铁路信号电缆网络故障的在线监测研究

摘要：随着社会的快速发展，铁路事业得到很大的发展，因此加大了运输量。铁路信号在铁路运输部门信号传递中是一个非常重要的部分，其在传递列车输运控制信息中占据着越来越重要的位置，铁路信号电缆发生故障对整个列车的安全影响越来越大。同时再加上铁路信号电缆在进行故障定位和分析研究时难度很大，无法快速准确的确定信号电缆的隐蔽故障，这样就加大了对列车正常运行的干扰，同时对列车上人员的生命和财产安全造成很大的损失。所以要提高检测铁路信号电缆故障的速度，研发出效率较高的在线检测系统，针对铁路信号电缆隐蔽性的特点，设计出快速确定电缆故障方位的网络系统。本文分析了铁路信号电缆网络故障的在线监测。

关键词：铁路信号；电缆网络；故障；在线监测

中图分类号：X731文献标识码： A

引言

铁路信号电缆的安全运行直接影响着列车的行车安全，如果一旦有故障发生，没有及时的进行故障的检测，采取相应的措施，就会造成很大的损失，所以研究铁路信号电缆网络故障在线检测是非常有必要的。铁路信号电缆网络故障在线检测和管理能够使得信号电缆的运行可靠性大大增强，同时还能够在最大程度上使得故障排查的工作量大大减小，从而使得铁路能够自动化运营。铁路信号电缆网络故障进行在线监测的时候需要设计出相关的电缆故障在线监测系统，通过系统化的检测平台在线检测铁路信号电缆，从而能够自动化定位信号电缆故障。

1、铁路信号电缆网络故障在线监测方法

随着铁路运输业的提升，铁路对提高信号电缆的要求也在不断提升，要实现铁路信号电缆网络故障的自动监测和处理，达到减少人工参与的目的，这样即可以提高信号电缆使用的可靠性，又实现了铁路的自动化运营。信号微机监测、扩展频谱时域反射法和时频域反射法的结合使用，具有预测到信号电缆低阻故障的作用，同时还可以得出故障的精确测量距离和故障阻抗，最终确定故障具体类型的功能。

1.1、信号微机监测

信号微机监测是集合了现场总线、计算机网络和数据通信等方面要素为一体的可靠网络体系，可以实现对铁路设备的在线监测，并将获得的信息通过网络传递给各分局，以供工作人员进行分析和统计，为以后解决故障提供保证。

信号微机监测网络系统目前广泛运用在我国铁路行业中，是主要的行车安全监测设备，对铁路运输的安全和科学化管理有着重大作用，同时也对铁路信号的维修提供了可靠技术支持。

1.2、扩展频谱时域反射法

扩展频谱时域反射法称为SSTDR，是一种可以在线检测信号电缆的故障检测方法，这种方法主要是依赖于扩展频谱技术[1]。在SSTDR进行在线监测发出信号时，不仅不会影响信号电缆的正常工作，而且还具有能预测到信号电缆低阻故障的作用。SSTDR的工作原理是通过向检测的电缆发射伪随机码和调制信号，得出故障部门的反射时间，主要是因为SSTDR发射的伪随机码和调制信号的自噪声均是零，所以这种信号的发出对电缆的正常工作没有任何影响，同时还能起到在线检测故障的目的。

1.3、时频域反射法

时频域反射法称之为TFDR，比较方便用于分析高斯包络的线性调频信号，因为通常电缆信号都是非平稳信号，而是以高斯分布为特征的，这样就需要TDR来得出更为精确的测量精度。TFDR的工作原理是向检测电缆发射高斯包络调频信号，这些信号接收Wigner的处理，得出故障的精确测量距离和故障阻抗，最终还可以确定故障的具体类型。

2、铁路信号电缆网络故障在线监测思路设计

2.1、明确此法的基本检测功能

为了能够实现铁路信号电缆故障的在线检测一般情况下都是使用SSTDR和TFDR两种检测方法的统一结合硬件平台，这样做的目的是为了能够确的测定信号电缆出现的高阻故障，还能够正确的预知信号电缆的低阻故障，而且其最重要的一点是能够将信号电缆故障的具置进行准确的定位，因此在进行检测是的时候，第一点是要明确它们的基本功能，主要从4个小点进行：1）能够发射任意的信号波，也就是能够调节幅值和频率。2）能够对各种故障发射波形进行接收和识别。3）有精确的定位故障位置，从而能够确定出故障的类型。4）能够进一步的实现信号电缆的自动化的在线管理。

