Fault Detection Technology Based on Traveling Wave Method for Cables of EMU and Its Application

于德伟　王芹凤　岳　刚　赵付洲

(南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛　266111)

行波法动车电缆故障检测技术及其应用

Fault Detection Technology Based on Traveling Wave Method for Cables of EMU and Its Application

于德伟王芹凤岳刚赵付洲

(南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛266111)

摘要：针对动车电缆运行时间延长与电缆负荷增加而引起的电缆故障判定、测距等问题，提出了一种新的基于行波法的电缆故障检测方法。首先根据动车电缆故障的不同性质，进行故障电缆类型划分。其次，针对电缆中的不同类型的故障，分别采用行波法中的时域分析法、冲闪法进行故障分析及测距。最后，详细介绍了新的故障检测方法操作步骤，通过波形图分析验证了该方法的可行性。新的故障检测方法克服了两种方法各自在电缆故障检测方面的局限性，具有较高的实用意义。

关键词：行波法动车电缆时域反射法冲闪法电缆故障检测

Abstract：Aiming at the issues of determination of the cable faults caused by extended running time of the trains and cable overload, and to measure the distance to the fault point, the new detection method based on traveling wave method is proposed. Firstly, in accordance with the different nature of the faults, the faults are classified; then, based on different types of faults, the faults are analyzed and located by using time domain analysis and impulse flash method in traveling wave method. Finally, the operation procedures of the new fault detection method are introduced in detail; the feasibility of this method is verified through analyzing the waveworm graphics. This new method overcome the limitation of two kinds of methods in cable fault detection, it possesses higher practical significance.

Keywords：Traveling wave methodEMU cableTime-domain reflectometry(TDR)Impulse flash methodCable fault detection

0引言

快速发展的国民经济推动了铁路运输业的高速发展。近几年，动车电缆因运行时间的延长逐渐老化，导致了故障的发生，引起了广大工作人员的关注。如何及时发现并解决潜在故障,保证列车安全出行，成为动车检修过程中的重中之重。

为了有效检测电缆故障，国内外研究者提出了多种电缆故障定位方法[1-4]。根据检测原理的不同，电缆故障定位方法分为阻抗法和行波法。阻抗法操作简单，应用广泛，它通过计算故障点与测量端之间的阻抗大小确定故障点位置[5-7]。行波法以行波理论为基础，将故障电缆看作分布参数元件，它根据脉冲传播速度与脉冲在测试端与故障点间的往返时间实现故障定位[8-10]。

本文结合动车电缆的自身特性，通过对电缆的不同故障进行综合分析，提出了一种基于行波法的故障检测方法并应用于动车电缆故障检测。通过波形图分析，验证了该方法的可行性。

1故障分类

动车电缆主要由绝缘层(非金属保护层)和金属导体(如导体芯线、金属屏蔽层、金属外护套)两部分组成。电缆任何一部分出现故障都将会导致电缆无法正常工作，实际电缆故障的原因主要是外力损坏或过度负荷。根据不同阻抗的特性，电缆故障分为以下三种类型。

① 开路故障

电缆的绝缘外层无损坏，但是导体内部存在断开部位，始终无电流流过的电缆故障。开路故障主要发生在金属外护套、导体芯线以及金属屏蔽层等部位，具体表现为电缆未规范连接或芯线、金属屏蔽层在某一处或多处断开，电阻值Rk=∞。

② 低阻故障

电缆的相间或对地的泄漏性故障Z与电缆波阻抗Z0满足约束Z≤10Z0，称为低阻故障。发生低阻故障的电缆仍可以构成闭合回路，电缆中有流通电流。短路故障是低阻故障的特殊形式，其对地电阻Zf为0。

③ 高阻故障

若一芯或多芯测试电缆的相间电阻或对地的绝缘电阻Z>10Z0，则称为高阻故障。根据电缆回路中电流的变化，高阻故障又可分为两种不同类型故障，即泄漏性高阻故障和闪络性高阻故障。

2电缆故障定位方法

基于行波法的电缆故障检测方法应用于动车检修过程，实现了故障类型分析与故障点测距。行波法根据入射波在阻抗不匹配点产生反射的特性计算故障距离，可分为低压脉冲、高压脉冲反射法等多种故障检测方法。本文采用基于行波法的时域反射法(time-domain reflectometry, TDR)和冲闪法进行电缆故障检测。

首先，对电缆故障进行类别划分；然后，向电缆的测试端加载一个固定频率的测试脉冲，脉冲信号遇到故障点会发生反射;最后根据信号发送、接收的时间，信号传播速度计算故障距离，进而实现故障定位。

2.1　开路、低阻故障的测试方法及原理

时域反射法(TDR)是一种间接的测距方法，它是通过向待测电缆输送脉冲信号，接收并分析反射信号的波形，确定故障类型和故障点距离的一种故障检测方法[11]。TDR主要用于电缆开路故障和低阻故障的定位测距，也可以用于测量电缆的长度、波速度，辨识、定位电缆中的阻抗不匹配点。

TDR的基本原理是向待测电缆注入固定频率的低压脉冲，脉冲在电缆中传输过程遇到阻抗不匹配点(如故障点、中间接头等)发生反射，如图1所示。圆柱形电缆的三个阻抗不匹配点距离信号发射端的距离分别表示为L1、L2、L3，箭头指向即为波传播的方向。

