一種簡捷高效的電纜斷點單端定位方法研究

張 旭， 王發威

（空軍工程大學 航空機務士官學校，河南 信陽464000）

0 引 言

電纜廣泛應用于工業、生活與國防等領域，擔負著傳輸電能、信號與數據的重要功能，是各類儀器設備的血管和神經網絡；各類電纜在使用過程中，由于摩擦、彎折及外力破壞等因素，經常會出現不同故障情況，此時，常使用電纜故障診斷儀或者萬用表進行檢測，通過檢測之后，能夠得知是哪根導線產生了斷點，但是很難判定斷點的具體位置，給電纜搶修及日常修理帶來了困難。

雖然通過直接更換某根導線的方法能夠解決問題，但是在應急修理、搶修、電纜難以拆卸或者備件不齊全等情況下，該方法難以滿足要求；尤其是在戰場環境下，武器裝備及其保障設備的各類電纜由于敵方攻擊和自身因素，其故障率會大幅提高，加之戰場的環境惡劣、備件資源有限、搶修時間緊，給電纜搶修提出了更加苛刻的要求，因此，對故障導線進行直接定位和修理是電纜搶修中亟待解決的問題。

目前，常用電纜斷點定位方法［1?8］有3種，第一種是電容對比法，這種方法使用同類電纜作為檢測基準，這在應急修理過程中往往難以實現。第二種方法是脈沖反向法或時域反射法（TDR），此種方法定位精度高，但是儀器價格昂貴、設備體積較大、對判讀人員的能力要求較高，同時要求在檢測前，提前掌握待測電纜的微波傳輸速率等參數，這種方法在應急修理及搶修環境下同樣難以做到實時匹配。第三種是電磁感應法，通過單端接入外來信號的方式，使用探測器來感知輻射磁場并判斷斷點位置；文獻［1］研究了TDR與電磁感應法協同使用的定位方法，取得了較好的定位效果，但是TDR需要提前知道電纜介質并測量其電磁波傳播速率，同時對電磁感應法的研究較為單一。

針對此種情況，本工作重點對電磁感應法進行深入研究，基于交變電磁場與天線理論，提出電纜斷點單端定位系統構建的簡易化解決方案，在進行大量試驗并對試驗數據進行分析的基礎上，分別提出3種電纜斷點的單端定位方法及其定位規律和適用范圍。

1 電纜斷點單端定位原理

本方法的原理是交變電磁場與天線理論，如圖1、圖2所示。

圖1 電纜中電磁場信號輻射原理示意圖

圖2 電纜電磁輻射探測器示意圖

當在導線一端施加交流電源信號之后，導線就像天線一樣，向外輻射出磁場，而磁場又產生電場，依次向外傳播。因此，若將電纜一端加上交流電信號，將電纜視為天線，那么它就會向外輻射電場和磁場能量；同時，如果再用一個接收天線，也就是電磁信號探測器進行探測的話，就可以對電纜斷點的位置進行定位了。

綜上所述，本工作的整體思路，就是設計一個強度足夠大的交流信號發生裝置作為信號源，再加一個靈敏度適當的電磁場信號探測器，組成電纜斷點單端定位系統。

2 電纜斷點單端定位系統構成解決方案

2.1 交流信號發生裝置

2.1.1 使用市電進行供電的情況

220 V、50 Hz的市電是非常易于獲得的資源，在該情況下，可以選擇使用9～24 V交流變壓器變壓后作為輸出，經過大量試驗后發現，脈動直流電的效果大大優于同等電壓下的交流變壓器，因此，采用脈動直流電模塊進行電能轉換；該裝置非常容易獲得，如手機充電器輸出電壓為5 V，蓄電池充電器的電壓為12 V和24 V等。

使用脈動直流充電器作為信號發生裝置時，需要將其充電線的輸出端拆開，使用5，12，24 V正極電源線連接待測電纜，同時將充電線中的其他導線隔離以防止短路。脈動直流充電模塊的電磁輻射效果比交流變壓器性能優異的原因，是其先將市電變換成高頻電源，然后進行變壓整流，因此其內部含有大量的50 Hz諧波信號及其他高頻信號，這些信號接入待測電纜之后，具有較強的電磁輻射能力，易于被探測器探測感知。

2.1.2 使用電池進行供電的情況

該種情況不依靠市電，可將信號發生裝置做成便攜式，使用方便。為使該裝置能夠便于制作，試驗選擇以下解決方案，如圖3所示。

圖3 便攜式信號發生裝置解決方案

圖3給出的解決方案選擇12 V便攜式直流電源供電，使用逆變器模塊將其轉換為220 V、50 Hz的交流電信號，之后有兩種方案，第一種（方案Ⅰ）是經過交流信號變壓器變壓之后，將其項線作為待測電纜的單端輸入端；第二種（方案Ⅱ），是采用脈動直流電變換模塊，將其分別轉換為5，12，24 V的脈動直流電，并將其正極加載到待測電纜的輸入端；根據以上結論，方案Ⅱ的性能優于方案Ⅰ。因此，本工作選用脈動直流充電器進行信號轉換。

