電纜故障檢測方法及其應用*

王　勇　李　曦

(91550部隊　大連　116023)

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電纜故障檢測方法及其應用*

王勇李曦

(91550部隊大連116023)

摘要電纜斷路、短路和絕緣受損是設備電纜損害的主要原因。傳統電纜檢測方法費工費力，有時需要測量數百次、數千次。文章介紹了一種已經推廣應用的自動電纜測試系統的組成、特點和主要技術指標實現情況，重點討論了該電纜測試系統所采用的斷路、短路和絕緣測試方法及其具體電路實現方式，并分析了這些測試方法的應用優勢和局限性。經多單位反饋，采用所述測試方法研制的電纜測試系統實際應用效果較好。

關鍵詞通信電纜; 控制電纜; 電纜測試; 電路設計; 測試方法

Class NumberTP206+3

1　引言

電纜檢測是保證電纜質量的關鍵環節，電纜檢測主要是對電纜接線的正確性、通斷狀態、電纜絕緣性能進行全面的檢測，通過判斷其連線是否正確、是否出現斷線(開路)、串線(錯接)、短路、和絕緣受損[1～3]等，其中重點與難點是短路點和斷路點檢測。目前萬用表、兆歐表等常規通用測量儀表仍是主要檢測工具，其主要問題是檢測效率低下，費工費力。相關電纜故障檢測技術的研究已有大量文獻記錄，并且很多測試方法和測試儀器在現實中得到了廣泛的應用[1～10]。各種測試方法和測試儀設計都要有自己的特點和適用性。本文重點討論某型電纜自動檢測系統設計中采用斷路、短路及絕緣情況測試方法及其電路實現方式，并總結分析了應用優勢和局限性。

2　某型電纜測試系統簡介

某型電纜測試系統主要包括電纜測試儀主機(含測試軟件)和測試適配器。它們聯合使用，能測量多芯電纜(少于198芯線)的絕緣電阻值、芯線電阻值和線間分布電容值的儀器，它能自動測試、自動切換電纜的被測芯線、自動判定測試結果的合格與否(技術指標實現情況詳見表1，表中RC代表量程，H代表合格限值，L代表電纜長度)。電纜測試儀主機和測試適配器組合使用的模式，便于實現電纜測試儀主機通用化、小型化，又便于通過增加測試適配器擴展測試范圍。

測試儀主機由控制器、測試電路、繼電器轉接矩陣、面板顯示和操作器、電源等組成。控制器完成人機對話、顯示控制、測試控制、數據傳送、數據運算、邏輯比較等功能。繼電器轉接矩陣把每根電纜芯線依次快速轉接到測試電路轉入端。測試電路由高精度運算放大器和12位積分式A/D轉換器組成，完成高精度測試和模數轉換。面板由14只LED數碼管、8只LED指示燈及8只薄膜開頭組成。電纜測試儀主機的控制器、繼電器轉接矩陣、面板顯示、電源等硬件電路設計，及測試軟件設計在很多文獻中都有介紹[6，8，11]，這里不作贅述。

表1　主要技術指標

測試適配器是連接電纜測試儀主機和被測電纜的中間環節，實現測試儀主機與電纜的匹配對接。測試適配器可以隨時針對測試對象進行擴展，大大提高了電纜測試儀的適用范圍。

3　電纜測量方法

下文重點討論該型電纜測試系統設計中所采用的斷路、短路及絕緣測試方法及其實現方式。

3.1芯線斷路確定方法[12]

設被測電纜為N芯電纜，電纜各芯線的材質、線徑、長度等參數都一致[12]。當被測電纜的個別芯線已斷，為了確定哪些芯線斷路，通過“電容比較法”進行測試。電纜線間電容測試電路如圖1所示[12]。

圖1　電容測量電路

圖1中，CT1和CT2為被測電纜的兩端插頭，CZ2為電纜測試儀轉接盒上的插座，被測電纜的CT2插頭插到CZ2上。E為直流電源，通過限流電阻R1流過電纜的第一根芯線，CZ2上的其它芯線由繼電器轉換矩陣電路控制全部短路[12]。

