Обнаружение неисправностей оптического кабеля

1. Виды неисправности оптического кабеля

В оптической части различных подсистем кабельных сооружении в процессе ввода в действие и во время текущей эксплуатации могут возникнуть следующие неисправности:

  • повреждение или обрыв кабеля;
  • увеличение затухания в разъемах;
  • повреждение коммутационных шнуров;
  • неправильное подключение коммутационных и оконечных шнуров.

Повреждения кабеля возникают в результате таких механических, термических и химических воздействий, которые выходят за рамки технических условии (ТУ) на конкретное изделие. Механические повреждения появляются в тех ситуациях, когда кабель подвергается недопустимо большим тянущим, срезающим или раздавливающим усилиям, а также из-за нападения грызунов.

Первой задачей обслуживающего персонала является локализация места повреждения. Его проще всего обнаружить оптическим рефлектометром или локатором. Достаточно часто на практике встречаются ситуации, когда кабельный тракт состоит из нескольких стационарных линий, которые соединены между собой шнурами на оптических кроссах. В этом случае анализ рефлектограммы может быть затруднен из-за большого количества отражений и массового появления так называемых фантомов. Тогда рекомендуется проверить рефлектометром каждую стационарную линию в отдельности.

Данный прием по локализации места повреждения оказывается полезным также в тех случаях, когда в распоряжении обслуживающего персонала нет полномасштабного рефлектометра и измерения выполняются посредством автоматического измерителя или обычного оптического тестера. К близкому обрыву или повреждению волокна относятся те неисправности на начальном участке световода (на расстоянии не более 15 м от конца), которые приводят к заметному увеличению затухания сигнала, однако не могут быть обнаружены рефлектометром в связи с наличием мертвой зоны, возникающей из-за конечной длительности зондирующего импульса.

В отличие от загрязнения, его характерным отличительным признаком достаточно часто является очень большое (10 дБ и выше) превышение норм по величине допустимого затухания в проверяемой линии. Легче и быстрее всего близкий обрыв выявляется с помощью визуализатора дефекта или же посредством тестирования рефлектометром в режиме максимального разрешения с использованием нормализующей катушки.

При обнаружении близкого обрыва рекомендуется заново установить вилку оптического разъема с использованием технологического запаса длины волокна. Волоконно-оптические кабели служат в основном для организации магистральных подсистем СКС (Структурированная кабельная система (Structured Cabling System, SCS)). Стационарные линии магистральных подсистем отличаются достаточно большой длиной.

В тех ситуациях, когда протяженность кабеля превышает 300 м, что характерно в первую очередь для подсистемы внешних магистралей, замена поврежденного кабеля новым обычно не производится, и ремонт выполняется с помощью промежуточных муфт. Когда рядом с точкой повреждения имеется запас кабеля, то устанавливается одна муфта. Во всех остальных случаях на место поврежденного участка укладывается кабельная вставка, и монтируются две промежуточные муфты.

Сращивание световодов в муфтах осуществляется сваркой или механическими сплайсами. Потенциально данная операция может быть выполнена также с помощью обычных разъемов, причем в зависимости от местных условий и конструкции муфты выбирается схема соединения interconnect или cross-connect.

Тип муфты (обычная коробка, герметичная конструкция и т. д.) выбирается в зависимости от конкретных условий в месте ее установки.

Проблемы в волоконно-оптических линиях могут возникать по целому ряду причин. Очень частая проблема — неполное вхождение штекера в разъем. Такой штекер сложно заметить на заполненной патч-панели. Кроме того, причина может крыться в качестве самого разъема — плохая геометрия поверхности, не соответствующая параметрам, определенным в стандартах IEC PAS 61755-3, в том числе плохая полировка, неправильная высота волокна, радиус изгиба или смещение верхней части.

Еще более частая причина — плохое оконечное соединение: воздушные зазоры и высокие вносимые потери или царапины, дефекты и загрязнения на поверхности разъема. Известно, что основной причиной неполадок в волоконно-оптических линиях остаются загрязнения. Пыль, отпечатки пальцев и другие маслянистые вещества вызывают чрезмерные потери, а иногда и полностью повреждают поверхность разъемов.

Нельзя исключать и неправильное сращивание световодов, отклонение от сносности и неверную полярность. Плохая укладка кабеля может создавать напряжение на разъеме, вызывая его смещение. Штекер может быть неправильно вставлен и соединен с ответной частью. Иногда причинами неисправностей становятся сломанные защелки на разъемах или переходниках. В самом кабеле волокно, возможно, подвергалось микро или макроизгибам или было в каком-то месте повреждено.

