Рефлектометри за кабелни линии

Рефлектометрията във времевата област (TDR) е доказан метод за откриване на дефекти в кабели, който има няколко вариации, включващи техниките на импулсно ехо и отразена електрическа дъга. Техниката на импулсното ехо се изпълнява с рефлектометър във времевата област, който представлява комбинация от предавател и приемник. Предавателят изпраща импулс с висока честота и ниско напрежение за кратко време по кабела. Този импулс от енергия се движи по продължение на кабела, докато не се сблъска с някакъв вид дефект, което се проявява в промяна на характерното пълно съпротивление. Тези несъответствия в импеданса на кабела могат да бъдат причинени от началото на кабела, снадки в кабела, трансформатори, повреди и т. н.

В зависимост от величината на изменението му, част от цялата или цялата подадена енергия се отразява и се връща обратно към рефлектометъра във времевата област. По същество тази техника създава електронна или графична пътна карта на подземния кабел, показваща различни събития по продължението му.

Изминалото време от подаването на импулса, движещ се по цялата дължина на кабела, и импулсните отражения, получени от отклоненията от хармоничната структура на кабела, се показват на екрана на уреда. Тези отражения след това се визуализират във времева последователност.

Първото събитие на графичния дисплей на рефлектометъра във времевата област е импулсът или началото на кабела, следван от първия импеданс на несъответствие, втория импеданс на несъответствие и т. н. Всичко се показва във формат на времевата област. По този начин рефлектометрите във времевата област позволяват да се погледне в даден кабел, визуализирайки различни кабелни ориентири като например свръзки, трансформатори, кабелни преходни зони, начало и край на кабела и др.

Освен това TDR предлага възможност за измерване на дължината на кабела и сравнително лесно намиране на повреди, които са разположени последователно по преносното трасе на кабела, като прекъснат или увреден проводник, корозия в начален или напреднал стадий, появила се върху концентрични нулеви фази, разделени снадки или запечатани краища на кабелите и др. В по-малка степен техниката на импулсното ехо може да се използва за локализиране на късо съединение по кабела или повреди в изолационния му материал, при условие че съпротивлението на изолационния дефект е на стойност, по-малка от 10 пъти характерния импеданс на изследвания кабел.

Намиране на разстоянието до повредата в кабела

Измерванията с рефлектометър във времевата област се извършват чрез отчитане на време. TDR всъщност измерва времето, което е необходимо за импулса, за да навлезе в кабела, след което започва да измерва изминалото време до момента, в който отраженията започват да се връщат обратно. TDR автоматично измерва общото количество време, което е нужно на импулса, за да достигне дефекта и да се върне, разделя го наполовина и след това го умножава по скоростта, с която се движи импулсът.

Много важна настройка на рефлектометъра за времевата област е скоростта на разпространение. Това е скоростта, с която високочестотните импулси се движат по даден кабел, и скоростта, с която тези движения на импулсите ще бъдат повлияни от вида на изолационния материал и геометрията на напречното сечение на кабела.

И все пак, даже и без да са известни в подробности характеристиките на даден кабел, например общата му дължина, както и особеностите на веригата, все още е възможно да се получат много точни резултати с рефлектометър във времевата област благодарение само на факта, че кабелът има два края. За да се открие прекъсване на кабела в този случай, е необходимо да се измери разстоянието до повредата от двата края с една и съща стойност на скоростта. Дори ако стойността на скоростта е погрешна, прекъсването ще бъде локализирано точно.

За да се определи местоположението на повредата на подземен кабел, разстоянието трябва първо да бъде измерено от единия край на кабела и след това да бъде отбелязано на земята. След това разстоянието до повредата трябва да се измери от другия край и да се маркира на земята. В резултат, ако е зададена твърде ниска скорост, разстоянието до повредата ще бъде занижено от двете страни, като истинското местоположение на дефекта ще бъде между двата маркера. Аналогично, ако скоростта е била прекалено висока, разстоянието до повредата ще бъде увеличено от двете страни, като истинското място на дефекта все още ще бъде между маркерите. Следователно, дори и с много малко информация за кабела и без познаване на правилната стойност на скоростта, могат да бъдат получени точни резултати просто чрез двупосочно измерване. Когато измерванията се правят на по-дълъг кабел, общата му дължина може да бъде разделена на по-малки секции.

Предимства и недостатъци на импулсното ехо

Силната страна на техниката за импулсно ехо е, че позволява сравнително лесно и бързо откриване на повреди. Всички резултати се показват на екрана на уреда, което означава, че няма нужда да се обхожда трасето на кабела за проследяване на повредата. Друго важно предимство е, че този подход използва безопасни импулси с ниско напрежение, което предотвратява натоварването в кабела и прави процеса безопасен за техническите лица. Рефлектометърът във времевата област може да се използва за изследване на разнообразие от кабели – ниско, средно или високо напрежение. Получените импулсни ехо сигнали могат да се използват за диагностични стойности. Например, за да се изследват снадките в рамките на трифазна верига, е възможно да се уловят всичките три фази, да се насложат заедно и да се разгледат някои от проблемите, които след като са възникнали в една фаза, могат да се проявят и в друга.

