книги / Методы испытаний и диагностики кабелей и проводов

При измерении AQX в качестве регистрирующего прибора применяют усилитель, измерительный преобразователь (амп­ литудный вольтметр). Целесообразно применять осциллограф. Допускается применение измерителя радиопомех.

При измерении п применяют усилитель, амплитудный дискриминатор, счетчик импульсов.

При измерении тока применяют усилитель, выпрямительное устройство или измеритель средних значений.

На входе усилителя устанавливается фильтр, срезающий напряжение с частотой менее 5—20 кГц. Коэффициент усиле­ ния— до 106 со ступенями регулирования 20 дБ. Поскольку согласно (6.2) чувствительность измерений уменьшается с уве­ личением Сх, то при больших Сх, а также при наличии помех применяют узкополосный усилитель с полосой пропуска­ ния А / примерно 8— 10 кГц, при этом частота усиления может изменяться от 20 кГц до 2 МГц. В этом случае в качестве ZMприменяют резонансный контур, настроенный на частоту усилителя.

При измерениях ЧР возможен пробой образцов, поэтому параллельно Z u устанавливают разрядник. При последователь­ ном соединении (схема рис. 6.3, а) чувствительность схемы несколько выше, однако в этом случае оба электрода должны быть изолированы от заземления. Соединительная емкость Сс

в	этом случае позволяет	при подключении	индуктивности
L	в качестве Z H настроить	контур а— б — в	— г в резонанс

на частоту усилителя и на частоту, на которую приходится максимум в спектре частот импульса ЧР. Емкость Сс в сочета­ нии с Z может работать в качестве фильтра, срезающего

высокочастотные	помехи, приходящие из электрической сети.
В качестве Z	применяют защитное сопротивление или

фильтр, срезающий частоты более 5—20 кГц.

При параллельной схеме (рис. 6.3, б) емкость Сс служит для соединения Сх с измерительным сопротивлением ZH. Если в качестве ZHприменена индуктивность, то контур а— б— в— г может быть настроен в резонанс, как и при последовательной

схеме.	Один	из	электродов	Сх заземлен.	подобрать Сс = Сх
В	балансной		схеме рис. 6.3, в, если
и ZHl= Z H2,		то	полностью	устраняются	помехи, приходящие

из электрической сети и от трансформатора высокого напряже­ ния. В этом случае при несимметричном входе Р необходим согласующий трансформатор Т,

Если на выходе регистрирующего прибора необходимо создать напряжение сигналов порядка 1 В, то при коэффициенте усиления 106 можно регистрировать AUx примерно 10" 6 В. Тогда согласно (6.1) кажущийся заряд AQx, который может зарегистрировать схема, составит AQX—CXAUX. Так, при емкости Cxi равной 1000 пФ (10" 9 Ф), чувствительность схемы

61

2

Рис. 6.4. Схема градуировки прибо­ ра

составит 10~15Кл. С увеличени­ ем Сх чувствительность падает. Однако вследствие потерь энер­ гии в элементах схемы (при этом сигнал уменьшается примерно на порядок), а также вследствие на­ личия помех чувствительность схем редко достигает 10-13Кл.

Все провода в схеме, которые находятся под высоким напряже­ нием, должны иметь гладкую

поверхность и диаметр, исключающий возникновение короны. В соединительном конденсаторе и обмотке трансформатора высокого напряжения не должны возникать собственные ЧР. Для этого Сс должен быть выбран с напряжением, значительно превышающим напряжение при измерениях ЧР. Изготовляют специальные трансформаторы с обмотками без ЧР для задания испытательного напряжения при измерениях ЧР. При исполь­ зовании обычных трансформаторов следует использовать его при пониженном напряжении, не достигающем номинального значения. Следует учитывать, что качество проведенных измере­ ний ЧР во многом зависит от устранения влияния помех.

