張 旭， 王發(fā)威

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

0 引 言

電纜廣泛應(yīng)用于工業(yè)、生活與國防等領(lǐng)域，擔(dān)負著傳輸電能、信號與數(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)；各類電纜在使用過程中，由于摩擦、彎折及外力破壞等因素，經(jīng)常會出現(xiàn)不同故障情況，此時，常使用電纜故障診斷儀或者萬用表進行檢測，通過檢測之后，能夠得知是哪根導(dǎo)線產(chǎn)生了斷點，但是很難判定斷點的具體位置，給電纜搶修及日常修理帶來了困難。

雖然通過直接更換某根導(dǎo)線的方法能夠解決問題，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，其故障率會大幅提高，加之戰(zhàn)場的環(huán)境惡劣、備件資源有限、搶修時間緊，給電纜搶修提出了更加苛刻的要求，因此，對故障導(dǎo)線進行直接定位和修理是電纜搶修中亟待解決的問題。

目前，常用電纜斷點定位方法［1?8］有3種，第一種是電容對比法，這種方法使用同類電纜作為檢測基準(zhǔn)，這在應(yīng)急修理過程中往往難以實現(xiàn)。第二種方法是脈沖反向法或時域反射法（TDR），此種方法定位精度高，但是儀器價格昂貴、設(shè)備體積較大、對判讀人員的能力要求較高，同時要求在檢測前，提前掌握待測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時匹配。第三種是電磁感應(yīng)法，通過單端接入外來信號的方式，使用探測器來感知輻射磁場并判斷斷點位置；文獻［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)并測量其電磁波傳播速率，同時對電磁感應(yīng)法的研究較為單一。

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

1 電纜斷點單端定位原理

本方法的原理是交變電磁場與天線理論，如圖1、圖2所示。

圖1 電纜中電磁場信號輻射原理示意圖

圖2 電纜電磁輻射探測器示意圖

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

綜上所述，本工作的整體思路，就是設(shè)計一個強度足夠大的交流信號發(fā)生裝置作為信號源，再加一個靈敏度適當(dāng)?shù)碾姶艌鲂盘柼綔y器，組成電纜斷點單端定位系統(tǒng)。

2 電纜斷點單端定位系統(tǒng)構(gòu)成解決方案

2.1 交流信號發(fā)生裝置

2.1.1 使用市電進行供電的情況

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)過大量試驗后發(fā)現(xiàn)，脈動直流電的效果大大優(yōu)于同等電壓下的交流變壓器，因此，采用脈動直流電模塊進行電能轉(zhuǎn)換；該裝置非常容易獲得，如手機充電器輸出電壓為5 V，蓄電池充電器的電壓為12 V和24 V等。

使用脈動直流充電器作為信號發(fā)生裝置時，需要將其充電線的輸出端拆開，使用5，12，24 V正極電源線連接待測電纜，同時將充電線中的其他導(dǎo)線隔離以防止短路。脈動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，然后進行變壓整流，因此其內(nèi)部含有大量的50 Hz諧波信號及其他高頻信號，這些信號接入待測電纜之后，具有較強的電磁輻射能力，易于被探測器探測感知。

2.1.2 使用電池進行供電的情況

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

圖3 便攜式信號發(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，之后有兩種方案，第一種（方案Ⅰ）是經(jīng)過交流信號變壓器變壓之后，將其項線作為待測電纜的單端輸入端；第二種（方案Ⅱ），是采用脈動直流電變換模塊，將其分別轉(zhuǎn)換為5，12，24 V的脈動直流電，并將其正極加載到待測電纜的輸入端；根據(jù)以上結(jié)論，方案Ⅱ的性能優(yōu)于方案Ⅰ。因此，本工作選用脈動直流充電器進行信號轉(zhuǎn)換。

2.2 電磁場信號探測器

目前，市場上容易購買到的幾種電磁信號探測器，如圖4～圖7所示。

圖4 感應(yīng)電筆

圖7 鉗形萬用表NCV功能信號格數(shù)顯示

圖4為感應(yīng)電筆，它可以測量市電電線中輻射的電磁信號，能夠發(fā)出聲音或文字報警，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為電磁場強度檢測儀，它能夠檢測寬頻段的電磁輻射，靈敏度高，能夠以數(shù)字方式量化顯示；圖6為鉗形萬用表，具有非接觸電壓測量（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€即可測量交流電壓，儀表會根據(jù)探測到的電壓大小，發(fā)出不同的蜂鳴報警音并顯示信號格數(shù)（如圖7所示），導(dǎo)線電磁輻射越強，則蜂鳴聲頻率越高、信號格數(shù)越多，最多為4格信號；因此，鉗形萬用表的NCV功能能夠量化顯示信號的強弱，這是感應(yīng)電筆難以反映出來的，可以說，其具有簡單、明了和易操作等特點。綜上所述，本方法選擇鉗形萬用表的NCV功能作為電磁信號探測器。

圖5 電磁場強度檢測儀

圖6 鉗形萬用表

3 三種電纜斷點單端定位方法及規(guī)律

在完成了信號發(fā)生器系統(tǒng)的硬件搭建與測試和電磁場探測器的優(yōu)選與匹配之后，使用該定位系統(tǒng)分別開展3種場景下的試驗驗證。

3.1 單線斷點的單端檢測與定位方法

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

3.2 電纜線束中電纜斷點的單端檢測與定位方法

當(dāng)電纜線束中出現(xiàn)某根導(dǎo)線斷路時，情況比3.1節(jié)的復(fù)雜?？蓪⒃搶?dǎo)線一端連接信號發(fā)生裝置，根據(jù)交變電磁場理論，線束中其他導(dǎo)線也會產(chǎn)生感應(yīng)電磁場并沿電纜傳播，因此，當(dāng)拿著鉗形表測量時，即使越過斷點，其他導(dǎo)線也會輻射出電磁場并能夠被鉗形表探測感知；但是，此類二次感生電場的信號輻射強度會大大低于一次感生信號，因此可通過該特點進行導(dǎo)線斷點定位。根據(jù)試驗的情況，原來信號有3格，當(dāng)經(jīng)過斷點后，輻射強度會變?yōu)?格，或時有時無，此時即可判定斷點位置。

