一种简捷高效的电缆断点单端定位方法研究

张 旭， 王发威

（空军工程大学 航空机务士官学校，河南 信阳464000）

0 引 言

电缆广泛应用于工业、生活与国防等领域，担负着传输电能、信号与数据的重要功能，是各类仪器设备的血管和神经网络；各类电缆在使用过程中，由于摩擦、弯折及外力破坏等因素，经常会出现不同故障情况，此时，常使用电缆故障诊断仪或者万用表进行检测，通过检测之后，能够得知是哪根导线产生了断点，但是很难判定断点的具体位置，给电缆抢修及日常修理带来了困难。

虽然通过直接更换某根导线的方法能够解决问题，但是在应急修理、抢修、电缆难以拆卸或者备件不齐全等情况下，该方法难以满足要求；尤其是在战场环境下，武器装备及其保障设备的各类电缆由于敌方攻击和自身因素，其故障率会大幅提高，加之战场的环境恶劣、备件资源有限、抢修时间紧，给电缆抢修提出了更加苛刻的要求，因此，对故障导线进行直接定位和修理是电缆抢修中亟待解决的问题。

目前，常用电缆断点定位方法［1⁃8］有3种，第一种是电容对比法，这种方法使用同类电缆作为检测基准，这在应急修理过程中往往难以实现。第二种方法是脉冲反向法或时域反射法（TDR），此种方法定位精度高，但是仪器价格昂贵、设备体积较大、对判读人员的能力要求较高，同时要求在检测前，提前掌握待测电缆的微波传输速率等参数，这种方法在应急修理及抢修环境下同样难以做到实时匹配。第三种是电磁感应法，通过单端接入外来信号的方式，使用探测器来感知辐射磁场并判断断点位置；文献［1］研究了TDR与电磁感应法协同使用的定位方法，取得了较好的定位效果，但是TDR需要提前知道电缆介质并测量其电磁波传播速率，同时对电磁感应法的研究较为单一。

针对此种情况，本工作重点对电磁感应法进行深入研究，基于交变电磁场与天线理论，提出电缆断点单端定位系统构建的简易化解决方案，在进行大量试验并对试验数据进行分析的基础上，分别提出3种电缆断点的单端定位方法及其定位规律和适用范围。

1 电缆断点单端定位原理

本方法的原理是交变电磁场与天线理论，如图1、图2所示。

图1 电缆中电磁场信号辐射原理示意图

图2 电缆电磁辐射探测器示意图

当在导线一端施加交流电源信号之后，导线就像天线一样，向外辐射出磁场，而磁场又产生电场，依次向外传播。因此，若将电缆一端加上交流电信号，将电缆视为天线，那么它就会向外辐射电场和磁场能量；同时，如果再用一个接收天线，也就是电磁信号探测器进行探测的话，就可以对电缆断点的位置进行定位了。

综上所述，本工作的整体思路，就是设计一个强度足够大的交流信号发生装置作为信号源，再加一个灵敏度适当的电磁场信号探测器，组成电缆断点单端定位系统。

2 电缆断点单端定位系统构成解决方案

2.1 交流信号发生装置

2.1.1 使用市电进行供电的情况

220 V、50 Hz的市电是非常易于获得的资源，在该情况下，可以选择使用9～24 V交流变压器变压后作为输出，经过大量试验后发现，脉动直流电的效果大大优于同等电压下的交流变压器，因此，采用脉动直流电模块进行电能转换；该装置非常容易获得，如手机充电器输出电压为5 V，蓄电池充电器的电压为12 V和24 V等。

使用脉动直流充电器作为信号发生装置时，需要将其充电线的输出端拆开，使用5，12，24 V正极电源线连接待测电缆，同时将充电线中的其他导线隔离以防止短路。脉动直流充电模块的电磁辐射效果比交流变压器性能优异的原因，是其先将市电变换成高频电源，然后进行变压整流，因此其内部含有大量的50 Hz谐波信号及其他高频信号，这些信号接入待测电缆之后，具有较强的电磁辐射能力，易于被探测器探测感知。

2.1.2 使用电池进行供电的情况

该种情况不依靠市电，可将信号发生装置做成便携式，使用方便。为使该装置能够便于制作，试验选择以下解决方案，如图3所示。

图3 便携式信号发生装置解决方案

图3给出的解决方案选择12 V便携式直流电源供电，使用逆变器模块将其转换为220 V、50 Hz的交流电信号，之后有两种方案，第一种（方案Ⅰ）是经过交流信号变压器变压之后，将其项线作为待测电缆的单端输入端；第二种（方案Ⅱ），是采用脉动直流电变换模块，将其分别转换为5，12，24 V的脉动直流电，并将其正极加载到待测电缆的输入端；根据以上结论，方案Ⅱ的性能优于方案Ⅰ。因此，本工作选用脉动直流充电器进行信号转换。

