線纜測試技術的發展綜述

朱群江1,劉延迪,滕百川3,王 晴

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000;2.北京航天測控技術有限公司，北京 100041； 3.湖南大學 電氣與信息工程學院，長沙 410082)

0 引言

線纜作為各類設備的“神經系統”，承擔著電力運行、信號傳輸的重要作用，其質量好壞直接決定設備能否正常運行。因此，在設備生產、定期維修過程中，都要對其內部線纜的物理特性及電氣性能進行測試，檢測其性能是否滿足使用要求。線纜檢測項主要有導通關系、絕緣性能、耐壓性能以及故障定位等。

傳統的線纜測試方法主要采用手動和單項測試儀器相結合，單獨完成導通測試、絕緣測試以及耐壓測試各項指標，存在著測試效率低、安全性差、復雜線纜網測試難度大、查錯困難等問題。隨著科學技術的不斷發展，采用綜合測試設備，集成了導通測試、絕緣測試、耐壓測試、故障定位等功能，實現對被測設備整體線纜自動化測試[1-2]。

1 線纜測試需求

在航空、航天、船舶、兵器、電子等國防軍工裝備制造，飛機、高鐵等大型設備的生產、檢修，電力、通信線纜維護搶修過程中，線纜測試是一項必不可少的環節[3]。根據應用范圍及需求的不同，線纜測試產品主要朝便攜式、臺式/機柜式、分布式方向發展。比如，在野外作業可使用便攜式線纜測試儀完成少量線束的導通測試；在小型/中型設備生產組配前期需對所有線纜進行導通耐壓性能測試，可選用臺式/機柜式線纜測試儀完成；在高鐵、飛機、船舶等大型復雜設備的生產、維護過程中，需提供分布式、大通道、高精度、自動化的線纜測試系統。線纜測試需求如表1所示。

2 國內外線纜測試的發展現狀

線纜測試技術的研究從20世紀80年代率先在國外興起，目前已經形成了一套完整的測試體系，具備導通測試、絕緣測試、耐壓測試、故障定位、線間元器件測試。下面主要介紹國內外線纜測試的發展現狀。

表1 線纜測試需求對照表

2.1 國外線纜測試的發展現狀

國外在線纜自動化測試領域的研究起步較早，經過數十年的技術沉淀，形成了技術成熟、體系完整的系列化線纜測試產品，包括便攜式線纜測試儀、臺式線纜測試儀、分布式線纜測試系統、高壓線纜測試儀等，廣泛應用在國防工業、航空航天、船舶、汽車裝配測試、通訊等領域[4]。其中比較知名的企業有：美國CKT、美國DIT-MCO、德國Adaptronic、德國Weetech。

美國CKT公司提供完整的線纜測試解決方案，測試系統中的激勵源和測量儀表都采用模塊化的設計，配置靈活和擴展簡單。線纜測試能力包括四線/兩線制電阻測量、絕緣測試(高壓直流)、耐壓測試(高壓交流)、線間電容測試、二極管功能測試、繼電器功能測試等。對大規模線纜網絡(如飛機整機裝配)進行測試時，可以采用分布式系統，根據現場情況分散放置在被測對象的周圍或內部的不同位置；當被測的線束的分布位置相對比較集中、緊湊時(如線纜制造車間或機翼測試)，則可以選擇機柜式測試系統。CKT線纜測試產品已經完成美國諾斯羅普格魯曼公司、歐洲空中客車(AIRBUS)飛機公司、美國波音公司的整機線纜測試，阿麗亞娜火箭的總裝測試、C-17環球霸王大型軍運的總裝測試，在大型設備的整體線纜測試方面積累了豐富經驗。

美國DIT-MCO公司從事線纜測試研究歷史悠久，先后開發了多款測點切換器用于測試系統通道自動切換。由最早的機械式切換器S12B到機電式技術的切換器S17，切換速度達到每分鐘5000次，能承受1500 VDC、1000 VAC的電壓和2A的電流。其線纜測試產品覆蓋了通用線纜測試和高壓線纜測試，產品可靠性高[5]。

德國Adaptronic公司的線纜測試產品主要是NT6系列、NT7系列和NT8系列三大系列產品。覆蓋了便攜式線纜測試儀、機柜式線纜測試儀、分布式線纜測試儀，其中分布式線纜測試儀擴展通道數可達7萬路。除了具有通用的導通測試、絕緣測試、耐壓測試、元器件測試外，還具有自學習功能，可對未知連接關系的復雜線纜網快速掃描，確定其連接關系。

德國Weetech公司一直以來致力于線纜測試儀、線束測試儀、背板、機柜的測試系統的研究，開發，生產和服務活動，常用測試儀有便攜式W434，綜合性能W454，W454-HV，測試電壓可達5000 VDC，3600 VAC，測試點位無限制。

