一種航天器一次母線故障在線檢測(cè)定位方法

洪　博　王　莉　毛健美　尹　晶　舒徳華

(1.南京航空航天大學(xué)電氣工程系　南京　210016

2.山東航天電子技術(shù)研究所　煙臺(tái)　264000)

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一種航天器一次母線故障在線檢測(cè)定位方法

洪博1王莉1毛健美1尹晶2舒徳華2

(1.南京航空航天大學(xué)電氣工程系南京210016

2.山東航天電子技術(shù)研究所煙臺(tái)264000)

摘要針對(duì)航天器電源系統(tǒng)中一次母線故障的在線檢測(cè)定位問(wèn)題，構(gòu)建了一種基于擴(kuò)展頻譜時(shí)域反射法的高定位準(zhǔn)確度在線檢測(cè)方法。首先對(duì)該方法的定位誤差進(jìn)行了理論分析，通過(guò)提高檢測(cè)系統(tǒng)采樣頻率，使定位誤差達(dá)到±0.2 m以內(nèi)，能夠滿足短距離一次母線的故障定位需求；在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了由于電源阻抗不匹配引起檢測(cè)結(jié)果錯(cuò)誤的問(wèn)題，通過(guò)加入阻波器阻斷了檢測(cè)信號(hào)向電源端的傳播路徑，消除了電源阻抗不匹配的影響，保證了一次母線故障的正確檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所采用的方法能夠?qū)σ淮文妇€斷路和短路故障實(shí)現(xiàn)精確的在線檢測(cè)定位。

關(guān)鍵詞：航天器一次母線在線檢測(cè)擴(kuò)展頻譜時(shí)域反射法定位誤差阻波器

An Online Detection and Locating Method for Spacecraft Bus Faults

HongBo1WangLi1MaoJianmei1YinJing2ShuDehua2

(1.Department of Electrical EngineeringNanjing University of Aeronautics & Astronautics Nanjing210016China 2.Shandong Aerospace Electronic Technology InstituteYantai264000China)

AbstractAiming at the spacecraft bus fault online detection and locating problem，an online detection method with high locating accuracy based on the spread spectrum time domain reflectometry (SSTDR) is built.Firstly，the locating error of the SSTDR is analyzed.By increasing the sample frequency of the detection system，the location error can be reduced to be within ±0.2 m，which can meet the fault locating demand for the short distance bus.Then，the problem of wrong detection results caused by the mismatched source impedance is analyzed furtherly when using the SSTDR method.By adding a trapper to prevent the signal from spreading to the power supply side，the influence of the mismatched source impedance is eliminated and the correctness of the bus fault detection is guaranteed.The experimental results show that the adopted method can realize accurate online detection and locating for bus open-circuit and short-circuit faults.

Keywords：Spacecraft bus，online detection，spread spectrum time domain reflectometry (SSTDR)，location error，trapper

0引言

航天器一次母線是航天器電源系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對(duì)一次母線故障實(shí)現(xiàn)可靠的在線檢測(cè)是保證航天器安全運(yùn)行的關(guān)鍵之一。在航天器電源系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)中，一次母線的前端與電源控制器(Power Control Unit，PCU)連接，后端與配電器連接，通過(guò)配電器中的轉(zhuǎn)換開關(guān)向電源變換裝置或各負(fù)載提供電能。航天器供電系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1所示，太陽(yáng)電池陣和蓄電池組作為電能的來(lái)源連接到PCU內(nèi)部的母線上，PCU對(duì)太陽(yáng)電池陣輸出功率實(shí)行分流調(diào)節(jié)、對(duì)蓄電池組進(jìn)行充放電控制或功率調(diào)節(jié)。配電器及其后端連接的用電設(shè)備統(tǒng)一看作負(fù)載，PCU的輸出端口與負(fù)載設(shè)備之間連接了待測(cè)一次母線。

圖1　航天器電源系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖Fig.1　Simplified diagram of the spacecraft power system

