牛勝鎖，武哲男，黃勝坡

（1.華北電力大學(xué)（保定）電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071000；2.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

動車組電氣系統(tǒng)的可靠性對其安全運行具有至關(guān)重要的影響，因此作為電氣系統(tǒng)主體的線纜的可靠性關(guān)系到整個動車組的安全與穩(wěn)定[1]。目前，在國內(nèi)動車組的線纜導(dǎo)通試驗和絕緣試驗過程中，大多采用傳統(tǒng)的的手工檢測方式。手工檢測方法既浪費人力又浪費時間，并且容易出現(xiàn)誤操作與誤判斷，從而導(dǎo)致導(dǎo)通測試的可靠性較差。

針對傳統(tǒng)人工校線測量方法可靠性低、檢測時間長等方面的不足，文獻(xiàn)[1]給出了一種動車線纜自動測試方法，文獻(xiàn)[2]設(shè)計了一種手持式動車線纜導(dǎo)通性自動測試裝置，但二者均未實現(xiàn)動車線纜系統(tǒng)性的自動測試以及故障點定位。

目前，常用的電纜故障測距方法主要有阻抗法和行波法兩大類。阻抗法的故障測距準(zhǔn)確度受過渡電阻、系統(tǒng)運行方式等因素影響很大。行波法在測距時存在二次反射波頭不易識別等缺點，使得行波法的應(yīng)用受到了一定的局限。電磁時間反演（electromagnetic time reversal，EMTR）法不僅避免了行波法的波速不穩(wěn)定與反射波頭不易識別的問題，還消除了阻抗法中不同過渡電阻給測距精度帶來的影響[3]。為了更快更準(zhǔn)確地定位故障，文獻(xiàn)[4]在電力系統(tǒng)輸配電線纜上采用時間反演法進(jìn)行故障定位并取得了良好的效果，文獻(xiàn)[5]基于分?jǐn)?shù)階電力電纜模型，實現(xiàn)了常見的電力電纜故障的定位。但目前的研究者采用的環(huán)境都是輸配電線路，均未采用動車線纜進(jìn)行建模，因此文中首次將EMTR與動車線纜結(jié)合實現(xiàn)短路故障點定位。在此基礎(chǔ)上，研制動車線纜導(dǎo)通性自動測試系統(tǒng)，可有效提高動車線纜測試工作的效率。

1 動車線纜導(dǎo)通性自動測試方法原理

動車組經(jīng)過長時間運行后，其車體內(nèi)部的線纜較易出現(xiàn)故障，常見的故障類型為斷線故障和短路故障。線纜導(dǎo)通性測試和短路測試均依賴于電阻測量，文中采用開爾文四線法測電阻，而故障定位采用的方法是時間反演法。

1.1 開爾文四線測電阻法基本原理

由于動車線纜正常的導(dǎo)通電阻非常小，測量線纜自身的電阻又不可忽略，因此為減小測量線纜自身電阻引起的誤差，文中采用開爾文四線連接法對線纜導(dǎo)通電阻進(jìn)行測量。

圖1為開爾文四線法測試電阻原理圖。

圖1 開爾文四線法測試電阻原理Fig 1 Principle of Kelvin four wire method for measuring resistance

圖1中Is為電源所提供的電流，電阻R1，R2，R3，R4分別為4段測量引線的電阻值。R為動車線纜待測電阻。由基爾霍夫電流定律可知：

由于電壓表自身的阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于待測電阻R的阻值，所以有：

由式（1）、式（2）可得：

電壓表兩側(cè)引線電阻R3，R4的阻值非常小，而流過R3，R4的電流也非常小，因此電壓表兩側(cè)引線引起的電壓降可忽略不計[6]。電壓表示數(shù)約等于動車線纜待測電阻R自身的電壓值，可以根據(jù)公式（4）計算出線纜的阻值：

1.2 動車線纜斷線測試技術(shù)原理

主機(jī)和從機(jī)分別設(shè)置兩條母線（GM，GM′為匯流母線；DM，DM′為獨立母線），如圖2所示，分壓電阻為 20 Ω，圖中 R1，R2，R3，R4和 R1′，R2′，R3′，R4′分別為主從機(jī)4段測量引線的電阻。在采用圖2所示的線纜斷線測試中，測試主機(jī)與測試從機(jī)同時接地（車體）構(gòu)成回路。采用測量線纜導(dǎo)通阻值的測試方式，逐根對導(dǎo)通電阻進(jìn)行檢測，線纜正常的導(dǎo)通電阻R一般不超過5 Ω，如果檢測出的電阻值大于20 Ω，則系統(tǒng)判定為故障線路。

