CN105425106A - 一种电缆故障检测试验系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电缆故障检测试验系统及其工作方法。该系统包括微处理器，产生频率、幅值一致的两路矩形波信号的DDS信号发生器1和2，分别串联在DDS？1和2与被测电缆之间的可调电感器1和2，分别与电感器1和2并联的穿心式电流互感器1和2，分别串联在电流互感器1和2与地端之间的可调标准电容器1和2、且两者同地端，分别与电流互感器1和2串联的峰值检波器1和2，计算检波器1和2输出信号相关性的乘法器，对乘法器输出电压信号进行模数变化后送入微处理器的模数转换器。与现有技术相比，本发明基于双路对称矩形波试验信号，实现对电缆故障高效检测，对试验信号波形质量要求低、信号采样率低，且系统结构简单、易于实现、成本低。

Description

一种电缆故障检测试验系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种电缆故障检测试验系统，特别是涉及一种基于双路对称矩形波试验信号的电缆故障检测试验系统及其工作方法。

背景技术

传统的电缆故障检测方法是基于反射信号的频率或强度进行分析，通过分析反射信号和反射信号的时间差来识别故障位置。但由于反射信号易受环境影响发生畸变，因此很难获得准确的故障位置，尤其是在现场干扰较重、缺陷点较多的情况。目前采用频域振荡波的分析技术因为频率高，校准难度大，采集速率高，使得总体成本偏高。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种基于双路对称矩形波试验信号的电缆故障检测试验系统及其工作方法，在实现对电缆故障高效检测的同时，对试验信号波形质量要求低、信号采样率低，且系统结构简单、易于实现、成本低，能为后续复杂算法快速提供基础相关数据。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提出一种电缆故障检测试验系统及其工作方法，其技术思路是：采用两路时序可控的试验矩形波通过串联电感同时施加到被试电缆，分析矩形波激励作用下，电缆反射波形的频域累加特征。在该模式下，比单端施加矩形波有典型的好处：一是双端矩形波施加可容易实现校准，使得试验系统输出阻抗达到平衡；如双端矩形波信号可采用同极性输出，在该条件下输出电流默认为零值，可通过是否为零值进行校准。二是在双端矩形波施加模式下，可通过调整双端矩形波的时序，轻易获得2倍幅度的试验电压信号，可通过调整双端矩形波的时序，使得其输出同一时刻是相反极性，这样在双端电流耦合时获得的反射波形的幅度差异，可方便得出反射波形的方向，容易识别故障位置(如，电缆本体导体反射和从护套屏蔽层反射，其反射的回路路径长度不同，在两路矩形波输出端的电流信号耦合展现的幅度也就不同)。

所述电缆故障检测试验系统具体包括：微处理器，负责整个监测试验系统的控制，并对发送出的控制数据和接收到的数据进行计算和分析；DDS信号发生器1(输出电压10V-10kV)，受微处理器控制，产生频率、幅值可调控的矩形波信号1；DDS信号发生器2(输出电压10V-10kV)，受微处理器控制，产生频率、幅值可调控的矩形波信号2，矩形波信号2的频率、幅值与矩形波信号1一致；可调电感器1，电感量受微处理器控制，串联在DDS信号发生器1与被测电缆之间，将接收到的矩形波信号1送入被测电缆，对矩形波信号1的谐波进行过滤、并与被测电缆产生谐振电压信号；可调电感器2，电感量受微处理器控制，串联在DDS信号发生器2与被测电缆之间，将接收到的矩形波信号2送入被测电缆，对矩形波信号2的谐波进行过滤、并与被测电缆产生谐振电压信号；穿心式电流互感器1，与可调电感器1并联，对回路电流信号进行耦合；穿心式电流互感器2，与可调电感器2并联，对回路电流信号进行耦合；可调标准电容器1，电容量(1pF-100pF)受微处理器控制，串联在穿心式电流互感器1与地端之间，对回路电压信号进行耦合、同时隔断直流信号；可调标准电容器2，电容量(1pF-100pF)受微处理器控制，串联在穿心式电流互感器2与地端之间、且与可调标准电容器1同地端，对回路电压信号进行耦合、同时隔断直流信号；峰值检波器1，与穿心式电流互感器1串联，对经穿心式电流互感器1耦合后的电压信号进行峰值提取；峰值检波器2，与穿心式电流互感器2串联，对经穿心式电流互感器2耦合后的电压信号进行峰值提取；乘法器，计算来自峰值检波器1的输出信号与来自峰值检波器2的输出信号的相关性；模数转换器，对乘法器输出的电压信号进行模拟-数字变化，然后送入微处理器进行处理。为提高输出电压，可在DDS信号发生器1和DDS信号发生器2之后(即DDS与可调电感器之间)分别串联一个升压器。

