信号电缆故障查找方法及应用

信号电缆故障查找方法及应用摘要：信号电缆作为信号设备控制、采集和供电的重要连接设备，可靠性要求非常高，一旦发生故障将严重影响运输作业。信号电缆接地和断线是车站和区间信号设备常见的故障之一，在介绍常用的几种信号电缆故障查找方法及原理的基础上，结合现场工作经验，总结如何合理应用不同的方法找出故障点。关键词：铁路信号：信号电缆；故障处理：信号电缆作为信号设备控制、采集和供电的重要连接设备，可靠性要求非常高，一旦发生故障将严重影响运输作业。在电务《维规》中把“防止信号电缆对地绝缘不良，造成接地、混线；”作为防止信号联锁失效的重点。电缆接地故障，可能造成信号电源电压的下降，致使信号设备因动作电压降低而不能正常工作；可能造成电源、电缆混线，甚至破坏信号联锁，造成重大事故。电缆断线，直接使信号设备不能正常工作，如道岔无法动作、无表示、轨道电路“红光带”、信号不能正常显示等影响行车故障。杂由于信号电缆埋入地下，而且有些电缆比较长（如区间信号电缆有几公里，站联电缆最长达到二十多公里），当电缆发生故障而影响设备正常使用时，给查找电缆故障点带来一定的困难。其主要原因在于电缆埋入地下，看不见，摸不着，有时在电缆敷设位置不清时将更难处理。过去在没有先进的测试设备和应急处理不当的情况下，设备故障延时长，查找一个电缆故障断线点需要一两个小时，甚至几个小时，查找一个电缆故障接地点往往需要几天或十几天时间，不但花费了大量的人力、物力，还给安全生产造成严重影响。因此电缆故障的查找是多年来捆扰电务部门的重要问题之一。笔者长期工作的单位惠州电务段，自2005年京九线开通区间自动闭塞设备以来，由于电缆施工质量问题、铁路线两侧施工影响多及偷盗等，电缆故障隐患高居不下，对于处理我们较为被动（故障发生后或发现严重不良后才处理），严重危及行车安全。近几年来，由于加强设备电气特性测试和设备电气特性质量检查，不断的发现处理电缆故障隐患，主动、及时查找整治，变被动为主动，多次将故障隐患消灭在萌芽状态。同时加强岗位练兵和故障分析总结，大大的提高了电缆故障应急处理能力。现在介绍常用的几种信号电缆故障查找方法及原理的基础上，结合现场工作经验，总结如何合理应用不同的方法找出故障点。一、电缆故障的原因分析：信号电缆发生故障的原因是多方面的，但常见的故障原因主要有以下几种：

（一）、机械损伤：很多故障是由于电缆运输、敷设时不小心造成的。有时如果损伤不严重，要到几个月甚至几年后损伤部位的破坏才发展到铠装铅皮穿孔，潮气侵入而导致损伤部位彻底崩溃形成故障。

（二）、电弧烧伤：如果与信号电缆同沟存在电力电缆或电源线又没有按要求做好防护和隔离，当电力电缆或电源线不良发生拉弧，可以烧焦信号电缆，造成芯线短路或断路。

（三）、化学腐蚀：如电缆路径穿过酸、碱性的地区，煤气站的苯蒸气往往造成电缆的铠装和铅皮大面积和长距离的被腐蚀。

（四）、地面下沉：此现象往往发生在电缆穿越公路、铁路、林区及建筑群时，由于地面的下沉、树根的生长而造成电缆垂直受力变形。导致电缆铠装、铅皮破坏甚至折断而造成各种类型的故障。

（五）、强雷击：强雷击导致电缆芯线烧焦，断线、混线，室外设备知道强雷击过后，由于大电流通过，芯线绝缘层遭到破坏，有时严重的电缆芯线直接烧断，导致故障发生。

（六）、电缆的弯曲半径过小：多发生在箱盒移位、电缆改迁搬动过程中，由于不注意，使电缆的弯曲半径过小（《信号维修规则》规定如有弯曲时，电缆的允许弯曲半径：铠装电缆应不小于电缆外径的15倍；内屏蔽电缆应不小于电缆外径的20倍），电缆受力破坏芯线的绝缘层。

