CN105137192B - 基于复阻抗测量的电缆屏蔽层接地性能监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于复阻抗测量的电缆屏蔽层接地性能监测装置及方法，装置包括：上位机，上位机与屏蔽效能监测终端连接，屏蔽效能监测终端分别与电流互感器和测量互感器连接，电流互感器和测量互感器均耦合在待监测的通信电缆屏蔽层的接地线上；所述屏蔽效能监测终端通过电流互感器将激励电压信号耦合发送到接地线上，所述测量互感器用于接收相应的响应电流信号，以及测量响应电流信号的幅值和相位，进而将信号的幅值和相位反馈给屏蔽效能监测终端，屏蔽效能监测终端计算出电缆屏蔽层对地的复阻抗，并上传给上位机，上位机判断复阻抗的变化范围，如果超出设定范围，则判定电缆屏蔽层有老化、锈蚀或非开路性破损。

Description

基于复阻抗测量的电缆屏蔽层接地性能监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种通信电缆屏蔽层接地性能的监测方法，尤其涉及基于复阻抗测量的电缆屏蔽层接地性能监测装置及方法。

背景技术

在专网通信网络中，对电缆屏蔽层有效的监测有重大的意义。

其一，确保信息的安全。有线通信中电缆屏蔽层用以有效地遮断内部线芯向周围环境的电磁波发射，而屏蔽层屏蔽效能的发挥，是以屏蔽层本身的完整性和良好的接地为前提的。

其二，保证通信质量和可靠性。来自电缆外部的电磁干扰，将影响语音通信的质量并造成数据通信的误码。屏蔽层在阻止内部电磁信息向外发射的同时，也阻止外部电磁辐射的侵入。

其三，保障人员和通信设备的安全。在发生雷电时，完整和接地性能良好的屏蔽层能够有效地将雷电形成的散流导入大地，从而最大限度地减轻雷电对人身安全和通信设备的危害。

传统的屏蔽层性能监测的主要手段包括，测量屏蔽层对线芯的电容和测量屏蔽层对大地的电阻。

测量屏蔽层接地电阻。接地电阻测量的方法有很多，但这些方法依据的基本原理均是欧姆定律。具体方法为：1)地桩法：主要用来测量单个接地体的接地电阻，测量时需要断开接地体与设备之间的接地引下线。2)钳形表法：主要用于测量多个接地体的环路电阻，本方法适用的前提是接地体之间有地上的连接线，在通信电缆屏蔽层接地系统中，电缆屏蔽层即为局端接地体与用户端接地体的地上连接线。3)电桥法：这是实验室测量电阻的常用方法，常见的有开尔文电桥、惠斯通电桥，电桥法的优势是测量精度高，不足是测量范围窄、操作复杂、实现困难，故不适于在线使用。

仪表法监测接地电阻共同存在的问题：1)无法实现实时在线监测；2)测量精度易受人为因素影响；3)测量所带来的交通、人力成本高。

中国发明专利，专利号为“201210370990.9”一种接地性能监测系统及通信电缆屏蔽层动态监测的方法，通过测量屏蔽层与线芯间的电容，能够较好地表征屏蔽层的完整性，特别是能够测出并定位屏蔽层的开路性破损。测量屏蔽层对线芯的电容方法可以测出屏蔽层某处断开，并可定位故障点，但是无法测出屏蔽层老化，锈蚀和非开路性破损，主要是因为老化、锈蚀和非开路破损导致的电容的变化非常小，用测量电容的方法很难发现屏蔽层的变化。

发明内容

为了克服现有测量电缆屏蔽层接地电阻测量方法的不足，以及测量屏蔽层与线芯之间电容无法测出屏蔽层非开路性破损的不足，本发明提供基于复阻抗测量的电缆屏蔽层接地性能监测装置及方法，通过在线测量屏蔽层对大地的复阻抗，可以测出屏蔽层老化，锈蚀和非开路性破损，以保障通信信息的安全性，通信质量的可靠性。本发明具有实用性强，可靠性好的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于复阻抗测量的电缆屏蔽层接地性能监测装置，包括：