2.2、检测系统的设计内容

SSTDR和TFDR两种方法组成的检测系统主要包括了DSP+CPLD、信号发射模块、信号采集模块、通讯模块。它最主要的思路是由信号发射模块向需要检测的信号电缆发射检测信号，然后再由信号采集模块来接收被测信号电缆所反射的检测信号，将其进储存，然后在同一时间进行传送，到DPS，然后处理对反射信号及相关信息，从而对电缆的故障类型和故障发生的具体距离进行判断，CPLD主要是负责控制信号发射模块和采集模块，而通信模块的主要作用是为了能够进一步的实现与上位机的通信。

在这个测试的系统中，信号发射模块主要是从数字合成的DDS芯片来产生频率和幅度均可调节的任意波形，同时还包括驱动放大电路、变压器和平衡电阻网络等。

因为所测试的信号电缆的反射信号是比较薄弱的，所以故障距离会影响到幅值，所以要设计信号采集模块，主要是选择增益可变化的放大缓冲电路作为其前端缓冲放大电路。对电路进行检测的时候用TFDR，为了确保精确度要选择采样频率大于100MHz的A/D采样芯片和大容量的双口RAM芯片来进行数据缓存处理，然后由CPLD来控制RAM和A/D的时序，DPS完成对采集数据的处理。

3、监测系统实现的功能

（1）实时获取电缆终端运行温度和环境温湿度，让运行维护人员随时掌握设备运行情况。

（2）具有数据记录转储功能，可以将数据存储于大容量电子盘上，并且支持把统计数据以EXCEL文件的形式输出。便于用户查阅和离线存档。

（3）具有报警功能，当设备出现温升过快或温度超过正常温度值时，自动报警。

（4）具备故障预警功能，随着历史运行数据的增加，可以掌握设备运行规律，合理设置报警条件，提前发现电缆终端异常情况，实现故障自动预警功能。

4、电缆出现的问题

4.1、信号电缆故障的原因

1）电缆本身及施工质量差，为电缆故障埋下隐患。

一是电缆本身质量较差绝缘材料防腐性不佳及芯线线茎过细发热量大，造成电缆烧损。电缆无铠装保护施工工艺落后，施工时人为破损。二是电缆埋设深度不足或防护不符合规定。施工管理上的不规范和工程监理人员缺乏监察，电缆施工时，埋设深度不符合设计要求，所存在电缆埋设深度不足。工务部门清理线路渣土，由于电缆深度不符合规定，在施工单位动土作业时就可能损伤电缆。

2）改造作业施工时造成电缆损伤、挖断电缆。

在技术改造及其他施工作业时，施工方由于对现场环境的不了解没有及时与设备归属单位进行沟通，没有对地下电缆设施进行确认和排查制定实施电缆防护措施，对既有电缆走向不清的情况下盲目施工，或电缆归属单位给施工单位提供的资料不准时施工，都会造成电缆挖断、挖伤造成不可逆转的损害。

3）既有电缆防护措施不到位，致使电缆损伤

一是由于信号电缆的敷设受地形、地物的限制，电缆径路不得不穿越桥梁、公路、铁路道口，因此这些处所的电缆防盗、防火的措施尤为重要。虽然也做了防范但电缆被盗、被烧的现象还是时有发生。二是由于线路拨移、站场改造等施工，造成电缆外露，由于疏于看守防护，致使电缆损伤。三是由于电缆埋设深度不足、线路清理、雨水冲刷等多种原因造成电缆外露，因设备管理人员巡视不到位，发生电缆被挖断、被盗、被烧。

4）电气化区段信号电缆屏蔽地线不良打火烧损电缆。在电气化区段由于牵引电流的影响，在电缆外皮上会产生一定的感应电动势，感应电动势依靠外皮地线与大地构成同电位，如果电缆外皮地线接触不好，电缆将与汇流大地间产生压差，轻者电缆特性发生变化，重者产生打火现象烧损电缆。

