Метод импульсной рефлектометрии (TDR). Как найти обрыв в кабеле.

Clip_9Найти обрыв в кабеле или определение места другого повреждения кабеля — одна из основных задач встающих перед инженером-измерителем в его повседневной практике. Поиск места повреждения кабеля — это в наиболее сложных случаях целый комплекс измерительных процедур, использующий три основные группы кабельных приборов:

  • рефлектометры реализующие импульсный метод (как для силовых, так и для слаботочных кабелей ), импульсно-дуговой и волновой методы (для силовых кабелей): позволяют с высокой точностью( до 0.01% ) определять расстояние до неоднородностей волнового сопротивления кабеля и таким образом определять: длину кабеля, определять расстояние до обрыва и короткого замыкания кабеля, определять места «замокания кабеля», определять муфты кабеля и места кроссировок, в том числе и определять ошибки кроссировки, места пониженной изоляции;
  • кабельные-мосты реализующие мостовые методы поиска повреждений, позволяют как найти место повреждения кабеля ( обрыв, пониженное сопротивление изоляции, короткое замыкание), так и измерить основные электрические параметры кабеля (измерение сопротивления шлейфа, измерение сопротивления изоляции, измерение электрической ёмкости;
  • трассоискатели и трассодефектоискатели реализующие индукционный и контактный методы — это приборы позволяющие на местности проводить отыскание места повреждения кабеля типа обрыв, найти короткое замыкание, места пониженной изоляции (утечка на землю), определять направление и глубину залегания кабеля. К таким приборам предъявляются весьма жесткие требования в смысле помехозащищенности и избирательности приёмного тракта.

Эта статья содержит необходимый объём информации, позволяющей вам понять основные принципы функционирования импульсных рефлектометров, а также методику анализа графиков рефлектограмм.  В статье приводится анализ графиков характерных дефектов: обрыв кабеля, короткое замыкание жил кабеля, разбитость пар в кабеле типа ТПП, намокание кабеля,- а также обнаружение прочих устройств на кабельной линии: муфта, сростка кабеля, определение места параллельного подключения к кабелю. В статье даются рекомендации по применению различных методик измерения, в зависимости от характера дефекта кабеля. Эта статья может быть полезна как начинающему инженеру (кабельщику), так и опытному специалисту.

 Принцип действия импульсных рефлектометров

Для начала определимся с терминами. Далее в тексте мы будем оперировать понятиями рефлектометрия и импульсная рефлектометрия.

Рефлектометрия – это технология, позволяющая определять различные характеристики исследуемой среды по отражению отклика сигнала: поверхности (например, определение коэффициентов отражения и поглощения) или объемной среды (например, изучение распределения неоднородностей в оптическом волокне).

Импульсная рефлектометрия – это область измерительной техники, которая основывается на получении информации об измеряемой линии по анализу её реакции на зондирующее (возмущающее) воздействие. Импульсная рефлектометрия применяется как для металлических кабелей всех типов, так и для волоконно-оптических кабелей связи.

В этой статье акцент сделан именно на импульсную рефлектометрию для металлических кабелей всех типов. Типы кабелей, на которых может применяться импульсный рефлектометр, приведены на Рис. 1.
Импульсный рефлектометр не может применяться для анализа одножильных проводов, однако если жилы объединены в систему с чётко выдержанным изолирующим расстоянием между ними (например, ЛЭП), то импульсный рефлектометр рассматривает её как кабельную линию.
Типы кабелей

Рис.1 Типы кабелей

 

Рассмотрим структурную схему импульсного рефлектометра:

структурная схема импульсного рефлектометра

Рис.2 Структурная схема импульсного рефлектометра

 

Генератор зондирующих импульсов посылает в кабельную линию короткий электрический импульс. Приёмник отражённых сигналов через равные промежутки времени захватывает сигнал с линии и отображает их на устройстве отображения прибора. Таким образом, на экране импульсного рефлектометра строится график, на котором по вертикальной оси отображается амплитуда отражённого сигнала, а по горизонтальной оси – время. Строго говоря, импульсный рефлектометр измеряет именно временную задержку между входным воздействием и отражённым сигналом. Однако, зная скорость распространения электромагнитной волны в кабеле, можно трансформировать ось времени в ось расстояний, что и сделано во всех импульсных рефлектометрах. Более подробная информация содержится в разделе статьи, посвящённой коэффициенту укорочения (КУ).

Работу импульсного рефлектометра очень просто разъясняет пример длинного тоннеля. Мы можем не видеть конца этого тоннеля, но если крикнуть в него, то через  некоторое время мы услышим эхо, возвещающее нам о том, что наш крик отразился от конца тоннеля и вернулся назад в виде эхо. Иногда мы можем услышать множественное эхо, когда сигнал несколько раз отражается от начала и конца тоннеля (об этом мы вспомним, когда будем рассматривать процесс согласования прибора с кабельной линией).

