Измерения в технике Связи Лекции

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СОВРЕМЕННЫХ

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

1.1. Системное и эксплуатационное измерительное оборудование

Всю измерительную технику современных телекоммуникаций можно условно разделить на два основных класса: системное и эксплуатационное измерительное оборудование.

Требования к этим классам значительно отличаются, так же как отличаются функции приборов, схемы их использования, спецификации тестов и т.д.

К системному оборудованию относится измерительное оборудование, обеспечивающее настройку сети в целом и ее отдельных узлов, а также последующий мониторинг состояния всей сети. Системным оно названо потому, что современное оборудование этого класса имеет широкие возможности интеграции в измерительные комплексы, сети измерительных приборов и входить в качестве подсистем в автоматизированные системы управления связью (Telecommunications Management Networks - TMN).

Эксплуатационное измерительное оборудование должно обеспечивать качественную эксплуатацию отдельных узлов сети, сопровождение монтажных работ и оперативный поиск неисправностей.

Разделив весь спектр оборудования на два основных класса, легко понять, что требования к ним существенно различны. В порядке уменьшения приоритетности, эти требования можно рассматривать следующим образом:

Для системного оборудования основным требованием является максимальная функциональность прибора: спецификация тестов должна удовлетворять всем существующим и большинству перспективных стандартов и методологий. В противном случае прибор не обеспечит полной настройки и оценки параметров сети.

Возможность интеграции в локальные и территориально-распределенные системы приборов и интеграции с вычислительными средствами и сетями передачи данных существенно для создания TMN, куда должны быть включены и измерительные средства.

Требование модернизируемости важно в силу быстрого развития технологии и принятия новых стандартов. Удобство работы является следующим по важности параметром. Имеется ряд многофункционального системного оборудования с "недружественными" интерфейсами. Использование таких приборов требует от

специалиста долгого изучения прибора, что не всегда эффективно.

Стоимость для системного оборудования не является первичным критерием выбора, поскольку для приборов этого класса стоимость находится в прямой зависимости от функциональности. Портативность для приборов этого класса оборудования не требуется.

В то же время эксплуатационное оборудование в первую очередь должно быть портативным и дешевым, затем надежным и уже после этого многофункциональным.

Учитывая общую тенденцию к миниатюризации в современной электронной промышленности, следует отметить, что предлагаемая классификация измерительного оборудования является условной. С развитием техники системное оборудование становится постепенно портативным, тогда как эксплуатационное оборудование становится все более многофункциональным. Тем не менее, разделение оборудования на системное и эксплуатационное полезно при сравнении оборудования различных производителей.

1.2. Измерения в различных частях современной системы электросвязи

Дальнейшее изложение основных измерительных технологий будет идти в контексте классификации измерительных технологий по использованию в различных частях системы электросвязи. Выше уже отмечалась одна из основных тенденций в развитии современной измерительной техники для телекоммуникаций - ее высокая специализированность. Именно высокая специализированность измерительной техники привела к тому, что 10-15 лет назад измерительное оборудование для систем связи выделилось из общей массы измерительного оборудования, создав свой отдельный сегмент рынка. В настоящее время для каждой части современной системы электросвязи имеются совершенно независимые группы приборов и современная технология эксплуатационных измерений состоит из нескольких измерительных технологий, опирающихся на соответствующие группы приборов.

Как известно, в основе системы электросвязи лежит первичная сеть, представляющая собой совокупность среды распространения, сетевых узлов и станций, которые обеспечивают создание типовых каналов и трактов. В современной системе электросвязи существуют три среды распространения: электрический кабель,

оптоволоконный кабель и радиоэфир или радиочастотный ресурс. Цифровая первичная сеть может строиться на основе принципов плезиохронной цифровой иерархии (PDH) или синхронной цифровой иерархии (SDH).

