JPH0779294B2 - 通信ケーブルの故障位置探知方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は通信ケーブルの故障位置をそのケーブルの一端
から探知する方法の改良に関する。本発明はプログラム
演算回路を導入して探知精度を向上させるとともに自動
化するものである。

本発明は電気信号用のケーブルおよび光信号用のケーブ
ルのいずれにも利用できる。

〔従来の技術〕

従来、通信ケーブルの故障点を探知用測定器とし、メタ
ルケーブルではパルス試験器やケーブル入力インピーダ
ンスの測定により故障位置測定装置などがあった。ま
た、光ファイバケーブルではOTDR（Optical Time Domai
n Reflection）という光パルスの反射によって故障位置
を探知するものが用いられている。これらの測定原理は
いづれの場合も類似しているから、メタルケーブルのパ
ルス試験器による故障探知を例にとり、その原理を説明
する。

第４図に従来のパルス試験器の構成例を示す。図面符号
１はパルス試験器であり、このパルス試験器１、パルス
波形送信部２、反射パルス波形受信部３、ハイブリッド
回路４、整合用トランス５を含む。このパルス試験器１
を被試験通信ケーブル６に接続して用いる。パルス試験
器１を用いるには、パルス波形を送信部２よりケーブル
６へ送信し、ケーブル内を伝搬して返ってきた反射波を
受信部３で受信する。

第２図はこの受信波形の一例を示す。第２図の符号P_Sが
送信パルス波形、同P_Rが故障点からの反射波形を示す。
厳密には、ハイブリッド回路４によって、送信パルス波
形は受信部３では受信できないが、ハイブリッド回路４
のわずかなアンバランスによって、ごく一部の送信パル
ス波形が受信部３にもれこむ時の波形、あるいは送信部
２からの信号を一部取り出した波形を第２図のP_Sとして
ブラウン管上に写し出すことができる。波形P_SからP_Rま
での時間差t_fによって故障点までの距離l_fが次式によっ
て求められる。

ここで、ｖは通信ケーブルにおけるパルスの伝搬速度で
ある。

しかし、実際の通信ケーブルはパルス信号が伝搬する
と、ケーブルに損失や非直線の位相回転があるため、反
射するパルス波形P_Rは第３図のように送信パルス波形P_S
に対していちじるしく変形する。したがって、実際には
伝搬速度ｖを一定値に定めることはできないし、また反
射点t_fも反射パルス波形P_Rのどの位置に設定してよいか
わからない。従来、多く用いられているパルス試験器は
反射波形P_Rから無理に時間差t_fを読み取り（例えばP_Sの
ピーク値からP_Rのピーク値までの時間差）、また、伝搬
時間ｖを近似的に定めて（例えば、 ｃは光速度、εは比誘電率）、故障位置までの距離を定
めている。この方法で行うとどうしても故障位置までの
距離の誤差が生じる。

このため、通信ケーブルの伝搬定数γを正確に求めると
送信電圧V_Sと反射電圧V_Rの関係は次式で与えられる。

V_R＝ｒV_Sexp（−２γl_f） （２） l_f：故障点までの距離 r:反射係数であり、 で表される。

ここで、 Z_r：故障点を含めてケーブルの終端側を見たインピーダ
ンス Z_o：ケーブルの特性インピーダンス ここで、反射係数ｒは故障点を含むケーブルの終端側を
見たインピーダンスZ_rを定めなければ決定できないが、
通信ケーブルでは、一般に断線（Z_r＝∞、ｒ＝１）や短
絡（Z_r＝０、ｒ＝−１）が多いし、絶縁劣化が生じても
絶縁抵抗測定器などでZ_rを比較的容易に求めることがで
きるため、通常ｒは既知であると考えてよい。