現(xiàn)代航空航天領(lǐng)域電纜故障檢測(cè)與定位技術(shù)主要包括時(shí)域反射法(Time Domain Reflectometry，TDR)、頻域反射法(Frequency Domain Reflectometry，F(xiàn)DR)、序列時(shí)域反射法(Sequence Time Domain Reflectometry，STDR)、擴(kuò)展頻譜時(shí)域反射法(Spread Spectrum Time Domain Reflectometry，SSTDR)等。TDR方法最初用來(lái)查找電話線的斷線故障[1]，文獻(xiàn)[2，3]將其應(yīng)用于導(dǎo)線的絕緣故障檢測(cè)與分析。但由于TDR方法中所用的測(cè)量信號(hào)為窄電壓脈沖，易受原有電源信號(hào)影響，因而僅僅適用于電纜故障的離線檢測(cè)。FDR方法測(cè)量原理是將掃頻信號(hào)發(fā)射到待測(cè)電纜中，通過(guò)傅里葉變換的方式測(cè)量反射信號(hào)峰值的頻率，從而換算出故障點(diǎn)的距離。文獻(xiàn)[4，5]采用FDR方法與希爾伯特-黃變換算法結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)電纜故障的檢測(cè)與定位，但算法的復(fù)雜化降低了檢測(cè)的實(shí)時(shí)性，因此該方法也僅適用于離線檢測(cè)。STDR方法將高頻偽隨機(jī)序列發(fā)送到被測(cè)電纜當(dāng)中，并將入射信號(hào)與故障點(diǎn)處的反射信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到最終的檢測(cè)結(jié)果。文獻(xiàn)[6，7]研究了STDR方法用于電纜絕緣故障檢測(cè)定位的可行性。文獻(xiàn)[8]研究了一種基于STDR方法的ASIC設(shè)計(jì)過(guò)程。但由于STDR方法中檢測(cè)信號(hào)易受高頻噪聲的影響，用于電纜在線檢測(cè)時(shí)存在抗干擾能力較差的問(wèn)題。SSTDR方法是將擴(kuò)頻技術(shù)用于電纜故障檢測(cè)的一種新方法，它采用偽隨機(jī)序列與正弦波進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制作為檢測(cè)信號(hào)，擴(kuò)頻檢測(cè)信號(hào)與待測(cè)電纜中的原有信號(hào)沒有頻譜重疊，能夠進(jìn)行在線檢測(cè)。同時(shí)，由于檢測(cè)信號(hào)具有尖銳的自相關(guān)性，因此SSTDR方法在電纜故障在線檢測(cè)定位中擁有較好的抗干擾能力和較高的準(zhǔn)確性。SSTDR方法的應(yīng)用包括預(yù)應(yīng)力混凝土錨索局部腐蝕的定位[9]、核電廠電力網(wǎng)的在線監(jiān)控[10]、光伏系統(tǒng)對(duì)地故障檢測(cè)定位[11]、電源變換器的老化預(yù)估[12，13]等。根據(jù)以上分析可知，SSTDR方法是作為航天器一次母線故障在線檢測(cè)較為理想的方法。

目前，將SSTDR方法用于航天器一次母線故障的檢測(cè)定位仍存在一些問(wèn)題：在一些小型航天器中，一次母線長(zhǎng)度較短，約為5 m，對(duì)定位準(zhǔn)確度有著極高的要求，如何實(shí)現(xiàn)一次母線故障的精確定位是首先需要解決的問(wèn)題；其次，航天器電源系統(tǒng)中電氣設(shè)備的阻抗與一次母線自身的阻抗并不匹配，SSTDR方法利用阻抗變化來(lái)識(shí)別電纜中的故障，無(wú)法智能的區(qū)分電氣設(shè)備與實(shí)際故障點(diǎn)，從而引起誤判，如何排除電氣設(shè)備阻抗不匹配的影響也是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