Волновое сопротивление (импеданс) кабельной линии

Сейчас мы сделаем небольшое отступление, и рассмотрим кабельную линию с точки зрения физики. Одной из важнейших характеристик кабеля является волновое сопротивление Zo. Если кабель исправен и его волновое сопротивление не меняется — сигнал проходит по кабелю без отражений. Если имеет место обрыв, короткое замыкание или иная неоднородность — сигнал отражается полностью, или частично, причем коэффициент отражения определяется следующим образом:

Ф1. Коэффициент отражения

Ф1. Коэффициент отражения

 где Z – волновое сопротивление в точке неоднородности.
Для дальнейшего понимания процесса рассмотрим модель кабеля. Любую кабельную линию можно описать в терминах погонных величин: емкости C, индуктивности L, активного сопротивления R и межпроводной проводимости G, как это показано на рис. 3. Таким образом, бесконечный кабель моделируется бесконечной цепью одинаковых малых кусочков единичной длины, имеющих указанные погонные характеристики.
Рис. 3 Эквивалентная схема кабельной линии

Рис. 3 Эквивалентная схема кабельной линии

 

Известна связь погонных характеристик и волнового сопротивления кабеля:

Ф2. Импеданс кабельной линии

Ф2. Импеданс кабельной линии

В области высоких частот, наиболее интересной для импульсной рефлектометрии, формулу можно упростить, так как в этой области R<<ωL и G<<ωC:

Ф3. Импеданс кабельной линии, приближение для области высоких частот.

Ф3. Импеданс кабельной линии, приближение для области высоких частот.

Формулы Ф1, Ф2 и Ф3 чрезвычайно важны для понимания принципа работы импульсного рефлектометра: импульсный рефлектометр не отображает изменения сопротивления шлейфа или сопротивления изоляции. Он обнаруживает и визуализирует наличие отражения от неоднородности волнового сопротивления, причем по характеру отражения можно судить о его природе. Так локальное увеличение индуктивной составляющей приводит к росту волнового сопротивления в этой точке и возникновению отклика положительной полярности, а увеличение емкостной составляющей приводит к уменьшению волнового сопротивления в точке отражения и, соответственно, к образованию отклика отрицательной полярности.

В точке обрыва (R=∞) коэффициент отражения K=1, т.е. имеем полное отражение  в виде импульса положительной полярности. В точке короткого замыкания (G=∞) K=-1 т.е. возникает такое же отражение, только в виде импульса противоположенной полярности. Что же касается амплитуд импульсов, то они зависят не только от коэффициента отражения, но и от ослабления исходного импульса в кабеле на длине, равной расстоянию от источника импульсов до точки отражения и обратно.

На этом мы закончим анализ формул и перейдем к анализу практических графиков рефлектограмм.

Согласование выходного сопротивления рефлектометра с волновым сопротивлением КЛ

Итак, импульсный рефлектометр подключен и исследуемому кабелю. Правильная интерпретация графика рефлектограмм возможна при согласовании выходного сопротивления прибора и кабельной линии (КЛ). Для этого в рефлектометре предусмотрен специальный согласующий потенциометр, поворачивая ручку которого можно наблюдать следующие графики (Рис. 4 и Рис. 5).  Примечание, все графики рефлектограмм получены с помощью импульсного рефлектометра РИ-10М1 и отображаются в программе IRView. Если вы используете другой импульсный рефлектометр, то отображение графиков может различаться.

На рис. 4 и рис. 5 отображается рефлектограмма кабеля длиной 100 метров в двух крайних положениях ручки согласования волнового сопротивления кабеля с входным сопротивлением импульсного рефлектометра.

 

Рис. 4 Выходное сопротивление рефлектометра больше с волнового сопротивления кабельной линии (Rреф &gt; Zo)

Рис. 4 Выходное сопротивление рефлектометра БОЛЬШЕ волнового сопротивления кабельной линии (Rреф > Zo)

 

Рис. 5 Выходное сопротивление рефлектометра МЕНЬШЕ с волнового сопротивления кабельной линии (Rреф < Zo)

Рис. 5 Выходное сопротивление рефлектометра МЕНЬШЕ с волнового сопротивления кабельной линии (Rреф < Zo)

Если вспомнить пример с длинным тоннелем и многократно отражающимся эхом, то можно провести параллели с откликами на графике. Это так называемые, «фантомные отражения», которые являются результатом отражения вернувшегося импульса от входа прибора. Повторно отраженный импульс вновь отражается от реального обрыва и возвращается на вход прибора. В зависимости от положения ручки согласования, т.е. в зависимости от того – больше входное сопротивление, чем волновое сопротивление кабеля, или меньше, вторичный импульс может быть как прямой полярности, так и обратной. При хорошем качестве кабеля, или небольших дальностях, т.е. в случае малого затухания мы можем наблюдать цепочку импульсов, обусловленную вторым, третьим и т.д. отражениями. Складываясь с «полезным» сигналом, эти дополнительные отражения могут образовать весьма причудливую картину, не всегда однозначно интерпретируемую. Поэтому следует стремиться к максимальному согласованию входа прибора с исследуемым кабелем.
Удачное согласование изображено на рис. 6. При этом «фантомные отражения» практически исчезают.
Рис. 6 Выходное сопротивление рефлектометра РАВНО  волновому сопротивлению кабельной линии (Rреф = Zo)

Рис. 6 Выходное сопротивление рефлектометра РАВНО волновому сопротивлению кабельной линии (Rреф = Zo)

 

 

В практической работе часто возникают проблемы, связанные с согласованием кабеля с прибором, кабеля с кабелем или оконечным устройством.

