит от назначения кабеля и лежит в пределах от 50 Гц и выше.

Магнитное поле вокруг водопроводов вызвано наличием различных наведенных и "блуждающих" токов.

Основной причиной наличия магнитного поля вокруг нефтепроводов являются токи катодной защиты частотой 100 Гц, которые специально пропускаются по нефтепроводам.

Все указанные магнитные поля могут быть обнаружены индукционным приемником звуковых частот, что позволяет определять местонахождения кабельной трассы или металлического трубопровода без применения индукционного генератора.

Методика поиска заключается в обследовании местности индукционным приемником, принимающим звуковые частоты в диапазоне от 50 Гц и выше.

При этом поисковая катушка приемника удерживается в горизонтальном положении непосредственно над поверхностью земли.

При пересечении трассы кабельной линии или металлического трубопровода принимается соответствующий звуковой сигнал, который имеет максимальную интенсинность непосредственно над трассой. Определение трасс залегания кабельной линии или металлического трубопровода без использования генератора поясняется рисунком 4.2.

При обследовании местности следует учитывать, что звуковой сигнал каждой кабельной линии или металлического трубопровода имеет свой характерный тон. При тщательном прослушивании каждый звуковой сигнал можно отличить от других сигналов. Это требует определенного практического навыка, однако позволяет определить по отдельности трассы различных линий и коммуникаций, в том числе расположенных вблизи друг друга.

4.5. Подключение генератора к работающей кабельной линии через фильтр присоединения

Применение индукционных трассопоисковых приборов для определения точного местонахождения трассы кабельной линии возможно не только для отключенной кабельной линии, но и в случае работающей кабельной линии, без отключения ее от питающего напряжения с частотой промышленной сети 50 или 60 Гц. Возможно также определение трассы нефтепровода, имеющего катодную защиту с частотой тока 100 Гц. Эти возможности существуют благодаря разницы частот работающей кабельной линии и рабочих частот индукционного трассоискателя (обычно 1 кГц и выше).

Для реализации указанных возможностей индукционный генератор подключают к работающей кабельной линии через специальный фильтр присоединения. Схема подключения генератора к кабельной линии через фильтр присоединения показана на рис. 4.13.

Рис. 4.13.

Амплитудно-частотная характеристика фильтра присоединения показана на рис. 4.14. Из этого рисунка видно, что фильтр присоединения представляет собой фильтр верхних частот. Он свободно пропускает в кабельную линию ток от индукционного генератора (для генератора SG-80 это частота выше 1470 Гц, для других генераторов могут быть другие частоты) и предотвращает попадание рабочего напряжения кабеля на генератор.

Рис. 4.14.

После подключения к работающей кабельной линии индукционного генератора в ней протекают одновременно токи двух частот: 50 Гц и рабочей частоты генератора, например 1,47 кГц. Принимая индукционным приемником сигналы на частоте 1,47 кГц, имеется возможность определить точное местонахождения трассы работающей кабельной линии, в том числе при наличии других работающих кабельных линий.

5. Определение трасс залегания металлических и неметаллических подземных коммуникаций

Возможности определения трасс металлических трубопроводов (водопроводов, нефтепроводов и газопроводов) при использовании индуктивной связи с генератором и без генератора рассматривались в п 4.3 и п 4.4.

Более эффективное определение местонахождения трасс металлических трубопроводов можно произвести при непосредственном подключении генератора к трубопроводу. При этом одну выходную клемму генератора соединяют с трубой, а вторую выходную клемму заземляют на некотором расстоянии от трубы через заземлитель. Подключение индукционного генератора к металлическому трубопроводу показано на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Схема подключения индукционного генератора к металлическому трубопроводу

Соединение выхода генератора с трубой можно производить прикруткой провода или с помощью постоянного магнита. Место контакта провода с трубой необходимо предварительно зачистить.

Если необходимо определить местонахождение трассы водопровода и подключение генератора осуществляется в колодце, где трубы расходятся, то одну выходную клемму генератора необходимо соединить с той трубой, трассу которой необходимо определить. При этом соединение необходимо производить на расстоянии не менее 30...50 см от места стыковки труб. Вторую клемму генератора необходимо заземлить на расстоянии 5...10 м от колодца. Схема подключения индукционного генератора к водопроводу в колодце показана на рис. 5.2.

Рис. 5.2.

