一种多通道绝缘电阻快速测量以及故障定位方法

杭州应用声学研究所 龚静康 万 东 王剑辉

随着社会发展，生产力的不断提升，在通信和电力供应中，各种电缆得到广泛的应用。为保障电缆的正常使用，电缆故障的检测与定位是通信和电力供应的关键技术。绝缘电阻的测量是电缆故障检测的重要手段，然而近年来电缆数目与电通道数目不断增加，给电缆故障检测与定位带来了极大的难度。

随着电缆故障检测技术的不断发展，研究人员对检测方法也在不断地推陈出新，例如GPS定位法、小波变换法、温度检测法、功率平衡法等。这些方法检测精度在不断的提升，手段也在不断的革新，但这些方法目前在工程检测中无法达到实施方便、成本适中等要求。目前主流的检测方法主要包括：双端检测法、频域反射法，以及时域反射法。

双端检测法利用设置于故障电缆两端的发射机与接收机的功率差来识别故障的检测方法。双端检测法原理简单、使用方便、开发成本低，但该方法不具备故障定位的能力；同时由于需要在电缆两端安装检测设备，因此要分别对两端检测设备供电，而在实际工程中，很难解决该问题。针对双端检测算法不具备故障定位能力的问题，研究人员提出了多种改进方法，主要有基于简单通信的双端检测法、基于改进参数的双端检测法等等。虽然这些方法可以进行故障定位、同时精度也有所提升，但这些方法都是在双端检测法的基础上进行改进，其不足之处在于双端检测法其硬件要求必须是在线路两端同时设置至少一台设备。

在使用时域反射法和频域反射法定位电缆故障时，只需在电缆的一端设置检测设备。时域反射法（TDR,Time Domain Reflectometry）利用向通信电缆一端发射的电压脉冲和接收到的反射脉冲之间的时间差以及脉冲信号在通信电缆中的传输速度计算得到故障点位置。研究人员杨玉萍曾利用时域脉冲反射法，实现了电缆故障的检测与定位，定位误差小于1m。

频域反射法（FDR,Frequency Domain Reflectometry）的概念于上世纪七十年代就提出，之后即应用于复杂的军用测试系统中。其检测原理是在待测电缆一端输入一个扫频信号，并将其反射信号的测量数据经过快速傅里叶逆变换转换为时域信息。然后，根据信号在电缆中的传播速度就可以计算出故障点位置。研究人员分析了影响该测量方法误差的主要因素。并通过大量仿真实验研究出了频域反射法对于单根电缆上存在两处故障时的检测能力。

目前，在实际进行绝缘电阻测量时，大多采用的都是兆欧表简单测量。但在很多场合下故障检测人员需对设备进行多芯及不同耐压条件下的测试，对于传统的兆欧表只可以产生单一电压，并逐根检测，耗时且效率极低，因此远远不能满足实际要求。研究绝缘电阻的快速测量，是提高设备维护效能的有效手段。研究人员通过大量试验，设计并实现绝缘电阻多路自动循环检测系统，通过该方法提高了绝缘电阻的测量效率，该方法的不足之处在于该系统并不能实现电缆任意两通道之间的绝缘电阻测量。

本文采用时域反射法实现电缆的故障检测与定位，并针对传统多通道绝缘电阻测量方法效率低的问题，提出了一种并行测量多芯电缆绝缘电阻的方法。

1 测试原理

1.1 绝缘电阻测试

绝缘电阻测试用来检测两个或两组绝缘导线之间的绝缘电阻值，判断绝缘导线之间是否有绝缘电阻低或导线短路的故障。系统利用欧姆定律来实现绝缘电阻的测试，给被测绝缘体之间施加一个已知高电压，测试绝缘体之间的漏电流，通过欧姆定律计算得到绝缘体间的绝缘电阻值。与万用表的电阻测试原理的主要区别是，绝缘电阻测试要求的加载电压较高，属于高压测试。

图1所示为绝缘电阻测试原理。因绝缘电阻测试的加载电压一般较高、测试电流小，直流电源模块需要选用专用高压发生器，电流表需要选用微安级小电流测试模块。

图1 绝缘电阻测试原理

1.2 故障定位方法

本系统中采用TDR（时域反射法,Time Domain Reflectometry）法来实现被测故障电缆的故障点定位。本方法可以根据电缆中的传输线阻抗变化对短路故障点和断路故障点的位置进行快速定位。

时域反射法又称为脉冲反射法或雷达法，最早应用于长途电话线的故障检测，目前该方法主要应用于电缆故障检测和定位，同时也被运用于防灾、预警，以及土壤水含量分析等领域。该方法主要在通信电缆的一端设置信号发射和接收装置，并发射电压脉冲信号，同时接收脉冲的反射信号，通过计算接收到的反射脉冲与发射脉冲的时间差，同时利用脉冲信号在该同型号正常电缆中的传输速率计算得到故障点位置。