На базе типовых каналов и трактов первичной сети создаются вторичные сети: телефонные, цифровые сети с интеграцией служб (ISDN), сети на основе принципов асинхронного режима передачи (ATM), сети передачи данных на основе использования протоколов Х.25, Frame Relay и т.д., сети сотовой радиосвязи и транкинга, а также сети специального назначения: для диспетчерской связи, оперативного и технологического управления, селекторных совещаний и т.д.

Протокол ОКС 7, как современная концепция сигнализации сети общего пользования, требует отдельного рассмотрения в плане технологии измерений.

Технология ATM охватывает не только вторичную сеть, но и частично первичную сеть. В настоящее время получает постепенное развитие практика создания единой транспортной среды (т.е. систем передачи и коммутации на принципах ATM), Так как эта тенденция пока до конца не ясна, с точки зрения автора наиболее приемлемым вариантом является отдельное рассмотрение технологии ATM и технологии измерений на сетях ATM вне контекста измерений на первичной и вторичных сетях.

В соответствии с описанной структурой может быть предложена классификация измерительных технологий, представленная на рис. 1.

Первый уровень включает измерение сред распространения сигналов: электрического и оптического кабелей и радиоэфира. Тестирование электрических и оптоволоконных кабелей может проводиться как на этапе анализа характеристик кабеля перед прокладкой, так и на проложенном кабеле в процессе эксплуатации для определения обрывов, участков деградации качества и т.д. В настоящее время в каждой из групп кабельных измерений существует несколько измерительных технологий.

Рис. 1. Классификация измерительных технологий в системе электросвязи

Измерения электрического кабеля включают измерения структурированных кабельных сетей (СКС), магистральных и абонентских кабелей, а также анализ характеристик кабеля, используемого для «последней мили» (xDSL). Измерения СКС непосредственно связаны с сертификацией витой пары, прокладываемой в помещениях, и близки к измерениям в локально-вычислительных сетях (ЛВС). Измерения характеристик магистральных и абонентских кабелей - это довольно известный класс эксплуатационных измерений, подробно описанный в различных монографиях. Технология измерений кабелей xDSL появилась совсем недавно и ее вряд ли можно назвать окончательно сформировавшейся. Динамичное развитие технологии «последней мили» способствует бурному росту эксплуатационного опыта, так что измерительное оборудование этого класса чрезвычайно распространено.

Современная технология измерений оптических кабелей включает: 1) анализ параметров кабелей ЛВС, который может быть с успехом отнесен к технологии измерений СКС; 2) измерения параметров волоконнооптических систем передачи (ВОСП) 3) для передачи данных по оптическому кабелю с разделением по длинам волн (WDM) требуется анализ дисперсии и спектральный анализ оптического сигнала. Для последней технологии только появляются первые эксплуатационные приборы.

Радиочастотные измерения связаны с измерением радиорелейных и спутниковых систем передачи, а также с контролем загрузки радиочастотного ресурса, являющегося национальным достоянием.

Второй уровень - это измерения цифровых трактов первичной сети. Сюда относятся измерения на цифровой первичной сети PDH и SDH, анализ транспортной сети ATM, а также

технология измерений каналов ТЧ, которые также являются каналами первичной сети. Поскольку современная цифровая первичная сеть не может эффективно работать без системы синхронизации, соответствующая измерительная технология включается в этот класс измерений.

Третий уровень измерений - это измерения на вторичных сетях связи. Характерной особенностью этого класса измерений является наличие специализированных технологий анализа качества предоставляемой услуги (QoS) и широкое развитие технологий анализа протоколов сигнализации.

В технологию измерений интегрированной цифровой сети (IDN) входят анализ качества услуги представляемой телефонной связи, измерение параметров коммутируемых телефонных каналов ТфОП, анализ протоколов межстанционной сигнализации CAS. С переходом цифровых телефонных сетей к ISDN в технологию эксплуатационных измерений входят измерения качества каналов ISDN (в первую очередь - анализ параметров ошибки BER), анализ качества представляемых услуг ISDN, а также анализ протоколов абонентского и межстанционного доступа ISDN.