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，會導(dǎo)致導(dǎo)線間互相感應(yīng)效率極高，因此經(jīng)過斷點之后，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檢測與定位方法

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

針對帶屏蔽層的電纜斷點檢測與定位問題，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會透過屏蔽層傳播出來，其測試方法根據(jù)電纜斷點與屏蔽層是否接觸分為兩大類。

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

電纜斷點與屏蔽層不接觸情況示意圖見圖8。

圖8 電纜斷點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)域為電纜屏蔽層，里面最細部分為導(dǎo)線。

圖9～圖11為3組測試數(shù)據(jù)，圖中，較粗點線代表從待測電纜接入點開始取點，所測量到的NCV電壓值，3組數(shù)據(jù)中取點間隔不盡相同；呈拋物線形狀的細實線為該線對應(yīng)的多項式趨勢線。

圖9 電纜斷點與屏蔽層不接觸時的測量電壓（第一組數(shù)據(jù)）

圖10 電纜斷點與屏蔽層不接觸時的測量電壓（第二組數(shù)據(jù)）

圖11 電纜斷點與屏蔽層不接觸時的測量電壓（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7、第二組中點11、第三組中點9為電纜斷點所在位置；第一組中點9、第二組中點14、第三組中點10為NCV測量電壓開始明顯下降的點。從以上數(shù)據(jù)的分析可知，從接入點開始，感應(yīng)電壓始終在小范圍內(nèi)波動，這是由于屏蔽層內(nèi)部有相似的導(dǎo)線輻射的緣故；當(dāng)移動到斷點位置時，感應(yīng)電壓并沒有迅速下降，而是在其后約7 cm處，開始大幅下降（見3組圖中NCV測量電壓開始明顯下降的點）。出現(xiàn)這種情況的原因，是屏蔽層所感應(yīng)的電磁場信號較強，衰減較慢，根據(jù)該規(guī)律可以對此種情況下的電纜斷點進行定位，根據(jù)屏蔽層的類型不同，該距離會有所不同，應(yīng)根據(jù)實際情況而定。

同時，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。

規(guī)律1：針對帶屏蔽層的電纜斷點檢測與定位問題，當(dāng)斷點與屏蔽層非接觸時，與其感應(yīng)電壓多項式趨勢線起點電壓相同的趨勢線上的另一點，即是電纜斷點位置。

根據(jù)規(guī)律1，可看出圖12中虛線處所對應(yīng)的點，即是該情況下電纜的斷點位置；當(dāng)然，在檢測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，在該種情況檢測時，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，這樣容易造成屏蔽層受到干擾，影響測量結(jié)果；應(yīng)盡量將其懸空或者放在絕緣的桌子上等。

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

圖13 電纜斷點與屏蔽層接觸情況示意圖

圖13為電纜斷點與屏蔽層接觸情況示意圖，圖中，最外部半透明區(qū)域為電纜屏蔽層，里面最細部分為導(dǎo)線。圖14～圖16為3組測試數(shù)據(jù)，圖中，較粗點線代表從待測電纜接入點開始取點，所測量到的NCV電壓值，3組數(shù)據(jù)中取點間隔不盡相同；呈拋物線形狀的細實線為該線對應(yīng)的多項式趨勢線。

圖14 電纜斷點與屏蔽層接觸時的測量電壓（第一組數(shù)據(jù)）

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

圖16 電纜斷點與屏蔽層接觸時的測量電壓（第三組數(shù)據(jù)）

規(guī)律2：針對帶屏蔽層的電纜斷點檢測與定位問題，當(dāng)斷點與屏蔽層接觸時，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，會導(dǎo)致導(dǎo)線間互相感應(yīng)效率極高，因此經(jīng)過斷點之后，電纜的電磁輻射衰減太小，輻射再穿過屏蔽層的話，甄別難度更大；因此該方法對單根電纜效果最佳，如同軸線等。

圖15 電纜斷點與屏蔽層接觸時的測量電壓（第二組數(shù)據(jù)）

4 多項式趨勢線的計算方法

多項式趨勢線實際上是數(shù)值計算方法中多項式擬合取二階時的擬合曲線，其計算方法為：

對于給定的試驗數(shù)據(jù)（xi，yi）（i＝1，…，N），尋找一個m次多項式（m＝2＜N）

式中，a0，a1，a2為待定系數(shù)。

要求y＝φ（x）能夠最好地擬合給定的試驗數(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到最小［8］。

把點（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的表達式：

將式（4）代入式（1），可得多項式趨勢線（m＝2）的實際表達式；當(dāng)然，多項式趨勢線的計算也可以借助MATLAB函數(shù)或EXCEL、WORD表格的相關(guān)函數(shù)來實現(xiàn)。

5 結(jié)束語

本工作基于電磁感應(yīng)理論提出了一種簡捷高效的電纜斷點定位方法，詳細研究了其檢測原理、系統(tǒng)構(gòu)建方案、檢測方法、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，具有實時、方便、便攜、經(jīng)濟、高效、可靠性高等優(yōu)點；若后期與TDR協(xié)同使用，可較大程度節(jié)約搶修時間，提高搶修效率，從而滿足戰(zhàn)場環(huán)境及日常情況下電纜搶修中的斷點定位需求，具有很好的理論和應(yīng)用價值。