（七）、震动破坏：穿过铁路或道路的电缆，如果电缆和钢管口处理不当，由于剧烈规律的运动导致电缆外皮和钢管口受力产生弹性疲劳而破裂，形成故障。

（八）、拙劣的技工：拙劣的接头与不按技术要求敷设电缆往往是形成电缆故障的主要原因。

（九）、在潮湿的气候或雨天条件下作接头，使接头的封装物内混入水气而耐不住试验电压，往往形成闪络性故障。

（十）、外力损伤：近年来由于城市建设、工务线路、护坡施工和大机捣固等，大型施工机械的使用，而施工人员又不了解施工现场的地下情况而造成的信号电缆被铲断或挖坏。（十一）、火烧：由于电缆埋设深度很浅，隧道或站台电缆沟未填沙和盖板密封，过涵洞或过水沟的钢管外露，没有防火处理，当发生山火、烧垃圾、烟头点燃冬季干草、树叶等，电缆会不同程度的烧坏。（十二）、偷盗：多发生在桥梁、隧道和使用水泥槽防护没埋入地下的地段。二、几种常用的电缆故障查找方法（一）、脉冲回波法该方法是基于电波在传输线中的传输时遇到线路阻抗不均匀而产生反射的原理。根据传输线理论，每条线路都有其一定的特性阻抗Zc，它由线路的结构决定，而与线路的长度无关。在均匀传输线路上，任一点的输入阻抗等于特性阻抗，若终端所接负载等于特性阻抗，线路始端发送的电流波或电压波沿线传送，到达终端被负载全部吸收而无反射。当线路上任一点阻抗不等于Zc时，电波在该点将产生全反射或部分反射。反射的大小和极性可用反射系数P表示，其关系式如下：Zo-ZcZo-ZcZo＋ZcU入(入射波幅度)U反(反射波幅度)3P＝＝(1)3式中：Zc为传输线的特性阻抗Zo为传输线反射点的阻抗(1)当线路无故障时，Zo＝Zc，P＝0，无反射。(2)当线路发生断线故障时，Zo＝∞，Ｐ＝1，线路发生全反射，且反射波与入射波极性相同。(3)当线路发生短路时，Zo＝０，P＝-1，线路发生负的全反射，反射波与入射波相性相反。当线路输入一个脉冲电波时，该脉冲波便以速度V沿线路传输，当行Lx距离遇到故障点后被反射折回输入端，其往返时间为T，则可表示为：２１2Lx＝２１∴Lx＝VT(2)TP=1断线故障P=-1短线故障P=０线路匹配无故障V为电波在线路中的传播速度，与线路一次参数有关，对每种线路它是一个固定值，可通过计算和仪器实测得到。将脉冲源的发射脉冲和线路故障点的反射波以一显示器实时显示，并由仪器提供的时钟信号可测得时间T。因此线路故障点的距离TP=1断线故障P=-1短线故障P=０线路匹配无故障图1不同故障的反射波形

工作原理：

测试时，在故障芯线上注入低压脉冲发射波形，该脉冲沿电缆进行传播直到阻抗失配的地方，如象中间接头、短路点、开路点或终端头等，在这些点上都会引起波的反射。我们可以看到当故障相处于低阻或短路状态时，反射系数为-1~0之间，故障点的反射波形为负反射。在电缆的中间接头处由于阻抗的失配也将出现反射，但波形均比较小，由此我们可以判断出电缆的中间接头的距离。

如果故障点的负载阻抗ZL大于电缆的特性阻抗Z0，电缆将会出现0~1之间的正反射。如ZL远远大于Z0时该故障点将没有反射波形或波形很小不宜观察。而该脉冲到达终点时，将在电缆的终端出现正反射。故我们观察到的波形为终端波形。显示距离为电缆的全长。而将信号加到好芯线时出现的是电缆的全长。

故障的性质可由反射波形的方向来决定。当我们在电缆的始端加正极性信号时，如果电缆的反射波形为同方向的正极性波形，则该电缆故障为高阻故障反之为低阻故障，或电缆短路。（这里强调一点：波形反映出来的高阻或低阻故障是针对故障点的阻抗与电缆的特性阻抗之比的特性，而不是我们日常用兆欧表测量出来的高阻或低阻，一般来讲我们将故障点阻抗大于500欧姆的统称为高阻。）

