Аппаратура и методы поиска дефектов кабельных сетей

Введение

Жизнь человека в настоящее время невозможно представить без структурированных кабельных систем (СКС). Они окружают нас повсюду: дома, на работе, на улице и т.д.

СКС представляет собой иерархическую кабельную систему смонтированную в здании или в группе зданий, которая состоит из структурных подсистем. Её оборудование состоит из набора медных и оптических кабелей, кросс-панелей, соединительных шнуров, кабельных разъёмов, модульных гнезд, информационных розеток, а также из вспомогательного оборудования. Все элементы СКС интегрируются в единый комплекс (систему) и эксплуатируются согласно определённым правилам.

Термин «структурированная» означает, с одной стороны, способность системы поддерживать различные телекоммуникационные приложения (передачу речи, данных и видеоизображений), с другой — возможность применения различных компонентов и продукции различных производителей, и с третьей — способность к реализации так называемой мультимедийной среды, в которой используются несколько типов передающих сред — коаксиальный кабель, UTP, STP и оптическое волокно. Структуру кабельной системы определяет инфраструктура информационных технологий, IT (Information Technology), именно она диктует содержание конкретного проекта кабельной системы в соответствии с требованиями конечного пользователя, независимо от активного оборудования, которое может применяться впоследствии.

Цель моей выпускной квалификационной работы заключатся в исследовании методов поиска дефектов кабельных линий и разработке схемы электрической принципиальной прибора для определения расстояния до обрыва кабельной линии.

Объектом исследования выпускной квалификационной работы является аппаратура и методы поиска дефектов кабельных сетей.

Предметом исследования данной работы – нахождение повреждений в кабельных сетях используя различные методы и аппаратуру для этого.

В соответствии с поставленной целью необходимо выполнить следующие задачи:

• анализ методов поиска и обнаружения неисправностей СКС;
• анализ схем устройств для обнаружения неисправностей;
• разработка схемы электрической принципиальной прибора для обнаружения неисправностей кабельных линий;
• создание виртуальной модели прибора для обнаружения неисправностей кабельных линий;
• виртуальное тестирование созданной модели.

 Дипломная работа состоит  из введения, двух глав, заключения и списка используемой литературы.

В первой главе рассматриваются различные виды повреждений кабельных линий, характеристика методов их обнаружения.

Во второй главе разобрана разработка прибора для нахождения повреждений в кабельных сетях, а так же подробно разобраны методы измерения емкости и методы измерения индуктивности. Так же описана принципиальная схема цифрового измерителя емкости.

 В заключении сделаны  выводы по работе в целом.

Список используемой литературы содержит источники:

• научную литературу;
• ссылки на веб-ресурсы.

В приложении представлены таблицы с результатами измерения емкостей кабелей в аудитории №419 главного корпуса БГУ им. Петровского. К работе прилагается CD-диск с материалами: текст диплома, презентация, доклад к защите и файл виртуальной модели прибора. 

Глава I. Методы диагностики повреждения кабельных линий

1. Повреждения кабельных линий, методы их обнаружения

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, 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[10].

 Дистанционные  и трассовые методы определения  повреждений в кабельных линиях

Важная роль из всех операций принадлежит операции обнаружения 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[9].

Наибольшей эффективности обнаружения мест повреждения кабельных линий можно добиться совместным использованием приборов дистанционного определения мест повреждения 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 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[9].

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 в трудно доступных местах[10].

Дистанционные методы измерения 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[15].

При решении задачи определения места повреждения открытой кабельной линии для точного поиска места повреждения может быть достаточно только дистанционного метода.

Наиболее распространенными дистанционными методами измерения являются импульсные методы и мостовые методы.

Импульсные методы 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[10].

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.).

Мостовые методы, 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.

Импульсные сигналы распространяются в линии с очень большой скоростью, которая зависит от изоляции между проводниками. В кабелях с резиновой изоляцией скорость распространения импульсных сигналов ориентировочно в 3 раза меньше, чем скорость света[9].

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.

1.1. Дистанционные методы

Дистанционные методы позволяют определить длину кабельной линии, расстояние до зоны расположения места повреждения кабельной или воздушной линии.

Существуют различные дистанционные методы, однако наиболее популярными являются метод импульсной рефлектомии и ёмкостный методы.

Метод импульсной рефлектомии позволяет определить расстояние до повреждения с помощью импульсных сигналов, а ёмкостный метод определяет расстояние с помощью измерения ёмкости кабеля[10].

Метод 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:

• зондировании кабеля (двухпроводной линии) импульсами напряжения;
• приеме импульсов, отраженных от места повреждения и неоднородностей волнового сопротивления;
• выделении отражений от места повреждений на фоне помех (случайных и отражений от неоднородностей линий);
• определении расстояния до повреждения по временной задержке отраженного импульса относительно зондирующего[10].

