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(dòng)車組電氣系統(tǒng)的可靠性對(duì)其安全運(yùn)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(gè)動(dòng)車組的安全與穩(wěn)定[1]。目前，在國(guó)內(nèi)動(dòng)車組的線纜導(dǎo)通試驗(yàn)和絕緣試驗(yàn)過(guò)程中，大多采用傳統(tǒng)的的手工檢測(cè)方式。手工檢測(cè)方法既浪費(fèi)人力又浪費(fèi)時(shí)間，并且容易出現(xiàn)誤操作與誤判斷，從而導(dǎo)致導(dǎo)通測(cè)試的可靠性較差。

針對(duì)傳統(tǒng)人工校線測(cè)量方法可靠性低、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)等方面的不足，文獻(xiàn)[1]給出了一種動(dòng)車線纜自動(dòng)測(cè)試方法，文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種手持式動(dòng)車線纜導(dǎo)通性自動(dòng)測(cè)試裝置，但二者均未實(shí)現(xiàn)動(dòng)車線纜系統(tǒng)性的自動(dòng)測(cè)試以及故障點(diǎn)定位。

目前，常用的電纜故障測(cè)距方法主要有阻抗法和行波法兩大類。阻抗法的故障測(cè)距準(zhǔn)確度受過(guò)渡電阻、系統(tǒng)運(yùn)行方式等因素影響很大。行波法在測(cè)距時(shí)存在二次反射波頭不易識(shí)別等缺點(diǎn)，使得行波法的應(yīng)用受到了一定的局限。電磁時(shí)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(shí)別的問(wèn)題，還消除了阻抗法中不同過(guò)渡電阻給測(cè)距精度帶來(lái)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(shí)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(shí)現(xiàn)了常見(jiàn)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(dòng)車線纜進(jìn)行建模，因此文中首次將EMTR與動(dòng)車線纜結(jié)合實(shí)現(xiàn)短路故障點(diǎn)定位。在此基礎(chǔ)上，研制動(dòng)車線纜導(dǎo)通性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，可有效提高動(dòng)車線纜測(cè)試工作的效率。

1 動(dòng)車線纜導(dǎo)通性自動(dòng)測(cè)試方法原理

動(dòng)車組經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，其車體內(nèi)部的線纜較易出現(xiàn)故障，常見(jiàn)的故障類型為斷線故障和短路故障。線纜導(dǎo)通性測(cè)試和短路測(cè)試均依賴于電阻測(cè)量，文中采用開(kāi)爾文四線法測(cè)電阻，而故障定位采用的方法是時(shí)間反演法。

1.1 開(kāi)爾文四線測(cè)電阻法基本原理

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

圖1為開(kāi)爾文四線法測(cè)試電阻原理圖。

圖1 開(kāi)爾文四線法測(cè)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(cè)量引線的電阻值。R為動(dòng)車線纜待測(cè)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(cè)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(guò)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(jì)[6]。電壓表示數(shù)約等于動(dòng)車線纜待測(cè)電阻R自身的電壓值，可以根據(jù)公式（4）計(jì)算出線纜的阻值：

1.2 動(dòng)車線纜斷線測(cè)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(dú)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(cè)量引線的電阻。在采用圖2所示的線纜斷線測(cè)試中，測(cè)試主機(jī)與測(cè)試從機(jī)同時(shí)接地（車體）構(gòu)成回路。采用測(cè)量線纜導(dǎo)通阻值的測(cè)試方式，逐根對(duì)導(dǎo)通電阻進(jìn)行檢測(cè)，線纜正常的導(dǎo)通電阻R一般不超過(guò)5 Ω，如果檢測(cè)出的電阻值大于20 Ω，則系統(tǒng)判定為故障線路。

圖2 測(cè)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(cè)試。Li為動(dòng)車待測(cè)車廂的任意一根線纜。現(xiàn)以Li號(hào)線纜測(cè)試為例，詳細(xì)闡述具體檢測(cè)流程。

首先主機(jī)發(fā)Li導(dǎo)通電阻測(cè)試指令給從機(jī)；從機(jī)收到指令后動(dòng)作對(duì)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(dòng)作Ka，進(jìn)行信號(hào)測(cè)量和電阻計(jì)算，完成Li導(dǎo)通電阻的測(cè)試。依此類推對(duì)其余線路逐根測(cè)試導(dǎo)通電阻。

