CN103592577A - 一体式定向非接触电缆故障检测定位传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种一体式的定向非接触电缆故障检测定位传感装置，其包含一个磁环、两个导体环、一个绝缘外套和一个缓冲垫，磁环、导体环、绝缘外套、缓冲垫主体呈环状圆筒型结构，分别由两个对称的半圆型结构紧密连接组成，磁环和两个导体环顺次紧密嵌入在绝缘外套中，缓冲垫用于填充在磁环、导体环与待测电缆之间。本发明通过导体环与待测电缆形成的圆筒型电容，实现反射法电缆故障定位装置中高频信号的非接触耦合传输，避免了故障定位装置与待测电缆之间的电气连接。磁环增强了该段待测电缆的电感，能够控制信号的传输方向，实现对待测电缆的定向检测。本发明装置能够应用于复杂线缆网络系统的故障定位，具有安装便捷、安全性高等特点。

Description

一体式定向非接触电缆故障检测定位传感装置

技术领域

本发明属于电缆故障检测领域，涉及一种针对反射法电缆故障检测定位的一体式定向非接触检测定位传感装置。

背景技术

在电缆故障检测定位领域，反射法效果显著，其应用最为广泛。反射法向待测电缆中注入信号，信号在故障点处发生反射，通过采集反射信号、识别反射信号的相位特性实现对故障的检测与定位。

SSTDR（Spread Spectrum Time Domain Reflectometry）即扩展频谱时域反射法，其原理框图如附图1所示。当开关Sw闭合时，入射信号被送入待测电缆中，入射信号在电缆故障点处会由于阻抗不匹配而发生反射，同时接收反射信号，将入射信号与反射信号按下式进行相关运算。

$r\left(t\right)={\∫}_0^{T}s\left(t\right)*x(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

式中s(t)为入射信号，x(t-τ)为反射信号，r(t)为相关运算结果，T为检测信号周期。从相关运算结果(检测曲线)中可以提取电缆故障的类型和距离(故障信息)。

SSTDR相对于其他反射法的一大优势在于，检测信号不影响电缆的正常工作，因而可以对正常工作的电缆实现在线监测(在线指的是电缆正常工作)。在线监测能够发现电缆运行过程中出现的故障，这对排除电缆的潜在隐患具有极为重要的意义。

然而，无论是SSTDR或是其他反射法，都需要将检测装置与待测电缆的导体直接相连，从而实现信号的注入。这需要断开电缆原有连接、改变电缆系统的接口端子，随着次数的增多，对电缆可能造成一定损坏，在检测高压电力电缆时也会带来一些不安全因素。采用容性耦合传感方式的非接触式反射法，避免了检测装置与待测电缆之间的电气连接，无需对待测电缆进行改动变化，使用简便，能够极大地提高反射法在实际应用中的安全性和便捷性。

在存在分支的电缆网络系统中，分支点处的多重反射会影响对故障信息的提取。实际的电缆网络系统分支众多、线路复杂，实现入射信号向待测电缆中的定向耦合，控制其传输方向，能够抑制多支路反射和多重反射，是实现电缆网络系统环境下有效定位故障的关键，也是反射法由单支路推广到电缆网络系统应用的关键。

在电力线载波领域中，电力线载波通信系统中的耦合装置能够实现载波信号向电力线中定向注入，耦合装置包括线路阻波器GZ、耦合电容器C、结合滤波器JL（又称结合设备）和高频电缆HFC，与电力线路一起组成电力线高频通道。如附图2所示。

电力载波机是电力线载波通信系统的主要组成部分，主要实现调制和解调，即在发端将音频搬移到高频段电力线载波通信频率，完成频率搬移，载波机性能好坏直接影响电力线载波通信系统的质量。

耦合电容C和结合滤波器JL组成一个带通滤波器，其作用是通过高频载波信号，并阻止电力线上的工频高压和工频电流进入载波设备，确保人身、设备安全。

线路阻波器GZ串接在电力线路和母线之间，是对电力系统一次设备的“加工”，故又称“加工设备”，加工设备的作用是通过电力电流、阻止高频载波信号漏到变压器和电力线分支线路等电力设备，以减小变电站和分支线路对高频信号的介入损耗及同一母线不同电力线路上高频通道。

