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监测仪器鉴定中的电缆检测技术研究


水          利 学 报
  2007 年 10 月 文章编号 :055929350 (2007) 增刊20671205

SHUILI    XUEBAO

增刊

监测仪器鉴定中的电缆检测技术研究
戴   1 ,王   2 群 琳
( 11 南京水利科学研究院 ,江苏 南京  

210029 ; 21 水利部小浪底水利枢纽建设管理局 ,河南 郑州   450000)

摘要 : 监测自动化系统的实施过程中 , 不可避免的存在安全监测自动化仪器的电缆埋设 问题 。工程实 践表明 , 电缆 的埋设受电缆质量 、 、 施工 建筑物变形 、 强电流等因素 的影响 ,易造 成仪器 监测故 障 。本文首 先分析 了通讯电 缆产 生的故 障的 原因 ,并结合其分类 ,研 究了 电缆 线路 障碍 测试 步骤 与测 试方 法等 ,并在国 内某大型水 利枢纽的监 测仪 器鉴定中进行了应用 。
关键词 :监测仪器 ;电缆 ;检测

中图分类号 : T V148

文献标识码 :A

1  引言
随着监测仪器的发展以及监测自动化系统的实施 ,越来越多的水利工程为确保工程安全 ,埋设了较 多的安全监测仪器。无论是新建工程或是除险加固工程 ,都不可避免的存在安全监测自动化仪器的电 缆埋设问题 ,越来越多的工程实践表明 ,电缆的埋设受电缆质量 、 施工 、 建筑物变形 、 强电流等因素的影 响 ,造成仪器监测故障 。本文结合通讯电缆产生的故障以及电缆线路障碍测试步骤与方法等 ,研究了监 测仪器鉴定中的电缆检测技术 。

2  电缆故障原因及分类
目前 ,水利工程安全监测仪器所用的电缆大多是通讯电缆 。一般而言 ,通讯电缆产生故障的原因有 以下几类 : ① 电缆本身质量 。电缆在生产过程中因扭矩 、 绝缘材料结构不均匀而引起的产品质量缺 陷 ,个别线对出现接地 、 断线 、 混线等障碍 ;或电缆护套有砂眼等漏洞 ,使电缆浸水 ,造成绝缘不良等障 碍。② 施工影响 。施工中电缆芯线接续造成线对混线 、 接地或断线等障碍 ;线对因叉接 、 反接 (跳接) 等 , 产生了芯线间电容不平衡 ,电阻不平衡 ,造成障碍 ; 由于芯线去潮不当 ,造成绝缘不良障碍 ,或因封焊不 良 ,电缆发生浸水障碍等 。③ 外力影响。其它工程施工等会挖坏和碰坏电缆 ;行驶的车辆 、 建筑物变形 等也往往会造成电缆的损伤。 ④ 电击及雷击 。电缆被高压电力线烧伤或遭到雷电损伤 ,会造成电缆芯 线出现接地 、 混线 、 断线 、 绝缘不良和电缆铅皮漏气 、 浸水等障碍 。 ⑤ 自然灾害造成的障碍 ,如地震 、 洪 水、 台风 、 冰冻等 。 ⑥ 人为造成的障碍等 。 根据上述通讯电缆产生故障的原因 ,通讯电缆线路的障碍按其性质可分为以下四种 : ① 绝缘不良障碍 。电缆芯线间以空气 、 纸或塑料为绝缘材料 。由于绝缘材料受到水和潮气侵袭 ,使 绝缘电阻下降 ,造成通信不良 ,甚至阻断通信 。其原因一般是由于接头在封焊前驱潮处理不当 ,或因电 缆护层受伤引起浸水 ,以及电缆充气维护中充入气体湿度过高 ,使芯线绝缘突然或长期缓慢下降 。 ② 断线障碍 。电缆芯线一根或数根断开 ,以致阻断通信 。该现象一般是由于接续或敷设时不慎 ,使
收稿日期 : 2007 207231 作者简介 : 戴群 (19 62 - ) ,江苏南京人 ,高级工程师 ,主要从事水利工程安全监测工作。E- mail :qda i @nhri . cn
[ 1]

