一種多通道絕緣電阻快速測(cè)量以及故障定位方法

杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所 龔靜康 萬(wàn) 東 王劍輝

隨著社會(huì)發(fā)展，生產(chǎn)力的不斷提升，在通信和電力供應(yīng)中，各種電纜得到廣泛的應(yīng)用。為保障電纜的正常使用，電纜故障的檢測(cè)與定位是通信和電力供應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)。絕緣電阻的測(cè)量是電纜故障檢測(cè)的重要手段，然而近年來(lái)電纜數(shù)目與電通道數(shù)目不斷增加，給電纜故障檢測(cè)與定位帶來(lái)了極大的難度。

隨著電纜故障檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員對(duì)檢測(cè)方法也在不斷地推陳出新，例如GPS定位法、小波變換法、溫度檢測(cè)法、功率平衡法等。這些方法檢測(cè)精度在不斷的提升，手段也在不斷的革新，但這些方法目前在工程檢測(cè)中無(wú)法達(dá)到實(shí)施方便、成本適中等要求。目前主流的檢測(cè)方法主要包括：雙端檢測(cè)法、頻域反射法，以及時(shí)域反射法。

雙端檢測(cè)法利用設(shè)置于故障電纜兩端的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的功率差來(lái)識(shí)別故障的檢測(cè)方法。雙端檢測(cè)法原理簡(jiǎn)單、使用方便、開(kāi)發(fā)成本低，但該方法不具備故障定位的能力；同時(shí)由于需要在電纜兩端安裝檢測(cè)設(shè)備，因此要分別對(duì)兩端檢測(cè)設(shè)備供電，而在實(shí)際工程中，很難解決該問(wèn)題。針對(duì)雙端檢測(cè)算法不具備故障定位能力的問(wèn)題，研究人員提出了多種改進(jìn)方法，主要有基于簡(jiǎn)單通信的雙端檢測(cè)法、基于改進(jìn)參數(shù)的雙端檢測(cè)法等等。雖然這些方法可以進(jìn)行故障定位、同時(shí)精度也有所提升，但這些方法都是在雙端檢測(cè)法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，其不足之處在于雙端檢測(cè)法其硬件要求必須是在線路兩端同時(shí)設(shè)置至少一臺(tái)設(shè)備。

在使用時(shí)域反射法和頻域反射法定位電纜故障時(shí)，只需在電纜的一端設(shè)置檢測(cè)設(shè)備。時(shí)域反射法（TDR,Time Domain Reflectometry）利用向通信電纜一端發(fā)射的電壓脈沖和接收到的反射脈沖之間的時(shí)間差以及脈沖信號(hào)在通信電纜中的傳輸速度計(jì)算得到故障點(diǎn)位置。研究人員楊玉萍曾利用時(shí)域脈沖反射法，實(shí)現(xiàn)了電纜故障的檢測(cè)與定位，定位誤差小于1m。

頻域反射法（FDR,Frequency Domain Reflectometry）的概念于上世紀(jì)七十年代就提出，之后即應(yīng)用于復(fù)雜的軍用測(cè)試系統(tǒng)中。其檢測(cè)原理是在待測(cè)電纜一端輸入一個(gè)掃頻信號(hào)，并將其反射信號(hào)的測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)快速傅里葉逆變換轉(zhuǎn)換為時(shí)域信息。然后，根據(jù)信號(hào)在電纜中的傳播速度就可以計(jì)算出故障點(diǎn)位置。研究人員分析了影響該測(cè)量方法誤差的主要因素。并通過(guò)大量仿真實(shí)驗(yàn)研究出了頻域反射法對(duì)于單根電纜上存在兩處故障時(shí)的檢測(cè)能力。

目前，在實(shí)際進(jìn)行絕緣電阻測(cè)量時(shí)，大多采用的都是兆歐表簡(jiǎn)單測(cè)量。但在很多場(chǎng)合下故障檢測(cè)人員需對(duì)設(shè)備進(jìn)行多芯及不同耐壓條件下的測(cè)試，對(duì)于傳統(tǒng)的兆歐表只可以產(chǎn)生單一電壓，并逐根檢測(cè)，耗時(shí)且效率極低，因此遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際要求。研究絕緣電阻的快速測(cè)量，是提高設(shè)備維護(hù)效能的有效手段。研究人員通過(guò)大量試驗(yàn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)絕緣電阻多路自動(dòng)循環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)該方法提高了絕緣電阻的測(cè)量效率，該方法的不足之處在于該系統(tǒng)并不能實(shí)現(xiàn)電纜任意兩通道之間的絕緣電阻測(cè)量。

本文采用時(shí)域反射法實(shí)現(xiàn)電纜的故障檢測(cè)與定位，并針對(duì)傳統(tǒng)多通道絕緣電阻測(cè)量方法效率低的問(wèn)題，提出了一種并行測(cè)量多芯電纜絕緣電阻的方法。