本文以SSTDR方法為基礎(chǔ)開展了高定位準(zhǔn)確度的航天器一次母線故障在線檢測(cè)定位方法研究，仿真分析了SSTDR方法在一次母線在線檢測(cè)定位時(shí)存在的問(wèn)題，針對(duì)存在的問(wèn)題開展了有效的解決方法研究，并對(duì)其可行性進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1傳輸線基本理論和SSTDR方法分析

1.1傳輸線基本理論

均勻傳輸線的電氣性質(zhì)可以用單位長(zhǎng)度的電阻R0、電感L0、電容C0和電導(dǎo)G0來(lái)描述，整個(gè)傳輸線可以看成是由許多微小的線元Δx級(jí)聯(lián)而成，電阻、電感、電容、電導(dǎo)連續(xù)且均勻地分布在整個(gè)傳輸線上。

圖2　單位長(zhǎng)度傳輸線等效電路Fig.2　The per-unit-length equivalent circuit of transmission line

圖2中，沿線各點(diǎn)電壓u和電流i既是時(shí)間t的函數(shù)，又是空間x的函數(shù)。設(shè)電纜上某一點(diǎn)到始端的距離為x，根據(jù)基爾霍夫定律，并取Δx→0，可得電報(bào)方程為

(1)

根據(jù)邊界條件可以求出該方程的解，得出入射信號(hào)在電纜x點(diǎn)處的反射系數(shù)ρ為

(2)

根據(jù)式(2)，當(dāng)電纜上某點(diǎn)發(fā)生斷路故障(Zx=∞)時(shí)，可求得在故障點(diǎn)的反射系數(shù)為+1；當(dāng)電纜上某點(diǎn)發(fā)生短路故障(Zx=0)時(shí)，可求得在故障點(diǎn)的反射系數(shù)為-1。

1.2SSTDR方法原理及其定位誤差

SSTDR方法實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。

圖3　SSTDR方法實(shí)現(xiàn)框圖Fig.3　Implementation block diagram of SSTDR

SSTDR電纜故障檢測(cè)定位系統(tǒng)中，注入到被測(cè)電纜的入射信號(hào)為高頻m序列與正弦波按照周期1∶1進(jìn)行二進(jìn)制移相鍵控(BPSK)調(diào)制的信號(hào)，入射信號(hào)在電纜故障點(diǎn)處會(huì)由于阻抗不匹配而發(fā)生反射，將入射信號(hào)與反射信號(hào)按式(3)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。

(3)

式中，R(τ)為相關(guān)運(yùn)算結(jié)果；ats(t)為入射信號(hào)；at+τs(t+τ)為反射信號(hào)；τ為入射信號(hào)和反射信號(hào)之間的時(shí)間延遲；T為入射信號(hào)的周期。相關(guān)運(yùn)算結(jié)果反應(yīng)了故障點(diǎn)反射信號(hào)的極性和相位延遲，當(dāng)反射波與入射波的相關(guān)值為正時(shí)，即為斷路故障；當(dāng)反射波與入射波的相關(guān)值為負(fù)時(shí)，即為短路故障。而實(shí)際故障點(diǎn)的距離可表示為

(4)

式中，vs為檢測(cè)信號(hào)在電纜中的傳輸速度，一般為光速的0.5～0.7倍。本文以AF-250電纜作為研究對(duì)象，檢測(cè)信號(hào)在該電纜中的傳播速度約為2×108m/s。之所以乘上一個(gè)1/2系數(shù)因子，是因?yàn)闄z測(cè)信號(hào)在傳輸線中經(jīng)歷了一個(gè)往返路程。當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)采樣率為fs時(shí)，對(duì)應(yīng)的采樣周期為TS，則延遲時(shí)間τ為

τ=kTS+τφ0≤τφ

(5)

此時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)得到的故障點(diǎn)處的相關(guān)運(yùn)算值為

(6)

式中

(7)

式中，θ(k)為反射信號(hào)延遲時(shí)間為kTS～kTS+τφ所對(duì)應(yīng)的電纜區(qū)段的反射系數(shù)；θ(k+1)為反射信號(hào)延遲時(shí)間為kTS+τφ～(k+1)TS所對(duì)應(yīng)的電纜區(qū)段的反射系數(shù)。

