朱群江1,劉延迪,滕百川3,王 晴

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266000;2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041； 3.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410082)

0 引言

線纜作為各類設(shè)備的“神經(jīng)系統(tǒng)”，承擔(dān)著電力運(yùn)行、信號傳輸?shù)闹匾饔?，其質(zhì)量好壞直接決定設(shè)備能否正常運(yùn)行。因此，在設(shè)備生產(chǎn)、定期維修過程中，都要對其內(nèi)部線纜的物理特性及電氣性能進(jìn)行測試，檢測其性能是否滿足使用要求。線纜檢測項(xiàng)主要有導(dǎo)通關(guān)系、絕緣性能、耐壓性能以及故障定位等。

傳統(tǒng)的線纜測試方法主要采用手動和單項(xiàng)測試儀器相結(jié)合，單獨(dú)完成導(dǎo)通測試、絕緣測試以及耐壓測試各項(xiàng)指標(biāo)，存在著測試效率低、安全性差、復(fù)雜線纜網(wǎng)測試難度大、查錯困難等問題。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，采用綜合測試設(shè)備，集成了導(dǎo)通測試、絕緣測試、耐壓測試、故障定位等功能，實(shí)現(xiàn)對被測設(shè)備整體線纜自動化測試[1-2]。

1 線纜測試需求

在航空、航天、船舶、兵器、電子等國防軍工裝備制造，飛機(jī)、高鐵等大型設(shè)備的生產(chǎn)、檢修，電力、通信線纜維護(hù)搶修過程中，線纜測試是一項(xiàng)必不可少的環(huán)節(jié)[3]。根據(jù)應(yīng)用范圍及需求的不同，線纜測試產(chǎn)品主要朝便攜式、臺式/機(jī)柜式、分布式方向發(fā)展。比如，在野外作業(yè)可使用便攜式線纜測試儀完成少量線束的導(dǎo)通測試；在小型/中型設(shè)備生產(chǎn)組配前期需對所有線纜進(jìn)行導(dǎo)通耐壓性能測試，可選用臺式/機(jī)柜式線纜測試儀完成；在高鐵、飛機(jī)、船舶等大型復(fù)雜設(shè)備的生產(chǎn)、維護(hù)過程中，需提供分布式、大通道、高精度、自動化的線纜測試系統(tǒng)。線纜測試需求如表1所示。

2 國內(nèi)外線纜測試的發(fā)展現(xiàn)狀

線纜測試技術(shù)的研究從20世紀(jì)80年代率先在國外興起，目前已經(jīng)形成了一套完整的測試體系，具備導(dǎo)通測試、絕緣測試、耐壓測試、故障定位、線間元器件測試。下面主要介紹國內(nèi)外線纜測試的發(fā)展現(xiàn)狀。

表1 線纜測試需求對照表

2.1 國外線纜測試的發(fā)展現(xiàn)狀

國外在線纜自動化測試領(lǐng)域的研究起步較早，經(jīng)過數(shù)十年的技術(shù)沉淀，形成了技術(shù)成熟、體系完整的系列化線纜測試產(chǎn)品，包括便攜式線纜測試儀、臺式線纜測試儀、分布式線纜測試系統(tǒng)、高壓線纜測試儀等，廣泛應(yīng)用在國防工業(yè)、航空航天、船舶、汽車裝配測試、通訊等領(lǐng)域[4]。其中比較知名的企業(yè)有：美國CKT、美國DIT-MCO、德國Adaptronic、德國Weetech。

