高速動(dòng)車組電纜故障檢測(cè)技術(shù)專利分析

王 雷 孔羽姝 馬宏宇 張 恒 羅添元

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司高速動(dòng)車組制造中心， 130062， 長(zhǎng)春∥第一作者， 工程師)

高速動(dòng)車組在制造過(guò)程中，因現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境復(fù)雜，電纜破損現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。電纜敷設(shè)工作往往集中進(jìn)行，破損電纜極易被后續(xù)電纜掩蓋，靠外表觀察無(wú)法發(fā)現(xiàn)，而在后續(xù)裝配和調(diào)試的過(guò)程中，線纜也經(jīng)常出現(xiàn)被地面尖銳零件劃破、被后續(xù)施工損傷的情況。目前,電纜破損后查找破損點(diǎn)是使用人工外觀檢查方式，需要拆除車內(nèi)地板及其他裝配件，并將綁線支架上的所有電纜綁扎帶拆掉，將電纜逐根進(jìn)行梳理，極其耗費(fèi)人力、物力。 通過(guò)對(duì)不同領(lǐng)域的電纜故障檢測(cè)技術(shù)專利進(jìn)行分析，可以增強(qiáng)電纜故障檢測(cè)技術(shù)在高速動(dòng)車組領(lǐng)域的應(yīng)用，提升企業(yè)創(chuàng)新力。

1 國(guó)內(nèi)外高速動(dòng)車組電纜故障檢測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 電纜故障檢測(cè)技術(shù)專利申請(qǐng)數(shù)量趨勢(shì)分析

通過(guò)收集各領(lǐng)域電纜故障檢測(cè)技術(shù)關(guān)鍵詞和相關(guān)分類號(hào)，在IncoPat專利數(shù)據(jù)庫(kù)中以“2000—2020年”進(jìn)行檢索，得到如圖1所示的專利申請(qǐng)數(shù)量趨勢(shì)圖。由圖1可見(jiàn)，電纜故障檢測(cè)技術(shù)專利申請(qǐng)數(shù)量趨勢(shì)可以大致分為3個(gè)時(shí)期：①2000—2002年是第1快速發(fā)展期，主要是隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使電纜故障檢測(cè)技術(shù)突破了傳統(tǒng)的方式，進(jìn)入虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)時(shí)代；②2002—2009年進(jìn)入了緩慢發(fā)展階段，為下一個(gè)階段的快速發(fā)展作準(zhǔn)備；③2009年至今屬于第2快速發(fā)展期，網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的飛速發(fā)展，使電纜故障檢測(cè)技術(shù)突破了原有的瓶頸，且檢測(cè)方式亦更加多元化。

圖1 國(guó)內(nèi)外各領(lǐng)域電纜故障檢測(cè)技術(shù)專利申請(qǐng)數(shù)量趨勢(shì)圖Fig.1 Trend chart of cable fault detection technology patent applications in various fields of the world

1.2 電纜故障檢測(cè)技術(shù)發(fā)展歷程

專利申請(qǐng)數(shù)量及申請(qǐng)人數(shù)量的變化趨勢(shì)必定是由技術(shù)發(fā)展來(lái)推動(dòng)的。根據(jù)檢索到的專利信息，梳理電纜故障檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷程。電纜故障檢測(cè)設(shè)備是伴隨著先進(jìn)電子技術(shù)的出現(xiàn)而誕生的。電纜故障檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，20世紀(jì)70年代前，該技術(shù)主要是采用電橋法和低壓脈沖測(cè)距法(又稱“時(shí)域反射法”)。目前，電橋法及低壓脈沖測(cè)距法在檢測(cè)電纜的接地故障和開(kāi)路故障方面相當(dāng)完善。然而，對(duì)于高阻故障(泄露高阻和閃絡(luò)高阻)的尋測(cè)，采用上述方法則是無(wú)能為力的，必須另辟蹊徑。盡管后續(xù)又出現(xiàn)了采用高壓電橋(輸出高壓為10 kV)檢測(cè)高阻故障，但大多還需“燒穿”，故障可測(cè)率很低。