При градуировке схем применяют генератор прямоугольных импульсов, длительность импульса 100— ЮООмкс, длина фрон­ та не более 0,1 мкс (рис. 6.4). При параллельной схеме измерений генератор G подключают параллельно Сх через емкость С0, которая удовлетворяет соотношению С0 ^ 0,1 Сэ. Эквивалентная емкость зависит от схемы измерений. При

подключении	генератора	параллельно	Сх значение Сэ рас-
считывают по	формуле	С с
		СЭ= СХ+ ■ 0	" . При этом должно
		О)+ С*вх
выполняться соотношение RGC0 ^ 0 ,1 //			2 ( / 2— частота следова­

ния импульсов).

Если генератор имеет несимметричный выход, то при последовательной схеме делают два измерения. При обоих измерениях показания Р должны быть одинаковыми, что достигается регулированием амплитуды импульсов от генера­

тора. Тогда градуировочный				коэффициент			кя
& __ A Q x _		1	^OlQ) _		т	Up 2 ^ 0		(6.4)
q	А	т - 1		A q0	in 1	A qо
где rn=U01/UQ2i	UQi	и	U02— напряжения				импульсов	генера­

тора в соответствующих положениях переключаются; Aq0— показания регистрирующего прибора Р при градуировке; А — показания Р при измерениях ЧР.

62

В этом случае эквивалентная емкость вычисляется по формулам (выбирается меньшее значение):

схсп , сх+с„9

сссх

сс+сх'

Уровень помех при измерениях может быть определен экспериментально. Для этого к схеме подключают Сх, заведомо не имеющий ЧР при заданном напряжении. Появление показа­ ний РП при установленном напряжении свидетельствует о появ­ лении помех.

По исследованию ЧР имеется обширная литература, которая относится к исследованиям в основном при напряжении до 2—3 кВ. При повышении напряжения до 100 кВ и более становится все труднее исключать помехи от коронирования на элементах схемы. Исследования ЧР в кабелях марки ОСБ при напряжениях до 100 кВ описаны в [39].

В кабельной технике важны исследования ЧР непрерывно по длине кабеля. Особенно это важно для кабелей высокого напряжения с полимерной изоляцией. Последовательная схема таких измерений показана на рис. 6.5. Металлическая ванна 1 заземлена и заполнена водой 2, очищенной от ионов с помощью ионообменных смол. При этом удельное объемное сопротивление такой воды велико. Высокое напряжение подведено к электроду 2, а жила кабеля соединена с заземлением через измерительное сопротивление Z„. Электроды 4 заземлены. Поскольку диэлектри­ ческая проницаемость воды велика, то почти все напряжение приходится на изоляцию кабеля. Между изоляцией кабеля и электродом 3 нет газовых включений, и ЧР могут развиваться только внутри кабеля. Пропуская кабель строительной длины через такую ванну, можно обнаружить место возникновения ЧР.

Рис. 6.5. Измерение ЧР в кабеле на проход

63

Существуют схемы измерений ЧР в длинных кабелях при частоте порядка 20 МГц. При этом по разности времени прихода импульса прямо от места его возникновения и при его отражении от дальнего конца кабеля судят о месте возникновения ЧР. Однако такие схемы требуют применения сложного радиоэлектронного оборудования и не нашли ши­ рокого применения.

ЧР малой интенсивности могут постепенно со временем затухать. Наличие таких ЧР при испытаниях допустимо. Если интенсивность ЧР со временем нарастает, то это свидетель­ ствует о том, что через непродолжительное время может

произойти	пробой изоляции.
Стойкость различных материалов к ЧР неодинакова. На­
пример, полиэтилен быстро разрушается		под действием		ЧР,
а стекло	или фарфор— медленно. Зависимость		наработки
t электроизоляционной конструкции от напряжения			U обычно
подчиняется степенной закономерности		t= A U n	(А и	п —

постоянные величины). При исследовании ЧР может быть поставлена задача определения зависимости наработки от интенсивности ЧР (значения тока). Исследование характера разрушения материала в искусственно создаваемых включениях помогает выбору оптимального состава материала. При этом перед исследователями могут быть поставлены и другие задачи.

