2 Diagnostika poruchových stavů kabelů metodou reflektrometrie
Cíle úlohy: Cílem laboratorní úlohy je seznámení studentů s moderními metodami lokalizace poruch uvnitř kabelů, zejména přerušení kabelů nebo jejich zkrat, a na funkčním vzor-ku přesně diagnostikovat typ poruchy a lokalizovat její polohu. Úloha simuluje reálné poruchy běžně se vyskytující v elektrických sítích.
2.1 Zadání 1. Zkalibrujte diagnostický přístroj FINEST F900 TDR na kalibrační cívce. 2. Změřte citlivost předloženého měřícího diagnostického přístroje. 3. Na předložené kabelové cívce pomocí diagnostického přístroje F900 TDR přesně identifikujte nasimulovanou poruchu a změřte její polohu.
Obrázek 2-1: Schéma zapojení úlohy
2.2 Teoretický rozbor úlohy Reflektometrie je metoda určování poruch v kabelech a silových vedeních, vycházející z principu vyslání signálu přesně daných parametrů do měřeného kabelu, a následného měření doby, než se vyslaný signál vrátí zpět do testovacího diagnostického přístroje. Každá porucha v kabelu způsobuje na kabelu nehomogenitu (impedance, izolačních podmínek, …), a v tomto místě se vyslaný signál částečně odráží zpět k začátku kabelu a částečně prostupuje dál do kabelu. Jeho energie však postupně slábne a klesá tak dosah přístroje (místo nejvzdálenější zjistitelné poruchy). Princip je lépe vidět na Obrázek 2-2.
Obrázek 2-2: Odraz v místě zkratu a na otevřeném konci vedení Za předpokladu znalosti rychlosti šíření signálu v daném kabelu se následně vypočítá vzdálenost místa poruchy od začátku kabelu. Rychlost šíření v kabelu je specifická pro daný typ kabelu (závisí především na permitivitě materiálu izolace), a lze ji zjistit buďto z tabulek nebo měřením na vzorku kabelu známé délky. Úloha je navržena pro diagnostiku poruch v kabelu metodou reflektometrie. Diagnostickým přístrojem je v tomto případě přístroj s označením Finest F900 TDR. Označení TDR je zkratka z anglického Time Domain Reflectometry, což značí princip měření a vyhodnocování naměřených dat přístrojem. Blokové schéma přístroje Testovací zařízení se skládá z pulsního generátoru, obvodu pro oddělení a osciloskopu. Oddělení vysílaného signálu od přijímaného může být provedeno mnoha způsoby, např. telekomunikační vidlicí. Tento obvod potlačí vysílaný signál, který by znemožňoval měření odraženého signálu. Takto je možné zobrazit a měřit odrazy přímo z výstupu měřidla bez mrtvé zóny.
Obrázek 2-3 Blokové schéma přístroje TDR Metodou reflektometrie lze na kabelech detekovat různé typy poruch, záleží na funkčních vlastnostech diagnostického přístroje, který je pro kontrolu kabelu použit. Samozřejmě i zde platí přímá úměra, že dražší přístroj většinou disponuje širšími možnostmi měření parametrů a detekování poruch kabelů. Základní možná měření na kabelech s použitím přístrojů na bázi reflektometrie:
• měření délek kabelů - na konci úseku vedení vzniká odraz, který detekujeme při jeho návratu zpět. Ze známé rychlosti šíření vedením po zkalibrování časové osy můžeme určit délku měřeného úseku vedení. Pro měření délek je výhodné, pokud je jejich vzdálený konec impedančně nepřizpůsoben. Ideální je, pokud je vzdálený konec otevřený nebo zkratován. • lokalizace zkratu nebo přerušení vodiče – zkrat či přerušení vodiče kabelu je pro diagnostiku metodou reflektometrie ideální porucha, neboť v místě poruchy dojde k úplnému odrazu vyslaného signálu a místo poruchy je tak detekováno a lokalizováno s největší možnou přesností danou třídou přesnosti diagnostického přístroje. • lokalizace pupinačních cívek - u dlouhých místních a spojovacích kabelů a u uzlových kabelů se ke snížení útlumu vedení používá pro nf pásmo pupinačních cívek, vkládaných po pravidelných úsecích s do vedení. Tyto úseky tvoří vlastně π-články s charakterem dolní propusti. Při nasazování digitálních přípojek (např. ISDN, ADSL), které vyžadují širší kmitočtové pásmo, je nutné depupinovat. Pomocí TDR určíme polohu prví pupinační cívky, tedy náběhovou sekci lnáb = s /2. Další pupinační cívky nemohou být na měřidle zobrazeny, neboť puls obsahující i vysokofrekvenční složky bude po průchodu první sekcí odfiltrován. • záměna vodičů - záměna mezi vodiči páru je velmi obtížně zjistitelná závada v kabelových rozvodech. Takové chyby se projevují zvýšením přeslechů mezi páry. Místo prohození vodičů může být zobrazeno měřičem TDR, jak kladným, tak záporným odraženým pulsem při režimu vysílání do jednoho páru a příjmu z druhého páru (režim pro měření přeslechů - Crosstalk). Další metodou jak odhalit místo prohození je využít možnosti některých přístrojů měřit dva páry vedení najednou v porovnávacím režimu měření. Testujeme páry tak, že je porovnáváme se známým, dobrým párem (Reference Pair). • Lokalizace vody v kabelu - navzdory mnoha zábranám vnikání vody a vlhkosti do kabelů při výrobě je voda v kabelu jednou z nejčastějších chyb. Vniknutí vody je na TDR měřidle zobrazeno typicky podle následujícího obrázku.
