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惠斯登电桥在处理铁路信号电缆接地故障中的运用
张继光（中铁建电气化局南方工程有限公司 湖北武汉 430074）
摘 要：对于铁路信号工程来说，电缆故障是一个比较棘手的问题。总的说来，信号电缆故障分为断线、混线、接地三种情况，本文主要探讨利用惠斯登电桥查找信号电缆的接地故障点。
关键词：惠斯登电桥 信号电缆 接地 故障点
参加过铁路信号工程施工的都知道，电缆故障是一个比较棘手的问题。总的说来，信号电缆故障分为断线、混线、接地三种情况。混线故障和断线故障的处理方法相对来说比较简单，完全混线的情况可以直接在混线芯线两端量出电阻，得出两电阻比值，与该电缆长度相乘，即得出故障点距离。不良混线的情况，则可从该电缆中选取一对良好芯线，测出其环阻，然后在混线芯线两端分别测出电阻值，与良好芯线的环阻值对比，得出其混线不良电阻，从而算出故障点距离。而断线的故障，可以用测线间电容的方法来处理，虽然准确度不高，但是基本上可以得到大致的故障位置。接地故障是最难处理的一种，现场一般借助惠斯顿电桥。
惠斯登电桥（又称惠斯顿电桥）是在1833年由samuel hunter christie发明、1843年由charles wheatstone改进及推广的一种测量工具。最先，它只是用来测量未知电阻的电阻值，其原理和电位计相近。
一、惠斯登电桥原理
惠斯登电桥原理如图1所示，被测电阻rx和三个电阻r1、r2、r0构成电桥的四个臂。当在a、c端加上直流电源时（电源对角线），b、d即谓“桥”，桥上串联的检流计g是用来检测其间有无电流流过，即比较“桥”两端的电位大小。
图1 惠斯登电桥原理图
调节r1、r2和r0的值，可使b、d两点的电位相等，检流计g的指针指零，即通过检流计的电流为零，此时电桥达到平衡。电桥平衡时，则有：
i1*rx=i3*r1 （式1）
i2*r0=i4*r2 （式2）
又因为g中无电流，所以有i1与i2相等，i3与i4相等，上列两式相除，得：
rx/r0=r1/r2 （式3）
rx=（r1/r2）*r0 （式4）
式4即为电桥平衡的条件。
二、qj23型箱式直流单臂电桥表
（一）qj23型箱式直流单臂电桥表原理
分析qj23型箱式惠斯登直流单臂电桥电路图，根据惠斯登电桥原理，有：
rx=（r1/r2）*r3=k*r3 （式5）
其中k为比率系数，当比率转换开关k转换到0.001的挡位时,即代表 r1/ r2的值为0.001，同样，当k转换到1000档位时，即代表r1/ r2的值为1000。
rx是被测电阻接线柱。
r3由四个可变电阻箱串联组成.每个可变电阻箱的挡位x1Ω、x10Ω、x100Ω、x1000Ω构成。
图2：qj23型箱式直流单臂电桥表原理图
（二）箱式惠斯登电桥的操作方法
1、检流计的指针作调零处理。
2、确定待测量电阻的大致数值,在rx被测电阻接线柱间接上被测量电阻。
3、根据被测量电阻的大小值选定比率转换开关k连接的挡位。
4、测量时用跃接法按下“b”和“g”按钮(按下后立即松开)，若指针偏向“+”方向，则增加r3的数值，若指针偏向“-”方向，则减小r3的数值，反复调节直至电桥平衡。
5、测量有感电阻(如电机、变压器等)时，应先接通“b”和后接通“g”按钮,断开时应先放开“g”再放开“b”。
6、使用完毕,必须断开“b”和“g”按钮，并且将检流计的联接片接在内接位置，也保护检流计。
（三）qj23型箱式直流单臂电桥表版面布置图：
图3：qj23型箱式直流单臂电桥表版面图
三、使用qj23型箱式直流单臂电桥表查找电缆接地故障点
电缆芯线接地故障是一个比较难处理的问题，相比电缆混线来说，电缆接地故障点的查找确定非常困难。一般来说，只要电缆敷设前做好电缆测试工作，就不会出现电缆接地的问题。但是由于客运专线的电缆并不是埋在电缆沟里，而是敷设在线路两旁预留好的电缆槽中，再加上交叉施工，免不了出现电缆被砸伤而导致电缆芯线接地的情况出现。那么，如何利用惠斯登电桥来确定电缆接地故障点呢？
如图4，这是使用电桥确定电缆接地故障点的电路原理图，其中a为良好芯线，b为接地芯线；良好芯线的电阻值为rl（已知）；故障点把接地芯线分为两部分，一部分电阻为rx，另一部分为ry；r3为可变电阻箱的读数。
使用电桥确定电缆接地故障点操作方法如下。
1、首先利用两端开路测试绝缘的方法，确定故障电缆属于哪一个区段。
2、确定故障点在某两个箱盒之间以后，在一端箱盒处短接故障芯线和一根良好芯线，在另一端将电桥表被测电阻接线柱与两芯线相接，同时将电桥表的负极接地（与贯通地线连接）。
3、选定一个比率档位，用跃接法按下“b”和“g”按钮(按下后立即松开)，若指针偏向“+”方向，则增加r3的数值，若指针偏向“-”方向，则减小r3的数值，反复调节直至电桥平衡。
图4：直流单臂电桥计算电缆接地故障点原理图
根据惠斯登定律，电桥平衡时，则有：
（rl+ry）*r2 =（rx+r3）*r1 （式6）
又根据：
r1/r2=k （式7）
rx+ry=rl （式8）
可计算得出：
rx=（2*rl-k*r3）/（k+1） （式9）
设电缆全长为l米（已知），则可计算出故障点距测试点的距离为：
d=(rx*l)/rl （式10）
计算出该距离以后，不要急于查找位置，应更换一次或两次比率档位（即k的值），校对计算数据。在实际应用中，可能出现检流计“转不动”的现象，这是由于电路中电流太小而造成的，可以考虑外接电源和高灵敏检流计。
在实际应用中，由于仪器的误差及其他因素的影响，想做到精准的计算是很难的，所以计算出接地故障点位置以后，要不急不躁，耐心查找。
参 考 文 献
[1] 铁路职工岗位培训教材编审委员会，《信号工》，中国铁道出版社；
[2] 吴柳，《大学物理学》，北京高等教育出版社；
该文原载于“中国社会科学院文献信息中心主办《环球市场信息导报》（理论）杂志”。2011年4月28 日出版，转载请注明出处 |
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ems86 
发表于 2011-7-8 23:20:06
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