王 雷 孔羽姝 馬宏宇 張 恒 羅添元

(中車長春軌道客車股份有限公司高速動車組制造中心， 130062， 長春∥第一作者， 工程師)

高速動車組在制造過程中，因現(xiàn)場施工環(huán)境復(fù)雜，電纜破損現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。電纜敷設(shè)工作往往集中進(jìn)行，破損電纜極易被后續(xù)電纜掩蓋，靠外表觀察無法發(fā)現(xiàn)，而在后續(xù)裝配和調(diào)試的過程中，線纜也經(jīng)常出現(xiàn)被地面尖銳零件劃破、被后續(xù)施工損傷的情況。目前,電纜破損后查找破損點是使用人工外觀檢查方式，需要拆除車內(nèi)地板及其他裝配件，并將綁線支架上的所有電纜綁扎帶拆掉，將電纜逐根進(jìn)行梳理，極其耗費(fèi)人力、物力。 通過對不同領(lǐng)域的電纜故障檢測技術(shù)專利進(jìn)行分析，可以增強(qiáng)電纜故障檢測技術(shù)在高速動車組領(lǐng)域的應(yīng)用，提升企業(yè)創(chuàng)新力。

1 國內(nèi)外高速動車組電纜故障檢測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 電纜故障檢測技術(shù)專利申請數(shù)量趨勢分析

通過收集各領(lǐng)域電纜故障檢測技術(shù)關(guān)鍵詞和相關(guān)分類號，在IncoPat專利數(shù)據(jù)庫中以“2000—2020年”進(jìn)行檢索，得到如圖1所示的專利申請數(shù)量趨勢圖。由圖1可見，電纜故障檢測技術(shù)專利申請數(shù)量趨勢可以大致分為3個時期：①2000—2002年是第1快速發(fā)展期，主要是隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使電纜故障檢測技術(shù)突破了傳統(tǒng)的方式，進(jìn)入虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)時代；②2002—2009年進(jìn)入了緩慢發(fā)展階段，為下一個階段的快速發(fā)展作準(zhǔn)備；③2009年至今屬于第2快速發(fā)展期，網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的飛速發(fā)展，使電纜故障檢測技術(shù)突破了原有的瓶頸，且檢測方式亦更加多元化。

圖1 國內(nèi)外各領(lǐng)域電纜故障檢測技術(shù)專利申請數(shù)量趨勢圖Fig.1 Trend chart of cable fault detection technology patent applications in various fields of the world

1.2 電纜故障檢測技術(shù)發(fā)展歷程

專利申請數(shù)量及申請人數(shù)量的變化趨勢必定是由技術(shù)發(fā)展來推動的。根據(jù)檢索到的專利信息，梳理電纜故障檢測技術(shù)的發(fā)展歷程。電纜故障檢測設(shè)備是伴隨著先進(jìn)電子技術(shù)的出現(xiàn)而誕生的。電纜故障檢測技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個漫長的過程，20世紀(jì)70年代前，該技術(shù)主要是采用電橋法和低壓脈沖測距法(又稱“時域反射法”)。目前，電橋法及低壓脈沖測距法在檢測電纜的接地故障和開路故障方面相當(dāng)完善。然而，對于高阻故障(泄露高阻和閃絡(luò)高阻)的尋測，采用上述方法則是無能為力的，必須另辟蹊徑。盡管后續(xù)又出現(xiàn)了采用高壓電橋(輸出高壓為10 kV)檢測高阻故障，但大多還需“燒穿”，故障可測率很低。

為了打破電橋法對電纜故障檢測的限制，同時亦為了方便各種故障的測試，研發(fā)出了電纜故障檢測儀。該儀器的基本原理應(yīng)用了微波傳輸(雷達(dá)測距)理論，即脈沖法。無論低壓脈沖法還是高壓脈沖法，均依據(jù)微波在“均勻長線(電纜)”傳輸中某處(故障點)特性阻抗變化對電波的影響，來微觀地分析電波相位、極性及幅度等物理量的變化，通過檢測得到的電波傳輸?shù)焦收宵c的時間，從而計算出故障點的距離。但在電纜故障粗測過程中測試電壓的高低，取決于故障電纜絕緣損傷的程度。故障電纜電壓有時可能會升至3萬～4萬V才能使故障點擊穿獲得波形，結(jié)果往往使儀器不能承受高壓而損壞，甚至造成人身安全威脅，電纜故障檢測技術(shù)再一次遇到瓶頸[1]。

隨著計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)字化儀器和智能化儀器。在必要的數(shù)據(jù)采集硬件和通用計算機(jī)支持下，通過軟件來實現(xiàn)儀器的部分或全部功能。同時充分利用計算機(jī)強(qiáng)大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力，以實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的分析和顯示功能[2]。

1.3 電纜故障檢測技術(shù)研發(fā)預(yù)判

從整體而言，電纜故障檢測在2020年前后仍處于蓬勃發(fā)展時期，絲毫沒有衰退的跡象。未來，該技術(shù)的發(fā)展也將著重于全智能化電纜故障檢測的研究，該檢測技術(shù)將具有操作方便、一機(jī)多用、可自動控制、可支持遠(yuǎn)程技術(shù)服務(wù)、安全性好及準(zhǔn)確性高等特點。另外，電纜故障檢測技術(shù)的相關(guān)專利最早是在1907年英國申請的，而國內(nèi)的第1個與電纜故障檢測技術(shù)相關(guān)的專利是在1985年申請的。這說明中國的專利技術(shù)起步較晚，反之，則可能有大量的現(xiàn)有技術(shù)可以借鑒而具有后發(fā)優(yōu)勢。此外，大量專利技術(shù)并未在我國進(jìn)行布局，因此，我國的創(chuàng)新主體可以利用專利的地域性特點對這些專利技術(shù)進(jìn)行合理應(yīng)用。