Приведем некоторые из них. Если, к примеру, на конце кабеля установлено согласующее устройство с активным сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля, то определить конец кабеля невозможно, т.к. отражение отсутствует (Z=Z0,  K=0).

Другим, наиболее распространенным примером, является невозможность полного согласования прибора с кабелем, выражающаяся в невозможности убрать «фантомные» отражения». Подобные ситуации наиболее часто встречаются на силовых кабелях, но иногда они возникают и на высококачественных коаксиальных кабелях. Для понимания природы этого явления обратимся вновь к формуле волнового сопротивления, но в полном ее варианте Ф2. Очевидно, что в общем случае волновое сопротивление зависит от частоты, а, следовательно, не может быть одним и тем же в широком диапазоне частот, входящем в состав спектра прямоугольного зондирующего импульса. Таким образом, полное согласование простым способом, т.е. вращением ручки согласующего потенциометра, недостижимо никогда.  Итоговая картина, обусловленная остаточным отражением, зависит уже от свойств кабеля. Так для силовых кабелей с повышенным ослаблением высоких частот, возникает необходимость согласования в области низких частот, где волновое сопротивление сильно зависит от частоты, а также растет и может превысить диапазон регулирования.  Для высококачественных широкополосных радиочастотных кабелей проблема уже в другой части диапазона – высокочастотной. Вход рефлектометра имеет также реактивную составляющую (входную емкость и индуктивность), причем они не перестраиваются. Таким образом,  на «слишком» высоких частотах идеальное согласование также недостижимо. Из сказанного очевиден следующий вывод: полное согласование возможно не всегда,  но к нему следует стремиться. А для правильной ориентации в том, что мы видим на экране, полезно знать топологию кабеля.

 

К примеру, на рис. 7 показан график рефлектограммы с дефектом «обрыв» на силовом кабеле (АСБ 3х240) на расстоянии 112,3 м и «фантомное отражение» от обрыва на расстоянии 240,6 м; полное согласование импульсного рефлектометра с кабелем осуществить не удалось. На помощь в этой ситуации может придти ваш опыт и знание топологии измеряемого кабеля.

Рис.7 Неполное согласование рефлектометра и КЛ

Рис.7 Неполное согласование рефлектометра и КЛ

 

Основные параметры импульсного рефлектометра

В любом импульсном рефлектометре нам предоставляется возможность изменять длительность зондирующего импульса, усиление принимаемого сигнала, а в некоторых моделях и амплитуду зондирующего импульса. Все эти параметры напрямую влияют на визуальное представление рефлектограмм. Варьирование этих трех параметров позволяет добиваться максимально возможного предельного расстояния при сохранении информативности рефлектограммы.

 Предельное расстояние – это максимальная длина кабеля определённой марки, которая может быть измерена импульсным рефлектометром.  Рефлектометры позволяют проводить диагностику на кабельных линиях типа ТПП на расстоянии до 6-7 км,  СБП — до 13-15 км, МКС — до 64 км, РК — до 64 км, АСБ – до 128 км.

Длительность зондирующего импульса

Длительность зондирующего импульса может устанавливаться в пределах от 10 нс до 100 мкс. Относительно длительности зондирующего импульса действует правило: больше длительность — больше энергии передается в импульсе — больше предельное расстояние, но при этом хуже детализация рефлектограммы (близко расположенные неоднородности «слипаются»). И наоборот, чем меньше длительность — тем лучше детализация рефлектограммы предельное расстояние, но при этом меньше предельная дальность.

 

Рис. 8 Рефлектограммы кабеля СБПЗАВпШп (сечением жил 0,9мм) на предельном расстоянии

Рис. 8 Рефлектограммы кабеля СБПЗАВпШп (сечением жил 0,9мм) на предельном расстоянии

На рис. 8 приведены рефлектограммы кабеля СБПЗАВпШп (сечением жил 0,9мм) на предельном расстоянии. Методика монтажа кабельной линии подразумевает винтовые соединения отрезков кабеля, дающие большие потери мощности распространения зондирующего импульса, вследствие которых, предельное расстояние для кабеля уменьшается до 13 – 15 км. На верхнем графике (рис. 8) использовался импульс длительностью 20 мкс, что дало возможность определить длину кабеля, но скрыло все устройства на кабельной линии (муфты). На нижнем графике (рис. 8) использовался импульс длительностью 2 мкс, что дало возможность определить все устройства на кабельной линии (муфты), однако не определило длину кабеля. Таким образом, короткие зондирующие импульсы необходимы для детального рассмотрения графиков рефлектограмм (зондирующий импульс длительностью 10 нс позволяет различать два дефекта на расстоянии около 1 метра друг от друга); тогда как длинные зондирующие импульсы позволяют передавать в кабель большую мощность, перекрывая тем самым большие расстояния.

На рис. 9 и рис. 10 показаны рефлектограммы кабеля РК-50, состоящего из двух частей (сростка на расстоянии 98 м). На графиках видно, как влияет длительность зондирующего импульса на вид графиков рефлектограмм: на рис. 9 – зондирующий импульс 10 нс, на рис. 10 — зондирующий импульс 20 нс.

