8 800 775 87 54 (звонок бесплатный по России)
Методика «Поиск повреждений кабелей» бесплатно

Рефлектометрия: как это работает?

Пожалуй, можно констатировать, что импульсный, он же рефлектометрический или локационный, метод определения расстояния до места повреждения электрических силовых кабелей сегодня самый востребованный. Метод легко реализуем, не требует дорогого и громоздкого оборудования, предоставляет большие возможности, обладает отличной точностью и достоверностью. Ограничения, накладываемые некоторыми свойствами исследуемых повреждений, сейчас успешно преодолеваются с помощью дополнительного специализированного оборудования, расширяющего возможности метода.

Широкое применение метода требует и соответствующего освещения – информирования реальных и потенциальных пользователей о его возможностях и особенностях. Нельзя пожаловаться на отсутствие публикаций, посвященных импульсному методу, но короткие, как правило, поверхностны, а объемные и содержательные – нередко требуют достаточно глубоких специальных знаний для понимания излагаемых вопросов.

Такая ситуация мотивировала нас написать краткое, доступное по изложению и в то же время содержательное пособие по основам метода. Без избыточного углубления в физические и теоретические аспекты, с простым и достаточно подробным изложением ключевых моментов, обеспечивающих его успешное практическое применение. Цель – предоставить начинающим пользователям необходимую и полезную в реальной практике информацию. Область применения по предлагаемой теме – силовые электрические кабели.

Принцип действия

Термин «рефлектометрия» содержит в себе суть метода. Он происходит от латинского reflecto - отражаю и греческого metreo - измеряю. Рефлектометрия – это измеряется отражение, то есть, что отражается и как измеряется. Это и будет предметом нашего рассмотрения.

Существует три условия:

  1. Если генератор одиночных электрических импульсов подключен к одному из концов двухпроводной или коаксиальной электрической линии, импульсы от генератора будут распространяться вдоль электрической линии.
  2. Если физические свойства линии постоянны на всем ее протяжении, импульс будет распространяться вдоль линии в одном направлении. Такую линию можно считать физически однородной.
  3. Если в каких-то точках линии имеют место отклонения физических свойств (т.е. присутствуют неоднородности), часть энергии (а в некоторых случаях – вся энергия) импульса будет отражаться от них и распространяться вдоль линии в обратном направлении.

Последнее – необходимое условие, позволяющее, при наличии специального оборудования и программного обеспечения, выявлять и анализировать неоднородности линии. Цель этого анализа – определение физических проявлений неоднородности, ее параметров и расстояния до нее. Возникающие в процессе эксплуатации локальные дефекты и повреждения кабельной линии, неизбежно ведут к появлению неоднородностей. Такие неоднородности, фактические дефекты, являются объектом поиска и анализа для последующего их устранения. Для решения задач отыскания и идентификации дефектов кабельных линий и предназначен рефлектометр.

Функционально рефлектометр, – это аппаратно-программный комплекс, обеспечивающий выполнение перечисленных выше задач. Главной из них практической задачей является определение расстояния до неоднородности – дефекта или повреждения – для последующего поиска места повреждения на местности и проведения работ по его устранению.

Рефлектометр, как электронный прибор, – это приемопередатчик, с помощью которого можно отправлять в электрическую линию одиночные зондирующие электрические импульсы и принимать импульсы, отраженные от имеющихся в ней неоднородностей. Принцип действия такой же, как и у всем известного радиолокатора. Разница в том, что радиоимпульсы локатора распространяются в пространстве прямолинейно, в определенном направлении, благодаря направленным свойствам излучателя (антенны), а электрические импульсы рефлектометра распространяются вдоль электрического кабеля, как по направляющей, независимо от его криволинейности. У локатора импульсы, отраженные от препятствия, так же прямолинейно возвращаются обратно. К рефлектометру, подключенному к кабелю, импульсы возвращаются, повторяя траекторию коммуникации, по которой он распространяется. Таким образом, сначала зондирующий, а затем отраженный от неоднородности импульсы «пробегают» линию по всей длине независимо от ее конфигурации. Скорость распространения электрического импульса вдоль линии постоянна и сравнима со скоростью света (300 000 км/с). Школьная задача. Если можно каким-либо способом измерить время распространения импульса между двумя точками, то, зная скорость, легко посчитать расстояние между этими точками. При этом надо учесть, что фактически зондирующий, а затем отраженный импульсы проходят двойное расстояние («туда и обратно»), соответственно, затрачивая на это в два раза больше времени. Умножив скорость распространения импульса на половину времени прохождения «туда и обратно» получим расстояние от начала кабеля до неоднородности (дефекта). Упрощенная функциональная схема рефлектометра изображена на Рис.1

Cхема рефлектометра
Рис. 1. Упрощенная функциональная схема рефлектометра

Пд – Передающий тракт. Пд осуществляет генерирование и передачу в исследуемую линию одиночных зондирующих импульсов с заданными параметрами.
Пм – приемный тракт. Пм осуществляет усиление и формирование принятых отраженных сигналов.
УО – устройство обработки. УО осуществляет общее управление работой рефлектометра, преобразование, запоминание и отображение информации.
СУ – согласующее устройство. СУ осуществляет согласование Пд и Пм с объектом исследования.