结合设备连接载波机与输电线，它包括高频电缆，作用是提供高频信号通路。输电线既传输电能又传输高频信号。

然而，由于耦合电容与电力线存在电气连接，安装电力载波机时，需要对电力线进行改动操作，破坏原有的电力线系统结构。并且线路阻波器是串联在电力线上的电感设备，在接入时，同样需要对电力线进行改动变换，这也会破坏原有的电力线系统结构。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种在不对电力线路进行改动的前提下，能够将电缆故障检测反射法中的入射信号定向非接触耦合至待测电缆中的一体式传感装置。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一体式定向非接触电缆故障检测定位传感装置，其特征在于包含一个磁环、两个导体环、一个绝缘外套和一个缓冲垫，所述磁环、导体环、绝缘外套、缓冲垫主体呈环状圆筒型结构，分别由两个对称的半圆型结构紧密连接组成，磁环和两个导体环顺次紧密嵌入绝缘外套中，缓冲垫用于填充在磁环、导体环与待测电缆之间，检测定位时，磁环和两个导体环在绝缘外套和缓冲垫的夹紧作用下无缝套设在待测电缆上，两个导体环分别带有引出电极实现与反射法电缆故障定位装置电连接，两个导体环与待测电缆形成两个圆筒型电容器，实现对高频入射信号的非接触耦合传输及对反射信号的非接触采集，磁环增加所套电缆段的电感，实现对高频入射信号的高阻抗，控制其耦合传输方向。

本发明中的导体环实现将高频入射信号非接触耦合至待测电缆中。导体环与待测电缆导体层没有电气连接，导体环、待测电缆导体层、待测电缆绝缘层三者形成一个一定容值的圆筒型电容器，实现高频入射信号的非接触耦合传输。导体环设有引出电极，与反射法电缆故障定位装置的信号端口相连接。靠近磁环的导体环的引出电极连接反射法电缆故障定位装置的信号发射端，实现高频入射信号向待测电缆中非接触耦合传输；另一个导体环的引出电极连接反射法故障定位装置的信号采集端，实现对反射信号的非接触采集。

本发明中的磁环实现对高频入射信号耦合传输的方向控制。在待测电缆中外套磁环，增加了电缆外介质的导磁率，增大了该段电缆的电感，对高频入射信号形成高阻抗，阻止入射信号向套有磁环的方向传输，能够控制其耦合传输方向，实现对待测电缆的定向检测。

磁环、导体环与待测电缆之间填充有弹性绝缘材料做的缓冲垫，其作用是避免导体环与电缆之间留有空隙，实现导体环与待测电缆的紧密无缝安装，以免空隙造成非接触电容容值的减小。磁环与两个导体环紧密嵌入在绝缘外套中，绝缘外套实现对整个传感装置固定，形成一体式的耦合传感装置。

导体环的内径、厚度及长度等参数设计，需使形成的非接触电容达到一定容值，对入射信号和反射信号的阻抗尽可能小，衰减程度低。磁环的内径、厚度及长度等参数设计，需使外套磁环的电缆段的电感达到一定感值，实现对入射信号的高阻抗，所选磁环的磁性材料需满足材料的饱和磁密关系式。

缓冲垫的厚度应在确保磁环、导体环与待测电缆无缝固定的情况下尽可能小，以减小对非接触电容容值的影响。磁环与导体环的间距应在不使两者发生接触的情况下尽可能小，以减小整个传感装置的尺寸。两导体环的尺寸是一致的，其间距不能过小，避免两个导体环之间形成较大的寄生电容，对信号的传输造成影响。

本发明中所有部件主体基本呈环状圆筒型结构，环状圆筒型结构加工成两个半圆型结构，可以实现简便、快捷地安装应用。

本发明的一体式定向非接触电缆故障检测定位传感装置通过两个导体环与待测电缆形成两个圆筒型电容，分别实现高频入射信号的非接触耦合传输和反射信号的非接触采集，避免了故障定位装置与待测电缆之间直接的电气连接。磁环增强了所套电缆段的电感，对入射信号形成高阻抗，控制了入射信号的耦合传输方向，实现了对待测电缆的定向检测。本发明所有部件主体基本呈环状圆筒型结构，环状圆筒型结构加工成两个半圆型结构，只需将两个半圆型结构进行紧固，通过绝缘外套和缓冲垫的夹紧作用将一体化传感装置固定在待测电缆上即可，无需对待测电缆进行改动操作，不会破坏电气系统的结构，具有安装便捷、安全性高等特点，且能够实现定向检测，使反射法适用于复杂电缆网络系统环境下的应用，可真正实现电缆故障的在线检测。

附图说明

图1是扩展频谱时域反射法的原理框图；

图2是电力线载波通信系统示意图；

图3是本发明的立体结构图；

图4是本发明的侧面解剖图；

图5是本发明的磁环端横截面图以及导体环端横截面图；

图6是本发明的等效原理图；

图7是两个一定参数的导体环间寄生电容随导体环间距的变化曲线；

图8是两个半圆型结构的导体环三维图；

图9是定向非接触传感方法应用至SSTDR的仿真检测曲线；

图10是定向非接触传感方法应用至SSTDR的实验检测曲线。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