Индукционными трассоискателями можно определять местоположение неметаллических трубопроводов, например канализационных магистралей. Для этого к одной выходной клемме индукционного генератора подключают проводник, на конце которого прикреплен металлический предмет, и опускают его в поток воды в колодце. Вторую выходную клемму генератора заземляют через заземлитель на расстоянии 5...10 м от колодца. Схема подключения индукционного генератора к неметаллическому трубопроводу приведена на рис. 5.3.

Рис. 5.3.

Металлический предмет, прикрепленный к концу проводника, обеспечивает контакт выхода генератора с водой в магистрали. За счет хорошей проводимости воды выходной ток генератора протекает по трубопроводу, вокруг которого образуется магнитное поле. Наличие поля позволяет определять местонахождение трассы магистрали при помощи обычного индукционного приемника.

6. Определение глубины залегания кабельной линии

6.1. Методика определения глубины залегания кабельной линии

Определение точного местоположения повреждения кабельной линии невозможно без определения глубины залегания кабельной линии. Индукционные трассоискатели позволяют решить указанную задачу.

Измерение глубины залегания кабельной линии индукционным трассоискателем основано на использовании создаваемого кабелем магнитного поля, силовые линии которого имеют форму концентрических окружностей. Если ось поисковой катушки приемника расположить параллельно силовым линиям поля, то наводимый в ней сигнал будет иметь максимальную величину (рис. 6.1а). Если ось расположить перпендикулярно силовым линиям, то сигнал будет минимальным (рис. 6.1б). При перемещении наклоненной катушки вдоль поверхности земли наводимый в ней сигнал будет изменяться согласно рис. 6.1в.

Рассмотрим определение глубины залегания кабельной линии индукционными трассоискателями.

Для измерения необходим один из индукционных трассоискателей.

Приемник, входящий в комплект трассоискателей, конструктивно выполнен в ручке пластмассовой штанги, к концу которой под углом 45 градусов к оси, прикреплена поисковая катушка (показано на рис. 6.2).

Определение глубины залегания кабельной линии производят в следующем порядке.

1. К кабельной линии подключают генератор (SG-80 или SG-600). Может быть использована как непосредственная, так и индуктивная связь генератора с кабельной линией. Наиболее эффективно непосредственное подключение.

При этом возможны два варианта непосредственного подключения генератора к кабельной линии.

При первом варианте одну выходную клемму генератора необходимо подключить к соединенным между собой жилам, а вторую выходную клемму - к оболочке кабеля или его экрану.

Этот вариант подключения рекомендуются использовать для определения глубины залегания в случае обрыва кабельной линии.

При втором варианте одну выходную клемму генератора необходимо подключить к одной или нескольким, соединенным между собой, жилам кабеля, которые на противоположном конце соединены с заземленным наконечником. Вторую выходную клемму генератора необходимо соединить с изолированным проводом, идущим к заземлителю, отдаленному от конца кабеля влево или вправо.

Этот вариант подключения рекомендуется использовать при наличии хотя бы одной исправной жилы кабельной линии.

Рис. 6.1. Сигналы в поисковой катушке в зависимости от ее расположения относительно силовых линий магнитного поля

2. Используя описаные в главе 4 методы при помощи приемника находят трассу кабельной линии в том месте, где необходимо определить глубину ее залегания.

3. Располагают штангу приемника над местом залегания кабельной линии таким образом, чтобы ось поисковой катушки на конце штанги была перпендикулярна поверхности земли. Перемещаются со штангой приемника перпендикулярно трассе пролегания кабельной линии то в одном, то в другом направлении до тех пор, пока не будет найдено положение с минимальной громкостью сигнала. При этом необходимо выбрать такое положение штанги, при котором смещение в любую сторону приводит к одинаковому резкому увеличению громкости (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Определение точного местонахождения трассы кабельной линии

Отмечают на поверхности земли точку 1 с минимальной громкостью сигнала генератора.

4. Располагают штангу с приемником и поисковой катушкой таким образом, чтобы ось штанги была перпендикулярна поверхности земли, а ось поисковой катушки лежала в плоскости, перпендикулярной оси кабеля. Со штангой перемещаются от точки 1 перпендикулярно трассе пролегания кабельной линии сначала в одном, а затем в другом направлении до тех пор, пока не определят положения (точка 2 и точка 3) с минимальной громкостью сигнала (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Определение боковых точек с минимальной громкостью принимаемого сигнала

Согласно рисунка расстояние от точки 1 до точки 2 или 3 будет равно глубине залегания кабельной линии, т.е. выполняются равенства L1=L2, L1=h и L2=h, а также h=(L1+L2)/2.