Рис. 9 Рефлектограммы кабеля РК-50, состоящего из двух частей (сростка на расстоянии 98 м). Длительность импульса 10 нс.

Рис. 9 Рефлектограммы кабеля РК-50, состоящего из двух частей (сростка на расстоянии 98 м). Длительность импульса 10 нс.

Рис. 9 Рефлектограммы кабеля РК-50, состоящего из двух частей (сростка на расстоянии 98 м). Длительность импульса 20 нс.

Рис. 9 Рефлектограммы кабеля РК-50, состоящего из двух частей (сростка на расстоянии 98 м). Длительность импульса 20 нс.

 

Амплитуда зондирующих импульсов

Амплитуда зондирующих импульсов большинства импульсных рефлектометров фиксирована и составляет на согласованной нагрузке порядка 10 В. В некоторых импульсных рефлектометрах, предназначенных для измерений в первую очередь на силовых КЛ (например в РИ-407 или TDR-109) имеется возможность проводить зондирование импульсом повышенной амплитуды 45 В (на согласованной нагрузке).

Зондирование импульсом повышенной амплитуды позволяет достичь большей предельной дальности, при той же длительности импульса, а значит и без ухудшения детализации рефлектограммы.

 Рефлектограмма КЛ снятая рефлектометром РИ-407 , длительность импульса 10 нс, амплитуда U1 (10 В). Неоднородности на дальнем конце КЛ практически не видны на фоне шумов.

Рефлектограмма КЛ снятая рефлектометром РИ-407 , длительность импульса 10 нс, амплитуда U1 (10 В). Неоднородности на дальнем конце КЛ практически не видны на фоне шумов.

Рефлектограмма КЛ снятая рефлектометром РИ-407, длительность импульса 10 нс, амплитуда U2 (45 В). Неоднородности на дальнем конце КЛ теперь хорошо различаются на фоне шумов.

Рефлектограмма КЛ снятая рефлектометром РИ-407, длительность импульса 10 нс, амплитуда U2 (45 В). Неоднородности на дальнем конце КЛ теперь хорошо различаются на фоне шумов.

Детальный просмотр рефлектограммы на дальнем конце КЛ с помощью горизонтальной растяжки в области курсора.

Детальный просмотр предыдущей рефлектограммы КЛ с помощью горизонтальной растяжки в области курсора на дальнем конце.

 

Усиление и подавление помех

Регулировку параметра усиления необходимо рассматривать в комплексе с проблемой подавления шумов. Обычно, чувствительность приёмного тракта должна быть не менее 1 мВ, а отклик от дефекта должен различаться на уровне шумов. Усиливая сигнал, мы одновременно усиливаем и шумы, которые имеют хаотичную природу. Для подавления шумов, импульсный рефлектометр использует фильтр, который сначала накапливает в памяти прибора графики рефлектограмм, а затем осредняет (усредняет) их. Поэтому часто функция фильтрации обозначается как «накопление», «усреднение» или «осреднение».

shumi2

Рис. 11

На рис. 11 показаны рефлектограммы, отображающие сростку кабеля (муфту), на максимальном значении параметра усиления. На верхнем графике видны шумы, однако сростка кабеля различима на фоне шумов. На нижнем графике использована фильтрация шумов, позволившая улучшить изображение. Использование фильтрации замедляет обновление графика рефлектограммы на экране импульсного рефлектометра. При величине 128 осреднений, график может обновляться один раз в две секунды. Подобная скорость обновления может помешать импульсному рефлектометру захватывать «мерцающие дефекты», о которых будет написано далее.

Установка измерительных курсоров

Импульсный рефлектометр позволяет определять дефекты: обрыв кабеля, короткое замыкание жил кабеля, разбитость пар в кабеле типа ТПП, намокание кабеля,- а также обнаруживать наличие прочих устройств на кабельной линии: муфта, сростка кабеля, определять места параллельного подключения к кабелю. Кроме этого, импульсный рефлектометр позволяет определять множественные дефекты на кабеле и вычислять расстояния между ними. Для того чтобы прибор правильно рассчитывал расстояния, необходимо правильно устанавливать измерительный курсор на место дефекта.

ustanovka_sobitie

Рис.12

Дефекты на кабелях разных типов выглядят по-разному. Если рассматривать коаксиальные кабели, то высокочастотная составляющая сигнала в кабеле затухает слабо, поэтому фронт отклика от дефекта практически идеальный. Чего нельзя сказать про прочие кабели. Фронты откликов от дефектов на силовых и связных (типа ТПП) кабелях зачастую сильно затянуты и зависят от длины и непосредственного состояния кабеля. Поэтому, рекомендуемая некоторыми производителями практика постановки курсора на треть фронта отклика является неверной. В общемировой практике для определения расстояния до дефекта используют точку перехода на графике рефлектограммы между относительно прямой линией, с ровным волновым сопротивлением кабеля, и началом изменения волнового сопротивления. На рис. 12 показана правильная постановка измерительного курсора.

