А.О. Дранов, ведущий разработчик проекта "Поиск", А. Н. Базулев, к ф.-м.наук, кафедра теоретической физики Тверского университета

Где копать?

Сравниваются традиционные и инновационные методы поиска места повреждения оболочки кабеля и утечки жила-земля (для ВОЛС экран-земля). Двухчастотный фазовый и двухчастотный амплитудный методы предлагаются впервые.

Поскольку чувствительность методов зависит от емкости жила-земля, все кабели разбиты на три группы. Наибольшей чувствительности методы достигают на кабелях МКС с наименьшей емкостью около 30 нФ/км. Остальные металлические кабели объединены в одну условную группу с емкостью 60 нФ/км. Для оптоволоконных кабелей принято значение емкости между экраном и землей 150 нФ/км.

Описание методов поиска проводится на основе моделей трассо-дефектоискателя Поиск-310Д-2 и Поиск-410, в которых эти методы реализованы.

Общая схема подключения

На рис. 1 показана схема подключения генератора к кабелю при поиске повреждения изоляции. Генератор подключают между жилой (или изолированной оболочкой) кабеля и землей. На дальнем конце кабель оставляют на холостом ходу. Между жилой (оболочкой) кабеля и землей существует два канала проводимости переменного тока:

а) через емкость жила-земля;

б) через поврежденный участок.

Задача методов локализации поврежденного участка - распознать ток утечки на фоне паразитного сигнала через емкость. Понятно, что чем ближе поврежденный участок к концу кабеля, тем меньше емкость участка, оставшегося до конца и тем меньше емкостной ток. Это облегчает поиск дефекта.

С другой стороны, с приближением к концу кабеля сигнал значительно ослабевает и показания становятся нестабильными. В самом конце кабеля имеется "глухая зона", где сигнал практически не слышен.

Рис.1. Емкостной ток и ток утечки в кабеле при подключении генератора

1. Традиционные одночастотные методы поиска

Амплитудный метод

Это самый простой и наименее чувствительный метод. Обычно его применяют на городских кабелях, где контактный метод невозможен. Преимущество перед контактным заключается в удобстве и высокой скорости поиска. Этим методом на частоте 2 кГц можно отыскать повреждения менее 1 кОм (близкие к КЗ) на участке до конца кабеля МКС - до 4 км, остальных - до 2 км, волоконно-оптического кабеля - до 1 км.

Место утечки ищут по резкому спаду сигнала в антенне. В то же время сигнал уменьшается с увеличением глубины залегания кабеля. Чтобы исключить ложное срабатывание, необходимо контролировать глубину залегания кабеля или проводить поиск по величине тока в кабеле (в этом случае приходится точно позиционировать антенну над кабелем). Чувствительность метода можно увеличить, если использовать низкую частоту 273 Гц. На этой частоте можно отыскивать повреждения до 2 кОм.

Недостатки метода:

• низкая чувствительность;
• сигнал постоянно спадает при движении вдоль кабеля, поэтому необходимо непрерывно обследовать кабель, чтобы не пропустить место резкого падения сигнала;
• показания зависят от глубины залегания, которая у городских кабелей может сильно изменяться;
• кабель может проходить под плитами, рядом с другими коммуникациями, которые также ослабляют сигнал (по ним текут возвратные токи в противофазе с полезным сигналом).

Контактный метод

Этот метод основан на том, что при протекании тока по земле между точками возникает разность потенциалов. Эту разность потенциалов снимают штырями, которые подключают к приемнику вместо антенны. Если один контакт расположить над кабелем, а второй в стороне от кабеля, то будет измеряться разность потенциалов от емкостного тока Ic (рис.1), стекающего с участка размером, сравнимым с расстоянием между штырями - с учетом глубины залегания порядка нескольких метров.

Емкостное сопротивление участка Xc длиной L определяется погонной емкостью Cп и частотой f:

Xc = 1/2πfCпL.