式（２）は周波数領域での式であるため、送信電圧がパ
ルス波形V_S（ｔ）の場合には次式で反射電圧波形V
_r（ｔ）を求める必要がある。

V_R（ｆ）＝V_S（ｆ）rexp（−２γl_f） （３） ここで、 V_S（ｆ）＝Ｆ〔V_S（ｔ）〕 Ｆ〔・〕はフーリエ変換の記号 さらに V_r（ｔ）＝Ｆ^−１〔V_R（ｆ）〕 （４） Ｆ^−１〔・〕は逆フーリエ変換記号 式（４）により、パルス反射波形V_r（ｔ）が求まる。

ここで、第３図の波形を計算するために、フーリエ変換
およびフーリエ逆変換を行うが、実際には変換を行うた
めの時間軸上の積分範囲を設定する必要がある。数学上
では積分範囲を−∞〜＋∞まで選ばなければ厳密には完
全にもとの波形を再現することはできない。このため、
ウインドウを時間軸上にかけて時間軸上の波形から周波
数軸上の成分への変換あるいはその逆変換を行うことが
一般に行われる。このウインドウの幅の決定方法につい
ては多くの理論があり、方形波窓、ハミング窓、ハニン
グ窓、ガウス窓などがある。このウインドウを適当に選
んで、次にその幅（例えば第３図では零よりすこし左側
から、P_Rの波形よりすこし左側）を選んでフーリエ変換
または逆変換を行えばよいが、もともと送信パルスV
_S（ｔ）は変換してまた逆変換してももとの波形になっ
てしまうため、写像の変換作用には全く無関係となり、
反射波形V_r（ｔ）だけが意味のあるものとして求められ
る。

積分範囲の選び方とともに大切なのは、サンプリングの
方法である。サンプリングの方法はナイキストのサンプ
リング定理によって行わなければならない。さらにフー
リエ変換または逆変換が可能かどうかについては数学的
に厳密な証明を必要とするが、簡単に述べれば、微分可
能な空間の集合の部分集合からなる信号波形を取り扱っ
ているとしている。

この性質を利用して、故障点までの距離l_fを変化させな
がらパルス反射波形V_r（ｔ）を式（４）の計算式により
求めて、実測したパルス反射波形V_rm（ｔ）と一致した
時のl_fを求める故障点までの距離とする方法を提案した
（特願平１−55709,“通信線路の故障位置探索装置",本
願出願時に未公開）。

〔発明が解決しようとする課題〕

この方法は故障点までの距離l_fを良い精度で求めること
ができる。しかし、この方法を実施するには通信ケーブ
ルの伝搬定数γをあらかじめかなり精度よく知っておく
必要がある。通信ケーブルが多種ある場合や、既に布設
され利用されているケーブルでは、伝搬定数γをあらか
じめ正しく求めておくことは困難である。このため、実
現的な方法として標準的な通信ケーブルの10〜20種類に
ついて、それぞれのケーブル毎の伝搬定数を準備してお
き、その伝搬定数で式（４）を計算することになる。

このようにすると、同一種のケーブルにおいても伝搬定
数が５〜10％程度のバラツキがあることがわかった。実
際に測定している通信ケーブルの伝搬定数と、標準とし
て準備していた伝搬定数との間に最大10％の差が生じる
と、式（４）で計算した反射波形V_r（ｔ）と実測ケーブ
ルの反射波形V_rm（ｔ）が一致しても、故障点までの距
離l_fに10％程度の誤差が発生することになる。したがっ
て、標準的な伝搬定数と実際のケーブルの伝搬定数との
間の誤差があるかぎり距離l_fの誤差を小さくすることが
できない。

本発明はこれらの欠点を解決するもので、あらかじめ定
数を準備しておく必要がなく、さらに精度を向上するこ
とのできる方法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、第一の特徴として、故障のない参照ケーブル
について仮想の故障を設定し、その仮想の故障について
故障位置をパラメタとして受信される反射波を演算し、
被試験ケーブルについて受信される反射波とほとんど一
致する反射波が演算されたとき、その演算パラメタとし
て利用された仮想の故障位置を被試験ケーブルの故障位
置と推定するものである。

