短路分析儀在短路故障定位中的應(yīng)用

王新華

石家莊海山實(shí)業(yè)發(fā)展總公司（河北 石家莊 050208）

0 引言

短路故障是一種常見的電路板故障，短路故障的發(fā)生會(huì)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。當(dāng)前，短路故障的定位主要采用測(cè)量電路板覆銅線路電阻的方法，該方法只能定位表層短路故障點(diǎn)，不能定位多層板層間短路、內(nèi)層短路和動(dòng)態(tài)短路等故障，并且電阻測(cè)量方法需要多次測(cè)量才能定位，定位盲目性大、周期長(zhǎng)、效率低下，很難滿足當(dāng)前短路故障的定位需求[1]。文章介紹的短路分析儀能夠克服以上傳統(tǒng)短路故障定位的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高效定位短路故障的目標(biāo)。

1 短路故障定位方法

通常，根據(jù)短路機(jī)理和短路現(xiàn)象選擇短路定位方法，從而實(shí)現(xiàn)短路故障的快速定位。在實(shí)際定位過(guò)程中，常采用電阻測(cè)量、紅外檢測(cè)、電流跟蹤、電勢(shì)測(cè)量等方法定位短路故障[2]。

（1）電阻測(cè)試法。采用毫歐表測(cè)量覆銅導(dǎo)線的電阻，通過(guò)電阻的變化確定兩點(diǎn)之間的連接關(guān)系。電阻測(cè)量只適用于覆銅可以直接測(cè)量的情況，并且線路可以目視查看的電路板（如單層板或雙層板）。該方法具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)量效果直觀、定位故障可靠的特點(diǎn)，是最常用的一種短路定位方法。

（2）紅外熱成像檢測(cè)法。該方法通過(guò)對(duì)比、觀察等方法檢測(cè)故障電路的熱效應(yīng)，通過(guò)分析故障電路的異常發(fā)熱點(diǎn)定位短路故障，具有非接觸、不干擾被測(cè)電路工作等優(yōu)點(diǎn)。紅外熱成像檢測(cè)適用于大阻值故障短路的情況，并且需要配備紅外熱像設(shè)備，對(duì)設(shè)備的要求較高，但運(yùn)用得當(dāng)可以快速找到故障點(diǎn)。

（3）電流跟蹤法。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，通過(guò)給短路線路施加一個(gè)交流的電流，檢測(cè)導(dǎo)線周圍的電場(chǎng)，可以快速定位短路電流的流向，通過(guò)分析線路中非預(yù)期的電流交匯點(diǎn)，就能確定短路的位置。該方法定位速度快，定位過(guò)程為非接觸式，且不會(huì)對(duì)電路板產(chǎn)生二次損傷，不要求覆銅可見（通過(guò)電場(chǎng)檢測(cè)，電場(chǎng)能夠穿透電路板），可以應(yīng)用于多層電路、電纜、線束等帶有絕緣層的短路故障定位[3]。

（4）電勢(shì)測(cè)量法。當(dāng)短路現(xiàn)象涉及電路板的某一層時(shí)，采用傳統(tǒng)的方式查找短路點(diǎn)將變得十分困難，此時(shí)采用電勢(shì)測(cè)量方式可以快速定位故障。電勢(shì)測(cè)量是在電路板短路層施加一個(gè)電勢(shì)場(chǎng)，使短路層上各個(gè)線路上形成不同的電勢(shì)場(chǎng)，再將另一層的短路點(diǎn)設(shè)置為0 電勢(shì)，通過(guò)表筆在短路層不斷地測(cè)量，尋找最接近0 電勢(shì)的點(diǎn)，即為短路點(diǎn)。電勢(shì)測(cè)量法具有測(cè)量范圍廣、接觸式測(cè)量、能夠有效檢測(cè)內(nèi)層電路短路的特點(diǎn)。

