CN106443359A - 一种低压脉冲法的短距离电缆故障测距系统和测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压脉冲法的短距离电缆故障测距系统和测距方法，包括单片机控制模块、键盘输入模块、显示屏模块、脉冲产生电路、脉冲延迟电路、高速采集模块、PC处理模块、电源和被测电缆，所述单片机控制模块、键盘输入模块、显示屏模块、脉冲产生电路、脉冲延迟电路、高速采集模块、PC处理模块分别与电源连接，所述单片机控制模块分别与键盘输入模块、显示屏模块、高速采集模块和脉冲产生电路连接，所述脉冲产生电路和脉冲延迟电路连接，所述脉冲延迟电路的输出端分别与高速采集模块和被测电缆连接，所述高速采集模块与PC处理模块连接；本发明能有效的减少测量盲区，从而使电缆故障测距准确度较高。

Description

一种低压脉冲法的短距离电缆故障测距系统和测距方法

技术领域

本发明涉及电缆故障测距系统，具体涉及一种低压脉冲法的短距离电缆故障测距系统和测距方法。

背景技术

随着我国的经济高速发展，电网逐渐进行了改革，电力线路逐渐实现了电缆化。随着电缆的应用越来越广泛，电缆的故障问题就会不断发生。为了更好的解决电缆故障带来的一系列问题，对电缆的故障距离的精确把握显得尤其重要。目前，行波法是对电缆故障测距最为有效的方法。通过向被测电缆中注入脉冲，检测入射脉冲和反射脉冲之间的时间差，结合电缆的行波速度，便可以得到电缆的故障距离。如脉冲电流法、脉冲电压法、二次脉冲法等。对于远距离的电缆，上述行波法得到的入射行波和反射行波不会产生重叠，计算两波形的时间差很容易。然而当是短距离的电缆时，往往会出现盲区，从而造成测量的距离偏差很大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种低压脉冲法的短距离电缆故障测距系统和测距方法，本低压脉冲法的短距离电缆故障测距系统和测距方法具有很高的测距精确度。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种低压脉冲法的短距离电缆故障测距系统，包括单片机控制模块、键盘输入模块、显示屏模块、脉冲产生电路、脉冲延迟电路、高速采集模块、PC处理模块、电源和被测电缆，所述单片机控制模块、键盘输入模块、显示屏模块、脉冲产生电路、脉冲延迟电路、高速采集模块、PC处理模块分别与电源连接，所述单片机控制模块分别与键盘输入模块、显示屏模块、高速采集模块和脉冲产生电路连接，所述脉冲产生电路和脉冲延迟电路连接，所述脉冲延迟电路的输出端分别与高速采集模块和被测电缆连接，所述高速采集模块与PC处理模块连接。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述脉冲产生电路包括交流电源、桥式整流电路、IGBT电路、降压变压器、二极管D5和滑动变阻器R2，所述交流电源的两端与桥式整流电路连接，所述桥式整流电路分别与降压变压器和IGBT电路连接，所述二极管D5与降压变压器的初级并联，所述二极管D5的负极与桥式整流电路连接，所述二极管D5的正极与IGBT电路连接，所述降压变压器的次级与滑动变阻器R2并联，所述滑动变阻器R2与脉冲延迟电路并联，所述IGBT电路与单片机控制模块的输出端连接。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述降压变压器的次级包括调压轴头，所述调压轴头用于调节降压变压器二次输出电压高低。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述IGBT电路包括IGBT和二极管D6，所述IGBT的C极与二极管D5的正极连接，所述IGBT的G极与单片机控制模块的输出端连接，所述IGBT的E极与桥式整流电路连接，所述IGBT的E极与二极管D6的正极连接，所述IGBT的C极与二极管D6的负极连接。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述脉冲延迟电路包括滑动变阻器R3、多路开关K、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、施密特触发器U1和施密特触发器U2，所述滑动变阻器R3的一端与滑动变阻器R2的一端的连接，所述电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和施密特触发器U1均与滑动变阻器R2的另一端连接，所述多路开关K的输入端分别与滑动变阻器R3和施密特触发器U1连接，所述多路开关K的输出端分别与电容C1、电容C2、电容C3和电容C4连接，所述施密特触发器U1和施密特触发器U2连接，所述施密特触发器U2分别与被测电缆和高速采集模块连接，所述施密特触发器U1和施密特触发器U2均与单片机控制模块连接。