图3中所示的一体式定向非接触电缆故障检测定位传感装置，其包含有磁环6、两个导体环4、5，检测定位时，三者均套在待测电缆上。磁环6和导体环4、5与待测电缆绝缘层2之间设有弹性绝缘材料做成的缓冲垫7，磁环与导体环顺次紧密嵌入绝缘外套3中，形成一体化的耦合传感装置10。靠近磁环6的导体环5带有引出电极9，与反射法电缆故障定位装置12的信号发射端连接，另一个导体环4带有引出电极8，与反射法电缆故障定位装置12的信号采集端连接。

图4所示为本发明的侧面解剖图，待测电缆包含导体层1和绝缘层2，待测电缆外套一个磁环6和两个导体环4、5，中间填充缓冲垫7，两个导体环4、5尺寸一致，分别带有引出电极8、9，绝缘外套3通过其内表面具有的与磁环6和导体环4、5外径尺寸匹配的凹槽实现磁环和导体环的紧密嵌入，构成一体化的耦合传感装置。图5中，A-A为本发明的磁环的横截面图，由外至内分别为：绝缘外套3，磁环6，缓冲垫7，待测电缆绝缘层2，待测电缆导体层1。B-B为导体环的横截面图，由外至内分别为：绝缘外套3，导体环5，缓冲垫7，待测电缆绝缘层2，待测电缆导体层1。

图6所示为本发明的等效原理图。两个导体环与待测电缆导体层、以及待测电缆绝缘层形成一个一定容值的圆筒型电容器，实现对高频入射信号和反射信号的传输。导体环5与待测电缆形成非接触电容C1，实现入射信号向待测电缆中耦合，导体环4与待测电缆形成非接触电容C2，实现对反射信号的采集。在待测电缆中外套磁环，增加了电缆外介质的导磁率，使得该段电缆形成具有一定感值的电感L1，对高频入射信号形成高阻抗，阻止入射信号向电缆支路2方向传输，控制入射信号的传输方向，实现对电缆支路1的定向检测。反射法故障定位装置通过非接触电容C1将入射信号耦合至待测电缆中，入射信号在电缆故障点处发生反射，通过非接触电容C2采集反射信号，进行数据处理，得出故障信息。

待测电缆外套磁环后的电感需对反射法电缆故障定位装置的入射信号形成足够阻断其传输的高阻抗，待测电缆外套磁环后的电感与磁环尺寸之间有如下关系式。

$L_0=\frac{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\μ}}_0}{2\mathrm{\π}}\×\ln \frac{r_2}{r_1}$

其中，L₀为外套磁环电缆段的单位长度电感，μ_r为磁环的相对磁导率，μ₀为真空磁导率，r₁和r₂分别为磁环的内径和外径。

设待测线缆的单位长度电感为

单位长度电容为

则其特性阻抗为

$\mathrm{Zc}=\sqrt{\frac{L_0^{\′}}{C_0^{\′}}}$

通过仿真，对信号形成的阻抗需达到线缆特性阻抗的20倍以上时，才能达到完全阻断其传输的阻波效果。因此外套磁环后的电缆单位长度电感L₀应为

的400倍以上。若待测线缆的单位长度电感

则L₀应达到2uH/cm。

此外，在选择磁环材料时，需满足如下的饱和磁密关系式。

$\frac{\mathrm{Bs}}{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\μ}}_0}\×2\mathrm{\π}{r}_1\≥I_m$

其中，Bs为磁环的饱和磁密，I_m为待测电缆中流过的最大电流。

导体环与待测电缆构成的圆筒型电容的容值，可以由圆筒型电容器的容值公式得出。

其中，C为圆筒型电容的容值，Q为圆筒型电容所带电荷量，和分别为圆筒型电容两极板的电势，L为圆筒型电容器长度，ε_k为待测电缆绝缘层相对介电常数，ε₀为真空介电常数，r和R分别为待测电缆内径和外径。

两个导体环之间的距离，应在不接触的情况下使得其之间的寄生电容容值尽量小。寄生电容的容值公式可以由平行板电容公式推导得出。

$C_p={\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_0\frac{S}{d}{=\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_0\frac{\mathrm{\π}({(r_1^{\′}+\mathrm{\δ})}^2-r_1^{\′2})}{d}$

其中，C_p为两导体环之间的寄生电容，ε_r为绝缘外套相对介电常数，ε₀为真空介电常数，S为导体环的横截面积，d为两导体环的间距，为导体环的内径，δ为导体环的厚度。