CX充電：

(1)

充電時間為：t=1.0986RCX，這樣

(2)

3.2斷路點位置確定方法

在確定具體的斷路芯線之后，仍然通過“電容比較法”測出具體的斷電位置。設被測電纜測試端到斷點的距離為LX(參考圖2)：

(3)

圖2　斷點關系示意圖

3.3芯線短路測量原理

假定被測電纜為N芯電纜，長度為LO。電纜各芯線的材質、線徑、長度等參數都一致。當被測電纜的個別芯線短路，為了確定哪些芯線短路，通過“電阻比較法”進行測試。電纜芯線電阻測試電路見圖3。

圖3　電阻測量電路

圖3中，CT1和CT2為被測電纜的兩端連接頭(插頭或插座)，CZ1為短路插座(或插頭)，將CZ1端與CT1端插合，這樣電纜芯線通過CT1這端全部短接在一起。CZ2為電纜測試儀轉接盒上的插座(或插頭)，被測電纜的CT2端插到CZ2端口上。E為直流電源，通過限流電阻R1流過電纜的第一根芯線，CZ2上的其它芯線由繼電器轉換矩陣電路控制全部短路。這樣除第一根芯線外，其它(N-1)根芯線全部短接在一起。

長度為L0的某根待測芯線電阻為RX，則(N-1)根芯線短接后電阻為RX的(N-1)分之一，信號電流流過其它(N-1)根短接芯線，最后流過R2，在R2產生的信號電壓VT可以通過測量得到。由式(4)，可以得出RX的值，依次類推可以得到所有芯線的電阻值，因此，可以通過對電纜束中每根芯線電阻的測量，實現通路性能的檢測。

被測信號VT經過放大器“放大”，線性化電路處理，模數轉換電路的數字化變換，送光電耦合器隔離輸出到串行口，最后送CPU處理后經送顯示電路顯示輸出，同時存儲單元對當前測量結果進行存儲。這樣就完成了一次測量過程。

(4)

第2芯線到第N芯線的測試原理相同。測試過程通過繼電器矩陣轉換電路和軟件控制實現。通過依次測量第1芯、第2芯、第3芯直到第N根芯線對其他(N-1)芯的電阻值，可以判讀出哪些芯線存在短路(或并聯使用)的情況，如果是非法短路的情況，則可以通過上述的方法將短路點的位置找出來進行合理處置。

3.4短路點位置測試方法

若只有兩根芯線短路，設短路點距X端的距離為LX，距Y端的距離為LY，由式(5)～式(7)可推導出式(8)所示的LX的表達式。

2kLX+R1+R2=RX

(5)

2kLY+R1+R2=RY

(6)

LX+LY=L0

(7)

(8)

圖4　短路點示意圖

3.5電纜絕緣測量方法

采用傳統的測試方法測量電纜芯線間的絕緣電阻測量是非常繁瑣的，隨著電纜芯數的增加，需要測量電纜芯線相互之間的絕緣電阻的次數幾乎成幾何倍數增加。本文提供的測試方法對傳統的“點對點”測試方法進行了優化，采取一種“點對組”的測試策略，并且通過程序控制實現自動測量，可以大大減小測量次數，提高測試效率。兩種測量方法測試次數對比見表2：電纜為12芯時，傳統“點對點”測試需要測量次數理論值為78次，優化后“點對組”測試次數理論值為12次[7]；電纜為32芯時，傳統“點對點”測試需要測量次數理論值為528次[7]，優化后“點對組”測試次數理論值為32次。具體測量電路原理見圖5。