根據(jù)上述分析，當(dāng)τ為非整數(shù)倍的TS時(shí)，SSTDR檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試得到的故障點(diǎn)距離與實(shí)際故障點(diǎn)距離存在一定的誤差，該誤差的范圍為

(8)

定義SSTDR檢測(cè)系統(tǒng)的定位誤差為

(9)

式中，fm為載波正弦信號(hào)的頻率，即檢測(cè)信號(hào)的中心頻率。為了保證對(duì)檢測(cè)信號(hào)的精確采樣，設(shè)定檢測(cè)系統(tǒng)采樣頻率為檢測(cè)信號(hào)中心頻率的8倍，即n=8。從式(9)可以看出，隨著采樣頻率的升高，檢測(cè)系統(tǒng)所能定位到的故障點(diǎn)位置越來(lái)越精確。如果選擇SSTDR檢測(cè)系統(tǒng)采樣頻率為500 MHz，可求得SSTDR檢測(cè)系統(tǒng)定位誤差和檢測(cè)信號(hào)的中心頻率分別為

(10)

(11)

對(duì)于長(zhǎng)度為5 m的一次母線，定位誤差為0.2 m的檢測(cè)系統(tǒng)，其定位準(zhǔn)確度為4%，能夠?qū)崿F(xiàn)一次母線故障的精確檢測(cè)定位。

2SSTDR用于一次母線故障在線檢測(cè)定位的方法研究

2.1一次母線建模

根據(jù)傳輸線基本理論，要對(duì)實(shí)際一次母線進(jìn)行準(zhǔn)確的建模研究，需要求得其分布參數(shù)。一次母線型號(hào)為AF-250系列聚四氟乙烯絕緣電纜，該電纜采用鍍銀銅線導(dǎo)體、聚四氟乙烯推擠形式絕緣，電纜導(dǎo)體部分直徑0.8 mm，絕緣部分外直徑1.6 mm。在Ansoft二維場(chǎng)中建立一次母線的模型，同時(shí)加入一根地線作為參考地，模型如圖4所示。

針對(duì)上圖建立的一次母線模型，Ansoft有限元仿真軟件求解得到的分布參數(shù)如表1所示。

表1　AF-250型號(hào)電纜分布參數(shù)

在Matlab仿真環(huán)境中利用求解得到的分布參數(shù)對(duì)基于行波法的貝杰龍數(shù)學(xué)模型進(jìn)行設(shè)置[14]，建立等效的一次母線模型。

2.2SSTDR方法用于一次母線故障在線檢測(cè)定位的問(wèn)題分析

采用SSTDR方法對(duì)待測(cè)一次母線進(jìn)行故障檢測(cè)定位，檢測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

圖5　一次母線故障在線檢測(cè)定位示意圖Fig.5　Schematic diagram of bus fault online detection and location

高頻檢測(cè)信號(hào)由SSTDR檢測(cè)裝置產(chǎn)生并由PCU出線端A點(diǎn)注入，PCU內(nèi)部母線長(zhǎng)為3 m，待測(cè)一次母線長(zhǎng)為5 m。

結(jié)合SSTDR方法在Matlab仿真環(huán)境中搭建如圖5所示的航天器一次母線在線檢測(cè)定位仿真模型，電源設(shè)置為28 V理想直流源。待測(cè)一次母線正常無(wú)故障的情況下，通過(guò)仿真得到的檢測(cè)定位曲線如圖6所示。

從圖6可以看出，在距離自相關(guān)波頭3 m處，反射波頭幅值達(dá)到最大，并且為負(fù)極性，此時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)將會(huì)判斷在待測(cè)電纜距離檢測(cè)點(diǎn)3 m處發(fā)生了短路故障，這與實(shí)際情況并不相符，檢測(cè)結(jié)果錯(cuò)誤。為了分析待測(cè)電纜正常情況下負(fù)向波頭出現(xiàn)的原因，將圖5等效為圖7所示的電路。

