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摘要：本文针对铁路电缆领域，探讨其故障精确定位查找的新方法，采用16路正弦波频率调制编码识别的特征信息，将基于行波理论的故障预定位和手持查线器定位，实现了零误差定位。
关键词：铁路电缆 故障精确定位 行波理论 查线器
1 概述
在进行国铁、地铁变配电所二次保护等领域施工时，经常遇到电缆损伤，而损伤位置难以迅速确定。同时，由于电缆一般芯线较多，且其线路繁杂，排列杂乱，查找故障时，如何从一堆紊乱无章的电缆中找出所需的电缆或芯线往往需要花费大量的时间、精力。这些成为困扰现场人员的重要问题，这一问题在各个电力供电领域也都不同程度的存在。
因此，我们针对铁路电力电缆施工和维护管理过程中遇到的故障定位困难问题，力图通过采用高精度磁、声、电测量器件和精密的信号处理电路，结合信号载波、行波分析、超声波等技术理论，丰富和发展现有的电缆故障理论，从而设计能够适用于各种类型低压电缆的智能故障定位原理及装置。
2 铁路电缆故障定位现状
在铁路建设和改造工程中，经常涉及到大量的电力、控制、通讯、视频用电缆，这些电缆往往成捆束布设于电缆沟内或采取直埋方式，如何快速准确确定相应芯线的路径及故障点的位置急需解决。
目前，这一问题的解决主要还是依靠现场施工人员的根据经验做出预判，并利用手头的万用表等简单电工仪表辅助来确定，但一般需要较长时间，效率较低，且准确性不高。据统计，在铁路工程施工实践中，一般的电力电缆改造工程寻线时间平均为50min，最长可达120min；故障定位时间平均为70min，最长可达200min。一般的控制电缆改造工程对线时间平均为25min，最长可达40min；寻线时间平均为60min，最长可达150min；故障定位时间平均为90min，最长可达240min。这些表明现场需要一种更有效率的施工手段。
3 关键技术点
3.1 电缆特征识别信号的耦合和提取
为了实现对目标电缆的在线检测，需要在不影响该电缆正常工作的前提下将具有识别特征的信号耦合到目标电缆；同时铁路低压电缆往往芯线数目较多，分芯检测费时费力，不宜采用，而各芯线同时检测效率较高，但需要进行信息编码识别。因而特征信号的信息编组和载体形式必须恰当选择。
3.2 故障定位原理的实现
低压电缆线路一般不允许进行高压脉冲测试，常用的故障测量方法一般准确度较低，给现场使用中故障位置的查找带来了较大的不便，必须在保证便携性和简便性的基础上实现故障的准确定位。
4 装置原理
按照确定的技术路线研发完成的整套装置由发送器、接收器和手持式查线器组成，待查线缆两端分别接发送器和接收器，详细结构见图1。
4.1 发送器结构原理
发送器采用TMS320F2812DSP处理器，具有ALTERA cylconeII FPGA EP2C8Q208C8可编程芯片，主要结构分成两部分。
①多路特征信号发生单元
装置一共具有16路输出端子，共用一套信号发生单元，每路由两片MAX4656大电流电子开关并联控制。
信号源采用直接数字频率合成（DDS）技术，产生数字式的正弦波相位、频率和幅值可调的正弦波电压信号，然后再把所产生的电压通过电压-电流转换电路和功率放大电路输出电流，通过负反馈使得电流恒定。
通常，测量单芯线时信号源采用577Hz、100mA交流恒流源，其优点是电流恒定，信号不至于太微弱而影响测量，同时该电源频率设置为577Hz，既不容易受到工频50Hz的干扰，也不容易影响铁道信号2000Hz左右的轨道信号。
为了实现16路芯线同时检测，装置使用了正弦波频率调制编码技术，发送频率分为277、327、377、427、477、527、577、627、677、727、777、827、877、927、977、1027Hz，
共16组，通过频率编码信息有效地区别了所接各芯线，实现了对线功能。
②故障测距单元
也就是预定位单元，采用根据行波理论原理发展的低压脉冲反射法来实现故障定位，通过计量发射脉冲和故障点反射脉冲之间的时间差△t来测取故障距离。
