Fault Detection Technology Based on Traveling Wave Method for Cables of EMU and Its Application

于德偉　王芹鳳　岳　剛　趙付洲

(南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島　266111)

行波法動(dòng)車電纜故障檢測技術(shù)及其應(yīng)用

Fault Detection Technology Based on Traveling Wave Method for Cables of EMU and Its Application

于德偉王芹鳳岳剛趙付洲

(南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島266111)

摘要：針對(duì)動(dòng)車電纜運(yùn)行時(shí)間延長與電纜負(fù)荷增加而引起的電纜故障判定、測距等問題，提出了一種新的基于行波法的電纜故障檢測方法。首先根據(jù)動(dòng)車電纜故障的不同性質(zhì)，進(jìn)行故障電纜類型劃分。其次，針對(duì)電纜中的不同類型的故障，分別采用行波法中的時(shí)域分析法、沖閃法進(jìn)行故障分析及測距。最后，詳細(xì)介紹了新的故障檢測方法操作步驟，通過波形圖分析驗(yàn)證了該方法的可行性。新的故障檢測方法克服了兩種方法各自在電纜故障檢測方面的局限性，具有較高的實(shí)用意義。

關(guān)鍵詞：行波法動(dòng)車電纜時(shí)域反射法沖閃法電纜故障檢測

Abstract：Aiming at the issues of determination of the cable faults caused by extended running time of the trains and cable overload, and to measure the distance to the fault point, the new detection method based on traveling wave method is proposed. Firstly, in accordance with the different nature of the faults, the faults are classified; then, based on different types of faults, the faults are analyzed and located by using time domain analysis and impulse flash method in traveling wave method. Finally, the operation procedures of the new fault detection method are introduced in detail; the feasibility of this method is verified through analyzing the waveworm graphics. This new method overcome the limitation of two kinds of methods in cable fault detection, it possesses higher practical significance.

Keywords：Traveling wave methodEMU cableTime-domain reflectometry(TDR)Impulse flash methodCable fault detection

0引言

快速發(fā)展的國民經(jīng)濟(jì)推動(dòng)了鐵路運(yùn)輸業(yè)的高速發(fā)展。近幾年，動(dòng)車電纜因運(yùn)行時(shí)間的延長逐漸老化，導(dǎo)致了故障的發(fā)生，引起了廣大工作人員的關(guān)注。如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在故障,保證列車安全出行，成為動(dòng)車檢修過程中的重中之重。

為了有效檢測電纜故障，國內(nèi)外研究者提出了多種電纜故障定位方法[1-4]。根據(jù)檢測原理的不同，電纜故障定位方法分為阻抗法和行波法。阻抗法操作簡單，應(yīng)用廣泛，它通過計(jì)算故障點(diǎn)與測量端之間的阻抗大小確定故障點(diǎn)位置[5-7]。行波法以行波理論為基礎(chǔ)，將故障電纜看作分布參數(shù)元件，它根據(jù)脈沖傳播速度與脈沖在測試端與故障點(diǎn)間的往返時(shí)間實(shí)現(xiàn)故障定位[8-10]。

本文結(jié)合動(dòng)車電纜的自身特性，通過對(duì)電纜的不同故障進(jìn)行綜合分析，提出了一種基于行波法的故障檢測方法并應(yīng)用于動(dòng)車電纜故障檢測。通過波形圖分析，驗(yàn)證了該方法的可行性。

1故障分類

動(dòng)車電纜主要由絕緣層(非金屬保護(hù)層)和金屬導(dǎo)體(如導(dǎo)體芯線、金屬屏蔽層、金屬外護(hù)套)兩部分組成。電纜任何一部分出現(xiàn)故障都將會(huì)導(dǎo)致電纜無法正常工作，實(shí)際電纜故障的原因主要是外力損壞或過度負(fù)荷。根據(jù)不同阻抗的特性，電纜故障分為以下三種類型。

① 開路故障

電纜的絕緣外層無損壞，但是導(dǎo)體內(nèi)部存在斷開部位，始終無電流流過的電纜故障。開路故障主要發(fā)生在金屬外護(hù)套、導(dǎo)體芯線以及金屬屏蔽層等部位，具體表現(xiàn)為電纜未規(guī)范連接或芯線、金屬屏蔽層在某一處或多處斷開，電阻值Rk=∞。

② 低阻故障

電纜的相間或?qū)Φ氐男孤┬怨收蟌與電纜波阻抗Z0滿足約束Z≤10Z0，稱為低阻故障。發(fā)生低阻故障的電纜仍可以構(gòu)成閉合回路，電纜中有流通電流。短路故障是低阻故障的特殊形式，其對(duì)地電阻Zf為0。

