Измерения электрических параметров кабельных линий связи

Измерения электрических параметров кабельных линий связи

1. Измерения электрических параметров кабельных линий связи

1.1 Общие положения

Электрические свойства кабельных линий связи характеризуются параметрами передачи и параметрами влияния.

Параметры передачи оценивают процессы распространения электромагнитной энергии вдоль кабельной цепи. Параметры влияния характеризуют явления перехода энергии с одной цепи на другую и степень защищенности от взаимных и внешних помех.

К параметрам передачи относятся первичные параметры:

R — сопротивление,

L — индуктивность, С — ёмкость,

G — проводимость изоляции и вторичные параметры,

Z — волновое сопротивление,

— коэффициент затухания, в — коэффициент фазы.

К параметрам влияния относятся первичные параметры;

К — электрическая связь, М — магнитная связь и вторичные параметры, Во-переходное затухание на ближнем конце,

B? — переходное затухание на дальним конце.

В области низких частот качество и дальность связи определяются в основном параметрами передачи, а при высокочастотном использовании цепей важнейшими характеристиками являются параметры влияния.

При эксплуатации кабельных линий связи проводятся измерения их электрических параметров, которые делятся на профилактические, контрольные и аварийные. Профилактические измерения осуществляются через определенные промежутки времени для оценки состояния линий связи и приведение их параметров к нормам. Контрольные измерения проводят после технического обслуживания и других видов работ для оценки качества их выполнения. Аварийные измерения осуществляются в целях определения характера и места повреждения линии связи.

1.2 Измерение сопротивления цепи

Различают сопротивление цепи (Rц) постоянному току и сопротивление цепи переменному току. Сопротивление 1 км провода постоянному току зависит от материала провода (удельного сопротивления — p), диаметра провода и температуры. Сопротивление любого провода при увеличение температуры увеличивается, а при увеличении диаметра уменьшается.

Для любой температуры сопротивление от 20 °C, сопротивление может быть подсчитано по формуле:

Rt =Rt=20 1+а (t -20) Ом/км,

где Rt — сопротивление при данной температуре,

a — температурный коэффициент сопротивления.

Для двух проводных цепей полученную величину сопротивления необходимо умножить на два.

Сопротивление 1 км провода переменному току зависит, кроме указанных факторов, еще и от частоты тока. Сопротивление переменному току всегда больше, чем постоянному, вследствие поверхностного эффекта.

Зависимость сопротивления провода переменному току от частоты определяется формулой:

R=K1 Rt Ом/км,

где K1 — коэффициент, учитывающий частоту тока (с увеличением частоты тока K1 увеличивается) Сопротивление цепи кабеля и отдельных проводов измеряется на смонтированных усилительных участках. Для измерения сопротивления используется схема моста постоянного тока с постоянным отношением балансных плеч. Данную схему обеспечивают измерительные приборы ПКП-3М, ПКП-4М, П-324. Схемы измерения с использованием указанных приборов изображены на рис. 1 и рис. 2.

мА Рис. 1. Схема измерения сопротивления цепи прибором ПКП ИП Рис. 2. Схема измерения сопротивления цепи прибором П-324

Измеренное сопротивление пересчитывается на 1 км цепи и сравнивается с нормами на данный кабель. Нормы сопротивлений на некоторые типы легких и симметричных кабелей приведены в табл. 1.

Таблица 1

Сопротивление постоянному току d равно, а активное сопротивление легких полевых кабелей связи (П-274, П-274М, П-275) не зависят от способов прокладки линий и условий погоды («сухо», «сыро») и имеет лишь температурную зависимость, возрастая с увеличением температуры окружающей среды (воздуха, почвы и т. д.).

Если в результате сравнения измеренное значение сопротивления больше нормы, то это может означать наличие плохого контакта в сростках кабеля или в соединительных полумуфтах.

1.3 Измерение ёмкости

Емкость (Сх) является одним из важнейших первичных параметров передачи цепей кабельных линий связи. По ее величине можно судить о состоянии кабеля, определять характер и место его повреждения.