美國CKT公司提供完整的線纜測試解決方案，測試系統(tǒng)中的激勵源和測量儀表都采用模塊化的設(shè)計(jì)，配置靈活和擴(kuò)展簡單。線纜測試能力包括四線/兩線制電阻測量、絕緣測試(高壓直流)、耐壓測試(高壓交流)、線間電容測試、二極管功能測試、繼電器功能測試等。對大規(guī)模線纜網(wǎng)絡(luò)(如飛機(jī)整機(jī)裝配)進(jìn)行測試時，可以采用分布式系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場情況分散放置在被測對象的周圍或內(nèi)部的不同位置；當(dāng)被測的線束的分布位置相對比較集中、緊湊時(如線纜制造車間或機(jī)翼測試)，則可以選擇機(jī)柜式測試系統(tǒng)。CKT線纜測試產(chǎn)品已經(jīng)完成美國諾斯羅普格魯曼公司、歐洲空中客車(AIRBUS)飛機(jī)公司、美國波音公司的整機(jī)線纜測試，阿麗亞娜火箭的總裝測試、C-17環(huán)球霸王大型軍運(yùn)的總裝測試，在大型設(shè)備的整體線纜測試方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

美國DIT-MCO公司從事線纜測試研究歷史悠久，先后開發(fā)了多款測點(diǎn)切換器用于測試系統(tǒng)通道自動切換。由最早的機(jī)械式切換器S12B到機(jī)電式技術(shù)的切換器S17，切換速度達(dá)到每分鐘5000次，能承受1500 VDC、1000 VAC的電壓和2A的電流。其線纜測試產(chǎn)品覆蓋了通用線纜測試和高壓線纜測試，產(chǎn)品可靠性高[5]。

德國Adaptronic公司的線纜測試產(chǎn)品主要是NT6系列、NT7系列和NT8系列三大系列產(chǎn)品。覆蓋了便攜式線纜測試儀、機(jī)柜式線纜測試儀、分布式線纜測試儀，其中分布式線纜測試儀擴(kuò)展通道數(shù)可達(dá)7萬路。除了具有通用的導(dǎo)通測試、絕緣測試、耐壓測試、元器件測試外，還具有自學(xué)習(xí)功能，可對未知連接關(guān)系的復(fù)雜線纜網(wǎng)快速掃描，確定其連接關(guān)系。

德國Weetech公司一直以來致力于線纜測試儀、線束測試儀、背板、機(jī)柜的測試系統(tǒng)的研究，開發(fā)，生產(chǎn)和服務(wù)活動，常用測試儀有便攜式W434，綜合性能W454，W454-HV，測試電壓可達(dá)5000 VDC，3600 VAC，測試點(diǎn)位無限制。

以上線纜測試產(chǎn)品大多對線纜導(dǎo)通、絕緣、耐壓、線間電容、二極管等性能指標(biāo)進(jìn)行檢測，具有可擴(kuò)展、測試速度快、配置靈活、測試自動化程度高、運(yùn)行穩(wěn)定的突出優(yōu)點(diǎn)。

在線纜故障定位方面，采用最新的的擴(kuò)展頻譜時域反射技術(shù)(SSTDR)定位開路和短路，采用低能量高電壓時域反射技術(shù)(LEHVTDR)實(shí)現(xiàn)在沒有供電或移動線纜導(dǎo)體上檢測和定位軟故障。

2.2 國內(nèi)線纜測試的發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)開始線纜測試技術(shù)的研究相對國外起步較晚，最早主要是一些研究機(jī)構(gòu)和高校研制線纜自動測試設(shè)備，滿足自產(chǎn)自用，沒有形成系列化產(chǎn)品。近些年，隨著我國工業(yè)化水平的發(fā)展，尤其在大型設(shè)備(比如飛機(jī)、高鐵、船舶)生產(chǎn)、檢修過程中對線纜測試需求越來越大，國內(nèi)企業(yè)研制并推出了一系列線纜測試產(chǎn)品，且部分技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于國外同類產(chǎn)品[6-7]。

在便攜式線纜測試方面，采用內(nèi)置鋰電池供電，測試通道覆蓋64到512路，可以快速進(jìn)行線纜的短斷路，導(dǎo)通電阻等測試，同時支持多機(jī)聯(lián)網(wǎng)測試模式，通過聯(lián)機(jī)線纜多臺測試儀可以協(xié)同工作，滿足現(xiàn)場分布式線纜測試需求。