6.2. Особенности определения глубины залегания при параллельном прохождении других кабельных линий

Рассмотренная в п. 6.1 методика определения глубины залегания дает правильные результаты в том случае, когда силовые линии магнитного поля имеют форму концентрических окружностей, как показано на рис. 6.3. При этом расстояния от Точки 1 (под кабелем) до Точки 2 и Точки 3 с минимальной громкостью сигнала одинаковы или близки по величине.

Однако силовые линии магнитного поля имеют форму концентрических окружностей только для одиночного проводника с током. Это возможно, если по жилам (жиле) кабеля ток протекает только в одном направлении, а обратный ток протекает по другому пути, например по земле или по другому кабелю, отнесенному от измеряемого кабеля.

Если прямой ток от генератора протекает по всем жилам кабеля, а обратный ток - по оболочке или экрану, то происходит некоторая взаимная компенсация создаваемых этими токами полей. В этом случае результирующее ослабленное магнитное поле также имеет форму концентрических окружностей.

Если форма силовых линий магнитного поля искажена, то точное определение глубины залегания кабельной линии описанным выше методом значительно затруднено.

Искажение силовых линий магнитного поля имеет место, когда пути прохождения прямого и обратного токов кабеля располржены достаточно близко друг около друга. Например, если прямой ток протекает по одной жиле кабеля, а обратный - по другой жиле того же кабеля.

Аналогичная ситуация возникает в случае, когда прямой ток протекает по одному обнаруживаемому кабелю, а обратный - по второму. проложенному близко к первому. Этот случай показан на рис. 6.4.

Из рисунка видно, что из-за искажения формы магнитного поля Точка 1’ смещена относительно места залегания обнаруживаемой кабельной линии, Точка 2’ и точка 3’ несимметрично расположены относительно Точки 1’, а также имеют место неравенства: L1’ > L2,  L1’> h,  L2’< h  и  (L1’+L2’)/2 не равно h.

Следовательно, при таком искажении магнитного поля измерения по описанным ранее методам приведут к ошибкам как в определении места, так и глубины залегания кабельной линии.

Поэтому, при измерении глубины залегания кабельной линии одновременно производится проверка прохождения трассы кабельной линии.

Основным признаком искажения магнитного поля и следовательно ошибочного определения месторасположения трассы и измерения глубины залегания кабельной линии является случай, при котором L1 не равно L2, причем, это отличие превышает 15...20%.

Для проведения более достоверных измерений необходимо попытаться изменить путь прохождения обратного тока, как указывалось выше.

Рис. 6.4. Искажение магнитного поля при параллельном прохождении других кабельных линий (жил) с обратным током

7. Точное определение местонахождения повреждения индукционным методом

7.1. Точное определение места повреждения после предварительного определения зоны дистанционным импульсным методом

Для быстрого определения точного местонахождения места повреждения кабельной линии на трассе необходимо сначала воспользоваться одним из дистанционных методов, а затем индукционным трассовым методом.

К дистанционным методам прежде всего относятся импульсные методы (локационный и волновой). Эти методы позволяют указать зону нахождения места повреждения, т.е. ориентировочное место нахождения повреждения.

Знание зоны нахождения повреждения позволяет существенно сократить время обхода трассы с индукционным трассоискателем и точного нахождения места повреждения.

Самым распространенным из дистанционных методов является локационный метод, называемый также методом отраженных импульсов или TDR-методом (методом рефлектометрии во временной области).

При локационном методе в кабельную линию посылают короткие импульсные сигналы (наносекундной длительности), принимают отраженные сигналы из линии и определяют расстояние до места повреждения по временной задержке отраженного от повреждения сигнала относительно посланного. Посланные сигналы вместе с отраженными образуют рефлектограмму линии.

Определение расстояния как до простых, так и до сложных повреждений, можно произвести рефлектометрами РЕЙС-105, РЕЙС-205 и РЕЙС-305 фирмы СТЭЛЛ.

Характерный вид рефлектограммы кабельной линии с дефектом в виде короткого замыкания, наблюдаемый на экране прибора РЕЙС-105, показан на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Рефлектограмма кабельной линии с коротким замыканием

На рис. 7.1 начало посланного (зондирующего) импульса отмечено нулевым курсором (прореженная вертикальная линия), а начало отраженного импульса отмечено измерительным курсором (сплошная вертикальная линия). Расстояние между курсорами соответствует расстоянию до места повреждения, которое отображается в ячейке таблицы "L= ".