По фактической природе ёмкость кабеля аналогична ёмкости конденсатора, где роль обкладок выполняют поверхности проводов, а диэлектриком служит расположенный между ними изоляционный материал (бумага, стирофлекс и т. д.).

Ёмкость цепей кабельных линий связи зависит от длины линии связи, конструкции кабеля, изоляционных материалов, типа скрутки.

На величину ёмкости цепей симметричных кабелей оказывают влияние соседние жилы, оболочки кабеля, так как все они находятся в непосредственной близости друг от друга.

Измерения ёмкости кабеля производят измерительными приборами типа ПКП-3М, ПКП-4М, П-324. При измерении прибора ПКП используется баллистический метод измерения, а прибор П-324 измеряет по схеме моста переменного тока с переменным отношением балансных плеч.

На кабельных линиях связи могут производиться:

измерения ёмкости пары жил;

измерения ёмкости жилы (относительно земли).

1.3.1 Измерение ёмкости пары жил прибором П-324

Измерение ёмкости пары жил производится по схеме, приведенной на рис. 3.

L ИП Рис. 3. Схема измерения ёмкости пары жил Одно из балансных плеч представляет собой набор резисторов nR, втрое — магазин сопротивлений — Rмс. Два других плеча — эталонная ёмкость Со и измеряемая Сх.

Для обеспечения равенства углов потерь плеч и используются потенциометры БАЛАНС Сх ГРУБО и БАЛАНС Сх ПЛАВНО. Баланс моста обеспечивается с помощью магазина сопротивлений Rмс. При равенстве углов потерь плеч и баланса моста справедливо следующее равенство:

Поскольку Со и R постоянны для данной схемы измерения, то измеряемая ёмкость обратно пропорциональна сопротивлению магазина. Поэтому магазин сопротивлений градуируется непосредственно в единицах ёмкости (нФ), а результат измерения определяется из выражения:

Сх = n Смс.

1.3.2 Измерение ёмкости жилы относительно земли

Измерение ёмкости жилы относительно земли проводится по схеме рис. 4.

L ИП Рис. 4. Схема измерения ёмкости жилы относительно земли Нормы среднего значения рабочей ёмкости пары жил для некоторых типов кабельных линий связи приведены в табл. 2.

Таблица 2

Примечание:

1. Ёмкость легких полевых кабелей связи в зависимости от способа прокладки, состояния погоды, а также температуры окружающей среды колеблется. Наибольшее влияние оказывает увлажнение или покрытие кабельной оболочки полупроводящими наслоениями (почва, атмосферные осадки, сажа и т. д.) Ёмкость кабеля П-274 заметно изменяется с ростом температуры и частоты (с ростом температуры ёмкость увеличивается, а с увеличением частоты уменьшается).

2. Рабочая ёмкость кабеля МКСБ, МКСГ зависит от числа четвёрок (одно-, четырёхи семичетвёрочные) и количества сигнальных жил.

1.4 Измерение сопротивления изоляции

При оценке качества изоляции цепи обычно пользуются понятием «сопротивление изоляции» (Rиз). Сопротивление изоляции есть величина, обратная проводимости изоляции.

Проводимость изоляции G — электрический параметр, характеризующий качество изоляции проводов кабеля, т. е. способность изоляции пропускать электрический ток.

Проводимость изоляции цепи зависит от материала и состояния изоляции, атмосферных условий и частоты тока. Проводимость изоляции значительно увеличивается при загрязнении изоляции, при наличии в ней трещин, при нарушении целости слоя изоляционного покрова кабеля. В сырую погоду проводимость изоляции больше, чем в сухую. С увеличением частоты тока проводимость изоляции увеличивается.

Измерение сопротивления изоляции может производиться приборами ПКП-3, ПКП-4, П-324 при профилактических и контрольных испытаниях. Сопротивление изоляции измеряется между жилами и между жилой и землей.

Для измерения сопротивления изоляции Rиз управляющая обмотка МУ включается последовательно с источником напряжения и измеряемым сопротивлением изоляции. Чем меньше величина измеряемого Rиз, тем больше ток в управляющей обмотке МУ, а следовательно, и больше ЭДС в выходной обмотке МУ. Усиленный сигнал детектируется и фиксируется прибором ИП. Шкала прибора градуируется непосредственно в мегомах, поэтому отсчёт измеряемой величины Rиз. производится по верхней или средней шкале с учётом положения переключателя ПРЕДЕЛ Rмом.