可调电感器1和可调电感器2与被测电缆回路进行双向串联，有2个作用：一是，与可调标准电容器1和可调标准电容器2组成了LC滤波器，对高压LC谐振频率的信号进行陷波处理，由于线路的设计结构，陷波信号主要来自DDS信号发生器，由于DDS主要采用矩形波调宽方式，谐波较重，因此通过LC滤波能起到较高的高次谐波过滤作用，同时，可调电感器串联在回路中有抑制矩形波前沿过度陡峭的作用；二是，可调电感器与被测电缆的电容Cx形成谐振，由于Cx数值远大于可调标准电容器电容C，因此LCx的谐振频率偏低，可用于分析电缆的介质损失参数等。峰值检波器1和峰值检波器2用于获得相应脉冲宽度范围内的峰值连续特征，利于准确捕捉高密度峰值出现的时间点；由于峰值检波器输出是直流信号，对后续处理的采集器件的采样率要求显著降低。乘法器通过计算两路峰值检波器输出信号的相关性，以得出来自峰值检波器的两路电压是否相关；如果不相关，则丢弃当前数据；如果相关，则提取峰值出现的时间点和幅度，或提取当前试验脉冲的频率值，计算故障位置。本试验系统结构简洁、成本低，可实现灵活多变的试验模式，尤其是在现场干扰较重的场合可以获得一种灵活应对的干扰抑制措施(比如可调节两路矩形波的时序，使得两路信号同一时刻一正一负，等效输出的试验电压提高了2倍；或者通过两路信号同一时刻为同一极性和相位，进行校准，在该时刻默认回路电流为零，如干扰较重时，该信号不为零，可改变矩形波的脉冲宽度进行二次校准，从而避免现场干扰)，为后续复杂算法快速提供相关基础数据。

需要说明的是，本试验系统仅提供了一种基于双路对称矩形波试验的检测系统，具体的定位算法可采用经典的频率-反射峰值折算法或频域统计算法，这些算法在相关专利中已有说明(D为故障距离，V为光速，f为试验脉冲的宽度时长的倒数，如试验脉冲持续时间为2uS，则等效频率为0.5MHz)，这里仅提供了试验前端，为减少干扰、降低成本，提供了一种高效率故障检测试验系统。在试验前，为确保较高的重复性，可以不必严格考虑矩形波的上升沿或下降沿的陡峭程度(传统的时域反射计算对此要求较高)，即使在矩形波平坦区域存在纹波电压，只要确保了输出试验电压的对称性，即可获得较好的分析结果。因此，这里的重复性只需考虑输出信号的对称性，即进行校准。

上述电缆故障检测试验系统的工作方法，具体包括以下步骤：

A、产生两路试验信号：将可调电感器1和可调电感器2的输出线与被测电缆相连(可以将两路DDS矩形波信号施加到电缆绝缘层之间，如芯线与地线之间，或芯线与芯线之间)；在微处理器中手工或程序受控的方式自动输入矩形波信号1和矩形波信号2的频率带宽、幅值、波形和相位；微处理器根据输入参数控制DDS信号发生器1和DDS信号发生器2交替产生矩形波信号1和矩形波信号2注入到被测电缆回路。