故障距离由测量脉冲与回波脉冲之间的时间差计算出来，这就涉及到我们前面讲到的电波在电缆中传播的速度问题，高频电波在短线传输时是以一定的速度进行传播的，而且电波的传播速度与电缆的介质有关。例如对于普通信号电缆其传播速度为201M/US，对于信号数字电缆其传播速度为252M/US等。高频脉冲在T时间段内，由电缆端头以VP的速度向故障点传播，到达故障点后经过反射，又以VP的速度返回，共行进路程为2倍的始端到故障点的距离，由物理学距离计算公式S=V×T可知，实际端头到故障点的距离为S=V×T/2,该距离可通过电缆故障测试仪的显示屏幕直接读出。脉冲法测试要点主要有以下几点：

1、脉冲测量法可以直观的从电缆故障测试仪中观察出电缆故障点是开路或着是短路的性质。对于低阻、短路和开路故障最简单的测试方法就是脉冲测量法。

2、电波传播中如发生阻抗不匹配将发生反射，现场测试中，由于干扰和电缆接头多、进水等原因，造成波形复杂，有时会误导测试结果，因此，需要多测试同根电缆里良好的芯线的波形来对比。另如果可能，应从电缆的另一段也进行测试，再将数据综合比较确定。

3、不同的电缆的传播速度不同，正确输入波速很重要。现场使用的信号电缆，目前管内有两种：普通信号电缆（聚氯乙烯）和数字信号电缆（泡沫聚氯乙烯），在测试前应认真确认电缆的类型，不能凭经验判断区间的内屏蔽电缆就是数字电缆，站内电缆就是普通电缆。