1.3 動(dòng)車線纜短路測(cè)試技術(shù)原理

如圖2所示，短路故障檢測(cè)時(shí)，從機(jī)斷開(kāi)獨(dú)立母線的繼電器，使獨(dú)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(dòng)車線纜連接后并不能構(gòu)成回路，主機(jī)端測(cè)得的電阻值很大，若測(cè)得的電阻值很小，則證明被測(cè)線纜與其它線纜或車體之間短路。

系統(tǒng)檢測(cè)故障共分為2步。第一步：短路線纜的檢測(cè)；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L(zhǎng)3依次與其他故障線纜 L5，L6，L7，L11進(jìn)行檢測(cè)，直至檢測(cè)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(cè)結(jié)束，導(dǎo)通系統(tǒng)短路檢測(cè)階段完成。

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

1.4 基于時(shí)間反演法的動(dòng)車線纜故障定位方法

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

1.4.1 基于時(shí)間反演法的線纜故障定位方法

在系統(tǒng)設(shè)置的觀測(cè)點(diǎn)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(diǎn)間的距離；ZC為傳輸線的特性阻抗，它也是一個(gè)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(cè)點(diǎn)A1距離為xf的地方，將故障點(diǎn)等效為一個(gè)電壓源Uf，如圖4所示。

圖4 故障點(diǎn)等效電路Fig.4 Fault point equivalent circuit

根據(jù)式（5）推測(cè)到A1端電壓如下式：

利用雙曲函數(shù)，可得：

式中：ρ為觀測(cè)點(diǎn)A1端的反射系數(shù)。

在時(shí)間反演法的使用上，通過(guò)快速傅里葉變換將觀測(cè)點(diǎn)A1處接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換至頻域，取相位共軛后再轉(zhuǎn)換至?xí)r域，最終實(shí)現(xiàn)時(shí)域信號(hào)的時(shí)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(cè)點(diǎn)的故障源電壓頻域表達(dá)式，根據(jù)電磁時(shí)間反演法（EMTR），需要將時(shí)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(jì)算假設(shè)故障點(diǎn)處的對(duì)地電流為

當(dāng)假設(shè)故障點(diǎn)即為真實(shí)故障點(diǎn)時(shí)，傳感器發(fā)出的信號(hào)能量值最大，對(duì)比對(duì)地電流幅值，最大值所對(duì)應(yīng)的假設(shè)故障點(diǎn)便是真實(shí)故障點(diǎn)。

1.4.2 系統(tǒng)建模和仿真驗(yàn)證

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

在觀測(cè)點(diǎn)通過(guò)實(shí)時(shí)處理的示波器記錄信號(hào)波形，故障引起的瞬變通過(guò)示波器測(cè)量，其采樣頻率為1 kM采樣/s。通過(guò)使用任意波形發(fā)生器將產(chǎn)生的時(shí)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(shí)間反演前信號(hào)波形Fig.6 Signal waveform before time inversion

與EMTR一致，圖6中記錄的瞬變?cè)跁r(shí)間上被逆轉(zhuǎn)，并被注入回系統(tǒng)，圖7為時(shí)間反演后的信號(hào)波形。假設(shè)故障阻抗為固定值，推測(cè)的故障位置沿著線纜移動(dòng)。對(duì)于每個(gè)猜測(cè)的故障位置，測(cè)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(duì)應(yīng)的最大值。

圖7 時(shí)間反演后信號(hào)波形Fig.7 Signal waveform after time inversion

圖8為各猜測(cè)故障位置的故障電流信號(hào)能量值，為方便分析，已經(jīng)對(duì)猜測(cè)的故障位置中的故障電流的最大信號(hào)能量實(shí)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(shí)別。由圖8可知，在假設(shè)故障點(diǎn)為x′f=34.83m處時(shí)，對(duì)地電流能量值達(dá)到最大。時(shí)間反演法測(cè)量故障誤差率為0.34%。

圖8 各假設(shè)故障點(diǎn)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 導(dǎo)通性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