さらに、第二の特徴として、その参照ケーブルとして、
被試験ケーブルと特性の類似する実在のケーブルを選定
し、その参照ケーブルについて被試験ケーブルと同等の
パルス信号により反射波の実測を行い、その実測の結果
から得たデータを基に前記仮想の故障を演算するもので
ある。

さらに、第三の特徴として、被試験ケーブルについて測
定された反射波と、参照ケーブルについて演算された反
射波とを比較し、その誤差が小さくなるように前記仮想
の故障位置を変更して繰り返し演算を行うものである。

〔作用〕

故障心線の周囲にある故障のない実在する心線の伝搬特
性を利用して計算したパルス反射波形を補正し、故障点
までの距離l_fの誤差を減少させる。

〔実施例〕

第１図は本発明方法を実施する装置全体のブロック構成
図である。この装置構成は、パルス試験器１、このパル
ス試験器１の出力データについてプログラム演算を実行
する演算装置７、この演算装置７に必要なデータを蓄積
するデータベース８、およびこの演算装置７の演算結果
を表示する表示装置21を含む。

本発明実施例方法では、まず、パルス試験器１に被試験
ケーブルである心線６′を接続する。演算装置７のスイ
ッチ31を図の下側に倒す。送信部２からパルス信号を送
信し、これが心線６′の中で反射して戻る反射波を受信
部３で受信する。この受信された反射波はアナログ・デ
ィジタル変換回路11でディジタル信号に変換されて、メ
モリ17に蓄積される。

つぎに、作業者はパルス試験器１に故障のない参照心線
６を接続する。この故障のない参照心線６は被試験心線
６′と同じケーブル束の中に実装され、被試験心線６′
と同じ距離だけ施設された心線を作業者が選定する。す
なわちこの参照心線６は被試験心線６′とその正常時の
特性がきわめて類似しているものを選ぶ。スイッチ31を
図の上側に倒す。

この参照心線６について送信部２から前記パルス信号と
同等のパルス信号を実際に送信し、このパルス信号が心
線６の中で反射して生じる反射波を受信部３で実際に受
信する。この受信された反射波はアナログ・ディジタル
変換回路11でディジタル信号に変換され、メモリ12に蓄
積される。

ここで、演算および比較演算が実行される。参照心線６
について、仮想の故障が設定され、その仮想の故障位置
について仮想の距離を変更しながら、受信される反射波
を演算する（ブロック10〜14およびブロック16）。この
演算結果を比較手段18で実測されメモリ17に蓄積されて
いる被試験心線６′についての反射波と比較する（ブロ
ック18）。比較結果を一時保留して、仮想の距離を変更
して（ブロック20）この演算を繰り返す。

さらにこれを詳しく説明する。

本発明の特徴は第１図に示すブロック図に斜線がけをし
た、ブロック10、12、13、14および16にある。残りの部
分は従来例（特願平１−55709）とほぼ同等である。

まず、故障心線６′の側にスイッチ31をたおし、パルス
信号を送信部２から送る。故障心線６′のパルス反射波
を受信部３で受信し、その波形をAD変換回路11で離散的
に読みとりメモリ17に故障心線パルス反射波形測定デー
タとして蓄える。一方、故障心線６′は通信ケーブルの
データベース８より読み出し、どのようなケーブルがど
のような長さで設置されているかプログラム的に構成す
ることができる。そのケーブル構成を演算手段９で演算
実行する。このケーブル構成に仮想の故障点を設定し、
パルス波形を加えた時のパルス反射波形を演算手段15で
計算できる。この演算方法については前述の式（２）〜
式（４）のとおりであるが、式（２）〜（４）は単純な
一本のケーブルでのパルス反射波形の計算例を示したも
のである。実際のケーブルでは分岐した状態や異種心線
が長さ方向に接続されているため、故障点を含むパルス
反射波形の計算は非常に複雑となる。しかしこのように
して各インピーダンス不均等と故障点を含めた反射波形
の計算式を得ることができる。故障点の状態について
は、式（２）〜（４）の説明で述べたように、別の測定
器等で容易に定められているから、そのデータを用いる
こともできる。

