Измерения в технике Связи Лекции. Лекции по дисциплине Измерениявтехникесвязи Для студентов специальности 200900 Сети связи и системы коммутации
 Скачать 0.85 Mb.
|
|
2.2. Измерениямагистральныхкабелей Измерения магистральных кабелей разделяются по этапам прокладки магистральных кабелей: • приемосдаточные испытания; • регламентные измерения; • измерения, связанные с локализацией неисправности; • измерения, связанные с проверкой параметров кабеля после его восстановления. Прокладка магистрального электрического кабеля Перед прокладкой кабеля часто оказывается целесообразной проверка соответствия его характеристик заданным. Такие измерения сводятся к анализу характеристик кабеля в бухтах. Обычно эти измерения проводятся на заводе-производителе в рамках системы контроля качества, но могут также проводиться и операторами сетей связи для проверки заданных технических характеристик. В связи с процессами приватизации производства эта группа измерений представляется наиболее существенной среди задач системных измерений кабелей. В настоящее время актуальной задачей производственных измерений становится не только организация систем контроля качества, но и создание центров входного контроля кабельной продукции на предприятиях. Основной движущей силой этого процесса выступает конкуренция и необходимость контроля качества. Компании-производители кабельной продукции анализируют параметры качества кабеля средствами выходного контроля. Следующим шагом является входной контроль компаниями, непосредственно занимающимися прокладкой кабелей. Такая практика еще мало практикуется, однако развитие измерительной технологии приведет к росту интереса к системным измерениям кабелей. Анализ кабеля в бухтах относится к разряду стандартной задачи анализа параметров четырехполюсников и решается при помощи анализаторов цепей (Network Analyzers). Эти приборы содержат генератор и анализатор спектра, синхронизированные друг с другом. Различают скалярные и векторные анализаторы цепей. Векторные анализаторы цепей обеспечивают анализ амплитуды и фазы принимаемого сигнала и могут использоваться для анализа не только АЧХ кабеля, но и комплексного импеданса и погонной емкости кабеля. При измерениях кабеля в бухтах анализируют: • погонное сопротивление и импеданс кабеля; • сопротивление изоляции; • зависимость затухания в кабеле от частоты; • параметры отражения сигнала (уровень возвратных потерь, коэффициент отражения и т.д.). Анализ погонного сопротивления и импеданса кабеля, а также зависимости затухания в кабеле от частоты выполняется анализаторами цепей общего применения. Для анализа сопротивления изоляции используют специализированные приборы - анализаторы сопротивления изоляции, работающие по принципу анализаторов цепей, но с учетом специфики измерений: анализатор цепей подает в цепь изоляции высокое напряжение, затем измеряется ток утечки. Генератор должен быть в этом случае мощным, а анализатор -высокочувствительным. Приемосдаточные и регламентные измерения магистральных кабелей Эти две группы измерений наиболее полно освещены в отечественных стандартах, а также многочисленных справочниках по эксплуатации магистральных кабелей. Для каждого из типов используемых в отечественной практике магистральных кабелей в данных стандартах указан перечень измеряемых параметров, предельные нормы на них, а также рекомендованный график регламентных работ и их состав. Обычно измерения кабелей на этапе пусконаладки включают: • анализ затухания на составном кабеле, на его участках и в соединительных муфтах на частоте, равной половине от несущей (например, затухание в кабелях для системы пере дачи Е1 (2048 кбит/с) измеряется на частоте 1024 кГц и т.д.); • измерение омического сопротивления кабеля; • измерение переходного затухания; • измерение емкости кабеля; • измерение сопротивления изоляции; • после подключения к системе передачи - измерение тока и напряжения от системы пе редачи; • измерение шума; • анализ влияния силовых кабелей. Учитывая широкую известность перечисленных выше измерений не будем детально останавливаться на перечисленных тестах. Обнаружение и устранение неисправностей К наиболее часто встречающимся в процессе эксплуатации неисправностям можно отнести: • обрыв кабеля целиком, отдельной пары или отдельной жилы; • короткое замыкание; • замокание кабеля, нарушение его изоляции. Для устранения перечисленных неисправностей требуется локализация точки их возникновения. Выше упоминалось, что магистральные кабели могут быть как воздушные, так и подземные. Обнаружение точки возникновения неисправности, таким образом, представляется довольно трудной задачей. Существует несколько принципиально разных методов для обнаружения точек