Отображение импульсов
Рис. 2.

В состав УО входит дисплей, на котором графически отображаются зондирующий (переданный Пд) и отраженные (принятые Пм) импульсы (Рис. 2). Горизонтальная ось графика отградуирована непосредственно в единицах длины, и оператор видит расстояние между зондирующим и отраженным импульсами, т. е. расстояние до дефекта. По вертикальной оси графика отсчитывается амплитуда импульсов. График, отображающий все приходящие на вход рефлектометра сигналы, называется рефлектограммой. На Рис. 2 импульс отраженный на расстоянии 217 м – неоднородность (дефект) линии. Импульс на расстоянии 362 м отражен от ненагруженного конца линии. Характер рефлектограммы зависит как от физических свойств линии, так и от вида и параметров дефектов (неоднородностей).

Кроме графической информации, на дисплей выводится необходимая для работы текстовая и цифровая информация о режимах и параметрах. Эта информация может получаться при обработке параметров сигналов посредством УО рефлектометра, устанавливаться оператором или вводиться из памяти прибора.

Основные параметры рефлектометра, определяющие его функциональность

  1. Максимальная дальность. Затухание распространяющегося вдоль линии сигнала тем больше, чем больше длина линии. Расстояние, на котором еще возможно выделить на дисплее рефлектометра на фоне шумов и сигналов помехи сигнал, отраженный от искомого дефекта, определяет максимальную дальность действия рефлектометра. Максимальная дальность в общем случае – достаточно условный параметр, поскольку затухание сигнала в линии зависит от ее диэлектрических свойств и конструктивных характеристик. Это означает, что параметр «максимальная дальность» будет различным для конкретного рефлектометра, например, на кабелях различного типа.
  2. Минимальное измеряемое расстояние определяется минимальной длительностью зондирующего импульса.
  3. Перекрываемое затухание (ПЗ). Параметр, обобщенно характеризующий приемо-передающую часть рефлектометра. Измеряется в децибелах. Устанавливает предельное затухание распространяющегося сигнала (зондирующего и отраженного), при котором на дисплее уверенно различается принятый сигнал, т.е. уровень полезного сигнала в 2 раза превышает уровень собственных шумов приемного тракта. Чем больше значение ПЗ, тем больше возможности прибора для работы на длинных линиях и линиях с большим затуханием. Параметр ПЗ связан с максимальной дальностью, но является более объективной характеристикой, определяющей возможности работы рефлектометра на длинных линиях, не зависящей от свойств исследуемой линии.
  4. Разрешающая способность – это способность различать (наблюдать раздельно) близко расположенные повреждения. Определяется двумя параметрами рефлектометра – минимальной длительностью зондирующего импульса и частотой дискретизации приемного тракта. Чем меньше длительность импульса и больше частота дискретизации, тем лучше разрешающая способность. Разрешающая способность – функция от расстояния до места повреждения. Чем дальше от начала линии, тем она хуже. Это связано с «расплыванием» формы сигнала по мере удаления от источника сигнала.
    Некоторые производители рефлектометров определяют разрешающую способность как минимальное значение расстояния, которое можно наблюдать на дисплее при максимальной растяжке изображения. Такой подход принципиально не верен.
  5. Частота дискретизации. Параметр, определяющий разрешающую способность приемного тракта рефлектометра. С этой частотой принимаемый аналоговый сигнал «дробится» на временны́е интервалы (дискреты), чтобы представить принимаемый сигнал в цифровой форме для последующей обработки и сохранения в памяти. Уровень сигнала внутри каждого интервала фиксирован. Непрерывно меняющийся аналоговый сигнал превращается в ступенчато меняющийся. Такая дискретизация сигнала позволяет представлять его в табличном виде, где каждому моменту времени соответствует фиксированная величина сигнала. Понятно, что чем больше частота дискретизации, тем меньше длительность одного дискрета и с тем большей точностью оцифрованный, ступенчатый сигнал будет воспроизводить аналоговый, т.е. тем больше разрешающая способность. Например, при частоте 1 ГГц разрешающая способность 0,1 м, а при частоте 200 МГц – 0,5 м.
    Имея в электронной памяти оцифрованный сигнал, можно в дальнейшем производить с ним различные действия: складывать, вычитать, проводить статистическую обработку и т.д. Это предоставляет большие возможности для анализа структуры исследуемой линии.
  6. Длительность зондирующего импульса. Минимальная длительность определяет разрешающую способность и минимальное измеряемое расстояние. Максимальная длительность зондирующего импульса – один из факторов, определяющих максимальную дальность обнаружения неоднородности.
  7. Амплитуда зондирующего импульса. Прямо определяет максимальную дальность действия рефлектометра поскольку амплитуда отраженного сигнала при прочих неизменных условиях пропорциональна амплитуде зондирующего импульса.
  8. Диапазон выходных сопротивлений рефлектометра определяет возможности согласования рефлектометра с исследуемой линией – необходимое условие, обеспечивающее достоверность получаемых данных.
  9. Инструментальная погрешность измерения расстояния. Типовое значение: (0,2...0,4)%. Погрешность измерения, определяемая только внутренними техническими характеристиками рефлектометра. Практическая погрешность измерения в большей степени определяется свойствами исследуемой линии (точностью коэффициента укорочения, топологией прокладки и др.), многократно снижающими практическую погрешность измерения относительно инструментальной.

