复杂配线系统中绝缘缺陷诊断与定位技术
摘要： 本文介绍了国内外绝缘缺陷诊断与定位技术的几种典型方法。重点分析了目前国外最新研究并成功应用于飞机配线系统检测的脉冲火花放电(PASD)法。最后总结了几种绝缘缺陷诊断与定位技术方法的应用范围和局限性，并对PASD法的应用前景做出展望。
引言
载人航天器、商业客机一旦出现事故，将难以救助，其造成的社会影响力远大于地面、水面运载工具的事故影响力。同时，由于航天器、商业客机的造价远大于地面运载工具，发生事故后发生的经济效应非常严重，如1998年瑞士航空公司一架客机因电线着火失事，最终造成了公司破产。航天器、飞机上有非常复杂的通信、电力系统，在高空紫外辐射环境下，特别是对于航天器的飞行环境，宇宙高能射线会加速系统绝缘的老化，导致绝缘缺陷。及时诊断绝缘缺陷，以解决安全隐患，对于保证航天器、飞行器的安全具有非常重要的意义。
传统的检测方法
时域反射法(TDR)是一种远程电子测量技术。它最早被应用于电力和通讯工业上，用于确定通信电缆和输电线路的故障与断裂。其所采用的基本原理是“脉冲发射”法。根据传输线理论,在有限电缆的一端发送一个探测脉冲,它就会沿着电缆线路进行传输,如果线路正常且终端负载阻抗等于线路的特征阻抗时,发射脉冲被负载吸收而无反射回波产生;如果线路有故障时,故障点的阻抗不再是线路的特征阻抗,从而将产生反射回波，其反射系数定义为反射波幅度与入射波幅度的比值。当线路发生断线等故障时,故障点的阻抗即为负载阻抗,通过测量出的反射系数, 计算出负载阻抗的大小,再依据传输线的特征阻抗,就能够分析出故障的性质。同时,通过测量发射脉冲和反射脉冲之间的时间间隔,可以计算出测量点与故障点的实际距离,从而精确定位。
在进行TDR测量时，必须处理TDR波形中的多次反射问题。被测装置如果具有若干阻抗层，这种多次反射就会使TDR示波器上的图像严重失真。对于由同轴电缆、金属屏蔽层和周期性的用节点和系带捆绑在一起的双绞线组成的复杂配线系统，存在沿导线长度方向的高度不均匀阻抗特性，这时就不适宜采用时域反射法进行绝缘缺陷的诊断与定位。
局部放电是绝缘介质内部发生的局部重复击穿和熄灭现象，这种放电一般发生在电缆的局部缺陷处，放电量很小，在放电初期基本不会影响电力电缆的绝缘能力，但如果这种放电长期发生，则会逐渐的损坏电缆的绝缘，缩短电缆寿命。
由于局部放电时，电缆的绝缘电阻、介质损耗和泄露电流都不会有太大变化，因此，检测以上参数是无法判断出局部放电的。但在绝缘发生局部放电的时候，一般都会产生电脉冲、电磁波放射、光、热、声等现象，基于对这些现象的研究，局部放电检测技术中相应出现了电检测法和光测法、声测法、红外热测法等非电量检测方法。
在目前市场上，电测法仍是局部放电检测中最重要的手段，其中的脉冲电流法已经很成熟，由于其检测灵敏度很高，且容易进行放电量校准，但是，由于其易受到外电路的电磁干扰，使其灵敏度大大下降，在现场环境中，脉冲电流法应用并不很多。超高频检测法是近年发展起来的新型局部放电检测方法，具有频带高、灵敏度好、抗电磁干扰能力强等显著优点，被认为是最有潜力的局部放电在线检测方法。但是，超高频检测用微带天线传感器目前还在研究之中，制造工艺要求甚高，技术尚不成熟。
脉冲火花放电法用于绝缘诊断
1996年，Department of Energy-sponsored Nuclear Energy (DEO)对于PASD法在复杂配线系统中的应用首次立项进行了试验研究。这项关于PASD法的基础性研究于2002年10月申请到一个美联邦航空部(FAA)为期3年的项目，研究焦点集中在商业航天器复杂配线系统和PASD技术的实际应用。研究证实PASD法能够检测和定位复杂配线系统中的多种缺陷，例如运行在空间环境中的航天器导线系统的老化过程，制造缺陷，安装损坏以及在传统电线/电缆系统中各种各样缺失的缺陷。Sandia国家实验室于2005年2月8日因PASD技术获得了美国专利。