4.2、解决问题

（1）预防电缆故障的措施

1）强化施工管理，加强施工配合及监督。

在敷设电缆的施工中实行责任追踪制度，必须作好记录，验收交付时进行必要的技术检测并做好验收记录，录入技术档案进行管理。在大修改造工程施工等需要新敷设电缆时，一是选择合理电缆径路。按照《铁路信号工程设计规范》要求，进行敷设信号电缆作业，达到规定要求方可验收。二是严格按照《铁路信号施工规范》和《铁路信号工程设计规范》要求的电缆埋设深度进行施工，设备接管单位和监理部门要加强监督检查和验收。三是设备接管单位要严密监护好电缆地下接续工艺质量，并认真做好原始记录。

2）加强电缆径路的日常检查与巡视，做好技改配合的监护。

一是信号设备维护人员要对电缆实行专责制，设置专人定期对径路进行检查并做好记录。二是根据季节特点，及时清理电缆径路上的杂草、杂物，防止引燃烧伤电缆三是加强对重点地段、区域的电缆径路检查。如遇施工改造及时与施工方取得联系了解施工情况，并准确告知施工方电缆径路的位置，在施工过程中积极配合认真监护确保电缆安全。

3）做好电缆的防护措施加强检查。

电缆径路在穿越桥梁、公路、铁路道口时做好防护措施，采用适当的防护方法，架空、电缆槽、过道钢管、沙砖防护的一系列防护方法并明确标识，经常性、定期性对防护设施进行检查确保电缆安全。

4）完善电缆抢修预案，提高电缆故障应急抢修能力。定期检测电缆备用芯线是否完好并做好记录，一旦发生故障及时更换备用线，配齐、配足电缆故障抢险工具与材料，同时还应配备电缆检查、测试和探测专用仪表，发生电缆故障时及时测试确定故障点，一旦发生电缆被挖断故障，可迅速找到故障点，快速抢修恢复。

（2）SSTDR 和 TFDR 测试方法

SSTDR 检测方法具有预测到信号电缆低阻故障的作用，TFDR 具有得出故障的精确测量距离和故障阻抗，最终确定故障的具体类型的功能。在实际工作中，这两种方法并不是单独使用的，经常结合在统一硬件平台上检测电缆故障，这样即可以确定检测电缆信号的高阻故障和低阻故障，还可以明确检测信号电缆故障的精确位置。系统以 DSP+CPLD 模块为核心电路，主要包括信号发射模块、信号采集模块和数据通信模块。

CPLD 在信号发射模块中需要控制直接数字合成芯片产生相应的发射信号，这些发射信号要经过驱动放大线路，由驱动放大线路的两条不同线路产生大小相同、极性相反的电压信号。

对于信号采集模块的设计要注意在实际工作中检测电缆的反射信号比较微弱，并且其幅值具有不稳定的特点，所以前段缓冲放大电路需要使用大小可进行随意调节的放大缓冲电路。

数据通信模块是为了适应实际工作中电磁环境复杂、通信距离大等因素而设计的一种抗干扰系统。

数据通信的上位机 PC 端通过与总线连接可以利用数据技术实现对铁路信号电缆的故障检测，这样就方便了后续的处理工作，提高了硬件平台的通用性和实用性。

结束语

随着现在铁路运输量的不断加重，运输速度的不断加快，作为整个铁路运输部门信号传递系统的重要组成部分和传递列车运输控制信息的重要载体，铁路电缆线路故障对高铁影响越来越大，因此实时掌握其状态尤其重要。因此设计出快速确定电缆故障方位的网络系统进行检测是非常有必要的。

参考文献

[1]欧阳辉.铁路信号电缆网络故障的在线监测研究[J].科技创新与应用,2014,30:82.

[2]苏路祥.铁路信号电缆网络故障在线检测思路初探[J].中国新通信,2014,06:11.

[3]田昆林.铁路信号电缆接地方式与测试探讨[J].中国新通信,2014,06:55.