1 測(cè)試原理

1.1 絕緣電阻測(cè)試

絕緣電阻測(cè)試用來(lái)檢測(cè)兩個(gè)或兩組絕緣導(dǎo)線之間的絕緣電阻值，判斷絕緣導(dǎo)線之間是否有絕緣電阻低或?qū)Ь€短路的故障。系統(tǒng)利用歐姆定律來(lái)實(shí)現(xiàn)絕緣電阻的測(cè)試，給被測(cè)絕緣體之間施加一個(gè)已知高電壓，測(cè)試絕緣體之間的漏電流，通過(guò)歐姆定律計(jì)算得到絕緣體間的絕緣電阻值。與萬(wàn)用表的電阻測(cè)試原理的主要區(qū)別是，絕緣電阻測(cè)試要求的加載電壓較高，屬于高壓測(cè)試。

圖1所示為絕緣電阻測(cè)試原理。因絕緣電阻測(cè)試的加載電壓一般較高、測(cè)試電流小，直流電源模塊需要選用專用高壓發(fā)生器，電流表需要選用微安級(jí)小電流測(cè)試模塊。

圖1 絕緣電阻測(cè)試原理

1.2 故障定位方法

本系統(tǒng)中采用TDR（時(shí)域反射法,Time Domain Reflectometry）法來(lái)實(shí)現(xiàn)被測(cè)故障電纜的故障點(diǎn)定位。本方法可以根據(jù)電纜中的傳輸線阻抗變化對(duì)短路故障點(diǎn)和斷路故障點(diǎn)的位置進(jìn)行快速定位。

時(shí)域反射法又稱為脈沖反射法或雷達(dá)法，最早應(yīng)用于長(zhǎng)途電話線的故障檢測(cè)，目前該方法主要應(yīng)用于電纜故障檢測(cè)和定位，同時(shí)也被運(yùn)用于防災(zāi)、預(yù)警，以及土壤水含量分析等領(lǐng)域。該方法主要在通信電纜的一端設(shè)置信號(hào)發(fā)射和接收裝置，并發(fā)射電壓脈沖信號(hào)，同時(shí)接收脈沖的反射信號(hào)，通過(guò)計(jì)算接收到的反射脈沖與發(fā)射脈沖的時(shí)間差，同時(shí)利用脈沖信號(hào)在該同型號(hào)正常電纜中的傳輸速率計(jì)算得到故障點(diǎn)位置。

圖2所示，在傳輸線理論中，信號(hào)在電纜中會(huì)以接近光速的某一個(gè)固定速度V進(jìn)行傳輸，當(dāng)遇到傳輸線的特性阻抗發(fā)生變化的地方，信號(hào)就會(huì)發(fā)生反射，在信號(hào)的入射點(diǎn)可以觀察到反射回來(lái)的信號(hào)。

圖2 TDR故障定位原理

當(dāng)被測(cè)電纜發(fā)生故障時(shí)，在故障點(diǎn)的傳輸特性阻抗會(huì)發(fā)生變化，從而發(fā)生信號(hào)反射。在被測(cè)電纜的信號(hào)注入端，只要能夠測(cè)得發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)的時(shí)間差t，即可計(jì)算的到故障點(diǎn)距離電纜頭的距離S=V*t/2。

1.3 多點(diǎn)測(cè)試方法

多測(cè)點(diǎn)之間的絕緣測(cè)試耗時(shí)、耗工。若采用傳統(tǒng)的絕緣測(cè)試算法，對(duì)于N個(gè)測(cè)點(diǎn)的絕緣測(cè)試，要實(shí)現(xiàn)任意兩點(diǎn)之間的絕緣性測(cè)試，其總測(cè)試次數(shù)為：CN2。若N=10時(shí)，總測(cè)試測(cè)試為45次；N=30時(shí)，總測(cè)試次數(shù)為435次；N=87時(shí)，總測(cè)試次數(shù)為3741次，測(cè)試效率極低。

因此本文提出一種快速測(cè)試的多芯電纜之間絕緣電阻的測(cè)試方法。如圖3所示為被測(cè)電纜的多點(diǎn)測(cè)試原理，電纜測(cè)試的各測(cè)試功能集中在測(cè)試模塊中；測(cè)試模塊與開(kāi)關(guān)模塊連接，通過(guò)開(kāi)關(guān)模塊將測(cè)試信號(hào)連接到被測(cè)產(chǎn)品電纜的各個(gè)測(cè)點(diǎn)上；通過(guò)軟件程序控制開(kāi)關(guān)模塊各通道開(kāi)關(guān)的切換，即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)被測(cè)線纜所有芯線的測(cè)試。

圖3 電纜多點(diǎn)測(cè)試原理

多芯電纜的絕緣測(cè)試時(shí)間由測(cè)試次數(shù)N和單次測(cè)試時(shí)間T決定。設(shè)計(jì)中采用一對(duì)多的測(cè)試邏輯（即一芯同時(shí)對(duì)其它所有芯測(cè)絕緣），可以有效降低總測(cè)試次數(shù)。如：對(duì)于一根36芯的電纜絕緣測(cè)試，要實(shí)現(xiàn)任意兩點(diǎn)之間的絕緣測(cè)試，傳統(tǒng)手動(dòng)測(cè)試次數(shù)為：N=36×35/2=630（次），而使用本文方法所需的測(cè)試次35次，該方法可以極大地提升絕緣測(cè)試的速度。

