300T車載設備D電纜性能檢測方法

羅云飛，易 晟，祁瀟楠，齊 鶴

（1.中國鐵路上海局集團有限公司高鐵運維技術中心，上海 200071；2.中國鐵路上海局集團有限公司南京電務段，南京 210011；3.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

1 概述

300T車載設備通過應答器獲取線路數據，其應答器信息接收設備包括應答器傳輸模塊（BTM）、緊湊型天線單元（CAU）及D電纜，其中D電纜用于BTM與CAU間的信號傳輸。

目前尚無針對D電纜直接有效的檢測方法，且由于該電纜布置于車體地板內，更換極其不便，若無明確依據，很難協調車輛方進行更換。因此在處理相關故障時，需要通過依次更換BTM或CAU的方式來排查，導致現場工作人員勞動強度大，故障分析處理及維護工作效率較低。

隨著國內高速鐵路的大規模發展，裝備300T列控車載設備的高鐵列車數量已超千列，對D電纜傳輸性能進行直接有效檢測的需求越來越迫切。

2 測試原理

D電纜由4根特征阻抗為50 Ω的同軸電纜組成，包括一根TX電纜，兩根RX電纜和一根電源電纜。其中TX電纜可傳輸27 MHz高頻信號，RX電纜和電源電纜的工作頻率為0.1～10 MHz。電纜兩端為專用8針航空連接器，用于與BTM 及CAU的可靠連接。

2.1 D電纜直流、交流參數的測量

電纜的直流、交流參數，即絕緣電阻和線間電容，不僅可以直接顯示電纜硬故障（如電纜短路）的存在，還可以反應出電纜的健康狀況。既可以在排障時用來確定電纜是否故障，也可以作為常規檢查判斷電纜老化情況的依據。

以絕緣電阻為例，新電纜的絕緣電阻都應該在10 MΩ以上，而使用一段時間以后，該值可能降低到1～2 MΩ，說明電纜已經老化。當電阻值低于預設門限時，可以考慮在大修時更換電纜，以避免列車運行時電纜發生故障。由此可見，精確的測量電阻、電容值對電纜的診斷和維護有重大意義。

電纜的電阻指芯線、屏蔽層和機殼（或大地）三者之間的電阻值。

如圖1所示，A代表芯線，B代表屏蔽層，GND 為機殼地。為了能夠精確測量上述電阻值，需要對電纜按雙端口網絡處理。如圖2所示，施加不同的測試信號Vsa和Vsb，測量端口電壓和電流值，解復數的雙端口網絡Y-參數方程組，如公式（1）所示，即可得到這3個電阻。

圖2 物理參數測試Fig.2 Physical parameters test

實際測試時，Vsa和Vsb是一定頻率的交流信號，該方程的虛數部分即為導體間的3個電容值。

2.2 傳輸性能的測量

測量電阻雖然可以判斷電纜是否故障，但并不能定位故障位置。

定位故障位置需要測量電纜的分布傳輸性能，該測量方法基于TDR原理，可以反映出線路的匹配性（駐波比）及反射大小等指標。測試結果可以通過特性阻抗的分布曲線來表示。

D電纜傳輸性能測試的理論依據如下。

高頻傳輸線正常工作要求信號源、傳輸線和負載在工作頻率范圍內做到阻抗匹配。此時信號源到達負載的信號功率最大而沒有反射。對于D電纜，其特性阻抗為50 Ω。

由于測試儀基于單端測試，傳輸性能通過測試系統的反射信號來實現。如果反射信號為0，說明系統處于匹配狀態，負載可以接收最大的信號功率，系統工作正常。相反，如果信號被全反射，說明負載沒有收到信號，系統存在故障。測試儀根據反射發生的位置定位故障。如果信號有部分反射，說明系統沒有工作在最佳狀態。當反射信號大于預設門限值時，則可視為故障并定位故障位置。

