8. Измерение цепей связи постоянным током. Импульсный метод измерений. Измерение сопротивления заземлений

Измерение постоянным током. Параметры цепей воздушных (ВЛС) и кабельных (КЛС) линий связи измеряют постоянным током для определения их электрического состояния и места повреждения. Для контроля состояния цепей нормируют и измеряют: сопротивление проводов и разность их сопротивлений (омическая асимметрия); сопротивление изоляции между проводами и проводов относительно земли (металлической оболочки кабеля). Кроме того, для цепей КЛС нормируют и измеряют рабочую емкость и электрическую прочность изоляции. Результаты измерения параметров исправных цепей используют и для определения места повреждения.Оперативный контроль сопротивления проводов и сопротивления изоляции осуществляют омметрами, килоомметрами и мегаомметрами, находящимися на вводно-коммутационных стойках. Измерения параметров цепей постоянным током и определение места повреждения выполняют универсальными приборами типов ПКП-3, ПКП-4, ПКП-5 (переносные кабельные приборы), Р41260 и др. Соответствующие приборы применяют и для испытания электрической прочности изоляции цепей и определения места ее понижения.

В соответствии с целями и условиями измерений в универсальных измерительных приборах с помощью устройств коммутации создаются различные типовые мостовые и немостовые схемы измерений.

Сопротивления проводов (шлейфа) и их омической асимметрии измеряют мостом с постоянным отношением плеч (рис. 4.50). При нахождении переключателя S1 в верхнем положении, a S2 в разомкну­том измеряют сопротивление шлейфа Я_ш. При равновесии моста R_o1R1 = R2R_ш и, следовательно, R_ш = R_0lR1 / R2 = R_olN,.

Сопротивление каждого провода и омическую асимметрию измеря­ют при нахождении переключателя S1 в нижнем положении, a S2 в замкнутом

Для достижения равновесия моста провод с большим сопротивлением подключают к зажиму 1. При равновесии моста R1(R₀₂ + R₆) = R2R_a или N₂(R_o2 + R₆) = R_a, где N₂ = R1 / R2. Из пре­дыдущего измерения R_ш = R_a + R_б = N₁R_o1. Следовательно,

R_a = N₂(N₁ R_1l + R_o2) I (N₂ + 1); R₆ = (N₁,R_о1 - N₂R_о2) / (N₂ + 1); R = R_s - R₆ = [(.N₂, - 1)N₁,R_о1 + 2N₂R_о2] / (N₂ + 1).

Если магазин сопротивлений моста R₀ имеет декаду X 0,1 Ом, то измерения можно проводить при N_l = N₂= 1. В этом случае

R_ш = R₀₁;R_аl = (R_o1+R_o2)/2;

R_б = (R_о1 – R₀₂) / 2; R = R_о2.

Сопротивление изоляции цепей ВЛС измеряют между проводами и между каждым проводом и землей. В KJIC измеряют сопротивление изоляции между каждой жилой и остальными жилами, соединенными с заземленной металлической оболочкой. Нормируемые сопротивления изоляции провод — земля для цепей ВЛС не менее 2 МОм/км при любой погоде, а для цепей различных КЛС от 25 до 10 000 МОм/км при температуре окружающей среды плюс 20 °С. Сопротивление изоляции Rиз< 1 МОм измеряют мостами (SI замкнут) при повышенном напря­жении питания U_n, которое указывают для каждого типа прибора. Сопротивление изоляции R_из 1МОм измеряют по схемам последовательных омметров (мегаомметров) при напряжении питания U_n =(l00 -т-500) В (рис. 4.51). Для измерения тока, обратно пропорционального R_m, применяют чувствительные гальванометры или микроамперметры с усилителем посто­янного тока. При стабилизированном напряжении питания U_n = = 100 500 В (рис. 4.51, а) и максимальной чувствительности гальвано­метра 2-10~⁸ А максимальное измеряемое сопротивление изоляции R_из =(100 — 500)/2- 10-⁸ = 5 25 ГОм. Пределы измерений от 10⁶ до 10" Ом изменяют коммутацией шунтов гальванометра R_mr. При нестабилизированном напряжении питания U_n используют схему сравнения (рис. 4.51, б). Если переключатель S находится в нижнем положении, то измеряют ток пропорциональный напряжению питания = U_П / R₀, а если S находится в верхнем положении — то ток I₂ = U_n / R_m. Измеряемое сопротивление изоляции R_из = R₀I₁/ I₂. Сопротивление изоляции (или ток 1₂) отсчитывают по истечении времени, необходимого для заряда емкости цепи. После измерения специальной кнопкой эту емкость разряжают.

