CN1036419C - 一种电力电缆故障自动测距方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种电力电缆故障自动测距方法及为实现该方法而设计的电力电缆故障测距仪。该方法是利用电流传感器技术将故障电缆中故障点击穿时产生的电流行波信号变成一感应信号送入微处理机记录，然后通过记录测量故障点击穿时产生的电流行波信号在故障点与测量点之间往返一次所需的时间，编制相应的计算程序，由微机进行自动测距计算。设计了可随机记录电缆中暂态电流信号的超高速数据采集电路，由中央处理机读出记录数据后按软件编程自动计算。

Description

一种电力电缆故障自动测距方法及装置

一种电力电缆故障自动测距方法及装置，属电缆故障测试技术领域，适应各类电缆故障的测试。

目前，我国对于电力电缆故障距离的测试方法，均采用低压脉冲法或脉冲电压法，使所测电缆高压回路直接与测量仪器产生电耦合，通过仪器记录和显示电缆故障击穿时产生的暂态电压或电流信号波形，并根据该波形来估计故障距离，因此到目前为止，现场所使用的测试方法及测量仪器普遍存在对操作人员的专业知识与经验要求高，测量精度、可靠性和安全性差，测量速度慢等缺陷，而且测量仪器体积大，耗电量多，携带不方便。

本发明的目的就是针对现有技术存在的问题，发明一种测量精度高、速度快、安全可靠的自动测距方法，以及为实现该方法而设计的体积小、耗电省、携带方便的电缆故障自动测距仪器。

本发明是通过下述方法实现的：采用微机数据处理和电流传感器技术，其特征在于根据电流传感器检测出的电缆中的暂态电流信号通过由地址计数器、数据存贮器、A/D转换器、触发单元和控制单元组成的超高速数据采集系统对其进行记录，并根据公式L＝mΔtv/2编制的自动计算程序进行自动计算。

本发明可这样实现：地址计数器的时钟端由控制单元内的时间定时器进行控制，当触发单元收到暂态电流信号后触发翻转，启动时间定时器，以控制地址计数器对暂态电流信号的记录。

本发明还可按以下步骤实现：自动测距计算程序的设计是利用—电阻R和—电感L来等效高压信号发生器，根据高压信号发生器参数与电流信号形成测量端电压信号，则终端电压为Vm(s)＝-(R+SL)im(s)，从而推得故障点距离公式为L＝m·Δt·v/2(其中：m是N个采样序数之一，Δt为抽样时间间隔，v是电磁波在电缆中的传播速度)。然后将计算公式编制成—计算程序，当中央处理机通过控制单元和数据总线读出所存数据后，即可按设定程序进行自动计算处理。

为实现自动测距方法而设计的电缆故障自动测距仪，是通过以下方法完成的：由电流传感器、CPU电路、数据三态门和超高速数据采集电路等组成，其特征在于：

a、地址计数器U_17～19、数据存贮器U₂₁、A/D转换器U₂₂、U₂₃，触发电路U₁₃、U₁₄控制电路U₇、U₈、U₁₁、U₁₂、U₄：D、U₂：B、U₃：C、U₄：A成超高速数据采集电路。

b、触发电路的P3端与电流传感器的一端相接，触发器U₁₃的9端与控制电路中U₄的12端相接，同时与CPU电路的输入端CA₁相接，CPU电路的输出端CA₂经与非门U₄：A与地址计数器U₁₇、U₁₈、U₁₉的时钟输入端2相接，地址计数器U₁₇、U₁₈、U₁₉的输出端控制数据存贮器U₂₁的A₀～A₁₀端，数据存贮器的总线D₀～D₆与数据三态门U₂₀的输入端2、6、8、11、13、15、17端相连，同时与A/D转换器U₂₂、U₂₃的总线输出端B₁～B₆相连。

本发明的电力电缆故障自动测距装置，所述的触发电路中的芯片可采用UA711、74HCT74100、控制电路中的芯片可采用74HCT00、4040、151、4024、74，地址计数器中的芯片可采用74HCT161，数据三态门的芯片采用74CHT244，数据存贮器采用2018芯片，A/D转换器采用ADC3306芯片。

