電纜故障檢測(cè)方法及其應(yīng)用*

王　勇　李　曦

(91550部隊(duì)　大連　116023)

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電纜故障檢測(cè)方法及其應(yīng)用*

王勇李曦

(91550部隊(duì)大連116023)

摘要電纜斷路、短路和絕緣受損是設(shè)備電纜損害的主要原因。傳統(tǒng)電纜檢測(cè)方法費(fèi)工費(fèi)力，有時(shí)需要測(cè)量數(shù)百次、數(shù)千次。文章介紹了一種已經(jīng)推廣應(yīng)用的自動(dòng)電纜測(cè)試系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)和主要技術(shù)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況，重點(diǎn)討論了該電纜測(cè)試系統(tǒng)所采用的斷路、短路和絕緣測(cè)試方法及其具體電路實(shí)現(xiàn)方式，并分析了這些測(cè)試方法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和局限性。經(jīng)多單位反饋，采用所述測(cè)試方法研制的電纜測(cè)試系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用效果較好。

關(guān)鍵詞通信電纜; 控制電纜; 電纜測(cè)試; 電路設(shè)計(jì); 測(cè)試方法

Class NumberTP206+3

1　引言

電纜檢測(cè)是保證電纜質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，電纜檢測(cè)主要是對(duì)電纜接線的正確性、通斷狀態(tài)、電纜絕緣性能進(jìn)行全面的檢測(cè)，通過(guò)判斷其連線是否正確、是否出現(xiàn)斷線(開(kāi)路)、串線(錯(cuò)接)、短路、和絕緣受損[1～3]等，其中重點(diǎn)與難點(diǎn)是短路點(diǎn)和斷路點(diǎn)檢測(cè)。目前萬(wàn)用表、兆歐表等常規(guī)通用測(cè)量?jī)x表仍是主要檢測(cè)工具，其主要問(wèn)題是檢測(cè)效率低下，費(fèi)工費(fèi)力。相關(guān)電纜故障檢測(cè)技術(shù)的研究已有大量文獻(xiàn)記錄，并且很多測(cè)試方法和測(cè)試儀器在現(xiàn)實(shí)中得到了廣泛的應(yīng)用[1～10]。各種測(cè)試方法和測(cè)試儀設(shè)計(jì)都要有自己的特點(diǎn)和適用性。本文重點(diǎn)討論某型電纜自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用斷路、短路及絕緣情況測(cè)試方法及其電路實(shí)現(xiàn)方式，并總結(jié)分析了應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和局限性。

2　某型電纜測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某型電纜測(cè)試系統(tǒng)主要包括電纜測(cè)試儀主機(jī)(含測(cè)試軟件)和測(cè)試適配器。它們聯(lián)合使用，能測(cè)量多芯電纜(少于198芯線)的絕緣電阻值、芯線電阻值和線間分布電容值的儀器，它能自動(dòng)測(cè)試、自動(dòng)切換電纜的被測(cè)芯線、自動(dòng)判定測(cè)試結(jié)果的合格與否(技術(shù)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況詳見(jiàn)表1，表中RC代表量程，H代表合格限值，L代表電纜長(zhǎng)度)。電纜測(cè)試儀主機(jī)和測(cè)試適配器組合使用的模式，便于實(shí)現(xiàn)電纜測(cè)試儀主機(jī)通用化、小型化，又便于通過(guò)增加測(cè)試適配器擴(kuò)展測(cè)試范圍。

測(cè)試儀主機(jī)由控制器、測(cè)試電路、繼電器轉(zhuǎn)接矩陣、面板顯示和操作器、電源等組成?？刂破魍瓿扇藱C(jī)對(duì)話、顯示控制、測(cè)試控制、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)運(yùn)算、邏輯比較等功能。繼電器轉(zhuǎn)接矩陣把每根電纜芯線依次快速轉(zhuǎn)接到測(cè)試電路轉(zhuǎn)入端。測(cè)試電路由高精度運(yùn)算放大器和12位積分式A/D轉(zhuǎn)換器組成，完成高精度測(cè)試和模數(shù)轉(zhuǎn)換。面板由14只LED數(shù)碼管、8只LED指示燈及8只薄膜開(kāi)頭組成。電纜測(cè)試儀主機(jī)的控制器、繼電器轉(zhuǎn)接矩陣、面板顯示、電源等硬件電路設(shè)計(jì)，及測(cè)試軟件設(shè)計(jì)在很多文獻(xiàn)中都有介紹[6，8，11]，這里不作贅述。

