一種簡(jiǎn)捷高效的電纜斷點(diǎn)單端定位方法研究

張 旭， 王發(fā)威

（空軍工程大學(xué) 航空機(jī)務(wù)士官學(xué)校，河南 信陽(yáng)464000）

0 引 言

電纜廣泛應(yīng)用于工業(yè)、生活與國(guó)防等領(lǐng)域，擔(dān)負(fù)著傳輸電能、信號(hào)與數(shù)據(jù)的重要功能，是各類儀器設(shè)備的血管和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；各類電纜在使用過(guò)程中，由于摩擦、彎折及外力破壞等因素，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不同故障情況，此時(shí)，常使用電纜故障診斷儀或者萬(wàn)用表進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)之后，能夠得知是哪根導(dǎo)線產(chǎn)生了斷點(diǎn)，但是很難判定斷點(diǎn)的具體位置，給電纜搶修及日常修理帶來(lái)了困難。

雖然通過(guò)直接更換某根導(dǎo)線的方法能夠解決問(wèn)題，但是在應(yīng)急修理、搶修、電纜難以拆卸或者備件不齊全等情況下，該方法難以滿足要求；尤其是在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，武器裝備及其保障設(shè)備的各類電纜由于敵方攻擊和自身因素，其故障率會(huì)大幅提高，加之戰(zhàn)場(chǎng)的環(huán)境惡劣、備件資源有限、搶修時(shí)間緊，給電纜搶修提出了更加苛刻的要求，因此，對(duì)故障導(dǎo)線進(jìn)行直接定位和修理是電纜搶修中亟待解決的問(wèn)題。

目前，常用電纜斷點(diǎn)定位方法［1?8］有3種，第一種是電容對(duì)比法，這種方法使用同類電纜作為檢測(cè)基準(zhǔn)，這在應(yīng)急修理過(guò)程中往往難以實(shí)現(xiàn)。第二種方法是脈沖反向法或時(shí)域反射法（TDR），此種方法定位精度高，但是儀器價(jià)格昂貴、設(shè)備體積較大、對(duì)判讀人員的能力要求較高，同時(shí)要求在檢測(cè)前，提前掌握待測(cè)電纜的微波傳輸速率等參數(shù)，這種方法在應(yīng)急修理及搶修環(huán)境下同樣難以做到實(shí)時(shí)匹配。第三種是電磁感應(yīng)法，通過(guò)單端接入外來(lái)信號(hào)的方式，使用探測(cè)器來(lái)感知輻射磁場(chǎng)并判斷斷點(diǎn)位置；文獻(xiàn)［1］研究了TDR與電磁感應(yīng)法協(xié)同使用的定位方法，取得了較好的定位效果，但是TDR需要提前知道電纜介質(zhì)并測(cè)量其電磁波傳播速率，同時(shí)對(duì)電磁感應(yīng)法的研究較為單一。

針對(duì)此種情況，本工作重點(diǎn)對(duì)電磁感應(yīng)法進(jìn)行深入研究，基于交變電磁場(chǎng)與天線理論，提出電纜斷點(diǎn)單端定位系統(tǒng)構(gòu)建的簡(jiǎn)易化解決方案，在進(jìn)行大量試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，分別提出3種電纜斷點(diǎn)的單端定位方法及其定位規(guī)律和適用范圍。

1 電纜斷點(diǎn)單端定位原理

本方法的原理是交變電磁場(chǎng)與天線理論，如圖1、圖2所示。

圖1 電纜中電磁場(chǎng)信號(hào)輻射原理示意圖

圖2 電纜電磁輻射探測(cè)器示意圖

當(dāng)在導(dǎo)線一端施加交流電源信號(hào)之后，導(dǎo)線就像天線一樣，向外輻射出磁場(chǎng)，而磁場(chǎng)又產(chǎn)生電場(chǎng)，依次向外傳播。因此，若將電纜一端加上交流電信號(hào)，將電纜視為天線，那么它就會(huì)向外輻射電場(chǎng)和磁場(chǎng)能量；同時(shí)，如果再用一個(gè)接收天線，也就是電磁信號(hào)探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)的話，就可以對(duì)電纜斷點(diǎn)的位置進(jìn)行定位了。