在通用臺式線纜測試方面，測試通道覆蓋256到2048路，采用了先進(jìn)的LXI總線/CAN總線自動測試技術(shù)，用于測試各種線纜的通路、斷路、短路、錯線等導(dǎo)通性指標(biāo)，線纜芯線之間、芯線與殼體之間的絕緣性和耐壓指標(biāo)。

在分布式線纜測試方面，采用主機(jī)箱、多路開關(guān)模塊和遠(yuǎn)程擴(kuò)展模塊組成的測試系統(tǒng)?？梢愿鶕?jù)被測設(shè)備的線數(shù)和高壓測試的最大加載電壓，靈活配置多路開關(guān)模塊的數(shù)量和類型，支持最大測試通道達(dá)5萬路。在基本配置的基礎(chǔ)上，通過遠(yuǎn)程擴(kuò)展模塊的支持，進(jìn)行分布式線纜測試。

在故障定位方面，多為單通道分立設(shè)備，結(jié)合低壓脈沖法、沖閃電流法、直閃電流法，可進(jìn)行多種故障探測模式切換，實(shí)現(xiàn)開路、短路、低阻、高阻泄漏、高阻閃絡(luò)性故障等多種故障的檢測，最短測試距離不小于60 km(盲區(qū))，精確定點(diǎn)誤差為±0.2 m。同時，可搭載3G無線遠(yuǎn)程同步測控服務(wù)，極大提高了使用功能，廣泛應(yīng)用于鐵路通信控制線纜、路燈線纜、機(jī)場信號線纜。

3 線纜測試方法

3.1 導(dǎo)通測試

導(dǎo)通測試作為線纜性能測試的基本項(xiàng)，主要通過測量回路的導(dǎo)通電阻檢驗(yàn)線纜的連接關(guān)系是否正常。根據(jù)導(dǎo)通電阻測試精度要求的不同，導(dǎo)通測試可分為二線測試和四線測試[8-9]。

二線測試方法是一種比較常用的測試方法，激勵源和采集模塊共用一根線纜。四線測試方法需用四根線構(gòu)成激勵采集回路，其中激勵源占用兩根線，采集模塊占用另外兩根線。測試過程中得到回路的電壓值和電流值，經(jīng)計(jì)算即可知待測線纜的電阻值。

二線測試方法優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為測量控制電路簡單，占用通道數(shù)少，缺點(diǎn)表現(xiàn)為由于額外增加的阻值(測試設(shè)備內(nèi)阻、轉(zhuǎn)接線線纜)導(dǎo)致被測線纜的測量準(zhǔn)確度受影響，適用于被測線纜的電阻“遠(yuǎn)大于”測試設(shè)備和轉(zhuǎn)接線纜的內(nèi)阻之和。四線測試方法的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為測量精度高，缺點(diǎn)表現(xiàn)為測量控制電路復(fù)雜，占用通道多，適用于被測線纜阻值較小且精度要求高的情況。

在進(jìn)行復(fù)雜線纜網(wǎng)連接關(guān)系測試時，采用邊界掃描技術(shù)檢測線纜的短/斷路連接關(guān)系，采用二分查找、Huffman樹查找等算法快速掃描提高故障線纜錯連檢測效率。

3.2 絕緣測試

絕緣電阻是衡量沒有導(dǎo)通關(guān)系的線纜間絕緣性能優(yōu)劣的依據(jù)[10]。絕緣電阻測量的依據(jù)是通過在被測線纜間施加直流高壓，采集漏電流等效計(jì)算得到絕緣電阻[11-12]。通常，絕緣電阻測量范圍在0.5 MΩ～2 GΩ之間。由于對不同被測線纜的絕緣指標(biāo)要求不同，施加直流激勵電壓的大小也不同，激勵高壓源電壓在100 V～2000 VDC范圍內(nèi)程控可調(diào)。

在絕緣電阻測量電路設(shè)計(jì)中，為保證采樣電壓的動態(tài)范圍在AD測試量程范圍內(nèi)，根據(jù)施加絕緣激勵高壓的大小不同，可采取電阻分檔控制方式，保證在全量程范圍內(nèi)絕緣電阻的測量精度。