パルス反射波形を理論的に求めるには、故障点までの距
離l_fのみが未知数であって、その他の定数はデータベー
スなどにより定まっていることになる。この演算で用い
るケーブルの伝搬定数はデータベース８から読取って演
算手段９の中で整理され、演算手段15での演算に利用さ
れている。演算手段15のパルス反射波形の計算値は比較
手段18に入る。この比較は一例として演算手段15の計算
された波形とメモリ17にある測定波形の差の２乗和をと
り（これを「残差」と呼ぶとする。）、この残差がゼロ
であれば、計算波形と測定波形とが完全に一致すること
となるので、演算手段15で計算した時に設定した仮想故
障点の位置が正しかったことを意味する。この残差がゼ
ロでない時には仮想故障点の位置を少し変えて再び計算
し、比較し残差を得る。順次この方法をくり返して残差
がゼロになるとき、または最小となるときの仮想故障点
が故障位置となる。これを表示部21で表示する。

次に、演算手段10、12、13、14および16の機能を詳しく
述べる。

まず、故障心線６′が発生すると、作業者はそれに類似
の特性の参照心線６を見つける。類似の特性は、故障心
線６′と全く同じ性質の心線であれば最適であるが、全
く同じでなくてもよい。これは故障をしていない心線で
あることが重要である。故障心線６′と大体長さが同じ
で、故障心線が導体径0.4mmのもの1Km、0.65mmのもの2K
m、のように長さ方向に接続されていればそれと同じよ
うな構成をもつ心線でも実用的に有用である。

例えば、上記の例では0.4mmφのものが1.1Km、0.65mmφ
のものが1.8Kmに接続されているものはだいたい似てい
ると考えてよい。

一般には一つのケーブルに100対〜400対などたくさんの
心線群があるから、故障した心線と同一のケーブルの中
から同じような長さのものを選ぶと参照心線６としてよ
いものがある。このような選び方であれば、一般のどの
ようなケーブルでも必ず故障心線６′と類似の特性の参
照心線６を見つけることができる。したがって本発明で
は、前もって特別の基準となる心線のようなものを準備
する必要もない。以上のようにして、参照心線６が定め
られる。

つぎに、パルス試験器１で参照心線６のパルス反射波形
を測定する。AD変換回路11で参照心線６のパルス反射波
形についてAD変換処理を行いメモリ12にその波形を蓄え
る。一方、この参照心線６について通信ケーブルデータ
ベース８より対応するデータを読出し、演算手段９でそ
のケーブル構成を行う。この参照心線６のケーブル構成
にパルス波形を加えた時のパルス反射波形を演算手段10
で計算する。

参照心線６のパルス反射波形計算値と実測した測定値の
それぞれの波形をフーリエ変換し、その各周波数成分を
比較手段13で比較する。ここで、参照心線６は故障して
いないから、計算値と測定値は等しいはずである。した
がって計算値と測定値のそれぞれの周波数成分をフーリ
エ展開をしてその比をとれば、どの周波数でも一致する
から比の値はほぼ１となるはずである。

しかし、実際にはわずかに異なり、比は必ずしも１とは
ならない。この理由は計算したパルス反射波形を求める
時に利用した参照心線の線路定数の標準値が実測した参
照心線６の線路定数と異なるからである。これは前記の
故障心線の故障点を求める時に生じた10％程度の誤差と
同じ理由である。

かりに参照心線のパルス反射波形計算値を測定値と一致
させる（あるいは残差を最小とする）ようにするには、
参照心線の計算に用いる標準的な線路定数を少し変化さ
せて最も一致するような線路定数を見つければよい。と
ころが実際にはケーブルの長さ方向に各種のケーブルが
接続され、また分岐ケーブルなどもあるため、個々の線
路定数が異なり、たくさんの線路定数を少しずつ変化さ
せて完全に一致させることは極めて難しい。