Рис. 1. Упрощенная структурная схема импульсного рефлектометра

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.

Рис. 2. Рефлектограмма

Например, по приведенной выше рефлектограмме можно сделать несколько выводов[10].

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[9].

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. 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 ,

W1 – волновое сопротивление  линии в месте повреждения.

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[9].

Рис. 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. Чем длиннее линия, тем больше расплывание и меньше амплитуда импульса. Это затрудняет точное определение расстояния до повреждения.

Примеры рефлектограмм линий без затухания и с затуханием показаны на рисунке 4.

Для более точного измерения необходимо правильно, в соответствии с длиной и частотной характеристикой затухания линии, выбирать параметры зондирующего импульса в рефлектометре.

Рис. 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. 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. 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[10].

Емкостной метод

Метод применяется для определения расстояния до места обрыва одной или нескольких жил кабельной линии путем измерения емкости кабеля. Измерения могут проводиться как с помощью моста переменного тока (см. рис.7), так и с использованием баллистического гальванометра на постоянном токе  (см. рис.8)

1 - жилы кабеля; 2 - место  обрыва жилы; 3 - оболочка кабеля; Т - телефон.

Рис. 7. Схема измерений при определении места обрыва жил кабеля емкостным методом с помощью моста переменного тока 1000 Гц.

Измерения на переменном токе рекомендуется производить при переходном сопротивлении замыкания места повреждения кабеля от 5 кОм до 20 МОм, а на постоянном токе при сопротивлении свыше 20 МОм.

Измерения на переменном токе заключается в измерении емкости участка кабеля до места обрыва Сх с помощью моста переменного тока 1000 Гц. Плечи измерительного моста образуются нерегулируемыми сопротивлениями r1 и r4, регулируемым сопротивлением r2, регулируемой эталонной емкостью Сэт и емкостью измеряемой жилы Cх. Равновесие моста устанавливается rq и Сэт и проверяется по отсутствию звучания телефона Т[9].

Расстояние до места повреждения определяется в зависимости от характера повреждения одним из способов представленных ниже.

Рис. 8. Схема измерений при определении места обрыва жил кабеля емкостным методом на постоянном токе.

1 - жилы кабеля; 2 - место  обрыва жилы; 3 - оболочка кабеля.

1. Разрыв жилы без заземления. Измеряют емкость поврежденной жилы с одного конца кабеля Cx(1), затем с противоположного Сx(2).

2. Одна из частей оборванной жилы имеет замыкание на землю. Измеряют емкость незаземленной части жилы Сх и емкость одной неповрежденной жилы С.

3. Емкость жилы может  быть измерена с одного конца, остальные жилы замкнуты на  землю. Измеряют емкость незаземленного  конца оборванной жилы Сх [15].

При измерениях наибольшая точность будет обеспечиваться в 1-ом случае, во 2-ом случае результаты измерений несколько завышаются, случай 3 целесообразен при длине кабеля до 200 м.

Измерение емкости на постоянном токе с помощью баллистического гальванометра основан на том, что у последнего отброс стрелки пропорционален количеству электричества, проходящего через рамку при заряде или разряде емкости кабеля. При измерении, шунтом rш устанавливают минимальную чувствительность гальванометра G, а переключатель S2 устанавливают в положение 1. При этом зарядный ток, протекая через гальванометр в емкость кабеля, отбрасывает стрелку на угол αх. Шунтом повышают чувствительность для получения четкого замера. В качестве окончательного результата берут среднее значение по результатам 3 - 4 замеров угла αх. Перед каждым измерением емкость разряжается установкой переключателя S2 в положение 2. Измерение αэт на эталонной емкости выполняют аналогично при неизменном положении шунтирующего сопротивления.

При измерениях на постоянном токе возможны случаи аналогичных рассмотренным выше. Определение расстояния до места повреждения производится по тем же соотношениям.

1.2. Трассовые методы

В отличии от дистанционных методов, которые позволяют определить длину кабельной линии, расстояние до зоны расположения места повреждения кабельной или воздушной линии, трассовые методы предназначены для определения трассы прохождения кабельной линии, глубины залегания кабеля, точного нахождения места повреждения на трассе кабельной линии.

Существуют различные трассовые методы, однако наиболее популярными являются индукционный и акустический методы[10].

Индукционный и акустический методы дополняют друг друга. Так, если индукционный метод позволяет определить трассу прокладки, глубину залегания и точное место короткого замыкания, то акустический метод позволяет точно определить место обрыва кабельной линии.

Акустический метод

Акустический метод используется для определения места обрыва на силовых кабельных линиях.

Определить место обрыва индукционным методом нельзя, так как в месте обрыва ток от индукционного генератора равен нулю, а значит и магнитное поле вокруг кабеля отсутствует.