上位机，所述上位机与屏蔽效能监测终端连接，所述屏蔽效能监测终端分别与电流互感器和测量互感器连接，所述电流互感器和测量互感器均耦合在待监测的通信电缆屏蔽层的接地线上；其中测量互感器相对于电流互感器而言，测量互感器耦合的位置靠近大地；

所述屏蔽效能监测终端通过电流互感器将激励电压信号耦合发送到接地线上，所述测量互感器用于接收相应的响应电流信号，以及测量响应电流信号的幅值和相位，进而将信号的幅值和相位反馈给屏蔽效能监测终端，屏蔽效能监测终端计算出电缆屏蔽层对地的复阻抗，并上传给上位机，上位机判断复阻抗的变化范围，如果超出设定范围，则判定电缆屏蔽层有老化、锈蚀或非开路性破损。

所述屏蔽效能监测终端包括控制单元，所述控制单元通过驱动电路与输出电路连接，输出电路与电流互感器连接；所述控制单元还通过信号放大电路与采样调理电路连接，采样调理电路与测量互感器连接；同时，控制单元还分别与通信单元和电源管理单元连接。

电源管理单元还分别给驱动电路、输出电路、信号放大电路、采样调理电路、通信单元供电。

基于复阻抗测量的电缆屏蔽层接地性能监测方法，包括步骤如下：

步骤(1)：屏蔽效能监测终端通过电流互感器发送激励电压信号；

步骤(2)：测量互感器接收接地线上的响应电流信号；并将响应电流信号反馈给屏蔽效能监测终端；

步骤(3)：屏蔽效能监测终端进入自学习阶段，通过测量互感器，测量接地线的电缆屏蔽层正常情况下电流互感器发送信号后，屏蔽效能监测终端接收的信号的频率、幅值和相位；通过幅值和相位计算出电缆屏蔽层对地的复阻抗；并将复阻抗上传给上位机；

步骤(4)：上位机根据设定时间范围内步骤(3)的复阻抗的测量值，设定电缆屏蔽层的接地线正常时对应复阻抗的正常范围；

步骤(5)：完成上述步骤(1)-(4)之后，在监测电缆屏蔽层接地性能监测的过程中，首先重复步骤(1)-(2)，然后屏蔽效能监测终端计算出电缆屏蔽层对地的复阻抗，最后判断复阻抗是否超出步骤(4)的复阻抗正常范围，如果超出则判定电缆屏蔽层有老化、锈蚀或非开路性破损，就能够做到及时发现，提前预警，及时干预，保障通信信号的正常，安全和有效传输；如果未超出则判断电缆屏蔽层正常。

所述步骤(1)的激励电压信号为正弦信号，频率在1Hz-100KHz之间，具有设定的幅值和相位。

所述步骤(1)：屏蔽效能监测终端的控制单元发出激励电压信号，通过驱动电路进行驱动放大，被放大的激励电压信号通过输出电路传输给电流互感器，实现激励信号的耦合发送。

所述步骤(2)：测量互感器接收接地线上的响应电流信号后，通过采样调理电路传输给信号放大电路，经过信号放大电路的放大滤波处理以后，传输给主控单元进行识别，主控单元识别出接收到的信号的幅值和相位。

所述步骤(3)的电缆屏蔽层对地的复阻抗是指电缆屏蔽层对地的电阻，电感和电容对交流电的阻碍作用的统称，公式表示如下：

Z＝R+jX；

上式是阻抗Z的直角坐标表示，实部R为电阻，用以表征阻性元件对电流的阻碍；虚部X为电抗，用以表征容性、感性元件对电流的阻碍。

对于理想电阻，ZR＝R，即阻抗等于电阻；对于理想电容，ZC＝1/(jωC)；对于理想电感，ZL＝jωL。

本发明的有益效果是：

通过在线测量屏蔽层对大地的复阻抗，监测复阻抗的变化，可以及早发现通信电缆屏蔽层老化，锈蚀和非开路性破损，提前预警，及时干预，保障通信信号的正常，安全和有效传输。本发明针对性强，可靠性高。