そこで、本発明では計算したパルス反射波形と測定した
パルス反射波形の各周波数成分（フーリエ展開を行えば
よい）の各周波数ごとの大きさと位相の比をとると、わ
ずかにずれた分だけその比が１からずれることを利用
し、この各周波数ごとの「比」を抽出手段14により抽出
する。

このようにしてから、次に接続を故障心線６′に切り換
えてパルス反射波形を前述したようにメモリ17に取り込
む。一方、仮想故障点の故障心線のケーブル構成より、
パルス反射波形を計算し演算手段15に蓄える。この故障
心線６′のパルス反射波形計算値と、前に求め記憶させ
てある参照心線６についての各周波数ごとの比を乗算
し、計算波形15の各周波数成分を少し補正して再びフー
リエ逆変換を行って時間波形にもどして記憶する。この
ようにすると、記憶されている元々の周波数成分の比は
参照心線の線路定数がケーブルのデータベース８の標準
的な値よりわずかにずれていたため生じたものである
が、故障心線６′の線路定数も同一ケーブル内では同じ
程度にずれると推定されるので、周波数成分毎の比を演
算手段15で求めた値に乗算し補正すると、ほぼ正しいパ
ルス反射波形計算値が復元できる。

したがって、そのパルス反射波形計算値と測定値を比較
しながら、仮想故障点を変化させていった時の残差が最
小になる時の故障点が正しい故障点になる。

ここで、補正をするため、周波数成分毎の比を演算手段
15で求めた計算波形の周波数成分に乗算すると上記で述
べたが、より正解には故障点の故障状態に応じて以下の
通りの方法で乗算するとさらに精度が良くなる。

ケーブルは良く知られているように１つの４端子定数で
電気的特性を表わすことができる。通常ではＦマトリク
スでその電気的特性を表わし、 と書ける。

複合線路や故障点があっても、ケーブル全体をみたＦマ
トリクスは１つの形で表わすことができ、例えば２種類
のケーブルのＦマトリクスをそれぞれF₁、F₂とすれば、
ケーブル全体のＦマトリクスは のように１つのマトリクスとして書ける。したがって、
どんなに複雑なケーブルでも１つのマトリクスで表現で
きることができる。

ここで、参照心線の計算によって得たマトリクスを とし、心線終端に絶縁抵抗Z₂をつけたとすると、この時
の参照心線全体の入力アドミタンスＹは となる。

一方、実際の参照心線のマトリクスを とすると、実際の参照心線の終端にも同様に絶縁抵抗値
Z₂を取付けたとすると、その時の入力アドミタンスY₂は と表わすことができる。

ここで、 は参照心線の端末が開放（開放端あるいは故障断線）の
場合の入力アドミタンスであるから、これをYinとお
く。

そこで、式（５）は となる。実際の参照心線のでは端末が開放だから、Yin
は測定できるが、もし、絶縁抵抗Z₂が端末に取付けてあ
れば式（６）のようにYinから少しずれることになる。

ここで、A_S、B_S、D_Sは実際には求められないが、実験的に D_S／A_S≒D/Aであり、Z₂＞10KΩであれば であるので、 としても大差がない。したがって、 にできる。このようにすると、参照心線全体の入力アド
ミタンスは絶縁抵抗Z₂をつけることにより、 と補正した方がよいことになる。

前の説明では周波数成分毎の比を演算手段15で求めた計
算波形の周波数成分に乗算すると述べたが、さらにK₁倍
（K₁は１より大きい定数）して乗算した方が故障部の絶
縁抵抗Z₂をよりよく補正できる。もし、参照心線の計算
値に用いた４端子定数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄと実際の参照心線
の４端子定数が近いとK₁≒１となる。さらに、ここでは
乗算と書いたが除算してもよい。

表は、実際に故障したケーブルを模擬して求めた本発明
による故障位置からの誤差と従来例方法による誤差を求
めた例を示す。

この表の計算例は全長4Kmの導体径0.5mmCCPケーブルを
用いたもので、線路定数（Ｒ、Ｌ、Ｇ、Ｃ）のうち影響
の最も大きい容量Ｃの標準的な値（データベース値）か
ら実際のケーブルでは10％の容量Ｃが増加している場合
とした。また、故障は断線しているとした。この場合、
故障位置が500m〜4000mまで変わると従来法では例えば3
000m地点の故障では207mの誤差が発生する。しかし、本
発明では誤差が98mとなり、約1/2の誤差減少が得られる
ことがわかる。