為保證絕緣測試過程中設(shè)備及人員的安全，在硬件設(shè)計(jì)時，通?？紤]對激勵高壓源及測量電路進(jìn)行過流保護(hù)措施。

3.3 耐壓測試

耐壓測試是電氣安全規(guī)定中非常重要的測試項(xiàng)目之一。根據(jù)施加激勵源的不同，耐壓測試可分為直流耐壓測試和交流耐壓測試。由于交流耐壓測試比直流耐壓測試更容易出現(xiàn)擊穿的可能性，因此，通常所說的耐壓測試指交流耐壓測試。

漏電流是衡量線纜耐壓性能的重要指標(biāo)，通過在被測線間施加規(guī)定交流高壓，并保持不小于5 s的測試時間，通過實(shí)時采集線間漏電流確定耐壓性能，并分析漏電流值線間捕獲閃絡(luò)擊穿現(xiàn)象[13]。

目前，部分線纜測試產(chǎn)品耐壓測試交流激勵高壓可實(shí)現(xiàn)0～5000 VAC程控，漏電流測量范圍在0～200 mA之間，基本滿足各類線纜的耐壓測試要求。

3.4 故障定位

在20世紀(jì)六七十年代，普遍采用電橋平衡測試方法實(shí)現(xiàn)線纜故障距離粗略定位。到20世紀(jì)七八十年代，普遍采用閃測法實(shí)現(xiàn)線纜的故障測試，當(dāng)時電子技術(shù)發(fā)展有限，以電子管、晶體管電路為主。

到21世紀(jì)，低壓脈沖法、二次脈沖法[14-15]成為線纜故障定位的常用方法。低壓脈沖法通過測量入射電壓電磁波和反射電壓電磁波的時間差來計(jì)算故障點(diǎn)距離。二次脈沖法采用高壓脈沖使故障點(diǎn)發(fā)生閃絡(luò)，同時注入低壓脈沖，通過捕獲低壓脈沖反射信號計(jì)算故障點(diǎn)距離。

二次脈沖法、低壓脈沖法技術(shù)特點(diǎn)對比表如表2所示。

表2 線纜故障測距技術(shù)指標(biāo)對比

近些年，伴隨著新技術(shù)的發(fā)展，故障定位方法也有新的突破，可采用時域反射法、駐波反射法、頻域反射法、擴(kuò)展頻譜時域反射法等方法定位線纜開路或者短路點(diǎn)的故障位置。

3.5 線間元器件測試

線間元器件測試主要包括二極管測試、電容測試、電感測試。其中二極管主要測試指標(biāo)為二極管的正向壓降、反向漏電流。電容測試常用的方法有脈寬調(diào)制法和容抗法兩種，由于容抗法具有自動調(diào)零，測量時間短的優(yōu)點(diǎn)，一般采用該方法進(jìn)行電容測試。電感測試主要采用諧振法、交流電橋法，通過電感量指標(biāo)判斷電感特性。

4 線纜測試的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 采用時域反射技術(shù)實(shí)現(xiàn)對線纜的故障類型及故障距離的檢測

時域反射技術(shù)(Time Domain Reflectometry，TDR)[16-18]是利用向被測線纜一端發(fā)射的脈沖信號，通過獲取脈沖信號發(fā)射時間t1和接收到的反射脈沖時間t2，已知脈沖信號在線纜中的傳輸速度，由公式(1)計(jì)算得到故障點(diǎn)位置。

L=v×(t1-t2)/2

(1)

同時，可以根據(jù)反射信號與發(fā)射信號的波形判斷電纜故障為開路故障還是短路故障。

根據(jù)脈沖序列源及處理方法的不同，分為擴(kuò)展頻譜時域反射法(SSTDR)、低能量高電壓時域反射法(LEHVTDR)、火花放電時域反射法(PASDTDR)。擴(kuò)展頻譜時域反射法在眾多方法中，在定位精度、抗干擾能力、適用線纜類型等方面均表現(xiàn)優(yōu)異。