為了打破電橋法對(duì)電纜故障檢測(cè)的限制，同時(shí)亦為了方便各種故障的測(cè)試，研發(fā)出了電纜故障檢測(cè)儀。該儀器的基本原理應(yīng)用了微波傳輸(雷達(dá)測(cè)距)理論，即脈沖法。無(wú)論低壓脈沖法還是高壓脈沖法，均依據(jù)微波在“均勻長(zhǎng)線(電纜)”傳輸中某處(故障點(diǎn))特性阻抗變化對(duì)電波的影響，來(lái)微觀地分析電波相位、極性及幅度等物理量的變化，通過(guò)檢測(cè)得到的電波傳輸?shù)焦收宵c(diǎn)的時(shí)間，從而計(jì)算出故障點(diǎn)的距離。但在電纜故障粗測(cè)過(guò)程中測(cè)試電壓的高低，取決于故障電纜絕緣損傷的程度。故障電纜電壓有時(shí)可能會(huì)升至3萬(wàn)～4萬(wàn)V才能使故障點(diǎn)擊穿獲得波形，結(jié)果往往使儀器不能承受高壓而損壞，甚至造成人身安全威脅，電纜故障檢測(cè)技術(shù)再一次遇到瓶頸[1]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)字化儀器和智能化儀器。在必要的數(shù)據(jù)采集硬件和通用計(jì)算機(jī)支持下，通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器的部分或全部功能。同時(shí)充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力，以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析和顯示功能[2]。

1.3 電纜故障檢測(cè)技術(shù)研發(fā)預(yù)判

從整體而言，電纜故障檢測(cè)在2020年前后仍處于蓬勃發(fā)展時(shí)期，絲毫沒(méi)有衰退的跡象。未來(lái)，該技術(shù)的發(fā)展也將著重于全智能化電纜故障檢測(cè)的研究，該檢測(cè)技術(shù)將具有操作方便、一機(jī)多用、可自動(dòng)控制、可支持遠(yuǎn)程技術(shù)服務(wù)、安全性好及準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)。另外，電纜故障檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)專利最早是在1907年英國(guó)申請(qǐng)的，而國(guó)內(nèi)的第1個(gè)與電纜故障檢測(cè)技術(shù)相關(guān)的專利是在1985年申請(qǐng)的。這說(shuō)明中國(guó)的專利技術(shù)起步較晚，反之，則可能有大量的現(xiàn)有技術(shù)可以借鑒而具有后發(fā)優(yōu)勢(shì)。此外，大量專利技術(shù)并未在我國(guó)進(jìn)行布局，因此，我國(guó)的創(chuàng)新主體可以利用專利的地域性特點(diǎn)對(duì)這些專利技術(shù)進(jìn)行合理應(yīng)用。

2 電纜故障檢測(cè)技術(shù)專利構(gòu)成分析

2.1 電纜故障檢測(cè)技術(shù)分類

現(xiàn)階段電纜故障檢測(cè)技術(shù)主要分為反射信號(hào)檢測(cè)、行波故障測(cè)距、圖像識(shí)別、深海電纜、高壓電弧故障等5個(gè)分支。其中，反射信號(hào)檢測(cè)主要包括超聲波信號(hào)、電磁波信號(hào)、回波信號(hào)、發(fā)射信號(hào)、探測(cè)信號(hào)；行波故障測(cè)距主要包括離線行波測(cè)距、在線行波測(cè)距、脈沖法、閃絡(luò)法、暫態(tài)行波測(cè)距；圖像識(shí)別系統(tǒng)主要包括工業(yè)相機(jī)、圖像采集、連續(xù)檢測(cè)、故障識(shí)別、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀；深海電纜主要包括光纖通信、海底光電復(fù)合纜、電纜故障測(cè)距、短路故障報(bào)警、光纜接線盒；高壓電弧故障主要包括接地故障定位、屏蔽層接地線、架空線、漏電故障。其中，反射信號(hào)檢測(cè)和行波故障測(cè)距是主要的研究方向。

2.2 電纜故障檢測(cè)核心技術(shù)分支

通過(guò)查詢科技創(chuàng)新情報(bào)平臺(tái)統(tǒng)計(jì)國(guó)際IPC(專利分類號(hào))，對(duì)檢索結(jié)果進(jìn)行分析(見(jiàn)表1)。由表1可見(jiàn)，IPC為G01R的專利數(shù)量最多，占比為49.84%。其余核心技術(shù)還涉及：信號(hào)傳輸，緊急保護(hù)電路裝置，數(shù)字信息傳輸，電纜或電線的安裝/光電組合電纜或電線的安裝，供電或配電的電路裝置或系統(tǒng)/電能存儲(chǔ)系統(tǒng)，導(dǎo)電、絕緣或介電材料的選擇，借助于測(cè)定材料的化學(xué)或物理性質(zhì)來(lái)測(cè)試或分析材料，電數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理，信號(hào)裝置/呼叫裝置/指令發(fā)信裝置/報(bào)警裝置，一般的控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。

