Спосіб визначення відстаней до місць пошкодження електричної лінії

Винахід відноситься до області електронно-вимірювальної техніки і може бути використаний для визначення довжин електричної лінії передачі до місць пошкоджень або неоднорідності. Поширення сигналів по довгих електричних лініях має хвильовий характер. На межі між двома середовищами виникає заломлення та відбиття хвилі. Таке ж явище має місце і при виникненні в лінії дефектів - порушеннях жили, ізоляції (замикань, витікань та ін.). Завдяки відбиттю, місце виникнення неоднорідності визначають за часом появи відбитої хвилі на початку лінії. Для вимірювання відстані до пошкодження чи неоднорідності у електричній лінії відомо використання як імпульсних так і фазових методів вимірювання відстаней. Серед існуючих методів, найточнішим є фазовий метод [1], що базується на вимірюванні фазового зсуву відбитого сигналу відносно вхідного [2, 3]. Фазовий метод забезпечуючи високу точність вимірювання фази, дозволяє точно визначати відстань до пошкодження. Відстань до пошкодження визначається за формулою: lj l= , 2p де l - довжина хвилі сигналу, що зондує лінію, м; j - фазовий зсув між зондуючим та відбитим сигналами, рад; Одночасно з цим, фазовий метод має і недоліки. По-перше, якщо довжина хвилі менше ніж довжина досліджуваної лінії, виникає неоднозначність результатів фазових вимірювань, так як існуючи фазометри вимірюють фазові зсуви у межах від 0 до 360°, тобто у межах одного фазового циклу ( 2p ). Для усунення фазової неоднозначності вимірювань, відомий багатошкальний фазовий метод [4] у якому підвищення точності вимірювання досягається за рахунок виконання ряду вимірювань на різних частотах від певного значення нижньої частоти, яка визначається з умови однозначності вимірювання, до значення верхньої частоти, на якій вимірюється дробова частина відстані. По-друге, метод розрахований на наявність у електричній лінії лише одного пошкодження. Наявність двох і більше пошкоджень призводить до появи у лінії кількох відбиттів, які мають однакову частоту і відрізняються між собою за фазою та амплітудою, яки приходять на початок лінії як один сигнал із деякою сумарною фазою та амплітудою, яка не відповідає жодному з формуючи х його відбиттів. По-третє, фаза відбиття також залежить від виду пошкодження (коротке замикання, ємнісне, зменшення або збільшення хвильового опору). Відомий спосіб визначення довжини електричної лінії передачі до місця пошкодження [5], оснований на модуляції високочастотного випробувального сигналу гармонічним сигналом низької частоти, вимірюванні фазового зсуву обвідної модулюючої частоти після проходження модульованих коливань по лінії передачі до місця пошкодження і назад та визначення довжини електричної лінії передачі з співвідношенням: j n lx = М , 2wM lx - довжина електричної лінії передачі до місця пошкодження; де j М - фазовий зсув обвідної моделюючої частоти wM , n - швидкість поширення електромагнітної хвилі по лінії передачі. Недоліком модуляційного способу є невисока точність вимірювання довжини через неоднозначність фазових вимірювань, якщо довжина електричної лінії передачі перевищує довжину електромагнітної хвилі обвідної модульованого сигналу: n lx > , fM де fM - частота низькочастотної модуляції. Відомий імпульсний спосіб вимірювання [6. 7], якій оснований на вимірюванні часу між подачею сигналу у лінію та отриманням відбиття від неоднорідності. Відстань до і-ї неоднорідності визначається як: nt li = i , 2 де n - швидкість розповсюдження хвилі у лінії, м/с; t i - час появи і-го відбиття, с; Перевагою даного методу є можливість розрізнення наявності у лінії практично будь-якої кількості неоднорідностей у лінії. Суттєвим недоліком цього методу є пряма залежність розрізнювальної здатності від частоти сигналу, який зондує лінію із одночасним збільшенням коефіцієнта затухання сигналу при проходженні в лінії. Задачею винаходу є створення такого способу визначення відстаней до пошкоджень у електричній лінії зв'язку, в якому введення нових операцій і одержання додаткових результатів вимірювання, дозволило б підвищити точність вимірювання довжини електричної лінії до місць пошкоджень. Поставлена