Для измерения сопротивления изоляции до 100 ГОм применяют мегаомметры на основе дифференциальных усилителей постоянного тока с электрометрическими лампами или полевыми транзисторами.

Рабочая емкость цепей КЛС С_р зависит от емкости между провода­ми С_а6 и частичными емкостями проводов относительно земли (метал­лической оболочки) С_пз,С_бз, т. е. С_р = С_аб + С_юС_Ъз / (С_аз + C). Для раз­личных кабелей емкость С_р может быть от 20 до 50 нФ/км. Ее можно

Рисунок 4.51. Схемы измерения сопротивления изоляции цепей при стабилизированном iu) и нестабилизированном [о] напряжениях питания измерять мостами переменного тока. Однако в универсальных прибо­рах (ПКП и др.) большей частью применяют метод непосредственного измерения по среднему току разряда емкости С (рис. 4.52). В схеме (рис. 4.52, а) измеряемую емкость С_х переключают на заряд и разряд контак­тами поляризованного реле К. В схеме (рис. 4.52, б) С_х заряжается при разомкнутом состоянии переключателя S через диод VDI, а разряд при замкнутом состоянии переключателя S через диод VD2 и микроам­перметр.

Переключателем .S' или реле К управляет мультивибратор G со стабильной частотой Сопротивление зарядных резисторов R, и час­тоту , выбирают с таким расчетом, чтобы измеряемая емкость успевала полностью заряжаться до напряжения U_n и разряжаться до нуля. Сред­ний ток разряда, измеряемый микроамперметром, I_ср=I_срC_x,U_ПfT При стабильных напряжении U и частоте / емкость С =/ / 6'/> и шкала прибора градуируется в единицах емкости. Пределы измерения таким методом от 1 нФ до 3 5 мкФ. Пределы измерения емкости С_х пере­ключают изменением пределов измерения среднего тока. Для сопостав­ления с нормами измеренные значения /?_м1, R_n, и С после соответству­ющей обработки приводят к I км цепи при температуре окружающей среды плюс 20 °С.

Для цепей ВЛС необходимо учитывать соизмеримость R_m и R_m. Для этого по измеренным сопротивлениям R_via и R„,_n между проводами определяют отношение х = Л_шAI/R„._iA,. Если х< 0,025, то действитель­ные значения принимают оавными измеренным R =R и R_KIJ = й_ии. При х~^ 0,025 из таблиц [17] или по формуле определяют поправочный коэффициент к:

= 11п[(1 4 \*)/(1 - V*)l}/2\'.v.

Действительные сопротивления шлейфа, сопротивления изоляции между проводами, а также между каждым проводом и землей соответ­ственно Я_{ш д} = R_m Jc,R_{K3 д} = Л_из „ / к.

Действительное сопротивление /?_шд приводится к t = 20 °С:

Л_Ш20 = Д_шд/11-а(*_ср^о-20°)1,

где а — температурный коэффициент сопротивления материала проводов: для меди 0,0039, для алюминия 0,004, для стали 0,0046, для биметалла 0,0041; t °— средняя температура почвы на глубине прокладки кабеля или темпе­ратура воздуха для ВЛС; t_cp = (t_A -\- t_b) / 2, здесь t_A и t_B — соответст­вующая температура на ст. Л и ст. Б.