反射信號的大小是由傳輸系統的反射系數來確定的，如公式（2）所示。

其中Vref為反射電壓，Vs為入射電壓。

反射系數和系統阻抗的關系如公式（3）所示。

其中ZL為負載阻抗，Z0為傳輸線的特性阻抗。由此可見，反射信號的大小也可以用負載阻抗值來表示。

在測試時，可將電纜等效成多段短電纜級聯起來，如圖3所示。每一節的特性電阻即為前一節的負載電阻，測量負載阻抗便可以測量出電纜隨長度變化的分布特性電阻。

圖3 分布參數測試Fig.3 Distributed parameters test

當電纜發生故障時，其阻抗曲線就會發生相應的變化，根據變化情況可以判斷故障性質并定位故障位置。如圖4所示，其中一根電纜在6.69 m處開路，一根在20.06 m處短路，能夠根據阻抗分布曲線明確判斷出故障類型和位置。

圖4 故障跡線顯示Fig.4 Fault trace curve

3 測量方法優化

由于CAU天線位于車體底部，且D電纜與其連接處需進行防水處理，因此安裝、拆卸D電纜CAU側插頭的過程較為費時費力。為了提高測試效率，需要根據CAU天線的特性，研究在與CAU天線連接的狀態下，對D電纜性能的測量方法。

3.1 帶天線測量電纜電氣參數

在帶天線測試時，可以把天線等效成一個無源RC網絡，如圖5所示。

圖5 連接天線的等效電路Fig.5 Equivalent circuit with antenna

圖5中Rt、Ct代表天線等效電路，Rsa和Rsb分別代表電纜導體的電阻值，其他參數為電纜在不同導體間的電阻和電容值。

電氣參數的正常值如圖6所示。

圖6 連接天線的電氣參數正常值Fig.6 Normal values of electrical parameters with antenna

電阻RA_B為同軸電纜芯線和屏蔽線間加正電壓時測得的電阻值，RB_A為加負電壓時測得的電阻值。首先對4根同軸電纜的RA_B和 RB_A值進行測量，做出電纜是否故障的初步判斷。

TX電纜RA_B和RB_A的正常值一樣，均為4 Ω左右。若RA_B和 RB_A不同或數值超出正常范圍，則說明該電纜或天線之一有故障。同理，RX電纜RA_B的正常值明顯大于 RB_A正常值，且數值都在1 kΩ以下?？筛鶕鄳娎|的測量值和其正常值比較，來判斷電纜是否故障。

3.2 電纜分布傳輸性能的測量

CAU天線的內部電路為D電纜里各個同軸電纜提供了不同負載，所以電纜的分布傳輸性能也會隨之發生變化。如圖7所示，紅色跡線表示TX電纜，其負載為感性負載，特點是僅在接頭處有高電阻，但超過一段距離后阻值接近于0，與TX負載為射頻變壓器相符；綠色和黃色表示兩根RX電纜，從跡線上可以推斷RX電路有無源阻抗匹配網絡，即使在不加電的情況下，電纜也基本處于匹配狀態；藍色跡線表示電源電纜，接有相對高阻抗的負載。

圖7 連接天線的跡線Fig.7 Trace curve with antenna

根據電氣參數初步判斷的結果對跡線做相應的分析，可以確定在連接天線的條件下電纜是否故障以及故障位置。

4 故障測試

4.1 電纜在天線端開路

電纜開路時，電阻值為30 MΩ，故障位置在電纜末端。

傳輸特性曲線及檢測結果如圖8所示。

圖8 電纜在天線端開路測試結果Fig.8 Test result when the cable is open at the antenna side

4.2 電纜不同距離開路和短路

被測電纜在不同距離出現開路或短路故障，如圖9所示參數值可初步判斷故障性質，并根據傳輸特性曲線定位故障位置。

圖9 電纜不同距離開路和短路測試結果Fig.9 The test result when the cable is open and short at different distance

TX及RX2電纜，電阻值顯示30 MΩ，推斷為開路；PS電纜的A_B及B_A電阻值均只有3.72 Ω，推斷為短路；RX1的阻值為51.9 Ω，與正常測試數據不符，且A_B間及B_A間的兩電阻值應不相同，所以判別RX1為電纜故障。

5 總結

綜上所述，通過對帶天線電纜電氣參數和分布傳輸性能的測試，可以對D電纜的不同類型故障做出正確的判斷和定位，這些故障包括不同電纜在不同位置開路或短路。即使電纜有電阻短路，包括匹配電阻短路，也可以做出正確診斷。