задача вирішується тим, що в способі визначення відстаней до місць пошкодження електричної лінії, який включає розділення випробувального сигналу на опорний і вимірювальний, прийняття відбитого сигналу, вимірювання часу появи кожного відбиття та вимірювання різниць фаз між прийнятим сигналом та опорним і обчислення довжин відстаней до неоднорідностей, згідно винаходу, відстані вираховуються із зв'язків результатів імпульсної рефлектометри з результатами вимірювання фази сигналів на різних частота х. Для дослідження використовується сигнал виду: s з = U0 cos(wt ). При формуванні відбиттів від сигналу, що зондує лінію, ми отримуємо сигнали: s x1( t ) = U1 cos(wt + j1 ) s x 2 ( t ) = U2 cos(wt + j 2 ) ...................................... s xk (t ) = Uk cos(wt + jk ) де U1, U2 ,...Uk - амплітуди відбитих сигналів; j 1, j 2 ,... jk - фазові зсуви між відбитими сигналами та зондуючим сигналом . На приймальному кінці, в точці, звідки випромінюється зондуючий сигнал, внаслідок проходження відбитих сигналів по одному середовищу, відбудеться додавання відбитих сигналів і буде спостерігатись їхня інтерференція. В результаті чого ми отримаємо сумарний сигнал вигляду: s x ( t ) = s x 1(t ) + s x 2 (t ) + ... + s xk ( t ) = = U1 cos(wt + j1) + U 2 cos(w t + j 2 ) + ... + + U k cos(wt + jk ) = K å Uk cos(wt + jk ) k =1 Після нескладних тригонометричних перетворень, можна отримати вираз для сумарного сигналу: K s x (t ) = cos(wt ) å K U k cos(j k ) - sin(wt ) k =1 K å åU k sin(j k ) k =1 K Uk cos(j k ) åU k sin(j k ) де k =1 , k =1 - амплітуди косинусної та синусної складової сумарного сигналу, відповідно. Отриманий сигнал складається з синусної та косинусної складової. Фазу та амплітуду сумарного сигналу можна виразити наступним чином: ì ï ï ï ï ï í ï ï ï ïA S = ï î де tgjS K tgj S = åU k cos(j k ) k =1 K åU k sin(jk ) , k =1 2 æ K ö æ K ö ç Uk sin(jk )÷ + ç Uk cos(j k ) ÷ ç ÷ ç ÷ è k=1 ø è k=1 ø å å 2 - тангенс кута фазового зсуву сумарного сигналу; A S - амплітуда сумарного сигналу. Розв'яжемо систему рівнянь відносно амплітуди косинусної складової. Для цього зробимо наступні перетворення. Виразимо амплітуду син усної складової сумарного сигналу через амплітуду косинусної складової та тангенс кута фазового зсуву. Підставимо отриманий вираз у друге рівняння. Отримуємо: K åU k K cos(j k ) = tg j S × k =1 AS k sin(j k ), k =1 2 æ K ö æ K ö = ç U k sin(jk )÷ + ç Uk cos(j k )÷ ç ÷ ç ÷ è k=1 ø è k=1 ø å K = åU åU k å 2 = sin(j k ) × 1 + tg2 j S . k =1 Звідки: K åU sin(jk ) = AS . 1 + tg 2 j S k =1 Аналізуючи отриманий вираз, можна сказати наступне. Значення правої частині виразу залежить від значення амплітуди сумарного сигналу та його кута фазового зсуву, які можна отримати в результаті вимірювання амплітуди та фази класичними методами. Ліва частина виразу є сумою з К доданків, кожен з яких залежить від амплітуди і фази відбитих сигналів. Амплітуди залежать від згасання сигналів в середовищі та характеру відбиття та поглинанням енергії об'єктами. Фази залежать тільки від відстаней до об'єктів. Отримати додаткову вимірювальну інформацію можна сформувавши зондуючи сигнали на кратних частотах, наприклад 2w з ,3w з ,... 2Kw з . Кількість необхідних частот рівна 2К, вибирається з умови однозначного розв'язання k системи рівнянь, тому як ми отримуємо К невідомих фаз відбитих сигналів та К невідомих амплітуд ти х же сигналів. Повторивши усі наведені вище математичні викладки, прийнявши, що Uk1 = Uk2 = ... = Uk 2K для відрізку АЧХ лінії, яка є лінійною, можна отримати наступну систему тригонометричних рівнянь: ì K A S1 ï Uk sin(j k ) = ï 1 + tg 2 j S1 ï k =1 K ï A S2 ï Uk sin(j k ) = . í 1+ tg 2 j S 2 ï k =1 ï .......... .......... .......... .......... .... ïK A SK ï Uk sin(2Kj k ) = ï k=1 1 + tg2 j S K î де j k - фазовий зсув для k-ї неоднорідності, визначений методом імпульсної рефлектометри; Uk - амплітуда відбитого сигналу від k-ї неоднорідності; å å å A Sn , j S n - амплітуда та фаза, визначені методом фазометри. Вирішення цієї частини задачі можливе за рахунок використання результатів імпульсної рефлектометрії. З рефлектограми визначається відстань 4, з якої можна визначити окрему