卷首语
电力，现代工业社会的重要驱动力。电缆，能量与需求获得匹配的现实路径。就电力供应而言，埋地电缆相较于要经受风吹雨淋的架空线路具有更大优势，它不但避免了电缆长时间暴露在空气中，易受酸碱气体和水汽腐蚀，而且能够在提高土地利用价值的同时极大降低电力传输的损耗。
得偿其利，必承其弊。
世界上没有绝对完美的事情。埋地电缆的弊端也因埋地而产生，一旦线路发生问题，寻找故障点费时费力是行业难题。一旦发生故障，其修复短则几日，长则十几日，覆盖区域停工停产，损失不言而喻。近代以来，快速找寻埋地电缆故障点成为行业之困，一直也没有一个高效的解决办法，直到一个人的出现······
01
1970年，对于43岁的西电教师保铮而言，人生正经历着至暗时刻。
四年前，保铮被戴上了“反动学术权威”的帽子，“牛棚”替代了教室与实验室。性格与家教使然，面对这样的横逆，保铮一点也不屈服，态度坚决：“反动”不承认，“权威”不敢当。就这样，他被迫离开了自己钟爱的雷达事业，“解放”变得遥遥无期。
“铮”，字典上的解释是：才能突出，刚正不阿。
人衬其名，铮铮风骨，故事还得从四十年前的一个冬日说起。
1927年12月1日，在今天的江苏省南通市，一个书香之家正沉浸在添丁的喜悦之中。《通通日报》社社长保澐孙迎来了自己的第七个孩子，第五个儿子。保澐孙，晚清秀才，能书善画，对新学颇具兴趣。南通，“南北通州通南北”之“南通州”，得益于张謇苦心经营，工厂、工业、教育在这里兴起，由是，此地得誉“中国近代第一城”。保澐孙早期在我国近代实业家张謇手下做事，深得赏识。1926年，张謇过世后，保澐孙独立创办《通通日报》直到抗战爆发，被迫中辍。
保澐孙展卷提笔，一个“铮”字赋予了一个父亲对儿子一生的期许。
少年保铮，命运多舛，与近代国家经历的战乱的大背景相伴随，这个书香之家也在漂泊中日渐中落。因病两度辍学，但保铮向学之心，一仍其旧。终于，在1949年，与国家迎来命运的彻底改变相同步，保铮迎来了人生之路上第一次大转变。
21岁的保铮被四所大学录取，分别是清华大学、交通大学、大连大学、唐山工学院。21岁的保铮选择了大连大学，理由是这里实行供给制。这里为这个从贫与病的困境中走出的江南青年提供了潜心治学的环境。
▲青年保铮（西电档案馆馆藏）
1949年秋天，这个南国青年刚刚从上海踏上开往北国的列车。学生车厢挂在货车后面，沿着货车路线一路北上，他们放弃了从天津登船前往大连的计划，目的在于避开国民党飞机的轰炸。
与家国的命运同构，人生的际遇亦是由一系列选择所连缀。在大连，保铮遇到了影响自己一生的恩师毕德显——中国雷达工程专业的主要创始人。
得遇良师，在一个人的成长中必为一件幸事。而之于保铮，这样的幸运却还在延续。
▲1949年保铮在大连大学工学院的学籍表（图片来源于《保铮院士传记》待出版）
保铮，终其一生，都对大学时代的实验课记忆深刻，自觉受益颇多。而当保铮来到大连之时，他这位从清华大学物理系毕业的实验课老师刚刚结束十年旅欧游学，回国一年。王大珩，后来的“两弹一星功勋奖章”获得者，中国近代光学工程的重要学术奠基人，此时正在大连执鞭而教，为新中国第一批建设人才的成长而殚精竭虑。
▲王大珩院士（图片来源于网络）
1951年的冬天，鸭绿江畔燃起的战火烧过了第一个年头。此时的中国，四万万同胞同仇敌忾，参军的热情正在华夏大地高涨，保家卫国是响彻在青年人心中的时代之音。此时，一个重大消息在大连大学里炸了锅，工学院电讯系将集体参军入伍，并入张家口中央军委工校（西电前身）。就这样，在时代的洪流之中，保铮与西电的不解之缘就此铺展。从东北的黑土地到西北的黄土地，西电成为承载保铮一生的地方。
