基于反射法的線纜故障定位算法研究

關(guān)鍵詞： 故障定位；時域反射法；擴(kuò)頻時域反射法；時頻域反射法

中圖分類號：U226.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）28-0085-03

隨著社會信息化的不斷發(fā)展，線纜作為信息通信、能源傳輸?shù)热蝿?wù)的傳輸載體，被越來越廣泛地應(yīng)用。隨著使用時間的增長，線纜將逐漸受到不同類型的應(yīng)力影響，這些應(yīng)力會導(dǎo)致線纜發(fā)生故障，產(chǎn)生潛在危險和損害，嚴(yán)重影響設(shè)備的使用壽命，甚至危害人民的生命財產(chǎn)安全[1]。

目前，傳統(tǒng)的線纜故障定位方法主要包括萬用表法、電阻電橋法和反射法等。萬用表法通過測量線纜兩端的電阻大小來判斷線纜是否故障，但無法對線纜故障進(jìn)行精確定位。電阻電橋法利用電阻平衡以及電阻與線纜長度的比例關(guān)系來實現(xiàn)故障定位，但同樣需要接入線纜兩端，并對環(huán)境因素要求較高。隨著高速脈沖技術(shù)的發(fā)展，反射法逐漸成為線纜故障定位領(lǐng)域的主流方法，基于雷達(dá)原理，向待測線纜中發(fā)射檢測信號，由于線纜故障位置出現(xiàn)阻抗不匹配現(xiàn)象，會產(chǎn)生一個反射信號，通過分析發(fā)射信號與反射信號確定故障位置[2]。目前，常用的測量算法主要有時域反射法、擴(kuò)頻時域反射法和時頻域反射法。文章將對以上三種算法進(jìn)行性能分析，說明其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 線纜故障定位算法原理

1.1 時域反射法

時域反射法（Time-Domain Reflectometry，TDR） 是由于高速脈沖技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的一種高效的測量技術(shù)。自問世以來，TDR技術(shù)迅速在電纜故障定位領(lǐng)域普及，已成為現(xiàn)如今線纜故障領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的測量技術(shù)之一[3]。時域反射法與雷達(dá)原理相似。在測試過程中，利用高速脈沖信號發(fā)生器將檢測信號注入待測電纜中。當(dāng)電纜發(fā)生故障時，會引起內(nèi)部阻抗變化，從而產(chǎn)生阻抗不匹配現(xiàn)象。當(dāng)檢測信號遇到故障點(diǎn)所引發(fā)的阻抗不匹配時，會產(chǎn)生反射信號，并可能發(fā)生全反射或部分反射。通過取樣示波器接收反射信號，并結(jié)合發(fā)射信號與接收反射信5dgSKiu87vAFgGkeHbj49Tu2ebpsNjBbM7hzVpms7T0=號之間的時間間隔，以及電纜中信號的傳播速度，就可以計算出故障位置。TDR原理圖如圖1所示。

式中，l為檢測端口與故障點(diǎn)處的距離；v為信號在線纜中的傳播速度，傳播速度的大小與線纜絕緣材料及結(jié)構(gòu)有關(guān)；Δt為發(fā)射信號與反射信號之間的時間間隔。

1.2 擴(kuò)頻時域反射法

擴(kuò)展頻譜時域反射法（Spread Spectrum Time Do?main Reflectometry，SSTDR）是在時域反射法基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種線纜故障定位算法[4]。SSTDR 技術(shù)對TDR的改進(jìn)之處在于利用偽隨機(jī)序列碼片與基帶信號調(diào)制，對檢測信號進(jìn)行擴(kuò)頻處理，從而增加了檢測信號在時域上的長度，理論上提升了抗干擾能力。由于偽隨機(jī)序列具有優(yōu)秀的自相關(guān)特性，調(diào)制后的檢測信號也因此得到相應(yīng)的特性[5]。常用的偽隨機(jī)序列有m序列、Gold序列、雙素數(shù)序列等。SSTDR原理圖如圖2所示。