Характеристики электрической линии

Ключевой параметр, характеризующий электрическую линию при прохождении по ней переменного или импульсного электрического сигнала – волновое сопротивление W. Оно определяется как отношение напряжения в любой точке линии к току в этой точке. Однородная электрическая линия имеет одинаковую величину W в любой ее точке. Неизменность W вдоль линии может служить мерой однородности линии. Это значение W можно назвать характеристическим волновым сопротивлением. Величина характеристического W определяется только конструкцией, геометрией и электрическими свойствами материалов составляющих линию. Наличие неоднородности в какой-либо точке линии влечет изменение волнового сопротивления в этой точке. Чем больше значение волнового сопротивления в месте нахождения неоднородности отличается от характеристического W, тем больше энергии отражается от нее и, соответственно, тем больше амплитуда отраженного от неоднородности сигнала.

Для практического применения, связанного с поиском дефектов в электрических кабелях, все дефекты и связанное с их наличием изменение волнового сопротивления можно разделить на три группы:

  1. утечки по изоляции – наиболее часто встречаются на практике. Они эквивалентны включению в определенной точке кабеля шунтирующего сопротивления Rш . Диапазон возможных сопротивлений – от короткого замыкания до десятков мегом (МОм).
  2. увеличение продольного (последовательного) сопротивления кабеля – Rп. В основном встречается в виде своего предельного проявления – обрыва кабеля, когда продольное сопротивление равно бесконечности.
  3. неоднородности, возникающие из-за изменения геометрии кабеля – растяжки, увеличение расстояния между жилами и т.п.. Как правило, эта группа носит комбинированный характер, поскольку изменение геометрии сопровождается появлением продольного и шунтирующего сопротивлений и изменением диэлектрических свойств. Типичным примером таких неоднородностей служат монтажные или ремонтные муфты.

Для оценки «отражательной способности» дефектов линии используется коэффициент отражения, который определяется как отношение амплитуды отраженного сигнала к амплитуде зондирующего:

Котр = Uотр/U,

(1)

где Котр – коэффициент отражения;
Uотр – амплитуда отраженного импульса;
U – амплитуда зондирующего импульса;

Значение коэффициента отражения связано с характеристическим волновым сопротивлением линии и значениями внесенных сопротивлений в месте повреждения следующими соотношениями:

(2)
Котр = −W/(W+2Rш), для повреждений вида «утечка»

(3)
КОТР = 1/(1 + 2W/Rп), для повреждений вида «последовательное сопротивление»

где W – волновое сопротивление линии;
Rш – сопротивление утечки;
Rп – продольное (последовательное) сопротивление в линии.

Появление продольного сопротивления в месте повреждения увеличивает волновое сопротивление в этой точке. Появление утечки (шунтирующего сопротивления) в месте повреждения уменьшает волновое сопротивление в этой точке.

Знак «минус» в выражении (2) – означает, что полярность отраженного сигнала для утечек противоположна полярности зондирующего.

Зависимость Котр от величины Rш и Rп для линий с различными значениями W представлены на графиках Рис. 3.

Графики
Рис. 3.