По приведенному сопротивлению R_al20 и длине цепи рассчитывают километрическое сопротивление шлейфа: г_ш = R_{U1 2}„ / I. Сопротивление изоляции жил кабеля с бумажно-кордельной изоляцией приводится к t = =20 °С по формуле Л_из20 ⁼ ^_ИЗи / П ^— 0'06(^°_р — 20)]. Температурный коэффициент сопротивления воздушно-бумажной изоляции зависит от частоты. Поэтому сопротивление Я_изи такого кабеля к t = 20 °С при­водят с помощью таблиц [17].

Температурная зависимость сопротивления изоляции ВЛС и жил КЛС с полистирольной и полиэтиленовой изоляцией мала, и ее не учитывают. Километрическое сопротивление изоляции для КЛС '"из = Я„з2(/ или г_из = R_W3J; для ВЛС — г_яз = R_K3al.

Километрическая рабочая емкость с_р = С_р /1. По измеренным со­противлениям проводов /?_а и R₆ определяют омическую асимметрию: А/? = R_a — R₆ . Для ВЛС АЛ нормируется на усилительный участок: 2 Ом для цветных и 5 Ом для стальных цепей. Для симметричных цепей магистральных кабелей AR ^ 0,23д/7 / сР, где / — длина цепи, ad — диаметр проводов. Для низкочастотных кабелей местной связи АЛ<0,01Л_Ш.

Если измеряемая цепь имеет вставки из проводов другого диаметра или металла, то при определении километрического сопротивления шлейфа и допустимой омической асимметрии КЛС используется не фактическое значение /, а приведенное:

где/[ иг, — соответственно длина и километрическое сопротивление проводов основной цепи; /_п и г_п — то же для вставок.

Рассмотренные выше методы и схемы измерений параметров цепей постоянным током реализуется в процессе эксплуатации для профи­лактики, после устранения повреждений или ремонта, при строитель­стве линий связи. Значительную часть измерений параметров цепей постоянным током, а отчасти и переменными токами составляют ава­рийные измерения, проводимые для определения места повреждения цепи. Основным требованием к таким измерениям является высокая точность определения места повреждения, особенно на КЛС. В зависи­мости от характера повреждений существует несколько десятков мето­дов определения места повреждения. Описание этих методов и реко­мендации по их применению в различных условиях даны в [16, 17].

Импульсный метод измерения. Импульсный метод основан на яв­лении частичного или полного отражения электромагнитных волн от места неоднородности волнового сопротивления цепи. Для реализации метода в цепь периодически передаются короткие зондирующие им­пульсы или единичные перепады напряжения, а на экране ЭЛТ форми­руется изображение зондирующего (ЗИ) и отраженных (ОИ) импульсов, разделенных промежутками времени t_x (рис. 4.53). При этом могут фиксироваться ОИ от нескольких мест неоднородности. Изображение ОИ на экране ЭЛТ для части или всей цепи называют рефлектограм-мой, или импульсной диаграммой цепи. Зондирующие импульсы явля­ются многочастотным сигналом. Для отдельных частотных составляю­щих коэффициент отражения определяется соотношением входного сопротивления цепи в месте неоднородности Z_{BX п} по направлению передачи ЗИ и входного сопротивления Z_BX0 в обратном направлении: К = (^вх „ — 2„х о) / (^вх „ + К* о)- Можно считать, что углы сопротивле­ний в месте неоднородности равны и коэффициент отражения опреде­ляется разностью модулей этих сопротивлений. Тогда амплитуда отра­женного импульса на входе цепи будет

где а — километрическое затухание цепи; / — расстояние до места отражения.

Из этого выражения следует, что при Z_Bxn^>Z_ao ОИ имеет ту же полярность, что и ЗИ (точка 3 — отражение от разомкнутого конца цепи). При Z_Bxn<Z_BXO полярность ОИ противоположна полярности ЗИ (точка 2 — отражение от места существенного снижения сопротивле­ния изоляции).