通信电缆屏蔽层的改变(如破损、老化、锈蚀等)，往往不仅仅造成电阻的变化，而是表现为电阻、电感、电容特性的综合变化。阻抗比单纯的电阻，能够更加全面的反映屏蔽层本身的变化，特别是对于屏蔽层非开路性的破损和改变。

附图说明

图1为本发明互感器耦合示意图；

图2为本发明复阻抗测量流程图。

图3为本发明屏蔽效能监测终端的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，通信电缆屏蔽层通常采用单端接地，在实际工程中，通信电缆屏蔽层的接地点通常位于局端。在工程施工中，不需要断开通信电缆接地体，将测量互感器和电流互感器耦合到屏蔽电缆的接地体上。将测量互感器和电流互感器屏蔽效能动态监测终端连接可以实现信号的发送和采集。对通信电缆而言，接地电阻不大于1Ω。根据电流流向大地的方向，电流互感器接近电缆屏蔽层端，测量互感器接近大地。

通过将测量互感器和电流互感器屏蔽效能动态监测终端连接可以实现信号的发送和采集。终端通过电流互感器可以将信号耦合发送到接地线上，通过测量互感器，可以测量发送信号经过接地线以后，在接近大地的一端，信号的幅值和相位。

如图2所示，屏蔽效能动态监测终端通过电流互感器给通信电缆屏蔽层的接地体上施加一个激励电压信号V，通过得到一个响应电流信号I，就可以得到阻抗Z。

此处耦合的激励电压信号为正弦信号，频率在600KHz～10MHz之间，具有设定好的幅值和相位。

当通过电流互感器发送信号以后，测量互感器接收所发送的信号。

监测终端进入自学习阶段，通过测量互感器，测量接地体正常情况下电流互感器发送信号后，该终端应该接受的信号的频率，幅值和相位范围，通过相应的幅值和相位，计算出电缆屏蔽层对地的复阻抗，终端本地记录和并上传上位机。

上位机通过一定时间范围内的复阻抗测量值，手动设定一个正常的复阻抗范围。

平时运行过程中，屏蔽效能动态监测终端会在线一直监测复阻抗的值，并将测量值与设定值范围相比较，当测量值在设定值范围之外时，就会考虑到电缆屏蔽层老化，锈蚀和非开路性破损，启动预警，及时人为干预，进行判断，保障通信信号的正常，安全和有效传输。

如图3所示，屏蔽效能监测终端包括控制单元，驱动电路，输出电路信号放大电路，采样调理电路，通信单元和电源管理单元。

其中，控制单元为屏蔽效能监测终端的主控单元。

屏蔽效能监测终端的控制单元发出激励电压信号，通过驱动电路进行驱动放大，被放大的激励电压信号通过输出电路传输给电流互感器，实现激励信号的耦合发送；

测量互感器接收接地线上的响应电流信号后，通过采样调理电路传输给信号放大电路，经过信号放大电路的放大滤波处理以后，传输给主控单元进行识别和处理。

通信单元与主控单元连接，实现屏蔽效能监测终端与上位机之间的数据和命令交换。

电源管理单元接受主控单元的管理，同时为终端的其他单元电路提供相应的电源电压，保障终端的正常稳定工作。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.基于复阻抗测量的电缆屏蔽层接地性能监测装置，其特征是，包括：

