Как показали исследования [52—54], фазочастотные характеристики (ФЧХ) волновых каналов силовых КЛ для частот f>30 кГц с достаточно высокой точностью аппроксимируются прямой линией. Это означает, что фазовая скорость для f>30 кГц практически остается неизменной. Для разных волновых каналов одной и той же КЛ скорости распространения весьма близки (их различие значительно меньше 1 %). Это физически объясняется экранированием электромагнитного поля металлической наружной оболочкой, препятствующей проникновению энергии в грунт.
Линейность ФЧХ может быть принята для КЛ с резиновой, пластмассовой и бумажно-масляной (пропитанной) изоляцией. В [54] показано, что для КЛ с этими же видами изоляции амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) единообразны и для любых волновых каналов аппроксимируются с приемлемой точностью экспонентой. На рис. 6.2 приведены примеры нормированных АЧХ кабельных линий.
Единообразный и достаточно близкий к монотонному характер АЧХ КЛ обеспечивает возможность согласования частотного спектра зондирующего импульса с этой АЧ-Х. Задача согласования сводится к подбору формы и длительности τз зондирующего импульса; при которых основная часть амплитудного спектра отраженного импульса S0 (ω) по подавляющей части энергии расположена в той же полосе частот, что и спектр зондирующего импульса Sз (ω): S0(ω)=Sз(ω)К(ω), где К (ω) — коэффициент передачи участка волнового канала КЛ длиною 21 (для двойного пробега импульса).
При прямоугольном зондирующем видеоимпульсе длительностью τз кабельная линия длиной l является оптимальным фильтром, если отраженный от ее короткозамкнутого или открытого конца импульс, вернувшись к началу, превратится в квазитреугольный длительностью по основанию примерно 2τ3 (рис.6.3).
Рис. 6.2. Нормированные АЧХ волновых каналов кабельных линий.
а — канал «жила—жила» кабеля СБ3Х120, 10 кВ, l= 10 м; б — канал «три жилы — оболочка» того же кабеля; в — канал «жила—жила» кабеля ШРПЛ3х0,75, 1 кВ, l=15 м.
Для участка любой длины lлюбого волнового канала существует своя критическая длительность τκρ=τз, при которой этот участок представляет собой оптимальный фильтр.
С ростом длительности τ3 при постоянной амплитуде зондирующего импульса повышается чувствительность, т. е. дальность измерений, так как увеличивается амплитуда отраженного импульса. Одновременно уменьшается разрешающая способность, так Как отраженный импульс удлиняется и отражения от соседних неоднородностей накладываются друг на друга. На рис. 6.4 это повышение чувствительности показано в виде отношения амплитуд Ао/Аз отраженного и зондирующего импульсов, здесь же рассмотрено и снижение разрешающей способности в форме отношения некоторой минимальной для данной КЛ длительности τo,minί, к длительности отраженного импульса τo, соответствующей заданному значению τа.
добиться уменьшения длительности отраженного импульса.
Отраженный импульс становится однополярным. Для каждой длины двойного пробега 2l существует значение п, когда отраженный импульс минимален по длительности, т. е. обеспечивается максимальная разрешающая способность. На лицевую панель искателя выводится ручка потенциометра «Компенсация», плавно регулирующая амплитуду второго импульса. Компенсируется повышенное затухание более высоких частотных составляющих. По сравнению с зондированием монополярным импульсом разрешающая способность повышается в 5,4 раза.
На рис. 6.6 показаны сигналы, отраженные от двух шунтирующих сопротивлений (Rш1=200 Ом и Rш2=420 Ом), имитирующих утечки на расстояниях 1x1=100 м 1x2= 120 м. Волновое сопротивление испытываемого кабеля РПШ-0,75X2 всего несколько десятков Ом, поэтому отыскание таких утечек достаточно сложная задача. При отсутствии компенсации (рис. 6.6, кривая а) выявить наличие второй (более удаленной от места измерения) утечки не представляется возможным.
Видно лишь незначительное изменение кривизны хвоста импульса, отраженного от первой утечки. Введение компенсации с п = 0,6 (рис. 6.6, кривая б) позволяет четко зафиксировать вторую утечку в виде отдельного отраженного импульса. Впервые двух полярный импульс с регулированием величины п применен в неавтоматических искателях типа Р5-10.
Рис. 6.7. Упрощенные импульсные характеристики для КЛ с дополнительно включенными сосредоточенными элементами, имитирующими неоднородности волнового сопротивления.
