CN107515355B - 电缆故障点定位装置及其数据处理方法 - Google Patents

电缆故障点定位装置及其数据处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电缆故障点定位装置及其数据处理方法，包括陡波脉冲发送/接收模块，陡波脉冲发送/接收模块通过线夹插头与和故障电缆一端相接的测试线夹连接，陡波脉冲发送/接收模块向故障电缆发射脉冲；陡波脉冲发送/接收模块通过AD转换模块与CPU连接；陡波脉冲发送/接收模块与阻尼模块通信，阻尼模块在第一个脉冲反射波被记录后消除电缆内部多次反射的脉冲能量，电源模块为装置提供电源。本发明能够确定电缆故障类型和故障位置，工作性能优异。

Description

电缆故障点定位装置及其数据处理方法
技术领域
本发明涉及一种电缆故障点定位装置及其数据处理方法。
背景技术
故障电缆反射波波形数据的处理方法目前主要有以下两种：
(1)自相关算法
两个信号之间的相似性称为自相关函数，通过求解自相关函数的极值点来确定波形起始时刻。在线路无损情况下，发射波和反射波之间具有很高的相似性，然而实际线路都会有阻抗，当电缆长度较长反射波损耗较大时，波形畸变十分严重，产生较大误差。
(2)斜率法
主要原理是计算采集信号各点的斜率值，认为斜率值最大点就是反射波起始点，这种方法的主要优点是计算简单，在噪声信号较小并且反射波上升沿较陡的条件下，利用这种方法可以较好的确定反射波的起始点。如果采集信号中含有大量的噪声信号，并且反射波上升沿上升缓慢，其斜率相对于入射波来说降低很多，这时利用斜率法确定发射波起始点有可能产生较大的测距误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够确定电缆故障类型和故障位置的电缆故障点定位装置。
本发明的技术解决方案是：
一种电缆故障点定位装置，其特征是：包括陡波脉冲发送/接收模块，陡波脉冲发送/接收模块通过线夹插头与和故障电缆一端相接的测试线夹连接，陡波脉冲发送/接收模块向故障电缆发射脉冲；陡波脉冲发送/接收模块通过AD转换模块与CPU连接；陡波脉冲发送/接收模块与阻尼模块通信，阻尼模块在第一个脉冲反射波被记录后消除电缆内部多次反射的脉冲能量，电源模块为装置提供电源。
所述电源为可充电锂电池。
可充电锂电池与太阳能电池板连接。
CP接有键盘。
CP接有液晶显示屏。
一种电缆故障点定位装置的数据处理方法，其特征是：包括下列步骤：
（1）校准
电缆始端接在装置测试线夹上的方法视不同线缆情况而定，对于同轴有屏蔽层电缆的而言，两个夹子分别夹在芯线和屏蔽层，两个夹子不做区分；对于两线电缆而言，直接将两个夹子夹在芯线上，两个夹子不做区分；对于三相电缆而言，将夹子夹在任意选取的两根芯线即可，两个夹子不做区分；将装置与故障电缆始端连接，启动装置后按下智能键，液晶屏显示故障类型；选取和故障电缆同种的完好电缆a米，a为完好电缆长度且已知，a取值越大越好；根据初步测定的故障电缆的故障类型，对已知电缆末端做相应处理，即故障类型为短路时完好电缆末端做短路处理，故障类型为断路时完好电缆末端做断路处理；已知电缆与测试线夹连接好后，启动装置并按下智能键，装置显示屏显示故障类型和故障点距离，若故障点距离与已知电缆长度不一致，按调整键选择波速调节，增减波速后再按下智能键得到调节波速后的故障点距离，逐渐调节直至装置显示故障点距离与已知电缆长度一致时为止，记录下此时波速作为测量故障电缆的波速；
（2）智能测量电缆故障点距离
将故障电缆一端与装置测试线夹可靠连接，启动装置并校准波速，将装置连接到故障电缆始端估计故障位置选择合适量程，按下智能键后屏幕显示故障类型和故障点距离；
（3）波形处理
采用结合牛顿插值法和波形包络线法的波形数据处理方法；
牛顿插值法：
计数变量n初始化为0，发射脉冲并记录起始时刻t0，测量反射脉冲数据，对数据进行滤波处理排除杂波信号，记录此次各点电压幅值u1和时刻t所对应的波形，计数变量n加1赋值为2，若计数变量n不等于整定常数k，k根据不同量程而取不同的值，则阻尼模块快速消除故障电缆内部的反射波能量，陡波脉冲发送/接收模块再次发送脉冲，测量反射脉冲数据，对数据进行滤波处理排除杂波信号，记录第二次各点电压波形u2和时刻t所对应的波形，计数变量n再加1赋值为3，如此往复循环直至计数变量n等于整定常数k，此时共测量并存储k组波形数据，将每一时刻对应的电压幅值取平均值，得到牛顿插值函数表u(ti)，根据牛顿插值函数表求得牛顿插值函数u’(t)，令u’(t)=0求出反射脉冲起始时刻ts，故障点到始端距离L1=v(ts-to)/2，其中v为校准波速；
包络线法：
当电缆参数固定，脉冲波速Vi也随之确定；电缆短路故障时，在电缆中注入脉冲波形；电缆长度Lm对应一个反射波波峰点Am（tm，Um），当电缆长度Lm连续变化时，Am会形成一条曲线g(Am)，即该曲线上每一点对应一个电缆短路点到始端的距离Lm；由装置校准时确定的波速V作为依据，选取对应的g(Am)曲线，根据反射波峰值确定电缆短路位置距始端长度；
计数变量n小于整定常数k时，每次记录的反射波波形数据均对应一个故障距离，最终将k次求得的故障距离取平均值作为包络线法确定的故障距离L2；
分别由牛顿插值法和包络线法求出故障点距离L1和L2，最终确定故障点距离L=（L1+L2）/2，将L输出于液晶屏显示；
（4）故障类型判别方法
以时间为横坐标电压幅值为纵坐标，设定发射脉冲电压值恒为正，当测得反射波波峰点电压值后，若波峰点电压值为正值则判定故障类型为断线，若波峰点电压值为负值则判定故障类型为短路。