表1　主要技術(shù)指標(biāo)

測(cè)試適配器是連接電纜測(cè)試儀主機(jī)和被測(cè)電纜的中間環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀主機(jī)與電纜的匹配對(duì)接。測(cè)試適配器可以隨時(shí)針對(duì)測(cè)試對(duì)象進(jìn)行擴(kuò)展，大大提高了電纜測(cè)試儀的適用范圍。

3　電纜測(cè)量方法

下文重點(diǎn)討論該型電纜測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所采用的斷路、短路及絕緣測(cè)試方法及其實(shí)現(xiàn)方式。

3.1芯線斷路確定方法[12]

設(shè)被測(cè)電纜為N芯電纜，電纜各芯線的材質(zhì)、線徑、長(zhǎng)度等參數(shù)都一致[12]。當(dāng)被測(cè)電纜的個(gè)別芯線已斷，為了確定哪些芯線斷路，通過(guò)“電容比較法”進(jìn)行測(cè)試。電纜線間電容測(cè)試電路如圖1所示[12]。

圖1　電容測(cè)量電路

圖1中，CT1和CT2為被測(cè)電纜的兩端插頭，CZ2為電纜測(cè)試儀轉(zhuǎn)接盒上的插座，被測(cè)電纜的CT2插頭插到CZ2上。E為直流電源，通過(guò)限流電阻R1流過(guò)電纜的第一根芯線，CZ2上的其它芯線由繼電器轉(zhuǎn)換矩陣電路控制全部短路[12]。

CX充電：

(1)

充電時(shí)間為：t=1.0986RCX，這樣

(2)

3.2斷路點(diǎn)位置確定方法

在確定具體的斷路芯線之后，仍然通過(guò)“電容比較法”測(cè)出具體的斷電位置。設(shè)被測(cè)電纜測(cè)試端到斷點(diǎn)的距離為L(zhǎng)X(參考圖2)：

(3)

圖2　斷點(diǎn)關(guān)系示意圖

3.3芯線短路測(cè)量原理

假定被測(cè)電纜為N芯電纜，長(zhǎng)度為L(zhǎng)O。電纜各芯線的材質(zhì)、線徑、長(zhǎng)度等參數(shù)都一致。當(dāng)被測(cè)電纜的個(gè)別芯線短路，為了確定哪些芯線短路，通過(guò)“電阻比較法”進(jìn)行測(cè)試。電纜芯線電阻測(cè)試電路見(jiàn)圖3。

圖3　電阻測(cè)量電路

圖3中，CT1和CT2為被測(cè)電纜的兩端連接頭(插頭或插座)，CZ1為短路插座(或插頭)，將CZ1端與CT1端插合，這樣電纜芯線通過(guò)CT1這端全部短接在一起。CZ2為電纜測(cè)試儀轉(zhuǎn)接盒上的插座(或插頭)，被測(cè)電纜的CT2端插到CZ2端口上。E為直流電源，通過(guò)限流電阻R1流過(guò)電纜的第一根芯線，CZ2上的其它芯線由繼電器轉(zhuǎn)換矩陣電路控制全部短路。這樣除第一根芯線外，其它(N-1)根芯線全部短接在一起。

長(zhǎng)度為L(zhǎng)0的某根待測(cè)芯線電阻為RX，則(N-1)根芯線短接后電阻為RX的(N-1)分之一，信號(hào)電流流過(guò)其它(N-1)根短接芯線，最后流過(guò)R2，在R2產(chǎn)生的信號(hào)電壓VT可以通過(guò)測(cè)量得到。由式(4)，可以得出RX的值，依次類推可以得到所有芯線的電阻值，因此，可以通過(guò)對(duì)電纜束中每根芯線電阻的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)通路性能的檢測(cè)。