— 6 71



芯线折断 ;或受外力损伤 ,或受强电流 、 雷击之后造成断线。 ③ 混线障碍 。混线障碍有 “自混” “他混” 和 两种 。同一线对的芯线由于绝缘层脱离 ,以致相互接触 造成短路 ,为 “自混” 障碍 ;不同线对相邻两根导线间失去绝缘能力相互碰触 ,为 “他混” 障碍。 ④ 接地障碍 。电缆芯线由于绝缘层损坏而碰触电缆铅皮造成阻断通信的障碍 。其原因 ,往往由于 电缆接续不善或受外力磕 、 、 、 碰 砸 磨等原因损坏电缆芯线绝缘 ,致使电缆芯线直接或通过其他途径间接 地接触铅皮 ,造成障碍 。

3  电缆线路障碍测试步骤及方法
电缆线路障碍测量一般有障碍性质诊断 、 障碍测距与障碍定点 3 个步骤 : ① 障碍性质诊断 。在线路 出现障碍后 ,使用测量台 、 兆欧表 、 万用表等二次仪表确定线路障碍性质与严重程度 ,以便分析判断障碍 的大致范围和段落。 ② 障碍测距 。使用专用测试仪器测定电缆障碍的距离 ,即初步确定障碍的最小区 间。③ 障碍定点 。根据仪器测距结果 ,标定障碍点的最小区间 ,然后作精确障碍定位 。此时 ,可根据电 缆线路实际 ,结合周围环境 ,分析障碍原因 ,发现可疑点 ,直至找到障碍点 。目前 ,在电缆障碍查找中的 主要方法有电桥法、 放音法 、 查漏法 、 脉冲反射法和综合测试等。根据水利工程中安全监测仪器的现场 实际 ,其电缆故障检测一般采用脉冲反射法 。该方法主要是向电缆发送一电压脉冲 ,利用发送脉冲与障 碍点反射脉冲的时间差与障碍点距离成正比的原理确定障碍点 。该方法是通讯电缆线路障碍测试的主 要手段 ,早期的脉冲反射仪器主要靠人工调整仪器 、 识别回波波形来判断障碍点。随着技术的进步 ,目 前可自适应调整测试范围 、 信号幅度以及计算机辅助识别回波波形以确定障碍点 。

4  脉冲反射法测试原理

[2 ]

通讯电缆线路为传输线 ,当电缆线路发生障碍时 ,会造成阻抗不匹配 。根据电磁波在传输线中的传 播理论 ,电磁波会在障碍点产生反射 。利用该现象 ,即可测量线路的障碍点位置 。 假若向一故障线路发送一脉冲电压 ,该脉冲电压将沿线路向前传播 ,当遇障碍点时立即反射脉冲至 发送端 。在发送端由测量仪器将发送脉冲和反射脉冲波形记录下来 。则波形上发送脉冲与反射脉冲对 应的时间差Δ t ,对应着脉冲在发送端与障碍点往返一次所需时间 ,若知道脉冲在电缆中的传播速度 V , 则故障距离可由下式计算出来 :
L = VgΔ tΠ 2

( 1)