Очень важной для современной практики измерений является технология ОКС №7. Она предполагает создание наложенной сети сигнализации, поэтому должна рассматриваться отдельно от других технологий. Эта измерительная технология включает анализ протоколов всех систем сигнализации ОКС №7, анализ качества работы сети ОКС №7, где важными оказываются измерения надежности сети, эффективности использования ее ресурсов, поиск точек несанкционированного доступа и т.д. Кроме того, в состав измерительной технологии ОКС №7 входит анализ интеллектуальных сетей (IN), построенных на основе системы сигнализации. Анализ систем компьютерной телефонии, приложений современного биллинга и новых сетевых услуг относятся к данному классу измерений.

Революция в области персональных компьютеров привела к бурному росту сетей передачи данных (ПД), которые становятся все более важной частью современной системы электросвязи. В сетях ДЦ [3] производится анализ качества представляемого канала (BERT) и предоставляемой услуги (QoS), анализ протоколов сигнализации, анализ инкапсулированной информации протоколов верхних уровней, например от ЛВС. Развивающаяся в последнее время технология IP-телефонии также должна получить отражение в измерительной технологии, хотя сама технология IP-телефонии слишком молода, чтобы можно было говорить о технологии эксплуатационных измерений.

Перспективное развитие технологии ATM предусматривает, как и в случае сетей передачи данных, анализ QoS, протоколов сигнализации (B-ISUP), а также анализ инкапсулированной информации. Новые концепции адаптивной маршрутизации, связанные с внедрением протокола PNNI, также должны значительно повлиять на развитие измерительной технологии ATM. Однако методы эксплуатационных измерений на сети PNNI разработаны только в самых общих чертах.

Измерительные технологии сетей подвижной радиосвязи включают анализ качества представляемых услуг мобильной связи, измерения параметров базовых (БС) и мобильных (МС) станций, анализ протоколов работы различных устройств в радиоканале, а также протоколов сигнализации, используемых для передачи трафика в сети общего пользования.

Как следует из рис. 1, все перечисленные сегменты имеют свои методы организации измерений, опирающиеся на специализированные измерительные средства, причем измерительные средства разных сегментов практически не пересекаются друг с другом.

2. ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ

2.1. Концепция измерений электрических кабелей

Электрический кабель используется на протяжении всего времени существования телекоммуникаций, технология его эксплуатации отработана в деталях, а измерительные технологии широко внедрялись на протяжении более чем ста лет.

Технология измерений электрического кабеля постоянно изменяется, совершенствуется в связи с развитием научно-технического прогресса и появлением новых требований к параметрам кабеля. Новые типы электрических кабелей (например, витая пара категорий 4, 5, 6 для LAN), а также новые требования к существующему абонентскому кабельному хозяйству, связанные с широким внедрением оборудования для «последней мили», значительно стимулировали развитие технологии измерений электрического кабеля в последние пять лет. В результате современное описание технологии измерений требует довольно детальной проработки и систематизации накопленного материала и учета новых технологий измерений. С полной уверенностью можно сказать, что такое описание вне технологического подхода представляется сложным и неструктурированным. Трудно также составить обзор современного рынка измерительной техники для электрического кабеля. Следует учесть, что многие устройства, используемые для измерений, занимают на рынке нишу, промежуточную между приборами и инструментарием, и выпускаются тысячами наименований и разными фирмами-производителями.

В настоящей главе сделана попытка создания на основе технологического подхода концепции измерений электрического кабеля и в соответствии с ней описаны соответствующие измерительные технологии. Размер настоящего издания не позволяет полностью осветить проблему, поэтому внимание будет уделяться не исторически наработанному материалу, а новым технологиям измерений. С учетом приведенного выше замечания будет также сделана попытка обзора современного рынка измерительной техники.