Obrázek 2-4: Zobrazení vniku vody do kabelu • Lokalizace odboček - pokud je na měřený pár připojena někde na cestě v rozvaděči odbočka, projeví se toto místo snížením impedance, a tedy odrazem, a zároveň bude patrný další odraz od volného konce odbočky. Parametry ovlivňující měření Největší vliv na dosah měření má amplituda a šířka vysílaného pulsu. Čím větší je amplituda vysílaného pulsu, tím vzdálenější poruchy je možné měřit. Velikost amplitudy vysílaného pulsu je však omezena, neboť příliš velká amplituda způsobí deformaci signálu a přesná lokalizace poruchy bude velmi obtížná. Pro metalické páry jsou užívány pulsy s amplitudou do 20 V. Šířka impulsu také ovlivňuje dosah měření, a to tak, že použití pulsů větší šířky znamená větší energii signálu a též zvýšení dosahu měřidla, avšak bude obtížnější naleznout poruchy v blízkosti měřidla a také nebude možné lokalizovat dvě poruchy, které jsou blízko sebe. Přístroj je detekuje pouze jako poruchu jednu. Z tohoto důvodu diagnostické přístroje umožňují nastavit různé šířky impulsů v závislosti na měřené vzdálenosti. Měřidla
TDR mají většinou nastavitelnou šířku pulsu, například: 2, 10, 100, 1000, 2000, 4000 a 6000 ns. Puls generovaný TDR činí určitý časový úsek od počátku neviditelný. Tento úsek nazýváme „slepý“. Délka slepého úseku závisí na šířce vysílaného pulsu. Pokud je chyba na prvních metrech kabelu, můžeme si pomoci zařazením kusu vedení mezi TDR a měřený kabel, přičemž charakteristická impedance pomocného kabelu by měla být stejná jako impedance měřeného kabelu. Poruchy nacházející se ve „slepém úseku“ budou nyní snadněji změřitelné. Délka zařazeného kabelu se musí brát v úvahu při určení polohy poruchy.
Obrázek 2-5: Detail vyrobeného přípravku pro měření
2.3 Postup měření 1. Zapněte přístroj FINEST F900 TDR a podle postupu uvedeného níže jej kalibrujte. - pomocí krokosvorek připojte přístroj na kabel známé délky (20m) a stiskněte tlačítko Select. - tlačítky ▲ a ▼ vyhledejte z nabízených položku V.O.P. a potvrďte tlačítkem OK. - vybraná položka je signalizována blikajícím symbolem V.O.P. a nyní z nabídky šipkami ▲ a ▼ vyberte funkci SPL a potvrďte tlačítkem OK. - nastavte známou délku kabelu kalibrační cívky a opět potvrďte tlačítkem OK. - stiskem tlačítka TEST přístroj změří činitele šíření kabelu V.O.P. a zobrazí jeho hodnotu v % na displeji. V tuto chvíli je přístroj připraven k měření. 2. Nastavte do série zapojené potenciometry RS1 a RS2 kabelové cívky na minimální hodnotu odporu a paralelně zapojené potenciometry RP1 a RP2 naopak na maximální hodnotu odporu. 3. Připojte přístroj F 900 TDR na libovolné dva vodiče kabelové cívky a stisknutím tlačítka TEST změřte délku kabelu (přístroj by měl vyčíslit skutečnou celkovou délku kabelu). Měření opakujte pro všechny tři kombinace L-N, L-PE, N-PE, a to z obou vyvedených konců kabelu. Naměřené hodnoty si zaznamenejte. 4. Připojte přístroj na vodiče L a N začátku kabelu a pomalu začněte zvyšovat odpor na potenciometru RS1. Po každém zvýšení odporu RS1 změřte délku kabelu (tlačítko TEST). Úkolem je najít co nejpřesněji hodnotu odporu, při které již začne přístroj detekovat poruchu, přičemž porucha je signalizována změnou délky kabelu zobrazené na displeji přístroje. Tuto mezní hodnotu odporu opět zaznamenejte, stejně jako údaj přístroje F 900 TDR, který vyjadřuje vzdálenost místa poruchy od
místa připojení měřícího přístroje ke kabelu (začátek kabelu). Tento postup opakujte 6x z jednoho konce a 6x z druhého konce kabelu. 5. Pomocí Postup podle bodu 4 opakujte i na dalších potenciometrech, přičemž u potenciometrů připojených paralelně odpor zmenšujte. U sérioparalelní kombinace pak manipulujte pouze s jedním potenciometrem, druhý ponechte v maximu (RP2) nebo minimu (RS2). 6. Porovnejte změnu citlivosti přístroje v závislosti na měnící se vzdálenosti poruchy od místa měření. 7. Požádejte vyučujícího, aby pomocí potenciometrů nasimuloval jednu z možných poruch na kabelu a následně tuto poruchu diagnostikujte, tzn. určete druh poruchy a její vzdálenost od začátku kabelu. Shrnutí: Využití vhodných metod a přístrojů pro diagnostiku poruch kabelů je v mnoha situacích klíčové, především je-li nutné v co možná nejkratším čase opravit porušené části vedení a tím obnovit dodávky elektrické energie. Doba potřebná na opravu těchto poruch závisí zejména na přesné lokalizaci poruchy kabelu, následná oprava porušené části kabelu již probíhá standardním způsobem a časovou náročnost opravy již lze poměrně přesně odhadnout.