上位机，所述上位机与屏蔽效能监测终端连接，所述屏蔽效能监测终端分别与电流互感器和测量互感器连接，所述电流互感器和测量互感器均耦合在待监测的通信电缆屏蔽层的接地线上；其中测量互感器相对于电流互感器而言，测量互感器耦合的位置靠近大地；

所述屏蔽效能监测终端通过电流互感器将激励电压信号耦合发送到接地线上，所述测量互感器用于接收相应的响应电流信号，以及测量响应电流信号的幅值和相位，进而将信号的幅值和相位反馈给屏蔽效能监测终端，屏蔽效能监测终端计算出电缆屏蔽层对地的复阻抗，并上传给上位机，上位机判断复阻抗的变化范围，如果超出设定范围，则判定电缆屏蔽层有老化、锈蚀或非开路性破损。

2.如权利要求1所述的基于复阻抗测量的电缆屏蔽层接地性能监测装置，其特征是，所述屏蔽效能监测终端包括控制单元，所述控制单元通过驱动电路与输出电路连接，输出电路与电流互感器连接；所述控制单元还通过信号放大电路与采样调理电路连接，采样调理电路与测量互感器连接；同时，控制单元还分别与通信单元和电源管理单元连接。

3.如权利要求2所述的基于复阻抗测量的电缆屏蔽层接地性能监测装置，其特征是，电源管理单元还分别给驱动电路、输出电路、信号放大电路、采样调理电路、通信单元供电。

4.如上述任一权利要求所述的装置所采用的监测方法，其特征是，包括步骤如下：

步骤(1)：屏蔽效能监测终端通过电流互感器发送激励电压信号；

步骤(2)：测量互感器接收接地线上的响应电流信号；并将响应电流信号反馈给屏蔽效能监测终端；

步骤(3)：屏蔽效能监测终端进入自学习阶段，通过测量互感器，测量接地线的电缆屏蔽层正常情况下电流互感器发送信号后，屏蔽效能监测终端接收的信号的频率、幅值和相位；通过幅值和相位计算出电缆屏蔽层对地的复阻抗；并将复阻抗上传给上位机；

步骤(4)：上位机根据设定时间范围内步骤(3)的复阻抗的测量值，设定电缆屏蔽层的接地线正常时对应复阻抗的正常范围；

步骤(5)：完成上述步骤(1)-(4)之后，在监测电缆屏蔽层接地性能监测的过程中，首先重复步骤(1)-(2)，然后屏蔽效能监测终端计算出电缆屏蔽层对地的复阻抗，最后判断复阻抗是否超出步骤(4)的复阻抗正常范围，如果超出则判定电缆屏蔽层有老化、锈蚀或非开路性破损，就能够做到及时发现，提前预警，及时干预，保障通信信号的正常，安全和有效传输；如果未超出则判断电缆屏蔽层正常。

5.如权利要求4所述的方法，其特征是，所述步骤(1)的激励电压信号为正弦信号，频率在1Hz-100KHz之间，具有设定的幅值和相位。

6.如权利要求4所述的方法，其特征是，所述步骤(1)：屏蔽效能监测终端的控制单元发出激励电压信号，通过驱动电路进行驱动放大，被放大的激励电压信号通过输出电路传输给电流互感器，实现激励信号的耦合发送。

7.如权利要求4所述的方法，其特征是，所述步骤(2)：测量互感器接收接地线上的响应电流信号后，通过采样调理电路传输给信号放大电路，经过信号放大电路的放大滤波处理以后，传输给控制单元进行识别，控制单元识别出接收到的信号的幅值和相位。

8.如权利要求4所述的方法，其特征是，所述步骤(3)的电缆屏蔽层对地的复阻抗是指电缆屏蔽层对地的电阻，电感和电容对交流电的阻碍作用的统称，公式表示如下：

Z＝R+jX；

上式是阻抗Z的直角坐标表示，实部R为电阻，用以表征阻性元件对电流的阻碍；虚部X为电抗，用以表征容性、感性元件对电流的阻碍。