02
1970年秋天，在位于今天西安市太华路立交附近的关中供电局（今西安供电局），一个大学教师骑着自行车从十几里外前来报到。这一年的秋天，保铮身上命运的枷锁开始出现松动的迹象。在这个知识分子下乡下工厂接受“再教育”的特殊岁月，保铮上班的地点也变成了供电局的电缆班，工作的内容也不再是挖防空洞。每一天，保铮就这样骑着自行车从城南到城东，雄伟的明城墙成为路途之上必经的穿越，哪怕此时的保铮依旧名字名列“另册”等候运动后再处理，依旧处于人生的低谷，但是相比于此前四年，虽然“解放”的比较晚，总算是有了人身自由。
对于一个研究者而言，字典里从来没有放弃这个词。二十年前，保铮之所以选择电讯专业就读，是因为他在入学前就为第二次世界大战中雷达的神奇作用所深深吸引，矢志在雷达研究领域有一番施展。作为我国首届雷达专业的毕业生，毕业留校之后，保铮一直从事的是雷达的教学与研究工作。
在供电局上班期间，保铮对于专业的思考从未停止。一日，他在西安外文书店看到影印版的斯科尔尼克编著的《雷达手册》的第一眼就决定把它买下来，哪怕高达10元的价格是彼时一笔不小的开支。
“你人在供电局就不会搞雷达了，还买这书干什么呢？”他无言以对同行者的善意之问，但他心里知道，研究，自己从未放弃。无论身处何地，只要有不放弃研究的精神，总是能为国家做出贡献的。
我们可以从一场曾经的争论进一步理解保铮身上这股气韵。作为教师，教材编写是保铮一生极为重视的一件事情。发生在1957年的一场争论凸显了保铮之“铮”。
新中国成立伊始，电子工业基本上可谓白纸一张，雷达专业的教学工作面临无书可用的窘境。编写教材便成为人才培养中一项绕之不开的基础工作。《雷达指示设备》这是保铮一生中独立编写的第一部教材。当时编写教材的参考书有两个来源，一个是图书馆藏的麻省理工学院出版的雷达丛书，另一个则是苏联教材。彼时，中苏尚未交恶，苏联顾问的意见在实践中非常现实地影响着中国教育的取舍。保铮在综合参考美苏两国资料的基础上，融入了自己在今天看来依旧不过时的观点。苏联专家对保铮编写教材的方法很不赞成。在其看来，应该用什么讲什么，学生学会操作就可以了。保铮反对“用就讲，不用就不讲”的教学原则。他认为应该让学生在学校把理论搞清楚，把雷达显示设备的各种显示方式都讲给学生，即使有些显示方式在实际中很少用到甚至不用。这是启发式教育理念和实用导向教育理念在教学中的冲撞，显现着创新与跟随在人才培养和学科发展中的分野。保铮没有因为苏联专家的权威而放弃自己的看法，他坚持了自己的观点，这种观点背后的坚持实质上是一个研究者在面对具体问题时候眼界和观瞻的折射，一腔孤勇，才有可能天地新开，创造出新的局面。
▲《雷达指示设备》（图片来源于网络）
03
1970年的秋天，一个跟雷达毫不相干的问题就这样出现在这个研究者的眼前。
来到电缆班，保铮的任务从之前在学校的挖防空洞变成了维修埋地电力电缆。彼时，面对电缆故障点的探测和定位这一个行业难题，传统的方法是先用高功率的电源加在电缆端头，在高压作用下故障点产生的热将故障扩大化，行业里称之为“烧穿”，即将高阻故障烧成低阻故障后用脉冲法再进行测量。这种故障探测还只是“粗测”，估计得到故障点距电缆端点的长度，通常有1~2米的误差，加上埋地电缆布图的原始资料不准确,实际精度更差一些。传统的方法浪费时间，效果还不尽人意，首先“烧穿”颇为费时，一般要两、三天，甚至有些情况下要烧五、六天或更长时间，据说曾有过费时半个月的记录。在别的管区还有干脆烧不下来的，只好把埋地的电缆全挖开。挖很长的深坑（一般电缆埋地深度为1 ~2米）来寻找故障点是很不经济的。在传统方法之外，如果坏得很厉害，可以用“电桥法”和“脉冲法”利用故障点形成的低电阻通道探测出它的位置。比较遗憾的是几乎所有故障都是“高电阻”的，用2000伏的电阻摇表测量，和好电缆没有什么区别，但加上万伏的高压，就会在故障点形成高阻通道。对这样的高电阻故障，“电桥法”和“脉冲法”都无能为力。