   通过识别反射脉冲极性 ,可以判定障碍性质。断线障碍反射脉冲与发射脉冲极性相同 ,而短路 、 混 线障碍的反射脉冲与发射脉冲极性相反 ,如图 1 所示 。

图 1  发射脉冲与反射脉冲波形
 

411   几种典型线路障碍的脉冲反射波形   由式 ( 1) 及脉冲反射法测试原理可得几种典型线路障碍的脉 冲反射波形 。(1) 断线障碍 。脉冲在断路点产生全反射 ,反射脉冲与发射脉冲极性相同 ,见图 2。波形 上第一个障碍点反射脉冲之后 ,还有若干个间距相等的反射脉冲 ,这是由于脉冲在测量端与障碍点之间 多次来回反射的结果 。由于脉冲在电缆中传输存在损耗 ,脉冲幅值逐渐减小 ,并且波头上升变得越来越 慢 。( 2) 短路障碍 。脉冲在短路点产生全反射 ,反射脉冲与发送脉冲极性相反 ,见图 3。波形上第一个 障碍点反射脉冲之后续脉冲呈现一正一负的交替变化 ,这是由于脉冲在障碍点反射系数为 - 1 ,而在测 — 672 —

量端为 + 1 的缘故 。 (3 ) 低阻障碍脉冲反射波形 。图 4 为障碍点在电缆中点 M 之前的低阻障碍脉冲反 射波形 。注入的脉冲在障碍点产生反射脉冲 ,t 时刻回到测量端 ,该脉冲从测量端返回 ,在障碍点又被 再次反射 ,t 时刻又一次回到测量端 。第二个障碍点反射脉冲在波形上与第一个障碍点反射脉冲之间 的距离为障碍距离。

图2  断线障碍脉冲反射波形
   

图 3  短路障碍的脉冲反射波形
 

图4   低阻障碍脉冲反射波形

412   反射脉冲起始点的标定   脉冲测试仪器一般都把发射脉冲的前沿作为波形记录起点。发射脉冲 含有从低频到高频丰富的频率成分 。不同频率的信号在电缆线路中的传播速度不同 ,波速度随信号频 率的增加而增加 ,在频率增大到一定值时 ,电缆线路中的 波速趋于常数。测试中需利用高频信号波速恒定的特点 , 而高频信号在电缆线路中的传播速度快 ,首先返回到测量 端 ,形成反射脉冲的前沿 。因此 ,在标定障碍点时 ,应选波 形上反射脉冲的前沿即反射脉冲形成的拐点作为反射脉 冲的起始点 ,如图 5 (a) 。当然也可从反射脉冲前沿作一切 线 ,把切线与波形水平线相交点作为反射脉冲起始点 ,如 图 5 ( b) 。 413   典型障碍的脉冲反射波形  ① 芯线断开 。芯线断开障碍产生正极性反射脉冲 ,且反射脉冲幅值较 大 ,如图 6 。② 屏蔽层断开 。屏蔽层断开点的反射脉冲为正 ,与芯线断开障碍的反射脉冲波形相似 。如 图 7。 ③ 感应线圈 。感应线圈或接触不良的反射脉冲为正 ,幅值较芯线断开障碍反射脉冲波形幅值小 , 如图 8 。 ④ 混线 ( 他混 、 ) 。混线障碍可以看到负极性的障碍点反射脉冲 ,如图 9 。 ⑤ 自混 接地。接地障 碍可见负极性的障碍点反射脉冲 ,波形类似于混线障碍 ,如图 10。 ⑥浸水 。浸水障碍反射波形一般为 比较平缓的负反射脉冲 ,如图 11。 ⑦ 错对 。在错接点会出现正的反射 ( 一般来说 ,该反射脉冲比开路障 碍产生的反射脉冲要小) ,且在另一个错接点产生负的反射 ,如图 12 所示 。
图 5  反射脉冲起始点的标定

图6   芯线断开脉冲反射波形
   

图7  屏蔽层断开脉冲反射波形

图8   感应线圈脉冲反射波形
   

图9  他混障碍脉冲反射波形

— 6 73



图 10   接地障碍脉冲反射波形

 

图 11   浸水障碍脉冲反射波形

 