При измерении прибором ПКП сопротивления изоляции используется схема омметра, которая состоит из последовательно соединенных микроамперметра и источника питания напряжением 220 В. Шкала микроамперметра проградуирована от 3 до 1000 Мом.

Нормы сопротивления изоляции для некоторых типов кабелей связи приведены в табл. 3.

Таблица 3

Сопротивление изоляции лёгких полевых кабелей связи в большей степени зависит от способа прокладки условий эксплуатации, а также температуры окружающей среды.

1.5 Измерение вторичных параметров передачи

1.5.1 Волновое сопротивление

Волновое сопротивление (Zc) — это сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль однородной цепи без отражения. Оно свойственно данному типу кабеля и зависит лишь от первичных параметров и частоты передаваемого тока. Величина волнового сопротивления характеризует цепь, так как показывает соотношение между напряжением (U) и током () в любой её точке для однородной цепи величина постоянная, не зависящая от ее длины.

Так как все первичные параметры, за исключением ёмкости, зависят от частоты тока, то при увеличении частоты тока волновое сопротивление уменьшается.

Измерение и оценка величины волнового сопротивления может производиться с помощью прибора Р5−5. С этой целью работы производятся с обоих концов кабельной линии связи. На одном конце измеряемая цепь нарушается активным сопротивлением, в качестве которого рекомендуется использовать высокочастотные мастичные сопротивления СП, СПО или магазин непроволочных сопротивлений, на другом подключается прибор Р5−5. Регулируя сопротивления на дальнем конце цепи и увеличивая усиление прибора на ближнем конце цепи, добиваются минимального отражения от дальнего конца линии по прибору Р5−5. Величина сопротивления, подобранная на дальнем конце цепи в этом случае будет соответствовать волновому сопротивлению цепи.

Нормы на величину среднего значения волнового сопротивления приведены в табл. 4.

Таблица 4

1.5.2 Рабочее затухание

При распространении электрической энергии по проводам амплитуды тока и напряжения уменьшаются или, как говорят, претерпевают затухание. Уменьшение энергии на длине цепи 1 км учитывается через коэффициент затухания, который иначе называют километрическим затуханием. Коэффициент затухания обозначается буквой и измеряется в неперах на 1 км. Коэффициент затухания зависит от первичных параметров цепи и обусловлен двумя видами потерь:

затухание за счет потерь энергии на нагрев металла провода;

затухание за счет потерь несовершенства изоляции и за счет диэлектрических потерь.

В нижней области частот доминируют потери в металле, а выше начинают сказываться потери в диэлектрике.

Так как первичные параметры зависят от частоты, то и зависит от частоты: с увеличением частоты тока увеличивается. Увеличение затухания объясняется тем, что с возрастанием частоты тока увеличиваются активное сопротивление и проводимость изоляции.

Зная коэффициент затухания цепи () и длину цепи (?), то можно определить собственное затухание всей цепи (а):

а= ?, Нп Для четырехполосников, образующих канал связи, обычно не удается полностью обеспечить условия согласованного включения. Поэтому для учета несогласованности как во входной так и в выходной цепях образованного канала связи в действительных (реальных) условиях недостаточно знания только собственного затухания.

Рабочее затухание (ар) — это затухание кабельной цепи в реальных условиях, т. е. при любых нагрузках по ее концам.

Как правило, в реальных условиях рабочее затухание больше собственного затухания (ар а).

Одним из методов измерения рабочего затухания является метод разности уровней.

При измерениях по этому методу необходим генератор с известной ЭДС, известным внутренним сопротивлением Zо. Абсолютный уровень напряжения на согласованной нагрузке генератора Zо измеряется указателем уровня станции, А и определяется:

а абсолютный уровень напряжения на нагрузке Z измеряется указателем уровня станции Б.

Нормы на коэффициент затухания цепей некоторых типов кабельных линий связи, представлены в табл. 5.