возникновения неисправностей: • метод прямого наблюдения; • рефлектометрические методы; • мостовые методы. Все перечисленные методы могут эффективно применяться не только для обнаружения точек неисправности магистральных кабелей, но и для аналогичных измерений абонентских кабелей. Измерения , связанные с восстановлением кабеля Эта группа измерений магистрального кабеля практически не отличается по методам организации измерений и набору измеряемых параметров от группы приемосдаточных испытаний. Действительно, после обнаружения точки неисправности кабель расконсервируется, затем заменяется либо целиком, либо отдельным участком, либо с помощью сварки. Восстановленный кабель будет скорее всего иметь одну или несколько сварочных муфт. Для проверки характеристик восстановленного кабеля целесообразно повторить в полном или частичном объеме пусконаладочные измерения. Последовательность обнаружения и определения повреждений в кабельных линиях Определение мест повреждения кабельных линий обычно проводится в определенной последовательности. 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 акустических 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 трассовые искатели повреждений. Характер повреждений в кабельных линиях 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 является обязательной для определения места повреждения как силовой кабельной линии, так и кабельной линии связи, контроля и управления. Дистанционные и трассовые методы определения повреждений в кабельных линиях Важная роль из всех операций принадлежит операции "Обнаружение зоны нахождения места повреждения" дистанционными методами. 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. Важная роль принадлежит трассовым методам, в частности индукционному методу. Наибольшей эффективности обнаружения мест повреждения кабельных линий можно добиться совместным использованием приборов дистанционного определения мест повреждения и приборов трассового поиска мест повреждения. При 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 методе импульсной рефлектометрии, 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. Дистанционныеметодыизмерения мест могут быть использованы для решения различных задач: - измерения длины кабельных или воздушных линий связи, электропередачи, контроля, управления и т.д., - измерения расстояния до места повреждения или неоднородности линии, - определения типа повреждения линии (обрыв, короткое замыкание, утечка в изоляции кабельной линии, появление в жилах дополнительного продольного сопротивления, и другие), - измерения параметров кабельной линии, таких как сопротивление изоляции, сопротивление шлейфа, емкость кабеля. При решении задачи определения места повреждения подземной кабельной линии дистанционные методы измерения, и прежде всего импульсные методы, играют существенную роль за счет значительного сокращения времени обнаружения места повреждения. Так, например, в результате измерения расстояния до места повреждения рефлектометром можно указать зону повреждения, куда следует послать бригаду измерителей с трассовыми приборами поиска. При решении задачи определения места повреждения открытой кабельной линии (в тоннелях метро и т.д.) для точного поиска места повреждения может быть достаточно только дистанционного метода. Наиболее распространенными дистанционными методами измерения являются импульсные методы и мостовые методы. Импульсныеметоды измерения базируются на теории распространении импульсных сигналов вдоль линий. Длительность этих импульсов значительно меньше времени прохождения их вдоль всей линии, поэтому в каждый момент времени импульс присутствует только на коротком участке линии. Импульсные методы позволяют: измерить расстояние (электрическую длину линии) до места повреждения или неоднородности (муфты, кабельной вставки), определить вид повреждения (короткое замыкание, обрыв, утечки, перепутывание жил, и т.д.) Мостовыеметоды, применяемые для измерения кабельных линий, используют постоянный ток или переменный ток частотой от нескольких герц до нескольких сотен герц. Мостовые методы позволяют измерить сопротивление изоляции кабельной линии, сопротивление шлейфа (двух жил, закороченных на конце), емкость кабеля, расстояние до места обрыва, расстояние до места высокоомной утечки в изоляции линии. Импульсныеметоды измерения базируются на теории распространении импульсных сигналов вдоль линий. В простейшем случае линия представляет собой два проводника, изолированных друг от друга. Это может быть воздушная линия или кабельная линия. В кабельной линии в качестве проводника могут использоваться только жилы кабеля или жилы и оболочка (броня). Импульсные сигналы распространяются в линии с очень