2.2 电磁场信号探测器

目前，市场上容易购买到的几种电磁信号探测器，如图4～图7所示。

图4 感应电笔

图7 钳形万用表NCV功能信号格数显示

图4为感应电笔，它可以测量市电电线中辐射的电磁信号，能够发出声音或文字报警，但是其阀值设置的往往比较高，即使有一些阀值低的，也难以量化显示；图5为电磁场强度检测仪，它能够检测宽频段的电磁辐射，灵敏度高，能够以数字方式量化显示；图6为钳形万用表，具有非接触电压测量（NCV）功能，钳形表档位打到NCV档之后，将仪表钳头部分靠近电路或导线即可测量交流电压，仪表会根据探测到的电压大小，发出不同的蜂鸣报警音并显示信号格数（如图7所示），导线电磁辐射越强，则蜂鸣声频率越高、信号格数越多，最多为4格信号；因此，钳形万用表的NCV功能能够量化显示信号的强弱，这是感应电笔难以反映出来的，可以说，其具有简单、明了和易操作等特点。综上所述，本方法选择钳形万用表的NCV功能作为电磁信号探测器。

图5 电磁场强度检测仪

图6 钳形万用表

3 三种电缆断点单端定位方法及规律

在完成了信号发生器系统的硬件搭建与测试和电磁场探测器的优选与匹配之后，使用该定位系统分别开展3种场景下的试验验证。

3.1 单线断点的单端检测与定位方法

将交流信号发生装置连接待测电缆之后，用钳形表钳头靠近待测电缆，上面会显示信号（通常为3～4格），将其钳头沿着电缆向前移动，当信号明显减弱直至消失时，可确定此处为断点，定位精度为1cm。

3.2 电缆线束中电缆断点的单端检测与定位方法

当电缆线束中出现某根导线断路时，情况比3.1节的复杂。可将该导线一端连接信号发生装置，根据交变电磁场理论，线束中其他导线也会产生感应电磁场并沿电缆传播，因此，当拿着钳形表测量时，即使越过断点，其他导线也会辐射出电磁场并能够被钳形表探测感知；但是，此类二次感生电场的信号辐射强度会大大低于一次感生信号，因此可通过该特点进行导线断点定位。根据试验的情况，原来信号有3格，当经过断点后，辐射强度会变为1格，或时有时无，此时即可判定断点位置。

该方法只适用于线束比较稀疏的电缆，如果电缆导线数量多且包装密集，会导致导线间互相感应效率极高，因此经过断点之后，电缆的电磁辐射衰减太小，不易甄别。

3.3 带屏蔽层的电缆断点检测与定位方法

根据电磁屏蔽原理，当电缆屏蔽层接地时，能够起到电磁屏蔽作用，其内部的电磁信号难以传播出来，探测器感知不到信号，因此在该情况下是难以进行检测定位的。

针对带屏蔽层的电缆断点检测与定位问题，其定位方法是将电缆屏蔽层与地隔离，这样电缆中的电磁信号会透过屏蔽层传播出来，其测试方法根据电缆断点与屏蔽层是否接触分为两大类。

第一类：电缆断点与屏蔽层不接触的情况，其示意图和3组试验数据分析如图8～图11所示。

电缆断点与屏蔽层不接触情况示意图见图8。

图8 电缆断点与屏蔽层不接触情况示意图

由图8可知：最外部半透明区域为电缆屏蔽层，里面最细部分为导线。

图9～图11为3组测试数据，图中，较粗点线代表从待测电缆接入点开始取点，所测量到的NCV电压值，3组数据中取点间隔不尽相同；呈抛物线形状的细实线为该线对应的多项式趋势线。