Локационный метод позволяет надежно определить расстояние до зоны расположения места повреждения только в том случае, если удается выделить сигнал, отраженный от места повреждения, на фоне помех. Это возможно в двух случаях.

В первом случае имеют место простые повреждения, когда отражения от них по амплитуде превышают отражения от неоднородностей волнового сопротивления и случайные помехи.

Во втором случае отражения от места повреждения могут быть по амплитуде во много раз меньше, чем случайные помехи или наводки. Однако используя новые возможности компьютерных приборов РЕЙС-105М, РЕЙС-205 и РЕЙС-305 удается отстроиться от указанных помех.

Ниже показаны возможности рефлектометров фирмы СТЭЛЛ по отстройке от случайных помех и наводок.

На рис. 7.2. приведена рефлектограмма кабельной линии с очень большим уровнем помех и наводок без использования возможностей по их отстройке. Очевидно, что из-за помех определить расстояние до зоны расположения места дефекта не представляется возможным. В этих условиях невозможно определить расстояние как старыми отечественными приборами Р5-10 и Р5-13 так и многими зарубежными приборами аналогичного назначения.

Рис. 7.2. Рефлектограмма кабельной линии с большим уровнем помех и наводок

Использованные в приборах РЕЙС-105М и РЕЙС-205 методы отстройки позволяют во много раз снизить уровень случайных помех и наводок, оставляя неизменным амплитуду сигнала, отраженного от места повреждения.

На рис. 7.3 показана та же рефлектограмма кабельной линии, но после обработки программой накопления прибора РЕЙС-105Р.

Рис. 7.3. Рефлектограмма кабельной линии после отстройки от помех

Наиболее сложным является определение расстояния до места такого сложного повреждения, при котором амплитуда отраженного от повреждения сигнала гораздо меньше не только уровня случайных помех и наводок, но и отражений от неоднородностей волнового сопротивления кабельной линии.

Обнаружение таких повреждений и определение расстояния до них локационным методом без использования дополнительных аппаратных средств не представляется возможным.

Это обусловлено тем, что локационный метод обычно применяется на отключенных линиях, когда с линии снято рабочее и любое другое напряжение. Однако зачастую сложный дефект в месте повреждения может наблюдаться только при приложении к линии рабочего и другого дестабилизирующего напряжения. Поэтому, при отсутствии напряжения такое повреждение обнаружить невозможно.

Чтобы увеличить амплитуду отражения импульса в месте повреждения для силовых кабельных линий применяют предварительный прожиг дефектной изоляции в месте поврежджения. Для этого используют специальные прожигающие установки. При прожиге стараются довести переходное сопротивление в месте повреждения до единиц Ом. Тем самым сложное повреждение переводится в категорию простых.

Получение малой величины переходного сопротивления способствует эффективному применению как локационного метода, так и в последующем - индукционного метода.

Однако, в ряде случаев, использование прожига на силовых кабельных линиях не позволяет снизить переходное сопротивление. Например, если имеет место "заплывающий" пробой, при котором после возникновения пробоя в образовавшийся канал затекает масло и пробой прекращается, или если место повреждения изоляции находится во влажном месте и кабель "насасывает" в себя воду.

Для определения таких повреждеений используется другой импульсный метод - волновой, который эффективно реализуется при помощи прибора РЕЙС-205 с блоком РАЗРЯД-205.

При этом случае совместно с приборами РЕЙС-205 и РАЗРЯД-205  должны использоваться присоединительное устройство и высоковольтный генератор напряжения или импульсно-волновой генератор. Соответственно реализуется волновой метод напряжения или волновой метод тока.

При волновом методе напряжения к линии прикладывается высокое напряжение, которое постепенно повышается до возникновения пробоя в месте повреждения. Возникающая в момент пробоя волна напряжения распространяется по кабельной линии и запоминается в памяти блока РАЗРЯД-205, в том числе после переотражения от начала кабельной линии и от места повреждения.

При волновом методе тока в кабельную линию от импульсно-волнового генератора подается высоковольтный импульс, который достигнув места повреждения, вызывает в нем пробой. Возникший в месте повреждения пробой аналогичен повреждению типа короткое замыкание. Поэтому происходит полное отражение волны и она начинает распространяться к началу линии и запоминается в памяти длока РАЗРЯД-205.