Един от недостатъците на техниката за импулсно ехо е, че следите, които са резултат от сложността на веригата, могат да бъдат трудни за интерпретиране. Например, когато се насложат отраженията от схема с няколко “T” или “Y” свързвания, може се получи много сложна форма на вълната. Това означава, че може да бъде много трудно да се разбере значението на всички тези отражения. Препоръчителната практика в тази ситуация е да се използва диференциално импулсно ехо: снема се базисно изображение на добра кабелна фаза, след което се снема изображението на увредената фаза. Изображенията ще са еднакви за всичко общо, във всички области, в които се споделят общи “T” и “Y” връзки, преходи и т. н. След като данните от общите точки на тези две вълнови форми се премахнат, ще останат точките, в които са разликите или потенциалната повреда в лошата фаза.

Друг проблем е, че е невъзможно да се установи само с техника за импулсно ехо диелектричен или изолационен дефект, когато стойността на съпротивлението е 10 пъти или по-голяма от характерния импеданс на изследвания кабел. В този случай е препоръчително използването на техниката с отразена електрическа дъга.

Отразена електрическа дъга

Методът на отразената електрическа дъга комбинира генератор на високо напрежение и техниката на импулсно ехо с цел локализиране на високосъпротивителни шунтови повреди и неизправности с непостоянен характер. Въпреки че техниката на импулсно ехо е много добър инструмент за кабели ниско напрежение, възниква проблем, когато този метод се прилага за електрически кабели средно напрежение.

За да бъдат открити дендритни дефекти, които по същество предизвикват нарушения на изолацията, обикновено се изисква напрежение на пробив. Уредът за импулсно ехо по принцип използва много ниско напрежение. Така че, ако повредата изисква някакво ниво на напрежение на пробив, нисконапреженовата енергия на импулсното ехо ще премине покрай дефекта без да го засече. Тоест, рефлектометрията във времевата област просто ще покаже отражението на енергията от края на кабелната линия.

И все пак, ако се приложи напрежение на пробив едновременно с изпращането на импулсите за получаване на ехо, когато повредата се прояви поради високото напрежение и електрическата дъга прескочи през дефектната изолация, вълната на импулсното ехо ще отрази тази дъга.

При прилагане на метода на отразената дъга във веригата се използва куплиращо устройство, което позволява едновременно към повредения кабел да се приложат генераторът на високо напрежение и рефлектометърът във времевата област с ниско напрежение. Функцията на генератора е просто да подаде високонапреженов импулс в дефектния кабел. Този импулс редуцира за кратко време съпротивлението в зоната на повредата. По време на преминаването на високонапреженовия импулс се прилага и техниката за импулсно ехо.

С други думи, моментното редуциране на шунтовото съпротивление, получено от импулса с високо напрежение, или дъгата, появила се при дефекта, ще създаде точка на отражение за нисковолтовия импулс от рефлектометъра във времевата област и ще помогне да се идентифицира повредата.

Предимства и недостатъци на метода с отразена дъга

Силната страна на техниката е, че помага да се локализира всяка повреда, която ще поддържа електрическа дъга по време на високонапреженовия импулс. Въпреки че се използва генератор на високо напрежение, този метод значително намалява натоварването, с което традиционно се свързва той, тъй като са необходими само един или два импулса на пренапрежение в кабела, за да може да се локализира повредата и да се визуализира изображението. Така че степента на натоварване на кабела е значително намалена чрез редуциране на броя на импулсите, които ще са необходими, за да се локализира дефектът, а изходното напрежение се регулира от филтър.

Един недостатък на този метод е, че дългите кабели с много силно отслабени изолации или силно корозирали нулеви проводници могат много бързо да абсорбират отразените импулси при прилагането на техниката за импулсно ехо. Така ако рефлектометърът няма достатъчно подадена импулсна енергия за преодоляване на тези много дълги и корозирали кабели, то налице ще е отслабване на сигнала, поради което може да не е възможно да се определи краят на кабела или действителното място на повредата. Също така ако веригата е сложна с много разклонения и следователно много отражения, вълновата форма може да бъде трудна за тълкуване. В този случай може да се приложи диференциална техника, наречена метод на диференциалната отразена дъга.

Първата стъпка е да се получи ехо от стандартно нисковолтово напрежение и да се снеме изображението. След това към кабела се прилага високонапреженовият импулс, поражда се електрическа дъга или повърхностен пробив и рефлектометърът във времевата област предоставя нова форма на вълната, показваща отражението от дъгата.

Тъй като резултатът включва две вълнови форми, които всъщност са просто натрупване на точки от данни, компютърът или анализаторът ще отстрани всичко общо, премахвайки нежеланите отражения. Това ясно ще покаже местата с разлики, където е възникнала електрическата дъга, позволявайки много бързо да се визуализира и измери разстоянието до точката на отражението й.