▲电缆故障测寻技术革新小组进行测试实验（西电档案馆馆藏）
这就是摆在电力供应行业持续已久的行业难题，亟待解决，但从业者却束手无策。
平心而论，对于电力，保铮的储备仅仅限于基本的电工知识。但是，对于一个研究者而言，国家的需要就是研究的动力，有了这样一种思想上的储备，剩下的就是逢山开路遇水搭桥的努力了。然而，久受批判的保铮也不敢保证尝试就一定可以成功，在开始之前，一个在多年以后依然在保铮的脑海里留下深刻印象的人发挥了思想上的清障作用，张师傅，这个后来成为西安供电局局长的人，彼时是保铮所在电缆班的班长。这是一个有担当的人。
“搞技术革新哪能保证一定成功，只要认真做，失败了总结教训，对今后的工作也是有价值的。革新方案是大家讨论同意的，失败了首先由我班长负责。”班长不仅解决了保铮思想上的最后顾虑，更是一路支持保铮申请到了研制经费。感动之余，“书呆子气”十足的保铮全力投入到电力电缆故障测试工作当中去了。
科研进入到攻关阶段后，他索性从学校搬到了工作间住下，为期数月的夜以继日就此铺开。日后被誉为“雷达裁判长”的国家院士，此时，正在将自己在雷达领域积累的知识与方法创造性地应用在电缆检测中，在一个完全陌生的领域开始了福尔摩斯探案一样的跨界之旅，他要找到快速有效地捕获故障点的办法，从根本上解决这个电力行业头疼已久的问题。
04
对于一个电力和电器高压技术的门外汉，最好的学习方式就是在跟班劳动中熟悉各个工序的操作。在经过探测电缆故障各个工序的多次操作后，用故障点短路的电弧所形成的反射回波来测点定位的想法逐渐在保铮的脑海里清晰了起来。一个跨领域的技术实践有了线路图。保铮结合雷达专业制作了一个高压脉冲发生器，目的在于设法在故障点加脉冲高压，使之形成相当于短路的电弧，产生反射回波。为了实验顺利开展，供电局专门在院子里埋了一条百余米长的废电缆。保铮用高压脉冲法在废电缆上得到预期效果，即在加几百伏的低压脉冲时，故障点没有反应，而在高压脉冲作用下，立即收到回波，并从回波的滞后时间估计出故障点的距离，这意味着试验成功迈出了可喜的第一步。然而接下来的试验并不顺利。将其用于实际探测的结果并不尽人意，两次实际探测均以失败告终。
▲高压闪络测量法（图片来源于杨国栋论文）
问题到底出在哪里了呢？
带着问题，保铮开始了反思，他发现问题的症结主要在于对电弧形成的条件缺乏认识。彼时的技术条件下，埋地电缆主要用油浸纸做绝缘，故障的形成常常是在油浸纸中出现了空隙，空气在高压作用下产生电离而形成电弧。电弧的形成需要一定的时间，高压作用的时间只有0.2微秒，是不足以形成电弧的。
“需要加宽的脉冲！”保铮找到了破解之道。
然而，保铮很快发现，新的问题随之而来：宽的脉冲不仅发生器制作困难，而且脉冲越宽，测距的分辨率就越差。1微秒时间相对电波在油浸纸里传播为160米（以双程计为80米）。对形成电弧来说，微秒级的时间是远远不够的。宽脉冲有可能在故障点形成电弧，但难以测距。为了解决故障电弧放电和测距分辨率对电压持续时间要求的矛盾，保铮利用平时现场定点时加的冲击高压，这一高压的持续时间相当长，足以使故障点形成电弧，多次试验之后，这一点获得了证明。
▲保铮、曾嘉执笔《用闪络法测寻电力电缆故障》，发表于《西北电讯工程学院学报》1974年第1期
