鐵路電纜故障精確定位方法研究

摘要：本文針對鐵路電纜領域，探討其故障精確定位查找的新方法，采用16路正弦波頻率調制編碼識別的特征信息，將基于行波理論的故障預定位和手持查線器定位，實現了零誤差定位。

關鍵詞：鐵路電纜 故障精確定位 行波理論 查線器

1 概述

在進行國鐵、地鐵變配電所二次保護等領域施工時，經常遇到電纜損傷，而損傷位置難以迅速確定。同時，由于電纜一般芯線較多，且其線路繁雜，排列雜亂，查找故障時，如何從一堆紊亂無章的電纜中找出所需的電纜或芯線往往需要花費大量的時間、精力。這些成為困擾現場人員的重要問題，這一問題在各個電力供電領域也都不同程度的存在。

因此，我們針對鐵路電力電纜施工和維護管理過程中遇到的故障定位困難問題，力圖通過采用高精度磁、聲、電測量器件和精密的信號處理電路，結合信號載波、行波分析、超聲波等技術理論，豐富和發展現有的電纜故障理論，從而設計能夠適用于各種類型低壓電纜的智能故障定位原理及裝置。

2 鐵路電纜故障定位現狀

在鐵路建設和改造工程中，經常涉及到大量的電力、控制、通訊、視頻用電纜，這些電纜往往成捆束布設于電纜溝內或采取直埋方式，如何快速準確確定相應芯線的路徑及故障點的位置急需解決。

目前，這一問題的解決主要還是依靠現場施工人員的根據經驗做出預判，并利用手頭的萬用表等簡單電工儀表輔助來確定，但一般需要較長時間，效率較低，且準確性不高。據統計，在鐵路工程施工實踐中，一般的電力電纜改造工程尋線時間平均為50min，最長可達120min；故障定位時間平均為70min，最長可達200min。一般的控制電纜改造工程對線時間平均為25min，最長可達40min；尋線時間平均為60min，最長可達150min；故障定位時間平均為90min，最長可達240min。這些表明現場需要一種更有效率的施工手段。

3 關鍵技術點

3.1 電纜特征識別信號的耦合和提取

為了實現對目標電纜的在線檢測，需要在不影響該電纜正常工作的前提下將具有識別特征的信號耦合到目標電纜；同時鐵路低壓電纜往往芯線數目較多，分芯檢測費時費力，不宜采用，而各芯線同時檢測效率較高，但需要進行信息編碼識別。因而特征信號的信息編組和載體形式必須恰當選擇。

3.2 故障定位原理的實現

低壓電纜線路一般不允許進行高壓脈沖測試，常用的故障測量方法一般準確度較低，給現場使用中故障位置的查找帶來了較大的不便，必須在保證便攜性和簡便性的基礎上實現故障的準確定位。

4 裝置原理

按照確定的技術路線研發完成的整套裝置由發送器、接收器和手持式查線器組成，待查線纜兩端分別接發送器和接收器，詳細結構見圖1。

4.1 發送器結構原理

發送器采用TMS320F2812DSP處理器，具有ALTERA cylconeII FPGA EP2C8Q208C8可編程芯片，主要結構分成兩部分。

①多路特征信號發生單元

裝置一共具有16路輸出端子，共用一套信號發生單元，每路由兩片MAX4656大電流電子開關并聯控制。

信號源采用直接數字頻率合成（DDS）技術，產生數字式的正弦波相位、頻率和幅值可調的正弦波電壓信號，然后再把所產生的電壓通過電壓-電流轉換電路和功率放大電路輸出電流，通過負反饋使得電流恒定。

通常，測量單芯線時信號源采用577Hz、100mA交流恒流源，其優點是電流恒定，信號不至于太微弱而影響測量，同時該電源頻率設置為577Hz，既不容易受到工頻50Hz的干擾，也不容易影響鐵道信號2000Hz左右的軌道信號。

為了實現16路芯線同時檢測，裝置使用了正弦波頻率調制編碼技術，發送頻率分為277、327、377、427、477、527、577、627、677、727、777、827、877、927、977、1027Hz，

共16組，通過頻率編碼信息有效地區別了所接各芯線，實現了對線功能。

②故障測距單元

也就是預定位單元，采用根據行波理論原理發展的低壓脈沖反射法來實現故障定位，通過計量發射脈沖和故障點反射脈沖之間的時間差△t來測取故障距離。

實現預定位功能的電路結構如圖2所示，脈沖發生器是根據微處理器送來的編碼信號，自動形成一定寬度的邏輯脈沖。此脈沖經發射電路轉換成高幅值的發射脈沖，送至被測電纜上。

這種測量對電纜的低阻性接地和短路故障可很方便地測出故障距離。但對高阻性故障，因在低電壓的脈沖作用下仍呈現很高的阻抗，使反射波不明顯甚至無反射，從而影響了測量效果。

4.2 接收器結構原理

接收器主要配合發送器使用，本身結構較簡單，采用STC單片機實現，在與發送端匹配構成完整回路的同時，也檢出芯線上的特征信息碼進行識別。

4.3 查線器結構原理

在故障電纜內注入尋線時用的特征信號電流，利用手持查線器沿線纜路徑搜尋故障點，可以精準定位。

特征信號加載到目標線纜上后，就會在其周圍空間產生高頻交變磁場。手持式查線器底端上下左右各安裝有HMC1022磁敏傳感器芯片，磁敏傳感器輸出的電壓信號需經AD620組成的磁模塊放大電路放大，然后由信號濾波電路進行帶通濾波，濾去地磁和周圍其它磁場源的干擾，利用各個方向傳感器信號的差值就可以判斷磁場源。

由于電纜故障點在被擊穿后產生電磁波和聲波，手持式查線器底部安裝的磁敏傳感器和壓電傳感器分別接收兩者信號并處理放大，并隨著查線器的移動進行比對，測出綜合信號最強點即位故障點位置。

為了對多傳感器信號進行有效融合，數據算法中采用了多貝葉斯估計法和證據推理法，將兩個傳感器分別作為一個貝葉斯估計，將其關聯概率分布合成一個聯合的后驗的概率分布函數，使其似然函數為最小總而推理最終融合值，在這一過程中，考慮到傳感器各自的基本可信度分配。

5 應用前景

本裝置能夠高效完成線纜施工過程中的線纜查對和故障定位任務，滿足了牽引變電所和電力配變電所施工建設和運行維修、改造的需要，能夠直接應用于現場，有利于提供施工效率和質量，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

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基金項目：

本項目為河北省教育廳青年基金項目（編號：QN2013121）。