復雜配線系統(tǒng)中絕緣缺陷診斷與定位技術

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

　　關鍵詞： 復雜配線系統(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)客機的造價遠大于地面運載工具，發(fā)生事故后發(fā)生的經(jīng)濟效應非常嚴重，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)是一種遠程電子測量技術。它最早被應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行傳輸,如果線路正常且終端負載阻抗等于線路的特征阻抗時,發(fā)射脈沖被負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。當線路發(fā)生斷線等故障時,故障點的阻抗即為負載阻抗,通過測量出的反射系數(shù), 計算出負載阻抗的大小,再依據(jù)傳輸線的特征阻抗,就能夠分析出故障的性質。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雜配線系統(tǒng)，存在沿導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行絕緣缺陷的診斷與定位。

　　局部放電是絕緣介質內(nèi)部發(fā)生的局部重復擊穿和熄滅現(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，局部放電檢測技術中相應出現(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，且容易進行放電量校準，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法在復雜配線系統(tǒng)中的應用首次立項進行了試驗研究。這項關于PASD法的基礎性研究于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)航天器復雜配線系統(tǒng)和PASD技術的實際應用。研究證實PASD法能夠檢測和定位復雜配線系統(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技術獲得了美國專利。

　　PASD技術采用一個高電壓(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。此脈沖由一個結構緊湊的電池驅動的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生，它可以和進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。足夠低的能量水平不會損壞主絕緣或復雜配線系統(tǒng)中的導體。放電沿測試條件下的導體到一個鄰近的返回通道(另一導線或地面) 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技術就可以準確地定位缺陷點的位置。這項技術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計的絕緣長導線傳播。當 PASD脈沖沿著長導線傳播時，脈沖振幅的衰減主要是由導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，進行相關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的預脈沖，然后再施加PASD脈沖。預脈沖可以是單一的直流電壓，也可以是幾微妙的短脈沖。當處理較長導線時這種“復合脈沖”方法比單一脈沖更為有效。因為在長導線中持續(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“復合脈沖”方法的實施是PASD法的難點。

　　PASD法應用實例

　　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，應用PASD技術檢測的波形如圖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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　　應用PASD技術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法檢測與定位結構上的微小裂縫

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

圖4(a)  導線上的缺陷

　　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，或許可以檢測到一些類型的絕緣缺陷，但不能對復雜阻抗配線系統(tǒng)進行定位。

　　PASD在檢測和定位復雜多樣的絕緣缺陷，如復雜配線系統(tǒng)中的絕緣破裂、表面磨損和結構上的微小裂縫等都是非常有效且準確的。它完全不受導線阻抗變化的影響，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一步發(fā)展成熟，但如果能將其應用到復雜配線系統(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：

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