图1　时域反射法定位原理

仪器发射脉冲时刻作为起始时刻进行计时，接收装置接收到故障点的反射脉冲时结束计时，计算时间差Δt。根据故障点测距公式，利用时间差Δt、脉冲信号的传播速度v，可计算出故障点到测试端的距离Lx。

Lx=vΔt/2

(1)

在电缆故障分析过程中，根据故障电缆的输入阻抗zi与线路的特性阻抗zc，根据式(2)可以计算出阻抗不匹配点的反射系数p。

(2)

故障电缆的断线点或终端开路阻抗满足 zi=∞，短路阻抗满足 zi=0。根据式(2)可知，断线或开路故障的反射系数 p=1，反射脉冲与发射脉冲的波形相同，如图2所示；短路故障的反射系数 p=-1；反射脉冲的波形与发射脉冲的波形相反，如图3所示；低阻故障反射系数始终介于-1和1之间。因此，通过分析反射脉冲的波形，便可以直接判断电缆故障类型。

图2　断线/开路故障反射波形

图3　低阻/短路故障反射波形

2.2　高阻故障的测试方法及原理

动车电缆故障中高阻故障发生的频率相当高。因为机车运行过程中，电缆受车厢的摆动引起绝缘层磨损形成高阻故障。具有高阻故障的电缆由于绝缘介质磨损程度不尽相同，似断非断，其阻碍电流能力有所下降但未完全损坏，所以不会影响到传输电缆的阻抗。故障电缆检测时测试脉冲在高阻故障点无法产生反射波形，因此采用时域反射法无法进行电缆故障点定位。冲击高压闪络测试法(冲闪法)在故障点测试端加载直流高压电源，使故障点击穿放电，形成击穿电弧并作为测试信号，记录其往返时间，进而实现故障点定位，能够有效地检测出高阻故障[12]。因此，选择冲闪法对高阻故障点进行定位、测距。

实际电缆故障检测过程中电流采样法接线简单，安全性高，采样波形易于识别，因此冲闪法一般选用电流取样法。另外，接线过程必须按照正确的接地方式进行连接放电，测试过程中易发生明火或放电现象，禁止在易燃易爆的环境下操作。

冲闪法原理图如4所示。直流高压变压器T2对加载于故障电缆的测试端的输入电压进行升压，直至将故障点击穿形成通路；击穿过程中的闪络电弧作为测试脉冲在电缆中传输，遇到阻抗不匹配点电弧发生反射，测量电感L置于电缆输入端读取回波(J表示调节冲闪电压的放电球)。因为闪络电弧传播速度较快，会在故障点和电感L之间形成多次反射；电感 L存在自感现象，电容C和电感L组成一个L-C放电过程，因此线路输入端接收到的波形为一个快速衰减的余弦波，其扩展后的波形的幅值F变化剧烈，如图5所示。根据反射波的间隔，根据式(1)可实现故障点测距。

图4　冲闪法测试原理图

图5　冲闪法波形图

3动车电缆故障定位策略

3.1　了解故障电缆类型

动车铺设的电缆种类众多，其电压等级与结构组成也不尽相同，选用电缆的电压主要结构也大致分为单芯、三芯、四芯等。

根据不同电压等级将电缆进行分类，了解电缆的介质类型，动车中较常使用的特殊电缆类型具体参数如表1所示。

表1　动车较常使用特殊电缆类型表

3.2　校对电缆的电波传输速度

不同类型的电缆电波的传播速度不同。电缆故障定位过程中需根据已知的电缆全长校准电波速度。首先,选择一段已知长度的同类型的完好电缆，测量其对端开路和短路的波形并进行对比，调整波速,使其长度测量值和已知长度相等，则此时波速即为本条电缆的实际波速。

常见不同电缆线的传播速度如表2所示。

表2　常用电缆线的传播速度表

3.3　判定故障类型并确定故障位置

① 针对电缆中常见的开路故障、低阻故障及短路故障，选择使用TDR方法进行故障检测。

若脉冲发送、接收时间差Δt=T，则说明该电缆未发生故障；若时间差Δt

图6　TDR测短路、低阻故障波形

图7　TDR测开路故障波形

② 针对动车组故障电缆中的高阻故障，采用冲闪法进行故障点分析、测距。

图8~图10是冲闪法测试形成的波形。

图8　故障在测试始端的波形

图9　故障在中间段的波形

图10　故障在测量终端段的波形

因为故障点发生在电缆的不同位置，采样波形会发生变化。选择使用标准波形与测试波形进行对比，观察分析判别电缆故障类型，计算故障点距离。

4结束语

本文针对动车中不同种电缆故障，提出了一种基于行波法的电缆故障检测方法。该方法可以快速准确地进行故障点检测，提高了动车运行的可靠性，减少了故障修复时间，节省了大量人工与时间成本。

随着计算技术的快速发展，未来动车故障电缆检测研究方向倾向于智能化、高稳定性的在线监测方式。通过对动车电缆进行实时监测、分析评估，以便及早发现绝缘缺陷，减少突发事故，保证安全用电和信号传输。

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中图分类号：TH89;TP277

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508005

国家自然科学基金资助项目(编号：61374140、61403072)；

中央高校基本科研业务费(编号：22A201514050)。

修改稿收到日期：2015-07-10。

第一作者于德伟(1978-)，男，2001年毕业于洛阳工学院工业自动化专业，获学士学位，高级工程师；主要从事高速动车组电气控制与故障检测的研究。