фазу j k 2p × lk , l де l - довжина хвилі. Знаючи відносні рівні амплітуд з рефлектограми стає можливе визначити коефіцієнти відбитгів кожної неоднорідності та, відповідно, реальні амплітуди Uk . jk = Виміряні імпульсним методом відстані lk є приблизними величинами, похибка визначення яких визначається імпульсним методом. Використовуючи більш високоточні значення фазових вимірювань ( A S k , j S k ) за допомогою запропонованої системи рівнянь визначаються відстані lk з більшою точністю ніж у базовому імпульсному методі. Використання запропонованої системи рівнянь дозволяє підвищити точність визначення відстаней до неоднорідностей у лінії зв'язку із одночасним збереженням розрізнювальної здатності існуючого імпульсного методу. Приклад функціональної схеми пристрою, за допомогою якого здійснюється спосіб виконання способу визначення довжини електричної лінії передачі до місць пошкоджень показано на фігурі. Пристрій містить генератор 1 регульованої частоти, пристрій керування та обчислення 2, який містить засоби обміну даними та індикації, генератору імпульсів 3, генератор сигналів із прямокутним спектром 4, аналоговоцифровий перетворювач 5, комутатор 6, пристрій узгодження і розділення 7, досліджувана лінія 8 та узгоджене навантаження 9. Вихід генератора регульованої частоти 1 з'єднано до генератора імпульсів 2 та генератора сигналів із прямокутним спектром 4. Виходи генераторів 2 та 4 підключені до комутатора 6, вихід якого під'єднано до входу пристрою узгодження 7. Вихід пристрою узгодження 7 під'єднано до досліджуємої лінії 8, інший кінець якої навантажено на узгоджене навантаження 9. Вихід від пристрою узгодження 7, генератора імпульсів 3 та генератора сигналів із прямокутним спектром 4 під'єднано до аналогово-цифрового перетворювача 5. Пристрій керування та обміну 2 під'єднано до генератора керованої частоти 1, генератора імпульсів 3, генератору сигналів із прямокутним спектром 4, комутатора б та аналогово-цифрового перетворювача. Спосіб визначення довжини електричної лінії передачі до місць пошкоджень електричної лінії здійснюється наступним чином. На початку вимірювання, пристрій керування 2 перемикає комутатор 6 на вихід генератора імпульсів 3. Генератор змінної частоти 1 встановлюється на необхідну частоту задавання імпульсів генератора імпульсів 3. Пристрій керування за допомогою аналогово-цифрового перетворювача визначає початкові відстані до неоднорідностей у лінії, амплітуду та фазу для кожної неоднорідності. Після цього, пристрій керування перемикає комутатор на вихід генератора сигналів із прямокутним спектром 4, встановлює необхідну частоту формування сигналів генератора змінної частоти 1. За допомогою аналоговоцифрового перетворювача визначаються сумарна фаза та амплітуда вхідного сигналу. За допомогою представленої вище формули, використовуючи результати імпульсної рефлектометрії та фазової дальнометрії, пристрій керування виконує розрахунки уточнених відстаней до неоднорідностей у лінії зв'язку. Джерела інформації 1. Патент України №34710 А. Кл. G01R31/08 від 15.03.2001р. Спосіб визначення довжини електричної лінії передачі до місця пошкодження / Ю.О. Скирута, О.Ю. Кузнецов // Бюл. - 2001. -№2 2. А.С. 930224 /СССР/. Устройство для измерения фазового времени задержки сигналов / В.Г. Баженов, Е.К. Батуревич, С.М. Маевский. - Опубл. В Б.И., 1982, №19 3. Исследование объектов с помощью пикосекундных импульсов / Г.В. Глебович, А.В. Андриянов, Ю.В. Введенский и др.; Под ред. Г.В. Глебовича. - М.: Радио и связь, 1984. -256с., ил. 4. Маевский С.М., Баженов В.Г., Батуревич Е.К., Куц Ю.В. Применение методов фазометрии для прецизионного измерения расстояний. - Киев: Вища школа. Изд-во при Киев. ун-те, 1983. 84с. 5. Кинкулькин И.Е., Рубцов В.Д., Фабрик М.А. Фазовый метод определения координат. М.: Советское радио, 1979. - 280 с. 6. Маевский С.М., Батуревич Е.К., Баженов В.Г., Грохольский Е.В. Прецизионное измерение электрической длины кабельных линий связи. Фазовые методы измерений в радиотехнике. Тр. РИ АН СССР, 1977, №27, с. 110114. 7. Верник С.П., Кушнир Ф.В., Рудницкий В.Б., Повышение точности измерений в технике связи. -М.: Радио и связь, 1981, с. 149-150.