图2所示，在传输线理论中，信号在电缆中会以接近光速的某一个固定速度V进行传输，当遇到传输线的特性阻抗发生变化的地方，信号就会发生反射，在信号的入射点可以观察到反射回来的信号。

图2 TDR故障定位原理

当被测电缆发生故障时，在故障点的传输特性阻抗会发生变化，从而发生信号反射。在被测电缆的信号注入端，只要能够测得发射信号和反射信号的时间差t，即可计算的到故障点距离电缆头的距离S=V*t/2。

1.3 多点测试方法

多测点之间的绝缘测试耗时、耗工。若采用传统的绝缘测试算法，对于N个测点的绝缘测试，要实现任意两点之间的绝缘性测试，其总测试次数为：CN2。若N=10时，总测试测试为45次；N=30时，总测试次数为435次；N=87时，总测试次数为3741次，测试效率极低。

因此本文提出一种快速测试的多芯电缆之间绝缘电阻的测试方法。如图3所示为被测电缆的多点测试原理，电缆测试的各测试功能集中在测试模块中；测试模块与开关模块连接，通过开关模块将测试信号连接到被测产品电缆的各个测点上；通过软件程序控制开关模块各通道开关的切换，即可自动实现被测线缆所有芯线的测试。

图3 电缆多点测试原理

多芯电缆的绝缘测试时间由测试次数N和单次测试时间T决定。设计中采用一对多的测试逻辑（即一芯同时对其它所有芯测绝缘），可以有效降低总测试次数。如：对于一根36芯的电缆绝缘测试，要实现任意两点之间的绝缘测试，传统手动测试次数为：N=36×35/2=630（次），而使用本文方法所需的测试次35次，该方法可以极大地提升绝缘测试的速度。

1.4 故障定位精度

由于信号在不同电缆中的传输速度V有可能不一样，所以不能用一个统一的传输速度来进行所有电缆的故障定位。对不同的电缆，测试前需要对其传输速度比进行校正（或调整），否则可能会带来较大的误差。电缆中信号传输速度的不均匀性对测试结果也会产生影响，本测量方法假定被测电缆中沿信号传输方向上信号的传输速度是均匀分布的。

2 实验结果

2.1 绝缘测试时间

单次测试时间T主要由升压时间、保压时间组成。该参数一般设置在1-5s之间。同时受测试电压U、被测电缆长度、被测电缆分布电容等诸多因素影响的。对于被测电缆固定的情况下，不管手动测试还是自动测试，该值基本是一致的。

假设，单次测试时间T=5s，则手动测试时间为：630×5=3150（s）=52.5（min）；测试仪测试时间为：36×5=180(s)=3(min)。所以，测试仪与手动测试相比，具有非常明显的时间优势。

2.2 故障定位波形

被测电缆的故障主要有短路故障和断路故障两种故障。其分别对应不同的故障波形。如图4所示，断路故障点的反射波形为向上凸起的波峰；如图5所示，短路故障点的反射波形为向下凹陷的波谷。

图4 断路故障波形

图5 短路故障波形

注意：1）故障点的实际位置不是波峰的最大值和波谷的最小值，而是波峰和波谷的变化的起始点；2）最靠近0m处的第一个波形不是需要测试的故障波形点。

故障定位是利用被测电缆上阻抗不匹配点的反射来进行故障定位的。所以，若被测电缆上存在多处阻抗不匹配的位置时，反射波形上会有多个凸起的波峰或下陷的波谷。

2.3 故障定位精度

时域脉冲反射法主要是利用被测电缆故障点的特性阻抗不匹配的原理进行故障点定位。对于同轴线缆、双绞线等特性阻抗分布比较均匀的导线的测试，其定位效果较好。而对于内部结构比较复杂的多芯电缆的定位，定位效果受特性阻抗的不一致性而产生波动，最终对定位的精度产生影响。图6和图7所示是我们从实际的测试数据中抽出的两组数据。

图6 同轴断路故障点的测试效果

图7 多芯电缆断路故障测试效果

3 结论与总结

本文针对传统多通道绝缘电阻测量方法效率低的问题，提出了一种并行测量多芯电缆绝缘电阻的方法，通过开关模块将测试信号连接到被测产品电缆的各个测点上；并通过软件程序控制开关模块各通道开关的切换，实现被测线缆所有测点的自动测试，大大提高了多通道绝缘电阻测试的效率。另外分析了电缆类型对TDR方法故障定位精度的影响（包括同轴电缆和多芯电缆），实验表明，同轴电缆测试的断路和短路故障的精度明显优于多芯电缆。

对于同轴线缆、双绞线等特性阻抗分布比较均匀的导线的测试，其定位效果较好。而对于内部结构比较复杂的多芯电缆的定位，定位效果受特性阻抗的不一致性而产生波动，最终对定位的精度产生影响。对于一些特性阻抗一致性较好的电缆，其定位精度也会更好。