Причиной вносимых потерь и плохих характеристик может быть и общее устройство кабельной системы. Даже если все разъемы высокого качества, не загрязнены и правильно терминированы, но на один канал приходится слишком много соединений, то потери могут превышать значения, указанные в спецификации, для конкретного варианта применения.

То же самое касается многомодового волокна в случае нарушения ограничений на расстояние, что приводит к высоким межмодовым искажениям.

Классификация видов повреждений оптического кабеля.

Виды повреждений оптических кабелей (ОК) классифицируют как:

  • одиночный обрыв ОК;
  • обрыв ОК в нескольких местах;
  • повреждение ОК с обрывом всех или части ОВ и с сохранением целостности защитных покровов;
  • повышенное затухание ОВ;
  • работоспособности ОВ при сохранении целостности металлических бронепокровов;
  • повреждение наружной полиэтиленовой оболочки ОК с сохранением работоспособности ОВ при нарушении целостности бронепокровов.

Классификация причин повреждений ОК.

Основными причинами повреждений подземных ОК являются:

  • механические повреждения ОК при выполнении строительно-монтажных работ сторонними организациями в пределах охранных зон кабельной линии, а также в результате актов вандализма (как правило, это локальные, визуально наблюдаемые повреждения);
  • механические повреждения ОК от перемещения грунтов (обвалы, пучения, оползни, селевые потоки и т.д.). Как правило, это в пределах одной-двух строительных длин оптического кабеля;
  • повреждения ОВ за счет старения или попадания в сердечник кабеля влаги; повреждения кабелей от грозовых воздействий (при наличии металлических элементов в конструкции оптического кабеля);
  • повреждения ОК от воздействия грызунов, пожаров и т.д.

Перечисленные виды повреждений ОК требуют организации коротких (от 50 м) и протяженных (до 7 км) оптических кабельных вставок.

В свое время было проведено статистическое исследование причин повреждения волоконно-оптических кабелей, результаты которого в виде круговой диаграммы приведены на рисунке 1.

Статистика причин повреждений и простоев в работе ВОЛС

Рисунок 1Статистика причин повреждений и простоев в работе ВОЛС

2. Определение нужного измерительного прибора и его настройка

Виды и средства измерений для волоконно-оптических линий связи (ВОЛС).

В процессе строительства и технической эксплуатации ВОЛС проводится комплекс измерений для определения состояния кабелей, линейных сооружений, качества функционирования аппаратуры линейного тракта, предупреждения повреждений, а также накопления статистических данных с целью разработки мер повышения надежности связи.

Параметры и характеристики ОК и аппаратуры ВОЛС, измеряемые в условиях их производства, оформляются в виде паспортных данных, которые должны соответствовать действующим нормам ГОСТ и ТУ. Проверка на указанное соответствие выполняется при входном контроле. На этапе строительства ВОЛС в целях контроля качества строительства и связи измеряют затухание ОВ на строительных длинах и смонтированных участках регенерации; затухание, вносимое соединениями ОВ; уровни мощности оптического излучения на выходных, передающих и входных приемных оптоэлектронных модулях; коэффициент ошибок, при необходимости устанавливают места повреждений.

При наличии в ОК металлических проводников производят измерения и испытания в соответствии с ТУ на кабель параметров электрических цепей, в частности, измерение электрического сопротивления изоляции металлических элементов и наружной оболочки; испытание (изоляции между жилами, жилами и остальными металлическими элементами, металлической оболочкой и броней, броней и водой и т. п.) на постоянном или переменном токе повышенным напряжением.

Измерительную аппаратуру чаще всего размещают в специально приспособленных автомашинах, что позволяет ускорять процесс монтажа и строительства. В процессе эксплуатации измерения выполняются для определения технического состояния линейных сооружений и аппаратуры, предупреждения и устранения повреждений. Их разделяют на профилактические, контрольные и аварийные.

Профилактические измерения проводятся по утвержденному плану. Состав, объем, и периодичность измерений устанавливаются в зависимости от местных условий, состояния кабеля и т. д.

Контрольные измерения и испытания осуществляют после ремонта для определения качества ремонтно-восстановительных работ.

Аварийные измерения проводятся для определения места и параметра повреждения кабеля.

Согласно состав измерений и испытаний для ВОЛС на этапах строительства и эксплуатации приведен в таблице 1.