 Виды рефлектограмм неоднородностей КЛ

Неоднородность типа «обрыв» и «конец кабеля»

После того, как мы определились с настройкой параметров импульсного рефлектометра (длительность зондирующего импульса, усиление принимаемого сигнала, фильтр против помех), мы получим удобный для понимания график рефлектограммы, и приступим к его анализу. Прежде всего, нас интересует определение длины кабеля. Дефект «обрыв кабеля» – это обрыв всех жил кабеля, он выглядит как положительный отклик, за которым мы можем наблюдать «фантомные переотражения» в случае невозможности полного согласования импульсного рефлектометра с кабелем, либо их отсутствие при полном согласовании с кабелем. Мы уже приводили изображение дефекта «обрыва кабеля» в этой статье (рис. 6, рис. 7, рис. 8). На рис. 13 приведён пример обрыва всех жил на кабеле АСБ 3х50.

Рис. 13 Рефлектограмма с дефектом "полный обрыв кабеля"

Рис. 13 Рефлектограмма с дефектом «полный обрыв кабеля»

Похожим образом выглядит дефект «частичный обрыв кабеля» – это обрыв одной жилы кабеля (имеется также целая жила). Дефект выглядит как положительный отклик, похожий на дефект «обрыв всех жил кабеля», однако мы можем различить также на этой рефлектограмме отклик от конца кабеля (рис. 14). Наличие целой жилы в повреждённом кабеле АСБ 3х50 позволяло определить длину кабеля (720 м) и дефект на расстоянии 380 м.

Рефлектограмма с дефектом "частичный обрыв кабеля"

Рис. 14 Рефлектограмма с дефектом «частичный обрыв кабеля»

 

Неоднородность типа «муфта»

Помимо дефектов кабеля, импульсный рефлектометр позволяет определить наличие устройств типа «муфта«, сюда же можно отнести и сростку кабеля. Мы уже встречались с изображением муфт в этой статье (рис. 8, рис. 9, рис. 10, рис. 11). Это сравнительно небольшой биполярный отклик. Таких откликов на кабельной линии может быть несколько. Импульсный рефлектометр позволяет определить количество муфт и рассчитать длину отрезков кабеля, из которых смонтирована кабельная линия. На рис. 15 изображена муфта на расстоянии 623 м.

Рис. 15  Отражение от муфты на расстоянии 623 м (растяжка)

Рис. 15 Отражение от муфты на расстоянии 623 м (растяжка)

Необходимо отметить, что именно на муфты приходится до 75% всех дефектов на кабеле. Поэтому следует внимательно просматривать на графике рефлектограммы форму отклика от муфты. Приведём пример, кабельная трасса выполнена из трёх отрезков (рис. 16). С помощью импульсного рефлектометра определяются две муфты на расстояниях 69 м и 208,5 м, а также обрыв кабеля на расстоянии 354,5 м. Если присмотреться к муфте 69 м, то отклик от неё имеет большую амплитуду (соизмеримую с откликом от обрыва кабеля). Можно предположить, что муфта находится под воздействием влаги, а дальнейшая эксплуатация кабеля может привести к частичному обрыву в этом месте (как на рис. 14). Муфта 69 м особенно выделяется на фоне муфты 208,5 м, находящейся в исправном состоянии.
Рис. 16 Рефлектограмма КЛ с одной дефектной и одной исправная муфтой

Рис. 16 Рефлектограмма КЛ с одной дефектной и одной исправная муфтой

 

Неоднородность типа «короткое замыкание» и понижение изоляции

Не каждый раз перегорание кабеля приводит к обрыву одной или всех жил. Не менее частые дефекты: замыкание жилы на броню, замыкание на броню нескольких жил, замыкание между жилами и полное короткое замыкание всех жил и брони кабеля. Дефект «короткое замыкание кабеля» с высокой точностью можно определить с помощью импульсного рефлектометра. Отклик от дефекта «короткое замыкание» выглядит аналогично отклику от дефекта «обрыв кабеля», только отрицательной полярности (рис. 17).

korotkoe2

Рис. 17 Рефлектограмма КЛ с неоднородностью типа «полное короткое замыкание»

 

Если во время горения кабеля, металл из сердечника распылился по изоляции, то можно говорить о дефекте «частичное короткое замыкание кабеля«. Мы будем наблюдать сравнительно небольшой по амплитуде отрицательный отклик, и, возможно, будем наблюдать отклик от обрыва кабеля (рис. 18).

Рис. 18 "Частичное короткое замыкание", понижение изоляции с переходным сопротивлением < 10 кОм

Рис. 18 «Частичное короткое замыкание», понижение изоляции с переходным сопротивлением < 10 кОм

Дефект типа «намокание кабеля»

Подобный дефект является следствием проникновения влаги в кабель. Сам дефект «намокание кабеля» встречается в основном на слаботочных трассах, потому что на силовых кабелях, проникновение влаги в сердечник кабеля приводит либо к обрыву, либо к короткому замыканию на кабеле. Изображение дефекта «намокание кабеля» представлено на рис. 19, как вы видите, оно очень схоже с изображением на рис. 18.