2 電纜故障檢測技術(shù)專利構(gòu)成分析

2.1 電纜故障檢測技術(shù)分類

現(xiàn)階段電纜故障檢測技術(shù)主要分為反射信號檢測、行波故障測距、圖像識別、深海電纜、高壓電弧故障等5個分支。其中，反射信號檢測主要包括超聲波信號、電磁波信號、回波信號、發(fā)射信號、探測信號；行波故障測距主要包括離線行波測距、在線行波測距、脈沖法、閃絡(luò)法、暫態(tài)行波測距；圖像識別系統(tǒng)主要包括工業(yè)相機(jī)、圖像采集、連續(xù)檢測、故障識別、動態(tài)監(jiān)測儀；深海電纜主要包括光纖通信、海底光電復(fù)合纜、電纜故障測距、短路故障報警、光纜接線盒；高壓電弧故障主要包括接地故障定位、屏蔽層接地線、架空線、漏電故障。其中，反射信號檢測和行波故障測距是主要的研究方向。

2.2 電纜故障檢測核心技術(shù)分支

通過查詢科技創(chuàng)新情報平臺統(tǒng)計國際IPC(專利分類號)，對檢索結(jié)果進(jìn)行分析(見表1)。由表1可見，IPC為G01R的專利數(shù)量最多，占比為49.84%。其余核心技術(shù)還涉及：信號傳輸，緊急保護(hù)電路裝置，數(shù)字信息傳輸，電纜或電線的安裝/光電組合電纜或電線的安裝，供電或配電的電路裝置或系統(tǒng)/電能存儲系統(tǒng)，導(dǎo)電、絕緣或介電材料的選擇，借助于測定材料的化學(xué)或物理性質(zhì)來測試或分析材料，電數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理，信號裝置/呼叫裝置/指令發(fā)信裝置/報警裝置，一般的控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。

2.3 專利申請的密集點

對表1中的G01R技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行檢索，得到如表2所示的電纜故障主要檢測技術(shù)專利統(tǒng)計。從表2中可以看出，探測電纜、傳輸線或網(wǎng)絡(luò)中的故障方面的專利占比最大，為51.94%，其次是對電設(shè)備、電路或元件進(jìn)行短路、斷路、泄漏，以及不正確連接方式的檢測專利，占比為22.89%。

3 電纜故障檢測技術(shù)專利聚類分析

圖2所示為全球電纜故障檢測技術(shù)的專利柱狀圖。由圖2可見，致力于電纜故障檢測技術(shù)研究的公司主要包括：國家電網(wǎng)有限公司，江蘇省電力公司，ABB Corporate Research Center，華為技術(shù)有限公司。其中，國家電網(wǎng)有限公司的研究方向比較全面，主要包括：非接觸式高壓電纜故障檢測，行波故障測距，海底電纜故障檢測，超聲波反射信號檢測，電磁波反射信號檢測，圖像信號識別，光纖應(yīng)變測量，渦流傳感器故障檢測，漏電檢測，漏磁檢測，電流噪聲信號檢測，溫度傳感器檢測及脈沖信號檢測等技術(shù)。江蘇省電力公司的研究方向主要包括：功率損耗檢測，脈沖信號檢測，超聲波信號檢測，電磁波信號檢測，非接觸式高壓電纜檢測方法及渦流傳感器故障定位等技術(shù)。ABB Corporate Research Center的主要研究方向為：行波故障測距，架空線故障定位，漏電檢測，電弧故障檢測及電流噪聲信號檢測等技術(shù)。華為技術(shù)有限公司的主要研究方向為：超聲波反射信號檢測，電磁波反射信號檢測，渦流傳感器電纜故障檢測，漏電檢測，電弧故障檢測及電流噪聲信號檢測等技術(shù)。

表1 電纜故障主要檢測技術(shù)專利統(tǒng)計Tab.1 Statistics of main cable fault detection technology patents

表2 G01R技術(shù)領(lǐng)域中電纜故障的主要檢測技術(shù)專利統(tǒng)計Tab.2 Statistics of main cable fault detection technology patents in G01R technical field

圖2 全球電纜故障檢測技術(shù)專利數(shù)量柱狀圖Fig.2 Histogram of cable fault detection technology patents worldwide

4 結(jié)語

1) 現(xiàn)階段電纜故障檢測技術(shù)的主要研究方向是反射信號檢測和行波故障檢測，其核心技術(shù)分支是電變量和磁變量的測量。目前電纜故障檢測的熱點技術(shù)有高壓電纜故障檢測、行波故障測距、海底電纜故障檢測、超聲波反射信號檢測、電磁波反射信號檢測、漏電檢測、漏磁檢測、電流噪聲信號檢測、溫度傳感器檢測及脈沖信號檢測等。但該檢測技術(shù)在氣壓檢測、熒光檢測、光學(xué)探測、射線探測等方面的應(yīng)用卻較少。

2) 適用于高速動車組的電纜故障檢測技術(shù)包括行波故障檢測、漏電漏磁檢測、溫度傳感器檢測等。在技術(shù)空白領(lǐng)域，如氣壓檢測、熒光檢測、光學(xué)探測等技術(shù)方面的研發(fā)還較少。