2.2 電磁場信號探測器

目前，市場上容易購買到的幾種電磁信號探測器，如圖4～圖7所示。

圖4 感應電筆

圖7 鉗形萬用表NCV功能信號格數顯示

圖4為感應電筆，它可以測量市電電線中輻射的電磁信號，能夠發出聲音或文字報警，但是其閥值設置的往往比較高，即使有一些閥值低的，也難以量化顯示；圖5為電磁場強度檢測儀，它能夠檢測寬頻段的電磁輻射，靈敏度高，能夠以數字方式量化顯示；圖6為鉗形萬用表，具有非接觸電壓測量（NCV）功能，鉗形表檔位打到NCV檔之后，將儀表鉗頭部分靠近電路或導線即可測量交流電壓，儀表會根據探測到的電壓大小，發出不同的蜂鳴報警音并顯示信號格數（如圖7所示），導線電磁輻射越強，則蜂鳴聲頻率越高、信號格數越多，最多為4格信號；因此，鉗形萬用表的NCV功能能夠量化顯示信號的強弱，這是感應電筆難以反映出來的，可以說，其具有簡單、明了和易操作等特點。綜上所述，本方法選擇鉗形萬用表的NCV功能作為電磁信號探測器。

圖5 電磁場強度檢測儀

圖6 鉗形萬用表

3 三種電纜斷點單端定位方法及規律

在完成了信號發生器系統的硬件搭建與測試和電磁場探測器的優選與匹配之后，使用該定位系統分別開展3種場景下的試驗驗證。

3.1 單線斷點的單端檢測與定位方法

將交流信號發生裝置連接待測電纜之后，用鉗形表鉗頭靠近待測電纜，上面會顯示信號（通常為3～4格），將其鉗頭沿著電纜向前移動，當信號明顯減弱直至消失時，可確定此處為斷點，定位精度為1cm。

3.2 電纜線束中電纜斷點的單端檢測與定位方法

當電纜線束中出現某根導線斷路時，情況比3.1節的復雜。可將該導線一端連接信號發生裝置，根據交變電磁場理論，線束中其他導線也會產生感應電磁場并沿電纜傳播，因此，當拿著鉗形表測量時，即使越過斷點，其他導線也會輻射出電磁場并能夠被鉗形表探測感知；但是，此類二次感生電場的信號輻射強度會大大低于一次感生信號，因此可通過該特點進行導線斷點定位。根據試驗的情況，原來信號有3格，當經過斷點后，輻射強度會變為1格，或時有時無，此時即可判定斷點位置。

該方法只適用于線束比較稀疏的電纜，如果電纜導線數量多且包裝密集，會導致導線間互相感應效率極高，因此經過斷點之后，電纜的電磁輻射衰減太小，不易甄別。

3.3 帶屏蔽層的電纜斷點檢測與定位方法

根據電磁屏蔽原理，當電纜屏蔽層接地時，能夠起到電磁屏蔽作用，其內部的電磁信號難以傳播出來，探測器感知不到信號，因此在該情況下是難以進行檢測定位的。

針對帶屏蔽層的電纜斷點檢測與定位問題，其定位方法是將電纜屏蔽層與地隔離，這樣電纜中的電磁信號會透過屏蔽層傳播出來，其測試方法根據電纜斷點與屏蔽層是否接觸分為兩大類。

第一類：電纜斷點與屏蔽層不接觸的情況，其示意圖和3組試驗數據分析如圖8～圖11所示。

電纜斷點與屏蔽層不接觸情況示意圖見圖8。

圖8 電纜斷點與屏蔽層不接觸情況示意圖

由圖8可知：最外部半透明區域為電纜屏蔽層，里面最細部分為導線。

圖9～圖11為3組測試數據，圖中，較粗點線代表從待測電纜接入點開始取點，所測量到的NCV電壓值，3組數據中取點間隔不盡相同；呈拋物線形狀的細實線為該線對應的多項式趨勢線。