Таблица 1 – Состав основных измерений и испытаний на этапах строительства и эксплуатации ВОЛС

Состав основных измерений и испытаний на этапах строительства и эксплуатации ВОЛС

Для пассивных компонентов ВОЛС (ответвителей, аттенюаторов фильтров, разъемов) приходится контролировать спектральные характеристики и затухание отражения Результаты измерений и испытаний, проводимых на этапах строительства и эксплуатации ОК и линейных трактов ВОЛС, проверяют на соответствие нормам параметров и характеристик, указанных в ГОСТ и ТУ.

Замер сопротивления изоляции токопроводящих жил.

Измерение величины сопротивления изоляции токопроводящих жил в кабелях связи до прокладки позволяет определить наличие в нем скрытых повреждений, причиной которых стала неправильная транспортировка. Контрольные замеры после прокладки дают возможность выявить возможные нарушения целостности изоляции после окончания монтажных работ. Конкретные значения сопротивлений изоляции регламентируются нормативно-техническими документами, в том числе ГОСТ 15125-92. Измерения проводятся цифровыми или стрелочными мегомметрами, а также при помощи ранее описанных приборов типа ИРК-ПРО. Анализ результатов измерений выполняется с учетом влажности воздуха, температуры в момент замера и длины кабельной линии.

Целостность экрана и отсутствие обрывов в жилах (Рис 2).

Контрольные испытания по выявлению оборванных жил в кабеле должно выполняться как до монтажа линии, так и после ее прокладки. Такая проверка требует проведения предварительных работ, включающих удаление оболочки и поясной изоляции с обоих концов испытуемого кабеля.

Схема проверки целостности экрана и отсутствия обрывов в жилах кабеля

Рисунок 2 – Схема проверки целостности экрана и отсутствия обрывов в жилах кабеля

Длина зачищаемого участка, в зависимости от конкретных условий, колеблется от 150 до 400 мм. Следует помнить, что нити или ленты, которые скрепляют элементарные пучки кабеля, а также их повивы разрезать не следует.

После удаления части оболочки и лент поясной изоляции необходимо на любом из концов кабеля со всех жил удалить изоляцию и выполнить соединение оголенных жил между собой посредством медного неизолированного провода. Закороченные между собой жилы соединяются с металлической оболочкой кабеля или его экраном.

Наличие обрыва проводят при помощи микротелефонной трубки и источника питания со стороны с не закороченными жилами. Для этого экран или металлическая оболочка кабеля через независимый источник питания (батарею элементов, аккумулятор) подключается к одному выводу микротелефонной трубки, а свободный вывод последовательно прикладывается к каждой жиле. Отсутствие щелчка в динамике свидетельствует о наличии обрыва в исследуемой жиле.

Наличие коротких замыканий («сообщений») (Рис.3).

Исследование кабеля на возможное наличие «сообщений» токоведущих жил между собой или с экраном (металлической оболочкой) проводится со стороны закороченных жил.

Схема проверки на наличие коротких замыканий жил кабеля

Рисунок 3 – Схема проверки на наличие коротких замыканий жил кабеля

Как и при определении возможного обрыва один вывод микротелефонной трубки через источник питания подключается к экрану (металлической оболочке). Далее от общего закороченного пучка поочередно отделяют жилу, к которой присоединяют второй конец трубки. Звуковой щелчок в динамике является индикатором того, что эта жила закорочена на соседнюю или металлическую оболочку (экран) кабеля.

Поврежденные жилы, выявленные в результате проверки на обрыв и короткое замыкание, отделяются от других и маркируются. Результат проверки кабелей связи заносятся в журнал с указанием повива, пучка и пары, в которых выявлен дефект, а также типа повреждения.

Замер сопротивления изоляции наружного защитного шланга кабелей с металлической оболочкой.

Эти испытания позволяют обнаружить наличие повреждений защитного шланга. Производятся при помощи мегомметров или специального прибора типа ИРК-ПРО.

Проводимые контрольные измерения позволяют выявить повреждения внутри кабелей связи и определить пути их устранения.

3. Выполнение работы с рефлектометром, передатчиком , приемником и соблюдение техники безопасности

Наиболее универсальным и информативным методом измерений параметров ОВ, ОК и ВТ является метод обратного рассеяния (МОР). Приборы, основанные на МОР, называются оптическими рефлектометрами (ОР). Впервые идею использования обратного рэлеевского рассеяния в кварцевых ОВ при их зондировании короткими оптическими импульсами для исследования ОВ предложили американские ученые Барноски и Персоник. Для импульсных ОР в зарубежной литературе принята аббревиатура OTDR (Optical Time Domain Reflectometerоптический рефлектометр во временной области).