本发明能够确定电缆故障类型和故障位置；A/D模块用于实现模拟信号和数字信号之间的转换。陡波脉冲发送/接收模块发射的脉冲可以根据量程的不同自动调整最合适的脉冲幅值和脉冲宽度，也可以通过手动设置脉冲幅值和脉冲宽度，从而使得脉冲特征与电缆参数最为匹配，该模块发射的脉冲信号电压低，不会有操作人员触电的危险，安全系数高。阻尼模块能够在第一个脉冲反射波被记录后快速消除电缆内部多次反射的脉冲能量，从而避免反射脉冲对于下一个发射脉冲的耦合影响。太阳能电池板电源系统由智能充电保护部分、锂电池和太阳能电池板组成，能够为装置持续供电绿色环保，太阳能电池板可以折叠收纳，节省空间便于携带。
该装置对于脉冲波形数据处理算法是结合牛顿插值法和波形包络线法实现的，该算法与装置硬件的配合能快速确定故障类型和故障点距离，并且能够大大提高故障点定位精度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明一个实施例的结构示意图。
图2是本发明使用步骤流程图。
图3是牛顿插值法的流程图。
图4是不同长度电缆末端短路的反射波波形。
图5是不同波速情况下的包络线示意图。
图6、图7分别是发射脉冲和反射脉冲示意图。
具体实施方式
一种电缆故障点定位装置，包括陡波脉冲发送/接收模块1，陡波脉冲发送/接收模块通过线夹插头2与和故障电缆一端相接的测试线夹3连接，陡波脉冲发送/接收模块向故障电缆发射脉冲；陡波脉冲发送/接收模块通过AD转换模块4与CPU5连接；陡波脉冲发送/接收模块与阻尼模块6通信，阻尼模块在第一个脉冲反射波被记录后消除电缆内部多次反射的脉冲能量，电源模块7为装置提供电源。
所述电源为可充电锂电池。
可充电锂电池与太阳能电池板8连接。
CP接有键盘。
CP接有液晶显示屏。
一种电缆故障点定位装置的数据处理方法，包括下列步骤：
（1）校准
电缆始端接在装置测试线夹上的方法视不同线缆情况而定，对于同轴有屏蔽层电缆的而言，两个夹子分别夹在芯线和屏蔽层，两个夹子不做区分；对于两线电缆而言，直接将两个夹子夹在芯线上，两个夹子不做区分；对于三相电缆而言，将夹子夹在任意选取的两根芯线即可，两个夹子不做区分。将装置与故障电缆始端连接，启动装置后按下智能键，液晶屏显示故障类型。选取和故障电缆同种的完好电缆a米，a为完好电缆长度且已知，a取值越大越好。根据初步测定的故障电缆的故障类型，对已知电缆末端做相应处理，即故障类型为短路时完好电缆末端做短路处理，故障类型为断路时完好电缆末端做断路处理。已知电缆与测试线夹连接好后，启动装置并按下智能键，装置显示屏显示故障类型和故障点距离，若故障点距离与已知电缆长度不一致，按调整键选择波速调节，增减波速后再按下智能键得到调节波速后的故障点距离，逐渐调节直至装置显示故障点距离与已知电缆长度一致时为止，记录下此时波速作为测量故障电缆的波速。
2智能测量电缆故障点距离
将故障电缆一端与装置测试线夹可靠连接，启动装置并校准波速，将装置连接到故障电缆始端估计故障位置选择合适量程，按下智能键后屏幕显示故障类型和故障点距离。
3波形处理
本专利采用结合牛顿插值法和波形包络线法的波形数据处理方法，采用本专利的数据处理方法可以大大提高数据处理的有效性和故障定位的精度，配合高运算速率的处理器可以快速精确的锁定电缆故障点位置。
牛顿插值法：
计数变量n初始化为0，发射脉冲并记录起始时刻t0，测量反射脉冲数据，对数据进行滤波处理排除杂波信号，记录此次各点电压幅值u1和时刻t所对应的波形，计数变量n加1赋值为2，若计数变量n不等于整定常数k（k根据不同量程而取不同的值），则阻尼模块快速消除故障电缆内部的反射波能量，智能陡波脉冲发送/接收模块再次发送脉冲，测量反射脉冲数据，对数据进行滤波处理排除杂波信号，记录第二次各点电压波形u2和时刻t所对应的波形，计数变量n再加1赋值为3，如此往复循环直至计数变量n等于整定常数k，此时共测量并存储k组波形数据，将每一时刻对应的电压幅值取平均值，得到牛顿插值函数表u(ti)，根据牛顿插值函数表求得牛顿插值函数u’(t)，令u’(t)=0求出反射脉冲起始时刻ts，故障点到始端距离L1=v(ts-to)/2，其中v为校准波速。
包络线法：
当电缆参数固定，脉冲波速Vi也随之确定。以电缆短路故障为例，在电缆中注入脉冲波形，电缆不同短路距离（40m，60m，...，160m）的反射波波形如图所示。电缆长度Lm对应一个反射波波峰点Am（tm，Um），当电缆长度Lm连续变化时，Am会形成一条曲线g(Am)，即该曲线上每一点对应一个电缆短路点到始端的距离Lm。本专利申请人测量了目前所有型号电力电缆的g(Am)曲线并将其存于装置内，即装置内部存储有不同波速情况下的g(Am)曲线，相应测量曲线数据可以根据电缆新品种的提出进行同步更新。使用装置时，由装置校准时确定的波速V作为依据，不同波速情况下的包络线如图所示，选取对应的g(Am)曲线，根据反射波峰值确定电缆短路位置距始端长度。电缆末端开路情况同理。
计数变量n小于整定常数k时，每次记录的反射波波形数据均对应一个故障距离，最终将k次求得的故障距离取平均值作为包络线法确定的故障距离L2。
分别由牛顿插值法和包络线法求出故障点距离L1和L2，最终确定故障点距离L=（L1+L2）/2，将L输出于液晶屏显示。
4故障类型判别方法
以时间为横坐标电压幅值为纵坐标，设定发射脉冲电压值恒为正，当测得反射波波峰点电压值后，若波峰点电压值为正值则判定故障类型为断线，若波峰点电压值为负值则判定故障类型为短路。

