泄漏電纜在線故障監(jiān)測及精確定位技術(shù)研究

車顏澤

摘 要：泄漏同軸電纜（漏纜）是解決鐵路隧道、路塹等無線電磁波傳播受限區(qū)段通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題的主要方法，是保證車地數(shù)據(jù)交互的重要行車設(shè)備。泄漏電纜、天饋線系統(tǒng)的性能對鐵路GSM-R移動通信網(wǎng)絡(luò)的安全運行有著很重要的影響。但在漏纜的使用過程中，容易出現(xiàn)各種各樣的故障，而且故障難以查找、定位和處理，嚴(yán)重影響著復(fù)雜地段無線系統(tǒng)的覆蓋及行車安全，所以對泄漏電纜故障的檢測和精確定位顯得尤為重要。目前，針對中國鐵路通信系統(tǒng)安全開發(fā)的GSM-R覆蓋的漏纜在線監(jiān)測故障精確定位系統(tǒng)剛剛開始應(yīng)用。主要研究、介紹了漏纜的監(jiān)測方式以及漏纜故障精確定位系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：無線通信；故障檢測；故障定位；定位系統(tǒng)

中圖分類號：U285 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.18.139

泄漏電纜的性能對鐵路GSM-R移動通信網(wǎng)絡(luò)的安全運行有很重要的影響。漏纜及天饋等無源部件出現(xiàn)問題是漏纜故障的主要原因。隨著GSM-R系統(tǒng)的開通與運行，設(shè)備質(zhì)量、工程安裝工藝、外力損壞等方面出現(xiàn)的問題容易使部分漏纜所連接的接頭、跳線、天線等發(fā)生故障。但由于維護(hù)工作中的實際困難，例如受長大隧道、窗口時間、被動式巡檢方式等因素的限制，有些故障很難被及時發(fā)現(xiàn)，所以漏纜故障檢測及故障定位技術(shù)應(yīng)用而生。

1 漏纜在線監(jiān)測方法的研究

1.1 發(fā)射接收式（主從機方式）

這種方式是在漏纜雙端測試，具體原理說明如下。

發(fā)射機發(fā)射檢測信號（功率P）進(jìn)入被檢測漏纜端口A，接收機在被檢測漏纜另一端端口B接收該檢測信號（功率P′），△P（漏纜損耗）=P-P′。檢測整段的△P（漏纜損耗），當(dāng)△P發(fā)生異常時，判定有故障。其中，P或P′的檢測數(shù)據(jù)需要通過漏纜傳輸至同一端進(jìn)行比較計算。

雙端式漏纜的檢測原理如圖1所示，根據(jù)實際泄漏電纜傳輸損耗變化量ΔLs測量值，設(shè)置三種告警門限值：一般告警門限La1；重要告警門限La2；嚴(yán)重告警門限La3.當(dāng)變化量ΔLs超過告警門限值時，產(chǎn)生相對應(yīng)的告警。

一般告警：ΔLs>La1，由氣候溫濕度變化、漏纜腐蝕老化等因素引起。

重要告警：ΔLs≥La2，由漏纜外皮損壞、變形、接頭進(jìn)水等因素引起。

嚴(yán)重告警：ΔLs≥La3，由漏纜破損嚴(yán)重、斷裂、接頭松動等因素引起。

一般取La1=5 dB；La2=10 dB；La3=15 dB。

LRMS漏纜檢測系統(tǒng)主、從機內(nèi)置射頻信號發(fā)射和接收模塊，信號源輸出給定頻率f2的檢測信號，通過信號接入器耦合至漏纜傳輸。從機LCS發(fā)射模塊輸出給定功率的檢測信號Pt，主機LCM信號接收模塊檢測接收信號電平Pr。監(jiān)控主機（LCM）對發(fā)射功率和接收功率等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，形成漏纜傳輸損耗測試值Ls′。與漏纜固有傳輸損耗值Ls進(jìn)行比較，可以計算出ΔLs，從而判斷漏纜狀態(tài)是否正常，并將結(jié)果通過有線、無線方式傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)管。

LRMS系統(tǒng)框圖如圖2所示，該系統(tǒng)由監(jiān)測主機、從機和信號接入器三部分組成。主機管理多臺從機，負(fù)責(zé)收集、分析、處理泄漏電纜狀態(tài)數(shù)據(jù)，其內(nèi)置遠(yuǎn)程通信模塊，能將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、設(shè)備工作參數(shù)等信息上傳到遠(yuǎn)程LRMS監(jiān)測中心（系統(tǒng)網(wǎng)管）；從機根據(jù)主機發(fā)出的指令發(fā)送漏纜檢測信號，回傳檢測數(shù)據(jù)和模塊工作狀態(tài)，并配合主機完成對漏纜的監(jiān)測。