Г Л А В А С Е Д Ь М А Я

ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КАБЕЛЕЙ СВЯЗИ

ИРАДИОЧАСТОТНЫХ КАБЕЛЕЙ

7.1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ХАРАКТЕРИСТИКАХ КАБЕЛЕЙ

СВЯЗИ И ИХ ИЗМЕРЕНИИ

Напряжение Ux и ток 1Х в кабельной линии с распределен­ ными параметрами вычисляются по формулам

	Ux=U+e-y-x+ l T e l x;		(7.1)
	l x~ U u * e - l , - U ~ e 1x)i-		(7.2)
	y = %/(R+ jaL)(G + jm C )-		(7.3)
	У _	iR+jaL	(7.4)
	—в	V Сг+усоС*
	Коэффициент распространения волны у (м -1 ) может быть
	представлен в виде суммы у = ос +ур, где		ос— коэффициент

64

	затухания; р — коэффициент фа-								Х=0	х=1
	зы.	Параметр		Z a	называется
	волновым		сопротивлением					ли­
	нии,	Ом;	параметры			у,	а, р,			I
	ZB—вторичными параметрами
	линии; R, L, С, G— первичными
	параметрами линии.					Все		они
	должны быть			определены				при
	заданной		частоте		тока.			При
	этом	для	1 м	длины			линии
	определяются:			Я — активное
	электрическое			сопротивление,
	Ом/м;		L — индуктивность,						Рис. 7.1. Схемы замещения для двух
	Гн/м; С.—емкость,				Ф/м;			G—
									линий	(/ и //)
	активная		проводимость				изоля­
	ции,	Ом- 1 *м-1 .

Первое слагаемое в уравнениях (7.1) и (7.2) характеризует волну, распространяющуюся от начала к концу линии, а второе

слагаемое — волну в				обратном		направлении. Постоянные U+
и U		определяются		из условий в начале (х=0) и в конце
линии		(* = /),	которые показаны на				рис. 7.1.
	Для	линии	/ на	рис. 7.1 запишем исходные уравнения
				Ж—Ы.0^~IQZ Q',						(7.5)
										(7.6)
где	U0 и / 0— напряжение				и	ток	в	начале	линии	(х=0);
Ut	и h — напряжение			и ток в конце линии (х=/).						можно
	При	подстановке		(7.1)	и	(7.2)	в	(7.5) и	(7.6)

получить ряд соотношений, необходимых для расчетов при измерениях вторичных параметров кабелей. Линия II будет рассмотрена ниже.

Коэффициент отражения рх= U~e~yx/(U+e +yx) в конце линии Pi9 в начале линии р0 и в любой точке линии рх вычисляется по формулам

z,-z„	—n	Px=Poe2yx=1Pie 2nl x)-	(7.7)
Pi = Z ,+ Z B’	Po=Pie

При отражении сигналов на концах отрезка линии образу­ ются стоячие волны. Расстояние между точками, где модуль

напряжения максимальный | Ux | (или между минимумами

Ux\mi„), составляет половину длины волны Х/2у причем Х=2п/р. ~ Коэффициент стоячей волны равен

„	I д г I max	,	(7.8)
а	----------

\ux\min

5 Заказ 1841

65

Коэффициент	бегущей волны		q=l/s.
Модуль коэффициента отражения связан с s соотношением
	|p J= (* -l)/(H -l).				(7.9)
Входное сопротивление линии равно
			Zt+Z„thy/
	Z M=U0II0 = Z oZB+Z,th уГ				(7.10)
Если Zt=ZB, то	ZBX= Z B, при		этом	отсутствует	отражение
в конце линии.
Входное сопротивление замкнутой и разомкнутой на конце
линии (Z,=0 и Z x —оо) равно
	Z .x.t =Z,thyl;				(7.11)
	Z„.x = ZJthyl.				(7.12)
Измерив эти величины, можно определить Z , и у по
формулам
	Z'B= \J Z ВХ|ЕZBXх;				(7.13)
	th y l = y / Z „ J Z „ x.				(7.14)
Гиперболический тангенс в		(7.11) и (7.12)
	sh2a/	.	.	sin 2р/
thy/= ch2a/+cos2p/ +j ch2a/+cos2p/‘					(7.15)

Если линия электрически короткая, т. е. /<кХ=2я/Р, то затухание а/ такой линии невелико и th ylmyl.

