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(guó)內(nèi)外絕緣缺陷診斷與定位技術(shù)的幾種典型方法。重點(diǎn)分析了目前國(guó)外最新研究并成功應(yīng)用于飛機(jī)配線系統(tǒng)檢測(cè)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(duì)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(shí)域反射

　　引言

　　載人航天器、商業(yè)客機(jī)一旦出現(xiàn)事故，將難以救助，其造成的社會(huì)影響力遠(yuǎn)大于地面、水面運(yùn)載工具的事故影響力。同時(shí)，由于航天器、商業(yè)客機(jī)的造價(jià)遠(yuǎn)大于地面運(yùn)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(jī)因電線著火失事，最終造成了公司破產(chǎn)。航天器、飛機(jī)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(duì)于航天器的飛行環(huán)境，宇宙高能射線會(huì)加速系統(tǒng)絕緣的老化，導(dǎo)致絕緣缺陷。及時(shí)診斷絕緣缺陷，以解決安全隱患，對(duì)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(cè)方法

　　時(shí)域反射法(TDR)是一種遠(yuǎn)程電子測(cè)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(gè)探測(cè)脈沖,它就會(huì)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(shí),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(shí),故障點(diǎn)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(shí),故障點(diǎn)的阻抗即為負(fù)載阻抗,通過測(cè)量出的反射系數(shù), 計(jì)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(shí),通過測(cè)量發(fā)射脈沖和反射脈沖之間的時(shí)間間隔,可以計(jì)算出測(cè)量點(diǎn)與故障點(diǎn)的實(shí)際距離,從而精確定位。

　　在進(jìn)行TDR測(cè)量時(shí)，必須處理TDR波形中的多次反射問題。被測(cè)裝置如果具有若干阻抗層，這種多次反射就會(huì)使TDR示波器上的圖像嚴(yán)重失真。對(duì)于由同軸電纜、金屬屏蔽層和周期性的用節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)度方向的高度不均勻阻抗特性，這時(shí)就不適宜采用時(shí)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(huì)影響電力電纜的絕緣能力，但如果這種放電長(zhǎng)期發(fā)生，則會(huì)逐漸的損壞電纜的絕緣，縮短電纜壽命。

　　由于局部放電時(shí)，電纜的絕緣電阻、介質(zhì)損耗和泄露電流都不會(huì)有太大變化，因此，檢測(cè)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(shí)候，一般都會(huì)產(chǎn)生電脈沖、電磁波放射、光、熱、聲等現(xiàn)象，基于對(duì)這些現(xiàn)象的研究，局部放電檢測(cè)技術(shù)中相應(yīng)出現(xiàn)了電檢測(cè)法和光測(cè)法、聲測(cè)法、紅外熱測(cè)法等非電量檢測(cè)方法。

　　在目前市場(chǎng)上，電測(cè)法仍是局部放電檢測(cè)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(cè)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(chǎng)環(huán)境中，脈沖電流法應(yīng)用并不很多。超高頻檢測(cè)法是近年發(fā)展起來的新型局部放電檢測(cè)方法，具有頻帶高、靈敏度好、抗電磁干擾能力強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有潛力的局部放電在線檢測(cè)方法。但是，超高頻檢測(cè)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(duì)于PASD法在復(fù)雜配線系統(tǒng)中的應(yīng)用首次立項(xiàng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。這項(xiàng)關(guān)于PASD法的基礎(chǔ)性研究于2002年10月申請(qǐng)到一個(gè)美聯(lián)邦航空部(FAA)為期3年的項(xiàng)目，研究焦點(diǎn)集中在商業(yè)航天器復(fù)雜配線系統(tǒng)和PASD技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。研究證實(shí)PASD法能夠檢測(cè)和定位復(fù)雜配線系統(tǒng)中的多種缺陷，例如運(yùn)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室于2005年2月8日因PASD技術(shù)獲得了美國(guó)專利。