圖6　一次母線正常情況下檢測(cè)定位曲線Fig.6　The detection and location curve of the bus under normal circumstances

圖7　一次母線故障在線檢測(cè)定位系統(tǒng)等效電路Fig.7　The equivalent circuit of bus fault online detection and location system

由式(1)所述的電報(bào)方程，再根據(jù)邊界條件可求得電纜中任意一點(diǎn)電壓電流的表達(dá)式。

(12)

式中，A1、A2為待定系數(shù)；Z0為特征阻抗；γ為傳播常數(shù)，與單位長(zhǎng)度衰減常數(shù)α及單位長(zhǎng)度相位常數(shù)β有關(guān)，可表示為

(13)

如果將電源方向的傳輸路徑視為外電路，則該支路以外的電路可以看作是含有獨(dú)立源的一端口網(wǎng)絡(luò)，因此可以將SSTDR檢測(cè)系統(tǒng)與一次母線電纜的總體看做是一端口電源網(wǎng)絡(luò)，如圖7中虛線框所包圍的區(qū)域所示。由外電路看向一端口網(wǎng)絡(luò)時(shí)，一端口網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)阻即為匹配電阻與一次母線電纜特征阻抗的并聯(lián)。由式(12)可得到源端條件為

(14)

由于被測(cè)電纜長(zhǎng)度較短，可以近似認(rèn)為是無(wú)損傳輸線，即γ=jβ，則電源處對(duì)應(yīng)的終端條件為

(15)

根據(jù)源端條件和終端條件可求得PCU內(nèi)部電纜上任意一點(diǎn)的電壓為

(16)

式中，ρs為源端反射系數(shù)；ρL為終端反射系數(shù)，由式(2)可計(jì)算得到

(17)

則信號(hào)注入點(diǎn)處電壓為

(18)

信號(hào)注入點(diǎn)同時(shí)也是SSTDR檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)反射信號(hào)的采樣點(diǎn)，因此u(0)即為采樣得到的電壓。當(dāng)電纜的源端和終端出現(xiàn)阻抗不匹配的情況，即反射系數(shù)不等于0時(shí)，電纜中的檢測(cè)信號(hào)會(huì)發(fā)生重復(fù)性反射，因此可將u(0)拆分為入射信號(hào)s(t)、一次反射信號(hào)s(t-τ1)、二次反射信號(hào)s(t-τ2)之和的形式

u(0)≈α0s(t)+α1s(t-τ1)+α2s(t-τ2)

(19)

將u(0)與原始入射信號(hào)s(t)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算

(20)

式中，α0為自相關(guān)波頭幅值；α1為一次反射波頭幅值；α2為二次反射波頭幅值。α0、α1、α2的比值為

=1∶-0.66∶-0.22

(21)

由式(21)可知，自相關(guān)波頭、一次反射波頭和二次反射波頭的幅值分別為1、0.66、0.22，并且一次反射波頭和二次反射波頭為負(fù)極性波頭，這與圖6的仿真結(jié)果一致。由此可以說(shuō)明圖6中的負(fù)極性波頭是由電源阻抗不匹配所引起的。為了保證對(duì)航天器一次母線故障的正確檢測(cè)，需要阻斷檢測(cè)信號(hào)電源方向的傳播路徑，使其向待測(cè)一次母線方向傳播。

2.3定向耦合方法研究

為了實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)向待測(cè)一次母線方向的定向耦合，本文引入阻波器的概念。阻波器的實(shí)質(zhì)是一種具有高導(dǎo)磁率的鐵氧體磁環(huán)，將電纜穿過(guò)鐵氧體磁環(huán)構(gòu)成一個(gè)共模扼流圈。共模扼流圈的阻抗越大，對(duì)高頻信號(hào)抑制效果越明顯。將阻波器安置在PCU的出線端口，用于限制檢測(cè)信號(hào)電源方向的傳輸路徑，使檢測(cè)信號(hào)只能向待測(cè)一次母線方向傳播。加入阻波器后的一次母線故障檢測(cè)定位示意圖如圖8所示。