Рис. 19 Рефлектограмма КЛ с дефектом типа "намокание кабеля"

Рис. 19 Рефлектограмма КЛ с дефектом типа «намокание кабеля»

Неоднородность типа «параллельный отвод»

Схожее изображение с рис. 19 можно наблюдать и при несанкционированном подключении к сетям. Дефект «параллельный отвод» в равной мере может возникнуть на сетях кабельного телевидения, телефонных сетях (повсеместно), но наибольший экономический ущерб наносится именно владельцам силовых кабелей. Импульсный рефлектометр – единственный прибор, способный определить место подключения параллельного кабеля к трассе. Однако с его помощью возможно только определение места подключения, длину подключённого кабеля рассчитать точно невозможно, но сделать примерное представление можно. На рис. 20, рис. 21 и рис. 22 представлены изображения малых, средних и длинных отводов соответственно. Все графики рефлектограмм объединяют общие свойства: в месте подключения «параллельного отвода» наблюдается увеличение емкостной составляющей волнового сопротивления (небольшой отрицательный отклик), переходящий в прямую линию, заканчивающуюся откликом от обрыва кабеля. Это особенно хорошо заметно на рис. 22, где параллельный отвод примерно равен остаточной длине кабеля, мы можем наблюдать два отклика от обрыва кабеля (поскольку имеем два действительных конца одного кабеля), но не сможем утвердительно сказать, какой именно из этих откликов является концом параллельного отвода, а какой – концом основного кабеля.

Рис. 20 Рефлектограмма КЛ с малым параллельным отводом

Рис. 20 Рефлектограмма КЛ с малым параллельным отводом

Рис. 21 Рефлектограмма КЛ со средним параллельным отводом

Рис. 21 Рефлектограмма КЛ со средним параллельным отводом

Рис. 22 Рефлектограмма КЛ с длинным параллельным отводом

Рис. 22 Рефлектограмма КЛ с длинным параллельным отводом

 

Неоднородность КЛ типа «разбитость пар»

Частым дефектом на симметричных кабелях (типа ТПП) является разбитость пар. Кабель состоит из повитых попарно жил, одна из которых выделяется цветом отличным от других жил в пучке кабеля, другая – обычно белого цвета. При монтаже соединений участков такого кабеля, монтажник обычно путает белые жилы одной пары с белыми жилами другой. Симметричная линия разбивается. Дефект «разбитость пар» можно отыскать только с помощью импульсного рефлектометра. При анализе рефлектограммы следует обратить внимание на участок графика, схожий с дефектом «параллельный отвод» (рис. 20). Действительно, на рис. 23 наблюдается небольшой отрицательный отклик, переходящий в отклик от частичного обрыва кабеля.

Рис. 23 Рефлектограмма КЛ с предполагаемым дефектом типа "разбитость пар".

Рис. 23 Рефлектограмма КЛ с предполагаемым дефектом типа «разбитость пар».

Для точной идентификации дефекта «разбитость пар», импульсные рефлектометры имеют два разъёма на корпусе для подключения двух линий. Для определения расстояния до дефекта необходимо перевести прибор в специальный режим, при котором зондирующий импульс будет подаваться в одну пару кабеля, а данные будут приходить с другой пары. Если имеет место разбитость пар, то в месте дефекта сигнал переходит в канал приёма, и на экране импульсного рефлектометра отображается следующий график (рис. 24). Получив такой график, мы можем быть уверены, что нашли две разбитые пары.

Рис. 24 Определение места  дефекта типа "разбитость пар".  Подключние к КЛ через раздельный вход/выход.

Рис. 24 Определение места дефекта типа «разбитость пар». Подключние к КЛ через раздельный вход/выход.

 

Определение дефекта КЛ непостоянного во времени, «мерцающий дефект»

Некоторые импульсные рефлектометры (например, РИ-307. РИ-307USB, РИ-407) обладают очень полезной функцией – захватом «мерцающих дефектов«. Эти дефекты появляются на слаботочных кабельных линиях в виде непостоянства конструкции кабеля. Например, кабель проложен под трамвайными путями, где проявляется дефект – излом кабеля, приводящий к короткому замыканию некоторых жил. Пока грунт неподвижен, дефект выявить невозможно, однако при прохождении трамвая над кабелем, происходят подвижки грунта, и дефект можно заметить. Специальный режим захвата мерцающих дефектов в течение длительного времени измерений накапливает на экране импульсного рефлектометра графики рефлектограмм кабельной линии. Имея высокую частоту опроса линии, прибор не позволит вам пропустить «мерцающий дефект» кратковременного излома кабеля. На рис. 25 приведён пример изображения графика рефлектограмм захвата «мерцающих дефектов».

Рис. 25 Определение дефекта непостоянного во времени, режим "захват"

Рис. 25 Определение дефекта непостоянного во времени, режим «захват»

 

Анализ ближней зоны

Когда вы только начинаете работать с импульсным рефлектометром, овладеваете первым опытом, есть часть графика рефлектограммы, способная ввести вас в заблуждение, — это ближняя зона. Анализ ближней зоны – очень важная часть при рассмотрении графика рефлектограммы. На рис. 7, рис. 13, рис. 14, рис. 16, рис. 19 в этой статье после фронта спада зондирующего импульса видны различные неоднородности переходных процессов, которые можно интерпретировать по-разному. В любом случае, мы не должны пропускать дефект на кабеле, расположенный непосредственно в ближней зоне подключения рефлектометра. Это особенно важно, если вы вскрываете для ремонта муфту, расположенную посреди трассы, и хотите проанализировать состояние кабеля в обе стороны от муфты. Неоднородности переходных процессов могут помешать вам. Давайте выясним причину и способ борьбы с ними.