2.3 專利申請(qǐng)的密集點(diǎn)

對(duì)表1中的G01R技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行檢索，得到如表2所示的電纜故障主要檢測(cè)技術(shù)專利統(tǒng)計(jì)。從表2中可以看出，探測(cè)電纜、傳輸線或網(wǎng)絡(luò)中的故障方面的專利占比最大，為51.94%，其次是對(duì)電設(shè)備、電路或元件進(jìn)行短路、斷路、泄漏，以及不正確連接方式的檢測(cè)專利，占比為22.89%。

3 電纜故障檢測(cè)技術(shù)專利聚類分析

圖2所示為全球電纜故障檢測(cè)技術(shù)的專利柱狀圖。由圖2可見(jiàn)，致力于電纜故障檢測(cè)技術(shù)研究的公司主要包括：國(guó)家電網(wǎng)有限公司，江蘇省電力公司，ABB Corporate Research Center，華為技術(shù)有限公司。其中，國(guó)家電網(wǎng)有限公司的研究方向比較全面，主要包括：非接觸式高壓電纜故障檢測(cè)，行波故障測(cè)距，海底電纜故障檢測(cè)，超聲波反射信號(hào)檢測(cè)，電磁波反射信號(hào)檢測(cè)，圖像信號(hào)識(shí)別，光纖應(yīng)變測(cè)量，渦流傳感器故障檢測(cè)，漏電檢測(cè)，漏磁檢測(cè)，電流噪聲信號(hào)檢測(cè)，溫度傳感器檢測(cè)及脈沖信號(hào)檢測(cè)等技術(shù)。江蘇省電力公司的研究方向主要包括：功率損耗檢測(cè)，脈沖信號(hào)檢測(cè)，超聲波信號(hào)檢測(cè)，電磁波信號(hào)檢測(cè)，非接觸式高壓電纜檢測(cè)方法及渦流傳感器故障定位等技術(shù)。ABB Corporate Research Center的主要研究方向?yàn)椋盒胁ü收蠝y(cè)距，架空線故障定位，漏電檢測(cè)，電弧故障檢測(cè)及電流噪聲信號(hào)檢測(cè)等技術(shù)。華為技術(shù)有限公司的主要研究方向?yàn)椋撼暡ǚ瓷湫盘?hào)檢測(cè)，電磁波反射信號(hào)檢測(cè)，渦流傳感器電纜故障檢測(cè)，漏電檢測(cè)，電弧故障檢測(cè)及電流噪聲信號(hào)檢測(cè)等技術(shù)。

表1 電纜故障主要檢測(cè)技術(shù)專利統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of main cable fault detection technology patents

表2 G01R技術(shù)領(lǐng)域中電纜故障的主要檢測(cè)技術(shù)專利統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of main cable fault detection technology patents in G01R technical field

圖2 全球電纜故障檢測(cè)技術(shù)專利數(shù)量柱狀圖Fig.2 Histogram of cable fault detection technology patents worldwide

4 結(jié)語(yǔ)

1) 現(xiàn)階段電纜故障檢測(cè)技術(shù)的主要研究方向是反射信號(hào)檢測(cè)和行波故障檢測(cè)，其核心技術(shù)分支是電變量和磁變量的測(cè)量。目前電纜故障檢測(cè)的熱點(diǎn)技術(shù)有高壓電纜故障檢測(cè)、行波故障測(cè)距、海底電纜故障檢測(cè)、超聲波反射信號(hào)檢測(cè)、電磁波反射信號(hào)檢測(cè)、漏電檢測(cè)、漏磁檢測(cè)、電流噪聲信號(hào)檢測(cè)、溫度傳感器檢測(cè)及脈沖信號(hào)檢測(cè)等。但該檢測(cè)技術(shù)在氣壓檢測(cè)、熒光檢測(cè)、光學(xué)探測(cè)、射線探測(cè)等方面的應(yīng)用卻較少。

2) 適用于高速動(dòng)車組的電纜故障檢測(cè)技術(shù)包括行波故障檢測(cè)、漏電漏磁檢測(cè)、溫度傳感器檢測(cè)等。在技術(shù)空白領(lǐng)域，如氣壓檢測(cè)、熒光檢測(cè)、光學(xué)探測(cè)等技術(shù)方面的研發(fā)還較少。