Метод обратного рассеяния обладает весьма ценными для практики свойствами:

  • возможность по одной рефлектограмме определять одновременно целый ряд основных параметров ВТ;
  • возможность измерения при одностороннем доступе к ВТ;
  • возможность измерения не только общего затухания, но и распределения потерь вдоль ВТ;
  • возможность выявления дефектных, например, замокших участков, характеризующихся скачкообразным изменением сигнала обратного рассеяния;
  • возможность диагностирования текущего состояния ВТ и прогнозирования аварийных ситуаций путем сравнения только что зарегистрированной и паспортной рефлектограмм ВТ.

Оптические рефлектометры позволяют измерять расстояние до места неоднородности, затухание и коэффициент затухания оптического кабеля, потери в местах сварки и неразъемных соединителях, затухание отражения от мест сосредоточенной неоднородности и т.н. Принцип измерений оптических рефлектометров во временной области (OTDR) состоит во введении оптического импульса в один конец оптического волокна, чтобы подвергнуть анализу и наблюдению на том же конце волокна оптическую энергию, прошедшую через волокно в направлении, противоположном распространению импульса.

Форма определяемого сигнала уменьшается по экспоненте, что типично для обратного рассеяния, с накладывающимися друг на друга пиками (всплесками на рефлектограмме) из-за отражений от концов оптического волокна или других мест изменения коэффициента отражения. (Рис. 2).

Для определения местоположения неоднородностей рефлектометр измеряет только время. Следовательно, чтобы определить расстояние до места их расположения, нужно ввести групповую скорость распространения. Это делается путем введения в прибор коэффициента отражения оптического волокна.

Современные оптические рефлектометры обеспечивают такие функции и возможности, как:

  • большой динамический диапазон при малом времени усреднения;
  • высокая разрешающая способность и возможность измерений на линиях большой протяженности;
  • высокая точность определения места повреждений;
  • измерение как в ручном, так и в автоматическом режимах;
  • автоматическая установка параметров прибора в зависимости от характеристик оптического волокна для достижения максимальной точности;
  • представление результатов измерений в виде графика или таблицы;
  • минимальное затухание «мертвой зоны»;
  • наличие режима измерения затухания отражения от мест сосредоточенной неоднородности на линии;
  • наличие режима сравнения двух и более рефлектограмм;
  • работа в режиме дистанционного управления и др.

Рефлектометры массой менее 5 кг, предназначенные для использования как при строительстве и эксплуатации ВОЛС, так и в полевых условиях, называют мини рефлектометрами. Необходимо отметить, что тип оптического рефлектометра следует выбирать в зависимости от требуемого динамического диапазона, измеряемого расстояния, решаемых измерительных задач и других конкретных требований.

Порт рефлектометра совмещает функции передатчика и приемника. Источник отправляет в сегмент импульсы определенной мощности и продолжительности, затем отключается, и на том же порту начинает работать фотоприемник.

Последний регистрирует мощность сигналов, отразившихся от различных препятствий в волокне, фиксирует время их поступления и «путешествия» в волокне и выдает результаты в виде графика — рефлектограммы с обнаруженными в сегменте событиями. Время регистрации событий пересчитывается в расстояние, которое откладывается по горизонтали в метрах или километрах.

Обнаружение повреждения с помощью импульсов тока.

При использовании метода импульсного тока в кабель подается импульс напряжения, чтобы в месте повреждения спровоцировать пробой. Этот пробой приводит к возникновению переходной волны, которая несколько раз проходит между местом повреждения и концом кабеля. При этом в каждой точке отражения она меняет свою полярность, поскольку в обоих случаях речь идет о низкоомных соединениях.

Схема обнаружения повреждения с помощью импульсов тока.

Рисунок 2 – Схема обнаружения повреждения с помощью импульсов тока

На основании интервала времени, с которым повторяется это отражение, можно определить расстояние до места повреждения. Такой метод лучше всего предназначен для работы с длинными кабелями, поскольку распространяющийся по кабелю импульс очень широк (высокая энергия импульса). У коротких кабелей множественные отражения накладываются друг на друга, что не позволяет определить временной интервал.

Однако при использовании с длинными кабелями метод импульсного тока даёт хорошие результаты предварительной локализации дефектов. Для анализа переходного импульса служит индуктивный датчик, регистрирующий ток в кабельной оболочке. Сигналы датчика отображаются с помощью импульсного рефлектометра.

На основании интервала времени между вторым и третьим, или между третьим и четвертым импульсом можно рассчитать расстояние.