“冲击高压的前沿可能比较平缓，但它要上升到较高的电压，而且持续一定时间才会形成电弧，电弧形成的瞬间相当于将故障点立即短路，将该处电压突降到零，这一突变的电压会被短路的电弧反射，并反向传到电缆端头。这一电压在电缆端头再反射，则它就会在故障点和电缆端头间来回传播，而从突变波形的来回传播的时间可以算出两者之间的距离。为了在电缆端头不影响加冲击高压，而又能观测到反射回来的电波，并可将波形的变化过程提取岀来加以显示，在放电球到电缆端头之间串接了一个小的电感线圈，用示波器可直接观测到电缆端头的电压波形。”保铮用清晰的语言这样向大家描述这一探测方法的可行性。
▲西北电讯工程学院研制出的我国第一部埋地电力电缆故障闪测仪（西电档案馆馆藏）
实践再一次为保铮的探测方法亮起了通过的绿灯，在现场探测中用示波器得到预期波形，并从波形的特征中很快读出故障点的距离。
一个困难被克服，另一个困难接踵而来，接下来的难点是显示。
从电缆端点取出瞬态波形并不困难，但要将它显示出来，用一般的示波器清晰观测则有难度。冲击电压的周期以秒计，示波器还不能显示这样的过程，幸运的是彼时国内直观式存储管已试制成功并小批量生产，用直观式存储管组成示波器就能解决这一问题。直观式存储管可以提供几十秒的观测时间，这就可以利用同屏的电子距离标尺读出故障距离了。
时间很快来到了1971年，新年伊始，保铮最开心的事情是成功购买到了一只直观式存贮管，这意味着几个月的研发工作终于可以进入到制作冲击闪络电力电缆故障探测仪的冲关环节。这将是一场集体的战斗。保铮之外，西电的曾嘉、严茂宏，供电局电缆班的李世富、何敬贤、魏道玶，都加入到这场战斗中来。为了争取时间，项目组就住在工作间里，两个月之后，我国第一台电子管冲击闪络电力电缆故障探测仪最终问世。
1971年5月，仪器开始投入使用，将仪器和附加设备（包括大的功率变压器、大电容器和球间隙等）连接好后，几分钟就能完成故障点的粗测。加上现场定点和挖岀故障电缆总共只需约半天，比传统方法大大缩短了时间。由此，一种新的快速有效地解决电力供应中埋地电缆故障检测的方法最终落地成可堪一用的仪器设备，并很快得到了推广，为广大供电部门所采用。而国外出现类似原理的论文还是三年以后的事情。
1972年，保铮离开了关中供电局，回到雷达研究与教学这片事业的蓝海。这项发明经过改进优化，最终定名DGC-711电缆故障测试仪，成为西电实习工厂的一个重要产品。定名711是纪念它诞生的时间1971年。
▲DGC-711电缆故障测试仪（西电档案馆馆藏）
▲1977年电子工业产品产量计划（西电档案馆馆藏）
1978年3月18日，北京，春寒料峭，影响深远的全国科学技术大会在人民大会堂召开。保铮、包州、金有巽等5人作为西电代表被党和国家领导人接见。电力电缆故障探测仪与其他三项科研成果一并成为代表西电获奖的自主完成成果。能够出现在国家最高级别的奖励名单上，侧面折射了电缆故障测试仪的含金量。紧接着在这一年的4月23日，在陕西省暨西安市召开的科学技术代表大会，保铮被授予“科技先进工作者”荣誉称号，“埋地电力电缆故障测试仪”项目组被授予“先进集体”光荣称号。而此时，项目组的工作并没有划上终止符，仪器的价值展现才刚刚开始。
▲1978年，党和国家领导人接见全国科学大会的代表。西电保铮等5人被接见。（西电档案馆馆藏）
▲1978年全国科学大会奖状（西电档案馆馆藏）
▲DGC-2数字式电缆故障测试仪（西电档案馆馆藏）
▲DGC-2数字式电缆故障测试仪获得电子工业科技成果一等奖（西电档案馆馆藏）