本发明采取的另一个技术方案为：

一种低压脉冲法的短距离电缆故障测距系统的测距方法，包括以下步骤：

（1）通过键盘输入模块预先设置发射脉冲的宽度和频率并通过单片机控制模块将预先设置的发射脉冲的宽度和频率显示在显示屏模块上；

（2）单片机控制模块输入高电平到脉冲产生电路，IGBT电路中的IGBT导通，二极管D5导通，交流电源导通，降压变压器开始工作，通过降压变压器的调压抽头来控制输出电压幅值，利用滑动变阻器R2来调节负载阻抗使滑动变阻器R2与被测电缆阻抗匹配；

（3）单片机控制模块停止输入高电平到脉冲产生电路，IGBT电路中的IGBT截止，二极管D5截止，降压变压器停止工作，利用IGBT的导通和截止从而实现低压脉冲信号的产生；

（4）脉冲产生电路通过滑动变阻器R2输入低压脉冲信号到脉冲延迟电路，根据键盘输入模块预先设置的发射脉冲的宽度，调节滑动变阻器R2，且开关K对电容C1、电容C2、电容C3和电容C4进行选择从而使脉冲延迟电路输出的发射脉冲的宽度与预先设置的发射脉冲的宽度一致；

（5）通过单片机控制模块对施密特触发器U1和施密特触发器U2施加高电平，施密特触发器U1和施密特触发器U2调节脉冲延迟时间从而实现发射脉冲的频率与键盘输入模块预先设置的发射脉冲的频率一致；

（6）高速采集模块采集脉冲延迟电路的输出端产生的发射脉冲以及由被测电缆产生的反射脉冲并发送到PC处理模块；

（7）PC处理模块对发射脉冲中的波形和反射脉冲中的波形进行小波变换，并进行去噪声处理，利用模极大值原理找出发射脉冲的起点和第一个反射脉冲的起点，从而计算发射波形和第一个反射脉冲之间的时间差，结合反射脉冲和发射脉冲在电缆中的速度从而计算被测电缆的故障距离。

本发明的脉冲产生电路设置了桥式整流电路，有效的将交流电路发出的交流转换为直流，交流电源使用比直流电源更加方便，且桥式整流电路产生的波形比直流电源直接提供的波形更加圆润，波形效果更加明显；IGBT电路的开关速度更开，产生的脉冲的波形更加圆滑，IGBT电路中的IGBT的输出的电流和跨导都大于相同尺寸的MOSFET，其中滑动变阻器R2调节自身的阻值从而使自身与被测电缆形成阻抗匹配，从而防止了脉冲的幅值衰减过快；由于IGBT的导通和截止，产生了低压脉冲信号；通过脉冲延迟电路中的4选1的多路开关K选择电容C1、电容C2、电容C3和电容C4中的4个不同容值的电容中比较合适的电容，再加上调节滑动变阻器R2的阻值，以此来调节出与预先设定的脉冲的发射脉冲的宽度一致的脉冲；施密特触发器U1和施密特触发器U2调节了脉冲延迟时间，以此来减少因短距离的被测电缆而造成的测量盲区，并最终使实际发射脉冲的频率与预先设定的发射脉冲的频率一致，最终输出适合的低压脉冲即发射脉冲；利用高速采集模块对反射脉冲的波形进行采集，将波形数据传入PC处理模块进行波形进一步的处理，利用小波变换，在进行去噪声处理，利用模极大值原理找到分歧点，从而获得时间差，结合脉冲的电压行波在被测电缆中的传播速度，从而可以精确得到被测电缆的故障距离。本发明适用于电缆短距离开路故障和低阻故障的测距。在短距离的电缆故障测距中，操作简单，精确度高，具有很高的研究价值。