Емкость 1 метра гораздо меньше, чем емкость участка до конца кабеля. Кроме того, в контактном методе чувствительность приема сигнала не зависит от частоты, как в индуктивном методе. Это дает возможность на порядок снизить частоту контактного метода. Снижение частоты и ограничение длины участка снижает паразитный емкостной ток на несколько порядков. Это объясняет, почему контактный способ гораздо чувствительнее к утечке, чем индуктивный. В месте дефекта по земле растекается ток утечки. Если сопротивление утечки гораздо меньше емкостного сопротивления короткого участка, то на фоне слабого сигнала от емкостного тока легко обнаружить место повреждения. Этот метод имеет чувствительность для кабеля МКС - 1 МОм, остальные - 500 кОм, для оболочек ВОЛС - 200 кОм. Чувствительность этого метода не зависит от места на кабеле.

Вместе с тем, это и наиболее трудоемкий метод. На рис. 2 показана зона обнаружения утечки. С ростом сопротивления дефекта зона стремительно сужается. Для поиска дефектов свыше 100 кОм требуется исследовать буквально каждый метр. В труднопроходимой местности это непростая задача. Она дополнительно осложняется состоянием грунта, условиями поиска, глубиной залегания. Для облегчения задачи измерителю необходимо хотя бы ориентировочно знать расположение дефекта. Часто поиск привязывают к муфтам кабеля.

В городских условиях (с канализацией и асфальтовым покрытием) метод не применяют. Хотя можно попытаться обнаружить утечку в люке канализации, касаясь одним штырем муфты кабеля, а другим заземленного участка в стороне от кабеля.

Рис.2. Чувствительность контактного метода

Уровень нечувствительности: МКС - 1 МОм, остальные - 500 кОм, ВОЛС - 200 кОм. 1 - утечка до1 кОм, зона обнаружения 40-100 м; 2 - утечка 10 кОм, зона обнаружения около 10 м; 3 - утечка 100 кОм, зона обнаружения 1 м.

2. Инновационные двухчастотные методы поиска

Сельская магистраль: двухчастотный фазовый метод

Этот метод работает сразу на двух частотах: 2 и 6 кГц. Фазовый метод гораздо более чувствительный к утечке, чем традиционный амплитудный. В то же время он сохраняет все преимущества бесконтактного метода поиска. Метод основан на том, что ток через емкость жила - земля развернут по фазе относительно активного тока через утечку. В месте утечки суммарный ток меняет фазу. В отсутствие пилотного сигнала скачок фазы может быть зафиксирован только при движении вдоль кабеля. Двухчастотный анализ заменяет пилотный сигнал и позволяет независимо от движения измерять фазу в точке. У измерителя появляется возможность сравнивать фазы на сравнительно больших участках кабеля. При этом можно вообще уйти в сторону от кабеля, можно вернуться в прежнюю точку - показания повторятся. Этот метод при поиске не требует постоянных измерений при движении вдоль кабеля. Если имеется труднопроходимый участок, его можно обойти и сравнить показания фаз в начале и в конце участка. Таким образом можно определять наличие дефекта на участке до 300 м. Удобство метода заключается в том, что можно вернуться и повторить измерения, разбив участок.

Метод хорошо работает на участках с расстоянием до ненагруженного конца кабеля МКС - до 4 км, остальных - до 2 км, волоконно-оптического кабеля - до 1 км. Чувствительность двухчастотного метода для различных кабелей приведена в таблицах 1 - 3.

Табл.1. Разность фаз двухчастотного сигнала на концах поврежденного участка в зависимости от расстояния до конца кабеля (градусы)

Кабель МКС
метры	2 кОм	5 кОм	10 кОм	20 кОм
500	>45	40	25	14
1000	>45	25	13	7
1500	35	16	9	5
2000	30	13	7	4
2500	25	10	6	3
3000	20	9	5	2
3500	18	8	4	2
4000	16	7	3	2

Табл.2. Разность фаз двухчастотного сигнала на концах поврежденного участка в зависимости от расстояния до конца кабеля (градусы)

Металлические кабели, кроме МКС
метры	2 кОм	5 кОм	10 кОм	20 кОм
250	>45	40	25	14
500	>45	25	13	7
750	35	16	9	5
1000	30	13	7	4
1250	25	10	6	3
1500	20	9	5	2
1750	18	8	4	2
2000	16	7	3	2

Табл.3. Разность фаз двухчастотного сигнала на концах поврежденного участка в зависимости от расстояния до конца кабеля (градусы)