圖2 測試接線示意圖Fig.2 Test wiring diagram

圖2中將主從機(jī)分別安于車廂始末端進(jìn)行線纜測試。Li為動車待測車廂的任意一根線纜?，F(xiàn)以Li號線纜測試為例，詳細(xì)闡述具體檢測流程。

首先主機(jī)發(fā)Li導(dǎo)通電阻測試指令給從機(jī)；從機(jī)收到指令后動作對應(yīng)的繼電器將Li連接到DM′，并將繼電器K2′閉合使得DM′連接到車體，然后返回操作完成指令給主機(jī)；主機(jī)收到從機(jī)指令后，動作Ka，進(jìn)行信號測量和電阻計算，完成Li導(dǎo)通電阻的測試。依此類推對其余線路逐根測試導(dǎo)通電阻。

1.3 動車線纜短路測試技術(shù)原理

如圖2所示，短路故障檢測時，從機(jī)斷開獨立母線的繼電器，使獨立母線DM′處于懸空狀態(tài)，將其余線路均連接到匯流母線，并將K1′閉合。在線纜正常狀態(tài)下，主從機(jī)與動車線纜連接后并不能構(gòu)成回路，主機(jī)端測得的電阻值很大，若測得的電阻值很小，則證明被測線纜與其它線纜或車體之間短路。

系統(tǒng)檢測故障共分為2步。第一步：短路線纜的檢測；第二步：具體短路狀況的判別。具體流程如圖3所示，其中，i=1，2，…，n，n+1，…N；m為第一步篩選出的故障線纜總數(shù)。假設(shè)第一步篩選出短路故障線纜為 L3，L5，L6，L7，L11；第二步：將經(jīng)第一步篩選出的故障線纜按序選取為L3依次與其他故障線纜 L5，L6，L7，L11進(jìn)行檢測，直至檢測出與L3發(fā)生短路的線纜如L5，系統(tǒng)記錄并保存；重復(fù)上述步驟自故障線纜L6始，將剩余線纜檢測結(jié)束，導(dǎo)通系統(tǒng)短路檢測階段完成。

圖3 單線纜短路測試流程Fig.3 The procedure of single circuit short circuit test

1.4 基于時間反演法的動車線纜故障定位方法

利用前文所敘的方法進(jìn)行故障識別后還需定位故障點，從而為故障排除提供依據(jù)，文中將采用電磁時間反演法（EMTR）進(jìn)行線纜故障的精確定位。

1.4.1 基于時間反演法的線纜故障定位方法

在系統(tǒng)設(shè)置的觀測點可以看到均勻傳輸線始端電壓U1、電流I1，根據(jù)均勻傳輸線在給定始端邊界條件下的正弦穩(wěn)態(tài)解方程：

式中：γ為傳播常數(shù)；x為始端與故障點間的距離；ZC為傳輸線的特性阻抗，它也是一個與均勻傳輸線的原參數(shù)和電源頻率有關(guān)的參數(shù)。

假設(shè)故障發(fā)生在與觀測點A1距離為xf的地方，將故障點等效為一個電壓源Uf，如圖4所示。

圖4 故障點等效電路Fig.4 Fault point equivalent circuit

根據(jù)式（5）推測到A1端電壓如下式：

利用雙曲函數(shù)，可得：

式中：ρ為觀測點A1端的反射系數(shù)。

在時間反演法的使用上，通過快速傅里葉變換將觀測點A1處接收到的信號轉(zhuǎn)換至頻域，取相位共軛后再轉(zhuǎn)換至?xí)r域，最終實現(xiàn)時域信號的時間反轉(zhuǎn)。圖5為反注入等效示意圖。

圖5 反注入等效示意圖Fig.5 The equivalent diagram of the reverse injection

式（7）給出了觀測點的故障源電壓頻域表達(dá)式，根據(jù)電磁時間反演法（EMTR），需要將時間反轉(zhuǎn)的故障瞬變電壓U（*ω）注入系統(tǒng)，其中，ω為角頻率。

根據(jù)等效電源定理可得故障瞬變電流：

聯(lián)立式（7）～式（9），可計算假設(shè)故障點處的對地電流為

當(dāng)假設(shè)故障點即為真實故障點時，傳感器發(fā)出的信號能量值最大，對比對地電流幅值，最大值所對應(yīng)的假設(shè)故障點便是真實故障點。

1.4.2 系統(tǒng)建模和仿真驗證

在Matlab中的Simulink中搭建如圖5所示的模型，根據(jù)動車車廂貫穿電纜的實際長度50 m進(jìn)行建模，設(shè)置短路故障位置為35 m處。