被測(cè)信號(hào)VT經(jīng)過(guò)放大器“放大”，線性化電路處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的數(shù)字化變換，送光電耦合器隔離輸出到串行口，最后送CPU處理后經(jīng)送顯示電路顯示輸出，同時(shí)存儲(chǔ)單元對(duì)當(dāng)前測(cè)量結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)。這樣就完成了一次測(cè)量過(guò)程。

(4)

第2芯線到第N芯線的測(cè)試原理相同。測(cè)試過(guò)程通過(guò)繼電器矩陣轉(zhuǎn)換電路和軟件控制實(shí)現(xiàn)。通過(guò)依次測(cè)量第1芯、第2芯、第3芯直到第N根芯線對(duì)其他(N-1)芯的電阻值，可以判讀出哪些芯線存在短路(或并聯(lián)使用)的情況，如果是非法短路的情況，則可以通過(guò)上述的方法將短路點(diǎn)的位置找出來(lái)進(jìn)行合理處置。

3.4短路點(diǎn)位置測(cè)試方法

若只有兩根芯線短路，設(shè)短路點(diǎn)距X端的距離為L(zhǎng)X，距Y端的距離為L(zhǎng)Y，由式(5)～式(7)可推導(dǎo)出式(8)所示的LX的表達(dá)式。

2kLX+R1+R2=RX

(5)

2kLY+R1+R2=RY

(6)

LX+LY=L0

(7)

(8)

圖4　短路點(diǎn)示意圖

3.5電纜絕緣測(cè)量方法

采用傳統(tǒng)的測(cè)試方法測(cè)量電纜芯線間的絕緣電阻測(cè)量是非常繁瑣的，隨著電纜芯數(shù)的增加，需要測(cè)量電纜芯線相互之間的絕緣電阻的次數(shù)幾乎成幾何倍數(shù)增加。本文提供的測(cè)試方法對(duì)傳統(tǒng)的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”測(cè)試方法進(jìn)行了優(yōu)化，采取一種“點(diǎn)對(duì)組”的測(cè)試策略，并且通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，可以大大減小測(cè)量次數(shù)，提高測(cè)試效率。兩種測(cè)量方法測(cè)試次數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2：電纜為12芯時(shí)，傳統(tǒng)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”測(cè)試需要測(cè)量次數(shù)理論值為78次，優(yōu)化后“點(diǎn)對(duì)組”測(cè)試次數(shù)理論值為12次[7]；電纜為32芯時(shí)，傳統(tǒng)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”測(cè)試需要測(cè)量次數(shù)理論值為528次[7]，優(yōu)化后“點(diǎn)對(duì)組”測(cè)試次數(shù)理論值為32次。具體測(cè)量電路原理見(jiàn)圖5。

表2　測(cè)試次數(shù)比對(duì)表

圖5與圖1電路相似，所不同的是脈沖產(chǎn)生器模塊替換為高壓信號(hào)輸出模塊和絕緣電阻測(cè)量模塊，高壓信號(hào)輸出模塊對(duì)被測(cè)芯線和其它通過(guò)繼電器矩陣短接在一起的芯線之間加上高電壓(125V～500V可控設(shè)置)，同時(shí)通過(guò)絕緣電阻測(cè)量模塊進(jìn)行電阻測(cè)量。第2芯線到第N芯線的測(cè)試原理相同。測(cè)試過(guò)程通過(guò)繼電器矩陣轉(zhuǎn)換電路和軟件控制實(shí)現(xiàn)。通過(guò)依次測(cè)量第1芯、第2芯、第3芯直到第N根芯線對(duì)其他(N-1)芯的絕緣電阻值，可以通過(guò)軟件算法判決出哪些芯線存在絕緣電阻不合格的情況。如果出現(xiàn)線間短路情況，采用本文提供的短路點(diǎn)位置測(cè)試的方法還可以將絕緣惡化的具體位置確定下來(lái)。如果需要判斷電纜屏蔽層(或地線)與芯線之間的絕緣情況，只需把屏蔽層(或地線)作為電纜芯線之一對(duì)待，按照上述方法進(jìn)行絕緣電阻測(cè)量即可。另外，不論電纜芯線線徑是否一致都可以上述對(duì)于絕緣電阻測(cè)量的方法。