Для реализации акустического метода используется генератор мощных ударных импульсов и акустический приемник[10].

Генератор ударных импульсов представляет собой совокупность специального высоковольтного конденсатора и разрядника. Конденсатор подключается к силовой кабельной линии через разрядник. При срабатывании разрядника все напряжение с заряженного конденсатора оказывается мгновенно приложенным к кабельной линии. В кабельной линии возникает электромагнитная волна, которая распространяется по линии и, достигнув места обрыва кабеля, вызывает пробой в этом месте. Пробой сопровождается звуковым сигналом (щелчком), по месту нахождения которого и определяется место обрыва. Обычно разряд конденсатора производится периодически (раз в несколько секунд), поэтому и пробои повторяются с той же периодичностью.

Для улавливания сигнала от пробоя служит акустический приемник со специальным акустическим датчиком. Такой датчик чувствует акустический сигнал под землей. По максимальной интенсивности звукового сигнала находится место обрыва кабельной линии[9].

 Индукционный  метод

Индукционный метод может быть реализован в 2-х вариантах: активный и пассивный.

Активный индукционный метод требует использования индукционного комплекта, состоящего из 2-х частей: индукционный генератор и индукционный приемник. Индукционный генератор может иметь синусоидальный выходной сигнал или сигнал в виде меандра и подключается к кабельной линии. За счет протекания переменного тока вокруг кабельной линии образуется переменное магнитное поле.

Перемещаясь над кабельной линии со специальным индукционным приемником, оснащенным поисковой катушкой, можно определить трассу прохождения кабельной линии, глубину залегания кабельной линии и точное место обрыва или короткого замыкания в ней.

В зависимости от задачи (определение трассы, определения точного места короткого замыкания или места обрыва кабельной линии) могут использоваться частоты индукционного генератора, а значит и принимаемые частоты приемника, в пределах от 480 до 10000 Гц. Для уменьшения влияния промышленной сети на чувствительность приемника обычно выбирается рабочая частота не кратная 50 (60) Гц (в зависимости от частоты сети).

В зависимости от типа кабельной линии, на которой выполняются работы, глубины ее залегания, питания от сети или аккумуляторов, генераторы могут иметь выходную мощность от единиц ват до нескольких сотен ватт.

Индукционные приемники могут быть как простые, содержащие усилитель и поисковую катушку, так и сложные, имеющие несколько катушек, указатель нахождения над трассой кабеля и цифровую индикацию глубины залегания кабельной линии.

При пассивном индукционном методе достаточно использовать только индукционный приемник. При этом приемник должен принимать магнитное поле от работающего кабеля на частоте 50 Гц.

2. Определение  повреждений методом измерения  сопротивления и проводимости  линий

2.1. Тестовый  телефонный аппарат

Тестовый телефонный аппарат - телефонисты с его помощью определяют почти все повреждения кабельных и проводных линий связи. Используется повсеместно и является обязательным атрибутом профессии связного электромонтёра. В настоящее время они выпускаются промышленностью и могут иметь в себе множество различных функций[15].

Как правило, изготовляют её на основе трубки от старого дискового телефонного аппарата. На внутреннюю сторону, между микрофоном и телефонным капсюлем прикрепляется шурупами или болтами дисковый номеронабиратель от того же аппарата. Тип, цвет и прочие атрибуты зависят от возможностей монтёра или мастерской её изготовляющей. Всё это: микрофон, телефон, номеронабиратель, соединяются последовательно.

Рис. 1. Схема телефонной трубки.

Причём, дисковый номеронабиратель подключается таким образом, чтобы счётные контакты многократно размыкали цепь в момент обратного хода диска, тем самым и обеспечивая набор номера.

В строительных организациях чаще используют трубку без номеронабирателя, ибо там она используется только для прозвонки. В эксплуатации, наоборот трубка без возможности набора номера бесполезна.

В трубке желательно использовать не электронный, а старый угольный микрофон. Телефонный капсюль, наоборот лучше брать современный, более громкий. Правильно собранная трубка при подключении к телефонной паре проводов должна вызывать ответ станции, в телефонном капсюле слышится гудок. Соответственно должен набираться номер. Обычно самоделку не усложняют контактами, блокирующими телефон в момент набора номера, поэтому в трубке при наборе номера слышны громкие щелчки. Два шнура, выходящие из трубки оконечивают крокодилами[15].

Используют это приспособление с батареей из элементов питания желательно более 12 вольт, включается последовательно, но в эксплуатации чаще используют питание станционное («-» берут из телефонной пары). Поиск повреждения: один провод шнура заземляют, вторым последовательно касаются контактов на плинте. По громкому щелчку в трубке и определяют питание. Собственно по громкости щелчка, то есть на слух и определяются все повреждения. Если щелчок громкий, значит, на проводе присутствует постороннее напряжение, то есть сообщение.