復(fù)雜配線系統(tǒng)中絕緣缺陷診斷與定位技術(shù)

　　摘要： 本文介紹了國內(nèi)外絕緣缺陷診斷與定位技術(shù)的幾種典型方法。重點分析了目前國外最新研究并成功應(yīng)用于飛機配線系統(tǒng)檢測的脈沖火花放電(PASD)法。最后總結(jié)了幾種絕緣缺陷診斷與定位技術(shù)方法的應(yīng)用范圍和局限性，并對PASD法的應(yīng)用前景做出展望。

　　關(guān)鍵詞： 復(fù)雜配線系統(tǒng);絕緣缺陷;脈沖火花放電;時域反射

　　引言

　　載人航天器、商業(yè)客機一旦出現(xiàn)事故，將難以救助，其造成的社會影響力遠(yuǎn)大于地面、水面運載工具的事故影響力。同時，由于航天器、商業(yè)客機的造價遠(yuǎn)大于地面運載工具，發(fā)生事故后發(fā)生的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)非常嚴(yán)重，如1998年瑞士航空公司一架客機因電線著火失事，最終造成了公司破產(chǎn)。航天器、飛機上有非常復(fù)雜的通信、電力系統(tǒng)，在高空紫外輻射環(huán)境下，特別是對于航天器的飛行環(huán)境，宇宙高能射線會加速系統(tǒng)絕緣的老化，導(dǎo)致絕緣缺陷。及時診斷絕緣缺陷，以解決安全隱患，對于保證航天器、飛行器的安全具有非常重要的意義。

　　傳統(tǒng)的檢測方法

　　時域反射法(TDR)是一種遠(yuǎn)程電子測量技術(shù)。它最早被應(yīng)用于電力和通訊工業(yè)上，用于確定通信電纜和輸電線路的故障與斷裂。其所采用的基本原理是“脈沖發(fā)射”法。根據(jù)傳輸線理論,在有限電纜的一端發(fā)送一個探測脈沖,它就會沿著電纜線路進(jìn)行傳輸,如果線路正常且終端負(fù)載阻抗等于線路的特征阻抗時,發(fā)射脈沖被負(fù)載吸收而無反射回波產(chǎn)生;如果線路有故障時,故障點的阻抗不再是線路的特征阻抗,從而將產(chǎn)生反射回波，其反射系數(shù)定義為反射波幅度與入射波幅度的比值。當(dāng)線路發(fā)生斷線等故障時,故障點的阻抗即為負(fù)載阻抗,通過測量出的反射系數(shù), 計算出負(fù)載阻抗的大小,再依據(jù)傳輸線的特征阻抗,就能夠分析出故障的性質(zhì)。同時,通過測量發(fā)射脈沖和反射脈沖之間的時間間隔,可以計算出測量點與故障點的實際距離,從而精確定位。

　　在進(jìn)行TDR測量時，必須處理TDR波形中的多次反射問題。被測裝置如果具有若干阻抗層，這種多次反射就會使TDR示波器上的圖像嚴(yán)重失真。對于由同軸電纜、金屬屏蔽層和周期性的用節(jié)點和系帶捆綁在一起的雙絞線組成的復(fù)雜配線系統(tǒng)，存在沿導(dǎo)線長度方向的高度不均勻阻抗特性，這時就不適宜采用時域反射法進(jìn)行絕緣缺陷的診斷與定位。

　　局部放電是絕緣介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的局部重復(fù)擊穿和熄滅現(xiàn)象，這種放電一般發(fā)生在電纜的局部缺陷處，放電量很小，在放電初期基本不會影響電力電纜的絕緣能力，但如果這種放電長期發(fā)生，則會逐漸的損壞電纜的絕緣，縮短電纜壽命。

　　由于局部放電時，電纜的絕緣電阻、介質(zhì)損耗和泄露電流都不會有太大變化，因此，檢測以上參數(shù)是無法判斷出局部放電的。但在絕緣發(fā)生局部放電的時候，一般都會產(chǎn)生電脈沖、電磁波放射、光、熱、聲等現(xiàn)象，基于對這些現(xiàn)象的研究，局部放電檢測技術(shù)中相應(yīng)出現(xiàn)了電檢測法和光測法、聲測法、紅外熱測法等非電量檢測方法。

　　在目前市場上，電測法仍是局部放電檢測中最重要的手段，其中的脈沖電流法已經(jīng)很成熟，由于其檢測靈敏度很高，且容易進(jìn)行放電量校準(zhǔn)，但是，由于其易受到外電路的電磁干擾，使其靈敏度大大下降，在現(xiàn)場環(huán)境中，脈沖電流法應(yīng)用并不很多。超高頻檢測法是近年發(fā)展起來的新型局部放電檢測方法，具有頻帶高、靈敏度好、抗電磁干擾能力強等顯著優(yōu)點，被認(rèn)為是最有潛力的局部放電在線檢測方法。但是，超高頻檢測用微帶天線傳感器目前還在研究之中，制造工藝要求甚高，技術(shù)尚不成熟。