綜上所述，本工作的整體思路，就是設(shè)計(jì)一個(gè)強(qiáng)度足夠大的交流信號(hào)發(fā)生裝置作為信號(hào)源，再加一個(gè)靈敏度適當(dāng)?shù)碾姶艌?chǎng)信號(hào)探測(cè)器，組成電纜斷點(diǎn)單端定位系統(tǒng)。

2 電纜斷點(diǎn)單端定位系統(tǒng)構(gòu)成解決方案

2.1 交流信號(hào)發(fā)生裝置

2.1.1 使用市電進(jìn)行供電的情況

220 V、50 Hz的市電是非常易于獲得的資源，在該情況下，可以選擇使用9～24 V交流變壓器變壓后作為輸出，經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，脈動(dòng)直流電的效果大大優(yōu)于同等電壓下的交流變壓器，因此，采用脈動(dòng)直流電模塊進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換；該裝置非常容易獲得，如手機(jī)充電器輸出電壓為5 V，蓄電池充電器的電壓為12 V和24 V等。

使用脈動(dòng)直流充電器作為信號(hào)發(fā)生裝置時(shí)，需要將其充電線的輸出端拆開(kāi)，使用5，12，24 V正極電源線連接待測(cè)電纜，同時(shí)將充電線中的其他導(dǎo)線隔離以防止短路。脈動(dòng)直流充電模塊的電磁輻射效果比交流變壓器性能優(yōu)異的原因，是其先將市電變換成高頻電源，然后進(jìn)行變壓整流，因此其內(nèi)部含有大量的50 Hz諧波信號(hào)及其他高頻信號(hào)，這些信號(hào)接入待測(cè)電纜之后，具有較強(qiáng)的電磁輻射能力，易于被探測(cè)器探測(cè)感知。

2.1.2 使用電池進(jìn)行供電的情況

該種情況不依靠市電，可將信號(hào)發(fā)生裝置做成便攜式，使用方便。為使該裝置能夠便于制作，試驗(yàn)選擇以下解決方案，如圖3所示。

圖3 便攜式信號(hào)發(fā)生裝置解決方案

圖3給出的解決方案選擇12 V便攜式直流電源供電，使用逆變器模塊將其轉(zhuǎn)換為220 V、50 Hz的交流電信號(hào)，之后有兩種方案，第一種（方案Ⅰ）是經(jīng)過(guò)交流信號(hào)變壓器變壓之后，將其項(xiàng)線作為待測(cè)電纜的單端輸入端；第二種（方案Ⅱ），是采用脈動(dòng)直流電變換模塊，將其分別轉(zhuǎn)換為5，12，24 V的脈動(dòng)直流電，并將其正極加載到待測(cè)電纜的輸入端；根據(jù)以上結(jié)論，方案Ⅱ的性能優(yōu)于方案Ⅰ。因此，本工作選用脈動(dòng)直流充電器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。

2.2 電磁場(chǎng)信號(hào)探測(cè)器

目前，市場(chǎng)上容易購(gòu)買到的幾種電磁信號(hào)探測(cè)器，如圖4～圖7所示。

圖4 感應(yīng)電筆

圖7 鉗形萬(wàn)用表NCV功能信號(hào)格數(shù)顯示

圖4為感應(yīng)電筆，它可以測(cè)量市電電線中輻射的電磁信號(hào)，能夠發(fā)出聲音或文字報(bào)警，但是其閥值設(shè)置的往往比較高，即使有一些閥值低的，也難以量化顯示；圖5為電磁場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)儀，它能夠檢測(cè)寬頻段的電磁輻射，靈敏度高，能夠以數(shù)字方式量化顯示；圖6為鉗形萬(wàn)用表，具有非接觸電壓測(cè)量（NCV）功能，鉗形表檔位打到NCV檔之后，將儀表鉗頭部分靠近電路或?qū)Ь€即可測(cè)量交流電壓，儀表會(huì)根據(jù)探測(cè)到的電壓大小，發(fā)出不同的蜂鳴報(bào)警音并顯示信號(hào)格數(shù)（如圖7所示），導(dǎo)線電磁輻射越強(qiáng)，則蜂鳴聲頻率越高、信號(hào)格數(shù)越多，最多為4格信號(hào)；因此，鉗形萬(wàn)用表的NCV功能能夠量化顯示信號(hào)的強(qiáng)弱，這是感應(yīng)電筆難以反映出來(lái)的，可以說(shuō)，其具有簡(jiǎn)單、明了和易操作等特點(diǎn)。綜上所述，本方法選擇鉗形萬(wàn)用表的NCV功能作為電磁信號(hào)探測(cè)器。