2 仿真性能驗證

2.1 仿真環(huán)境設(shè)置

為了驗證時域反射法、擴(kuò)頻時域反射法和時頻域反射法的綜合性能，本文利用數(shù)字仿真模型模擬線纜故障產(chǎn)生的反射信號。通過模擬線纜故障分別位于20米和30米時的反射信號，對三種算法進(jìn)行仿真實驗。表1為仿真參數(shù)設(shè)置表。

2.2 性能分析

表2 為無噪聲條件下線纜故障定位算法定位結(jié)果。

在無噪聲條件下，三種故障定位算法結(jié)果誤差相同，相對誤差均為0.28左右，處于較低水平。受信號發(fā)射速率及采樣速率限制，當(dāng)故障位置產(chǎn)生反射波的起始位置位于兩個采樣點(diǎn)之間時，故障定位算法只會尋找到起始位置最近一個點(diǎn)作為反射信號的起始點(diǎn)，從而產(chǎn)生了一些誤差，也是無噪聲環(huán)境下線纜故障定位誤差的主要來源。

為了驗證故障定位算法的抗干擾性能，在模擬檢測信號中加以-20 ～ -1dBw的噪聲，表3為噪聲條件下線纜故障定位算法的定位結(jié)果。

由表3可知，引入噪聲后，時域反射法的定位誤差均在50%以上，處于較高水平。由于時域反射法通過檢測發(fā)射脈沖與反射脈沖之間的時間間隔確定線纜故障位置，因此對反射脈沖的精確識別影響著線纜故障定位的精度。當(dāng)線纜中出現(xiàn)噪聲干擾時，定位算法會將噪聲信號錯誤識別為反射脈沖，導(dǎo)致時域反射法對噪聲干擾較為敏感，抗干擾能力較差。

相對于傳統(tǒng)時域反射法，擴(kuò)頻時域反射法增強(qiáng)了抗干擾能力，相對誤差僅為1.14%和1.79%，定位誤差較小，相對于傳統(tǒng)時域反射法提高了定位精度。由于擴(kuò)頻時域反射法增加了發(fā)射信號的長度，因此存在一段發(fā)射信號與反射信號混疊導(dǎo)致無法判斷故障位置的檢測盲區(qū)。

當(dāng)線纜故障位于5米時，此時線纜故障位于檢測盲區(qū)內(nèi)，時頻域反射法也有著較好的定位精度相對誤差僅為0.28%，在故障位置為20米及30米處時相對誤差僅為0.28% 和0.56%，整體故障定位相對誤差在0.3%左右，相比于擴(kuò)頻時域反射法增益為80%，證明時頻域反射法相比于擴(kuò)頻時域反射法提高了定位精度，減小了檢測盲區(qū)對故障定位的影響。

3 結(jié)論

本文通過比較不同噪聲條件下三種故障定位算法的定位結(jié)果，分析了三種定位算法的優(yōu)缺點(diǎn)。時域反射法原理簡單易實現(xiàn)、檢測速度快，但抗干擾能力較差，噪聲干擾會嚴(yán)重影響定位精度，適用于噪聲干擾較低的領(lǐng)域。擴(kuò)頻時域反射法增強(qiáng)了抗干擾能力，但存在檢測盲區(qū)問題，適用于含噪條件下的長距離檢測。時頻域反射法進(jìn)一步降低了噪聲對故障定位精度的影響，同時減小了檢測盲區(qū)，增強(qiáng)了故障定位算法的適用范圍，但時頻域反射法需要計算信號的時頻分布以及時頻互相關(guān)函數(shù)，計算復(fù)雜度較高，適用于噪聲干擾較大、對檢測速率要求較低的領(lǐng)域。本文的研究為線纜檢測領(lǐng)域提供了參考，可根據(jù)具體線纜檢測需求選擇合適的算法，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實意義。