　　PASD技術(shù)采用一個(gè)高電壓(幾kV)，低能量(幾mJ)的短脈沖來誘發(fā)絕緣缺陷點(diǎn)處的電氣火花放電，圖1為其概念圖解。此脈沖由一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊的電池驅(qū)動(dòng)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(gè)小盒子里，組成一個(gè)便攜式系統(tǒng)。此脈沖能量在量級(jí)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(huì)損壞主絕緣或復(fù)雜配線系統(tǒng)中的導(dǎo)體。放電沿測(cè)試條件下的導(dǎo)體到一個(gè)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(gè)納秒時(shí)間內(nèi)發(fā)生電弧阻抗擊穿，這將產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的短路并把能量返回到注入點(diǎn)處的傳感器。這時(shí)傳統(tǒng)的TDR技術(shù)就可以準(zhǔn)確地定位缺陷點(diǎn)的位置。這項(xiàng)技術(shù)還可用來直接檢測(cè)絕緣系統(tǒng)的介電強(qiáng)度，因?yàn)镻ASD電壓還不足以擊穿整個(gè)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(cè)試電纜的阻抗特性，建立對(duì)PASD在不規(guī)則阻抗配線系統(tǒng)中測(cè)試能力非常重要的阻抗基線。此基線用于對(duì)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(cè)絕緣缺陷。如果出現(xiàn)能探測(cè)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(gè)波形的分離點(diǎn)即為絕緣缺陷點(diǎn)處。

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

　　脈沖火花放電法的技術(shù)難點(diǎn)

　　實(shí)驗(yàn)證明PASD法在較長(zhǎng)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(jì)的絕緣長(zhǎng)導(dǎo)線傳播。當(dāng) PASD脈沖沿著長(zhǎng)導(dǎo)線傳播時(shí)，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(duì)更長(zhǎng)的線路長(zhǎng)度，首先對(duì)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(zhǎng)導(dǎo)線時(shí)這種“復(fù)合脈沖”方法比單一脈沖更為有效。因?yàn)樵陂L(zhǎng)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(huì)沒有足夠的電壓擊穿缺陷點(diǎn)。如果施加一個(gè)緩慢上升的預(yù)脈沖，整條線路上的電勢(shì)隨阻抗變化獨(dú)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(cè)缺陷點(diǎn)(缺陷點(diǎn)處已經(jīng)充電到大約幾千伏，這時(shí)PASD脈沖就比較容易將缺陷點(diǎn)擊穿)。這種“復(fù)合脈沖”方法的實(shí)施是PASD法的難點(diǎn)。

　　PASD法應(yīng)用實(shí)例

　　實(shí)例1：PASD法檢測(cè)與定位表面破損

　　圖2(a)顯示了一個(gè)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(cè)試條件下的PASD波形。下面的波形代表測(cè)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(diǎn)處擊穿的阻抗曲線。波形首次分離處代表電纜的起點(diǎn)，末次分離處代表電纜終點(diǎn)。兩次事件的時(shí)間差表示電纜的長(zhǎng)度(以時(shí)間計(jì))。顯而易見，由于電弧擊穿導(dǎo)致缺陷點(diǎn)處阻抗發(fā)生急劇變化。這個(gè)變化大概發(fā)生在沿電纜長(zhǎng)度的中點(diǎn)。計(jì)算得到缺陷點(diǎn)位于25.8英尺長(zhǎng)電纜的11.7英尺處。

圖2(b)  電纜的PASD波形

　　在這個(gè)實(shí)例中，PASD的脈沖峰值為12.4kV，脈沖寬度為5ns。

　　實(shí)例2：PASD法檢測(cè)與定位絕緣破裂

　　圖3(a)顯示了一根100英尺長(zhǎng)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(cè)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(cè)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(shí)間為276ns，在182ns處波形開始分離即為缺陷點(diǎn)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(shí)間校正值取9ns。可以計(jì)算得到缺陷點(diǎn)的位置：

　　實(shí)例3：PASD法檢測(cè)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(zhǎng)導(dǎo)線的5英尺8英寸處。應(yīng)該注意到此缺陷為一個(gè)非常小尺寸的缺陷，一般反射技術(shù)無法檢測(cè)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(diǎn)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(jì)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(jī)的配線系統(tǒng)的多對(duì)雙絞線被周期性的節(jié)點(diǎn)和系帶捆綁在一起，這就造成了沿導(dǎo)線長(zhǎng)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(diǎn)處阻抗的不可估量的改變，這些特性往往讓阻抗測(cè)量或傳統(tǒng)的時(shí)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(cè)到一些類型的絕緣缺陷，但不能對(duì)復(fù)雜阻抗配線系統(tǒng)進(jìn)行定位。

　　PASD在檢測(cè)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(shí)它對(duì)電纜主絕緣也是非破壞性的。由于PASD法設(shè)計(jì)概念新穎而簡(jiǎn)單，低能量的PASD脈沖發(fā)生器和檢測(cè)定位裝置很容易地裝入一個(gè)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(duì)潛在的絕緣缺陷的診斷和定位帶來極大的方便。

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