большой скоростью, которая зависит от изоляции между проводниками. Так, например, в воздушных линиях, где изолятор - воздух, скорость распространения импульсных сигналов близка к скорости света. В кабелях с резиновой изоляцией скорость распространения импульсных сигналов ориентировочно в 3 раза меньше, чем скорость света. Используемые при импульсных методах сигналы имеют очень малую длительность - от единиц наносекунд до десятков микросекунд (в зависимости от длины измеряемой линии). В связи с тем, что длительность этих импульсов значительно меньше времени прохождения их вдоль всей линии, то такие короткие импульсы при распространении по линии в каждый момент времени могут присутствовать только на коротком участке линии (располагаться локально). Если линия однородная и не содержит повреждений, то импульсный сигнал беспрепятственно распространяется от начала до конца линии. Если же на его пути встречаются неоднородности (барьеры), например нарушение изоляции между проводниками, то часть энергии этого импульса проходит через эту неоднородность, а часть отражается и начинает распространятся в обратном направлении - к началу линии. Если же линия короткозамкнута или оборвана, то вся энергия импульса отражается и возвращается к началу линии. Измерив время задержки посланного в линию импульса и принятого из линии, можно определить расстояние до места повреждения. В зависимости от источника формирования посланного (зондирующего) импульса импульсные методы можно разделить на следующие: локационные (методы импульсной рефлектометрии), импульсно-дуговые (методы кратковременной дуги), методы колебательного разряда и методы частичных разрядов. 2.3. Общие методы обнаружения точек возникновения неисправностей в электрическом кабеле Прямые методы обнаружения неисправности в кабеле Используемые в настоящее время прямые методы обнаружения неисправности в кабелях связаны с внешним наблюдением за кабелем, которое называется трассировкой кабеля. Помимо обнаружения неисправности трассировка кабеля производится для обнаружения маршрута залегания его под землей, в канализации, в стенах (в случае абонентского кабеля) и т.д. При прямом методе в основном используются кабелеискатели (рис. 9.3), состоящие из двух частей: генератора-передатчика сигнала и приемника. Передатчик подключается к кабелю, в котором обнаружена неисправность, и подает в кабель сигнал переменного тока напрямую или через индуктивный переходник. Приемник-трассоискатель при замыкании цепи передатчик - кабель - среда - приемникотображает уровень сигнала в этой цепи в цифровом виде, а чаще - просто звуковым сигналом, пропорциональным уровню сигнала в цепи. Очевидно, что замыкаемая цепь не может иметь омический характер за счет наличия непроводящей среды (сюда входит воздух, земля, изоляция и т.д.). В зависимости от того, обеспечивает ли приемник емкостное или индуктивное замыкание цепи, приемник может быть как емкостным, так и индуктивным или совмещать в себе оба варианта. В последнем лой длительности. В точке обрыва кабеля при прохождении высоковольтного импульса возникает ионизированное плазменное образование, которое меняет на время сопротивление кабеля. Плазменный шнур выполняет в этом случае роль проводника для короткого замыкания и точка обрыва может быть успешно локализована. Поскольку прибор использует для измерения очень короткий импульс, его работа не сказывается на параметрах кабеля (за исключением точки обрыва) и на оборудовании, подключенном к кабелю. По данным о длительности импульса определяется ориентировочная дистанция до точки обрыва. Точная локализация выполняется с использованием портативного переносного индуктивного приемника одночастотного сигнала. Обнаружение неисправностей с использованием рефлектометров электрических кабелей Для анализа магистральных кабелей с одного конца используют металлическиерефлектометрыдальнего действия, принцип работы которых аналогичен оптическим рефлектометрам. Диапазон измерений металлических рефлектометров достигает 60 км, разрешающая способность - до 10 см, что обеспечивает локализацию точек обрыва даже без использования на местности кабельных локаторов. Общая теория рефлектометрии электрических кабелей была разработана в 60-х годах, ее наиболее полное описание может быть найдено в [39-46J. Различают два основных типа металлических рефлектометров: рефлектометры с отображением формы принимаемой волны и рефлектометры с цифровым отображением. Рефлектометры с отображением формы принимаемой волны (рефлектограммы) дают возможность комплексного анализа всех неоднородностей в кабеле, а рефлектометры с цифровым отображением определяют расстояние до первой неоднородности, и могут с успехом применяться в