Виды повреждений кабельных линий, краткая характеристика методов их обнаружения (стр. 2 из 7)
Рис 2.2 Рефлектограмма
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 (2.1)
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, (2.2)
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), (2.3)
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.
Рис 3.2.3 Примеры рефлектограммы линии без согласования выходного сопротивление с линией и с согласованием согласования выходного сопротивления
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.
Рис 2.4 Линия с затуханием и без затухания
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.
Рис 2.5 Линия с согласованным сопротивлением рефлектометра и нагрузки
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.
Рис 2.6 Отражение импульса от различных мест повреждения
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:
Рис 2.7 Схема повреждения с продольной утечкой
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), (2.4)
где: Rш – сопротивление шунтирующей утечки,
W1 – волновое сопротивление линии в месте повреждения, определяется выражением:
W1 = (W∙R ш) / (W + Rш) (2.5)
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).
Рис 3.2.8 Зависимость отражённого импульса от сопротивления Rш
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.
Рис 2.8 Схема повреждения с продольным сопротивлением
Выражение для коэффициента отражения при наличии включения продольного сопротивления будет иметь вид:
Котр= (W1 – W) / (W1 + W) = 1 / (1+2*W/Rп), (2.6)
где: Rп – продольное сопротивление,
W1 – волновое сопротивление линии в месте включения продольного повреждения, определяемое выражением:
W1 = Rп + W (2.7)
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).
Рис 2.9 Зависимость отражённого импульса от сопротивления Rп
2.1.2 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.
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.