③ 高阻故障

若一芯或多芯測試電纜的相間電阻或?qū)Φ氐慕^緣電阻Z>10Z0，則稱為高阻故障。根據(jù)電纜回路中電流的變化，高阻故障又可分為兩種不同類型故障，即泄漏性高阻故障和閃絡(luò)性高阻故障。

2電纜故障定位方法

基于行波法的電纜故障檢測方法應(yīng)用于動(dòng)車檢修過程，實(shí)現(xiàn)了故障類型分析與故障點(diǎn)測距。行波法根據(jù)入射波在阻抗不匹配點(diǎn)產(chǎn)生反射的特性計(jì)算故障距離，可分為低壓脈沖、高壓脈沖反射法等多種故障檢測方法。本文采用基于行波法的時(shí)域反射法(time-domain reflectometry, TDR)和沖閃法進(jìn)行電纜故障檢測。

首先，對(duì)電纜故障進(jìn)行類別劃分；然后，向電纜的測試端加載一個(gè)固定頻率的測試脈沖，脈沖信號(hào)遇到故障點(diǎn)會(huì)發(fā)生反射;最后根據(jù)信號(hào)發(fā)送、接收的時(shí)間，信號(hào)傳播速度計(jì)算故障距離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障定位。

2.1　開路、低阻故障的測試方法及原理

時(shí)域反射法(TDR)是一種間接的測距方法，它是通過向待測電纜輸送脈沖信號(hào)，接收并分析反射信號(hào)的波形，確定故障類型和故障點(diǎn)距離的一種故障檢測方法[11]。TDR主要用于電纜開路故障和低阻故障的定位測距，也可以用于測量電纜的長度、波速度，辨識(shí)、定位電纜中的阻抗不匹配點(diǎn)。

TDR的基本原理是向待測電纜注入固定頻率的低壓脈沖，脈沖在電纜中傳輸過程遇到阻抗不匹配點(diǎn)(如故障點(diǎn)、中間接頭等)發(fā)生反射，如圖1所示。圓柱形電纜的三個(gè)阻抗不匹配點(diǎn)距離信號(hào)發(fā)射端的距離分別表示為L1、L2、L3，箭頭指向即為波傳播的方向。

圖1　時(shí)域反射法定位原理

儀器發(fā)射脈沖時(shí)刻作為起始時(shí)刻進(jìn)行計(jì)時(shí)，接收裝置接收到故障點(diǎn)的反射脈沖時(shí)結(jié)束計(jì)時(shí)，計(jì)算時(shí)間差Δt。根據(jù)故障點(diǎn)測距公式，利用時(shí)間差Δt、脈沖信號(hào)的傳播速度v，可計(jì)算出故障點(diǎn)到測試端的距離Lx。

Lx=vΔt/2

(1)

在電纜故障分析過程中，根據(jù)故障電纜的輸入阻抗zi與線路的特性阻抗zc，根據(jù)式(2)可以計(jì)算出阻抗不匹配點(diǎn)的反射系數(shù)p。

(2)

故障電纜的斷線點(diǎn)或終端開路阻抗?jié)M足 zi=∞，短路阻抗?jié)M足 zi=0。根據(jù)式(2)可知，斷線或開路故障的反射系數(shù) p=1，反射脈沖與發(fā)射脈沖的波形相同，如圖2所示；短路故障的反射系數(shù) p=-1；反射脈沖的波形與發(fā)射脈沖的波形相反，如圖3所示；低阻故障反射系數(shù)始終介于-1和1之間。因此，通過分析反射脈沖的波形，便可以直接判斷電纜故障類型。

圖2　斷線/開路故障反射波形

圖3　低阻/短路故障反射波形

2.2　高阻故障的測試方法及原理

動(dòng)車電纜故障中高阻故障發(fā)生的頻率相當(dāng)高。因?yàn)闄C(jī)車運(yùn)行過程中，電纜受車廂的擺動(dòng)引起絕緣層磨損形成高阻故障。具有高阻故障的電纜由于絕緣介質(zhì)磨損程度不盡相同，似斷非斷，其阻礙電流能力有所下降但未完全損壞，所以不會(huì)影響到傳輸電纜的阻抗。故障電纜檢測時(shí)測試脈沖在高阻故障點(diǎn)無法產(chǎn)生反射波形，因此采用時(shí)域反射法無法進(jìn)行電纜故障點(diǎn)定位。沖擊高壓閃絡(luò)測試法(沖閃法)在故障點(diǎn)測試端加載直流高壓電源，使故障點(diǎn)擊穿放電，形成擊穿電弧并作為測試信號(hào)，記錄其往返時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)定位，能夠有效地檢測出高阻故障[12]。因此，選擇沖閃法對(duì)高阻故障點(diǎn)進(jìn)行定位、測距。