4、根据现场多年使用经验，脉冲法适用于电缆断线故障，而且测试结果很准确。发生故障，通过设备技术参数测试和故障现象，判断是断线故障时，应立即使用脉冲法，依据测试结果到现场认真查找故障点。对于混线和接地故障，脉冲法测试的结果只能作为参考数据。(二)、智能电桥测试法绝缘不良的故障电阻很高（几千欧姆以上），远远大于电缆的特性阻抗，脉冲反射非常微弱，不容易判断故障点。此时需要用电桥法进行测试。目前各车间都配备了智能电桥，现介绍电桥测试原理：我们知道电缆芯线中有一定的电阻，而且单位长度内的电阻值是相同的，假设整个芯线的电阻是R，如果能测量出故障点一端（测试点）的芯线电阻是Ra,并且知道芯线的准确长度L,，设故障距离是La。则：La=(Ra/R)L芯线电阻率会受温度变化和线径不同的影响，但这些影响在电缆全长范围内是一样的，使用Ra/R这样的比例计算的方法，可以消除这些影响。智能电桥法测试要点主要有以下几点：找出一根对地绝缘电阻最小的芯线（注意：是单根线）作为测试故障线，将其两端的线路或设备断开。再找出一根对地绝缘良好的芯线（也是单根线）作为测试辅助线，将其两端的线路或设备断开。好线对地绝缘电阻要大于故障线对地绝缘电阻至少100倍以上，越大越好。电桥测试接线一定要认真，每一步都要严格按照说明书的要求执行。如果最后显示“测试失败”，需要从头一步步查起。可以多次从电缆的两端重复测试，并比较测试结果是否一致，然后取平均值作为最终结果。如果测试结果相差太大，而且没有规律，可能是线路的干扰太大，可以等到线路相对空闲时再测试。如果从电缆的两端测试的结果比较存在误差，而且初步确定故障点离电缆的一端很近，那么应以初步确定的故障点离电缆端远的测试数据为准，如一端测试是98%，一端测试是5%，那么应与98%的数据为准，开始查找。电桥法是信号电缆的测距的经典方法。该方法比较简单，但需要事先知道电缆线长度等数据，且只适用于低阻及短路故障。但是，在实际运行中，故障常常为高阻及闪络性故障，因故障电阻很高造成电桥电流很小，因此一般的灵敏度仪表很难探测。（三）、万用表测试法同一条电缆的所有芯线都可视为等长同质的,而且截面积都是均匀相等的。根据电阻计算公式R=可知,芯线的电阻值与芯线的长度成正比。如图1所示,若1条电缆的2条芯线在P点处混线,设2条芯线间的接触电阻为RX,电缆长度为L,R1、R2、R3、R4分别为混线点P两端的芯线电阻。根据芯线的电阻与芯线的长度成正比有:即因此有:AP=R令:用不混线的2条芯线M、N短路一端后可测得全程电阻c,即经整理,得式中AP为电缆一端到混线点的距离,L为混线电缆的全程长度,a、b分别为电缆两端到线点测得的电阻值,c为绝缘良好的2条芯线短路一端后测得的全程电阻,其中a、b、c三个参数用万用表可直接测出,对于现场信号维修人员来说,只需记住该公式就可容易地计算出电缆混线点的位置。多次实践证明,采用这种方法查找电缆芯线混线点快速简单,准确率高,最大计算误差很小,是一种切实可行、行之有效,且易于现场维修人员掌握和运用的方法。（四）、分段法分段法就是将故障或不良电缆芯线从中间切断，从而缩小故障范围，再使用上述方法进行测试查找。简单的说，就像一根电缆有地上对接盒或方向盒，从中间把故障不良电缆芯线分段判断测试。该方法很容易理解，可使用起来安全压力很大，且需要要点进行。使用分段法必须特别注意以下几点：同沟有很多电缆，找出故障电缆是关键。(1)、可以通过拉软线作为测试线，如果在区间或电缆很长，测试线可以从最近的电缆盒里的备用芯线连接引出；（2）、把电缆沟内所有电缆两端的地线都甩掉，同时电缆头引出来的地线，保证不和任何金属相碰；（3）、把电缆沟内的所有电缆外皮用裁纸刀破开一个小口，校电缆钢带的电阻，电阻值最小的那根电缆就是故障电缆；2、找出故障不良芯线（1）、破开电缆，露出电缆芯线。这过程必须在“天窗”或要点的时间内完成，特别要注意不能伤到电缆芯线；（2）、通过要点，将最差的电缆芯线和最好的电缆芯线甩下来，这样不会对设备影响太大，同时可以利用电桥测试；（3）、从电缆的一端开头，确认电缆不良芯线的组数、编号、颜色，电缆两端都一致（防止异型电缆对接导致出错）；（4）、找出好和坏的两根芯线，再用针插入芯线（为保持接触良好，一根芯线应插两根针，通过万用表校核良好），再用电压档从高档位至低档位测试是否存在电压，确认无电压后，电缆盒一端配合短路，电缆中间位置再测试芯线线对的电阻值，最终找出芯线来；3、在点内剪断芯线，进行测试判断；4、电缆破开部位的恢复很重要，处理不当容易形成新的隐患。剪断芯线可以使用地下接头的压接头对接，电缆护套和外皮部分使用环氧树脂进行浇灌包封。5、中间剪断后再对接的芯线一般不再使用，可以作为备用芯线。6、该办法适用于绝缘不良但阻值较大，如0.5兆欧以上，整根电缆很多芯线都不良，没有更好的办法时使用。因安全风险大，且需要点，一般不使用，不得已使用，必须小心谨慎。（五）、接地点定位电缆接地点定位，需要两种仪器来实现，即：探测径路和探测故障点。1、探测径路工作原理当交流电流通过一直线导体时，在该导体周围便产生一个同轴的交流电磁场。将一线圈放于这个磁场中，在线圈内将感应产生一个同频率的交流电压，感应电压的大小决定于该线圈在磁场中的位置。当磁力线方向与线圈轴向平行时，线圈感应的电压将最大见图（3）所示；当线圈轴向与磁力线方向相垂直时，感应的电压最小见图（4）所示。由此可判断出线缆的径路。利用接收线圈的45度法也可测出地下线缆的埋深。线圈位置线圈位置地面电缆感应电压图4探测电缆的最小信号法线圈位置线圈位置感应电压地面电缆图3探测电缆的最大信号法2、探测故障工作原理将发射机产生的直流高压脉冲送入被测电缆，通过绝缘不良点入地。在入地点形成点电场，该点电场在地表面形成的电场如图5所示。接收机中的直流放大器通过电位差探测架取得故障点前后（沿线缆径路）的电位差（跨步电压），由于故障点前后的电位差符号相反，当电位差探测架的前后顺序不变时，则电位差探测架所取得的电位差（跨步电压）反映在直流放大器的中值表头上将向不同方向摆动、中值表头在故障点前与越过故障点将会有方向的变化。通过表头摆动方向的变化，即可确定线缆对地绝缘不良的故障点位置。根据电场原理，接收机的电位差探测架距离故障点越近，在等距离条件下取得的电位差越大，中值表针摆动也越大；同样，探测架刚离开故障点时，中值表针摆幅也是最大（但与未过故障点摆动方向相反）。如果探架中间正好是故障点，由于电位差为零，则中值表头摆幅也为零。信号发生器－信号发生器－＋P故障点等位面埋地故障电缆图5故障点产生的地表面电场分布3、几点使用经验：（1）信号接地线尽可能沿线缆径路反方向距离远一些放置，一般在20米（2）故障点的对地绝缘阻值不同，表头指针偏转幅度是不一样的，阻值越小，偏转越大，阻值越大，偏转越小。（3）当测到地表面十分干燥,探测架探针又插不深时，应考虑在插孔处滴些水。（4）当被测线缆很长时，为了提高射频信号，可以将被测线缆对端接地。（5）测试距离不能超过1000米（6）该方法适用于确定故障范围，通过地形、地表等综合分析，认为是因施工直接造成电缆损伤的情况，才能准确找到故障点（从上述的原理可得知，确定故障点是通过接收从电缆损伤处流出的信号来判断，由于数字电缆的结构和地下接头的工艺，信号不一定从接地点位置流出来，普通信号电缆也一样，如果是雷击造成芯线烧焦和电缆内衬套接地，而未损伤到钢带和外皮，信号会从别的地方流出，因而找不到准确的故障点。）。三、信号电缆故障查找的基本步骤在对电缆故障发生原因的分析中，极重要的是要特别注意了解电缆敷设中的情况，如电缆外表发现可疑之点，则应查阅电缆安装敷设工作完成后的正确记录，这些记录应包括这样的细节：电缆的型号、各接头的精确位置、电缆路径的走向（这一点应特别注意），有无反常的敷设深度或者有特别的保护措施；最近电缆径路是否有施工动土的情况；历年来涉及电缆径路的施工防护情况；电缆敷设中的技术人员或配合人员的姓名（这些人是提供重要原始资料的来源之一）；以及电缆历次发生故障的详细记录（地点及排除经过）。