圖8　加入阻波器后一次母線故障在線檢測(cè)定位示意圖Fig.8　Schematic diagram of bus fault online detection and location with a trapper

不同阻波器的電感值對(duì)檢測(cè)信號(hào)的阻斷效果也不同，針對(duì)本文所采用的中心頻率為62.5 MHz的檢測(cè)信號(hào)，在一次母線故障在線檢測(cè)定位仿真模型中加入電感模型以模擬阻波器，仿真分析阻波器電感值變化對(duì)阻斷效果的影響。當(dāng)待測(cè)電纜終端4.5 m處發(fā)生斷路故障時(shí)。分別設(shè)置無(wú)阻波器、阻波器感值為0.1 μH、0.5 μH、1.0 μH、2.0 μH及無(wú)電源傳輸支路的仿真條件，對(duì)比檢測(cè)定位結(jié)果。不同條件下的檢測(cè)定位曲線對(duì)比圖如圖9所示。

從圖9中可以看出，檢測(cè)系統(tǒng)中未加入阻波器時(shí)，檢測(cè)定位曲線雜亂無(wú)章，無(wú)法從中提取出正確的故障信息。隨著阻波器電感值的增大，距離自相關(guān)波頭4.5 m處的故障點(diǎn)反射波頭越來(lái)越明顯，當(dāng)電感值達(dá)到1.0 μH時(shí)，檢測(cè)定位曲線已基本接近無(wú)電源支路情況下的曲線，這表明阻波效果十分優(yōu)異。因此，當(dāng)阻波器的電感值達(dá)到為1.0 μH時(shí)，能夠?qū)Ρ疚闹兴玫闹行念l率為62.5 MHz的檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生良好的阻斷效果。

圖9　不同條件下的檢測(cè)定位曲線Fig.9　The detection and location curve under different conditions

為了達(dá)到阻波器電感值1.0 μH的要求，本文選用FR16.5/8/28型號(hào)磁環(huán)，對(duì)其電感值的分析，求解對(duì)象主要是阻波器及其所包裹的一段電纜。套有阻波器段的電纜有限元分析云圖如圖10所示。

圖10　阻波器磁場(chǎng)分布Fig.10　The magnetic field distribution of the trapper

從該阻波器的磁場(chǎng)云圖可以看出，當(dāng)電纜中通入電流激勵(lì)信號(hào)的時(shí)候，磁場(chǎng)主要分布在阻波器即導(dǎo)磁材料磁環(huán)中，而其余部分磁感應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)磁環(huán)中的磁

感應(yīng)強(qiáng)度是很弱的。圖11為電纜中通入不同激勵(lì)電流時(shí)，對(duì)應(yīng)的阻波器電感值仿真結(jié)果曲線。可以看出，所選用的阻波器在激勵(lì)電流小于8 A的條件下，電感值均能達(dá)到1 μH以上，能夠?qū)z測(cè)信號(hào)產(chǎn)生良好的阻斷效果。

圖11　電纜中通入不同激勵(lì)電流時(shí)，阻波器電感值仿真結(jié)果Fig.11　The simulation result of trapper inductance when the cable with different exciting current

3一次母線故障在線檢測(cè)定位實(shí)驗(yàn)

一次母線故障在線檢測(cè)系統(tǒng)中，當(dāng)硬件采樣頻率達(dá)到500 MHz時(shí)，可保證定位誤差能夠達(dá)到±0.2 m范圍以內(nèi)。根據(jù)對(duì)SSTDR檢測(cè)裝置所需邏輯資源以及速度等級(jí)的估算，選用Altera公司的高速FPGA作為主體算法控制芯片，綜合考慮信號(hào)完整性、抗干擾能力等各方面因素，設(shè)計(jì)制作了高速SSTDR板卡，開展了實(shí)驗(yàn)研究。一次母線故障在線檢測(cè)定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖12所示。航天器電源采用直流穩(wěn)壓源模擬，設(shè)置電源電壓為28 V。待測(cè)一次母線長(zhǎng)為5 m，SSTDR板卡產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)由一次母線起始端注入。在電源與信號(hào)注入點(diǎn)間加入一段長(zhǎng)3 m的電纜模擬PCU內(nèi)部電纜，并在PCU內(nèi)部電纜末端套上阻波器磁環(huán)。為了防止短路故障時(shí)短路電流過(guò)大，在電源處連接限流電阻，限流電阻為10 Ω功率電阻，負(fù)載為20 Ω功率電阻。