以上線纜測試產品大多對線纜導通、絕緣、耐壓、線間電容、二極管等性能指標進行檢測，具有可擴展、測試速度快、配置靈活、測試自動化程度高、運行穩定的突出優點。

在線纜故障定位方面，采用最新的的擴展頻譜時域反射技術(SSTDR)定位開路和短路，采用低能量高電壓時域反射技術(LEHVTDR)實現在沒有供電或移動線纜導體上檢測和定位軟故障。

2.2 國內線纜測試的發展現狀

國內開始線纜測試技術的研究相對國外起步較晚，最早主要是一些研究機構和高校研制線纜自動測試設備，滿足自產自用，沒有形成系列化產品。近些年，隨著我國工業化水平的發展，尤其在大型設備(比如飛機、高鐵、船舶)生產、檢修過程中對線纜測試需求越來越大，國內企業研制并推出了一系列線纜測試產品，且部分技術指標優于國外同類產品[6-7]。

在便攜式線纜測試方面，采用內置鋰電池供電，測試通道覆蓋64到512路，可以快速進行線纜的短斷路，導通電阻等測試，同時支持多機聯網測試模式，通過聯機線纜多臺測試儀可以協同工作，滿足現場分布式線纜測試需求。

在通用臺式線纜測試方面，測試通道覆蓋256到2048路，采用了先進的LXI總線/CAN總線自動測試技術，用于測試各種線纜的通路、斷路、短路、錯線等導通性指標，線纜芯線之間、芯線與殼體之間的絕緣性和耐壓指標。

在分布式線纜測試方面，采用主機箱、多路開關模塊和遠程擴展模塊組成的測試系統。可以根據被測設備的線數和高壓測試的最大加載電壓，靈活配置多路開關模塊的數量和類型，支持最大測試通道達5萬路。在基本配置的基礎上，通過遠程擴展模塊的支持，進行分布式線纜測試。

在故障定位方面，多為單通道分立設備，結合低壓脈沖法、沖閃電流法、直閃電流法，可進行多種故障探測模式切換，實現開路、短路、低阻、高阻泄漏、高阻閃絡性故障等多種故障的檢測，最短測試距離不小于60 km(盲區)，精確定點誤差為±0.2 m。同時，可搭載3G無線遠程同步測控服務，極大提高了使用功能，廣泛應用于鐵路通信控制線纜、路燈線纜、機場信號線纜。

3 線纜測試方法

3.1 導通測試

導通測試作為線纜性能測試的基本項，主要通過測量回路的導通電阻檢驗線纜的連接關系是否正常。根據導通電阻測試精度要求的不同，導通測試可分為二線測試和四線測試[8-9]。

二線測試方法是一種比較常用的測試方法，激勵源和采集模塊共用一根線纜。四線測試方法需用四根線構成激勵采集回路，其中激勵源占用兩根線，采集模塊占用另外兩根線。測試過程中得到回路的電壓值和電流值，經計算即可知待測線纜的電阻值。

二線測試方法優點表現為測量控制電路簡單，占用通道數少，缺點表現為由于額外增加的阻值(測試設備內阻、轉接線線纜)導致被測線纜的測量準確度受影響，適用于被測線纜的電阻“遠大于”測試設備和轉接線纜的內阻之和。四線測試方法的優點表現為測量精度高，缺點表現為測量控制電路復雜，占用通道多，適用于被測線纜阻值較小且精度要求高的情況。

在進行復雜線纜網連接關系測試時，采用邊界掃描技術檢測線纜的短/斷路連接關系，采用二分查找、Huffman樹查找等算法快速掃描提高故障線纜錯連檢測效率。

3.2 絕緣測試

絕緣電阻是衡量沒有導通關系的線纜間絕緣性能優劣的依據[10]。絕緣電阻測量的依據是通過在被測線纜間施加直流高壓，采集漏電流等效計算得到絕緣電阻[11-12]。通常，絕緣電阻測量范圍在0.5 MΩ～2 GΩ之間。由于對不同被測線纜的絕緣指標要求不同，施加直流激勵電壓的大小也不同，激勵高壓源電壓在100 V～2000 VDC范圍內程控可調。

在絕緣電阻測量電路設計中，為保證采樣電壓的動態范圍在AD測試量程范圍內，根據施加絕緣激勵高壓的大小不同，可采取電阻分檔控制方式，保證在全量程范圍內絕緣電阻的測量精度。