Вторичные параметры легких полевых кабелей связи существенно зависят от способа прокладки линий (подвеска, по земле, в земле, в воде).

1.6 Измерение параметров влияния

Степень влияния между цепями кабельной линии связи принято оценивать величиной переходного затухания. Переходное затухание характеризует затухание токов влияния при переходе их с влияющей цепи в цепь, подверженную влиянию. При прохождении переменного тока по влияющей цепи вокруг нее создается переменное магнитное поле, которое пересекает цепь, подверженную влиянию.

Различают переходное затухание на ближнем конце Ао и переходное затухание на дальнем конце А?.

Затухание переходных токов, проявляющихся на том конце цепи, где расположен генератор влияющей цепи, называется переходным затуханием на ближнем конце.

Затухание переходных токов, поступивших на противоположный конец второй цепи, называется переходным затуханием на дальнем конце.

Таблица 5. Нормы на коэффициент затухания цепей, Нп/км.

1.6.1 переходное затухание на ближнем конце

Переходное затухание на ближнем конце важно измерять и оценивать для четырехпроводных систем с разными направлениями передачи и приема. К таким системам относятся однокабельные системы передачи (П-303, П-302, П-301, П-330−6, П-330−24), работающие по одночетвёрочному кабелю (П-296, Р-270).

Наиболее распространенным методом измерения переходных затуханий является метод сравнения, используемый при применении комплекта приборов ВИЗ-600, П-322. При измерении прибором П-324 используется смешанный (сравнения и дополнения) метод.

Суть метода сравнения и дополнения заключается в том, что в положении 2 величина переходного затухания (Ао) дополняется затуханием магазина (амз) до значения на менее 10 Нп. Изменяя затухание магазина, добиваются выполнения условия Ао + амз ?10 Нп.

Для удобства отсчета измеряемой величины на переключателе НП указаны цифры не затухания амз, фактически вносимого магазином, а разности 10 — амз.

Поскольку затухание магазина изменяется не плавно, а ступенями через 1 Нп, остаток затухания свой в Нп измеряется по шкале стрелочного прибора (ИП) в пределах от 0 до 1 Нп.

Перед измерением производится градуировка прибора (ИП), для чего переключатель НП схемы устанавливается в положение ГРАД (положение 1 на рис. 9). При этом выход генератора подключается к измерителю через эталонный удлинитель (ЭУ) с затуханием 10 Нп.

Нормы на переходное затухание приведены в табл. 6.

Таблица 6. Нормы на переходное затухание на ближнем конце внутри и между смежными четвёрками, не менее, Нп

Для кабеля П-296 проверка переходного затухания производится также на частотах 10 кГц и 30 кГц.

1.6.2 Переходное затухание на дальнем конце

Переходное затухание на дальнем конце важно измерять и оценивать также для четырехпроводных систем, но с одинаковыми направлениями приема и передачи. К таким системам относятся двухкабельные системы передачи типа П-300, П-330−60.

Для измерения переходного затухания на дальнем конце А? необходимо иметь два прибора П-324, устанавливаемых на противоположных концах измеряемых цепей. Измерение производится в три этапа.

Так же с помощью прибора П-324 возможно измерение затуханий не менее 5 Нп, на входе прибора включается удлинитель УД 5 Нп, входящий в состав устройства для проверки работоспособности прибора.

Полученный результат измерения делится пополам и определяется затухание одной цепи.

После этого собирается схема и проводится градуировка измерительного тракта прибора станции Б, подключаемого к влияющей цепи. При этом сумма затуханий цепи, удлинителя УД 5Нп и магазина затухания должна быть не менее 10 Нп, остаток затухания сверх 10Нп устанавливается на стрелочном приборе.

На третьем этапе измеряется переходное затухание на дальнем конце. Результат измерения представляет собой сумму показаний переключателя НП и стрелочного прибора.

Измеренная величина переходного затухания на дальнем конце сравнивается с нормой. Нормой переходного затухания на дальнем конце приведены в табл. 7.