B、信号响应采集：微控制器控制可调电感器1和可调电感器2的电感量，分别实现对两路谐波的过滤和与被测电缆产生谐振电压信号；穿心式电流互感器1和穿心式电流互感器2实现对回路电流信号进行耦合；可调标准电容器1和可调标准电容器2的电容量受微处理器控制，实现对回路电压信号的耦合和隔断直流信号；峰值检波器1和峰值检波器2分别对经穿心式电流互感器1和穿心式电流互感器2耦合后的两路电压信号进行峰值提取，然后一起输入乘法器计算两路信号相关性；模数转换器对乘法器输出的电压信号进行模拟-数字变化，然后送入微处理器。

C、故障诊断：微处理器对发送出的控制数据和接收到的数据进行计算和分析；当DDS信号发生器1和DDS信号发生器2的输出回路电流均为零或相等，则电缆无故障；当DDS信号发生器1和DDS信号发生器2的输出回路电流一大一小，则电缆存在故障，且故障发生在输出回路电流较大的DDS信号发生器信号施加位置。

在产生两路试验信号之前，可以对两路试验信号进行对称性校准，具体为：在可调标准电容器1和可调标准电容器2的同地端连接一电流表；采用DDS信号发生器1和DDS信号发生器2同频率、同幅值、同相位输出，通过调整输出信号的偏置电压，使电流表数值小于阈值σ，此时DDS信号发生器1和DDS信号发生器2产生的两路试验信号满足对称；或，采用DDS信号发生器1和DDS信号发生器2同频率、同幅值、相差180度相位输出，先让DDS信号发生器1输出信号、DDS信号发生器2暂停输出信号、获得电流表数值A1，然后让DDS信号发生器2输出信号、DDS信号发生器1暂停输出信号、获得电流表数值A2，计算A3＝(A1+A2)/2，接着让DDS信号发生器1和DDS信号发生器2相差180度相位输出两路信号、获得电流表数值A4，通过调整输出信号的偏置电压，使(A3-A4)/2小于阈值σ，此时DDS信号发生器1和DDS信号发生器2产生的两路试验信号满足对称；阈值σ为1-10mA。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)采用双路对称矩形波作为试验信号，当存在故障点时，信号反射大，两路信号检波通道获得的数据具有扩大故障信息的作用；相反，当不存在故障点时，信号反射小或无反射，则处理的信息量值小，检波器可以不动作，从而提高噪音处理的门限。

2)采用双路对称矩形波作为试验信号，比较容易实现系统的平衡度校准。

3)采用双路对称矩形波作为试验信号，有利于提高等效的试验电压幅度值。原因在于，矩形波的产生存在高次谐波，而放大的矩形波畸变特性则可能随之提高，因此一般有功率性的矩形脉冲的电压值均很难得到提高，而通过两路矩形脉冲，一定程度提高了矩形脉冲的电压幅度(正半周幅度减去负半周幅度)。

4)采用峰值检波器，能有效响应反射脉冲的高频成分，显著减少信号采集装置的采样率。通过将输出信号的回路响应电路采集后送入检波器进行峰值检波，获得的两路直流信号再进行乘法器输出，依旧为直流成分，因此可以采用较低的采样率进行，如10kHz-100kHz范围完全可以满足要求，且采样精度可以获得16位以上的精度，从而可以在成本得到兼顾的条件下提高采集单元的采集位数，从而提高电压检测精度。传统的反射波计算方法，由于反射脉冲和反射脉冲的持续时间短，一般采样率高于100MHz甚至1G以上，成本增加不少。而峰值检波器可以做到成本低，响应频率高，一只高频检波二极管即可满足数十赫兹到1G以上的频率范围，即使采用峰值检波集成芯片，成本也远低于高频采集芯片。另外，较低采样率的采样单元，发热量小，整体硬件的可靠性得到显著提高。