Металлические кабели, кроме МКС
метры	2 кОм	5 кОм	10 кОм	20 кОм
100	>45	40	23	12
200	>45	23	12	6
300	35	16	8	4
400	28	12	6	3
500	23	10	5	2
600	20	8	4	2
700	17	7	3	2
800	15	6	3	1
900	13	5	3	1
1000	12	5	3	1

У метода есть еще одна замечательная особенность. При низкоомных дефектах с отклонением фазы около 200 при приближении к дефекту происходит вращение фазы. Ее активная составляющая увеличивается, и емкостной ток, стекающий на землю, начинает изменять фазу при отклонении антенны от кабеля. Отклоняя антенну в сторону от кабеля, измеритель как бы "видит" дефект, который впереди (если идти от генератора к концу кабеля). После прохождения дефекта происходит скачок фазы и эффект пропадает.

В городских условиях применение метода затруднительно. Как правило, кабель расположен по соседству с другими коммуникациями, по которым протекает возвратный ток. На кабелях ТПП с большим омическим сопротивлением жил это приводит к искажению фазы пилотного сигнала и потери работоспособности метода. Двухчастотный фазовый метод хорошо работает на сельских трассах (в том числе ВОЛС), где позволяет заменить традиционный контактный метод (штыри) в труднодоступных местах с повреждением до 20 - 50 кОм.

Городские кабели: двухчастотный амплитудный метод

Этот метод работает сразу на двух частотах: 273 Гц и 2 кГц. Генератор подает низкочастотный сигнал 273 Гц, чувствительный к повреждению изоляции, а в паузе - сигнал с частотой 2 кГц, который выполняет роль пилотного. Этот сигнал изменяется с глубиной залегания кабеля так же, как и низкочастотный. Прибор анализирует соотношение уровня сигналов на двух частотах. В отсутствие повреждения соотношение сигналов практически не изменяется вдоль кабеля. Если на кабеле произошло повреждение, то через место утечки будет протекать ток Ir (рис.1). Этот ток вносит заметный вклад в сигнал 273 Гц и на порядок менее заметный в сигнал 2 кГц. Соотношение сигналов меняется. При прохождении места повреждения соотношение восстанавливается. Таким образом, появляется возможность определять поврежденный участок, измеряя соотношения сигналов на концах исследуемого участка. В городских условиях допускается участок до 100 м. В терминах производительности работ, это значит, что можно определить поврежденный участок на кабеле 1 км за 10 измерений. Затем на поврежденном участке можно провести более тщательные измерения, разбив его на более короткие отрезки.

В табл. 4 приведены данные чувствительности метода для городских кабелей ТПП, где емкость жила-земля обычно около 80 нФ/км. По приведенным данным видно, что повреждение до 5 кОм можно отыскать на участке 2 км до конца кабеля - то есть на кабеле длиной до 4 км, если исследовать дальнюю от генератора половину кабеля. Изоляция порядка 5 кОм на всех жилах - типичная ситуация затекшей муфты, когда повреждение не распознается ни мостом, ни часто рефлектометром. Напомним, что традиционный одночастотный амплитудный метод (по снижению сигнала) чувствует только низкоомные повреждения, близкие к КЗ. Следовательно, двухчастотный метод открывает новые возможности для измерителя.

Кроме высокой чувствительности двухчастотный метод обладает еще одним достоинством: позволяет обходить недоступные для измерения участки. Это существенно облегчает работу измерителя.

Табл.4. Изменение уровня двухчастотного сигнала (дБ) на концах поврежденного участка в зависимости от величины повреждения (кОм) и расстояния до ненагруженного конца кабеля (метры)

Городские кабели ТПП
метры	1 кОм	2 кОм	5 кОм	10 кОм
250	18	17	16	10
500	17	15	10	5
750	17	14	7	3
1000	16	12	5	2
1250	16	10	4
1500	14	9	3
1750	13	8	2
2000	12	7	2

Заключение

Несмотря на удобство поиска, по своим характеристикам двухчастотный фазовый метод может рассматриваться пока только как дополнение к традиционному контактному методу поиска в зоне "низкоомного поиска" до 20 - 50 кОм на сельских трассах. Двухчастотный амплитудный метод по своим характеристикам превосходит традиционные методы поиска повреждений на городских кабелях и позволяет полностью заменить их.