Запомненные в памяти блока РАЗРЯД-205 характеристики волн позволяют определить расстояние до места повреждения.

Приведенная выше информация о локационном и волновом методах не ставит целью подробное изложение всех дистанционных методов и аппаратуры для их реализации, а только показывает ряд проблем, с которыми встречается персонал при определении зоны расположения места повреждения дистанционными импульсными методами.

После определения расстояния до зоны расположения повреждения одним из импульсных методов необходимо подключить к концу кабельной линии генератор SG-80 или SG-600 фирмы СТЭЛЛ и направиться с индукционным приемником в эту зону для проведения поиска повреждения на местности.

В зоне повреждения необходимо сначала произвести определение трассы кабельной линии описанными в предыдущих главах методами, затем, согласно рекомендаций, приведенных в главе 4, определить на местности место повреждения и после этого определить глубину залегания кабельной линии в месте повреждения (глава 6).

Таким образом, предварительное определение зоны расположения места повреждения кабельной линии позволяет существенно сократить затраты времени по точному определению местонахождения повреждения индукционным методом.

7.2. Точное определение места повреждения без предварительного определения зоны

При отсутствии приборов дистанционного определения зоны повреждения точное определение места повреждения можно произвести используя только индукционный трассоискатель, включающий генератор и приемник. Рассмотрим два способа.

1. Способ прохода вдоль кабельной линии

При этом способе после подключения к линии генератора звуковых частот идут по трассе линии от ее начала до места повреждения.

Способ прохода вдоль кабельной линии для точного определения места повреждения без предварительного определения зоны дистанционными методами графически представлен на рис. 7.5.

На рисунке точкой G отмечен конец маршрута при проходе вдоль всей кабельной линии с индукционным приемником. Очевидно, что будет затрачено слишком много времени. Это особенно актуально для протяженных кабельных линий. Кроме того, трасса кабельной линии зачастую пролегает через труднодоступные места (под зданиями, по склонам, через болотистые места и т.п.), а зимой дополнительные трудности для прохождения вдоль всей трассы создает снег.

Поэтому этот очевидный способ зачастую на практике неэффективен.

Рис. 7.5. Поиск места повреждения способом прохода вдоль всей кабельной линии

2. Способ последовательного приближения

Точное определение места повреждения по способу последовательного приближения графически показано на рис. 7.6.

При этом способе после подключения к линии генератора звуковых частот едут на место, расположенное ориентировочно посередине длины кабельной линии (точка А).

Перемещаясь с приемником перпендикулярно прохождению кабельной линии, пытаются прослушать ее трассу.

Если сигнал от кабельной линии не прослушивается, то место повреждения находится по направлению к началу линии.

Если сигнал прослушивается, то место повреждения расположено ближе к концу линии, в этом случае необходимо проехать к концу линии на расстояние, равное четверти длины линии. Этот случай показан на рисунке и соответствует точке В. Здесь необходимо повторить описанные выше действия, после которых оператор будет находиться в точке С. Из точки С необходимо проехать в точку D.

Рис. 7.6. Поиск места повреждения по способу последовательного приближения

Из точки D до точки Е оператор перемещается пешком, а далее, до точки F - на автомобиле.

Конечный участок пути длиной 100...400 метров до места повреждения целесообразно пройти вдоль кабельной линии с индукционным приемником пешком.

Следовательно, для точного определения места повреждения по способу последовательного приближения основное расстояние оператор преодолевает на автомобиле, что значительно сокращает время поиска повреждения.

Количество ступеней приближения зависит от длины кабельной линии.

Так, например, при длине 10 километров уже через 5 ступеней оператор приблизится к месту на расстояние менее 320 метров. А оставшийся путь несложно пройти вдоль трассы кабельной линии пешком с индукционым приемником.

Метод импульсной рефлектометрии и его использование
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,  РЕЙС-105Р и более новых РЕЙС-105М, РЕЙС-205 и РЕЙС-305), 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-105М, 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 рефлектометрах РЕЙС-105М, РЕЙС-205 и РЕЙС-305.

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-105М",   "Цифровые рефлектометры РЕЙС-205" и "Рефлектометры РЕЙС-305"   разработки и производства фирмы СТЭЛЛ, г. Брянск, Россия.