На Рис. 3 приведены по три графика, для линий с W – 20, 50 и 100 Ом для утечек и последовательных сопротивлений. Можно отметить, что для силовых электрических кабелей значение W не превышает 50 Ом.

Анализ приведенных графиков позволяет оценить реальную возможность использования импульсного метода в зависимости от величины сопротивления утечки или продольного сопротивления в месте повреждения.

Из графика видно, что при стремлении сопротивления утечки Rш к бесконечности Котр стремится к нулю и уже при сопротивлениях утечки измеряющихся килоомами отраженный сигнал может быть настолько мал, что будет теряться на фоне помех. Тоже самое будет происходить и в случае, когда последовательное сопротивление меньше десятков Ом. Хотя такие рассуждения несколько условны, поскольку для увеличения уровня отраженного сигнала достаточно увеличить амплитуду зондирующего импульса или его длительность. Этого может оказаться достаточно для выделения полезного сигнала на фоне помех. Тем не менее ориентировочно можно принять в качестве рабочего для импульсного метода диапазон сопротивлений утечки от короткого замыкания до сотен Ом и продольных сопротивлений от десятков Ом до бесконечности (обрыв). Для рефлектометров, отличающихся по техническим характеристикам, эти пределы могут смещаться в большую или меньшую сторону.

Использование импульсного метода для очень больших сопротивлений утечки и слишком малых значений продольных сопротивлений может быть возможным только с применением специальных методов обработки результатов (сигналов) или специального оборудования.

Максимальные значения Котр принимает при Rш = 0 (короткое замыкание) и Rп = ∞ (обрыв линии). Теоретически, при отсутствии потерь в линии максимальный Котр = 1. На практике амплитуда отраженного импульса всегда меньше амплитуды зондирующего.

Соотношение амплитуды отраженного и зондирующего импульсов определяется несколькими факторами:

Электрические характеристики, влияющие на затухание распространяющихся зондирующего и отраженного сигналов, – это погонная электрическая емкость и сопротивление линии, диэлектрические свойства изоляции.

Искажается и форма импульса – он «расплывается» за счет влияния электрической емкости кабеля – чем длиннее кабель, тем больше его емкость и искажение формы отраженного импульса.

Из этих же графиков видно, что КОТР также зависит и от W линии. Для дефектов вида утечек линия с меньшим W при прочих равных условиях будет иметь и меньший КОТР. Напротив, для дефектов вида «последовательное сопротивление» КОТР будет больше для меньших W. Например, при утечке с сопротивлением 100 Ом на линии с W = 50 Ом КОТР = -0,2, а на линии с W = 20 Ом КОТР = -0,09. Разница более, чем двукратная. Напротив, при последовательном сопротивлении 10 Ом на линии с W = 50 Ом КОТР = 0,09, а на линии с W = 20 Ом КОТР = 0,2. Знание этих обстоятельств может иметь определенное значение для успешности реализации рефлектометрического метода.

Амплитуда отраженного сигнала тем больше, чем меньше сопротивление утечки Rш и, соответственно, волновое сопротивление Wd в месте дефекта. Рефлектограмма для неоднородностей с волновым сопротивлением дефекта Wd меньше характеристического W линии изображена на Рис. 4. Здесь отраженный импульс отрицательной полярности на расстоянии 217 м – дефект. Отраженный импульс, однополярный с зондирующим, на расстоянии 362 м – конец не нагруженной кабельной линии.

Рефлектограмма
Рис. 4.

Для дефектов вида «продольное сопротивление» полярность отраженного импульса такая же, как и у зондирующего, а амплитуда отраженного импульса возрастает с увеличением Rп и, соответственно, Wd – Рис. 2.

Третья группа повреждений, как уже упоминалось, носит комбинированный характер. Соответственно, изменяется и волновое сопротивление и форма отраженного сигнала, что наглядно демонстрируется рефлектограммой Рис. 5.

Рефлектограмма
Рис. 5.
Статья подготовлена специалистами отдела инноваций © ООО «АНГСТРЕМ»

Другие статьи блога

2
Общая информация. Классификация повреждений кабеля.
В современных условиях непрерывно возрастают требования к надежности и бесперебойности электроснабжения и связи на предприятиях, образовательных учреждениях, жилищных массивах, всех видов транспорта, строительных площадках, шахтах и других объектов народного хозяйства.
#поиск мест повреждений
3
Способы подключения индукционного генератора к кабельной линии в зависимости от проводимых работ
В зависимости от решаемых задач и используемых частот могут применяться различные варианты подключения и коммутации кабеля. В статье указаны варианты подключения генератора как для одножильного, так и для многожильного кабеля.
#поиск мест повреждений