实现预定位功能的电路结构如图2所示，脉冲发生器是根据微处理器送来的编码信号，自动形成一定宽度的逻辑脉冲。此脉冲经发射电路转换成高幅值的发射脉冲，送至被测电缆上。
这种测量对电缆的低阻性接地和短路故障可很方便地测出故障距离。但对高阻性故障，因在低电压的脉冲作用下仍呈现很高的阻抗，使反射波不明显甚至无反射，从而影响了测量效果。
4.2 接收器结构原理
接收器主要配合发送器使用，本身结构较简单，采用STC单片机实现，在与发送端匹配构成完整回路的同时，也检出芯线上的特征信息码进行识别。
4.3 查线器结构原理
在故障电缆内注入寻线时用的特征信号电流，利用手持查线器沿线缆路径搜寻故障点，可以精准定位。
特征信号加载到目标线缆上后，就会在其周围空间产生高频交变磁场。手持式查线器底端上下左右各安装有HMC1022磁敏传感器芯片，磁敏传感器输出的电压信号需经AD620组成的磁模块放大电路放大，然后由信号滤波电路进行带通滤波，滤去地磁和周围其它磁场源的干扰，利用各个方向传感器信号的差值就可以判断磁场源。
由于电缆故障点在被击穿后产生电磁波和声波，手持式查线器底部安装的磁敏传感器和压电传感器分别接收两者信号并处理放大，并随着查线器的移动进行比对，测出综合信号最强点即位故障点位置。
为了对多传感器信号进行有效融合，数据算法中采用了多贝叶斯估计法和证据推理法，将两个传感器分别作为一个贝叶斯估计，将其关联概率分布合成一个联合的后验的概率分布函数，使其似然函数为最小总而推理最终融合值，在这一过程中，考虑到传感器各自的基本可信度分配。
5 应用前景
本装置能够高效完成线缆施工过程中的线缆查对和故障定位任务，满足了牵引变电所和电力配变电所施工建设和运行维修、改造的需要，能够直接应用于现场，有利于提供施工效率和质量，具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]孙静.电缆故障测试方法和查找定位研究[J].科技与企业，2014（01）.
[2]马士超，刘永强.基于小波分析的电缆故障行波测距仿真研究[J].现代电力，2010（06）.
[3]朱江，张龙海，张俊红.低压电缆故障的诊断及定位[J].内江科技，2010（05）.
基金项目：
本项目为河北省教育厅青年基金项目（编号：QN2013121）。
关键词：铁路电缆 故障精确定位 行波理论 查线器
1 概述
在进行国铁、地铁变配电所二次保护等领域施工时，经常遇到电缆损伤，而损伤位置难以迅速确定。同时，由于电缆一般芯线较多，且其线路繁杂，排列杂乱，查找故障时，如何从一堆紊乱无章的电缆中找出所需的电缆或芯线往往需要花费大量的时间、精力。这些成为困扰现场人员的重要问题，这一问题在各个电力供电领域也都不同程度的存在。
因此，我们针对铁路电力电缆施工和维护管理过程中遇到的故障定位困难问题，力图通过采用高精度磁、声、电测量器件和精密的信号处理电路，结合信号载波、行波分析、超声波等技术理论，丰富和发展现有的电缆故障理论，从而设计能够适用于各种类型低压电缆的智能故障定位原理及装置。
2 铁路电缆故障定位现状
在铁路建设和改造工程中，经常涉及到大量的电力、控制、通讯、视频用电缆，这些电缆往往成捆束布设于电缆沟内或采取直埋方式，如何快速准确确定相应芯线的路径及故障点的位置急需解决。
目前，这一问题的解决主要还是依靠现场施工人员的根据经验做出预判，并利用手头的万用表等简单电工仪表辅助来确定，但一般需要较长时间，效率较低，且准确性不高。据统计，在铁路工程施工实践中，一般的电力电缆改造工程寻线时间平均为50min，最长可达120min；故障定位时间平均为70min，最长可达200min。一般的控制电缆改造工程对线时间平均为25min，最长可达40min；寻线时间平均为60min，最长可达150min；故障定位时间平均为90min，最长可达240min。这些表明现场需要一种更有效率的施工手段。
3 关键技术点
3.1 电缆特征识别信号的耦合和提取
为了实现对目标电缆的在线检测，需要在不影响该电缆正常工作的前提下将具有识别特征的信号耦合到目标电缆；同时铁路低压电缆往往芯线数目较多，分芯检测费时费力，不宜采用，而各芯线同时检测效率较高，但需要进行信息编码识别。因而特征信号的信息编组和载体形式必须恰当选择。