附图说明

图1为本发明的电路原理示意图。

图2为本发明的脉冲产生电路的电路原理示意图。

图3为本发明的脉冲延迟电路的电路原理示意图。

具体实施方式

下面根据图1至图3对本发明的具体实施方式作进一步说明：

参见图1，一种低压脉冲法的短距离电缆故障测距系统，包括单片机控制模块、键盘输入模块、显示屏模块、脉冲产生电路、脉冲延迟电路、高速采集模块、PC处理模块、电源和被测电缆，单片机控制模块、键盘输入模块、显示屏模块、脉冲产生电路、脉冲延迟电路、高速采集模块、PC处理模块分别与电源连接，单片机控制模块中的I/O端口分别与键盘输入模块、显示屏模块、高速采集模块和脉冲产生电路连接，脉冲产生电路和脉冲延迟电路连接，脉冲延迟电路的输出端分别与高速采集模块和被测电缆连接，高速采集模块与PC处理模块连接。

其中键盘输入模块预先设置发射脉冲的宽度和频率并发送到单片机控制模块，显示屏模块根据单片机控制模块的控制指令显示发射脉冲的宽度和频率；单片机控制模块发送触发信号到脉冲产生电路，脉冲产生电路产生低压脉冲信号并发送低压脉冲信号到脉冲延迟电路，脉冲延迟电路调节脉冲延迟时间从而实现发射脉冲的频率与键盘输入模块预先设置的发射脉冲的频率一致和实现发射脉冲的宽度与预先设置的发射脉冲的宽度一致，脉冲延迟电路输出发射信号到被测电缆，经过被测电缆的故障点从而产生反射脉冲，高速采集模块采集并发送脉冲延迟电路输出的发射信号和经过被测电缆产生的反射脉冲到PC处理模块，PC处理模块计算被测电缆的故障距离。

进一步地，如图2，所述脉冲产生电路包括交流电源、桥式整流电路1、IGBT电路3、降压变压器2、二极管D5和滑动变阻器R2，所述交流电源的两端与桥式整流电路1连接，所述桥式整流电路1分别与降压变压器2和IGBT电路3连接，所述二极管D5与降压变压器2的初级并联，所述二极管D5的负极与桥式整流电路1连接，所述二极管D5的正极与IGBT电路3连接，所述降压变压器2的次级与滑动变阻器R2并联，所述滑动变阻器R2与脉冲延迟电路并联，所述IGBT电路3与单片机控制模块中的I/O端口连接；桥式整流电路1由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电阻R1和电容C1组成，其中二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4采用桥式接法；如图2所示。

进一步地，降压变压器2的次级包括调压轴头，调压轴头用于调节降压变压器2二次输出电压高低。

进一步地，所述IGBT电路3包括IGBT和二极管D6，所述IGBT的C极与二极管D5的正极连接，所述IGBT的G极与单片机控制模块的中的I/O端口连接，所述IGBT的E极与桥式整流电路1连接，所述IGBT的E极与二极管D6的正极连接，所述IGBT的C极与二极管D6的负极连接。IGBT是电力电子器件，它的导通和截止用来控制降压变压器2的通断，当IGBT处于导通状态时，降压变压器2导通，在很短的时间内单片机控制模块中的I/O端口的触发信号消失，IGBT截止，降压变压器2也断开，从而产生了低压脉冲。

进一步地，参见图3，脉冲延迟电路包括滑动变阻器R3、多路开关K、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、施密特触发器U1和施密特触发器U2，滑动变阻器R3的一端与滑动变阻器R2的一端的连接，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和施密特触发器U1均与滑动变阻器R2的另一端连接，多路开关为4选1多路开关，多路开关K的输入端即其中一路分别与滑动变阻器R3和施密特触发器U1连接，多路开关K的输出端即其中四路分别与电容C1、电容C2、电容C3和电容C4连接，施密特触发器U1和施密特触发器U2连接，施密特触发器U2的输出端分别与被测电缆和高速采集模块连接，施密特触发器U1和施密特触发器U2均与单片机控制模块连接。其中多路开关K是进行电容值的选取，选取电容C1、电容C2、电容C3和电容C4的四个不同的电容值从而输出不同宽度的脉冲，施密特触发器U1和施密特触发器U2可以对脉冲进行延迟，通过不同的延迟时间从而输出不同频率的脉冲。

一种低压脉冲法的短距离电缆故障测距系统的测距方法，包括以下步骤：

（1）通过键盘输入模块预先设置发射脉冲的宽度和频率并通过单片机控制模块将预先设置的发射脉冲的宽度和频率显示在显示屏模块上；

（2）单片机控制模块输入高电平到脉冲产生电路，即输入触发信号，IGBT电路3中的IGBT导通，二极管D5导通，此时交流电源Uac导通，降压变压器2开始工作，通过调节降压变压器2的调压抽头从而控制输出电压幅值，利用滑动变阻器R2来调节自身的阻值，使自身的阻抗与被测线缆的特性阻抗的大小相等且相位相同，形成阻抗匹配，以此来防止幅值衰减过快；