PASD技术采用一个高电压(几kV)，低能量(几mJ)的短脉冲来诱发绝缘缺陷点处的电气火花放电，图1为其概念图解。此脉冲由一个结构紧凑的电池驱动的脉冲发生器产生，它可以和进行绝缘缺陷诊断的软件一起封装在一个小盒子里，组成一个便携式系统。此脉冲能量在量级上与走在人工地毯上而产生的静电放电电量相当。足够低的能量水平不会损坏主绝缘或复杂配线系统中的导体。放电沿测试条件下的导体到一个邻近的返回通道(另一导线或地面) 内发生。在短短几个纳秒时间内发生电弧阻抗击穿，这将产生一个瞬时的短路并把能量返回到注入点处的传感器。这时传统的TDR技术就可以准确地定位缺陷点的位置。这项技术还可用来直接检测绝缘系统的介电强度，因为PASD电压还不足以击穿整个绝缘体，仅仅是暴露在中心的绝缘缺陷受到影响。
图1 PASD概念的图解
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PASD技术首先利用低电压(数百伏)脉冲测试电缆的阻抗特性，建立对PASD在不规则阻抗配线系统中测试能力非常重要的阻抗基线。此基线用于对比高电压脉冲下的发生击穿的电缆阻抗曲线。然后注入脉冲电压并逐渐上升以检测绝缘缺陷。如果出现能探测到的缺陷的最小阈值，传感器波形将偏离低电压特性基线。波形与特性基线相分离是由于发生了电弧击穿,两个波形的分离点即为绝缘缺陷点处。
随着施加测试电压的升高，在相同实验过程中的基线变化是规则的。因而不需要为了对比而建立线路特性基线的数据库。这也是脉冲火花放电法的优点。
脉冲火花放电法的技术难点
实验证明PASD法在较长的配线系统中也非常有效。在PASD的早期发展中，人们关注的是PASD脉冲的高频分量能不能有效地沿着为低频特性而设计的绝缘长导线传播。当 PASD脉冲沿着长导线传播时，脉冲振幅的衰减主要是由导线的非均匀阻抗特性引起的。这在松散的捆绑在一起的双绞线中特别明显，进行相关研究则具有重大的意义。
对更长的线路长度，首先对线路施加1～2kV的预脉冲，然后再施加PASD脉冲。预脉冲可以是单一的直流电压，也可以是几微妙的短脉冲。当处理较长导线时这种“复合脉冲”方法比单一脉冲更为有效。因为在长导线中持续的阻抗变化不断地削弱PASD脉冲的峰值，如果削弱足够厉害，就会没有足够的电压击穿缺陷点。如果施加一个缓慢上升的预脉冲，整条线路上的电势随阻抗变化独立上升。随后快速上升的PASD脉冲注入并沿着导线传播到检测缺陷点(缺陷点处已经充电到大约几千伏，这时PASD脉冲就比较容易将缺陷点击穿)。这种“复合脉冲”方法的实施是PASD法的难点。
PASD法应用实例
实例1：PASD法检测与定位表面破损
图2(a)显示了一个同轴电缆上外部屏蔽层存在磨损的例子。
图2(a) 同轴电缆外部屏蔽层存在磨损
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图2(b)显示了在此电缆在测试条件下的PASD波形。下面的波形代表测试条件下电缆的低电压阻抗基线。上面的波形是高电压脉冲诱发绝缘缺陷点处击穿的阻抗曲线。波形首次分离处代表电缆的起点，末次分离处代表电缆终点。两次事件的时间差表示电缆的长度(以时间计)。显而易见，由于电弧击穿导致缺陷点处阻抗发生急剧变化。这个变化大概发生在沿电缆长度的中点。计算得到缺陷点位于25.8英尺长电缆的11.7英尺处。
图2(b) 电缆的PASD波形
在这个实例中，PASD的脉冲峰值为12.4kV，脉冲宽度为5ns。
实例2：PASD法检测与定位绝缘破裂
图3(a)显示了一根100英尺长的双绞线中63.3英尺处具有0.5mm的裂口缺陷，应用PASD技术检测的波形如图3(b)所示。
图3(a) 双绞线中的裂口缺陷
图3(b) PASD检测波形
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应用PASD技术可以很容易地诊断和定位到双绞线中的缺陷，缺陷特征非常清晰。电缆总传输时间为276ns，在182ns处波形开始分离即为缺陷点处。脉冲在电缆中传播速度为2.76ns/ft，因脉冲宽度引起的传播延迟时间校正值取9ns。可以计算得到缺陷点的位置：
