羅云飛，易 晟，祁瀟楠，齊 鶴

（1.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司高鐵運(yùn)維技術(shù)中心，上海 200071；2.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京電務(wù)段，南京 210011；3.北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

1 概述

300T車載設(shè)備通過應(yīng)答器獲取線路數(shù)據(jù)，其應(yīng)答器信息接收設(shè)備包括應(yīng)答器傳輸模塊（BTM）、緊湊型天線單元（CAU）及D電纜，其中D電纜用于BTM與CAU間的信號傳輸。

目前尚無針對D電纜直接有效的檢測方法，且由于該電纜布置于車體地板內(nèi)，更換極其不便，若無明確依據(jù)，很難協(xié)調(diào)車輛方進(jìn)行更換。因此在處理相關(guān)故障時，需要通過依次更換BTM或CAU的方式來排查，導(dǎo)致現(xiàn)場工作人員勞動強(qiáng)度大，故障分析處理及維護(hù)工作效率較低。

隨著國內(nèi)高速鐵路的大規(guī)模發(fā)展，裝備300T列控車載設(shè)備的高鐵列車數(shù)量已超千列，對D電纜傳輸性能進(jìn)行直接有效檢測的需求越來越迫切。

2 測試原理

D電纜由4根特征阻抗為50 Ω的同軸電纜組成，包括一根TX電纜，兩根RX電纜和一根電源電纜。其中TX電纜可傳輸27 MHz高頻信號，RX電纜和電源電纜的工作頻率為0.1～10 MHz。電纜兩端為專用8針航空連接器，用于與BTM 及CAU的可靠連接。

2.1 D電纜直流、交流參數(shù)的測量

電纜的直流、交流參數(shù)，即絕緣電阻和線間電容，不僅可以直接顯示電纜硬故障（如電纜短路）的存在，還可以反應(yīng)出電纜的健康狀況。既可以在排障時用來確定電纜是否故障，也可以作為常規(guī)檢查判斷電纜老化情況的依據(jù)。

以絕緣電阻為例，新電纜的絕緣電阻都應(yīng)該在10 MΩ以上，而使用一段時間以后，該值可能降低到1～2 MΩ，說明電纜已經(jīng)老化。當(dāng)電阻值低于預(yù)設(shè)門限時，可以考慮在大修時更換電纜，以避免列車運(yùn)行時電纜發(fā)生故障。由此可見，精確的測量電阻、電容值對電纜的診斷和維護(hù)有重大意義。

電纜的電阻指芯線、屏蔽層和機(jī)殼（或大地）三者之間的電阻值。

如圖1所示，A代表芯線，B代表屏蔽層，GND 為機(jī)殼地。為了能夠精確測量上述電阻值，需要對電纜按雙端口網(wǎng)絡(luò)處理。如圖2所示，施加不同的測試信號Vsa和Vsb，測量端口電壓和電流值，解復(fù)數(shù)的雙端口網(wǎng)絡(luò)Y-參數(shù)方程組，如公式（1）所示，即可得到這3個電阻。

圖2 物理參數(shù)測試Fig.2 Physical parameters test

實(shí)際測試時，Vsa和Vsb是一定頻率的交流信號，該方程的虛數(shù)部分即為導(dǎo)體間的3個電容值。

2.2 傳輸性能的測量

測量電阻雖然可以判斷電纜是否故障，但并不能定位故障位置。

定位故障位置需要測量電纜的分布傳輸性能，該測量方法基于TDR原理，可以反映出線路的匹配性（駐波比）及反射大小等指標(biāo)。測試結(jié)果可以通過特性阻抗的分布曲線來表示。

D電纜傳輸性能測試的理論依據(jù)如下。

高頻傳輸線正常工作要求信號源、傳輸線和負(fù)載在工作頻率范圍內(nèi)做到阻抗匹配。此時信號源到達(dá)負(fù)載的信號功率最大而沒有反射。對于D電纜，其特性阻抗為50 Ω。

由于測試儀基于單端測試，傳輸性能通過測試系統(tǒng)的反射信號來實(shí)現(xiàn)。如果反射信號為0，說明系統(tǒng)處于匹配狀態(tài)，負(fù)載可以接收最大的信號功率，系統(tǒng)工作正常。相反，如果信號被全反射，說明負(fù)載沒有收到信號，系統(tǒng)存在故障。測試儀根據(jù)反射發(fā)生的位置定位故障。如果信號有部分反射，說明系統(tǒng)沒有工作在最佳狀態(tài)。當(dāng)反射信號大于預(yù)設(shè)門限值時，則可視為故障并定位故障位置。