▲DGC-2数字式电缆故障测试仪获得国防工业科学技术研究成果三等奖（西电档案馆馆藏）
05
1979年12月的一个夜晚，古城西安城郊的一家化工厂正经历着危险的时刻——充氮气仓库因地下电缆故障停电随时有爆炸的危险。此时，一辆汽车刚刚从西北电讯工程学院的校园急急驶出。张栋国、翟麦劳、蔡二信等带着测试仪正火速赶往事故现场。
“挖吧”，到达现场用仪器检测几分钟后，张栋国非常自信地指出故障点的所在位置。千钧一发，化险为夷，埋地电力电缆故障测试仪的价值凸显无疑。一场潜在的爆炸事故因为科技的力量消于无形。
▲DGC-711T电缆故障测试仪（西电档案馆馆藏）
▲1981年我院九项科技成果获四机部奖励（西电档案馆馆藏）
这样的经历对于张栋国而言并非绝无仅有的一次。
坐标四川德阳重型机械厂，当四个电炉和一个平炉正在为一根用于远洋巨轮的重达250吨的主轴浇铸时，其中一炉钢水因停电，温度开始下降。温度决定钢材质量，主轴温度需要的优质钢对温度有着严格的要求。电炉的降温导致钢水凝固，不仅会造成电炉报废，更会使250吨的主轴浇铸失败，损失巨大。由于是电缆故障，工厂一边采取保温措施，一边紧急向西电求救。就这样，张栋国连饭都顾不上吃就踏上了飞往四川的航班。这一次，西电的利器再一次为国家挽回了损失。
▲关于发放四机部电子工业科技成果奖和国防工业重大技术改进奖奖金的通知（西电档案馆馆藏）
▲张栋国教授荣获电子工业科技进步一等奖（图片为张栋国提供）
损失的挽回不仅仅在于潜在危险的消除中，甚至亦可让已经废弃的资产重新找回它的使用价值。在山西中条山铜矿，埋于地下13年因无法找到故障点而废弃的一条电缆就这样在埋地电力电缆故障测试仪的“搜救下”重获新生。不仅如此，它还救活了埋于地下40年之久的日伪时期的一条废弃电缆，简直就是地下探宝的神器。
▲张栋国教授参与电力电缆故障抢修的新闻报道（西电档案馆馆藏）
任何一个发明都不可以做到一劳永逸，随着数字化时代的到来，保铮领衔发明的电缆故障测试仪，背靠西电，也与时代一起不断地经历着迭代。
▲1988年，DGC-711型电力电缆故障测试仪获得企业标准。（西电档案馆馆藏）
时间来到1991年，西电电波研究室科研课题组利用高速AD/DA技术、单板机技术和示波管，推出我国第一台数字化DGC-911智能型电缆故障测试仪。初步完成了电缆故障测试仪由模拟到数字化、半智能化的过渡。这款产品在使用上更加安全可靠，仪器返修率大大降低的同时，性价比也得到大幅度提升。小巧美观便携式更加适合电缆故障的现场抢修。DGC-911智能型电缆故障测试仪很快在全国得到普及。数字化DGC-911智能型电缆故障测试仪为西电赢得电子部科技进步三等奖和陕西省科技成果一等奖两项桂冠。
▲关于公布1991年度校科技成果奖的通知（西电档案馆馆藏）
▲张栋国教授向档案馆/校史馆/博物馆捐赠藏品
五年后，在DGC-911智能型电缆故障测试仪的技术基础上，西电课题组利用当时流行的笔记本电脑研制成功“笔记本电脑+数据处理单元+电流取样器”的便携式电缆故障测试仪，便捷性进一步提升。
又五年后，2001年，电波研究室科研课题向市场推出更具智能化的FH-8631型电缆故障测试仪。细致的波形，读数精度达到0.1米，触摸屏操作的简便快速，使我国的电缆故障测试仪和测试技术又达到了一个崭新的高度。
随着市场化时代的到来，仿制不可避免，国内电缆仪市场空前繁荣时，市场竞争亦空前激烈。无论仿制产品的功能如何变化，这些型号的电缆故障测试仪全是基于“冲击高压闪络法”，无一例外。三十年的时光过去了，保铮在第一代产品发明上所采用的创造性方法的原理一直沿用了下来。好的设计思想的前瞻性由此可窥一斑。