以AF250聚四氟乙烯电缆故障检测为例，根据AF250聚四氟乙烯电缆的尺寸参数，设置内径为1.3mm的导体环，设置不同的导体环厚度，则两导体环之间的寄生电容随导体环间距的变化如图7所示。可以看出，为了使寄生电容足够小，导体环的厚度应尽量小，导体环的间距应设置在3mm以上。

缓冲垫的厚度应在确保磁环、导体环与待测电缆无缝固定的情况下尽可能小，以减小对非接触电容容值的影响。以实验数据来看，加入缓冲垫后，在30MHz以上频率的扩频入射信号下，非接触电容的容值应还能达到10pF，否则会因容值过小而对入射信号造成很大的衰减。

为了实现安装简便，本发明将传感装置中的圆筒型结构加工成两个半圆型结构。图8即为设计为两个半圆型结构的导体环的三维结构示意图。以缓冲垫7、导体环5、绝缘外套3为例，导体环5半圆型结构中部留有两个固定孔12，检测时采用螺钉14进行固定，从该螺钉中可以引出接线端子（即作为导体环的电极）与反射法故障定位装置连接。绝缘外套3半圆型结构四角留有固定孔13，采用绝缘螺丝11进行固定。磁环在保证气隙足够小的情况下加工成两个半圆型结构。绝缘外套内表面具有与磁环和导体环外径尺寸匹配的凹槽，从而实现磁环和导体环的紧密嵌入。

以AF250聚四氟乙烯电缆为实验对象，采用加工的6cm长的导体环（导体材料对形成的圆筒型电容器的容值没有影响，本实验采用紫铜材料）作为非接触电容传感器安装在AF250聚四氟乙烯电缆上，经过测量，加工的导体环与AF250聚四氟乙烯电缆形成的圆筒型电容器容值为9.33pF。仿真以AF250聚四氟乙烯电缆为待测电缆，设置SSTDR的入射信号中心频率为30MHz，两个导体环与待测电缆形成的非接触电容均设为9.33p，与实验测量值一致。

图9为在AF250聚四氟乙烯电缆的30m处设置开路故障，将定向非接触传感方法应用到SSTDR电缆故障检测方法中的仿真曲线。从图中可以看出，两个波头峰值之间的距离能够准确的反映故障距离。

图10为在AF250聚四氟乙烯电缆的5m处设置开路故障，Labview上位机中显示的电缆故障检测实验结果，可以看出，检测结果能够准确地反映故障类型和故障距离。

综上所述，尽管本发明的基本结构、原理、方法通过上述实施例予以具体阐述，在不脱离本发明要旨的前提下，根据以上所述的启发，本领域普通技术人员可以不需要付出创造性劳动即可实施变换/替代形式或组合均落入本发明保护范围。

Claims (8)

1.一体式定向非接触电缆故障检测定位传感装置，其特征在于包含一个磁环、两个导体环、一个绝缘外套和一个缓冲垫，所述磁环、导体环、绝缘外套、缓冲垫主体呈环状圆筒型结构，分别由两个对称的半圆型结构紧密连接组成，磁环和两个导体环顺次紧密嵌入绝缘外套中，缓冲垫用于填充在磁环、导体环与待测电缆之间，检测定位时，磁环和两个导体环在绝缘外套和缓冲垫的夹紧作用下无缝套设在待测电缆上，两个导体环分别带有引出电极实现与反射法电缆故障定位装置电连接，两个导体环与待测电缆形成两个圆筒型电容器，实现对高频入射信号的非接触耦合传输及对反射信号的非接触采集，磁环增加所套电缆段的电感，实现对高频入射信号的高阻抗，控制其耦合传输方向。

2.如权利要求1所述的一体式定向非接触电缆故障检测定位传感装置，其特征在于靠近磁环的导体环的引出电极连接反射法电缆故障定位装置的信号发射端，另一个导体环的引出电极连接反射法故障定位装置的信号采集端。

3.如权利要求1所述的一体式定向非接触电缆故障检测定位传感装置，其特征在于两个导体环的尺寸一致。

4.如权利要求1所述的一体式定向非接触电缆故障检测定位传感装置，其特征在于磁环的磁性材料满足材料的饱和磁密关系式。

5.如权利要求1所述的一体式定向非接触电缆故障检测定位传感装置，其特征在于组成导体环的半圆型结构上设有固定孔。

6.如权利要求1所述的一体式定向非接触电缆故障检测定位传感装置，其特征在于组成绝缘外套的半圆型结构上设有固定孔。

7.如权利要求1所述的一体式定向非接触电缆故障检测定位传感装置，其特征在于绝缘外套通过其内表面具有的与磁环和导体环外径尺寸匹配的凹槽实现磁环和导体环的嵌入。

8.如权利要求1所述的一体式定向非接触电缆故障检测定位传感装置，其特征在于缓冲垫采用弹性绝缘材料。

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