表2　測試次數比對表

圖5與圖1電路相似，所不同的是脈沖產生器模塊替換為高壓信號輸出模塊和絕緣電阻測量模塊，高壓信號輸出模塊對被測芯線和其它通過繼電器矩陣短接在一起的芯線之間加上高電壓(125V～500V可控設置)，同時通過絕緣電阻測量模塊進行電阻測量。第2芯線到第N芯線的測試原理相同。測試過程通過繼電器矩陣轉換電路和軟件控制實現。通過依次測量第1芯、第2芯、第3芯直到第N根芯線對其他(N-1)芯的絕緣電阻值，可以通過軟件算法判決出哪些芯線存在絕緣電阻不合格的情況。如果出現線間短路情況，采用本文提供的短路點位置測試的方法還可以將絕緣惡化的具體位置確定下來。如果需要判斷電纜屏蔽層(或地線)與芯線之間的絕緣情況，只需把屏蔽層(或地線)作為電纜芯線之一對待，按照上述方法進行絕緣電阻測量即可。另外，不論電纜芯線線徑是否一致都可以上述對于絕緣電阻測量的方法。

圖5　絕緣電阻測量電路

4　方法的應用優勢和局限性

4.1應用優勢

1) 該方法可以比較準確地確定出哪些電纜芯線發生了斷路或短路的情況，并且能夠比較準確地給出斷路點或短路點的準確位置。

2) 從測量方法上，能保持被測電纜在“敷設狀態下”進行測量，便于工程應用。

3) 通過適配插頭轉換引入被測信號，并經由軟件編程實現程控自動測量，簡化了測量操作流程，并提高了測量效率[12]。

4) 線間絕緣電阻測試的方法，且不受電纜芯線是否是同種材質和同樣線徑的影響，并可大幅度提高測試效率。

4.2局限性

1) 該方法是建立在電纜芯線材質、線徑、長度一致的前提條件下提出的測試方法，不適用于芯線材質、線徑、長度不一致的電纜。該方法比較適合控制電纜、通信電纜等低頻等線徑電纜的測量[12]。

2) 電纜芯線斷路測量方法，對于芯線間電容非常大的電纜，例如非常長的電纜，或者芯線數非常多的電纜，測試時間比較長，再者就是對測試儀本身電能消耗較大；而對于非常短的電纜測試時，由于線間電容非常小，測量的誤差會大些[12]。

5　結語

本文中總結的方法，成功應用于某型小體積、便攜式電纜測試儀研制。該電纜測試儀在實際應用中解決了某單位配套的30多種電纜日常維護檢測，較傳統測試方法，提高檢測效率約14倍。該型電纜測試儀還在機場、船廠和某部隊進行了推廣應用，應用效果非常好。盡管有些局限性，本文提供的方法應用優勢還是比較明顯，另外在實際應用中還可以通過算法改進和軟件編程擴展其應用范圍，例如對于電纜內有2芯或多芯并聯使用的情況，可以通過算法改進予以解決，限于篇幅，本文不展開論述。每一種方法都有其應用優勢和局限性，適用的方法便是好方法。實際使用中遇到的電纜種類繁多，每種電纜的質量也參差不齊，綜合運用各種方法和先進技術，總能研制出適用、好用的設備，協助解決工作實踐中遇到的難題。

參 考 文 獻

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*收稿日期：2015年10月12日,修回日期：2015年11月25日

作者簡介：王勇，男，工程師，研究方向：武器裝備試驗與鑒定。李曦，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：武器裝備試驗與鑒定。

中圖分類號TP206+3

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.04.035

Introduction and Application of Cable Fault Testing Method

WANG YongLI Xi

(No. 91550 Troops of PLA, Dalian116023)

AbstractOpen circuit, short circuit, and insulation fault are the main causes of equipment cable damage. Traditional cable detection method is arduous, and sometimes needs to measure hundreds of times, thousands of times. This paper introduces a kind of popularization and application auto cable-test system including its composition, characteristics and main technical indicators. It mainly discusses the open, short and insulation test methods and the specific realization methods of them in the system. Then it gives the application advantages and limitations of these test methods. According to the feedback from some users, the cable-test system practical application effect is good.

Key Wordscontrol cable, correspondence cable, cable-test, circuit design, test method