　　脈沖火花放電法用于絕緣診斷

　　1996年，Department of Energy-sponsored Nuclear Energy (DEO)對于PASD法在復(fù)雜配線系統(tǒng)中的應(yīng)用首次立項進(jìn)行了試驗研究。這項關(guān)于PASD法的基礎(chǔ)性研究于2002年10月申請到一個美聯(lián)邦航空部(FAA)為期3年的項目，研究焦點集中在商業(yè)航天器復(fù)雜配線系統(tǒng)和PASD技術(shù)的實際應(yīng)用。研究證實PASD法能夠檢測和定位復(fù)雜配線系統(tǒng)中的多種缺陷，例如運行在空間環(huán)境中的航天器導(dǎo)線系統(tǒng)的老化過程，制造缺陷，安裝損壞以及在傳統(tǒng)電線/電纜系統(tǒng)中各種各樣缺失的缺陷。Sandia國家實驗室于2005年2月8日因PASD技術(shù)獲得了美國專利。

　　PASD技術(shù)采用一個高電壓(幾kV)，低能量(幾mJ)的短脈沖來誘發(fā)絕緣缺陷點處的電氣火花放電，圖1為其概念圖解。此脈沖由一個結(jié)構(gòu)緊湊的電池驅(qū)動的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生，它可以和進(jìn)行絕緣缺陷診斷的軟件一起封裝在一個小盒子里，組成一個便攜式系統(tǒng)。此脈沖能量在量級上與走在人工地毯上而產(chǎn)生的靜電放電電量相當(dāng)。足夠低的能量水平不會損壞主絕緣或復(fù)雜配線系統(tǒng)中的導(dǎo)體。放電沿測試條件下的導(dǎo)體到一個鄰近的返回通道(另一導(dǎo)線或地面) 內(nèi)發(fā)生。在短短幾個納秒時間內(nèi)發(fā)生電弧阻抗擊穿，這將產(chǎn)生一個瞬時的短路并把能量返回到注入點處的傳感器。這時傳統(tǒng)的TDR技術(shù)就可以準(zhǔn)確地定位缺陷點的位置。這項技術(shù)還可用來直接檢測絕緣系統(tǒng)的介電強度，因為PASD電壓還不足以擊穿整個絕緣體，僅僅是暴露在中心的絕緣缺陷受到影響。

圖1  PASD概念的圖解

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　　PASD技術(shù)首先利用低電壓(數(shù)百伏)脈沖測試電纜的阻抗特性，建立對PASD在不規(guī)則阻抗配線系統(tǒng)中測試能力非常重要的阻抗基線。此基線用于對比高電壓脈沖下的發(fā)生擊穿的電纜阻抗曲線。然后注入脈沖電壓并逐漸上升以檢測絕緣缺陷。如果出現(xiàn)能探測到的缺陷的最小閾值，傳感器波形將偏離低電壓特性基線。波形與特性基線相分離是由于發(fā)生了電弧擊穿,兩個波形的分離點即為絕緣缺陷點處。

　　隨著施加測試電壓的升高，在相同實驗過程中的基線變化是規(guī)則的。因而不需要為了對比而建立線路特性基線的數(shù)據(jù)庫。這也是脈沖火花放電法的優(yōu)點。

　　脈沖火花放電法的技術(shù)難點

　　實驗證明PASD法在較長的配線系統(tǒng)中也非常有效。在PASD的早期發(fā)展中，人們關(guān)注的是PASD脈沖的高頻分量能不能有效地沿著為低頻特性而設(shè)計的絕緣長導(dǎo)線傳播。當(dāng) PASD脈沖沿著長導(dǎo)線傳播時，脈沖振幅的衰減主要是由導(dǎo)線的非均勻阻抗特性引起的。這在松散的捆綁在一起的雙絞線中特別明顯，進(jìn)行相關(guān)研究則具有重大的意義。

　　對更長的線路長度，首先對線路施加1～2kV的預(yù)脈沖，然后再施加PASD脈沖。預(yù)脈沖可以是單一的直流電壓，也可以是幾微妙的短脈沖。當(dāng)處理較長導(dǎo)線時這種“復(fù)合脈沖”方法比單一脈沖更為有效。因為在長導(dǎo)線中持續(xù)的阻抗變化不斷地削弱PASD脈沖的峰值，如果削弱足夠厲害，就會沒有足夠的電壓擊穿缺陷點。如果施加一個緩慢上升的預(yù)脈沖，整條線路上的電勢隨阻抗變化獨立上升。隨后快速上升的PASD脈沖注入并沿著導(dǎo)線傳播到檢測缺陷點(缺陷點處已經(jīng)充電到大約幾千伏，這時PASD脈沖就比較容易將缺陷點擊穿)。這種“復(fù)合脈沖”方法的實施是PASD法的難點。