2 短路故障定位法的選擇

短路故障定位方法各有其適用的條件，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)故障的特點(diǎn)進(jìn)行分析，以選出合適的定位方法，從而快速、精確地定位故障。簡(jiǎn)單的短路故障采用一種方法就能定位，而復(fù)雜的故障需要結(jié)合幾種短路故障定位方法才能找到最終的故障[4]。一般，通過(guò)確定是否為多層板、是否可以通過(guò)導(dǎo)線直接測(cè)量就可以初步確定短路的定位方法。如果該方法還不能有效定位故障，可以考慮綜合采用幾種方法，逐步定位故障點(diǎn)。短路故障定位法選擇流程圖如圖1 所示。

圖1 短路故障定位法選擇流程圖

3 短路分析儀簡(jiǎn)介

短路分析儀針對(duì)短路故障，將幾種短路測(cè)試方法集合到一個(gè)測(cè)試設(shè)備上，通過(guò)綜合考慮各種方法和定位方法的靈活切換，實(shí)現(xiàn)短路故障的快速定位。短路分析儀體積小巧，便于攜帶，既可以作為激勵(lì)源，也可以用作測(cè)量?jī)x器使用。文章以Toneohm950 短路分析儀為例展開介紹。

（1）性能介紹。Toneohm950 短路分析儀采用220 V電壓供電，電源通用性好，且方便易得，能夠適應(yīng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的需求。

（2）功能組成。多層板短路分析儀由激勵(lì)源和功能測(cè)試單元兩個(gè)部分組成，可完成電阻測(cè)試、電流測(cè)試、電壓測(cè)試、電流跟蹤和電勢(shì)測(cè)量五種短路測(cè)試功能。激勵(lì)源和功能測(cè)試模塊需要配合使用，電流、電壓測(cè)試和電勢(shì)測(cè)量采用直流電源作為激勵(lì)，電流跟蹤采用交流電源激勵(lì)。在完成連接測(cè)試表筆和激勵(lì)導(dǎo)線后，通過(guò)功能按鈕實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能的選擇。短路分析儀限制了激勵(lì)源的輸出范圍，可防止激勵(lì)過(guò)大導(dǎo)致測(cè)試器件被損壞。

4 多層板短路分析儀在電路板短路故障定位中的應(yīng)用

4.1 應(yīng)用概況

電路板短路會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備性能，工程應(yīng)用中為防止系統(tǒng)的短路故障，最常用的方法是在系統(tǒng)通電之前測(cè)量各個(gè)電源通道內(nèi)、通道間以及與殼地之間的絕緣阻抗，通過(guò)比較絕緣阻抗實(shí)測(cè)值與正常值之間的差異，了解系統(tǒng)內(nèi)部的鏈路連接情況。當(dāng)系統(tǒng)絕緣阻抗超出正常電阻范圍時(shí)，就可能存在短路的風(fēng)險(xiǎn)[5]。根據(jù)系統(tǒng)功能的不同，絕緣阻抗一般分為三類。（1）電源通道，電源通道需要流過(guò)一定的電源電壓，除電源通道直接給功率器件提供電源外，正負(fù)導(dǎo)線之間的絕緣阻抗一般在兆歐級(jí)。（2）信號(hào)通道。根據(jù)通道功能的不同，通道絕緣阻抗會(huì)在幾歐姆到數(shù)兆歐姆的較大范圍內(nèi)變動(dòng)，這些阻抗在相同通電條件下相對(duì)穩(wěn)定，可以作為系統(tǒng)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)。（3）地線通道。該類通道要求絕緣盡量小，一般通過(guò)寬導(dǎo)線直接連接，阻抗在毫歐姆級(jí)別，如果阻抗增大可能會(huì)使系統(tǒng)靜電防護(hù)或接地保護(hù)功能下降或失去功能。針對(duì)三種類型的絕緣阻抗，在采用通用方法的同時(shí)，可以有針對(duì)性地采用某些短路測(cè)試方法定位故障，這樣可以起到事半功倍的效果。具體定位方法如表1 所示。

表1 絕緣電阻對(duì)應(yīng)短路定位方法

4.2 應(yīng)用實(shí)例

文章以實(shí)際電路板短路故障的定位為例，說(shuō)明多層板分析儀在電路板短路故障定位中的適用性和高效性。

實(shí)例1：在對(duì)某產(chǎn)品電源板進(jìn)行絕緣測(cè)試的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)27 V 電源通道的輸入阻抗異常，正常情況下要求該通道的阻抗＞20 M，實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)該通道阻抗為0.2Ω，判定該通道發(fā)生短路故障。電源板外觀如圖2 所示。

