杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所 龔靜康 萬 東 王劍輝

隨著社會發(fā)展，生產(chǎn)力的不斷提升，在通信和電力供應(yīng)中，各種電纜得到廣泛的應(yīng)用。為保障電纜的正常使用，電纜故障的檢測與定位是通信和電力供應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)。絕緣電阻的測量是電纜故障檢測的重要手段，然而近年來電纜數(shù)目與電通道數(shù)目不斷增加，給電纜故障檢測與定位帶來了極大的難度。

隨著電纜故障檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員對檢測方法也在不斷地推陳出新，例如GPS定位法、小波變換法、溫度檢測法、功率平衡法等。這些方法檢測精度在不斷的提升，手段也在不斷的革新，但這些方法目前在工程檢測中無法達(dá)到實施方便、成本適中等要求。目前主流的檢測方法主要包括：雙端檢測法、頻域反射法，以及時域反射法。

雙端檢測法利用設(shè)置于故障電纜兩端的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的功率差來識別故障的檢測方法。雙端檢測法原理簡單、使用方便、開發(fā)成本低，但該方法不具備故障定位的能力；同時由于需要在電纜兩端安裝檢測設(shè)備，因此要分別對兩端檢測設(shè)備供電，而在實際工程中，很難解決該問題。針對雙端檢測算法不具備故障定位能力的問題，研究人員提出了多種改進(jìn)方法，主要有基于簡單通信的雙端檢測法、基于改進(jìn)參數(shù)的雙端檢測法等等。雖然這些方法可以進(jìn)行故障定位、同時精度也有所提升，但這些方法都是在雙端檢測法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，其不足之處在于雙端檢測法其硬件要求必須是在線路兩端同時設(shè)置至少一臺設(shè)備。

在使用時域反射法和頻域反射法定位電纜故障時，只需在電纜的一端設(shè)置檢測設(shè)備。時域反射法（TDR,Time Domain Reflectometry）利用向通信電纜一端發(fā)射的電壓脈沖和接收到的反射脈沖之間的時間差以及脈沖信號在通信電纜中的傳輸速度計算得到故障點(diǎn)位置。研究人員楊玉萍曾利用時域脈沖反射法，實現(xiàn)了電纜故障的檢測與定位，定位誤差小于1m。

頻域反射法（FDR,Frequency Domain Reflectometry）的概念于上世紀(jì)七十年代就提出，之后即應(yīng)用于復(fù)雜的軍用測試系統(tǒng)中。其檢測原理是在待測電纜一端輸入一個掃頻信號，并將其反射信號的測量數(shù)據(jù)經(jīng)過快速傅里葉逆變換轉(zhuǎn)換為時域信息。然后，根據(jù)信號在電纜中的傳播速度就可以計算出故障點(diǎn)位置。研究人員分析了影響該測量方法誤差的主要因素。并通過大量仿真實驗研究出了頻域反射法對于單根電纜上存在兩處故障時的檢測能力。

目前，在實際進(jìn)行絕緣電阻測量時，大多采用的都是兆歐表簡單測量。但在很多場合下故障檢測人員需對設(shè)備進(jìn)行多芯及不同耐壓條件下的測試，對于傳統(tǒng)的兆歐表只可以產(chǎn)生單一電壓，并逐根檢測，耗時且效率極低，因此遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實際要求。研究絕緣電阻的快速測量，是提高設(shè)備維護(hù)效能的有效手段。研究人員通過大量試驗，設(shè)計并實現(xiàn)絕緣電阻多路自動循環(huán)檢測系統(tǒng)，通過該方法提高了絕緣電阻的測量效率，該方法的不足之處在于該系統(tǒng)并不能實現(xiàn)電纜任意兩通道之間的絕緣電阻測量。