附图1是本发明的方框原理图，图中：1触发电路、2控制电路、3地址计数器、4数据存贮器、5A/D转换器、6数据三态门、7CPU电路。

附图2是本发明对暂态电流信号记录的环形存贮器示意图。

图中：0址为低位地址、P和T址为任意点地址、H址为高位地址。

附图3是本发明故障距离计算公式推导所用的高压信号发生器等效图。

附图4、5是超高速数据采集电路原理图。

以下将结合附图对本发明的方法及仪器作进一步详细说明：

如图1所示：自动测距的方法是这样实现的，首先由电流传感器将电流中的暂态电流信号检测出来，(电缆中的暂态电流信号是由高压信号发生器对电缆施加高压放电而产生的，由于采用电流传感器，所以测量仪器不与高压回路产生电耦合现象，可保证仪器的安全使用)，将检测到的信号送入触发电路1中，此时触发电路翻转，可启动控制电路2中的时间定时器，然后控制地址计数器3的脉冲端，使其对暂态电路信号进行定时记录，当记录时间到停止数据采集时，CPU电路7处于读状态，数据三态门6打开，使其总线与CPU电路7相连，CPU电路7通过控制电路2发出读时钟，将所存数据读到CPU电路中，  然后按设定计算程序，微处理机可进行故障距离的自动计算，从而实现实现了电缆故障自动测距方法。

故障点距离计算公式的推导过程如下：

如附图3所示：用一电阻R和一电感L串联的集中参数电路来等效高压信号发生器电路；在频域里，终端电压：

Vm(S)＝-(R+sL)Im(s)……(1)

其中S为拉普拉斯算子，Im为测量电流信号。

由(1)式通过变换技术，推得时域里电压值：

Vm(n)＝-1/Δt(RΔt+L)Im(n)+LIm(n-1)……(2)

其中n代表当前抽样序数，Δt为抽样时间间隔。

由电压、电流信号形成正、反方向行波：

S+＝Vm+ZcIm……(3a)

其中Zc为电缆波阻抗值。

检测到故障点击穿暂态初始行波后，取正向行波波头作为参考设计匹配滤波器，匹配滤波器的脉冲相应为：

h(+)＝-Sa(-t)    t＜T₀

其中T₀是时间窗口的长度，取值为略大于正向行波头时间。

把反向行波S_送入匹配滤波器，使用卷积计算其输出，其离散形式为：

F(KΔt)＝-1/N  S_(iΔt)Sa(iΔt-KΔt)

其中K值取整数，N＝IVT(T₀/Δt)

K＝m时，故障点反射波到来，匹配滤波器输出最大值，故电磁波在电缆中的传播速度为V，则计算故障点距离为：

L＝mΔt·u/2

为实现自动测距方法，所发明的电缆故障自动测距仪中，设计了一种能随机记录电缆中出现的暂态电流信号的超高速数据采集电路，其工作原理是：它有正常(无输入信号，等待外部触发信号)，暂态信号记录与读(向CPU单元传递数据)操作几个工作状态，数据采集系统与CPU是隔离的。在时钟脉冲的作用下(由晶振XI提供，频率为20MHZ)，地址计算器的输出值(简称地址指针)，由三个十六进制的计数器U₁₇、U₁₈、U₁₉、串联使用，实际中用了十一根输出线，可指向2K个地址，依次加1，由于A/D测时钟与地址指针连在一起，则模数转换后的数据依次写入高速RAM(数据存贮器)U₂₁中地址指针指向的地址，当指针指向RAM的最高地址后，如附图2所示，将回到最低地址0址，形成一环形存贮器。如果在地址指针指向地址T时暂态信号出现，触发单元U₁₄翻转，启动一触发后时间定时器U₁₁，地址指针逐步上移，暂态数据不断写入RAM中，在地址指针到达H后将回到0址，继续上移，在地址P时触发时间定时器计数时间到，停止数据采集，由附图2可看出，地址T到H以及L到P的数据为记录下的暂态数据，个数为N₂，而地址P到T之间的数据为触发前数据，个数为N₁。

数据采集停止后，CPU电路处于读状态，数据三态门U₂₈打开，使其数据总线与CPU相联，CPU通过控制单元发出读时钟，使地址指针逐步上移，CPU在发出脉冲后，读总线上的数据，即地址指针指出的RAM相应地址上的数据，地址指针从P到H，然后回到L到P，这样整个暂态波形包括触发前波尖便读到CPU单元，从而，CPU就有足够的时间对暂态信号进行处理、计算。

该自动测距仪具体的操作过程可由面板上的接键完成，仪器有两种工作方式，一是脉冲电流方式，主要测试高压和闪络形故障，二是低压脉冲方式，主要测试断线低阻故障。检查接线无误，接通电源，按动“工作方式”键，使仪器工作在“脉冲电流方式”状态，接动“范围”键，选择仪器的工作范围，所选择的工作范围应大于且最接近所测试的电缆长度(例如电缆长度为3400米，合适范围值应选择为4080米)，如在低压脉冲方式时，已选择好范围值，这一工作可以不做，开机后，仪器的测量范围自动设定为1020m。