從機有兩種類型，分別是LCS-Ⅰ（單端口）從機和LCS-Ⅱ（雙端口）從機。單端口從機檢測單向漏纜，配合一臺主機使用；雙端口從機檢測雙向漏纜，可以與2臺主機配合使用，主要用于長隧道漏纜級聯(lián)等場合。

信號接入器將漏纜監(jiān)測信號接入到漏纜中傳輸，通過帶通濾波器，避免通信信號與檢測信號相互干擾。監(jiān)控網(wǎng)管通過主機可以實時檢測到漏纜和設(shè)備的狀態(tài)，顯示告警，記錄設(shè)備狀態(tài)、告警類型、告警時間、操作日志等信息，并可以設(shè)置主、從機的相關(guān)參數(shù)。

雙端式漏纜監(jiān)測的優(yōu)點為測試簡單、成本低，不足之處有：①不能定位漏纜故障。②為雙端測試模式，即被測漏纜兩端都需要電源配電箱，為雙端測試的設(shè)備供電。在實際工程中，很難解決此類漏纜檢測設(shè)備的供電問題。③監(jiān)測系統(tǒng)不能獨立于被監(jiān)測的漏纜而工作，當(dāng)漏纜損壞嚴(yán)重時，卻無法檢測到數(shù)據(jù)。④在工程實踐中，發(fā)現(xiàn)此類監(jiān)測的誤告警頻發(fā)，原因是2～3 km漏纜的累積誤差會嚴(yán)重影響監(jiān)測的報警門限。

1.2 主動式（故障定位）在線監(jiān)測方式

這種方式是在漏纜單端測試，具體原理是發(fā)出近似通信頻率的檢測信號，從被測漏纜的近端開始掃描測試，一直掃描測試至漏纜最遠(yuǎn)端，測試漏纜及所接的接頭、跳線、調(diào)相頭、避雷器、直流阻隔器、天線等整個漏纜鏈路每個位置的回波損耗和駐波值（每個位置的物理射頻特性值），并顯示出該不良點所在的具體位置。

故障定位監(jiān)測單元的原理如圖3所示。

MCU（Micro Control Unit）為微控制單元，其主要完成電源接入和系統(tǒng)控制。通過控制邏輯電路控制兩路信號，一路通過環(huán)形器發(fā)射出去來探測故障，另外一路通過混頻器與故障反射信號進(jìn)行混頻，解調(diào)出重要的中頻信號進(jìn)行故障分析。高精度信號源產(chǎn)生高精度的故障定位測試信號，以便實現(xiàn)高精度故障定位。DSP（Digital Signal Processing）為數(shù)字信號處理，DSP主要進(jìn)行發(fā)射與接收信號的計算，得出準(zhǔn)確的距離信息。

這種方式的主要不足之處在于技術(shù)復(fù)雜、成本較高。

2 漏纜故障定位系統(tǒng)的實現(xiàn)方案

漏纜及天饋線故障定位監(jiān)測系統(tǒng)主要由漏纜檢測單元、信號接入器、FSU（現(xiàn)場控制單元）、監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)傳輸鏈路等部分組成，如圖4所示。

漏纜故障定位檢測單元的主要功能是產(chǎn)生故障定位信號、處理信號和通信。故障定位信號插入器將故障定位監(jiān)測單元產(chǎn)生的故障定位信號送進(jìn)漏纜鏈路中，并將檢測到的故障信號送回定位監(jiān)測單元進(jìn)行處理，計算出故障發(fā)生點的回波損耗和故障發(fā)生的位置，然后存儲或轉(zhuǎn)發(fā)。漏纜檢測單元檢測兩段漏纜鏈路每個位置的回波損耗和駐波值，檢測數(shù)據(jù)通過隧洞內(nèi)的短光纖傳至鄰近基站（機房）內(nèi)的控制單元FSU，再經(jīng)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳至監(jiān)控中心。根據(jù)網(wǎng)管中心提供的漏纜及天饋線的在線故障定位監(jiān)測數(shù)據(jù)，就可以及時發(fā)現(xiàn)第二小節(jié)中描述的各類漏纜及天饋線故障，并明確故障發(fā)生的確切位置，為及時排除故障提供了精確定位保障。

3 結(jié)束語

經(jīng)過調(diào)查分析，并結(jié)合實際維護(hù)工作的要求，漏纜故障檢測及精確定位的方式可以提高維護(hù)效率，并及時排除故障隱患，保障鐵路通信和行車的安全。根據(jù)實驗和實際使用情況，漏纜故障定位系統(tǒng)定位精確度較高（小于等于5 m），極大地提高了故障處理能力，相信漏纜故障監(jiān)測及故障定位系統(tǒng)在今后能夠更加能夠適應(yīng)鐵路通信運行維護(hù)工作。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：王霞〕