圖9 電纜斷點與屏蔽層不接觸時的測量電壓（第一組數據）

圖10 電纜斷點與屏蔽層不接觸時的測量電壓（第二組數據）

圖11 電纜斷點與屏蔽層不接觸時的測量電壓（第三組數據）

由圖9～圖11可知：3組數據中，第一組中點7、第二組中點11、第三組中點9為電纜斷點所在位置；第一組中點9、第二組中點14、第三組中點10為NCV測量電壓開始明顯下降的點。從以上數據的分析可知，從接入點開始，感應電壓始終在小范圍內波動，這是由于屏蔽層內部有相似的導線輻射的緣故；當移動到斷點位置時，感應電壓并沒有迅速下降，而是在其后約7 cm處，開始大幅下降（見3組圖中NCV測量電壓開始明顯下降的點）。出現這種情況的原因，是屏蔽層所感應的電磁場信號較強，衰減較慢，根據該規律可以對此種情況下的電纜斷點進行定位，根據屏蔽層的類型不同，該距離會有所不同，應根據實際情況而定。

同時，從圖中的數據可得出以下規律，更便捷地定位此種情況下的電纜斷點。

規律1：針對帶屏蔽層的電纜斷點檢測與定位問題，當斷點與屏蔽層非接觸時，與其感應電壓多項式趨勢線起點電壓相同的趨勢線上的另一點，即是電纜斷點位置。

根據規律1，可看出圖12中虛線處所對應的點，即是該情況下電纜的斷點位置；當然，在檢測中也存在一些小的誤差，這是容許的。

圖12 規律1應用圖示（第一組數據）

另外，在該種情況檢測時，除屏蔽層不能接地外，整根導線不能夠放在具有導電性能的地面或金屬上檢測，這樣容易造成屏蔽層受到干擾，影響測量結果；應盡量將其懸空或者放在絕緣的桌子上等。

第二類：電纜斷點與屏蔽層接觸的情況，其示意圖和3組試驗數據分析如圖13～圖16所示。

圖13 電纜斷點與屏蔽層接觸情況示意圖

圖13為電纜斷點與屏蔽層接觸情況示意圖，圖中，最外部半透明區域為電纜屏蔽層，里面最細部分為導線。圖14～圖16為3組測試數據，圖中，較粗點線代表從待測電纜接入點開始取點，所測量到的NCV電壓值，3組數據中取點間隔不盡相同；呈拋物線形狀的細實線為該線對應的多項式趨勢線。

圖14 電纜斷點與屏蔽層接觸時的測量電壓（第一組數據）

從3組數據中曲線變化趨勢可以看出，當斷點與屏蔽層接觸時，從電纜接入點開始，感應電壓NCV值先增加后減小，呈類似向下開口的拋物線趨勢，由圖14～圖16可知：當NCV值第一次增加到最大值的位置，即為電纜斷點的位置（見第一組點9、第二組點11、第三組點11）；由于斷點與屏蔽層相接觸，因此該點處的NCV輻射值最大，從理論上分析也能得出類似結論。

圖16 電纜斷點與屏蔽層接觸時的測量電壓（第三組數據）

規律2：針對帶屏蔽層的電纜斷點檢測與定位問題，當斷點與屏蔽層接觸時，與其感應電壓第一次增加到最大值的位置，即為電纜斷點的位置。

適用范圍：與3.2節相似，該方法只適用于線束比較稀疏的電纜，如果電纜導線數量多且包裝密集，會導致導線間互相感應效率極高，因此經過斷點之后，電纜的電磁輻射衰減太小，輻射再穿過屏蔽層的話，甄別難度更大；因此該方法對單根電纜效果最佳，如同軸線等。

圖15 電纜斷點與屏蔽層接觸時的測量電壓（第二組數據）

4 多項式趨勢線的計算方法

多項式趨勢線實際上是數值計算方法中多項式擬合取二階時的擬合曲線，其計算方法為：

對于給定的試驗數據（xi，yi）（i＝1，…，N），尋找一個m次多項式（m＝2＜N）

式中，a0，a1，a2為待定系數。

要求y＝φ（x）能夠最好地擬合給定的試驗數據，具體的標準為最小二乘法原理，即使誤差的平方和達到最小［8］。

把點（xi，yi）代入y＝φ（x），便得到以a0、a1和a2為未知參量的方程組：

其矩陣形式為：

式中：

對式（3）兩邊乘以ΓT，可得：ΓTΓa＝ΓTb，從而可解算出待定系數a的表達式：

將式（4）代入式（1），可得多項式趨勢線（m＝2）的實際表達式；當然，多項式趨勢線的計算也可以借助MATLAB函數或EXCEL、WORD表格的相關函數來實現。

5 結束語

本工作基于電磁感應理論提出了一種簡捷高效的電纜斷點定位方法，詳細研究了其檢測原理、系統構建方案、檢測方法、規律和適用范圍。該方法既適用于常規電力電纜，也適用于低電壓電纜和數據電纜等，可在適用范圍內快速定位電纜斷點，具有實時、方便、便攜、經濟、高效、可靠性高等優點；若后期與TDR協同使用，可較大程度節約搶修時間，提高搶修效率，從而滿足戰場環境及日常情況下電纜搶修中的斷點定位需求，具有很好的理論和應用價值。