本文采用時域反射法實現(xiàn)電纜的故障檢測與定位，并針對傳統(tǒng)多通道絕緣電阻測量方法效率低的問題，提出了一種并行測量多芯電纜絕緣電阻的方法。

1 測試原理

1.1 絕緣電阻測試

絕緣電阻測試用來檢測兩個或兩組絕緣導(dǎo)線之間的絕緣電阻值，判斷絕緣導(dǎo)線之間是否有絕緣電阻低或?qū)Ь€短路的故障。系統(tǒng)利用歐姆定律來實現(xiàn)絕緣電阻的測試，給被測絕緣體之間施加一個已知高電壓，測試絕緣體之間的漏電流，通過歐姆定律計算得到絕緣體間的絕緣電阻值。與萬用表的電阻測試原理的主要區(qū)別是，絕緣電阻測試要求的加載電壓較高，屬于高壓測試。

圖1所示為絕緣電阻測試原理。因絕緣電阻測試的加載電壓一般較高、測試電流小，直流電源模塊需要選用專用高壓發(fā)生器，電流表需要選用微安級小電流測試模塊。

圖1 絕緣電阻測試原理

1.2 故障定位方法

本系統(tǒng)中采用TDR（時域反射法,Time Domain Reflectometry）法來實現(xiàn)被測故障電纜的故障點(diǎn)定位。本方法可以根據(jù)電纜中的傳輸線阻抗變化對短路故障點(diǎn)和斷路故障點(diǎn)的位置進(jìn)行快速定位。

時域反射法又稱為脈沖反射法或雷達(dá)法，最早應(yīng)用于長途電話線的故障檢測，目前該方法主要應(yīng)用于電纜故障檢測和定位，同時也被運(yùn)用于防災(zāi)、預(yù)警，以及土壤水含量分析等領(lǐng)域。該方法主要在通信電纜的一端設(shè)置信號發(fā)射和接收裝置，并發(fā)射電壓脈沖信號，同時接收脈沖的反射信號，通過計算接收到的反射脈沖與發(fā)射脈沖的時間差，同時利用脈沖信號在該同型號正常電纜中的傳輸速率計算得到故障點(diǎn)位置。

圖2所示，在傳輸線理論中，信號在電纜中會以接近光速的某一個固定速度V進(jìn)行傳輸，當(dāng)遇到傳輸線的特性阻抗發(fā)生變化的地方，信號就會發(fā)生反射，在信號的入射點(diǎn)可以觀察到反射回來的信號。

圖2 TDR故障定位原理

當(dāng)被測電纜發(fā)生故障時，在故障點(diǎn)的傳輸特性阻抗會發(fā)生變化，從而發(fā)生信號反射。在被測電纜的信號注入端，只要能夠測得發(fā)射信號和反射信號的時間差t，即可計算的到故障點(diǎn)距離電纜頭的距離S=V*t/2。

1.3 多點(diǎn)測試方法

多測點(diǎn)之間的絕緣測試耗時、耗工。若采用傳統(tǒng)的絕緣測試算法，對于N個測點(diǎn)的絕緣測試，要實現(xiàn)任意兩點(diǎn)之間的絕緣性測試，其總測試次數(shù)為：CN2。若N=10時，總測試測試為45次；N=30時，總測試次數(shù)為435次；N=87時，總測試次數(shù)為3741次，測試效率極低。

因此本文提出一種快速測試的多芯電纜之間絕緣電阻的測試方法。如圖3所示為被測電纜的多點(diǎn)測試原理，電纜測試的各測試功能集中在測試模塊中；測試模塊與開關(guān)模塊連接，通過開關(guān)模塊將測試信號連接到被測產(chǎn)品電纜的各個測點(diǎn)上；通過軟件程序控制開關(guān)模塊各通道開關(guān)的切換，即可自動實現(xiàn)被測線纜所有芯線的測試。

圖3 電纜多點(diǎn)測試原理

多芯電纜的絕緣測試時間由測試次數(shù)N和單次測試時間T決定。設(shè)計中采用一對多的測試邏輯（即一芯同時對其它所有芯測絕緣），可以有效降低總測試次數(shù)。如：對于一根36芯的電纜絕緣測試，要實現(xiàn)任意兩點(diǎn)之間的絕緣測試，傳統(tǒng)手動測試次數(shù)為：N=36×35/2=630（次），而使用本文方法所需的測試次35次，該方法可以極大地提升絕緣測試的速度。