圖12　一次母線故障在線檢測(cè)與定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.12　Experimental platform of bus fault online detection and location

圖13為SSTDR板卡產(chǎn)生并注入到被測(cè)電纜中的擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)波形，該信號(hào)的中心頻率為62.5 MHz。從圖14中兩條波形的幅值對(duì)比可看出阻波器對(duì)高頻檢測(cè)信號(hào)起到了良好的阻斷效果。在待測(cè)一次母線的4.55 m處設(shè)置斷路和短路故障，得到故障情況下的檢測(cè)定位實(shí)驗(yàn)波形如圖15所示。從圖15中可看出檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)σ淮文妇€故障的類型做出準(zhǔn)確判斷，當(dāng)故障點(diǎn)距離為4.55 m時(shí)，由式(4)和式(5)反推可計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的k和τφ分別為22、0.75TS。

圖13　入射信號(hào)波形Fig.13　The incoming signal waveform

圖14　待測(cè)一次母線與PCU內(nèi)部電纜中檢測(cè)信號(hào)波形Fig.14　The detection signal waveform in the bus and the detection signal waveform in the PCU internal cable

圖15　一次母線故障在線檢測(cè)定位實(shí)驗(yàn)波形Fig.15　Experimental waveform of bus fault online detection and location

(22)

該結(jié)果與實(shí)際測(cè)試波形是一致的，故障點(diǎn)定位誤差在±0.2 m范圍以內(nèi)，檢測(cè)結(jié)果正確。在一次母線的不同位置處設(shè)置故障，對(duì)不同故障距離條件下的在線檢測(cè)定位結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)不同距離處的故障定位結(jié)果滿足2.2節(jié)中對(duì)應(yīng)不等式成立時(shí)的定位距離表達(dá)式，并且檢測(cè)正確率均能夠達(dá)到95%以上，驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的正確性，并證明了所采用的方法能夠?qū)教炱饕淮文妇€故障實(shí)現(xiàn)精確地在線檢測(cè)定位。

表2　不同故障距離條件下的檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4結(jié)論

對(duì)SSTDR方法的定位誤差進(jìn)行了理論推導(dǎo)，分析了SSTDR方法用于電纜故障在線檢測(cè)定位時(shí)所存在的問(wèn)題，構(gòu)建了一種航天器一次母線故障在線檢測(cè)定位方法，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。

1)通過(guò)提高SSTDR檢測(cè)系統(tǒng)采樣頻率，減小定位誤差，提高定位準(zhǔn)確度，當(dāng)采樣率達(dá)到500 MHz時(shí)，定位誤差達(dá)到±0.2 m以內(nèi)。

2)在PCU出線端與檢測(cè)信號(hào)注入點(diǎn)之間加入合適的磁環(huán)作為阻波器，阻斷檢測(cè)信號(hào)向電源端的傳播路徑，消除了電源阻抗不匹配的影響，使其向待測(cè)一次母線方向傳播，達(dá)到了檢測(cè)信號(hào)定向耦合的目的，保證了一次母線故障的高準(zhǔn)確度檢測(cè)定位。

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洪博男，1989年生，碩士研究生，研究方向?yàn)楹娇蘸教炫潆娤到y(tǒng)。

E-mail：137642863@qq.com

王莉女，1969年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榘l(fā)電系統(tǒng)及自動(dòng)化配電系統(tǒng)。

E-mail：wareel2@163.com(通信作者)

作者簡(jiǎn)介

中圖分類號(hào)：TM93

收稿日期2015-02-12改稿日期2015-04-27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51277093)。