Таблица 7

Во всех симметричных кабельных цепях переходное затухание с ростом частоты снижается примерно по логарифмическому закону. Для увеличения переходного затухания между цепями токопроводящие жилы при изготовлении скручиваются в группы (пары, четверки, восьмерки), группы свиваются в кабельный сердечник, цепи экранируются, а при прокладке кабельных линий связи производится симметрирование кабеля. Симметрирование на кабелях низкой частоты заключается в дополнительном скрещивании их при развертывании и включение конденсаторов. Симметрирование на ВЧ кабелях — это скрещивание и включение контуров противосвязи. Потребность в симметрировании может возникнуть при ухудшении параметров влияния кабеля в процессе его долголетнего использования или при строительстве линии связи большой протяженности. Необходимость симметрирования кабеля должна определяться в каждом конкретном случае, исходя из фактической величины переходного затухания цепей, которая зависит от системы связи (системы использования цепей кабеля и аппаратуры уплотнения) и протяженности линии.

2. Определение характера и места повреждения кабельных линий связи

2.1 Общие положения

На кабелях связи могут быть следующие виды повреждений:

понижение сопротивления изоляции между жилами кабеля или между жилами и землей;

понижение сопротивления изоляции «оболочка — земля» или «броня — земля»;

полный обрыв кабеля;

пробой диэлектрика;

асимметрия сопротивления жил;

разбитость пар в симметричном кабеле.

В целях определения характера и места повреждения кабелей связи проводят аварийные измерения. Они осуществляются следующим образом: вначале проводятся испытания на целость жил и сопротивление их изоляции для выявления характера и участка повреждения; затем на поврежденном участке проводятся измерения по определения места повреждения. При восстановлении нарушенной связи на поврежденной линии в первую очередь необходимо использовать временные, а в последующем и постоянные кабельные вставки.

2.2 Испытания для определения характера повреждений

Определение характера повреждений («земля», «обрыв», «короткое» понижение сопротивления изоляции) проводится испытанием каждой жилы кабеля с помощью схем мегомметра или омметра различных измерительных приборов (например, П-324, ПКП-3, ПКП-4, КМ-61С и др). В качестве омметра можно использовать комбинированный прибор «тестер».

Испытания проводятся в следующем порядке:

1. Проверяется сопротивление изоляции между одной жилой и остальными, соединенными с заземленным экраном.

На станции А, где проводятся испытания, все жилы, кроме одной, соединяются вместе и с экраном и заземляются. На станции Б жилы ставятся на изоляцию. Измеряется сопротивление изоляции и сравнивается с нормой для данного типа кабеля. Испытания и анализ проводятся для каждой жилы кабеля. Если измеренное значение сопротивления изоляции окажется ниже нормы, то определяется характер повреждения:

повреждение изоляции относительно «земли»;

повреждение изоляции относительно экрана кабеля;

повреждение изоляции относительно других жил кабеля.

Для определения характера повреждения на станции, А поочередно снимают «землю» с жил кабеля и проводят анализ:

а) если снятие «земли» с какой-то жилы (например, с жилы 2 на рис. 13) приводит к резкому увеличению сопротивления изоляции, то повреждена изоляция между испытываемой жилой (жила 1) и той, с которой снята «земля» (жила 2);

б) если снятие «земли» со всех жил не приводит к увеличению сопротивления изоляции до нормы, то изоляция испытуемой жилы (жила 1) повреждена относительно экрана кабеля (земли).

Если при очередном испытании окажется, что сопротивление изоляции составляет сотни Ом или единицы кОм, то это указывает на возможное короткое замыкание между испытываемыми жилами кабеля (например, «короткое» показано между жилами 3 и 4);

2. Проверяется целость жил кабеля, для чего все жилы на станции Б соединяются вместе и с экраном. На станции, А каждая жила проверяется омметром на целость.

Установление характера повреждения позволяет выбрать один из методов определения до места повреждения.

2.3 Определение места повреждения изоляции жил проводов

Для определения места повреждения изоляции жил применяют мостовые схемы, выбор которых зависит от того, имеются ли в данном кабеле исправные жилы или нет.