ただし、表は参照心線として400mを選んでいるので3000
mの誤差が98mとまだかなり大きいが、この結果にもとず
いてさらに参照心線を3000mのものに選びなおすと、300
0m地点での誤差がほとんど０になる。すなわち、参照心
線を故障が起っている点までの長さにすると誤差がさら
に改善されると考えてよい。

以上の説明では、参照心線や被試験心線のパルス反射波
形をフーリエ展開して補正計算などを行ったが、ある１
つの周波数または複数の周波数により参照心線や故障心
線の入力インピーダンスを補正計算しても同様に故障点
距離が求められる。この技術については追って出願す
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は故障点までの距離について
データベースに蓄えられた基本データに誤差があって
も、その誤差より著しく小さな誤差で故障点までの距離
を推定を行うことができる。また同一ケーブル内から適
当に参照心線を選ぶことは実用的に簡単なことである。
したがって特別の補正用の心線やデータなどをあらかじ
め用意する必要がない。以上のとおり本発明によればき
わめて精度を高く故障点までの距離を推定できる実用的
な方法が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施したパルス試験器とその測定デー
タの処理装置の構成例図。 第２図はパルス試験器によるパルス反射波形の一例を示
す図。 第３図は減衰したパルス反射波形の一例を示す図。 第４図は従来例パルス試験器の全体構成図。 １…パルス試験器、２…パルス波形の送信部、３…反射
パルス波形の受信部、４…ハイブリッド回路、５…整合
用トランス、６…参照心線、６′…故障心線、７…測定
データ処理部、８…通信ケーブルのデータベース、９…
通信ケーブルをデータベースより構成する演算手段、10
…参照心線のパルス反射波形を計算する演算手段、11…
測定波形のAD変換信号処理を行うAD変換回路、12…参照
心線のパルス反射波形の測定値を蓄積するメモリ、13…
参照心線のパルス反射波形計算値と測定値との比較を行
う比較手段、14…比較した各周波数成分の変化分の抽出
手段、15…故障心線パルス反射波形の演算手段、16…計
算波形に補正を行う演算手段、17…故障心線のパルス反
射波形測定値を蓄積するメモリ、18…測定波形と補正し
た計算波形の比較手段、19…残差が最小となる故障点の
判定手段、20…故障点距離をパラメータとして変化させ
る演算手段、21…故障点距離の表示部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被試験ケーブルの一端からパルス信号を送
   信し、その被試験ケーブル内で生じるそのパルス信号に
   よる反射波を受信し、その反射波の受信信号をそのパル
   ス信号の送信時を起点とする時間軸上で分析する通信ケ
   ーブルの故障位置探知方法において、 前記被試験ケーブルと類似の特性であり故障の発生して
   いない実在の参照ケーブルを選定し、この参照ケーブル
   の一端から前記パルス信号と同等のパルス信号を送信
   し、その参照ケーブル内で生じるそのパルス信号による
   反射波を受信し、その反射波を分析したデータを利用し
   てその参照ケーブル内の上記一端から仮想の距離で仮想
   の故障が発生したものとして上記一端で受信される反射
   波を演算し、この演算された反射波と前記被試験ケーブ
   ルについて受信された反射波とを比較し、その比較誤差
   が小さくなるまで、前記仮想の距離を変更し、その比較
   誤差が最小になったときの仮想の距離を被試験ケーブル
   の故障の距離と推定することを特徴とする通信ケーブル
   の故障位置探知方法。
2. 【請求項２】前記参照ケーブルとして、前記被試験ケー
   ブルと同一のケーブル束に実装されているケーブルを選
   定する請求項１記載の通信ケーブルの故障位置探知方
   法。