5)采用峰值检波器，能显著减少对输出试验信号波形质量的要求。由于采用了峰值检波的分析方法，谐波成分的影响可以通过峰值检波输出的直流叠加特性展现出来，因此具备一定的统计性质，即使输出试验矩形波信号质量偏差，反射波强度占主要成分，也会在相应频率的矩形波试验条件下获得较高的峰值检波电压值。

6)采用乘法器直接输出相关系数，由于该相关系数直接合成了两路检波器输出，因此相比将两路检波输出分别进行采集，然后送入微处理器通过软件计算相关性的方式更为简洁，效率得到提高，且省去一路采集单元(模数转换器)。

附图说明

图1是本发明的检测试验系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例1

如图1所示。针对10kV、长度600m的XLPE电缆进行故障检测，搭建电缆故障检测试验系统，具体包括：采用ARM结构芯片的微处理器，负责整个监测试验系统的控制，并对发送出的控制数据和接收到的数据进行计算和分析；受微处理器控制的DDS信号发生器1，产生频率、幅值可调控的矩形波信号1；受微处理器控制的DDS信号发生器2，产生频率、幅值可调控的矩形波信号2，矩形波信号2的频率、幅值与矩形波信号1一致；可调电感器1，电感量受微处理器控制，串联在DDS信号发生器1与被测电缆之间，将接收到的矩形波信号1送入被测电缆，对矩形波信号1的谐波进行过滤、并与被测电缆产生谐振电压信号；可调电感器2，电感量受微处理器控制，串联在DDS信号发生器2与被测电缆之间，将接收到的矩形波信号2送入被测电缆，对矩形波信号2的谐波进行过滤、并与被测电缆产生谐振电压信号；穿心式电流互感器1，与可调电感器1并联，对回路电流信号进行耦合；穿心式电流互感器2，与可调电感器2并联，对回路电流信号进行耦合；可调标准电容器1，电容量受微处理器控制，串联在穿心式电流互感器1与地端之间，对回路电压信号进行耦合、同时隔断直流信号；可调标准电容器2，电容量受微处理器控制，串联在穿心式电流互感器2与地端之间、且与可调标准电容器1同地端，对回路电压信号进行耦合、同时隔断直流信号；峰值检波器1，与穿心式电流互感器1串联，对经穿心式电流互感器1耦合后的电压信号进行峰值提取；峰值检波器2，与穿心式电流互感器2串联，对经穿心式电流互感器2耦合后的电压信号进行峰值提取；乘法器，计算来自峰值检波器1的输出信号与来自峰值检波器2的输出信号的相关性；模数转换器，对乘法器输出的电压信号进行模拟-数字变化，然后送入微处理器进行处理。

上述电缆故障检测试验系统的工作方法，具体步骤如下：

第一步，将可调电感器1和可调电感器2的输出线分别与被测电缆相连，进行两路试验信号对称性校准和产生两路试验信号。

在可调标准电容器1和可调标准电容器2的同地端连接一电流表，同时确保可调标准电容器1和可调标准电容器2的电容值相同、可调电感器1和可调电感器2的电感量相同。采用DDS信号发生器1和DDS信号发生器2同频率100kHz、同幅值、同相位输出，通过调整输出信号的偏置电压，使电流表数值小于阈值10mA，此时DDS信号发生器1和DDS信号发生器2产生的两路试验信号满足对称。

备注1：在进行对称性校准时，也可不连接电流表，而是直接观察乘法器输出。DDS信号发生器1和DDS信号发生器2同相位输出，正好对称，那么两路峰值检波器的输出电压完全相同，观察乘法器输出，两者应该是最相关状态。由于乘法器的前端——峰值检波器的信号即来源于检测电流用穿心式电流互感器，因此可认为观察乘法器输出与直接观测穿心式电流互感器输出的电流是同一效果。