把“增益”按钮打在较小位置，接动“预备”按钮，仪器处于等待触发工作状态，显示器显示“延时时间Ons等待”提示符，然后调节调压器，逐渐升高加到电缆上的电压，当故障点击穿放电时，仪器被触发，显示出新的当前波形，第一个脉冲是由故障点传来的放电脉冲，而第二个脉冲是从故障点返回的反射脉冲。此时如果记录的当前波形幅值过小或过大时，仪器在显示器的左下角显示“增益过小”或“增益过大”提示符，应适当提高或减少信号增益后重新进行测试，因为当增益过大或过小时，仪器将不能保证判别计算结果的正确性。

当仪器显示出满意的放电脉冲电流波形时，仪器把测量的零点自动设置在第一个放电脉冲的起始点，把光标移动到故障点反射脉冲开始下将的起始点前，按动“计算”键，仪器自动计算故障点距离，在屏幕下沿中间显示“正在计算”提示符，计算结束后，仪器把可移动光标自动设定在故障点反射脉冲的起始处，并把计算结果在屏幕右上角显示出来。

该方法及测距仪，可使测量仪器不与高压回路产生电耦合，安全可靠，随机记录电缆中出现的暂态电流信号，自动测距快速准确。仪器智能化程度高，测量精度高，而且体积小，耗电量小，操作简单，携带方便，可对各类电缆故障进行自动测距，是目前较为理想的一种电缆故障测距方法和测距仪器。

Claims (6)

1、一种电力电缆故障自动测距方法，采用微机数据处理和电流传感器技术，其特征在于根据电流传感器检测出的电缆中的暂态电流信号通过由地址计数器、数据存贮器、A/D转换器、触发单元和控制单元组成的超高速数据采集系统对其进行记录，并根据公式L＝mΔtv/2编制的自动计算程序进行自动计算，其中：m是N个采样序数之一，Δt为抽样时间间隔，v是电磁波在电缆中的传播速度。

2、按照权利要求1所述的方法，其特征在于地址计数器的时钟端由控制单元内的时间定时器进行控制，当触发单元收到暂态电流信号后触发翻转，启动时间定时器，以控制地址计数器对暂态电流信号的记录。

3、按照权利要求1所述的方法，其特征在于故障距离的自动计算程序是用—电阻R和—电感L来等效高压信号发生器，根据高压信号发生器参数与电流信号形成测量端电压信号，则终端电压为Vm(s)＝-(R+SL)im(s)，从而推得故障点距离公式为L＝mΔtv/2其中：m是N个采样序数之一，Δt为抽样时间间隔，v是电磁波在电缆中的传播速度，S为拉普拉斯算子。

4、按照权利要求1或5所述的方法，其特征在于将故障点距离的计算公式编制成一计算程序，当中央处理机通过控制单元和数据线读的所存数据后，即可按设定程序自动计算处理。

5、一种为实现权利要求1所述的方法而设计的电力电缆故障自动测距仪，是由电流传感器、CPU电路、数据三态门和超高速数据采集电路等组成，其特征在于。

a、地址计数器U_17～19、数据存贮器U₂₁、A/D转换器U₂₂U₂₃，触发电路U₁₃、U₁₄，控制电路U₇、U₈、U₁₁、U₁₂、U₄：D、U₂：B、U₃：C、U₄：A构成超高速数据采集电路；

b、触发电路的P₃端与电流传感器的一端相接，触发器U₁₃的(9)端与控制电路中U₄的(12)端相接，同时与CPU电路的输入端CA₁相接，CPU电路的输出端CA₂经与非门U₄：A与地址计数器U₁₇、U₁₈、U₁₀的时钟输入端(2)相接，地址计数器U₁₇、U₁₈、U₁₉的输出端控制数据存贮器U₂₁的A₀～A₁₀端，数据存贮器的总线D₀～D₆与数据三态门U₂₀的输入端(2)、(6)、(8)、(11)、(13)、(15)、(17)端相连，同时与A/D转换器U₂₂、U₂₃的总线输出端B₁～B₆相连。

6、按照权利要求7所述的电力电缆故障自动测距仪，其特征在于所述的触发电路中的芯片可采用UA711、74HCT74100、控制电路中的芯片可采用74HCT00、4040、151、4024、74，地址计数器中的芯片可采用74HCT161，数据三态门的芯片采用74CHT244，数据存贮器采用2018芯片，A/D转换器采用ADC3306芯片。

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