在觀測點通過實時處理的示波器記錄信號波形，故障引起的瞬變通過示波器測量，其采樣頻率為1 kM采樣/s。通過使用任意波形發(fā)生器將產(chǎn)生的時間反轉(zhuǎn)瞬態(tài)波形注入系統(tǒng)中。電壓波形如圖6所示。

圖6 時間反演前信號波形Fig.6 Signal waveform before time inversion

與EMTR一致，圖6中記錄的瞬變在時間上被逆轉(zhuǎn)，并被注入回系統(tǒng)，圖7為時間反演后的信號波形。假設(shè)故障阻抗為固定值，推測的故障位置沿著線纜移動。對于每個猜測的故障位置，測量流經(jīng)故障電阻的電流，該電流應(yīng)顯示出與故障位置相對應(yīng)的最大值。

圖7 時間反演后信號波形Fig.7 Signal waveform after time inversion

圖8為各猜測故障位置的故障電流信號能量值，為方便分析，已經(jīng)對猜測的故障位置中的故障電流的最大信號能量實現(xiàn)了歸一化?？梢杂^察到，正確的故障位置被唯一且清楚地識別。由圖8可知，在假設(shè)故障點為x′f=34.83m處時，對地電流能量值達(dá)到最大。時間反演法測量故障誤差率為0.34%。

圖8 各假設(shè)故障點電流能量標(biāo)幺值Fig.8 The scale value of assumed fault point current energy

2 導(dǎo)通性自動測試系統(tǒng)設(shè)計

2.1 導(dǎo)通性自動測試系統(tǒng)總體設(shè)計

動車線纜根據(jù)位置分為兩類，如圖9所示，一類為車鉤間貫穿線纜，分別位于動車首末兩端，位置固定，可采用固定式測試方式；第二類為車鉤和車上分散線纜，位置分散，若采用固定式測量方式需連接復(fù)雜的轉(zhuǎn)接線纜，因此選用便攜式分離測試從機(jī)。因此，為了適應(yīng)上述動車線纜測試的需要，測試從機(jī)設(shè)計為兩種：一種裝設(shè)于和主機(jī)相對的另一端車鉤，用于測試車廂兩端車鉤之間線纜的導(dǎo)通情況，該種測試從機(jī)最大測點為250點、體積相對較大，稱為“固定式檢測儀”，見圖9右上部分；另一種測試從機(jī)為“手持式檢測儀”，見圖9右下部分，可引導(dǎo)測試人員測量車體其余接頭處線纜的導(dǎo)通情況，該種從機(jī)體積相對較小，最大可測50點。此種分離式測試方式更符合現(xiàn)場需求，使用人員應(yīng)用更為方便。

圖9 測試系統(tǒng)硬件組成Fig.9 Test system hardware composition

2.2 導(dǎo)通性自動測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 固定式檢測儀硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

固定式檢測儀硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示，工控機(jī)通過USB串口與繼電器驅(qū)動板相連，控制繼電器對線纜進(jìn)行切換，通過USB串口讀取AD的電壓和電流采樣數(shù)據(jù)，判斷線纜的導(dǎo)通、開路和短路狀態(tài)。

圖10 固定式檢測儀硬件構(gòu)成示意圖Fig.10 Hardware structure diagram of the fixed detector

繼電器組是測試回路的核心，導(dǎo)通性自動測試系統(tǒng)采用了歐姆龍5V-1型微型繼電器。手持式檢測儀可以一次性完成最多50根零散線纜的測試工作。固定式測試儀主要用于車鉤的貫通線纜測量，設(shè)計采用250個繼電器組，可一次性完成車鉤貫通線纜的電阻及故障測試工作。

2.2.2 手持式檢測儀硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

手持式檢測儀硬件構(gòu)成如圖11所示，由STM32單片機(jī)、存儲器、觸摸液晶顯示器、繼電器陣列及ESP8266 WIFI通訊模塊工程組成。手持式檢測儀通過無線或有線通訊方式與測試主機(jī)交換測試命令與應(yīng)答信息，控制繼電器使被測線接于相應(yīng)的母線上，由測試主機(jī)完成測量和數(shù)據(jù)采集與存儲工作，最后將測量結(jié)果發(fā)給現(xiàn)場校線人員。