擴(kuò)展頻譜時域反射法線纜故障檢測如圖1所示。主要包括主處理器電路、脈沖發(fā)生電路、脈沖發(fā)送電路、阻抗匹配電路、脈沖接收電路及高速AD采集電路。

圖1 擴(kuò)展頻譜時域反射法線纜故障檢測示意圖

脈沖發(fā)射電路采用CPLD或者FPGA控制產(chǎn)生合適的序列碼(如Gold碼、M碼)，再與正弦信號進(jìn)行調(diào)制生成測試信號；脈沖發(fā)送電路采用可變增益放大器將測試信號進(jìn)行放大，使其幅度及電流等滿足傳輸衰減要求；脈沖接收電路接收、方法、濾波、解調(diào)被測線纜的反射信號，高速AD采集電路采集信號值，主處理器單元經(jīng)過相關(guān)計(jì)算得到線纜故障類型及故障點(diǎn)距離。

該技術(shù)需綜合考慮發(fā)射信號的幅值、碼寬及碼長等參數(shù)，從而增強(qiáng)信號的信噪比，提高檢測精度。

4.2 采用分布式并行測試技術(shù)實(shí)現(xiàn)對大型設(shè)備內(nèi)部全部線纜測試

分布式并行線纜測試技術(shù)適用于大型設(shè)備內(nèi)部復(fù)雜連接關(guān)系全部線纜性能測試，測試通道高達(dá)3萬路。采用CAN總線實(shí)現(xiàn)主控單元與各測試模塊連接，根據(jù)被測設(shè)備內(nèi)部線纜分布不同，測試模塊數(shù)量及每個測試模塊測試通道均可靈活分配[19]。分布式并行線纜測試系統(tǒng)組成如2圖所示。

圖2 分布式并行線纜測試系統(tǒng)組成

每個測試模塊內(nèi)部具有獨(dú)立的激勵源，通過主控單元發(fā)送測試指令實(shí)現(xiàn)并行測試。串行線纜測試?yán)塾?jì)測試時間由每根線纜測試時間累計(jì)得到，即所有測試模塊測試時間的和；并行分布式測試時間僅與單個測試模塊時間有關(guān)。

4.3 采用邊界掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)線纜短/斷路、多接、少接等連接關(guān)系檢測

邊界掃描技術(shù)最早應(yīng)用在電路板線路測試，通過快速掃描電路板檢測線路短/斷路、錯連等關(guān)系。為解決設(shè)備內(nèi)部線纜通斷測試的需求，將邊界掃描技術(shù)引入線纜測試中。

邊界掃描基本組成包括四部分，分別為測試訪問接口、測試訪問接口控制器、指令寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。通過測試訪問接口TDI將測試數(shù)據(jù)寫入芯片的寄存器， TMS發(fā)送測試控制指令，由測試訪問接口控制器控制邊界掃描單元(BSC)進(jìn)行測試數(shù)據(jù)加載、施加激勵并采集，最后由TDO將測試結(jié)果輸出[20-21]。最終，線纜的連接關(guān)系即對應(yīng)于邊界掃描器件之間的連接關(guān)系。邊界掃描技術(shù)芯片結(jié)構(gòu)如3所示。

圖3 邊界掃描技術(shù)芯片結(jié)構(gòu)

邊界掃描技術(shù)最關(guān)鍵的步驟是互聯(lián)測試，因此，可通過優(yōu)化邊界掃描算法來生成更合理的互聯(lián)測試向量，從而提升測試性能。

5 線纜測試技術(shù)的發(fā)展趨勢與展望

國內(nèi)外針對不同的線纜測試功能形成了較成熟的測試方法和系列化線纜測試設(shè)備。結(jié)合當(dāng)下對線纜測試的新需求，線纜測試技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)從以下幾個方面開展。