Для выделения полезного импульса, т. е. отраженного от МП, на фоне множества импульсов, отраженных от неоднородностей КЛ, эффективно использовать в качестве зондирующего сигнала наложение видеоимпульса (короткого импульса) на единичную ступень напряжения [54]. При этом ступень напряжения позволяет различить повреждение от неоднородностей, а короткий импульс обеспечивает высокие точность отсчета и разрешающую способность. Дело в том, что за местом повреждения меняется уровень напряжения при воздействии ступени напряжения. На рис. 6.7, а и б, где показаны импульсные характеристики (ИХ), хорошо видно такое изменение уровня. На рис. 6.7, в и д уровень ступени напряжения не изменяется (лишь кратковременные выбросы отражают влияние реактивности неоднородностей). На рис. 6.7, г уровень меняется, так как включение конденсатора в рассечку КЛ для длинного импульса равносильно обрыву.
На рис. 6.10, б показана ИХ, полученная при использовании наложения короткого зондирующего импульса (τ3 = 1 мкс) на ступень напряжения. Отчетливо видны отражения от обрыва (конца КЛ) и соединительных муфт, и при этом обеспечено сохранение крутизны отраженных импульсов, т. е. точность отсчета.
Рис. 6.10. Импульсные характеристики КЛ с двумя соединительными муфтами при зондировании ступенью напряжения (а) и способом наложения короткого импульса на ступень напряжения (б).
Для сравнения на рис. 6.10, а показана ИХ при зондировании только ступенью напряжения. Отражения от муфт почти не видны. Точность отсчета низкая, так как от места обрыва (конца КЛ) отражение получается с пологим фронтом. Рисунок 6.10 наглядно демонстрирует достоинства использования сложного (комбинированного) зондирующего сигнала «ступень—короткий импульс». Впервые такие сложные сигналы использованы в приборе Р5-10.
Таким образом, близким к оптимальному по форме для ОМП силовых КЛ является видеоимпульс, полученный наложением короткого двухполярного импульса на единичную ступень напряжения. Для ОМП каждой конкретной КЛ существует оптимальная длительность короткого импульса и значение коэффициента коррекции п, обеспечивающего максимальную разрешающую способность. Это положение справедливо и для контрольных кабелей, а также кабелей связи.
Для ВЛ характерным является значительное различие в скоростях распространения, т. е. различие ФЧХ волновых каналов. Скорости распространения и степени их различия изменяются и по частоте. Главным образом это определяется влиянием проникновения электромагнитного поля в грунт. Поэтому при неавтоматической локации ВЛ длительность видеоимпульса имеет существенно меньшее значение, чем для КЛ. Использование двухполярного импульса способствует повышению разрешающей способности. Однако достижимый эффект меньше, чем для КЛ. Что касается ступени напряжения, то ее подать практически удается лишь на короткие ВЛ. На отключенных достаточно длинных ВЛ имеются, как правило, наводки напряжения промышленной частоты и ее гармоник. Для отстройки от их влияния приходится использовать частотные фильтры, что исключает практическую возможность подачи ступени напряжения на ВЛ.
При автоматической локации присоединение генератора зондирующих импульсов к ВЛ осуществляется через конденсатор связи ограниченной емкости. Включение видеоимпульса на цепочку, состоящую из конденсатора
емкостью С и линии с волновым сопротивлением Ζ, вызывает заряд конденсатора с постоянной времени ZC в период возрастания напряжения видеоимпульса и его разряд с той же постоянной времени в период спадания напряжения видеоимпульса. При типичных значениях С= (1,5:10)·103 пкФ и Ζ=250:400 Ом постоянная времени составляет 0,5—4 мкс, что не только исключает возможность использования для зондирования ступени напряжения, но и видеоимпульсов вообще.
Поэтому для автоматической локации могут применяться только радиоимпульсы. Последовательно с конденсатором связи включается фильтр присоединения, и эта цепочка должна обеспечивать пропускание полосы частот, которая соответствует 80—90 % энергии спектра зондирующего радиоимпульса. Включаемый в рассечку ВЛ заградитель должен заграждать соответствующую полосу частот. Поскольку затухание радиоимпульсов на ВЛ приближенно описывается экспоненциальной зависимостью, то существование оптимальной длительности огибающей радиоимпульса справедливо в той же мере, что и оптимальной длительности видеоимпульса на КЛ.
Таким образом, для автоматической локации на ВЛ оптимальным является радиоимпульс, длительность огибающей которого определяется дальностью измерений и характеристиками ВЛ.