圖5 電磁場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)儀

圖6 鉗形萬(wàn)用表

3 三種電纜斷點(diǎn)單端定位方法及規(guī)律

在完成了信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)的硬件搭建與測(cè)試和電磁場(chǎng)探測(cè)器的優(yōu)選與匹配之后，使用該定位系統(tǒng)分別開(kāi)展3種場(chǎng)景下的試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 單線斷點(diǎn)的單端檢測(cè)與定位方法

將交流信號(hào)發(fā)生裝置連接待測(cè)電纜之后，用鉗形表鉗頭靠近待測(cè)電纜，上面會(huì)顯示信號(hào)（通常為3～4格），將其鉗頭沿著電纜向前移動(dòng)，當(dāng)信號(hào)明顯減弱直至消失時(shí)，可確定此處為斷點(diǎn)，定位精度為1cm。

3.2 電纜線束中電纜斷點(diǎn)的單端檢測(cè)與定位方法

當(dāng)電纜線束中出現(xiàn)某根導(dǎo)線斷路時(shí)，情況比3.1節(jié)的復(fù)雜。可將該導(dǎo)線一端連接信號(hào)發(fā)生裝置，根據(jù)交變電磁場(chǎng)理論，線束中其他導(dǎo)線也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電磁場(chǎng)并沿電纜傳播，因此，當(dāng)拿著鉗形表測(cè)量時(shí)，即使越過(guò)斷點(diǎn)，其他導(dǎo)線也會(huì)輻射出電磁場(chǎng)并能夠被鉗形表探測(cè)感知；但是，此類二次感生電場(chǎng)的信號(hào)輻射強(qiáng)度會(huì)大大低于一次感生信號(hào)，因此可通過(guò)該特點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)線斷點(diǎn)定位。根據(jù)試驗(yàn)的情況，原來(lái)信號(hào)有3格，當(dāng)經(jīng)過(guò)斷點(diǎn)后，輻射強(qiáng)度會(huì)變?yōu)?格，或時(shí)有時(shí)無(wú)，此時(shí)即可判定斷點(diǎn)位置。

該方法只適用于線束比較稀疏的電纜，如果電纜導(dǎo)線數(shù)量多且包裝密集，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線間互相感應(yīng)效率極高，因此經(jīng)過(guò)斷點(diǎn)之后，電纜的電磁輻射衰減太小，不易甄別。

3.3 帶屏蔽層的電纜斷點(diǎn)檢測(cè)與定位方法

根據(jù)電磁屏蔽原理，當(dāng)電纜屏蔽層接地時(shí)，能夠起到電磁屏蔽作用，其內(nèi)部的電磁信號(hào)難以傳播出來(lái)，探測(cè)器感知不到信號(hào)，因此在該情況下是難以進(jìn)行檢測(cè)定位的。

針對(duì)帶屏蔽層的電纜斷點(diǎn)檢測(cè)與定位問(wèn)題，其定位方法是將電纜屏蔽層與地隔離，這樣電纜中的電磁信號(hào)會(huì)透過(guò)屏蔽層傳播出來(lái)，其測(cè)試方法根據(jù)電纜斷點(diǎn)與屏蔽層是否接觸分為兩大類。

第一類：電纜斷點(diǎn)與屏蔽層不接觸的情況，其示意圖和3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如圖8～圖11所示。