實(shí)際電纜故障檢測過程中電流采樣法接線簡單，安全性高，采樣波形易于識(shí)別，因此沖閃法一般選用電流取樣法。另外，接線過程必須按照正確的接地方式進(jìn)行連接放電，測試過程中易發(fā)生明火或放電現(xiàn)象，禁止在易燃易爆的環(huán)境下操作。

沖閃法原理圖如4所示。直流高壓變壓器T2對(duì)加載于故障電纜的測試端的輸入電壓進(jìn)行升壓，直至將故障點(diǎn)擊穿形成通路；擊穿過程中的閃絡(luò)電弧作為測試脈沖在電纜中傳輸，遇到阻抗不匹配點(diǎn)電弧發(fā)生反射，測量電感L置于電纜輸入端讀取回波(J表示調(diào)節(jié)沖閃電壓的放電球)。因?yàn)殚W絡(luò)電弧傳播速度較快，會(huì)在故障點(diǎn)和電感L之間形成多次反射；電感 L存在自感現(xiàn)象，電容C和電感L組成一個(gè)L-C放電過程，因此線路輸入端接收到的波形為一個(gè)快速衰減的余弦波，其擴(kuò)展后的波形的幅值F變化劇烈，如圖5所示。根據(jù)反射波的間隔，根據(jù)式(1)可實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)測距。

圖4　沖閃法測試原理圖

圖5　沖閃法波形圖

3動(dòng)車電纜故障定位策略

3.1　了解故障電纜類型

動(dòng)車鋪設(shè)的電纜種類眾多，其電壓等級(jí)與結(jié)構(gòu)組成也不盡相同，選用電纜的電壓主要結(jié)構(gòu)也大致分為單芯、三芯、四芯等。

根據(jù)不同電壓等級(jí)將電纜進(jìn)行分類，了解電纜的介質(zhì)類型，動(dòng)車中較常使用的特殊電纜類型具體參數(shù)如表1所示。

表1　動(dòng)車較常使用特殊電纜類型表

3.2　校對(duì)電纜的電波傳輸速度

不同類型的電纜電波的傳播速度不同。電纜故障定位過程中需根據(jù)已知的電纜全長校準(zhǔn)電波速度。首先,選擇一段已知長度的同類型的完好電纜，測量其對(duì)端開路和短路的波形并進(jìn)行對(duì)比，調(diào)整波速,使其長度測量值和已知長度相等，則此時(shí)波速即為本條電纜的實(shí)際波速。

常見不同電纜線的傳播速度如表2所示。

表2　常用電纜線的傳播速度表

3.3　判定故障類型并確定故障位置

① 針對(duì)電纜中常見的開路故障、低阻故障及短路故障，選擇使用TDR方法進(jìn)行故障檢測。

若脈沖發(fā)送、接收時(shí)間差Δt=T，則說明該電纜未發(fā)生故障；若時(shí)間差Δt

圖6　TDR測短路、低阻故障波形

圖7　TDR測開路故障波形

② 針對(duì)動(dòng)車組故障電纜中的高阻故障，采用沖閃法進(jìn)行故障點(diǎn)分析、測距。

圖8~圖10是沖閃法測試形成的波形。

圖8　故障在測試始端的波形

圖9　故障在中間段的波形

圖10　故障在測量終端段的波形

因?yàn)楣收宵c(diǎn)發(fā)生在電纜的不同位置，采樣波形會(huì)發(fā)生變化。選擇使用標(biāo)準(zhǔn)波形與測試波形進(jìn)行對(duì)比，觀察分析判別電纜故障類型，計(jì)算故障點(diǎn)距離。

4結(jié)束語

本文針對(duì)動(dòng)車中不同種電纜故障，提出了一種基于行波法的電纜故障檢測方法。該方法可以快速準(zhǔn)確地進(jìn)行故障點(diǎn)檢測，提高了動(dòng)車運(yùn)行的可靠性，減少了故障修復(fù)時(shí)間，節(jié)省了大量人工與時(shí)間成本。

隨著計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，未來動(dòng)車故障電纜檢測研究方向傾向于智能化、高穩(wěn)定性的在線監(jiān)測方式。通過對(duì)動(dòng)車電纜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、分析評(píng)估，以便及早發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷，減少突發(fā)事故，保證安全用電和信號(hào)傳輸。

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中圖分類號(hào)：TH89;TP277

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508005

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：61374140、61403072)；

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(編號(hào)：22A201514050)。

修改稿收到日期：2015-07-10。

第一作者于德偉(1978-)，男，2001年畢業(yè)于洛陽工學(xué)院工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，高級(jí)工程師；主要從事高速動(dòng)車組電氣控制與故障檢測的研究。