Рис. 26 Зондирующий импульс

Рис. 26 Зондирующий импульс

Если посмотреть на рис. 26, на котором голубым цветом выделен идеальный импульс, а красным – реальный импульс, то мы можем наблюдать, что после завершения фронтов импульса (нарастающего и спадающего), можно наблюдать бесконечно затухающие переходные колебательные процессы. Это является первой причиной неоднородностей в ближней зоне. Второй причиной является наложение откликов от соединения прибора с измеряемой кабельной линией. Давайте проследим очерёдность соединений: с разъёма импульсного рефлектометра сигнал поступает в соединительный кабель, от соединительного кабеля сигнал поступает на клеммы в распределительном шкафе, от клемм в распределительном шкафе сигнал поступает в кабель с некоторым постоянным волновым сопротивлением. Таким образом, есть не менее трёх участков с разным волновым сопротивлением, дающих накладывающиеся отклики и затухающие колебательные процессы.

Зная причину, мы можем подобрать и способ борьбы. Самый очевидный способ – уменьшение длительности зондирующего импульса. Минимальный импульс в 10 нс занимает на графике рефлектограмм около 1 метра, а переходные процессы заканчиваются через 3 метра и имеют слабое влияние на форму графика. Если же учесть, что соединительный кабель из комплекта прибора имеет длину 1,5 метра, то ближнюю зону можно уверенно наблюдать сразу после окончания соединительного кабеля. Нужно отметить, что имеются попытки создания зондирующих импульсов менее 10 нс. Такие импульсы имеют уже треугольную форму (в отличии от 10 нс – прямоугольных), дающую сильно затянутые фронты откликов, а их амплитуда примерно равна 25% от амплитуды импульса в 10 нс. Другой способ – использовать переходной кабель определённой длины, чтобы погасить в нём все переходные процессы. Этот способ находит частое применение на практике с одной оговоркой, длительность зондирующего импульса не должна перекрывать длину переходного кабеля.
Рис. 27 Рефлектограммы кабеля АСБ 3х50 длиной 1085 метров

Рис. 27 Рефлектограммы кабеля АСБ 3х50 длиной 1085 метров

На рис. 27 приведён пример рефлектограмм кабеля АСБ 3х50 длиной 1085 метров, снятых с обеих сторон кабеля (на нижнем графике – имитация короткого замыкания на дальнем конце). Кабель имеет шесть муфт на: 135, 359, 542, 678, 789 и 909 м. Зондирующий импульс в 200 нс внёс значительные переходные процессы в измеряемую линию, создав сложности при анализе муфты 135 м, однако при анализе с дальнего конца (нижний график) муфта была определена лучше.

 

Коэффициент укорочения

Надемся, что к этому моменту вы сняли все вопросы касательно анализа графиков рефлектограмм, и сможете быстро и качественно определять дефекты на кабеле, а также рассчитывать расстояние до них. Здесь стоит приостановиться и вспомнить о том, что рефлектограмма – это график, на котором по вертикали откладывается амплитуда откликов, а по горизонтали – временная задержка. Рассматривая раннее структурную схему импульсного рефлектометра, мы выяснили, что производители приборов трансформируют ось времени в ось расстояний. Эта трансформация вводит важный параметр, без которого нельзя представить ни один импульсный рефлектометр – коэффициент укорочения (КУ).

Давайте рассмотрим физику процесса измерения временной задержки. Импульсный рефлектометр посылает в кабель зондирующий импульс, который распространяется со скоростью света (С = 3∙108 м/с). Отразившись от дефекта, часть зондирующего импульса возвращается, проходя суммарно двойное расстояние. Однако электромагнитная волна распространяется по внешней поверхности жилы кабеля, и, если бы жила находилась в вакууме, то скорость распространения равнялась бы скорости света. Но жила обёрнута изоляцией, состоящей из диэлектрика, поэтому электромагнитная волна «тормозится», и её реальная скорость становится меньше скорости света. Таким образом, расстояние до дефекта, с учётом коэффициента укорочения длины по сравнению с длиной, измеренной при скорости распространения равной скорости света, рассчитывается по формуле:
f4

Ф4 X – расстояние до дефекта, v – скорость распространение электромагнитной волны, t3 – время задержки отражённого сигнала, С – скорость света, КУ – коэффициент укорочения.

