300T车载设备D电缆性能检测方法

罗云飞，易 晟，祁潇楠，齐 鹤

（1.中国铁路上海局集团有限公司高铁运维技术中心，上海 200071；2.中国铁路上海局集团有限公司南京电务段，南京 210011；3.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

1 概述

300T车载设备通过应答器获取线路数据，其应答器信息接收设备包括应答器传输模块（BTM）、紧凑型天线单元（CAU）及D电缆，其中D电缆用于BTM与CAU间的信号传输。

目前尚无针对D电缆直接有效的检测方法，且由于该电缆布置于车体地板内，更换极其不便，若无明确依据，很难协调车辆方进行更换。因此在处理相关故障时，需要通过依次更换BTM或CAU的方式来排查，导致现场工作人员劳动强度大，故障分析处理及维护工作效率较低。

随着国内高速铁路的大规模发展，装备300T列控车载设备的高铁列车数量已超千列，对D电缆传输性能进行直接有效检测的需求越来越迫切。

2 测试原理

D电缆由4根特征阻抗为50 Ω的同轴电缆组成，包括一根TX电缆，两根RX电缆和一根电源电缆。其中TX电缆可传输27 MHz高频信号，RX电缆和电源电缆的工作频率为0.1～10 MHz。电缆两端为专用8针航空连接器，用于与BTM 及CAU的可靠连接。

2.1 D电缆直流、交流参数的测量

电缆的直流、交流参数，即绝缘电阻和线间电容，不仅可以直接显示电缆硬故障（如电缆短路）的存在，还可以反应出电缆的健康状况。既可以在排障时用来确定电缆是否故障，也可以作为常规检查判断电缆老化情况的依据。

以绝缘电阻为例，新电缆的绝缘电阻都应该在10 MΩ以上，而使用一段时间以后，该值可能降低到1～2 MΩ，说明电缆已经老化。当电阻值低于预设门限时，可以考虑在大修时更换电缆，以避免列车运行时电缆发生故障。由此可见，精确的测量电阻、电容值对电缆的诊断和维护有重大意义。

电缆的电阻指芯线、屏蔽层和机壳（或大地）三者之间的电阻值。

如图1所示，A代表芯线，B代表屏蔽层，GND 为机壳地。为了能够精确测量上述电阻值，需要对电缆按双端口网络处理。如图2所示，施加不同的测试信号Vsa和Vsb，测量端口电压和电流值，解复数的双端口网络Y-参数方程组，如公式（1）所示，即可得到这3个电阻。

图2 物理参数测试Fig.2 Physical parameters test

实际测试时，Vsa和Vsb是一定频率的交流信号，该方程的虚数部分即为导体间的3个电容值。

2.2 传输性能的测量

测量电阻虽然可以判断电缆是否故障，但并不能定位故障位置。

定位故障位置需要测量电缆的分布传输性能，该测量方法基于TDR原理，可以反映出线路的匹配性（驻波比）及反射大小等指标。测试结果可以通过特性阻抗的分布曲线来表示。

D电缆传输性能测试的理论依据如下。

高频传输线正常工作要求信号源、传输线和负载在工作频率范围内做到阻抗匹配。此时信号源到达负载的信号功率最大而没有反射。对于D电缆，其特性阻抗为50 Ω。

由于测试仪基于单端测试，传输性能通过测试系统的反射信号来实现。如果反射信号为0，说明系统处于匹配状态，负载可以接收最大的信号功率，系统工作正常。相反，如果信号被全反射，说明负载没有收到信号，系统存在故障。测试仪根据反射发生的位置定位故障。如果信号有部分反射，说明系统没有工作在最佳状态。当反射信号大于预设门限值时，则可视为故障并定位故障位置。