5.1 結(jié)合故障診斷與健康管理技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)線纜測試的自學(xué)習(xí)、分析、評估和預(yù)測

隨著高新技術(shù)的快速發(fā)展，自動化測試已經(jīng)不再是傳統(tǒng)意義上的單一測試設(shè)備獨(dú)立測試。對于大型復(fù)雜設(shè)備(如大型船舶、飛機(jī)、高鐵)的整體線纜測試，結(jié)合故障診斷與健康管理技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，通過收集線纜的歷次測試數(shù)據(jù)，建立線纜故障模型(高阻閃絡(luò)故障，高低阻性的短路及斷線、接觸不良等故障)、專家知識庫，自學(xué)習(xí)完成分析、評估，進(jìn)而預(yù)測線纜使用周期及使用情況等健康狀態(tài)，提高線纜的可用率，降低線纜使用風(fēng)險，為檢修人員定期檢修提供指導(dǎo)。

5.2 深入故障定位方法研究，實(shí)現(xiàn)高精度斷點(diǎn)及軟故障定位

目前，線纜測試產(chǎn)品的故障定位功能主要采用方法為低壓脈沖法、時域頻譜技術(shù)等，在斷點(diǎn)定位精度及故障類型方面表現(xiàn)良好，其局限性在于單通道手動測試、無法準(zhǔn)確定位軟連接關(guān)系、適用線纜類型有限。

在復(fù)雜設(shè)備定期檢修過程中，由于線纜分布分散，連接關(guān)系復(fù)雜，通常故障排查工作主要靠測試人員根據(jù)故障經(jīng)驗(yàn)完成，工作量大，可靠性差。線纜故障類型不再局限于斷路、短路故障，而是軟故障(絕緣層摩擦和破損、多股斷裂)。線纜軟故障在設(shè)備運(yùn)行時具有極大的隱患，因此，深入故障定位方法的研究，結(jié)合最新的頻域反射技術(shù)、低能量高電壓時域反射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多通道、自動化、高精度的線纜軟故障定位。

5.3 開展在線線纜測試技術(shù)研究，滿足在線實(shí)時線纜測試需求

目前，線纜測試產(chǎn)品進(jìn)行線纜測試時，被測設(shè)備處于離線狀態(tài)，即未加電狀態(tài)。但是，在很多情況下，需要在被測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下，獲取線纜的性能指標(biāo)，顯然現(xiàn)有的測試方法無法滿足在線測試要求[22]。因此需要探索新的測試手段，實(shí)現(xiàn)線纜在線測試。比如采用線纜金屬護(hù)套環(huán)流監(jiān)測方法實(shí)時、在線監(jiān)測電纜金屬接地電流的有效值、頻率。

5.4 開展絕緣測試、耐壓測試損傷不可逆研究，降低高壓測試對線纜的損傷

線纜絕緣測試通常施加直流電壓為100～1500 V，耐壓測試通常施加交流電壓為100～3000 V，甚至更高，測試時間不少于5 s，測試過程中會對線纜造成不可逆損傷(比如加速絕緣層老化、過壓擊穿等)，從而降低線纜的使用壽命。絕緣測試、耐壓測試對線纜損傷不可逆的問題越來越受到重視，因此，開展線纜測試中損傷不可逆相關(guān)研究，優(yōu)化測試方法，從而降低絕緣測試、耐壓測試時對線纜的損傷。

本文針對線纜測試的需求，對線纜測試技術(shù)及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了較為全面的綜述。當(dāng)前，線纜測試技術(shù)在理論和應(yīng)用方面已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，形成的系列化產(chǎn)品覆蓋便攜式、臺式和分布式，能滿足單一線束、小型設(shè)備簡單線纜及大型設(shè)備復(fù)雜線纜的自動化測試。未來，線纜測試技術(shù)的發(fā)展將結(jié)合新技術(shù)、新手段，在線纜故障定位、在線測試及分析評估等方面開展深入研究，形成智能化、自學(xué)習(xí)、故障可預(yù)測的線纜測試系統(tǒng)。