В этом случае (7.11) и (7.12) будут иметь вид

Z„,K= Z.yl=(R+jwL)l;	|
Y „ ,= l/Z ,x.=(G+j<»C)l.\		(	)
Измерив ZBXK и Z BXX электрически	короткой	линии,	из

(7.17) и (7.18) можно определить первичные параметры линии.

После вычисления ZB и thy/ по (7.13)	и (7.14) можно
найти a, р, ZB и первичные параметры по	формулам

Z B= \Z B\eJ<f>*;

y = \ y \ e J%;

|z B|= v T z j l z j ;

Ч>г=(ф.+Фх)/2;

(7.17)

th 2 a /= 2 T cos cp7/( 1+ T 2);

tg2p/=27’sin<pT/(l —Г2);

r=V|ZJ/|ZJ;

Фт=(<Рг-Фх)/2.

66

Из формул (7.17) по тригонометрическим таблицам находим а и р . Далее рассчитываем первичные параметры

^= |Z BIMcos(<pz+(pT);

i= ^ l Z.IIZ lsin('P*+<Pr);

(7.18)

где фу = arctg (p/а).

Если 2р/=2ля, то линия содержит четное количество четвертьволновых отрезков линии, или /=2А,л/4 (л=1, 2, 3 ...). Из (7.15) можно получить

А.. . sh2a/ ^ .	..
th y /= ——- —-= tha/.	(7.19)
ch2a/+l

Когда 2р/=(2л—1)я, линия содержит нечетное количество четвертьволновых отрезков линии, или /=(2л—1)Х/4.

При этом

th У/= -Г 0--:-7 - cth а/.	(7.20)
ch2a/—1

Если затухание а/	мало, то	th a/« a/.
С учетом (7.11)	и (7.12)	сопротивление полуволновой

короткозамкнутой и четвертьволновой разомкнутой линий

ZBI,x(2n\/4)= Z BX,x [(2л —1)A ./4]=Z.tha/=ZBa/.	(7.21)
Сопротивление четвертьволновой замкнутой и полуволновой
разомкнутой линий
Z„, * [(2«—1)V4] = ZBX„ (2лА./4)= Z .th a /= ZJ(*l).	(7.22)

При высоких частотах ZB 4 ц с и тогда резонансные отрезки линий имеют почти активное сопротивление. Формулы (7.21) и (7.22) могут быть использованы для определения а.

Затухание в кабельных линиях можно оценивать по умень­ шению мощности или напряжения. Собственное затухание линии (см. рис. 7.1) определяется по формуле

a+_/6=^ln— =1п=^=1п— .			(7.23)
2 1и	Ни	/„

Действительная часть этого слагаемого оказывается затуха­ нием линии

67

					2		1° I	.g io I	(7.24)
		z.,r1				\Ри\		\UU\
					В этих		формулах		Р10
				и	Ри — кажущиеся мощности
Рис. 7.2. К измерению вносимого за­				в	начале и		в конце линии.
					Слагаемое jb			характеризует
	тухания
Если	Z ,= Z B,	то		сдвиг по фазе между U0 и £/,.
			величина, вычисленная				по	(7.24),	равна
собственному		затуханию линии		a=al.
Оценку характеристик линии в реальных условиях работы
можно	произвести		по рабочему		или вносимому			затуханию,

методы измерения которых более совершенны, чем методы

измерения		собственного затухания.				Е с внутренним		сопротив­
Если	в схеме рис. 7.2 генератор
лением	Z x		включен на		такое	же сопротивление		Z lt то
мощность,			отдаваемая		сопротивлению		Z x,	составит
P1= E 2/(4Z1). Мощность, которая рассеивается на Z 2, составит
P2 = Uf/Z2. Рабочее				затухание определяется			формулой
	Л _ 1 1п1Л1_1,п				E2Z2
	р	2	|Р2|	2	—In			(7.25)
					4U\ Z1	2U, + ln
Если	Z2 = Zj, то			лр = 1п(| C/J/l C/2|).