 

Коэффициент укорочения зависит от материала, из которого выполнена изоляция жил кабеля, и от шага повива жил кабеля относительно друг друга. Резюмируем, коэффициент укорочения индивидуален для каждой марки кабеля. Конечно сразу же возникает вопрос, где можно взять таблицу коэффициентов укорочения? Здесь производители импульсных рефлектометров с сожалением разводят руками: охватить всю кабельную продукцию, имеющуюся на рынке, не возможно. Тогда как производители кабельной продукции не выражают заинтересованность предоставлять КУ, чтобы оказывать поддержку при эксплуатации своей продукции. Инженерам (кабельщикам), прежде чем прокладывать кабельную линию, приходится вручную измерять коэффициент укорочения прямо на барабане с кабелем, имеющем заводскую отметку о длине. Производители импульсных рефлектометров могут лишь систематизировать полученные этим путём данные в сводной таблице коэффициентов укорочения на кабели различных марок, и предоставить их в свободном доступе (http://www.ersted.ru/stati/reflektometrija/tablitsa-koeffitsientov-ukorocheniya/). Поэтому от вас, читающих эту статью, во много зависит успех ваших коллег в отыскании повреждений на кабельных линиях.

 Анализ погрешности измерения

Перейдем теперь к следующему важному вопросу – анализу погрешности измерений  дальности с помощью рефлектометра. Причин возникновения погрешности несколько. Важнейшая из них – только что рассмотренный коэффициент укорочения. Как правило, он или вовсе не известен, или известен с небольшой точностью. Мы не рекомендуем доверять на 100% никаким источникам данных по коэффициенту укорочения, т.к. даже уверенность в том, что ваш кабель изготовлен с соблюдением всех требований ГОСТа  не гарантирует успех. Если кабель пролежал в земле много лет – его свойства могли измениться под воздействием разрушающих факторов: влаги, давления, перепадов температуры, старения изоляции. Что же делать в тех случаях, когда коэффициент укорочения известен ненадежно? Оптимально – измерить его самостоятельно. Для этой цели необходимо использовать доступный участок кабеля, длина которого известна по чертежу, или может быть измерена. На конце этого участка должно быть короткое замыкание, или обрыв, или муфта, т.е. нечто, заметное на рефлектограмме. Далее, подключив прибор и установив курсор на отклик, следует менять значение коэффициента укорочения до получения на экране заранее известного отсчета по дальности. В тех моделях рефлектометров, где делать это неудобно, можно произвести несложный расчет.

Так, предположим, мы установили некий коэффициент укорочения К1 и получили длину исследуемого участка Х1. Но мы знаем, что настоящая длина – X2. Несложная формула даст нам правильное значение коэффициента укорочения исследуемого кабеля:

f5

Следующий фактор погрешности – шаг постановки измерительного курсора. Обычно он равен одному метру (как в рефлектометрах РИ-10М1 и РИ-10М2), но технологии совершенствуются, и сейчас уже доступны измерения с шагом в 12,5 см (как в РИ-303Т, РИ-307 и РИ-307USB). Нужна ли большая детализация графика рефлектограмм? Конечно, если вы исследуете бортовую сеть автомобиля или состояние кабельной шины какого-нибудь прибора. Скорее – нет, если вам во второй раз за неделю порвали магистральный кабель экскаватором незадачливые подрядчики. В любом случае, сейчас на рынке представлены импульсные рефлектометры, отвечающие любым запросам. И, наконец, на погрешность измерений влияет точность постановки вами измерительного курсора на отклик от дефекта. Надеюсь, что вы будете руководствоваться принципами, изложенными в этой статье, чтобы уменьшить эту погрешность.

Импульсный рефлектометр прекрасно подходит для определения дефектов: обрыв кабеля, короткое замыкание жил кабеля, разбитость пар в кабеле типа ТПП, намокание кабеля,- а также обнаружение прочих устройств на кабельной линии: муфта, сростка кабеля, определение места параллельного подключения к кабелю. Однако он не сможет полностью заменить кабельный мост – прибор, измеряющий сопротивление шлейфа, сопротивление изоляции, электрическую ёмкость, а также рассчитывающий расстояния до пониженного сопротивления изоляции (утечки). Импульсный рефлектометр и кабельный мост – взаимно дополняющие приборы, позволяющие инженеру (кабельщику) с высокой вероятностью производить отыскание дефекта на кабеле. Поэтому производители измерительной аппаратуры создают специальные комплексы, состоящие из импульсного рефлектометра и кабельного моста (например, РИ-10М2). В табл. 1 приведены возможности и ограничения в отыскании дефекта импульсным рефлектометром и кабельным мостом.

табл. 1

Характер

повреждения

Переходноесопротивление Импульсныйрефлектометр Кабельный мост
Понижение сопротивления изоляции 0 – 100 Ом Да Нет
Понижение сопротивления изоляции 40 – 200 Ом Да Да
Понижение сопротивления изоляции всех жил 10 – 200 Ом Да Нет
Понижение сопротивления изоляции 200 – сотни МОм Нет Да
Разбитость пар - Да Нет
Параллельный отвод - Да Нет
Частичный обрыв жил Сотни МОм Да Да
Обрыв всех жил Сотни МОм Да Да

 

В заключении, мы пожелаем вам успехов в отыскании дефектов на кабеле. Помните, что импульсный рефлектометр и трассоискатель успех – это всего лишь хороший инструмент, помогающий вам в вашей трудной работе.

Приглашаем к сотрудничеству региональных дилеров.

Подробная информация - по электронной почте info@ersted.ru или по телефону +7(812)334-37-37