Исторически при рассмотрении вопросов организации измерений электрических кабелей исходят из следующих задач (рис. 2):

•проверка соответствия электрических характеристик кабельных линий связи, принимаемых в эксплуатацию, нормам;

•проверка соответствия электрических характеристик действующих кабельных линий связи нормам и выявление участков линий, не удовлетворяющих нормам, с целью предупреждения и предотвращения повреждений;

•определение характера и места повреждения кабеля связи;

•проверка качества произведенного ремонта.

В соответствии с этими задачами электрические измерения кабелей связи подразделяются на:

•приемосдаточные;

•периодические (профилактические, регламентные);

•измерения, определяющие характер и место повреждения;

•измерения по проверке качества ремонтных работ.

Упомянутые группы измерений актуальны для любых типов электрических кабелей вне зависимости от их использования.

Рис. 2. Концепция измерений электрических кабелей

По типам кабелей можно предложить следующую классификацию измерений:

•измерения магистральных кабелей;

•измерения абонентских кабелей;

•измерения витой пары (LAN);

•измерения электрических кабелей в соответствии с требованиями аппаратуры «последней мили» или xDSL.

Отдельной группой измерений являются заводские испытания кабелей (выходной контроль) и измерения, связанные с определением значения параметров кабелей (входной контроль).

Существует определенная специфика измерений электрических подземных и воздушных кабелей. Измерения кабельных линий связи несколько отличаются от аналогичных измерений на воздушных линиях связи. Неточности в определении места повреждения подземного кабеля затягивают работы по исправлению повреждения, в связи с чем расстояние до места повреждения необходимо определять значительно более точно, чем на воздушных линиях. Способы измерения воздушных и кабельных линий также отличаются друг от друга и определяются параметрами линии, например, сопротивлением изоляции.

Помимо упомянутого разделения по группам измерений и типам кабелей широкое распространение получила классификация по методикам измерений. Такая классификация выделяет группы параметров, измеряемых постоянным током, и группы параметров, измеряемых переменным током. К параметрам, измеряемым постоянным током, относятся различные сопротивления (сопротивление изоляции, омическая асимметрия цепи, электрическая прочность изоляции и т.д.). Группа параметров, измеряемых переменным током, более широкая и включает собственное затухание цепи, затухание несогласованности, защищенность цени на дальнем конце, емкостную связь и асимметрию, параметры волнового сопротивления и т.д.

Таким образом, концепция эксплуатационных измерений электрического кабеля представляет собой двухмерную измерительную концепцию, которую условно можно отобразить в виде табл. 1.

Как видно из приведенной таблицы, измерения трех типов кабелей - магистрального, абонентского и витой пары, используемой в LAN - могут выполняться в полной мере, т.е. на этапе ввода в эксплуатацию, на этапе регламентных работ, на этапе эксплуатации при возникновении неисправности и после ее устранения. Внедрение аппаратуры «последней мили» (xDSL) не потребовало замены существующего кабельного хозяйства, однако потребовало верификации его параметров, проверки состояния кабеля в соответствии с новыми требованиями, предъявляемыми технологией xDSL. С точки зрения измерительной технологии наличие аппаратуры xDSL дополняет измерительную концепцию только в части приемосдаточных испытаний, когда проверяются параметры электрического кабеля и выбирается кабель для внедрения технологии xDSL. Это не означает отмены на данном кабеле регламентных и восстановительных измерений, просто последние проводятся в соответствии с практикой эксплуатации магистральною и абонентского кабелей.

Таким образом, с учетом заводских измерений электрического кабеля измерительная концепция включает в себя 14 групп измерений. Именно эта концепция и будет положена в основу описания технологии эксплуатационных измерений электрического кабеля.