当欲快速定位故障时，所有的这些资料都是重要的。由于制造缺陷而造成的电缆故障是不多见的。因而，对电缆故障的分析，如果考虑到上述的情况和细节，将使电缆维修技术人员得到巨大的好处。1、故障性质的诊断信号电缆故障的性质可以简单地分为以下几种：（1）断线：电缆的一根或多根芯线断开，信号中断。这种故障用脉冲法测试。（2）混线：分为接地，自混，他混三种类型，分别指芯线对内衬套，同一对芯线之间，不同线对的芯线之间的绝缘层遭到破坏，绝缘电阻下降到很低的程度（几百到几千欧姆以下），甚至短路。这种故障可以先用脉冲法测试，当波形难以识别时，再改用电桥法测试。（3）绝缘不良：电缆芯线绝缘材料或接头受到水或潮气侵入，使绝缘电阻下降。这种故障类似于自混，他混和接地，只是故障电阻较大（几千欧姆以上），故障程度较轻。通常如果绝缘电阻小于0.5兆欧姆，就会对设备产生影响，需要进行排除。这种故障一般用脉冲法无法测出，需要改用电桥法测试。电缆出现故障后，应该首先使用测试台，兆欧表，万用表等工具确定线路故障的性质和严重程度，以便选择适当的测试方法。测试人员了解线路走向和故障情况，有助于迅速确定故障点。当电缆发生故障后，对故障发生的时间，产生故障的范围，电缆线路所处的环境，接头的位置，天气、施工的影响及可能存在的问题等，进行综合考虑。根据测量的结果，粗略判断一下故障的段落。2、择测试方法故障电阻小于几百到几千欧姆时，我们称之为低阻故障，反之称为绝缘不量或高阻故障，高阻和低阻之间没有明确的界限。脉冲法适合于测试断线和低阻混线故障。比较严重的绝缘不良故障，有时也能用脉冲法测试。脉冲法