3.2 故障定位原理的实现
低压电缆线路一般不允许进行高压脉冲测试，常用的故障测量方法一般准确度较低，给现场使用中故障位置的查找带来了较大的不便，必须在保证便携性和简便性的基础上实现故障的准确定位。
4 装置原理
按照确定的技术路线研发完成的整套装置由发送器、接收器和手持式查线器组成，待查线缆两端分别接发送器和接收器，详细结构见图1。
4.1 发送器结构原理
发送器采用TMS320F2812DSP处理器，具有ALTERA cylconeII FPGA EP2C8Q208C8可编程芯片，主要结构分成两部分。
①多路特征信号发生单元
装置一共具有16路输出端子，共用一套信号发生单元，每路由两片MAX4656大电流电子开关并联控制。
信号源采用直接数字频率合成（DDS）技术，产生数字式的正弦波相位、频率和幅值可调的正弦波电压信号，然后再把所产生的电压通过电压-电流转换电路和功率放大电路输出电流，通过负反馈使得电流恒定。
通常，测量单芯线时信号源采用577Hz、100mA交流恒流源，其优点是电流恒定，信号不至于太微弱而影响测量，同时该电源频率设置为577Hz，既不容易受到工频50Hz的干扰，也不容易影响铁道信号2000Hz左右的轨道信号。
为了实现16路芯线同时检测，装置使用了正弦波频率调制编码技术，发送频率分为277、327、377、427、477、527、577、627、677、727、777、827、877、927、977、1027Hz，
共16组，通过频率编码信息有效地区别了所接各芯线，实现了对线功能。
②故障测距单元
也就是预定位单元，采用根据行波理论原理发展的低压脉冲反射法来实现故障定位，通过计量发射脉冲和故障点反射脉冲之间的时间差△t来测取故障距离。
实现预定位功能的电路结构如图2所示，脉冲发生器是根据微处理器送来的编码信号，自动形成一定宽度的逻辑脉冲。此脉冲经发射电路转换成高幅值的发射脉冲，送至被测电缆上。
这种测量对电缆的低阻性接地和短路故障可很方便地测出故障距离。但对高阻性故障，因在低电压的脉冲作用下仍呈现很高的阻抗，使反射波不明显甚至无反射，从而影响了测量效果。
4.2 接收器结构原理
接收器主要配合发送器使用，本身结构较简单，采用STC单片机实现，在与发送端匹配构成完整回路的同时，也检出芯线上的特征信息码进行识别。
4.3 查线器结构原理
在故障电缆内注入寻线时用的特征信号电流，利用手持查线器沿线缆路径搜寻故障点，可以精准定位。
特征信号加载到目标线缆上后，就会在其周围空间产生高频交变磁场。手持式查线器底端上下左右各安装有HMC1022磁敏传感器芯片，磁敏传感器输出的电压信号需经AD620组成的磁模块放大电路放大，然后由信号滤波电路进行带通滤波，滤去地磁和周围其它磁场源的干扰，利用各个方向传感器信号的差值就可以判断磁场源。
由于电缆故障点在被击穿后产生电磁波和声波，手持式查线器底部安装的磁敏传感器和压电传感器分别接收两者信号并处理放大，并随着查线器的移动进行比对，测出综合信号最强点即位故障点位置。
为了对多传感器信号进行有效融合，数据算法中采用了多贝叶斯估计法和证据推理法，将两个传感器分别作为一个贝叶斯估计，将其关联概率分布合成一个联合的后验的概率分布函数，使其似然函数为最小总而推理最终融合值，在这一过程中，考虑到传感器各自的基本可信度分配。
5 应用前景
本装置能够高效完成线缆施工过程中的线缆查对和故障定位任务，满足了牵引变电所和电力配变电所施工建设和运行维修、改造的需要，能够直接应用于现场，有利于提供施工效率和质量，具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]孙静.电缆故障测试方法和查找定位研究[J].科技与企业，2014（01）.
[2]马士超，刘永强.基于小波分析的电缆故障行波测距仿真研究[J].现代电力，2010（06）.
[3]朱江，张龙海，张俊红.低压电缆故障的诊断及定位[J].内江科技，2010（05）.
基金项目：
本项目为河北省教育厅青年基金项目（编号：QN2013121）。