图9 电缆断点与屏蔽层不接触时的测量电压（第一组数据）

图10 电缆断点与屏蔽层不接触时的测量电压（第二组数据）

图11 电缆断点与屏蔽层不接触时的测量电压（第三组数据）

由图9～图11可知：3组数据中，第一组中点7、第二组中点11、第三组中点9为电缆断点所在位置；第一组中点9、第二组中点14、第三组中点10为NCV测量电压开始明显下降的点。从以上数据的分析可知，从接入点开始，感应电压始终在小范围内波动，这是由于屏蔽层内部有相似的导线辐射的缘故；当移动到断点位置时，感应电压并没有迅速下降，而是在其后约7 cm处，开始大幅下降（见3组图中NCV测量电压开始明显下降的点）。出现这种情况的原因，是屏蔽层所感应的电磁场信号较强，衰减较慢，根据该规律可以对此种情况下的电缆断点进行定位，根据屏蔽层的类型不同，该距离会有所不同，应根据实际情况而定。

同时，从图中的数据可得出以下规律，更便捷地定位此种情况下的电缆断点。

规律1：针对带屏蔽层的电缆断点检测与定位问题，当断点与屏蔽层非接触时，与其感应电压多项式趋势线起点电压相同的趋势线上的另一点，即是电缆断点位置。

根据规律1，可看出图12中虚线处所对应的点，即是该情况下电缆的断点位置；当然，在检测中也存在一些小的误差，这是容许的。

图12 规律1应用图示（第一组数据）

另外，在该种情况检测时，除屏蔽层不能接地外，整根导线不能够放在具有导电性能的地面或金属上检测，这样容易造成屏蔽层受到干扰，影响测量结果；应尽量将其悬空或者放在绝缘的桌子上等。

第二类：电缆断点与屏蔽层接触的情况，其示意图和3组试验数据分析如图13～图16所示。

图13 电缆断点与屏蔽层接触情况示意图

图13为电缆断点与屏蔽层接触情况示意图，图中，最外部半透明区域为电缆屏蔽层，里面最细部分为导线。图14～图16为3组测试数据，图中，较粗点线代表从待测电缆接入点开始取点，所测量到的NCV电压值，3组数据中取点间隔不尽相同；呈抛物线形状的细实线为该线对应的多项式趋势线。

图14 电缆断点与屏蔽层接触时的测量电压（第一组数据）

从3组数据中曲线变化趋势可以看出，当断点与屏蔽层接触时，从电缆接入点开始，感应电压NCV值先增加后减小，呈类似向下开口的抛物线趋势，由图14～图16可知：当NCV值第一次增加到最大值的位置，即为电缆断点的位置（见第一组点9、第二组点11、第三组点11）；由于断点与屏蔽层相接触，因此该点处的NCV辐射值最大，从理论上分析也能得出类似结论。

图16 电缆断点与屏蔽层接触时的测量电压（第三组数据）

规律2：针对带屏蔽层的电缆断点检测与定位问题，当断点与屏蔽层接触时，与其感应电压第一次增加到最大值的位置，即为电缆断点的位置。

适用范围：与3.2节相似，该方法只适用于线束比较稀疏的电缆，如果电缆导线数量多且包装密集，会导致导线间互相感应效率极高，因此经过断点之后，电缆的电磁辐射衰减太小，辐射再穿过屏蔽层的话，甄别难度更大；因此该方法对单根电缆效果最佳，如同轴线等。

图15 电缆断点与屏蔽层接触时的测量电压（第二组数据）

4 多项式趋势线的计算方法

多项式趋势线实际上是数值计算方法中多项式拟合取二阶时的拟合曲线，其计算方法为：

对于给定的试验数据（xi，yi）（i＝1，…，N），寻找一个m次多项式（m＝2＜N）

式中，a0，a1，a2为待定系数。

要求y＝φ（x）能够最好地拟合给定的试验数据，具体的标准为最小二乘法原理，即使误差的平方和达到最小［8］。

把点（xi，yi）代入y＝φ（x），便得到以a0、a1和a2为未知参量的方程组：

其矩阵形式为：

式中：

对式（3）两边乘以ΓT，可得：ΓTΓa＝ΓTb，从而可解算出待定系数a的表达式：

将式（4）代入式（1），可得多项式趋势线（m＝2）的实际表达式；当然，多项式趋势线的计算也可以借助MATLAB函数或EXCEL、WORD表格的相关函数来实现。

5 结束语

本工作基于电磁感应理论提出了一种简捷高效的电缆断点定位方法，详细研究了其检测原理、系统构建方案、检测方法、规律和适用范围。该方法既适用于常规电力电缆，也适用于低电压电缆和数据电缆等，可在适用范围内快速定位电缆断点，具有实时、方便、便携、经济、高效、可靠性高等优点；若后期与TDR协同使用，可较大程度节约抢修时间，提高抢修效率，从而满足战场环境及日常情况下电缆抢修中的断点定位需求，具有很好的理论和应用价值。