эксплуатации, поскольку дешевы и портативны. Некоторые приборы этого класса селектируют неоднородности, определяя категорию неисправности в виде обрыва или короткого замыкания кабеля. Важным отличием металлических рефлектометров от оптических является зависимость скорости распространения сигнала по кабелю от характеристик кабелей. В связи с этим возникает вопрос пересчета данных о времени распространения отраженного сигнала в данные о расстоянии до неоднородности. При этом возникает дополнительный фактор, связанный со скоростью распространения сигнала - VOP (Velocity of Propagation). Фактор VOP численно равен отношению скорости распространения сигнала в кабеле к скорости света в вакууме и определяется типом диэлектрика в кабеле. Для коаксиальных кабелей VOP зависит от материала, окружающего центральную жилу, для симметричной пары - от расстояния между жилами и типа диэлектрика. VOP может меняться в зависимости от времени использования кабеля и температуры в пределах 3%. Если VOP не указывается в паспорте на кабель, он может быть вычислен путем измерения кабеля извест- ной длины. Для проверки правильности VOP при использовании рефлектометра измерения проводятся с двух сторон кабеля и результаты сравниваются с данными о реальной длине кабеля. Другим важным фактором организации измерений с использованием TDR помимо VOP является способ подключения рефлектометра к тестируемому кабелю. Варианты правильного и неправильного подключения представлены на рис. 9.6. На рисунке представлены варианты правильного и неправильного соединения через соединительную муфту (рис. 9.6, а), с использованием адаптера (рис. 9.6, в) и подсоединения к витой паре (рис. 9.6, в). Основные типы рефлектограмм металлических кабелей Среди всего многообразия рефлектограмм металлических кабелей можно выделить несколько, наиболее полно описывающих возможные неисправности кабелей. На рис. 9.7 представлены типичные реф-лектограммы металлических кабелей. На рефлектограмме 1 представлен случай отражения сигнала от точки с большим сопротивлением (второй курсор), что соответствует обрыву кабеля. Состояние, описываемое реф-лектограммой, получило название характерного обрыва (COMPLETE OPEN) Отражение со сменой полярности сигнала, представленное на рефлектограмме 2, соответствует короткому замыканию в кабеле и, как следствие, малому сопротивлению неоднородности. Такое состояние получило название характерного короткого замыкания (DEAD SHORT). На рефлектограмме 3 представлен вариант частичного обрыва (второй курсор) (PARTIAL OPEN), за которым следует полный обрыв. На рефлектограмме 4 представлен случай, когда за частичным замыканием (PARTIAL SHORT), отмеченным вторым курсором, следует полный обрыв кабеля Рефлектограмма 5 отражает четыре отпайки на кабеле. Отпайка, отмеченная вторым курсором, является дефектной, что хорошо видно по уровню отражения от неоднородности. Цилиндрический коннектор на коаксиальном кабеле, отмеченный вторым курсором, вносит затухание, прямо пропорционально качеству соединения (рефлектограмма б). Наличие усилителя в линии (рефлектограмма 7) приводит к повышенному отражению от усилителя. Сигнал от рефлектометра должен обрываться на усилителе, однако может возникнуть дополнительное отражение (фантомный образ) за усилителем.Коаксиальные отпайки (рефлектограмма 8), как внешние, так и внутренние, могут привести к появлению точек отражения по всей длине кабеля. Уровень отражения является параметром качества отпаек.Наличие направленных и пассивных ответвителей (рефлектограмма 9) может привести к ошибке измерения вследствие множественного отражения. На предлагаемой рефлектограмме второй курсор отмечает место расположения ответвителя. Два разнонаправленных отраженных сигнала отображают два сегмента ответвителя.Внесение дополнительного сопротивления или сварочный шов приводят к появлению отражения в виде S на рефлектограмме 10. Высокоом- ное отражение сопровождается низкоомным. Хорошо согласованное соединение кабеля с согласованной нагрузкой (терминатором) полностью поглощает сигнал отражения. Рефлектограмма 11 служит гарантией правильности выбора терминатора, который не вызывает отражения. Тестирование кабеля с антенной (рефлектограмма 12) также может приводить к S-отражению. В этом случае отражение сильно зависит от типа антенны. Анализ кабелей с антеннами радиосвязи может сопровождаться индуктивными наводками от радиоаппаратуры (рефлектограмма 13). Замокание кабелей отображается на рефлектограмме как область случайного отражения. Начало этой области, показанное вторым курсором на рефлектограмме 14. соответствует началу области замокания кабеля. Повышение влажности в кабелях (рефлектограмма 15) приводит к появлению шумовой