圖2 電源板外觀圖

通過(guò)圖2 可以看到，電源板插頭信號(hào)與內(nèi)部元器件之間使用高溫導(dǎo)線線束進(jìn)行連接，為防止線束在產(chǎn)品振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生晃動(dòng)，線束表面采用三防漆防護(hù)。如果采用電阻測(cè)量方式在線束上測(cè)量，會(huì)對(duì)線束造成傷害，如果直接測(cè)量插頭和元器件的引腳，測(cè)量盲目性大，且不能精確定位故障；如果采用紅外熱像儀采集紅外線，由于短路電阻較小，可能產(chǎn)生較大電流，對(duì)元器件產(chǎn)生二次損傷的可能性很大；電勢(shì)法也不適用。綜合考慮，采用電流跟蹤法。通過(guò)多層板短路分析儀的電流跟蹤擋，將激勵(lì)信號(hào)表筆加到插座對(duì)應(yīng)輸入引腳，將激勵(lì)電流調(diào)節(jié)到較大的值，通過(guò)跟蹤表筆確定線路的大概位置和走向，再逐漸減小激勵(lì)電流，從而逐步縮小線路范圍，最終確定信號(hào)線。經(jīng)過(guò)測(cè)試，最終確定短路點(diǎn)為控制繼電器。進(jìn)一步測(cè)量控制繼電器的電阻為0.2 Ω，電路顯示該繼電器為常開觸點(diǎn)，現(xiàn)為常閉，因此確定短路點(diǎn)為繼電器常開觸點(diǎn)粘連導(dǎo)致短路。短路分析儀在沒(méi)有直接接觸電路板的情況下，就高效地定位了故障點(diǎn)，顯示出其實(shí)用性。

實(shí)例2：在某產(chǎn)品的測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)某功能板某芯片的第三引腳輸出固定為低電平。通過(guò)在線分析儀測(cè)量該芯片的邏輯功能為正常，測(cè)試該引腳與底線之間的電阻，阻值幾乎為0，因此確定該引腳異常接地導(dǎo)致信號(hào)輸出異常。電路板外觀圖如圖3 所示。

圖3 某功能板外觀圖

該功能板為八層板，電源正和電源地獨(dú)立為功能板的一層，并且電源地為電路板的第三層，不能直接通過(guò)表筆測(cè)量電阻確定故障點(diǎn)，排除采用電阻測(cè)量法的可能性；外加電流使短路點(diǎn)升溫，進(jìn)而采用紅外熱成像儀照射，可能產(chǎn)生極大的電流，故不能采用；電源地層為保證接地可靠，覆銅面積較大，采用電流跟蹤法會(huì)在整個(gè)電路板產(chǎn)生電流效應(yīng)，故不能采用。綜合考慮，選擇電勢(shì)測(cè)量法定位短路點(diǎn)。將多層板短路分析儀置于電勢(shì)測(cè)量功能檔，在該功能板的四個(gè)角選擇電源地接入點(diǎn)，將電勢(shì)線按照電路板的擺放方位接入對(duì)應(yīng)接入點(diǎn)，將探測(cè)表筆的地線接到故障引腳，通過(guò)多層板的顯示窗口指示測(cè)試可能的短路點(diǎn)，最終查找定位短路點(diǎn)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，最終定位故障點(diǎn)為一過(guò)孔穿越電源地層時(shí)異常短路導(dǎo)致?？梢?，電勢(shì)測(cè)量法能夠在大范圍內(nèi)快速、高效地確定故障點(diǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

多層板短路分析儀將多種短路測(cè)試方法集成到一個(gè)設(shè)備中，設(shè)備體積小巧、功能強(qiáng)大，能夠有效解決當(dāng)前短路檢測(cè)設(shè)備少、功能單一的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)設(shè)備各項(xiàng)功能的實(shí)際應(yīng)用，顯示出多層板分析儀在短路分析中的廣泛適用性和高效性。多層板短路分析儀的功能并不限于電路板短路分析，還可以應(yīng)用到其他低壓設(shè)備的短路檢測(cè)中。