（3）单片机控制模块停止输入高电平到脉冲产生电路，IGBT电路3的触发信号消失，IGBT电路3中的IGBT截止，同时二极管D5截止，降压变压器2停止工作，从而由于IGBT的导通和截止，产生了低压脉冲信号；

（4）脉冲产生电路通过滑动变阻器R2输入低压脉冲信号到脉冲延迟电路，根据键盘输入模块预先设置的发射脉冲的宽度，调节滑动变阻器R2，且开关K对电容C1、电容C2、电容C3和电容C4中不同容值进行选择从而使实际产生的发射脉冲的宽度与预先设置的发射脉冲的宽度一致，以此满足需要的发射脉冲的宽度；

（5）通过单片机控制模块对施密特触发器U1和施密特触发器U2施加高电平，施密特触发器U1和施密特触发器U2开始工作，并调节脉冲延迟时间从而实现发射脉冲的频率与键盘输入模块预先设置的发射脉冲的频率一致，以此来减少测量盲区，最终输出低压脉冲即发射脉冲；

（6）高速采集模块连接在发射脉冲的输出端也就是被测电缆的首段，高速采集模块根据单片机控制模块开始工作，高速采集模块采集脉冲延迟电路的输出端产生的发射脉冲以及由被测电缆产生的反射脉冲，并将采集的发射脉冲和反射脉冲的波形发送到PC处理模块；

（7）PC处理模块对发射脉冲中的波形和反射脉冲中的波形进行小波变换，并进行去噪声处理，利用模极大值原理找出发射脉冲的起点和第一个反射脉冲的起点，从而计算发射波形和第一个反射脉冲之间的时间差，结合反射脉冲和发射脉冲在电缆中的速度从而计算被测电缆的故障距离。

其中高速采集模块包括示波器，单片机控制模块包括8098单片机。

本发明的脉冲产生电路设置了桥式整流电路1，有效的将交流电路发出的交流转换为直流，交流电源使用比直流电源更加方便，且桥式整流电路1产生的波形比直流电源直接提供的波形更加圆润，波形效果更加明显；IGBT电路3的开关速度更开，产生的脉冲的波形更加圆滑，IGBT电路3中的IGBT的输出的电流和跨导都大于相同尺寸的MOSFET，其中滑动变阻器R2调节自身的阻值从而使自身与被测电缆形成阻抗匹配，从而防止了脉冲的幅值衰减过快；由于IGBT的导通和截止，产生了低压脉冲信号；通过脉冲延迟电路中的4选1的多路开关K选择电容C1、电容C2、电容C3和电容C4中的4个不同容值的电容中比较合适的电容，再加上调节滑动变阻器R2的阻值，以此来调节出与预先设定的脉冲的发射脉冲的宽度一致的脉冲；施密特触发器U1和施密特触发器U2调节了脉冲延迟时间，以此来减少因短距离的被测电缆而造成的测量盲区，并最终使实际发射脉冲的频率与预先设定的发射脉冲的频率一致，最终输出适合的低压脉冲即发射脉冲；利用高速采集模块对反射脉冲的波形进行采集，将波形数据传入PC处理模块进行波形进一步的处理，利用小波变换，在进行去噪声处理，利用模极大值原理找到分歧点，从而获得时间差，结合脉冲的电压行波在被测电缆中的传播速度，从而可以精确得到被测电缆的故障距离。本发明适用于电缆短距离开路故障和低阻故障的测距。在短距离的电缆故障测距中，操作简单，精确度高，具有很高的研究价值。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种低压脉冲法的短距离电缆故障测距系统，其特征在于：包括单片机控制模块、键盘输入模块、显示屏模块、脉冲产生电路、脉冲延迟电路、高速采集模块、PC处理模块、电源和被测电缆，所述单片机控制模块、键盘输入模块、显示屏模块、脉冲产生电路、脉冲延迟电路、高速采集模块、PC处理模块分别与电源连接，所述单片机控制模块分别与键盘输入模块、显示屏模块、高速采集模块和脉冲产生电路连接，所述脉冲产生电路和脉冲延迟电路连接，所述脉冲延迟电路的输出端分别与高速采集模块和被测电缆连接，所述高速采集模块与PC处理模块连接。