電纜斷點(diǎn)與屏蔽層不接觸情況示意圖見(jiàn)圖8。

圖8 電纜斷點(diǎn)與屏蔽層不接觸情況示意圖

由圖8可知：最外部半透明區(qū)域?yàn)殡娎|屏蔽層，里面最細(xì)部分為導(dǎo)線。

圖9～圖11為3組測(cè)試數(shù)據(jù)，圖中，較粗點(diǎn)線代表從待測(cè)電纜接入點(diǎn)開(kāi)始取點(diǎn)，所測(cè)量到的NCV電壓值，3組數(shù)據(jù)中取點(diǎn)間隔不盡相同；呈拋物線形狀的細(xì)實(shí)線為該線對(duì)應(yīng)的多項(xiàng)式趨勢(shì)線。

圖9 電纜斷點(diǎn)與屏蔽層不接觸時(shí)的測(cè)量電壓（第一組數(shù)據(jù)）

圖10 電纜斷點(diǎn)與屏蔽層不接觸時(shí)的測(cè)量電壓（第二組數(shù)據(jù)）

圖11 電纜斷點(diǎn)與屏蔽層不接觸時(shí)的測(cè)量電壓（第三組數(shù)據(jù)）

由圖9～圖11可知：3組數(shù)據(jù)中，第一組中點(diǎn)7、第二組中點(diǎn)11、第三組中點(diǎn)9為電纜斷點(diǎn)所在位置；第一組中點(diǎn)9、第二組中點(diǎn)14、第三組中點(diǎn)10為NCV測(cè)量電壓開(kāi)始明顯下降的點(diǎn)。從以上數(shù)據(jù)的分析可知，從接入點(diǎn)開(kāi)始，感應(yīng)電壓始終在小范圍內(nèi)波動(dòng)，這是由于屏蔽層內(nèi)部有相似的導(dǎo)線輻射的緣故；當(dāng)移動(dòng)到斷點(diǎn)位置時(shí)，感應(yīng)電壓并沒(méi)有迅速下降，而是在其后約7 cm處，開(kāi)始大幅下降（見(jiàn)3組圖中NCV測(cè)量電壓開(kāi)始明顯下降的點(diǎn)）。出現(xiàn)這種情況的原因，是屏蔽層所感應(yīng)的電磁場(chǎng)信號(hào)較強(qiáng)，衰減較慢，根據(jù)該規(guī)律可以對(duì)此種情況下的電纜斷點(diǎn)進(jìn)行定位，根據(jù)屏蔽層的類型不同，該距離會(huì)有所不同，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定。

同時(shí)，從圖中的數(shù)據(jù)可得出以下規(guī)律，更便捷地定位此種情況下的電纜斷點(diǎn)。

規(guī)律1：針對(duì)帶屏蔽層的電纜斷點(diǎn)檢測(cè)與定位問(wèn)題，當(dāng)斷點(diǎn)與屏蔽層非接觸時(shí)，與其感應(yīng)電壓多項(xiàng)式趨勢(shì)線起點(diǎn)電壓相同的趨勢(shì)線上的另一點(diǎn)，即是電纜斷點(diǎn)位置。

根據(jù)規(guī)律1，可看出圖12中虛線處所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，即是該情況下電纜的斷點(diǎn)位置；當(dāng)然，在檢測(cè)中也存在一些小的誤差，這是容許的。

圖12 規(guī)律1應(yīng)用圖示（第一組數(shù)據(jù)）

另外，在該種情況檢測(cè)時(shí)，除屏蔽層不能接地外，整根導(dǎo)線不能夠放在具有導(dǎo)電性能的地面或金屬上檢測(cè)，這樣容易造成屏蔽層受到干擾，影響測(cè)量結(jié)果；應(yīng)盡量將其懸空或者放在絕緣的桌子上等。

第二類：電纜斷點(diǎn)與屏蔽層接觸的情況，其示意圖和3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如圖13～圖16所示。

圖13 電纜斷點(diǎn)與屏蔽層接觸情況示意圖

圖13為電纜斷點(diǎn)與屏蔽層接觸情況示意圖，圖中，最外部半透明區(qū)域?yàn)殡娎|屏蔽層，里面最細(xì)部分為導(dǎo)線。圖14～圖16為3組測(cè)試數(shù)據(jù)，圖中，較粗點(diǎn)線代表從待測(cè)電纜接入點(diǎn)開(kāi)始取點(diǎn)，所測(cè)量到的NCV電壓值，3組數(shù)據(jù)中取點(diǎn)間隔不盡相同；呈拋物線形狀的細(xì)實(shí)線為該線對(duì)應(yīng)的多項(xiàng)式趨勢(shì)線。