Вследствие частотной зависимости затухания цепи и коэффициента отражения, а также скорости распространения ОИ существенно растя­гивается. Это обусловливает снижение точности измерения расстояния до места неоднородности. Для обеспечения более крутого фронта ОИ необходимо уменьшать длительность ЗИ. Однако при этом расширяет­ся его частотный спектр и, следовательно, увеличивается затухание для высокочастотных составляющих. Поэтому при измерениях дли­тельность ЗИ подбирается по максимальной крутизне фронта ЗИ.

Рисунок 4.53. Импульсная диаграмма цепи

Временной промежуток между фронтами ЗИ и ОИ на экране ЭЛТ t_x зависит от расстояния до места отражения 1_х и средней скорости распространения импульса: \:t_x=2l_x/ v. Следовательно, l_x~vt_x/ 2. Дли­тельность промежутка t_x определяется по экрану ЭЛТ с помощью калиброванных меток времени или калиброванной задержки разверт­ки. Средняя скорость распространения импульсов для различных цепей приводится в справочной литературе и составляет примерно 286 м/мкс для цветных и 230 м/мкс для стальных цепей ВЛС, 220 — 245 м/мкс для цепей КЛС с кордельной изоляцией.

Для повышения точности измерений для каждой измеряемой цепи скорость определяют экспериментально, измеряя t_x на известной длине 1_Х. С этой же целью снимают растянутые импульсные диаграммы исправных цепей, на которых фиксируются ОИ от технологических и конструктив­ных неоднородностей с привязкой к определенным пунктам.

Для измерения расстояния до мест неоднородностей (повреждений) цепей применяют специальные приборы группы Р5. Приборы этой группы различаются предельной измеряемой длиной цепи, разрешаю­щей способностью, способом измерения /_х, погрешностью определения /_х. Приборы этой группы позволяют измерять расстояние до места обрыва проводов или плохих контактов, существенного снижения изо­ляции между проводами, между проводами и землей или металличе­ской оболочкой кабеля, расстояние до места сосредоточенной электро­магнитной связи между цепями (например, разбитость пар в кабеле), а также до других неоднородностей. Недостатком импульсных методов измерений является низкая чувствительность к пониженной изоляции цепей.

Упрощенная структурная схема одного из приборов для определе­ния места повреждения цепей ВЛС и КЛС (Р5-10) приведена на рис. 4.54.

Задающий генератор ЗГ с кварцевой стабилизацией частоты синх­ронизирует работу всех узлов прибора. Тактовый генератор ТГ с по­мощью делителей частоты формирует импульсные последовательно­сти для запуска генератора пилообразного напряжения и формирователя калиброванных меток времени ФКМ. Генератор ГПН под воздействием импульсов от ТГ вырабатывает линейно-пилообраз­ное напряжение, необходимое для калиброванной задержки развертки и задержки (314). Длительность пилообразного напряжения определя­ется положением переключателя "Диапазон км" (в пределах от 0,3 до Щ0 км).

Устройство задержки развертки УЗР формирует пилообразное на­пряжение развертки, задержанное относительно ЗИ на плавно регули­руемый калиброванный отрезок времени ?.,.

При измерениях время t₃ устанавливают равным времени пробега ЗИ до точки отражения и обратно: t₁=t_x. Время t, устанавливают резистором, шкала которого "Расстояние" градуирована в единицах

Рисунок 4.54. Схема импульсного измерителя расстояния до места неоднородности цепи длины (с учетом положения переключателя "Диапазон").

Постоянство градуировки шкалы "Расстояние" для цепей с различной скоростью распространения импульсов vосуществляется изменением времени ?.. в соответствии с коэффициентом укорочения электромагнитной волны (ЭМВ) у — 300/v, где 300 — скорость распространения ЭМВ в вакууме, м/мкс ("/.---= v/ f_c). Значения у устанавливают резистором с калиброван­ной в пределах 1 — 2, 4 шкалой "Укорочение". Устройство задержки ЗИ УЗЗИ с помощью резистора "Установка отсчета" позволяет совме­щать изображение ЗИ с отметкой на экране ЭЛТъ нулевом положении шкалы "Расстояние".