2.根据权利要求1所述的低压脉冲法的短距离电缆故障测距系统，其特征在于：所述脉冲产生电路包括交流电源、桥式整流电路、IGBT电路、降压变压器、二极管D5和滑动变阻器R2，所述交流电源的两端与桥式整流电路连接，所述桥式整流电路分别与降压变压器和IGBT电路连接，所述二极管D5与降压变压器的初级并联，所述二极管D5的负极与桥式整流电路连接，所述二极管D5的正极与IGBT电路连接，所述降压变压器的次级与滑动变阻器R2并联，所述滑动变阻器R2与脉冲延迟电路并联，所述IGBT电路与单片机控制模块的输出端连接。

3.根据权利要求2所述的低压脉冲法的短距离电缆故障测距系统，其特征在于：所述降压变压器的次级包括调压轴头，所述调压轴头用于调节降压变压器二次输出电压高低。

4.根据权利要求3所述的基于低压脉冲法的短距离电缆故障测距系统，其特征在于：所述IGBT电路包括IGBT和二极管D6，所述IGBT的C极与二极管D5的正极连接，所述IGBT的G极与单片机控制模块的输出端连接，所述IGBT的E极与桥式整流电路连接，所述IGBT的E极与二极管D6的正极连接，所述IGBT的C极与二极管D6的负极连接。

5.根据权利要求2所述的低压脉冲法的短距离电缆故障测距系统，其特征在于：所述脉冲延迟电路包括滑动变阻器R3、多路开关K、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、施密特触发器U1和施密特触发器U2，所述滑动变阻器R3的一端与滑动变阻器R2的一端的连接，所述电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和施密特触发器U1均与滑动变阻器R2的另一端连接，所述多路开关K的输入端分别与滑动变阻器R3和施密特触发器U1连接，所述多路开关K的输出端分别与电容C1、电容C2、电容C3和电容C4连接，所述施密特触发器U1和施密特触发器U2连接，所述施密特触发器U2分别与被测电缆和高速采集模块连接，所述施密特触发器U1和施密特触发器U2均与单片机控制模块连接。

6.一种根据权利要求5所述的低压脉冲法的短距离电缆故障测距系统的测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）通过键盘输入模块预先设置发射脉冲的宽度和频率并通过单片机控制模块将预先设置的发射脉冲的宽度和频率显示在显示屏模块上；

（2）单片机控制模块输入高电平到脉冲产生电路，IGBT电路中的IGBT导通，二极管D5导通，交流电源导通，降压变压器开始工作，通过降压变压器的调压抽头来控制输出电压幅值，利用滑动变阻器R2来调节负载阻抗使滑动变阻器R2与被测电缆阻抗匹配；

（3）单片机控制模块停止输入高电平到脉冲产生电路，IGBT电路中的IGBT截止，二极管D5截止，降压变压器停止工作，利用IGBT的导通和截止从而实现低压脉冲信号的产生；

（4）脉冲产生电路通过滑动变阻器R2输入低压脉冲信号到脉冲延迟电路，根据键盘输入模块预先设置的发射脉冲的宽度，调节滑动变阻器R2，且开关K对电容C1、电容C2、电容C3和电容C4进行选择从而使脉冲延迟电路输出的发射脉冲的宽度与预先设置的发射脉冲的宽度一致；

（5）通过单片机控制模块对施密特触发器U1和施密特触发器U2施加高电平，施密特触发器U1和施密特触发器U2调节脉冲延迟时间从而实现发射脉冲的频率与键盘输入模块预先设置的发射脉冲的频率一致；

（6）高速采集模块采集脉冲延迟电路的输出端产生的发射脉冲以及由被测电缆产生的反射脉冲并发送到PC处理模块；

（7）PC处理模块对发射脉冲中的波形和反射脉冲中的波形进行小波变换，并进行去噪声处理，利用模极大值原理找出发射脉冲的起点和第一个反射脉冲的起点，从而计算发射波形和第一个反射脉冲之间的时间差，结合反射脉冲和发射脉冲在电缆中的速度从而计算被测电缆的故障距离。