Вносимое затухание определяется как половина натура­ льного логарифма отношения полной мощности, которую может получить приемник с сопротивлением Z 2 при его

непосредственном подключении к передатчику с	сопротивле­
нием Z x к полной мощности, полученной тем же	приемником
от того же передатчика после включения рассматриваемой цепи:

	*»=	E2Z\			2Z2	(7.26)
			=ln		Z J + Z 2
		Ul(Z1+Z2)
Если	ZX= Z 2, T O aB= ap.			и вносимое затухания равны
При	Z 1—Z 2=ZB рабочее
собственному		затуханию	цепи	ар=ав~ а.
Рабочее и вносимое затухания связаны с собственным
затуханием и		другими параметрами цепей по формулам
	др=а+1п		^ 1 Z2 +ln		1 Z2+Z .
		2	У а д		2 у а д ;
		+ln	Z ,- Z . Z2- Z .			(7.27)
			Zt+ z. z 2+ z.

68

Я. = Л-Ип

+ln 1 - ? ! —?= h z b . e - ^ i	(7.28)
Zl -\-Zn Z2+ 2 B

Взаимное влияние и влияние внешних помех в кабельных линиях оцениваются коэффициентом переходного затухания А:

(7.29)

где Pi Ц_х и ZBl— мощность, напряжение и волновое сопротив­

ление влияющей цепи (линия I на рис. 7.1); Р2, U2 и Zb2 — соответственно то же в цепи, подверженной влиянию (линия II на рис. 7.1).

Различают затухание на ближнем и дальнем концах линии (см. рис. 7.1):

(7.30)

Если в (7.24)— (7.30) используется половина натурального логарифма отношения мощностей, то затухание измеряется в неперах. В современной практике также используется децибел

(1 Нп равен 8,7 дБ).	В случае	применения децибела
A = m g \ P J P 2\.	затухания	можно оценивать также
Значение переходного

по коэффициентам электромагнитной связи и сопротивлением связи на ближнем и дальнем концах, обозначенными N_\2, Р'12 и N \ F'. (В литературе используют значения: Р=0,5Р',

N=^0,5N\ Fl2 =0,5Р', N12—0f5N').

(7.31)

69

7.2.ИЗМЕРЕНИЕ РАБОЧЕЙ ЕМКОСТИ, ЕМКОСТНОЙ АСИММЕТРИИ

ИЕМКОСТНЫХ СВЯЗЕЙ В КАБЕЛЯХ

Ток I в цепи, к которой приложено напряжение С/, обусловлен комплексным сопротивлением цепи Z x. В коаксиаль­ ных кабелях значение Zx измеряется между жилой и заземлен­ ным экраном. Система токов в симметричных кабелях показана на рис. 7.3. К жилам / и 2 подводится симметричное напряжение ±U f2. Комплексное входное сопротивление цепи кабеля Zx может быть представлено в виде трехполюсника, состоящего из частичных сопротивлений Z 12, Z 10 и Z20. Частичные сопротивления имеют смысл только как расчетные величины. Если цепь кабеля для жил / и 2 не симметрична относительно заземленной оболочки и других жил, то токи 1Х и /2 будут различными. Для устранения влияния внешних помех сопротивление цепи должно быть симметричным. Степень асимметрии невелика и нормируется в технических условиях. Для почти симметричной цепи можно ввести понятия рабочего сопротивления Zx и рабочей емкости Ср. При этом I1—I2==U/Zx-

Измерение	Zx и Ср симметричных кабелей	производится
с помощью	симметричных трансформаторных	мостов, одна

из схем которых (мост МПП-300) приведена на рис. 7.8. При

измерении симметричных кабелей заземляются	точки	7 и 2,
а при измерении коаксиальных кабелей— точки	3 и	4.
Измерение емкости производится на электрически коротких
линиях при частоте 800— 1000 Гц и регламентировано		ГОСТ

10786-72. При этих условиях Zxx, 1/(ушСр) и установка МПП-300

позволяет измерять непосредственно Ср.

В симметричных кабелях взаимное влияние цепей может быть оценено по значениям емкостных связей и емкостной асиммет­ рии, измерение которых регламентировано ГОСТ 10307-72.

Рис. 7.3. Схема замещения для сим­	Рис. 7.4. Частичные емкости при
метричного кабеля	скрутке в четверку

70