Генератор зондирующих импульсов ГЗИ формирует ЗИ колоколь­ной формы с длительностью, переключаемой в пределах 0,05 - 30 мкс, а также единичные импульсы напряжения. Для корректировки формы ОИ предусмотрена регулировка формы ЗИ резистором "Компенсация". Коммутационное устройство АТУ передает ЗИ и принимает ОИ по одной и той же цепи или по разным цепям с частичной компенсацией ампли­туды ЗИ на входе УВО, а также переключает на симметричный и несимметричный относительно земли вход/выход. Усилитель верти­кального отклонения УВО обеспечивает необходимую для регистрации ОИ регулируемую чувствительность. Калиброванные метки времени от ФКМ используют при проверках прибора, а также при определении скорости распространения импульсов.

Для определения расстояния до места отражения переключателем "Диапазон" выбирают необходимую длину просматриваемой цепи. При нулевом положении шкалы "Расстояние" регулировкой "Установка отсчета" совмещают фронт ЗИ с одной из отметок шкалы ЭЛТ. По шкале "Укорочение" устанавливают известный для измеряемой цепи коэффициент укорочения ЭМВ. После этого регулировкой "Расстоя­ние" совмещают фронт ОИ с той же отметкой. Расстояния до места отражения отсчитывают по

Рисунок 4.55. Схема измерения сопротивле­ния заземления Рисунок 4.56. Схема компенсационного из­мерителя сопротивления заземлений.

делениям шкалы "Расстояние" с учетом положения переключателя "Диапазон".

Измерение сопротивления заземлений. Сопротивление заземлений определяется, в основном, сопротивлением переходного контакта между поверхностью металлического электрода (заземлителя) и грунтом, сопротивлением грунта, а также сопротивлением подводящего прово­да. При достаточном удалении от заземлителя ток растекается в боль­шом объеме грунта, сопротивление которого мало. Поэтому сопротив­ление грунта определяется так называемой зоной растекания. Радиус этой зоны на поверхности земли примерно 20 м.

Для измерения сопротивления заземления R_x, кроме измеряемого заземления (ИЗ), необходимы два дополнительных — вспомогательное заземление (ВЗ) и заземление — зонд (33). Сопротивления ВЗ (R) и 33 (R) не должны превышать 100 Ом. Для исключения поляризации кон­такта заземлитель — грунт измерения осуществляют при переменном токе относительно низкой частоты (до 1000 Гц). При измерениях 33 должно быть удалено от ИЗ за пределы зоны растекания (не менее 20 м), а ВЗ должно находиться на прямой линии ИЗ — 33 и удалено от 33 на Ю — 20 м (рисунке 4.55) (сопротивления заземлений обозначены резисторами). В цепи ИЗ — ВЗ протекает ток I=U_r / (R_x + R_B), измеряемый милли­амперметром РтА. При сопротивлении вольтметра PV R_V>>(R_X + R_B) он измеряет падение напряжения на измеряемом сопротивлении U_x = IR_X. Следовательно, R_X=U_X / В приборах для измерения сопротивления заземлений используют метод компенсации (рисунок 4.56). Генератор G задает ток, протекающий через первичную обмотку трансформатора Т, измеряемое ИЗ и вспо­могательное ВЗ заземления. При этом падение напряжения на R_x будет U_l=I_lR_x. Во вторичной обмотке трансформатора Г индуцируется ток, пропорциональный коэффициенту трансформации п. На части сопротивления г потенциометра R падает напряжение U₂=rl₂=rnl_r Вторичная обмотка Г включена так, чтобы напряжение U₂ компенсировало U₁. Изменением сопротивления г добиваются отсутствия показаний индикатора Р с высокоомным входом. При этом U₁=U₂ или I₁nr=I₁R_x.