反射信号的大小是由传输系统的反射系数来确定的，如公式（2）所示。

其中Vref为反射电压，Vs为入射电压。

反射系数和系统阻抗的关系如公式（3）所示。

其中ZL为负载阻抗，Z0为传输线的特性阻抗。由此可见，反射信号的大小也可以用负载阻抗值来表示。

在测试时，可将电缆等效成多段短电缆级联起来，如图3所示。每一节的特性电阻即为前一节的负载电阻，测量负载阻抗便可以测量出电缆随长度变化的分布特性电阻。

图3 分布参数测试Fig.3 Distributed parameters test

当电缆发生故障时，其阻抗曲线就会发生相应的变化，根据变化情况可以判断故障性质并定位故障位置。如图4所示，其中一根电缆在6.69 m处开路，一根在20.06 m处短路，能够根据阻抗分布曲线明确判断出故障类型和位置。

图4 故障迹线显示Fig.4 Fault trace curve

3 测量方法优化

由于CAU天线位于车体底部，且D电缆与其连接处需进行防水处理，因此安装、拆卸D电缆CAU侧插头的过程较为费时费力。为了提高测试效率，需要根据CAU天线的特性，研究在与CAU天线连接的状态下，对D电缆性能的测量方法。

3.1 带天线测量电缆电气参数

在带天线测试时，可以把天线等效成一个无源RC网络，如图5所示。

图5 连接天线的等效电路Fig.5 Equivalent circuit with antenna

图5中Rt、Ct代表天线等效电路，Rsa和Rsb分别代表电缆导体的电阻值，其他参数为电缆在不同导体间的电阻和电容值。

电气参数的正常值如图6所示。

图6 连接天线的电气参数正常值Fig.6 Normal values of electrical parameters with antenna

电阻RA_B为同轴电缆芯线和屏蔽线间加正电压时测得的电阻值，RB_A为加负电压时测得的电阻值。首先对4根同轴电缆的RA_B和 RB_A值进行测量，做出电缆是否故障的初步判断。

TX电缆RA_B和RB_A的正常值一样，均为4 Ω左右。若RA_B和 RB_A不同或数值超出正常范围，则说明该电缆或天线之一有故障。同理，RX电缆RA_B的正常值明显大于 RB_A正常值，且数值都在1 kΩ以下。可根据相应电缆的测量值和其正常值比较，来判断电缆是否故障。

3.2 电缆分布传输性能的测量

CAU天线的内部电路为D电缆里各个同轴电缆提供了不同负载，所以电缆的分布传输性能也会随之发生变化。如图7所示，红色迹线表示TX电缆，其负载为感性负载，特点是仅在接头处有高电阻，但超过一段距离后阻值接近于0，与TX负载为射频变压器相符；绿色和黄色表示两根RX电缆，从迹线上可以推断RX电路有无源阻抗匹配网络，即使在不加电的情况下，电缆也基本处于匹配状态；蓝色迹线表示电源电缆，接有相对高阻抗的负载。

图7 连接天线的迹线Fig.7 Trace curve with antenna

根据电气参数初步判断的结果对迹线做相应的分析，可以确定在连接天线的条件下电缆是否故障以及故障位置。

4 故障测试

4.1 电缆在天线端开路

电缆开路时，电阻值为30 MΩ，故障位置在电缆末端。

传输特性曲线及检测结果如图8所示。

图8 电缆在天线端开路测试结果Fig.8 Test result when the cable is open at the antenna side

4.2 电缆不同距离开路和短路

被测电缆在不同距离出现开路或短路故障，如图9所示参数值可初步判断故障性质，并根据传输特性曲线定位故障位置。

图9 电缆不同距离开路和短路测试结果Fig.9 The test result when the cable is open and short at different distance

TX及RX2电缆，电阻值显示30 MΩ，推断为开路；PS电缆的A_B及B_A电阻值均只有3.72 Ω，推断为短路；RX1的阻值为51.9 Ω，与正常测试数据不符，且A_B间及B_A间的两电阻值应不相同，所以判别RX1为电缆故障。

5 总结

综上所述，通过对带天线电缆电气参数和分布传输性能的测试，可以对D电缆的不同类型故障做出正确的判断和定位，这些故障包括不同电缆在不同位置开路或短路。即使电缆有电阻短路，包括匹配电阻短路，也可以做出正确诊断。