　　PASD法應(yīng)用實例

　　實例1：PASD法檢測與定位表面破損

　　圖2(a)顯示了一個同軸電纜上外部屏蔽層存在磨損的例子。

圖2(a)  同軸電纜外部屏蔽層存在磨損

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　　圖2(b)顯示了在此電纜在測試條件下的PASD波形。下面的波形代表測試條件下電纜的低電壓阻抗基線。上面的波形是高電壓脈沖誘發(fā)絕緣缺陷點處擊穿的阻抗曲線。波形首次分離處代表電纜的起點，末次分離處代表電纜終點。兩次事件的時間差表示電纜的長度(以時間計)。顯而易見，由于電弧擊穿導(dǎo)致缺陷點處阻抗發(fā)生急劇變化。這個變化大概發(fā)生在沿電纜長度的中點。計算得到缺陷點位于25.8英尺長電纜的11.7英尺處。

圖2(b)  電纜的PASD波形

　　在這個實例中，PASD的脈沖峰值為12.4kV，脈沖寬度為5ns。

　　實例2：PASD法檢測與定位絕緣破裂

　　圖3(a)顯示了一根100英尺長的雙絞線中63.3英尺處具有0.5mm的裂口缺陷，應(yīng)用PASD技術(shù)檢測的波形如圖3(b)所示。

圖3(a)  雙絞線中的裂口缺陷

圖3(b)  PASD檢測波形

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　　應(yīng)用PASD技術(shù)可以很容易地診斷和定位到雙絞線中的缺陷，缺陷特征非常清晰。電纜總傳輸時間為276ns，在182ns處波形開始分離即為缺陷點處。脈沖在電纜中傳播速度為2.76ns/ft，因脈沖寬度引起的傳播延遲時間校正值取9ns?？梢杂嬎愕玫饺毕蔹c的位置：

　　實例3：PASD法檢測與定位結(jié)構(gòu)上的微小裂縫

　　圖4(a) 中缺陷位于10英尺長導(dǎo)線的5英尺8英寸處。應(yīng)該注意到此缺陷為一個非常小尺寸的缺陷，一般反射技術(shù)無法檢測到。

圖4(a)  導(dǎo)線上的缺陷

　　圖4(b)顯示了PASD診斷波形，缺陷點可以很清楚地辨別。低電壓阻抗基線的波形與高電壓波形在26.8ns處相分離，因此可以計算得到該微小裂縫的位置：

圖4(b)  PASD診斷波形

　　結(jié)語

　　商業(yè)航天器、飛機的配線系統(tǒng)的多對雙絞線被周期性的節(jié)點和系帶捆綁在一起，這就造成了沿導(dǎo)線長度方向的高度不均勻阻抗特性。絕緣缺陷本身可能比較小，卻造成了缺陷點處阻抗的不可估量的改變，這些特性往往讓阻抗測量或傳統(tǒng)的時域反射(TDR)方法顯得無效。其他的方法如局部放電法或直流擊穿技術(shù)，或許可以檢測到一些類型的絕緣缺陷，但不能對復(fù)雜阻抗配線系統(tǒng)進(jìn)行定位。

　　PASD在檢測和定位復(fù)雜多樣的絕緣缺陷，如復(fù)雜配線系統(tǒng)中的絕緣破裂、表面磨損和結(jié)構(gòu)上的微小裂縫等都是非常有效且準(zhǔn)確的。它完全不受導(dǎo)線阻抗變化的影響，這一性能在航天器配線系統(tǒng)中非常重要，同時它對電纜主絕緣也是非破壞性的。由于PASD法設(shè)計概念新穎而簡單，低能量的PASD脈沖發(fā)生器和檢測定位裝置很容易地裝入一個便攜式系統(tǒng)，輕便靈活。盡管這種方法還有待于進(jìn)一步發(fā)展成熟，但如果能將其應(yīng)用到復(fù)雜配線系統(tǒng)，尤其是航天器、飛行器的配線系統(tǒng)，將對潛在的絕緣缺陷的診斷和定位帶來極大的方便。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1. A New Capability to Detect and Locate Insulation Defects in Complex Wiring Systems, IEEE Electrical Insulation Magazine, July/August 2005 — Vol. 21, No. 4

　　2. M. A. Dinallo and L. X. Schneider, “Pulsed arrested spark discharge (PASD) diagnostic technique for the location of defects in aging wiring systems,” Sandia National Laboratories Report, SAND2001-3225, Oct. 2001.

　　3. L. X Schneider and R. K. Howard, “Pulsed arrested spark discharge (PASD) wiring diagnostic”, in 8th Joint FAA/DoD/NASA Conf. Aging Aircraft, Feb. 2, 2005.

　　4. S. F. Glover, M. B.Higgins, G. E. Pena, and L. X. Schneider, “Assessment of the non-destructive nature of PASD on wire insulation integrity,” Sandia National Laboratories Report, SAND2003-3430, Sep. 2003.

　　5. Howard, R. Kevin, Schneider, L. X, Dinallo, M.A., Pena, G.E., “Assessment of the Ability of PASD to Located Defects in Typical Commercial Aircraft Wiring”,SAND2005-2290.

　　6. 張舒、師奕兵、劉科，時域反射測量技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)故障檢測中的應(yīng)用，中國測試技術(shù)，2005，31(5)：40-41，62

　　7. 郭俊、吳廣寧、張血琴等，局部放電檢測技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展，電工技術(shù)學(xué)報，2005，20(2)：29-35