電纜故障監測報警系統

徐炳輝

【摘 要】鐵路信號電纜是信號設備的重要組成部分，隨著鐵路的發展，信號電纜故障對鐵路安全運營造成的影響越來越大，而且由于信號電纜的隱蔽敷設，造成電纜故障定位及處理難度增大，干擾正常的鐵路運輸秩序，嚴重時威脅和危害行車安全。電纜故障監測報警系統可實現對多條電纜進行循環檢測，一旦發現其阻抗發生變化（斷線或混線）自動啟動本機的脈沖回波測距設備，上位機通過對脈沖回波測距設備返回數據進行分析，將電纜名稱、故障點與本機間距離、故障點大概位置（公里標）等信息，以手機短信形式通知有關人員。

【關鍵詞】電纜 故障監測 脈沖測距 報警

電纜故障監測報警系統可對多條電纜備用芯線進行實時監測，一旦發生故障，可進行自動測量并分析出故障點距本機間距離，故障點大概位置（公里標），并已手機短信形式通知有關人員。通過本系統，可在不影響信號傳輸的情況下，實時監測信號電纜，信號電纜故障后，第一時間判斷出故障原因及故障點位置，有效縮短故障處理時間。

1系統組成

本系統主要由電纜切換電路、電阻測量電路、脈沖回波測距電路、分析軟件及短信通知組成。

在每條電纜中找出一對備用芯線作為監測對象，在該對芯線的遠端接一終端電阻（考慮到鐵路信號電纜芯線的截面積和長度等因素，終端電阻阻值采用2KΩ），將該對芯線的始端接至本機。在單片機的控制下，本機循環對每對芯線的阻抗進行測試；一旦發現某對芯線阻抗超出范圍，自動啟動脈沖回波測距電路，并將測量結果送至工控機；工控機通過軟件分析，控制脈沖回波測距電路以不同的增益和采樣速率多次對該對芯線進行測試，最后分析出故障點位置（故障點與本機間距離），控制短信通知模塊將電纜名稱、距離等信息發送至有關人員的手機。

1.1 電纜切換電路

電纜故障監測報警系統可同時監測多條備用芯線（最多60條），由單片機控制繼電器來切換電纜，可循環對所接電纜進行電阻測量，當所測電纜電阻阻抗超出范圍，將該電纜切換至脈沖回波測距電路，分析故障點位置。

1.2 電阻測量電路

利用單片機的A/D轉換模塊對所接電纜進行阻抗測量，考慮到鐵路信號電纜芯線的截面積和長度等因素，終端電阻阻值采用2 KΩ，因此當測得電纜阻抗小于1.5 KΩ，判定電纜混線；當測得電纜阻抗大于5 KΩ，判定電纜斷線。

1.3 脈沖回波測距電路

由工控機控制脈沖回波測距電路，在故障電纜上加上低壓脈沖，該脈沖沿電纜傳播直到阻抗失配的地方，在這些點上都會引起電波的反射，反射脈沖回到電纜測試端時被脈沖回波測距電路接收，并上傳至工控機，由分析軟件分析出故障點位置。

1.4 分析軟件

根據電纜的測試波形我們可以判斷故障的性質，當發射脈沖與反射脈沖同相時，表示是斷路故障或終端頭開路。當發射脈沖與反射脈沖反相時，則是短路接地或低阻故障。

工控機控制脈沖回波測距電路以不同的增益和采樣速率多次對該對芯線進行測試，最后分析出故障點位置。

1.5 短信通知

可在系統中提前設置站中心公里標、電纜名稱、電纜重點公里標、電纜長度、短信接收人員電話號碼等信息，當電纜故障后，軟件可自動分析出故障點的距離，并將電纜名稱、故障點與本機間距離、故障點大概位置（公里標）等信息，以手機短信形式通知所設置人員。

2設計原理

2.1電纜切換電路

系統可實時監測60條備用電纜，其中每條電纜都連接一個轉換繼電器（如上圖所示）。單片機可根據需求控制驅動電路，動作相應繼電器，從而接通電纜。平時狀態，單片機根據電纜設置循環監測所接電纜，通過ZHJ繼電器將電纜接至電阻測量模塊，所測電纜阻抗超出范圍，ZHJ繼電器立即將該電纜接至脈沖回撥測距電路，進行故障點距離測量。

2.2 電阻測量電路

本系統單片機采用STC12C5A60S2，該單片機具有8路10位高速A/D轉換器，速度可達250KHz（25萬次/秒），其A/D轉換口在P1口（P1.7-P1.0）。本系統通過測量電路中已知電阻R1（500Ω）的電壓VR1，求得流經該已知電阻的電流I R1，從而求得電纜電阻R。

2.3 脈沖回波測距電路

圖1

上圖1為脈沖測試的基本原理圖。測量電纜故障時，電纜可視為一條均勻分布的傳輸線，根據傳輸線理論，在電纜一端加上脈沖電壓，該脈沖按一定的速度（決定于電纜介質的介電常數和導磁系數）沿線向遠端傳輸，當脈沖遇到故障點（或阻抗不均勻點）就會產生反射，記錄下發送脈沖和反射脈沖之間的傳輸時間△T，則可按已知的傳輸速度V來計算出故障點的距離Lx，Lx=V·△T/2。

測試時，在電纜故障相上加上低壓脈沖，該脈沖沿電纜傳播直到阻抗失配的地方，如中間接頭、T型接頭、短路點、斷路點和終端頭等等，在這些點上都會引起電波的反射，反射脈沖回到電纜測試端時被保存并顯示。當發射脈沖與反射脈沖同相時，表示是斷路故障或終端頭開路。當發射脈沖與反射脈沖反相時，則是短路接地或低阻故障。

3 技術特點

（1）電纜故障監測報警系統可在不影響信號傳輸的情況下，實時監測信號電纜，一旦信號電纜發生故障，可在第一時間判斷出故障原因及故障點位置，有效縮短故障處理時間。

（2）具有電纜切換電路，可同時監測多條電纜（60條），并自由切換。

（3）自動調節脈沖回波測試的頻率及增益，以便更準確測量故障點位置。

（4）系統分析軟件可準確分析出電纜故障點與本機間距離、故障點大概位置（公里標），并及時將信息發送至有關人員。

參考文獻：

[1] 謝維成，楊加國.單片機原理與應用及C51程序設計.清華大學出版社，2009.

[2] 屈婉玲.算法設計與分析.清華大學出版社，2011.