5  案例
   以某大型水利枢纽安全监测中的振弦式仪器鉴定 为 例 ,由于振弦式传感器埋设在建筑物内 ,本身又是密封的 , 不可能打开来检查 , 其保养和故障排除仅限于周期性的检 查电缆连接和清理电缆头 。当用万用表检测线路时 ,即检 Ω 查线圈电阻 ,正常情况下线圈电阻是 190Ω ±5 ,再加上电 缆的电阻 ( 电缆电阻约 8Ω 100m) 。若电阻太高或无穷 大 , Π 则为断路 ;如果电阻太低或接近 0 , 则为短路或 地气故障 ; 如果电阻在正常范围 内 ,而没有读数 ,则一般为 传感器故 障 。电缆故障均可上述检测技术和流程以及 TC - 98 电缆 检测仪 ,大致测量出故障点位置 。相应的监测流程见图 13。
图 12   错对障碍脉冲反射波形
[1 ]

图 13   振弦式仪器的现场检测流程
 

   本次现场鉴定结合施工中的仪器电缆走向 表 1  某水利枢纽安全监测仪器的电缆故障检测结果汇总表 和埋深的长度 ,对于故障点位置位于建筑物浅 仪器部位 稳定 不稳定 无读数 电缆故障 层的进行了开挖复核 ,成功率达 96 %。由于现 场施工埋设时电缆并非直线埋设 ,因此 ,实际的 故障点需考虑电缆埋设时的冗余。现场检测结 果及其可靠性汇总见表 1。    参      : 考 文 献
[1 ]  南京水利 科学研 究院 . 某 水利枢 纽安 全监测 大坝 输泄水建筑物 厂房 总计
500 873 863 2 236 37 203 20 260 214 71 70 355 49 28 37 114

系统鉴定报告 [ R ] . 南京 : 南京水利科学研究院 ,20 07.
[2 ]  徐丙垠 ,李胜祥. 通信电缆线路障碍测试技术 [ M] . 北京 : 北京邮电出版社 ,20 00.

( 下转第 681 页 )

— 674



Field tests st udy of concr ete2cor ed sand2gravel piles a pplied to str en gthen embank ment en gineer ing
CHENG Wan2zhao , Y Mao2hua , WANG Fu2yong , UE ZHAO Wei2bing , T ANG T ong2zhi ,PING K e2lei
1 1 1 1 2 2

( 11 Na njing Hydra ulic Resea rch Institute , Na njing   210029 , China ; 21 Shenzhen Riv Regulation Office , Shenzhen Water Resources Burea u , She nzhen   er 518038 , China )

Abstract : It was introduced as a new ground treatment method that the composite foundation method named with concrete2cored sand2gravel piles was applied to the embankment strengthening. Based on i n2 situ observation and testing , the consolidation settlement , the pore water pressure , the pile2soil stress ratio and the bearing capacity is investigated. The results indicated that the strength of the concrete2cored sand2gravel pile was high and the effect of drai nage2consolidation was obvious . Furthermore , the strength and bearing capacity of the soil between the composite piles can i ncrease rapi dly. Consequently , the improving foundation method can be widely applied to the embankment engineering because it is available to control the post2construction settlements of deep and thick soft soil s and simultaneously the stability of the embankment slope can be improved greatly. Key w ds : concrete2cored sand2gravel piles ; composite foundation; soft ground of the riverbank ; tests or study (上接第 674 页)

Resear ch on the ca ble ca ble detectin g technology of the evaluation of the mon itor in g in str umen ts
DAI Qun1 , WANG Lin2
(11 Nan J ing Hydra ulic Resea rch Insti tute , Na njing   210029 , China ; 21 Xi aol angdi Dam Project Const ruction a nd Management Burea u o M f WR , Zhengzhou   450000 , China )

Abstract :During the implementing of the automatization system of monitoring , the imbedding of the cable for the monitoring instruments is inevitable. The monitoring instrument s can bri ng out faults resulted from the quality of the cable , construction , deformation of the buil ding , strong electricity , etc. The reason for the faults for t he cable of the instruments is presented first . Then with the classification of the faults , the detecting steps and methods for the fault cable is studied , which is accomplished in the instrument s evaluation of one big water conservancy hinge. Key wor ds :monitoring instrument ; cable ; detect

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