圖5　絕緣電阻測(cè)量電路

4　方法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和局限性

4.1應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1) 該方法可以比較準(zhǔn)確地確定出哪些電纜芯線發(fā)生了斷路或短路的情況，并且能夠比較準(zhǔn)確地給出斷路點(diǎn)或短路點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。

2) 從測(cè)量方法上，能保持被測(cè)電纜在“敷設(shè)狀態(tài)下”進(jìn)行測(cè)量，便于工程應(yīng)用。

3) 通過(guò)適配插頭轉(zhuǎn)換引入被測(cè)信號(hào)，并經(jīng)由軟件編程實(shí)現(xiàn)程控自動(dòng)測(cè)量，簡(jiǎn)化了測(cè)量操作流程，并提高了測(cè)量效率[12]。

4) 線間絕緣電阻測(cè)試的方法，且不受電纜芯線是否是同種材質(zhì)和同樣線徑的影響，并可大幅度提高測(cè)試效率。

4.2局限性

1) 該方法是建立在電纜芯線材質(zhì)、線徑、長(zhǎng)度一致的前提條件下提出的測(cè)試方法，不適用于芯線材質(zhì)、線徑、長(zhǎng)度不一致的電纜。該方法比較適合控制電纜、通信電纜等低頻等線徑電纜的測(cè)量[12]。

2) 電纜芯線斷路測(cè)量方法，對(duì)于芯線間電容非常大的電纜，例如非常長(zhǎng)的電纜，或者芯線數(shù)非常多的電纜，測(cè)試時(shí)間比較長(zhǎng)，再者就是對(duì)測(cè)試儀本身電能消耗較大；而對(duì)于非常短的電纜測(cè)試時(shí)，由于線間電容非常小，測(cè)量的誤差會(huì)大些[12]。

5　結(jié)語(yǔ)

本文中總結(jié)的方法，成功應(yīng)用于某型小體積、便攜式電纜測(cè)試儀研制。該電纜測(cè)試儀在實(shí)際應(yīng)用中解決了某單位配套的30多種電纜日常維護(hù)檢測(cè)，較傳統(tǒng)測(cè)試方法，提高檢測(cè)效率約14倍。該型電纜測(cè)試儀還在機(jī)場(chǎng)、船廠和某部隊(duì)進(jìn)行了推廣應(yīng)用，應(yīng)用效果非常好。盡管有些局限性，本文提供的方法應(yīng)用優(yōu)勢(shì)還是比較明顯，另外在實(shí)際應(yīng)用中還可以通過(guò)算法改進(jìn)和軟件編程擴(kuò)展其應(yīng)用范圍，例如對(duì)于電纜內(nèi)有2芯或多芯并聯(lián)使用的情況，可以通過(guò)算法改進(jìn)予以解決，限于篇幅，本文不展開(kāi)論述。每一種方法都有其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和局限性，適用的方法便是好方法。實(shí)際使用中遇到的電纜種類繁多，每種電纜的質(zhì)量也參差不齊，綜合運(yùn)用各種方法和先進(jìn)技術(shù)，總能研制出適用、好用的設(shè)備，協(xié)助解決工作實(shí)踐中遇到的難題。

參 考 文 獻(xiàn)

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*收稿日期：2015年10月12日,修回日期：2015年11月25日

作者簡(jiǎn)介：王勇，男，工程師，研究方向：武器裝備試驗(yàn)與鑒定。李曦，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：武器裝備試驗(yàn)與鑒定。

中圖分類號(hào)TP206+3

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.04.035

Introduction and Application of Cable Fault Testing Method

WANG YongLI Xi

(No. 91550 Troops of PLA, Dalian116023)

AbstractOpen circuit, short circuit, and insulation fault are the main causes of equipment cable damage. Traditional cable detection method is arduous, and sometimes needs to measure hundreds of times, thousands of times. This paper introduces a kind of popularization and application auto cable-test system including its composition, characteristics and main technical indicators. It mainly discusses the open, short and insulation test methods and the specific realization methods of them in the system. Then it gives the application advantages and limitations of these test methods. According to the feedback from some users, the cable-test system practical application effect is good.

Key Wordscontrol cable, correspondence cable, cable-test, circuit design, test method