反射信號的大小是由傳輸系統(tǒng)的反射系數(shù)來確定的，如公式（2）所示。

其中Vref為反射電壓，Vs為入射電壓。

反射系數(shù)和系統(tǒng)阻抗的關(guān)系如公式（3）所示。

其中ZL為負(fù)載阻抗，Z0為傳輸線的特性阻抗。由此可見，反射信號的大小也可以用負(fù)載阻抗值來表示。

在測試時，可將電纜等效成多段短電纜級聯(lián)起來，如圖3所示。每一節(jié)的特性電阻即為前一節(jié)的負(fù)載電阻，測量負(fù)載阻抗便可以測量出電纜隨長度變化的分布特性電阻。

圖3 分布參數(shù)測試Fig.3 Distributed parameters test

當(dāng)電纜發(fā)生故障時，其阻抗曲線就會發(fā)生相應(yīng)的變化，根據(jù)變化情況可以判斷故障性質(zhì)并定位故障位置。如圖4所示，其中一根電纜在6.69 m處開路，一根在20.06 m處短路，能夠根據(jù)阻抗分布曲線明確判斷出故障類型和位置。

圖4 故障跡線顯示Fig.4 Fault trace curve

3 測量方法優(yōu)化

由于CAU天線位于車體底部，且D電纜與其連接處需進(jìn)行防水處理，因此安裝、拆卸D電纜CAU側(cè)插頭的過程較為費(fèi)時費(fèi)力。為了提高測試效率，需要根據(jù)CAU天線的特性，研究在與CAU天線連接的狀態(tài)下，對D電纜性能的測量方法。

3.1 帶天線測量電纜電氣參數(shù)

在帶天線測試時，可以把天線等效成一個無源RC網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。

圖5 連接天線的等效電路Fig.5 Equivalent circuit with antenna

圖5中Rt、Ct代表天線等效電路，Rsa和Rsb分別代表電纜導(dǎo)體的電阻值，其他參數(shù)為電纜在不同導(dǎo)體間的電阻和電容值。

電氣參數(shù)的正常值如圖6所示。

圖6 連接天線的電氣參數(shù)正常值Fig.6 Normal values of electrical parameters with antenna

電阻RA_B為同軸電纜芯線和屏蔽線間加正電壓時測得的電阻值，RB_A為加負(fù)電壓時測得的電阻值。首先對4根同軸電纜的RA_B和 RB_A值進(jìn)行測量，做出電纜是否故障的初步判斷。

TX電纜RA_B和RB_A的正常值一樣，均為4 Ω左右。若RA_B和 RB_A不同或數(shù)值超出正常范圍，則說明該電纜或天線之一有故障。同理，RX電纜RA_B的正常值明顯大于 RB_A正常值，且數(shù)值都在1 kΩ以下?？筛鶕?jù)相應(yīng)電纜的測量值和其正常值比較，來判斷電纜是否故障。

3.2 電纜分布傳輸性能的測量

CAU天線的內(nèi)部電路為D電纜里各個同軸電纜提供了不同負(fù)載，所以電纜的分布傳輸性能也會隨之發(fā)生變化。如圖7所示，紅色跡線表示TX電纜，其負(fù)載為感性負(fù)載，特點(diǎn)是僅在接頭處有高電阻，但超過一段距離后阻值接近于0，與TX負(fù)載為射頻變壓器相符；綠色和黃色表示兩根RX電纜，從跡線上可以推斷RX電路有無源阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，即使在不加電的情況下，電纜也基本處于匹配狀態(tài)；藍(lán)色跡線表示電源電纜，接有相對高阻抗的負(fù)載。

圖7 連接天線的跡線Fig.7 Trace curve with antenna

根據(jù)電氣參數(shù)初步判斷的結(jié)果對跡線做相應(yīng)的分析，可以確定在連接天線的條件下電纜是否故障以及故障位置。

4 故障測試

4.1 電纜在天線端開路

電纜開路時，電阻值為30 MΩ，故障位置在電纜末端。

傳輸特性曲線及檢測結(jié)果如圖8所示。

圖8 電纜在天線端開路測試結(jié)果Fig.8 Test result when the cable is open at the antenna side

4.2 電纜不同距離開路和短路

被測電纜在不同距離出現(xiàn)開路或短路故障，如圖9所示參數(shù)值可初步判斷故障性質(zhì)，并根據(jù)傳輸特性曲線定位故障位置。

圖9 電纜不同距離開路和短路測試結(jié)果Fig.9 The test result when the cable is open and short at different distance

TX及RX2電纜，電阻值顯示30 MΩ，推斷為開路；PS電纜的A_B及B_A電阻值均只有3.72 Ω，推斷為短路；RX1的阻值為51.9 Ω，與正常測試數(shù)據(jù)不符，且A_B間及B_A間的兩電阻值應(yīng)不相同，所以判別RX1為電纜故障。

5 總結(jié)

綜上所述，通過對帶天線電纜電氣參數(shù)和分布傳輸性能的測試，可以對D電纜的不同類型故障做出正確的判斷和定位，這些故障包括不同電纜在不同位置開路或短路。即使電纜有電阻短路，包括匹配電阻短路，也可以做出正確診斷。