电缆故障检测方法及其应用*

王　勇　李　曦

(91550部队　大连　116023)



电缆故障检测方法及其应用*

王勇李曦

(91550部队大连116023)

摘要电缆断路、短路和绝缘受损是设备电缆损害的主要原因。传统电缆检测方法费工费力，有时需要测量数百次、数千次。文章介绍了一种已经推广应用的自动电缆测试系统的组成、特点和主要技术指标实现情况，重点讨论了该电缆测试系统所采用的断路、短路和绝缘测试方法及其具体电路实现方式，并分析了这些测试方法的应用优势和局限性。经多单位反馈，采用所述测试方法研制的电缆测试系统实际应用效果较好。

关键词通信电缆; 控制电缆; 电缆测试; 电路设计; 测试方法

Class NumberTP206+3

1　引言

电缆检测是保证电缆质量的关键环节，电缆检测主要是对电缆接线的正确性、通断状态、电缆绝缘性能进行全面的检测，通过判断其连线是否正确、是否出现断线(开路)、串线(错接)、短路、和绝缘受损[1～3]等，其中重点与难点是短路点和断路点检测。目前万用表、兆欧表等常规通用测量仪表仍是主要检测工具，其主要问题是检测效率低下，费工费力。相关电缆故障检测技术的研究已有大量文献记录，并且很多测试方法和测试仪器在现实中得到了广泛的应用[1～10]。各种测试方法和测试仪设计都要有自己的特点和适用性。本文重点讨论某型电缆自动检测系统设计中采用断路、短路及绝缘情况测试方法及其电路实现方式，并总结分析了应用优势和局限性。

2　某型电缆测试系统简介

某型电缆测试系统主要包括电缆测试仪主机(含测试软件)和测试适配器。它们联合使用，能测量多芯电缆(少于198芯线)的绝缘电阻值、芯线电阻值和线间分布电容值的仪器，它能自动测试、自动切换电缆的被测芯线、自动判定测试结果的合格与否(技术指标实现情况详见表1，表中RC代表量程，H代表合格限值，L代表电缆长度)。电缆测试仪主机和测试适配器组合使用的模式，便于实现电缆测试仪主机通用化、小型化，又便于通过增加测试适配器扩展测试范围。

测试仪主机由控制器、测试电路、继电器转接矩阵、面板显示和操作器、电源等组成。控制器完成人机对话、显示控制、测试控制、数据传送、数据运算、逻辑比较等功能。继电器转接矩阵把每根电缆芯线依次快速转接到测试电路转入端。测试电路由高精度运算放大器和12位积分式A/D转换器组成，完成高精度测试和模数转换。面板由14只LED数码管、8只LED指示灯及8只薄膜开头组成。电缆测试仪主机的控制器、继电器转接矩阵、面板显示、电源等硬件电路设计，及测试软件设计在很多文献中都有介绍[6，8，11]，这里不作赘述。

表1　主要技术指标

测试适配器是连接电缆测试仪主机和被测电缆的中间环节，实现测试仪主机与电缆的匹配对接。测试适配器可以随时针对测试对象进行扩展，大大提高了电缆测试仪的适用范围。

3　电缆测量方法

下文重点讨论该型电缆测试系统设计中所采用的断路、短路及绝缘测试方法及其实现方式。

3.1芯线断路确定方法[12]

设被测电缆为N芯电缆，电缆各芯线的材质、线径、长度等参数都一致[12]。当被测电缆的个别芯线已断，为了确定哪些芯线断路，通过“电容比较法”进行测试。电缆线间电容测试电路如图1所示[12]。

图1　电容测量电路

图1中，CT1和CT2为被测电缆的两端插头，CZ2为电缆测试仪转接盒上的插座，被测电缆的CT2插头插到CZ2上。E为直流电源，通过限流电阻R1流过电缆的第一根芯线，CZ2上的其它芯线由继电器转换矩阵电路控制全部短路[12]。

CX充电：

(1)

充电时间为：t=1.0986RCX，这样

(2)

3.2断路点位置确定方法

在确定具体的断路芯线之后，仍然通过“电容比较法”测出具体的断电位置。设被测电缆测试端到断点的距离为LX(参考图2)：

(3)

图2　断点关系示意图

3.3芯线短路测量原理

假定被测电缆为N芯电缆，长度为LO。电缆各芯线的材质、线径、长度等参数都一致。当被测电缆的个别芯线短路，为了确定哪些芯线短路，通过“电阻比较法”进行测试。电缆芯线电阻测试电路见图3。

图3　电阻测量电路

图3中，CT1和CT2为被测电缆的两端连接头(插头或插座)，CZ1为短路插座(或插头)，将CZ1端与CT1端插合，这样电缆芯线通过CT1这端全部短接在一起。CZ2为电缆测试仪转接盒上的插座(或插头)，被测电缆的CT2端插到CZ2端口上。E为直流电源，通过限流电阻R1流过电缆的第一根芯线，CZ2上的其它芯线由继电器转换矩阵电路控制全部短路。这样除第一根芯线外，其它(N-1)根芯线全部短接在一起。

长度为L0的某根待测芯线电阻为RX，则(N-1)根芯线短接后电阻为RX的(N-1)分之一，信号电流流过其它(N-1)根短接芯线，最后流过R2，在R2产生的信号电压VT可以通过测量得到。由式(4)，可以得出RX的值，依次类推可以得到所有芯线的电阻值，因此，可以通过对电缆束中每根芯线电阻的测量，实现通路性能的检测。

被测信号VT经过放大器“放大”，线性化电路处理，模数转换电路的数字化变换，送光电耦合器隔离输出到串行口，最后送CPU处理后经送显示电路显示输出，同时存储单元对当前测量结果进行存储。这样就完成了一次测量过程。