1.4 故障定位精度

由于信號(hào)在不同電纜中的傳輸速度V有可能不一樣，所以不能用一個(gè)統(tǒng)一的傳輸速度來(lái)進(jìn)行所有電纜的故障定位。對(duì)不同的電纜，測(cè)試前需要對(duì)其傳輸速度比進(jìn)行校正（或調(diào)整），否則可能會(huì)帶來(lái)較大的誤差。電纜中信號(hào)傳輸速度的不均勻性對(duì)測(cè)試結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生影響，本測(cè)量方法假定被測(cè)電纜中沿信號(hào)傳輸方向上信號(hào)的傳輸速度是均勻分布的。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 絕緣測(cè)試時(shí)間

單次測(cè)試時(shí)間T主要由升壓時(shí)間、保壓時(shí)間組成。該參數(shù)一般設(shè)置在1-5s之間。同時(shí)受測(cè)試電壓U、被測(cè)電纜長(zhǎng)度、被測(cè)電纜分布電容等諸多因素影響的。對(duì)于被測(cè)電纜固定的情況下，不管手動(dòng)測(cè)試還是自動(dòng)測(cè)試，該值基本是一致的。

假設(shè)，單次測(cè)試時(shí)間T=5s，則手動(dòng)測(cè)試時(shí)間為：630×5=3150（s）=52.5（min）；測(cè)試儀測(cè)試時(shí)間為：36×5=180(s)=3(min)。所以，測(cè)試儀與手動(dòng)測(cè)試相比，具有非常明顯的時(shí)間優(yōu)勢(shì)。

2.2 故障定位波形

被測(cè)電纜的故障主要有短路故障和斷路故障兩種故障。其分別對(duì)應(yīng)不同的故障波形。如圖4所示，斷路故障點(diǎn)的反射波形為向上凸起的波峰；如圖5所示，短路故障點(diǎn)的反射波形為向下凹陷的波谷。

圖4 斷路故障波形

圖5 短路故障波形

注意：1）故障點(diǎn)的實(shí)際位置不是波峰的最大值和波谷的最小值，而是波峰和波谷的變化的起始點(diǎn)；2）最靠近0m處的第一個(gè)波形不是需要測(cè)試的故障波形點(diǎn)。

故障定位是利用被測(cè)電纜上阻抗不匹配點(diǎn)的反射來(lái)進(jìn)行故障定位的。所以，若被測(cè)電纜上存在多處阻抗不匹配的位置時(shí)，反射波形上會(huì)有多個(gè)凸起的波峰或下陷的波谷。

2.3 故障定位精度

時(shí)域脈沖反射法主要是利用被測(cè)電纜故障點(diǎn)的特性阻抗不匹配的原理進(jìn)行故障點(diǎn)定位。對(duì)于同軸線纜、雙絞線等特性阻抗分布比較均勻的導(dǎo)線的測(cè)試，其定位效果較好。而對(duì)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的多芯電纜的定位，定位效果受特性阻抗的不一致性而產(chǎn)生波動(dòng)，最終對(duì)定位的精度產(chǎn)生影響。圖6和圖7所示是我們從實(shí)際的測(cè)試數(shù)據(jù)中抽出的兩組數(shù)據(jù)。

圖6 同軸斷路故障點(diǎn)的測(cè)試效果

圖7 多芯電纜斷路故障測(cè)試效果

3 結(jié)論與總結(jié)

本文針對(duì)傳統(tǒng)多通道絕緣電阻測(cè)量方法效率低的問(wèn)題，提出了一種并行測(cè)量多芯電纜絕緣電阻的方法，通過(guò)開(kāi)關(guān)模塊將測(cè)試信號(hào)連接到被測(cè)產(chǎn)品電纜的各個(gè)測(cè)點(diǎn)上；并通過(guò)軟件程序控制開(kāi)關(guān)模塊各通道開(kāi)關(guān)的切換，實(shí)現(xiàn)被測(cè)線纜所有測(cè)點(diǎn)的自動(dòng)測(cè)試，大大提高了多通道絕緣電阻測(cè)試的效率。另外分析了電纜類型對(duì)TDR方法故障定位精度的影響（包括同軸電纜和多芯電纜），實(shí)驗(yàn)表明，同軸電纜測(cè)試的斷路和短路故障的精度明顯優(yōu)于多芯電纜。

對(duì)于同軸線纜、雙絞線等特性阻抗分布比較均勻的導(dǎo)線的測(cè)試，其定位效果較好。而對(duì)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的多芯電纜的定位，定位效果受特性阻抗的不一致性而產(chǎn)生波動(dòng)，最終對(duì)定位的精度產(chǎn)生影響。對(duì)于一些特性阻抗一致性較好的電纜，其定位精度也會(huì)更好。