圖11 手持式檢測儀硬件構(gòu)成框圖Fig.11 Hardware block diagram of handheld detector

2.3 導(dǎo)通性自動測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

導(dǎo)通性自動測試系統(tǒng)采用Delphi軟件進(jìn)行開發(fā)，并由SQLite數(shù)據(jù)庫完成線纜數(shù)用戶登錄、測試主從機(jī)線纜數(shù)據(jù)檢測、結(jié)果打印上傳、登錄賬號管理等操作，界面如圖12所示。

圖12 登錄界面Fig.12 Login screen

動車線纜數(shù)據(jù)信息管理分為系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊、線束信息管理模塊、線束導(dǎo)通測試模塊、系統(tǒng)自檢和修正模塊4部分，其作用如下：

1）系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊：在系統(tǒng)執(zhí)行測試工作前，應(yīng)對各個模塊的物理地址進(jìn)行統(tǒng)一配置，保證各模塊物理地址唯一。

2）線束信息管理模塊：線纜導(dǎo)通測試前，工作人員將線束信息的Excel文件導(dǎo)入應(yīng)用程序，應(yīng)用程序依據(jù)電纜種類將線束信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的邏輯地址，并生成地址分配文件和測試流程文件，將該信息通過通訊方式下發(fā)到相應(yīng)的檢測終端，進(jìn)行測試工作。

3）線束導(dǎo)通測試模塊：該模塊用于控制各個檢測終端完成線束的導(dǎo)通測試工作。

4）系統(tǒng)自檢和修正模塊：在對線束進(jìn)行測試之前，需進(jìn)行測試設(shè)備自檢，其自檢包括：a.對電壓源輸出電壓進(jìn)行檢測；b.對電流測試單元準(zhǔn)確度檢測；c.各切換開關(guān)電阻的修正。

為了便于測試項目的管理與備份，軟件設(shè)計采用工程式管理方式，將當(dāng)前測試信息和測試結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫。同時，軟件程序還具有查詢，修改和刪除功能，便于使用人員對測量記錄進(jìn)行管理。

3 實驗室及現(xiàn)場測試驗證

3.1 實驗室測試

測試設(shè)備的各項性能包括：導(dǎo)通電阻、斷線、短路。用測試主機(jī)與手持式檢測儀對5根測試線進(jìn)行導(dǎo)通測試，其中一根正常，一根接56 Ω測試電阻，一根斷線，兩根短路。測試實驗圖如圖13所示，分別模擬了線纜開路、線纜間短路及線纜電阻三種。

圖13 線纜測試實驗示意圖Fig.13 Schematic diagram of cable test experiment

部分測試結(jié)果見表1。從本次實驗結(jié)果可以看出，第24根電阻值是0 Ω，為正常導(dǎo)線；第25根電阻值是9 999 Ω，說明發(fā)生了斷線；第27根電阻值是57，為串電阻的導(dǎo)線；第26和28根發(fā)生了線間短路。在導(dǎo)線正常、斷線、短路和有一定電阻情況下，設(shè)備均給出了正確的測試結(jié)果，由此驗證了設(shè)備功能的完備性和準(zhǔn)確性。

表1 實驗室測試結(jié)果Tab.1 Laboratory test results

3.2 現(xiàn)場測試

采用開發(fā)的“動車線纜導(dǎo)通性自動測試系統(tǒng)”進(jìn)行了現(xiàn)場測試，如圖14所示。

在動車首末兩端采用固定式檢測儀（見圖14右圖）對車鉤間貫穿線纜進(jìn)行檢測。而車鉤和車上分散線纜，由于其位置相對不固定，若采用固定式檢測儀檢測，測試時布線復(fù)雜，檢測過程繁瑣，因此采用手持式檢測儀（見圖14左圖）將更加高效。根據(jù)圖15顯示的實測結(jié)果與現(xiàn)場手工校線具有相同的結(jié)果，驗證了所開發(fā)的“動車線纜導(dǎo)通性自動測試系統(tǒng)”的正確性與裝置的可靠性。

圖14 現(xiàn)場測試儀器圖Fig.14 Photos of field test instrument

圖15 現(xiàn)場測試結(jié)果Fig.15 Results of field tests

4 結(jié)論

文中介紹了動車線纜導(dǎo)通性測試的基本原理，包括斷線、短路故障類型的識別以及故障點的定位。在此基礎(chǔ)上研制了動車線纜導(dǎo)通性自動測試系統(tǒng)，并進(jìn)行了現(xiàn)場測試。

現(xiàn)場試驗結(jié)果證實，導(dǎo)通性自動測試方法具有速度快、準(zhǔn)確性高、操作方便的特點，保證了工作人員快速、準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)并排除故障，對動車運行的安全性至關(guān)重要。