При наличии исправного провода, равного по сопротивлению поврежденному, и при сопротивлении изоляции поврежденного провода до 10мОм измерения производят методом моста с переменным отношением балансных плеч.

Величины сопротивления плеч моста Rа и Rм при измерениях подбираются таким образом, чтобы ток в диагонали моста, в которую включен ИП, отсутствовал.

При определении места повреждения изоляции методом моста с переменным отношением балансных плеч используются приборы ПКП-3, ПКП-4, КМ-61С. В этих приборах сопротивление Rм переменное и определяется при измерениях в момент равновесия моста, а сопротивление Rа постоянное и для приборов ПКП выбрано равным 990 ОМ, для прибора КМ-61С-1000 Ом.

Если исправный и поврежденный провода имеют разные сопротивления, то измерения производятся с обоих концов кабельной линии связи.

При использовании приборов ПКП-3, ПКП-4 могут применяться и другие методы измерения сопротивления изоляции с целью определения места повреждения кабеля:

Метод моста с переменным отношением балансных плеч со вспомогательной линией. Применяется при наличии исправных проводов, не равных по сопротивлению повреждённому, и сопротивлений изоляции повреждённого провода до 10 МОм, а вспомогательного — свыше 5000 МОм, Метод моста с постоянным отношением балансных плеч способом двойной петли. Применяется при наличии значительных токов помех и сопротивлений изоляции повреждённого провода до 10 М0 м, а вспомогательная — свыше 5000 МОм.

Метод моста с постоянным отношением балансных плеч при больших переходных сопротивлениях. Применяется при наличии исправного провода, равного по сопротивлению повреждённому, и переходном сопротивлении в месте повреждения изоляции до 10 МОм.

Метод двухсторонних измерений сопротивления шлейфа повреждённых проводов. Применяется при отсутствии исправных проводов и переходном сопротивлении порядка сопротивления шлейфа.

5. Метод холостого хода и короткого замыкания при использовании моста с постоянным отношением балансных плеч. Применяется при отсутствии исправных проводов и переходном сопротивление в месте повреждения изоляции до 10 кОм.

6. Метод холостого хода и короткого замыкания при использовании моста с переменным отношением балансных плеч. Применяется при отсутствии исправных проводов и переходном сопротивлении в месте повреждения изоляции от 0,1 до 10 МОм.

При отсутствии исправных проводов определение места повреждения изоляции мостовыми методами с достаточной точностью представляет определенные трудности. В этом случае могут использоваться импульсный и индуктивный методы. Для измерений импульсным методом применяются прибором Р5−5, P5−10, дальность действия которых может достигать 20−25 км на симметричных кабелях связи.

2.4 Определение места обрыва проводов

Определение места обрыва проводов может осуществляться следующим методами:

1. Метод моста на пульсирующем токе. Применяется при наличии исправного провода, равного по сопротивлению поврежденному.

2. Метод сравнения ёмкостей (баллистический метод). Применяется при равной удельной ёмкости исправного и повреждённого проводов.

3. Метод сравнения ёмкостей при двухстороннем измерении. Применяется при неравной удельной емкости повреждённого и исправного проводов и, в частности, при невозможности заземлить неизмеряемые провода лини.

Для определения места обрыва проводов могут использоваться приборы ПКП-3, ПКП-4, KM-61C, П-324.

При наличии в кабеле исправной жилы и возможности заземления всех остальных жил кабеля поочередно измеряется рабочая ёмкость исправной жилы (С?), затем поврежденной жилы (Сх).

Если же по условиям эксплуатации кабеля заземление остальных неизмеряемых жил невозможно, то для получения достоверного результата оборванную жилу измеряют с двух сторон, расстояние до места обрыва вычисляют по формуле:

При отсутствии в кабеле исправной жилы место обрыва определяется по результатам измерения только оборванной жилы с двух сторон.

Электрические параметры кабельных линий связи измеряются в следующей последовательности:

вначале проводятся измерения постоянным током сопротивления изоляции между проводниками и жил относительно земли, измерение сопротивления цепи, рабочей емкости;

затем переменным током измеряют рабочее затухание цепи, переходной затухание на ближнем и дальнем конце.

кабельный связь сопротивление затухание