实例3：PASD法检测与定位结构上的微小裂缝
图4(a) 中缺陷位于10英尺长导线的5英尺8英寸处。应该注意到此缺陷为一个非常小尺寸的缺陷，一般反射技术无法检测到。
图4(a) 导线上的缺陷
图4(b)显示了PASD诊断波形，缺陷点可以很清楚地辨别。低电压阻抗基线的波形与高电压波形在26.8ns处相分离，因此可以计算得到该微小裂缝的位置：
图4(b) PASD诊断波形
结语
商业航天器、飞机的配线系统的多对双绞线被周期性的节点和系带捆绑在一起，这就造成了沿导线长度方向的高度不均匀阻抗特性。绝缘缺陷本身可能比较小，却造成了缺陷点处阻抗的不可估量的改变，这些特性往往让阻抗测量或传统的时域反射(TDR)方法显得无效。其他的方法如局部放电法或直流击穿技术，或许可以检测到一些类型的绝缘缺陷，但不能对复杂阻抗配线系统进行定位。
PASD在检测和定位复杂多样的绝缘缺陷，如复杂配线系统中的绝缘破裂、表面磨损和结构上的微小裂缝等都是非常有效且准确的。它完全不受导线阻抗变化的影响，这一性能在航天器配线系统中非常重要，同时它对电缆主绝缘也是非破坏性的。由于PASD法设计概念新颖而简单，低能量的PASD脉冲发生器和检测定位装置很容易地装入一个便携式系统，轻便灵活。尽管这种方法还有待于进一步发展成熟，但如果能将其应用到复杂配线系统，尤其是航天器、飞行器的配线系统，将对潜在的绝缘缺陷的诊断和定位带来极大的方便。
参考文献：
1. A New Capability to Detect and Locate Insulation Defects in Complex Wiring Systems, IEEE Electrical Insulation Magazine, July/August 2005 — Vol. 21, No. 4
2. M. A. Dinallo and L. X. Schneider, “Pulsed arrested spark discharge (PASD) diagnostic technique for the location of defects in aging wiring systems,” Sandia National Laboratories Report, SAND2001-3225, Oct. 2001.
3. L. X Schneider and R. K. Howard, “Pulsed arrested spark discharge (PASD) wiring diagnostic”, in 8th Joint FAA/DoD/NASA Conf. Aging Aircraft, Feb. 2, 2005.
4. S. F. Glover, M. B.Higgins, G. E. Pena, and L. X. Schneider, “Assessment of the non-destructive nature of PASD on wire insulation integrity,” Sandia National Laboratories Report, SAND2003-3430, Sep. 2003.
5. Howard, R. Kevin, Schneider, L. X, Dinallo, M.A., Pena, G.E., “Assessment of the Ability of PASD to Located Defects in Typical Commercial Aircraft Wiring”,SAND2005-2290.
6. 张舒、师奕兵、刘科，时域反射测量技术在网络故障检测中的应用，中国测试技术，2005，31(5)：40-41，62
7. 郭俊、吴广宁、张血琴等，局部放电检测技术的现状和发展，电工技术学报，2005，20(2)：29-35
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