4.2 Измерения магистральных кабелей

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.

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).

К наиболее часто встречающимся в процессе эксплуатации неисправностям можно отнести:

- обрыв кабеля целиком, отдельной пары или отдельной жилы;

- короткое замыкание;

- замыкание 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.

Группа измерений, связанных с восстановлением 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.

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, 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 - приемник отображает 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 случае выбор режима работы приемника может осуществляться оптимально в соответствии с типом неисправности и условиями измерений.

Частота и мощность тестового сигнала, подаваемого в кабель, выбирается в соответствии с типом кабеля, глубиной его залегания и чувствительностью приемника. Обнаружение точки возникновения неисправности кабелеискателем зависит от типа неисправности. Так при полном обрыве кабеля сигнал на приемнике в точке обрыва значительно усилится из-за полного нарушения изоляции и пропадает после точки обрыва. В случае частичного обрыва одной жилы нарушения изоляции в кабеле может не быть, тогда после прохождения точки неисправности сигнал пропадает. При коротком замыкании сигнал также усилится и пропадет после прохождения точки и т.д.

Кабелеискатели выполняют:

- трассировку пути залегания кабеля;

- определение глубины залегания кабеля;

- измерение величины тока в кабеле;

- определение характера повреждения: короткое замыкание или обрыв;

- определение степени повреждения: легкое или сильное повреждение;

- индикацию силовых кабелей и кабелей питания;

- определение точек намокания кабеля.

Кабелеискатели могут выполнять измерения также на воздушных кабелях и проложенных в канализации. Так для обнаружения препятствия в трубу, в которой предполагается прокладка кабеля, опускается активный источник (минипередатчик), который указывает местоположение препятствия и кабелеискатель фиксирует это место. Подобная технология обследования труб оказывается эффективной и в настоящее начинают использоваться подвижные видеокамеры для обследования труб и обнаружения препятствий для проклад­ки кабеля.

Трассировка залегания кабеля в грунте может выполняться по индикации активного сигнала и с использованием маркеров. В первом случае к кабелю подключается генератор гармонического или модулированного сигнала. Кабелеискатель принимает этот сигнал, за счет чего определяет трассу залегания кабеля. В кабелеискателе используется обычно несколько антенн вертикальной и горизонтальной поляризации. Горизонтально-ориентированная антенна обеспечивает грубый поиск места залегания кабеля, тогда как вертикальная антенна обеспечивает индикацию местоположения кабеля с точностью до 5-10 см. Эффективным способом трассировки кабеля является использование маркеров. В этом случае при прокладке кабеля параллельно с ним закапывают маркеры -устройства, содержащие индуктивную катушку, настроенную на определенную резонансную частоту. Кабелеискатель для поиска маркеров имеет в своем составе резонансный контур, реагирующий на наличие маркера в непосредственной близости от него.

При максимуме резонанса кабелеискатель идентифицирует маркер и, таким образом, определяет трассу залегания кабеля

Для обнаружения места залегания кабеля могут применяться металлоискатели, однако их применение оправдано только в сельской местности, когда заранее известно, что иного кабеля нет. В городских условиях это практически исключено. Кроме того, металлоискатели не обнаруживают точки возникновения неисправ­ности, а фиксируют только маршрут залегания кабеля.

Могут использоваться другие прямые методы. Так, например, метод прямой локации, который чрезвычайно эффективен при обнаружении коротких замыканий, при определении точек обрыва дает не очень хорошие результаты. Высокая точность измерений в приборе Топеагс фирмы Tempo достигается за счет использования высоковольтного импульса малой 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 металлические рефлектометры дальнего 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 [39-46].

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 известной 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.

Обнаружение неисправностей с использованием мостового метода

Метод мостового тестирования основан на использовании электротехнической схемы сбалансированного моста. 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, замыкание 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 другом случае используется один и тот же алгоритм, с той только разницей, что в случае омической неисправности мостовая схема строится на основе анализа активного сопротивления, а в случае емкостной неисправности – реактивного

После определения характера неисправности выбирается анализируемый параметр - сопротивление или емкость. По заданным распределенным параметрам можно сразу рассчитать предполагаемую длину кабеля. 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 - тестируемая 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.