動(dòng)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(dòng)車首末兩端，位置固定，可采用固定式測(cè)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(cè)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(cè)試從機(jī)。因此，為了適應(yīng)上述動(dòng)車線纜測(cè)試的需要，測(cè)試從機(jī)設(shè)計(jì)為兩種：一種裝設(shè)于和主機(jī)相對(duì)的另一端車鉤，用于測(cè)試車廂兩端車鉤之間線纜的導(dǎo)通情況，該種測(cè)試從機(jī)最大測(cè)點(diǎn)為250點(diǎn)、體積相對(duì)較大，稱為“固定式檢測(cè)儀”，見(jiàn)圖9右上部分；另一種測(cè)試從機(jī)為“手持式檢測(cè)儀”，見(jiàn)圖9右下部分，可引導(dǎo)測(cè)試人員測(cè)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(duì)較小，最大可測(cè)50點(diǎn)。此種分離式測(cè)試方式更符合現(xiàn)場(chǎng)需求，使用人員應(yīng)用更為方便。

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

2.2 導(dǎo)通性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 固定式檢測(cè)儀硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

固定式檢測(cè)儀硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示，工控機(jī)通過(guò)USB串口與繼電器驅(qū)動(dòng)板相連，控制繼電器對(duì)線纜進(jìn)行切換，通過(guò)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(kāi)路和短路狀態(tài)。

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

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

2.2.2 手持式檢測(cè)儀硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手持式檢測(cè)儀硬件構(gòu)成如圖11所示，由STM32單片機(jī)、存儲(chǔ)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(cè)儀通過(guò)無(wú)線或有線通訊方式與測(cè)試主機(jī)交換測(cè)試命令與應(yīng)答信息，控制繼電器使被測(cè)線接于相應(yīng)的母線上，由測(cè)試主機(jī)完成測(cè)量和數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)工作，最后將測(cè)量結(jié)果發(fā)給現(xiàn)場(chǎng)校線人員。

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

2.3 導(dǎo)通性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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

圖12 登錄界面Fig.12 Login screen

動(dòng)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(cè)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(cè)試工作前，應(yīng)對(duì)各個(gè)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(cè)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(cè)試流程文件，將該信息通過(guò)通訊方式下發(fā)到相應(yīng)的檢測(cè)終端，進(jìn)行測(cè)試工作。

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

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

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

3 實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

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

圖13 線纜測(cè)試實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.13 Schematic diagram of cable test experiment

部分測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。從本次實(shí)驗(yàn)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(shuō)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(cè)試結(jié)果，由此驗(yàn)證了設(shè)備功能的完備性和準(zhǔn)確性。

表1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果Tab.1 Laboratory test results

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

采用開(kāi)發(fā)的“動(dòng)車線纜導(dǎo)通性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)”進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，如圖14所示。

在動(dòng)車首末兩端采用固定式檢測(cè)儀（見(jiàn)圖14右圖）對(duì)車鉤間貫穿線纜進(jìn)行檢測(cè)。而車鉤和車上分散線纜，由于其位置相對(duì)不固定，若采用固定式檢測(cè)儀檢測(cè)，測(cè)試時(shí)布線復(fù)雜，檢測(cè)過(guò)程繁瑣，因此采用手持式檢測(cè)儀（見(jiàn)圖14左圖）將更加高效。根據(jù)圖15顯示的實(shí)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)手工校線具有相同的結(jié)果，驗(yàn)證了所開(kāi)發(fā)的“動(dòng)車線纜導(dǎo)通性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)”的正確性與裝置的可靠性。

圖14 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器圖Fig.14 Photos of field test instrument

圖15 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果Fig.15 Results of field tests

4 結(jié)論

文中介紹了動(dòng)車線纜導(dǎo)通性測(cè)試的基本原理，包括斷線、短路故障類型的識(shí)別以及故障點(diǎn)的定位。在此基礎(chǔ)上研制了動(dòng)車線纜導(dǎo)通性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，導(dǎo)通性自動(dòng)測(cè)試方法具有速度快、準(zhǔn)確性高、操作方便的特點(diǎn)，保證了工作人員快速、準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)并排除故障，對(duì)動(dòng)車運(yùn)行的安全性至關(guān)重要。