▲埋地电力电缆故障测试仪简介（西电档案馆馆藏）
在全球化的时代里，技术竞争从来不以国界为藩篱。新世纪到来前，随着北京供电局从德国保尔公司引进的一台电缆故障测试车出现在中国的电缆故障检测现场。“二次脉冲法”引起了国内科研人员的瞩目。该车上装了一套“二次脉冲法”电缆故障测试仪。“二次脉冲法”同样基于“冲击高压闪络法”雷达测距原理。由于“二次脉冲法”的故障波形类似于易于判读故障距离的短路故障波形，并且还能将故障波形与电缆全长的开路反射波形同屏叠加对比。且电弧短路故障点回波极性与电缆开路全长反射回波极性相反。因此，判断故障距离简单明了，比之以前在国内普及的直接观察判读冲击高压闪络形成的复杂反射波形要高明许多。一般的技术员经过简单培训后，就能正确判读故障距离，大大减少误判率，也大大提高了电缆故障排除的效率。
毫无疑问，“二次脉冲法”在当时是当之无愧的世界最先进的电缆故障测试方法。
然而，数百万元人民币的高昂价位，而且还需要外汇，不是一般供电部门所能负担的。即使进口德国保尔公司的一套没有电缆车的S32型电缆故障测试仪，也需要120万元RMB。尽管工艺和技术无可挑剔，因其价格原因和庞大的售后服务费用，仅有几个资金雄厚的供电局和大型企业能够配置，很难在国内普及。这留给了中国的科研团队赶超的时间与机会。
2002年，张栋国带领的几位博士生组成的攻坚团队再一次出发了。
经过两年的技术攻关，课题组解决了在数万伏冲击高压的情况下同时利用“低压脉冲法”显示短路故障回波的关键技术难题，达到了与德国保尔公司的S32型电缆故障测试仪同样的测试效果。于2004年自主研发出我国第一台FH-8636型二次脉冲法电缆故障测试仪，填补了国内空白。由于FH-8636型二次脉冲法电缆故障测试仪的市场销售价格仅有进口设备的十分之一，使其S32型电缆故障测试仪的价格从120万元RMB一下降到了56万元RMB。
青出于蓝欲胜于蓝。西电的研究者并未止步，大量的现场试验发现“二次脉冲法”也不尽完美。冲击高压闪络形成的不可避免的大震荡波有时会对低压脉冲法的故障反射波形产生干扰，导致波形重叠混乱。尽管这种情况不多，也说明“二次脉冲法”还有改进的必要。
西电再次组织攻关小组，提出利用冲击高压闪络时故障点有较长的数毫秒电弧短路时间的特性，由软件程序控制发出八个低压测试脉冲的改进方案。这个方案能保证至少有5组以上二次脉冲的短路故障回波能避开冲击大震荡波形对故障回波的干扰，既提高了测试效率，也保证了故障距离读数的准确性和高精度。终于在2004年正式向市场推出FH-8637“八次脉冲法”电缆故障测试仪。“八次脉冲法”和“二次脉冲法”本质相同，同属于冲击高压闪络法范畴。但是，这项小小的改进却使我国的电缆故障测试技术更加完善，一下子超越了进口仪器的水平。近十几年来，FH-8637“八次脉冲法”电缆故障测试仪一直被仿制，在操作界面、操作方法、系统设置等方面，各厂家不同型号的电缆故障测试仪各具特色，但FH-8637“八次脉冲法”电缆故障测试仪的关键技术上却从未被超越。
结束语
2022年10月，西安的秋天如期而至，在秦岭北麓的西安电子科技大学校园内，一场捐赠之后的分类整理工作正在校史馆内如火如荼地进行。累计200余件的讲义、笔记、书籍、证书、磁带、照片等各类档案进一步丰富着“西电记忆”的故事厚度，三位捐赠者中就包括张栋国教授。从发明人保铮到接续改进者张栋国，“测试仪”在过去的半个世纪里折射着西电与国家发展同呼吸共命运的赤子情怀。“技术报国”在秦岭北麓这片中国电子科技的高地上每一夜的灯火通明里，熠熠生辉，生生不息······