备注2：还可设置多个输出频率，对校准结果进行全局分析，尤其是有现场环境干扰的情况下，可能导致校准数据偏差。通过设置多个输出频率，不仅可以通过更换频率获得较好的校准结果，还可为现场测试的扫频频率提供参考，以达到抑制现场干扰的目的。

在微处理器中以程序受控的方式自动输入矩形波信号1和矩形波信号2的频率带宽均为2MHz、电压20V、相位异步180度；微处理器根据输入参数控制DDS信号发生器1和DDS信号发生器2采用异步180度交替产生矩形波信号1和矩形波信号2注入到被测电缆回路，则等效施加到被测电缆上的电压为40V。

第二步，信号响应采集。微控制器控制可调电感器1和可调电感器2的电感量为200uH，分别实现对两路谐波的过滤和与被测电缆产生谐振电压信号；穿心式电流互感器1和穿心式电流互感器2实现对回路电流信号进行耦合；可调标准电容器1和可调标准电容器2的电容量受微处理器控制为10pF，实现对回路电压信号的耦合和隔断直流信号；峰值检波器1和峰值检波器2分别对经穿心式电流互感器1和穿心式电流互感器2耦合后的两路电压信号进行峰值提取，然后一起输入乘法器计算两路信号相关性；模数转换器对乘法器输出的电压信号进行模拟-数字变化，然后送入微处理器。

启动输出时，试验信号产生的交替电压施加到电缆上，电缆的本体电容Cx会与串联可调电感器产生谐振，获得频率信号F1。当电缆局部存在故障点时，会发生信号反射，产生的反射脉冲会触发电缆本体电容和串联电感产生二次谐振频率F2，该二次谐振信号由于加入了故障点的等效电容C2，C2<<Cx，因此产生的F2频率会远高于F1，据此该高频信号在可调标准电容器通过的阻抗较小(电容的阻抗与频率成反比)，会在耦合电流互感器中产生较大的高频信号。由于穿心式高频电流互感器的频率特性，低频端耦合能力差，高频端耦合能力强，因此F1通过难度大，F2通过难度小，获得的F2脉冲很快送入峰值检波器，然后进行相关性分析，获得相关系数值，微处理器根据相关系数做出相关判断。

第三步，故障诊断。微处理器对发送出的控制数据和接收到的数据进行计算和分析；当DDS信号发生器1和DDS信号发生器2的输出回路电流均为零或相等，则电缆无故障；当DDS信号发生器1和DDS信号发生器2的输出回路电流一大一小，则电缆存在故障，且故障发生在输出回路电流较大的DDS信号发生器信号施加位置。

总而言之，测试时可以改变DDS回路电感的对称性来分析相关性数据的变化方向来分析故障位置和故障特征。当改变单边输出回路的对称性后，会出现至少两个谐振高频波形，一个是DDS1回路的谐振波形，由串联电感L1的改变和故障电容谐振产生，另外是DDS2回路原来的串联电感L2和故障电容的谐振产生。在两路串联电感均可调节的情况下，可以获得丰富的频谱数据。当然该调整电感的模式是基于预先校准(L1＝L2)后的分析，在该模式下，可以改变DDS输出的频率带宽、方波的占空比，进行多次测试，然后对数据进行统计分析。该思路逻辑清晰简单，完全可通过计算机循环实现。

由此可见，本发明没有测试输出电缆本体的频域阻抗和频域相位，也没有分析输出信号和反射信号的波形特征，也未采用高速采集装置(由于检波器输入为直流，乘法器输出也为直流信号，可通过低频采集装置实现)，就能获得电缆故障状态及故障位置信息。

Claims (6)