為保證絕緣測試過程中設備及人員的安全，在硬件設計時，通常考慮對激勵高壓源及測量電路進行過流保護措施。

3.3 耐壓測試

耐壓測試是電氣安全規定中非常重要的測試項目之一。根據施加激勵源的不同，耐壓測試可分為直流耐壓測試和交流耐壓測試。由于交流耐壓測試比直流耐壓測試更容易出現擊穿的可能性，因此，通常所說的耐壓測試指交流耐壓測試。

漏電流是衡量線纜耐壓性能的重要指標，通過在被測線間施加規定交流高壓，并保持不小于5 s的測試時間，通過實時采集線間漏電流確定耐壓性能，并分析漏電流值線間捕獲閃絡擊穿現象[13]。

目前，部分線纜測試產品耐壓測試交流激勵高壓可實現0～5000 VAC程控，漏電流測量范圍在0～200 mA之間，基本滿足各類線纜的耐壓測試要求。

3.4 故障定位

在20世紀六七十年代，普遍采用電橋平衡測試方法實現線纜故障距離粗略定位。到20世紀七八十年代，普遍采用閃測法實現線纜的故障測試，當時電子技術發展有限，以電子管、晶體管電路為主。

到21世紀，低壓脈沖法、二次脈沖法[14-15]成為線纜故障定位的常用方法。低壓脈沖法通過測量入射電壓電磁波和反射電壓電磁波的時間差來計算故障點距離。二次脈沖法采用高壓脈沖使故障點發生閃絡，同時注入低壓脈沖，通過捕獲低壓脈沖反射信號計算故障點距離。

二次脈沖法、低壓脈沖法技術特點對比表如表2所示。

表2 線纜故障測距技術指標對比

近些年，伴隨著新技術的發展，故障定位方法也有新的突破，可采用時域反射法、駐波反射法、頻域反射法、擴展頻譜時域反射法等方法定位線纜開路或者短路點的故障位置。

3.5 線間元器件測試

線間元器件測試主要包括二極管測試、電容測試、電感測試。其中二極管主要測試指標為二極管的正向壓降、反向漏電流。電容測試常用的方法有脈寬調制法和容抗法兩種，由于容抗法具有自動調零，測量時間短的優點，一般采用該方法進行電容測試。電感測試主要采用諧振法、交流電橋法，通過電感量指標判斷電感特性。

4 線纜測試的關鍵技術

4.1 采用時域反射技術實現對線纜的故障類型及故障距離的檢測

時域反射技術(Time Domain Reflectometry，TDR)[16-18]是利用向被測線纜一端發射的脈沖信號，通過獲取脈沖信號發射時間t1和接收到的反射脈沖時間t2，已知脈沖信號在線纜中的傳輸速度，由公式(1)計算得到故障點位置。

L=v×(t1-t2)/2

(1)

同時，可以根據反射信號與發射信號的波形判斷電纜故障為開路故障還是短路故障。

根據脈沖序列源及處理方法的不同，分為擴展頻譜時域反射法(SSTDR)、低能量高電壓時域反射法(LEHVTDR)、火花放電時域反射法(PASDTDR)。擴展頻譜時域反射法在眾多方法中，在定位精度、抗干擾能力、適用線纜類型等方面均表現優異。

擴展頻譜時域反射法線纜故障檢測如圖1所示。主要包括主處理器電路、脈沖發生電路、脈沖發送電路、阻抗匹配電路、脈沖接收電路及高速AD采集電路。

圖1 擴展頻譜時域反射法線纜故障檢測示意圖

脈沖發射電路采用CPLD或者FPGA控制產生合適的序列碼(如Gold碼、M碼)，再與正弦信號進行調制生成測試信號；脈沖發送電路采用可變增益放大器將測試信號進行放大，使其幅度及電流等滿足傳輸衰減要求；脈沖接收電路接收、方法、濾波、解調被測線纜的反射信號，高速AD采集電路采集信號值，主處理器單元經過相關計算得到線纜故障類型及故障點距離。

該技術需綜合考慮發射信號的幅值、碼寬及碼長等參數，從而增強信號的信噪比，提高檢測精度。

4.2 采用分布式并行測試技術實現對大型設備內部全部線纜測試

分布式并行線纜測試技術適用于大型設備內部復雜連接關系全部線纜性能測試，測試通道高達3萬路。采用CAN總線實現主控單元與各測試模塊連接，根據被測設備內部線纜分布不同，測試模塊數量及每個測試模塊測試通道均可靈活分配[19]。分布式并行線纜測試系統組成如2圖所示。

圖2 分布式并行線纜測試系統組成

每個測試模塊內部具有獨立的激勵源，通過主控單元發送測試指令實現并行測試。串行線纜測試累計測試時間由每根線纜測試時間累計得到，即所有測試模塊測試時間的和；并行分布式測試時間僅與單個測試模塊時間有關。