составляющей. Высокоомная отпайка отображается на рефлектограмме как низкоомное отражение, за которым идет высокомное отражение, показывающее конец высокоомной отпайки (рефлектограмма 16). Из-за протяженности участка анализ кабеля с множеством отпаек может вызвать затруднения. Характеристики рефлектометров для металлических кабелей с отображением формы волны и с цифровым отображением представлены в табл. 9.3. Обнаружение неисправностей с использованием мостового метода Метод мостового тестирования основан на использовании электротехнической схемы сбалансированного моета. Тестируемый кабель используется в качестве одного из плеч моста, затем анализатор подбирает параметры других плеч и на основании этого делается вывод о параметрах составного кабеля, например, сопротивлении, емкости и т.д. На основании данных о распределенных параметрах (погонной емкости и сопротивлении) оценивается расстояние до неоднородности и ее характер. При таком подходе сначала определяют характер предполагаемой неисправности. Выделяют два типа неисправностей, соответствующих двум типам кабелей: омические и емкостные. Если в результате неисправности между жилами появляется активное сопротивление, такую неисправность назовем омической; к ним относятся короткое замыкание, частичный пробой изоляции между жилами, замокание кабеля и т.д. Неисправности, в результате которых увеличивается емкость между несущими жилами, а также между несущими жилами и землей, назовем емкостными. К ним относятся различные типы обрывов жил. И в том, и в После определения характера неисправности выбирается анализируемый параметр - сопротивление или емкость. По заданным распределенным параметрам можно сразу рассчитать предполагаемую длину кабеля (см. пример 9.1). Если она не совпадает с заданной, это означает, что имеет место та или иная неоднородность. Затем параметры заданной пары сравниваются с эталонной. Для этого образуют сбалансированный мост, одно плечо которого - тес-тируемая пара, другое - эталонная, третий компонент моста - омическая или емкостная неисправность, четвертый - прибор. Прибор обеспечивает баланс моста. В результате измеряют распределенное сопротивление (емкость) до неоднородности и собственное сопротивление (емкость) неоднородности. Зная распределенные параметры кабеля, можно вычислить расстояние до неоднородности. Пример 9.1 Расчетреальнойдлиныкабеля Длярасчетареальнойдлиныкабеляиспользуютсправочныетаблицывеличиносновныхраспределенныхпараметров кабеля (например, табл. 9.4) Вкачествепримераиспользованиятакойтаблицырассмотримрасчетдлиныкаоеля, еслисопротивлениемеждужилами T-R придиаметре 0,64 ммравно 30 Ом. Вэтомслучаеискомаядлинаравна 1=30 Ом х 9,22 м/Ом = 276,6 м Приподобныхрасчетахследуетучитыватьтемпературныйкоэффициентизменениядлины, зависящийоттипа пары, материала, атакжеразницытемператур. Например, длянашегокабелякоэффициентравен 0,00218. Тогдапоправка кдлинебудетсоставлятьпритемпературе 28,89° С dl = 276,6м х 0,00218 х (20° С - 28,89° С) = -5,36 м, ареальнаядлинасоставит L p = 276,6 м - 5,36 м - 271,24 м. Еслиэтадлинанесовпадаетспрогнозируемой, значитвкабелеимеетсяомическаянеисправность. Мостовой метод дает большую неопределенность в трактовках полученных результатов, чем рефлектометрический. Поэтому для конкретизации были разработаны несколько типовых схем включения, представленные на рис. 9.8. Наибольшее распространение получили двухжильная и трехжильная схемы в зависимости от того, сколько металлических жил используется в измерении. Дело в том, что для создания мостовой схемы на удаленном конце необходимо составить шлейф, т.е. установить перемычки между соответствующими жилами. Сделать это можно двумя способами. На рис.9.8 слева представлен вариант образования моста по жилам 1-2-G (G-жила заземления). Справа представлен вариант образования шлейфа по жилам 1-2-3-G. Обе схемы имеют свои преимущества и недостатки и часто в реальных эксплуатационных условиях взаимно дополняют друг друга, повышая точность измерений. Перечень соответствующего измерительного оборудования, работающего по методу моста, представлен в табл. 9.5. Следует отметить, что часть измерительных приборов, представленных в таблице, пересекается с табл. 9.3. Это обусловлено тем, что для повышения эффективности использования приборов в последние несколько лет фирмы-производители стараются объединять функции рефлектометра и мостового анализатора. В целом рефлектометрический метод более эффективен, поскольку не требует манипуляций с кабелем на удаленном конце и сложных вычислений. В то же время существует ряд характерных неисправностей, в которых использование мостового метода дает лучшие результаты. Поэтому в ряде случаев целесообразно примененять оба метода. |