Аппаратура и методы поиска дефектов кабельных сетей

Введение

Жизнь человека в настоящее время невозможно представить без структурированных кабельных систем (СКС). Они окружают нас повсюду: дома, на работе, на улице и т.д.

СКС представляет собой иерархическую кабельную систему смонтированную в здании или в группе зданий, которая состоит из структурных подсистем. Её оборудование состоит из набора медных и оптических кабелей, кросс-панелей, соединительных шнуров, кабельных разъёмов, модульных гнезд, информационных розеток, а также из вспомогательного оборудования. Все элементы СКС интегрируются в единый комплекс (систему) и эксплуатируются согласно определённым правилам.

Термин «структурированная» означает, с одной стороны, способность системы поддерживать различные телекоммуникационные приложения (передачу речи, данных и видеоизображений), с другой — возможность применения различных компонентов и продукции различных производителей, и с третьей — способность к реализации так называемой мультимедийной среды, в которой используются несколько типов передающих сред — коаксиальный кабель, UTP, STP и оптическое волокно. Структуру кабельной системы определяет инфраструктура информационных технологий, IT (Information Technology), именно она диктует содержание конкретного проекта кабельной системы в соответствии с требованиями конечного пользователя, независимо от активного оборудования, которое может применяться впоследствии.

Цель моей выпускной квалификационной работы заключатся в исследовании методов поиска дефектов кабельных линий и разработке схемы электрической принципиальной прибора для определения расстояния до обрыва кабельной линии.

Объектом исследования выпускной квалификационной работы является аппаратура и методы поиска дефектов кабельных сетей.

Предметом исследования данной работы – нахождение повреждений в кабельных сетях используя различные методы и аппаратуру для этого.

В соответствии с поставленной целью необходимо выполнить следующие задачи:

• анализ методов поиска и обнаружения неисправностей СКС;
• анализ схем устройств для обнаружения неисправностей;
• разработка схемы электрической принципиальной прибора для обнаружения неисправностей кабельных линий;
• создание виртуальной модели прибора для обнаружения неисправностей кабельных линий;
• виртуальное тестирование созданной модели.

 Дипломная работа состоит  из введения, двух глав, заключения и списка используемой литературы.

В первой главе рассматриваются различные виды повреждений кабельных линий, характеристика методов их обнаружения.

Во второй главе разобрана разработка прибора для нахождения повреждений в кабельных сетях, а так же подробно разобраны методы измерения емкости и методы измерения индуктивности. Так же описана принципиальная схема цифрового измерителя емкости.

 В заключении сделаны  выводы по работе в целом.

Список используемой литературы содержит источники:

• научную литературу;
• ссылки на веб-ресурсы.

В приложении представлены таблицы с результатами измерения емкостей кабелей в аудитории №419 главного корпуса БГУ им. Петровского. К работе прилагается CD-диск с материалами: текст диплома, презентация, доклад к защите и файл виртуальной модели прибора. 

Глава I. Методы диагностики повреждения кабельных линий

 

1. Повреждения кабельных линий, методы их обнаружения

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

К устойчивым 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.

К неустойчивым повреждениям относятся утечки и продольные сопротивления с большими величинами сопротивлений, 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[10].

 

 

 

 Дистанционные  и трассовые методы определения  повреждений в кабельных линиях

Важная роль из всех операций принадлежит операции обнаружения 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[9].

Наибольшей эффективности обнаружения мест повреждения кабельных линий можно добиться совместным использованием приборов дистанционного определения мест повреждения и приборов трассового поиска мест повреждения. Для 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[9].

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 в трудно доступных местах[10].

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[15].

При решении задачи определения места повреждения открытой кабельной линии 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[10].

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 сигналы распространяются в линии с очень большой скоростью, которая зависит от изоляции между проводниками. В кабелях с резиновой изоляцией скорость распространения импульсных сигналов ориентировочно в 3 раза меньше, чем скорость света[9].

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.

 

1.1. Дистанционные методы

Дистанционные методы позволяют определить длину кабельной линии, расстояние до зоны расположения места повреждения кабельной или воздушной линии.

Существуют различные дистанционные методы, однако наиболее популярными являются метод импульсной рефлектомии и ёмкостный методы.

Метод импульсной рефлектомии позволяет определить расстояние до повреждения с помощью импульсных сигналов, а ёмкостный метод определяет расстояние с помощью измерения ёмкости кабеля[10].

 

Метод импульсной рефлектометрии

Метод импульсной рефлектометрии, называемый также методом отраженных импульсов или локационным методом, базируется на распространении импульсных сигналов в двух и многопроводных системах (линиях и кабелях) связи.

Приборы, реализующие указанный метод, называются импульсными рефлектометрами.

Сущность метода импульсной рефлектометрии заключается в выполнении следующих операций:

• зондировании кабеля (двухпроводной линии) импульсами напряжения;
• приеме импульсов, отраженных от места повреждения и неоднородностей волнового сопротивления;
• выделении отражений от места повреждений на фоне помех (случайных и отражений от неоднородностей линий);
• определении расстояния до повреждения по временной задержке отраженного импульса относительно зондирующего[10].

Рис. 1. Упрощенная структурная схема импульсного рефлектометра

С генератора импульсов зондирующие импульсы подаются в линию. Отраженные импульсы поступают с линии в приемник, в котором производятся необходимые преобразования над ними. С выхода приемника преобразованные сигналы поступают на графический индикатор.

Все блоки импульсного рефлектометра функционируют по сигналам блока управления.

На графическом индикаторе рефлектометра воспроизводится рефлектограмма линии – реакция линии на зондирующий импульс.

Образование рефлектограммы линии легко проследить по диаграмме, приведенной на рисунке ниже. Здесь осью ординат является ось расстояния, а осью абсцисс – ось времени.

В левой части рисунка показана кабельная линия с муфтой и коротким замыканием, а в нижней части – рефлектограмма этой кабельной линии.

Анализируя рефлектограмму линии, оператор получает информацию о наличии или отсутствии в ней повреждений и неоднородностей.

Рис. 2. Рефлектограмма

Например, по приведенной выше рефлектограмме можно сделать несколько выводов[10].

1. На рефлектограмме кроме  зондирующего импульса есть только  два отражения: отражение от муфты  и отражение от короткого замыкания. Это свидетельствует о хорошей  однородности линии от начала  до муфты и от муфты до  короткого замыкания.

2. Выходное сопротивление  рефлектометра согласовано с  волновым сопротивлением линии, так как переотраженные сигналы, которые при отсутствии согласования  располагаются на двойном расстоянии, отсутствуют.

3. Повреждение имеет вид  короткого замыкания, так как  отраженный от него сигнал  изменил полярность.

4. Короткое замыкание  полное, так как после отражения  от него других отражений нет.

5. Линия имеет большое  затухание, так как амплитуда  отражения от короткого замыкания  много меньше, чем амплитуда зондирующего  сигнала.

Если выходное сопротивление рефлектометра не согласовано с волновым сопротивлением линии, то в моменты времени 2∙tм, 4∙tм и т.д. будут наблюдаться переотраженные сигналы от муфты, убывающие по амплитуде, а в моменты времени 2∙tх, 4∙tх и т.д. – переотражения от места короткого замыкания[9].

Основную сложность и трудоемкость при методе отраженных импульсов представляет выделение отражения от места повреждения на фоне помех.

Метод импульсной рефлектометрии базируется на физическом свойстве бесконечно длинной однородной линии, согласно которому отношение между напряжением и током введенной в линию электромагнитной волны одинаково в любой точке линии. Это соотношение: