CN105974269A - 一种用于脐带缆电缆故障的定位装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于脐带缆电缆故障的定位装置及使用方法，它包括行波信号耦合器、前端控制单元和上位机。行波信号耦合器串联在被测脐带缆电缆线路中，行波信号耦合器与前端控制单元电连接，前端控制单元与上位机电连接。上位机向前端控制单元发送故障定位脉冲，前端控制单元产生行波信号，并经行波信号耦合器传输至脐带缆，经脐带缆故障点反射回的行波信号经行波信号耦合器和前端控制单元传输至上位机。行波信号耦合器由线路阻波器、耦合电容器和结合滤波器构成。前端控制单元包括CPU模块、行波接收和发送模块和高速数据采集单元。本发明能够快速对电缆故障进行定位，缩短故障修复时间，提高可靠性。

Description

一种用于脐带缆电缆故障的定位装置及使用方法

技术领域

本发明涉及一种定位装置及使用方法，特别是关于一种在脐带缆领域中用于脐带缆电缆故障的定位装置及使用方法。

背景技术

脐带缆是水下生产系统的重要组成部分，为水下生产系统提供电能、液压通道、传送控制信号和各种传感数据。随着水下生产系统开发模式的日趋成熟，采用水下脐带缆进行水下生产系统的电力和液压分配及控制成为深水油气开采的重要方式。但是水下脐带缆在安装和运行过程中，会因一些外部及内部原因，如周围渔网及锚链等剐蹭导致绝缘层破坏，造成水下生产系统、控制系统的失灵，对油气生产造成重大影响。脐带缆中的电缆(包括动力缆和信号缆)发生故障往往很难查找，一般只能利用备用电缆或者更换脐带缆后才能继续生产。尽快排除脐带缆中的电缆故障，无疑会显著提高脐带缆的工作可靠性，减少因设备更换和油气停产带来的损失。而为了排除脐带缆电缆故障，必须首先获知脐带缆故障准确的位置信息。因此，在水下生产系统中引入电缆故障测距技术具有重要的意义。

与传统电缆相比，脐带缆大部分位于水下，设备端不易接近和解开，无法进行远端测试和配合，也无法施加高压冲击测试信号，而且脐带缆一般长度较长，行波衰减比较严重。目前，离线式电缆故障测距技术和设备发展最为成熟和完备。但是离线式电缆故障测距技术需要解开电缆两端，多数情况下还需要对电缆施加高压冲击信号，不符合脐带缆故障测距的要求，而且离线式电缆故障测距技术的准备工作多，工作效率低。在线式行波故障测距技术已经大量用于输电线路上，但都是靠被动接收线路故障产生的行波信号进行测距。其中，双端法测距精度高，但是需要双端同时采集行波信号并配置通信设备，这在脐带缆上显然难以实现；单端法根据行波在测试点和故障点往返一次的时间和行波波速计算故障点的距离，原理简单，所需装置少，但是由于不容易区分故障点反射和对端反射的行波，测距的可靠性常常受到影响。另外，还有利用分布式光纤测温传感器和光时域反射技术的在线式电缆故障测距技术，因为光纤通常敷设于电缆表面，对电缆内部故障导致的温升不敏感，因此实际效果并不理想。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于脐带缆电缆故障的定位装置及使用方法，其能够快速对电缆故障进行定位，缩短故障修复时间，提高可靠性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于脐带缆电缆故障的定位装置，其特征在于它包括行波信号耦合器、前端控制单元和上位机；所述行波信号耦合器串联在被测脐带缆电缆线路中，所述行波信号耦合器与所述前端控制单元电连接，所述前端控制单元与所述上位机电连接；所述上位机向所述前端控制单元发送控制命令，所述前端控制单元产生行波信号，并经所述行波信号耦合器传输至脐带缆，经脐带缆故障点反射回的行波信号经所述行波信号耦合器和所述前端控制单元传输至所述上位机；所述上位机能在线监测状态下被动触发，通过记录故障行波信号定位故障距离。

优选地，所述前端控制单元采用时域反射仪设备，其包括CPU模块、行波接收和发送模块和高速数据采集单元；所述CPU模块接收所述上位机的控制信号，并向所述行波接收和发送模块发送信号，所述行波接收和发送模块产生行波信号，并传输至所述行波信号耦合器；所述行波信号耦合器将脐带缆故障点反射回的行波信号经所述行波接收和发送模块传输至所述高速数据采集单元，所述高速数据采集单元经所述CPU模块将行波信号传输至所述上位机。

优选地，所述高速数据采集单元由AD转换器、缓存存储器、地址计数器和时钟分频器构成；所述AD转换器接收所述行波接收和发送模块的行波信号，所述AD转换器将数字信号传输给所述缓存存储器，同时所述地址计数器向所述缓存存储器传输缓存地址，所述时钟分频器分别与所述AD转换器和所述地址计数器电连接。

优选地，所述行波接收和发送模块由脉冲宽度模块、大功率高速场效应管、脉冲变压器和阻抗平衡网络构成；所述脉冲宽度模块接收所述CPU模块的信号，控制所述大功率高速场效应管产生指定宽度的行波信号，并将行波信号传输至所述脉冲变压器，所述脉冲变压器将行波信号经所述阻抗平衡网络传输至所述行波信号耦合器；所述阻抗平衡网络接收所述行波信号耦合器传输的行波信号，并将行波信号传输至所述脉冲变压器，所述脉冲变压器将行波信号传输至所述高速数据采集单元。

优选地，所述行波信号耦合器由线路阻波器、耦合电容器和结合滤波器构成；所述线路阻波器串联在脐带缆其中一根电缆上，所述线路阻波器的右端与所述耦合电容器一端电连接，所述耦合电容器的另一端与所述结合滤波器电连接，所述结合滤波器另一端与所述前端控制单元电连接。

优选地，所述结合滤波器采用高通滤波器。

优选地，所述耦合电容器的电容值设置为0.01微法至0.1微法。

优选地，所述CPU模块内设置有32位嵌入式处理器，所述CPU模块设置有多个接口。

优选地，所述上位机能接入多个所述前端控制单元。

一种用于脐带缆电缆故障定位装置的使用方法，其特征在于它包括以下步骤：1)在上位机上运行系统监控软件，设置IP地址，完成与前端控制单元的网口连接；2)在系统监控软件上设置前端控制单元的测试参数；3)判断是否主动测试脐带缆故障定位，若主动测试，则进入步骤4)；反之进入步骤6)；4)设置测试范围、增益参数，同时向前端控制单元发送脉冲信号；5)启动高速数据采集，对数字信号滤波、计算，定位故障距离；6)设置测试范围、增益参数，循环采样；7)判断是否触发信号，若有触发信号，则进入步骤5)，反之返回步骤6)。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用用于脐带缆电缆故障的定位装置及使用方法，能够快速对电缆故障进行定位，大大减少线路存查的工作量，缩短故障修复时间，提高可靠性。2、本发明采用用于脐带缆电缆故障的定位装置及使用方法，能够在线监测，记录每条脐带缆的运行状态，便于统计、评估脐带缆健康状况，为预测故障提供参考资料，减少运维成本。

附图说明

图1是本发明定位装置整体结构示意图；

图2是本发明中行波接收和发送模块结构示意图；

图3是本发明中行波信号耦合器结构示意图；

图4是本发明中高速数据采集单元结构示意图；

图5是本发明整体流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种用于脐带缆电缆故障的定位装置，其包括行波信号耦合器1、前端控制单元2和上位机3。行波信号耦合器1串联在被测脐带缆电缆线路中，用于实现行波信号在行波信号耦合器1与脐带缆电缆之间双向传输；行波信号耦合器1与前端控制单元2电连接，用于实现脐带缆电缆线路故障监测、行波信号的发送或者接收、数据采集和数据通信功能；前端控制单元2与上位机3电连接,将前端控制单元2采集的信息传输至上位机3。上位机3向前端控制单元2发送控制命令，前端控制单元2产生行波信号，并经行波信号耦合器1传输至脐带缆，经脐带缆故障点反射回的行波信号经行波信号耦合器1和前端控制单元2传输至上位机3，由上位机3根据接受的信息进行分析计算出脐带缆电缆的故障位置；上位机3也可以在线监测状态下被动触发，通过记录故障行波信号定位故障距离。

上述实施例中，前端控制单元2采用时域反射仪设备，其包括CPU模块4、行波数据接收和发送模块5和高速数据采集单元6。CPU模块4接收上位机3的控制命令，并向行波接收和发送模块5发送信号，行波接收和发送模块5产生行波信号，并传输至行波信号耦合器1。行波信号耦合器1将脐带缆故障点反射回的行波信号经行波接收和发送模块5传输至高速数据采集单元6，用于进行数据缓存和数据采集，高速数据采集单元6经CPU模块4将行波信号传输至上位机3。

上述各实施例中，如图2所示，行波接收和发送模块5由脉冲宽度模块7、大功率高速场效应管8、脉冲变压器9和阻抗平衡网络10构成。脉冲宽度模块7接收CPU模块4的信号，控制大功率高速场效应管8产生指定宽度的行波信号，并将行波信号传输至脉冲变压器9，脉冲变压器9将行波信号经阻抗平衡网络10传输至行波信号耦合器1。阻抗平衡网络10接收行波信号耦合器1传输的行波信号，并将行波信号传输至脉冲变压器9，脉冲变压器9将行波信号传输至高速数据采集单元6。

上述各实施例中，大功率高速场效应管8产生的行波信号的信号脉宽和发射功率根据被测电缆的传播衰减特性设计。

上述各实施例中，如图3所示，行波信号耦合器1由阻抗平衡网络11、耦合电容器12和结合滤波器13构成。阻抗平衡网络11串联在脐带缆其中一根电缆上，阻抗平衡网络11的右端与耦合电容器12一端电连接，用于阻挡行波信号向电缆线路左端传播，防止阻抗平衡网络11左端的脐带缆电缆上的行波信号反射对故障定位信号的分析造成干扰，耦合电容器12的另一端与结合滤波器13电连接，用于隔离脐带缆电缆的工作电压，保护前端控制单元2不被损坏，同时也用于在线路和前端控制单元之间耦合行波信号，实现行波故障定位功能，结合滤波器13另一端与前端控制单元2电连接。

上述各实施例中，结合滤波器13采用高通滤波器，用于滤除脐带缆电缆中的工作频率。

上述各实施例中，耦合电容器12的电容值设置为0.01微法至0.1微法。

上述各实施例中，阻抗平衡网络10参数根据被测电缆的特征阻抗设计，根据被测电缆的特征阻抗和阻波器的电感值，阻波器对行波信号的反射系数为：

$\mathrm{\ρ}=\frac{j\mathrm{\ω}L-Z_0}{j\mathrm{\ω}L+Z_0}---\left(1\right)$

其中，Z₀表示线路特征阻抗，L表示阻波器的电感，ω表示行波信号主频；

上述各实施例中，如图4所示，高速数据采集单元6由AD转换器14、缓存存储器15、地址计数器16和时钟分频器17构成。AD转换器14接收行波接收和发送模块5的行波信号，并将行波信号转换为数字信号，AD转换器14将数字信号传输给缓存存储器15，同时地址计数器16向缓存存储器15传输缓存地址，时钟分频器17分别与AD转换器14和地址计数器16电连接，用于在同一时钟节拍控制下，按照电路设计的逻辑功能完成数据采集、缓冲存储等操作。

上述各实施例中，CPU模块4内设置有32位嵌入式处理器，CPU模块4具有高达200MIPS的运算速度，CPU模块4设置有丰富的接口，有利于根据现场要求进行适当的扩展。当前端控制单元2工作在被动测试工作状态下时，还可以设计更为复杂的故障定位策略，通过将被动接收信号和周期性的主动发送信号结合起来，有助于发现和定位复杂的瞬时性和间歇性故障。

上述各实施例中，上位机3可以接入多个前端控制单元2，实现对多条电缆的在线监测。

如图5所示，基于上述装置，本发明还提供一种脐带缆电缆故障的定位装置的使用方法，其具体步骤如下：

1)在上位机上运行系统监控软件，设置IP地址，完成与前端控制单元的网口连接；

2)在系统监控软件上设置前端控制单元的测试参数；

3)判断是否主动测试脐带缆故障定位，若主动测试，则进入步骤4)；反之进入步骤6)；

4)设置测试范围、增益等参数，同时向前端控制单元发送脉冲信号；

5)启动高速数据采集，对数字信号滤波、计算定位故障距离；

6)设置测试范围、增益等参数，循环采样；

7)判断是否触发信号，若有触发信号，则进入步骤5)，反之返回步骤6)。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种用于脐带缆电缆故障的定位装置，其特征在于：它包括行波信号耦合器、前端控制单元和上位机；所述行波信号耦合器串联在被测脐带缆电缆线路中，所述行波信号耦合器与所述前端控制单元电连接，所述前端控制单元与所述上位机电连接；所述上位机向所述前端控制单元发送控制命令，所述前端控制单元产生行波信号，并经所述行波信号耦合器传输至脐带缆，经脐带缆故障点反射回的行波信号经所述行波信号耦合器和所述前端控制单元传输至所述上位机；所述上位机能在线监测状态下被动触发，通过记录故障行波信号定位故障距离。

2.如权利要求1所述的一种用于脐带缆电缆故障的定位装置，其特征在于：所述前端控制单元采用时域反射仪设备，其包括CPU模块、行波接收和发送模块和高速数据采集单元；所述CPU模块接收所述上位机的控制信号，并向所述行波接收和发送模块发送信号，所述行波接收和发送模块产生行波信号，并传输至所述行波信号耦合器；所述行波信号耦合器将脐带缆故障点反射回的行波信号经所述行波接收和发送模块传输至所述高速数据采集单元，所述高速数据采集单元经所述CPU模块将行波信号传输至所述上位机。

3.如权利要求2所述的一种用于脐带缆电缆故障的定位装置，其特征在于：所述高速数据采集单元由AD转换器、缓存存储器、地址计数器和时钟分频器构成；所述AD转换器接收所述行波接收和发送模块的行波信号，所述AD转换器将数字信号传输给所述缓存存储器，同时所述地址计数器向所述缓存存储器传输缓存地址，所述时钟分频器分别与所述AD转换器和所述地址计数器电连接。

4.如权利要求1或2所述的一种用于脐带缆电缆故障的定位装置，其特征在于：所述行波接收和发送模块由脉冲宽度模块、大功率高速场效应管、脉冲变压器和阻抗平衡网络构成；所述脉冲宽度模块接收所述CPU模块的信号，控制所述大功率高速场效应管产生指定宽度的行波信号，并将行波信号传输至所述脉冲变压器，所述脉冲变压器将行波信号经所述阻抗平衡网络传输至所述行波信号耦合器；所述阻抗平衡网络接收所述行波信号耦合器传输的行波信号，并将行波信号传输至所述脉冲变压器，所述脉冲变压器将行波信号传输至所述高速数据采集单元。

5.如权利要求1所述的一种用于脐带缆电缆故障的定位装置，其特征在于：所述行波信号耦合器由线路阻波器、耦合电容器和结合滤波器构成；所述线路阻波器串联在脐带缆其中一根电缆上，所述线路阻波器的右端与所述耦合电容器一端电连接，所述耦合电容器的另一端与所述结合滤波器电连接，所述结合滤波器另一端与所述前端控制单元电连接。

6.如权利要求5所述的一种用于脐带缆电缆故障的定位装置，其特征在于：所述结合滤波器采用高通滤波器。

7.如权利要求5所述的一种用于脐带缆电缆故障的定位装置，其特征在于：所述耦合电容器的电容值设置为0.01微法至0.1微法。

8.如权利要求2所述的一种用于脐带缆电缆故障的定位装置，其特征在于：所述CPU模块内设置有32位嵌入式处理器，所述CPU模块设置有多个接口。

9.如权利要求1所述的一种用于脐带缆电缆故障的定位装置，其特征在于：所述上位机能接入多个所述前端控制单元。

10.一种基于如权利要求1-9任一项所述定位装置的使用方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1)在上位机上运行系统监控软件，设置IP地址，完成与前端控制单元的网口连接；

2)在系统监控软件上设置前端控制单元的测试参数；

3)判断是否主动测试脐带缆故障定位，若主动测试，则进入步骤4)；反之进入步骤6)；

4)设置测试范围、增益参数，同时向前端控制单元发送脉冲信号；

5)启动高速数据采集，对数字信号滤波、计算，定位故障距离；

6)设置测试范围、增益参数，循环采样；

7)判断是否触发信号，若有触发信号，则进入步骤5)，反之返回步骤6)。