圖14 電纜斷點(diǎn)與屏蔽層接觸時(shí)的測(cè)量電壓（第一組數(shù)據(jù)）

從3組數(shù)據(jù)中曲線變化趨勢(shì)可以看出，當(dāng)斷點(diǎn)與屏蔽層接觸時(shí)，從電纜接入點(diǎn)開(kāi)始，感應(yīng)電壓NCV值先增加后減小，呈類似向下開(kāi)口的拋物線趨勢(shì)，由圖14～圖16可知：當(dāng)NCV值第一次增加到最大值的位置，即為電纜斷點(diǎn)的位置（見(jiàn)第一組點(diǎn)9、第二組點(diǎn)11、第三組點(diǎn)11）；由于斷點(diǎn)與屏蔽層相接觸，因此該點(diǎn)處的NCV輻射值最大，從理論上分析也能得出類似結(jié)論。

圖16 電纜斷點(diǎn)與屏蔽層接觸時(shí)的測(cè)量電壓（第三組數(shù)據(jù)）

規(guī)律2：針對(duì)帶屏蔽層的電纜斷點(diǎn)檢測(cè)與定位問(wèn)題，當(dāng)斷點(diǎn)與屏蔽層接觸時(shí)，與其感應(yīng)電壓第一次增加到最大值的位置，即為電纜斷點(diǎn)的位置。

適用范圍：與3.2節(jié)相似，該方法只適用于線束比較稀疏的電纜，如果電纜導(dǎo)線數(shù)量多且包裝密集，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線間互相感應(yīng)效率極高，因此經(jīng)過(guò)斷點(diǎn)之后，電纜的電磁輻射衰減太小，輻射再穿過(guò)屏蔽層的話，甄別難度更大；因此該方法對(duì)單根電纜效果最佳，如同軸線等。

圖15 電纜斷點(diǎn)與屏蔽層接觸時(shí)的測(cè)量電壓（第二組數(shù)據(jù)）

4 多項(xiàng)式趨勢(shì)線的計(jì)算方法

多項(xiàng)式趨勢(shì)線實(shí)際上是數(shù)值計(jì)算方法中多項(xiàng)式擬合取二階時(shí)的擬合曲線，其計(jì)算方法為：

對(duì)于給定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（xi，yi）（i＝1，…，N），尋找一個(gè)m次多項(xiàng)式（m＝2＜N）

式中，a0，a1，a2為待定系數(shù)。

要求y＝φ（x）能夠最好地?cái)M合給定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，具體的標(biāo)準(zhǔn)為最小二乘法原理，即使誤差的平方和達(dá)到最小［8］。

把點(diǎn)（xi，yi）代入y＝φ（x），便得到以a0、a1和a2為未知參量的方程組：

其矩陣形式為：

式中：

對(duì)式（3）兩邊乘以ΓT，可得：ΓTΓa＝ΓTb，從而可解算出待定系數(shù)a的表達(dá)式：

將式（4）代入式（1），可得多項(xiàng)式趨勢(shì)線（m＝2）的實(shí)際表達(dá)式；當(dāng)然，多項(xiàng)式趨勢(shì)線的計(jì)算也可以借助MATLAB函數(shù)或EXCEL、WORD表格的相關(guān)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本工作基于電磁感應(yīng)理論提出了一種簡(jiǎn)捷高效的電纜斷點(diǎn)定位方法，詳細(xì)研究了其檢測(cè)原理、系統(tǒng)構(gòu)建方案、檢測(cè)方法、規(guī)律和適用范圍。該方法既適用于常規(guī)電力電纜，也適用于低電壓電纜和數(shù)據(jù)電纜等，可在適用范圍內(nèi)快速定位電纜斷點(diǎn)，具有實(shí)時(shí)、方便、便攜、經(jīng)濟(jì)、高效、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)；若后期與TDR協(xié)同使用，可較大程度節(jié)約搶修時(shí)間，提高搶修效率，從而滿足戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境及日常情況下電纜搶修中的斷點(diǎn)定位需求，具有很好的理論和應(yīng)用價(jià)值。