1.一种电缆故障检测试验系统，其特征在于：所述检测试验系统包括：

微处理器，负责整个监测试验系统的控制，并对发送出的控制数据和接收到的数据进行计算和分析；

DDS信号发生器1，受微处理器控制，产生频率、幅值可调控的矩形波信号1；

DDS信号发生器2，受微处理器控制，产生频率、幅值可调控的矩形波信号2，矩形波信号2的频率、幅值与矩形波信号1一致；

可调电感器1，电感量受微处理器控制，串联在DDS信号发生器1与被测电缆之间，将接收到的矩形波信号1送入被测电缆，对矩形波信号1的谐波进行过滤、并与被测电缆产生谐振电压信号；

可调电感器2，电感量受微处理器控制，串联在DDS信号发生器2与被测电缆之间，将接收到的矩形波信号2送入被测电缆，对矩形波信号2的谐波进行过滤、并与被测电缆产生谐振电压信号；

穿心式电流互感器1，与可调电感器1并联，对回路电流信号进行耦合；

穿心式电流互感器2，与可调电感器2并联，对回路电流信号进行耦合；

可调标准电容器1，电容量受微处理器控制，串联在穿心式电流互感器1与地端之间，对回路电压信号进行耦合、同时隔断直流信号；

可调标准电容器2，电容量受微处理器控制，串联在穿心式电流互感器2与地端之间、且与可调标准电容器1同地端，对回路电压信号进行耦合、同时隔断直流信号；

峰值检波器1，与穿心式电流互感器1串联，对经穿心式电流互感器1耦合后的电压信号进行峰值提取；

峰值检波器2，与穿心式电流互感器2串联，对经穿心式电流互感器2耦合后的电压信号进行峰值提取；

乘法器，计算来自峰值检波器1的输出信号与来自峰值检波器2的输出信号的相关性；

模数转换器，对乘法器输出的电压信号进行模拟-数字变化，然后送入微处理器进行处理。

2.根据权利要求1所述的电缆故障检测试验系统，其特征在于：DDS信号发生器1和DDS信号发生器2的输出电压为10V-10kV。

3.根据权利要求1所述的电缆故障检测试验系统，其特征在于：可调标准电容器1和可调标准电容器2的容量为1pF-100pF。

4.如权利要求1所述的电缆故障检测试验系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、产生两路试验信号：将可调电感器1和可调电感器2的输出线分别与被测电缆相连；在微处理器中手工或程序受控的方式自动输入矩形波信号1和矩形波信号2的频率带宽、幅值、波形和相位；微处理器根据输入参数控制DDS信号发生器1和DDS信号发生器2交替产生矩形波信号1和矩形波信号2注入到被测电缆回路；

B、信号响应采集：微控制器控制可调电感器1和可调电感器2的电感量，分别实现对两路谐波的过滤和与被测电缆产生谐振电压信号；穿心式电流互感器1和穿心式电流互感器2实现对回路电流信号进行耦合；可调标准电容器1和可调标准电容器2的电容量受微处理器控制，实现对回路电压信号的耦合和隔断直流信号；峰值检波器1和峰值检波器2分别对经穿心式电流互感器1和穿心式电流互感器2耦合后的两路电压信号进行峰值提取，然后一起输入乘法器计算两路信号相关性；模数转换器对乘法器输出的电压信号进行模拟-数字变化，然后送入微处理器；

C、故障诊断：微处理器对发送出的控制数据和接收到的数据进行计算和分析；当DDS信号发生器1和DDS信号发生器2的输出回路电流均为零或相等，则电缆无故障；当DDS信号发生器1和DDS信号发生器2的输出回路电流一大一小，则电缆存在故障，且故障发生在输出回路电流较大的DDS信号发生器信号施加位置。

5.根据权利要求4所述的电缆故障检测试验系统工作方法，其特征在于：DDS信号发生器1和DDS信号发生器2的输出电压为10V-10kV。

6.根据权利要求4所述的电缆故障检测试验系统工作方法，其特征在于：可调标准电容器1和可调标准电容器2的容量为1pF-100pF。