Прежде, чем начать это описание, хотелось бы отметить определенную тенденцию, имеющую место в современном развитии технологии проводной связи - это широкомасштабное внедрение оптического кабеля и вытеснение им электрического кабеля. В настоящее время оптические кабели в первую очередь внедряются па магистральных линиях связи. Только в последние несколько лет в странах Европы, США и Японии прошла широкая реконструкция кабельных сетей, включающая абонентское кабельное хозяйство. При жилищном строительстве в этих странах оптический кабель прокладывается параллельно с подводом канализации и электрической сети. На уровне абонентского хозяйства началась замена электрического кабеля на оптический. На отечественных линиях прокладка оптического кабеля пока не выходит

за рамки магистральных сетей, где технология xDSL внедряется для создания цифровых систем передачи уровня Е1 и Е2 взамен морально устаревших аналоговых систем передачи. В технологии измерений происходит переориентация на задачи тестирования абонентских кабелей и параметров кабельных систем для внедрения

xDSL.

Это не значит, что измерения на магистральных электрических кабелях теряют свое значение, они остаются актуальными особенно для России. Однако переориентация особенно заметна при анализе зарубежного рынка измерительной техники, с которого постепенно уходят измерительные приборы для магистральных кабелей. Вместе с тем измерительная техника для анализа структурированных абонентских кабельных сетей переживает второе рождение и развивается в последнее время очень динамично.

В связи с обозначенной выше тенденцией в этой главе подробно будет рассмотрена только технология измерений магистральных электрических кабелей с использованием рефлектометров, практические аспекты которой широко не обсуждались в отечественной технической литературе.

Более подробно будут рассмотрены технологии измерений абонентских кабельных сетей, в том числе эксплуатационные измерения абонентских кабельных сетей, которые практически не освещены в отечественной технической прессе, а также специфические измерения, связанные с развитием технологии цифрового абонентского доступа (xDSL).

2.2. 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.

Прокладка магистрального электрического кабеля

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).

Эти приборы содержат генератор и анализатор спектра, синхронизированные друг с другом. Различают скалярные и векторные анализаторы цепей. Векторные анализаторы цепей обеспечивают анализ амплитуды и фазы принимаемого сигнала и могут использоваться для анализа не только АЧХ кабеля, но и комплексного импеданса и погонной емкости кабеля. При измерениях кабеля в бухтах анализируют:

•погонное сопротивление и импеданс кабеля;

•сопротивление изоляции;

•зависимость затухания в кабеле от частоты;

•параметры отражения сигнала (уровень возвратных потерь, коэффициент отражения и т.д.).

Анализ погонного сопротивления и импеданса кабеля, а также зависимости затухания в кабеле от частоты выполняется анализаторами цепей общего применения. Для анализа сопротивления изоляции используют специализированные приборы - анализаторы сопротивления изоляции, работающие по принципу анализаторов цепей, но с учетом специфики измерений: анализатор цепей подает в цепь изоляции высокое напряжение, затем измеряется ток утечки. Генератор должен быть в этом случае мощным, а анализатор -высокочувствительным.

Приемосдаточные и регламентные измерения магистральных кабелей

Эти две группы измерений наиболее полно освещены в отечественных стандартах, а также многочисленных справочниках по эксплуатации магистральных кабелей. Для каждого из типов используемых в отечественной практике магистральных кабелей в данных стандартах указан перечень измеряемых параметров, предельные нормы на них, а также рекомендованный график регламентных работ и их состав.

Обычно измерения кабелей на этапе пусконаладки включают:

•анализ затухания на составном кабеле, на его участках и в соединительных муфтах на частоте, равной половине от несущей (например, затухание в кабелях для системы пере дачи Е1 (2048 кбит/с) измеряется на частоте 1024 кГц и т.д.);

•измерение омического сопротивления кабеля;

•измерение переходного затухания;

•измерение емкости кабеля;

•измерение сопротивления изоляции;

•после подключения к системе передачи - измерение тока и напряжения от системы пе редачи;

•измерение шума;

•анализ влияния силовых кабелей.

Учитывая широкую известность перечисленных выше измерений не будем детально останавливаться на перечисленных тестах.

Обнаружение и устранение неисправностей

К наиболее часто встречающимся в процессе эксплуатации неисправностям можно отнести:

•обрыв кабеля целиком, отдельной пары или отдельной жилы;

•короткое замыкание;

•замокание 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.