(4)

第2芯线到第N芯线的测试原理相同。测试过程通过继电器矩阵转换电路和软件控制实现。通过依次测量第1芯、第2芯、第3芯直到第N根芯线对其他(N-1)芯的电阻值，可以判读出哪些芯线存在短路(或并联使用)的情况，如果是非法短路的情况，则可以通过上述的方法将短路点的位置找出来进行合理处置。

3.4短路点位置测试方法

若只有两根芯线短路，设短路点距X端的距离为LX，距Y端的距离为LY，由式(5)～式(7)可推导出式(8)所示的LX的表达式。

2kLX+R1+R2=RX

(5)

2kLY+R1+R2=RY

(6)

LX+LY=L0

(7)

(8)

图4　短路点示意图

3.5电缆绝缘测量方法

采用传统的测试方法测量电缆芯线间的绝缘电阻测量是非常繁琐的，随着电缆芯数的增加，需要测量电缆芯线相互之间的绝缘电阻的次数几乎成几何倍数增加。本文提供的测试方法对传统的“点对点”测试方法进行了优化，采取一种“点对组”的测试策略，并且通过程序控制实现自动测量，可以大大减小测量次数，提高测试效率。两种测量方法测试次数对比见表2：电缆为12芯时，传统“点对点”测试需要测量次数理论值为78次，优化后“点对组”测试次数理论值为12次[7]；电缆为32芯时，传统“点对点”测试需要测量次数理论值为528次[7]，优化后“点对组”测试次数理论值为32次。具体测量电路原理见图5。

表2　测试次数比对表

图5与图1电路相似，所不同的是脉冲产生器模块替换为高压信号输出模块和绝缘电阻测量模块，高压信号输出模块对被测芯线和其它通过继电器矩阵短接在一起的芯线之间加上高电压(125V～500V可控设置)，同时通过绝缘电阻测量模块进行电阻测量。第2芯线到第N芯线的测试原理相同。测试过程通过继电器矩阵转换电路和软件控制实现。通过依次测量第1芯、第2芯、第3芯直到第N根芯线对其他(N-1)芯的绝缘电阻值，可以通过软件算法判决出哪些芯线存在绝缘电阻不合格的情况。如果出现线间短路情况，采用本文提供的短路点位置测试的方法还可以将绝缘恶化的具体位置确定下来。如果需要判断电缆屏蔽层(或地线)与芯线之间的绝缘情况，只需把屏蔽层(或地线)作为电缆芯线之一对待，按照上述方法进行绝缘电阻测量即可。另外，不论电缆芯线线径是否一致都可以上述对于绝缘电阻测量的方法。

图5　绝缘电阻测量电路

4　方法的应用优势和局限性

4.1应用优势

1) 该方法可以比较准确地确定出哪些电缆芯线发生了断路或短路的情况，并且能够比较准确地给出断路点或短路点的准确位置。

2) 从测量方法上，能保持被测电缆在“敷设状态下”进行测量，便于工程应用。

3) 通过适配插头转换引入被测信号，并经由软件编程实现程控自动测量，简化了测量操作流程，并提高了测量效率[12]。

4) 线间绝缘电阻测试的方法，且不受电缆芯线是否是同种材质和同样线径的影响，并可大幅度提高测试效率。

4.2局限性

1) 该方法是建立在电缆芯线材质、线径、长度一致的前提条件下提出的测试方法，不适用于芯线材质、线径、长度不一致的电缆。该方法比较适合控制电缆、通信电缆等低频等线径电缆的测量[12]。

2) 电缆芯线断路测量方法，对于芯线间电容非常大的电缆，例如非常长的电缆，或者芯线数非常多的电缆，测试时间比较长，再者就是对测试仪本身电能消耗较大；而对于非常短的电缆测试时，由于线间电容非常小，测量的误差会大些[12]。

5　结语

本文中总结的方法，成功应用于某型小体积、便携式电缆测试仪研制。该电缆测试仪在实际应用中解决了某单位配套的30多种电缆日常维护检测，较传统测试方法，提高检测效率约14倍。该型电缆测试仪还在机场、船厂和某部队进行了推广应用，应用效果非常好。尽管有些局限性，本文提供的方法应用优势还是比较明显，另外在实际应用中还可以通过算法改进和软件编程扩展其应用范围，例如对于电缆内有2芯或多芯并联使用的情况，可以通过算法改进予以解决，限于篇幅，本文不展开论述。每一种方法都有其应用优势和局限性，适用的方法便是好方法。实际使用中遇到的电缆种类繁多，每种电缆的质量也参差不齐，综合运用各种方法和先进技术，总能研制出适用、好用的设备，协助解决工作实践中遇到的难题。

参 考 文 献

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*收稿日期：2015年10月12日,修回日期：2015年11月25日

作者简介：王勇，男，工程师，研究方向：武器装备试验与鉴定。李曦，男，硕士研究生，助理工程师，研究方向：武器装备试验与鉴定。

中图分类号TP206+3

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.04.035

Introduction and Application of Cable Fault Testing Method

WANG YongLI Xi

(No. 91550 Troops of PLA, Dalian116023)

AbstractOpen circuit, short circuit, and insulation fault are the main causes of equipment cable damage. Traditional cable detection method is arduous, and sometimes needs to measure hundreds of times, thousands of times. This paper introduces a kind of popularization and application auto cable-test system including its composition, characteristics and main technical indicators. It mainly discusses the open, short and insulation test methods and the specific realization methods of them in the system. Then it gives the application advantages and limitations of these test methods. According to the feedback from some users, the cable-test system practical application effect is good.

Key Wordscontrol cable, correspondence cable, cable-test, circuit design, test method