1.4 故障定位精度

由于信號在不同電纜中的傳輸速度V有可能不一樣，所以不能用一個統(tǒng)一的傳輸速度來進(jìn)行所有電纜的故障定位。對不同的電纜，測試前需要對其傳輸速度比進(jìn)行校正（或調(diào)整），否則可能會帶來較大的誤差。電纜中信號傳輸速度的不均勻性對測試結(jié)果也會產(chǎn)生影響，本測量方法假定被測電纜中沿信號傳輸方向上信號的傳輸速度是均勻分布的。

2 實驗結(jié)果

2.1 絕緣測試時間

單次測試時間T主要由升壓時間、保壓時間組成。該參數(shù)一般設(shè)置在1-5s之間。同時受測試電壓U、被測電纜長度、被測電纜分布電容等諸多因素影響的。對于被測電纜固定的情況下，不管手動測試還是自動測試，該值基本是一致的。

假設(shè)，單次測試時間T=5s，則手動測試時間為：630×5=3150（s）=52.5（min）；測試儀測試時間為：36×5=180(s)=3(min)。所以，測試儀與手動測試相比，具有非常明顯的時間優(yōu)勢。

2.2 故障定位波形

被測電纜的故障主要有短路故障和斷路故障兩種故障。其分別對應(yīng)不同的故障波形。如圖4所示，斷路故障點(diǎn)的反射波形為向上凸起的波峰；如圖5所示，短路故障點(diǎn)的反射波形為向下凹陷的波谷。

圖4 斷路故障波形

圖5 短路故障波形

注意：1）故障點(diǎn)的實際位置不是波峰的最大值和波谷的最小值，而是波峰和波谷的變化的起始點(diǎn)；2）最靠近0m處的第一個波形不是需要測試的故障波形點(diǎn)。

故障定位是利用被測電纜上阻抗不匹配點(diǎn)的反射來進(jìn)行故障定位的。所以，若被測電纜上存在多處阻抗不匹配的位置時，反射波形上會有多個凸起的波峰或下陷的波谷。

2.3 故障定位精度

時域脈沖反射法主要是利用被測電纜故障點(diǎn)的特性阻抗不匹配的原理進(jìn)行故障點(diǎn)定位。對于同軸線纜、雙絞線等特性阻抗分布比較均勻的導(dǎo)線的測試，其定位效果較好。而對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的多芯電纜的定位，定位效果受特性阻抗的不一致性而產(chǎn)生波動，最終對定位的精度產(chǎn)生影響。圖6和圖7所示是我們從實際的測試數(shù)據(jù)中抽出的兩組數(shù)據(jù)。

圖6 同軸斷路故障點(diǎn)的測試效果

圖7 多芯電纜斷路故障測試效果

3 結(jié)論與總結(jié)

本文針對傳統(tǒng)多通道絕緣電阻測量方法效率低的問題，提出了一種并行測量多芯電纜絕緣電阻的方法，通過開關(guān)模塊將測試信號連接到被測產(chǎn)品電纜的各個測點(diǎn)上；并通過軟件程序控制開關(guān)模塊各通道開關(guān)的切換，實現(xiàn)被測線纜所有測點(diǎn)的自動測試，大大提高了多通道絕緣電阻測試的效率。另外分析了電纜類型對TDR方法故障定位精度的影響（包括同軸電纜和多芯電纜），實驗表明，同軸電纜測試的斷路和短路故障的精度明顯優(yōu)于多芯電纜。

對于同軸線纜、雙絞線等特性阻抗分布比較均勻的導(dǎo)線的測試，其定位效果較好。而對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的多芯電纜的定位，定位效果受特性阻抗的不一致性而產(chǎn)生波動，最終對定位的精度產(chǎn)生影響。對于一些特性阻抗一致性較好的電纜，其定位精度也會更好。