Измерения, связанные с восстановлением кабеля

Эта группа измерений 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.

Последовательность обнаружения и определения повреждений в кабельных линиях

Определение мест повреждения кабельных линий обычно проводится в определенной последовательности.

Необходимая приборная обеспеченность зависит от вида обслуживаемых линий: силовые или связные, контроля и управления, а также от вида кабельной трассы: подземные, в коробах, в шахтах, в метро и т.д.

Например, для обслуживания силовых кабельных линий обязательным является наличие высоковольтных генераторов, прожигающих устройств, локационных и волновых дистанционных искателей повреждений, индукционных и акустических топографических искателей повреждений.

Для кабелей связи, управления и контроля использование методов пробоя и прожига, как правило, не допускается, поэтому применяют локационные и мостовые дистанционные искатели повреждений и индукционные трассовые искатели повреждений.

Характер повреждений в кабельных линиях

Все повреждения по характеру делятся на устойчивые и неустойчивые, простые и сложные.

Кустойчивым 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.

Кнеустойчивым повреждениям относятся утечки и продольные сопротивления с большими величинами сопротивлений, "заплывающие пробои" в силовых кабельных линиях, 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 как силовой кабельной линии, так и кабельной линии связи, контроля и управления.

Дистанционные и трассовые методы определения повреждений в кабельных линиях

Важная роль из всех операций принадлежит операции "Обнаружение 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.

Важная роль принадлежит трассовым методам, в частности индукционному методу.

Наибольшей эффективности обнаружения мест повреждения кабельных линий можно добиться совместным использованием приборов дистанционного определения мест повреждения и приборов трассового поиска мест повреждения. При 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.

Точно указать место повреждения на трассе по результатам замеров локационным прибором возможно при укладке кабеля в коробах или в метро - при наличии точной разметки трассы и по дополнительным признакам (наличию видимого обрыва, пережатию, нарушению защитного покрова или брони, следам от пробоя или выгорания участка кабеля, увлажнению и т.п.).

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 для случаев прокладки кабеля в труднодоступных местах.

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.

При решении задачи определения места повреждения подземной кабельной линии дистанционные методы измерения, и прежде всего импульсные методы, играют существенную роль за счет значительного сокращения времени обнаружения места повреждения. Так, например, в результате измерения расстояния до места повреждения рефлектометром можно указать зону повреждения, куда следует послать бригаду измерителей с трассовыми приборами поиска.

При решении задачи определения места повреждения открытой кабельной линии (в тоннелях метро и т.д.) 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.

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 методы измерения базируются на теории распространении импульсных сигналов вдоль линий. В простейшем случае линия представляет собой два проводника, изолированных друг от друга. Это может быть воздушная линия или кабельная линия. В кабельной линии в качестве проводника могут использоваться только жилы кабеля или жилы и оболочка (броня).

Импульсные сигналы распространяются в линии с очень большой скоростью, которая зависит от изоляции между проводниками. Так, например, в воздушных линиях, где изолятор - воздух, скорость распространения импульсных сигналов близка к скорости света. В кабелях с резиновой изоляцией скорость распространения импульсных сигналов ориентировочно в 3 раза меньше, чем скорость света.

Используемые при импульсных методах сигналы имеют очень малую длительность - от единиц наносекунд до десятков микросекунд (в зависимости от длины измеряемой линии). В связи с тем, что длительность этих импульсов значительно меньше времени прохождения их вдоль всей линии, то такие короткие импульсы при распространении по линии в каждый момент времени могут присутствовать только на коротком участке линии (располагаться локально).

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.

В зависимости от источника формирования посланного (зондирующего) импульса импульсные методы можно разделить на следующие: локационные (методы импульсной рефлектометрии), импульсно-дуговые (методы кратковременной дуги), методы колебательного разряда и методы частичных разрядов.

2.3. Общие методы обнаружения точек возникновения неисправностей в электрическом кабеле

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 (рис. 9.3), 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 лой 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 [39-46J.

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