4.3 采用邊界掃描技術實現線纜短/斷路、多接、少接等連接關系檢測

邊界掃描技術最早應用在電路板線路測試，通過快速掃描電路板檢測線路短/斷路、錯連等關系。為解決設備內部線纜通斷測試的需求，將邊界掃描技術引入線纜測試中。

邊界掃描基本組成包括四部分，分別為測試訪問接口、測試訪問接口控制器、指令寄存器和數據寄存器。通過測試訪問接口TDI將測試數據寫入芯片的寄存器， TMS發送測試控制指令，由測試訪問接口控制器控制邊界掃描單元(BSC)進行測試數據加載、施加激勵并采集，最后由TDO將測試結果輸出[20-21]。最終，線纜的連接關系即對應于邊界掃描器件之間的連接關系。邊界掃描技術芯片結構如3所示。

圖3 邊界掃描技術芯片結構

邊界掃描技術最關鍵的步驟是互聯測試，因此，可通過優化邊界掃描算法來生成更合理的互聯測試向量，從而提升測試性能。

5 線纜測試技術的發展趨勢與展望

國內外針對不同的線纜測試功能形成了較成熟的測試方法和系列化線纜測試設備。結合當下對線纜測試的新需求，線纜測試技術的發展重點從以下幾個方面開展。

5.1 結合故障診斷與健康管理技術、大數據技術、機器學習技術實現線纜測試的自學習、分析、評估和預測

隨著高新技術的快速發展，自動化測試已經不再是傳統意義上的單一測試設備獨立測試。對于大型復雜設備(如大型船舶、飛機、高鐵)的整體線纜測試，結合故障診斷與健康管理技術、大數據技術、機器學習技術等先進技術，通過收集線纜的歷次測試數據，建立線纜故障模型(高阻閃絡故障，高低阻性的短路及斷線、接觸不良等故障)、專家知識庫，自學習完成分析、評估，進而預測線纜使用周期及使用情況等健康狀態，提高線纜的可用率，降低線纜使用風險，為檢修人員定期檢修提供指導。

5.2 深入故障定位方法研究，實現高精度斷點及軟故障定位

目前，線纜測試產品的故障定位功能主要采用方法為低壓脈沖法、時域頻譜技術等，在斷點定位精度及故障類型方面表現良好，其局限性在于單通道手動測試、無法準確定位軟連接關系、適用線纜類型有限。

在復雜設備定期檢修過程中，由于線纜分布分散，連接關系復雜，通常故障排查工作主要靠測試人員根據故障經驗完成，工作量大，可靠性差。線纜故障類型不再局限于斷路、短路故障，而是軟故障(絕緣層摩擦和破損、多股斷裂)。線纜軟故障在設備運行時具有極大的隱患，因此，深入故障定位方法的研究，結合最新的頻域反射技術、低能量高電壓時域反射技術，實現多通道、自動化、高精度的線纜軟故障定位。

5.3 開展在線線纜測試技術研究，滿足在線實時線纜測試需求

目前，線纜測試產品進行線纜測試時，被測設備處于離線狀態，即未加電狀態。但是，在很多情況下，需要在被測設備運行狀態下，獲取線纜的性能指標，顯然現有的測試方法無法滿足在線測試要求[22]。因此需要探索新的測試手段，實現線纜在線測試。比如采用線纜金屬護套環流監測方法實時、在線監測電纜金屬接地電流的有效值、頻率。

5.4 開展絕緣測試、耐壓測試損傷不可逆研究，降低高壓測試對線纜的損傷

線纜絕緣測試通常施加直流電壓為100～1500 V，耐壓測試通常施加交流電壓為100～3000 V，甚至更高，測試時間不少于5 s，測試過程中會對線纜造成不可逆損傷(比如加速絕緣層老化、過壓擊穿等)，從而降低線纜的使用壽命。絕緣測試、耐壓測試對線纜損傷不可逆的問題越來越受到重視，因此，開展線纜測試中損傷不可逆相關研究，優化測試方法，從而降低絕緣測試、耐壓測試時對線纜的損傷。

本文針對線纜測試的需求，對線纜測試技術及國內外發展現狀進行了較為全面的綜述。當前，線纜測試技術在理論和應用方面已經取得了很大進步，形成的系列化產品覆蓋便攜式、臺式和分布式，能滿足單一線束、小型設備簡單線纜及大型設備復雜線纜的自動化測試。未來，線纜測試技術的發展將結合新技術、新手段，在線纜故障定位、在線測試及分析評估等方面開展深入研究，形成智能化、自學習、故障可預測的線纜測試系統。