電纜故障監(jiān)測報警系統(tǒng)

徐炳輝

【摘 要】鐵路信號電纜是信號設(shè)備的重要組成部分，隨著鐵路的發(fā)展，信號電纜故障對鐵路安全運營造成的影響越來越大，而且由于信號電纜的隱蔽敷設(shè)，造成電纜故障定位及處理難度增大，干擾正常的鐵路運輸秩序，嚴重時威脅和危害行車安全。電纜故障監(jiān)測報警系統(tǒng)可實現(xiàn)對多條電纜進行循環(huán)檢測，一旦發(fā)現(xiàn)其阻抗發(fā)生變化（斷線或混線）自動啟動本機的脈沖回波測距設(shè)備，上位機通過對脈沖回波測距設(shè)備返回數(shù)據(jù)進行分析，將電纜名稱、故障點與本機間距離、故障點大概位置（公里標）等信息，以手機短信形式通知有關(guān)人員。

【關(guān)鍵詞】電纜 故障監(jiān)測 脈沖測距 報警

電纜故障監(jiān)測報警系統(tǒng)可對多條電纜備用芯線進行實時監(jiān)測，一旦發(fā)生故障，可進行自動測量并分析出故障點距本機間距離，故障點大概位置（公里標），并已手機短信形式通知有關(guān)人員。通過本系統(tǒng)，可在不影響信號傳輸?shù)那闆r下，實時監(jiān)測信號電纜，信號電纜故障后，第一時間判斷出故障原因及故障點位置，有效縮短故障處理時間。

1系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要由電纜切換電路、電阻測量電路、脈沖回波測距電路、分析軟件及短信通知組成。

在每條電纜中找出一對備用芯線作為監(jiān)測對象，在該對芯線的遠端接一終端電阻（考慮到鐵路信號電纜芯線的截面積和長度等因素，終端電阻阻值采用2KΩ），將該對芯線的始端接至本機。在單片機的控制下，本機循環(huán)對每對芯線的阻抗進行測試；一旦發(fā)現(xiàn)某對芯線阻抗超出范圍，自動啟動脈沖回波測距電路，并將測量結(jié)果送至工控機；工控機通過軟件分析，控制脈沖回波測距電路以不同的增益和采樣速率多次對該對芯線進行測試，最后分析出故障點位置（故障點與本機間距離），控制短信通知模塊將電纜名稱、距離等信息發(fā)送至有關(guān)人員的手機。

1.1 電纜切換電路

電纜故障監(jiān)測報警系統(tǒng)可同時監(jiān)測多條備用芯線（最多60條），由單片機控制繼電器來切換電纜，可循環(huán)對所接電纜進行電阻測量，當(dāng)所測電纜電阻阻抗超出范圍，將該電纜切換至脈沖回波測距電路，分析故障點位置。

1.2 電阻測量電路

利用單片機的A/D轉(zhuǎn)換模塊對所接電纜進行阻抗測量，考慮到鐵路信號電纜芯線的截面積和長度等因素，終端電阻阻值采用2 KΩ，因此當(dāng)測得電纜阻抗小于1.5 KΩ，判定電纜混線；當(dāng)測得電纜阻抗大于5 KΩ，判定電纜斷線。

1.3 脈沖回波測距電路

由工控機控制脈沖回波測距電路，在故障電纜上加上低壓脈沖，該脈沖沿電纜傳播直到阻抗失配的地方，在這些點上都會引起電波的反射，反射脈沖回到電纜測試端時被脈沖回波測距電路接收，并上傳至工控機，由分析軟件分析出故障點位置。

1.4 分析軟件

根據(jù)電纜的測試波形我們可以判斷故障的性質(zhì)，當(dāng)發(fā)射脈沖與反射脈沖同相時，表示是斷路故障或終端頭開路。當(dāng)發(fā)射脈沖與反射脈沖反相時，則是短路接地或低阻故障。

工控機控制脈沖回波測距電路以不同的增益和采樣速率多次對該對芯線進行測試，最后分析出故障點位置。

1.5 短信通知

可在系統(tǒng)中提前設(shè)置站中心公里標、電纜名稱、電纜重點公里標、電纜長度、短信接收人員電話號碼等信息，當(dāng)電纜故障后，軟件可自動分析出故障點的距離，并將電纜名稱、故障點與本機間距離、故障點大概位置（公里標）等信息，以手機短信形式通知所設(shè)置人員。

2設(shè)計原理

2.1電纜切換電路

系統(tǒng)可實時監(jiān)測60條備用電纜，其中每條電纜都連接一個轉(zhuǎn)換繼電器（如上圖所示）。單片機可根據(jù)需求控制驅(qū)動電路，動作相應(yīng)繼電器，從而接通電纜。平時狀態(tài)，單片機根據(jù)電纜設(shè)置循環(huán)監(jiān)測所接電纜，通過ZHJ繼電器將電纜接至電阻測量模塊，所測電纜阻抗超出范圍，ZHJ繼電器立即將該電纜接至脈沖回撥測距電路，進行故障點距離測量。

2.2 電阻測量電路

本系統(tǒng)單片機采用STC12C5A60S2，該單片機具有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達250KHz（25萬次/秒），其A/D轉(zhuǎn)換口在P1口（P1.7-P1.0）。本系統(tǒng)通過測量電路中已知電阻R1（500Ω）的電壓VR1，求得流經(jīng)該已知電阻的電流I R1，從而求得電纜電阻R。

2.3 脈沖回波測距電路

圖1

上圖1為脈沖測試的基本原理圖。測量電纜故障時，電纜可視為一條均勻分布的傳輸線，根據(jù)傳輸線理論，在電纜一端加上脈沖電壓，該脈沖按一定的速度（決定于電纜介質(zhì)的介電常數(shù)和導(dǎo)磁系數(shù)）沿線向遠端傳輸，當(dāng)脈沖遇到故障點（或阻抗不均勻點）就會產(chǎn)生反射，記錄下發(fā)送脈沖和反射脈沖之間的傳輸時間△T，則可按已知的傳輸速度V來計算出故障點的距離Lx，Lx=V·△T/2。

測試時，在電纜故障相上加上低壓脈沖，該脈沖沿電纜傳播直到阻抗失配的地方，如中間接頭、T型接頭、短路點、斷路點和終端頭等等，在這些點上都會引起電波的反射，反射脈沖回到電纜測試端時被保存并顯示。當(dāng)發(fā)射脈沖與反射脈沖同相時，表示是斷路故障或終端頭開路。當(dāng)發(fā)射脈沖與反射脈沖反相時，則是短路接地或低阻故障。

3 技術(shù)特點

（1）電纜故障監(jiān)測報警系統(tǒng)可在不影響信號傳輸?shù)那闆r下，實時監(jiān)測信號電纜，一旦信號電纜發(fā)生故障，可在第一時間判斷出故障原因及故障點位置，有效縮短故障處理時間。

（2）具有電纜切換電路，可同時監(jiān)測多條電纜（60條），并自由切換。

（3）自動調(diào)節(jié)脈沖回波測試的頻率及增益，以便更準確測量故障點位置。

（4）系統(tǒng)分析軟件可準確分析出電纜故障點與本機間距離、故障點大概位置（公里標），并及時將信息發(fā)送至有關(guān)人員。

參考文獻：

[1] 謝維成，楊加國.單片機原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計.清華大學(xué)出版社，2009.

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