Claims (1)

1.一种电缆故障点定位装置的数据处理方法，其特征是：所述电缆故障点定位装置包括陡波脉冲发送/接收模块，陡波脉冲发送/接收模块通过线夹插头与和故障电缆一端相接的测试线夹连接，陡波脉冲发送/接收模块向故障电缆发射脉冲；陡波脉冲发送/接收模块通过AD转换模块与CPU连接；陡波脉冲发送/接收模块与阻尼模块通信，阻尼模块在第一个脉冲反射波被记录后消除电缆内部多次反射的脉冲能量，电源模块为装置提供电源；
处理方法包括下列步骤：
（1）校准
电缆始端接在装置测试线夹上的方法视不同线缆情况而定，对于同轴有屏蔽层电缆而言，两个夹子分别夹在芯线和屏蔽层，两个夹子不做区分；对于两线电缆而言，直接将两个夹子夹在芯线上，两个夹子不做区分；对于三相电缆而言，将夹子夹在任意选取的两根芯线即可，两个夹子不做区分；将装置与故障电缆始端连接，启动装置后按下智能键，液晶屏显示故障类型；选取和故障电缆同种的完好电缆a米，a为完好电缆长度且已知，a取值越大越好；根据初步测定的故障电缆的故障类型，对已知电缆末端做相应处理，即故障类型为短路时完好电缆末端做短路处理，故障类型为断路时完好电缆末端做断路处理；已知电缆与测试线夹连接好后，启动装置并按下智能键，装置显示屏显示故障类型和故障点距离，若故障点距离与已知电缆长度不一致，按调整键选择波速调节，增减波速后再按下智能键得到调节波速后的故障点距离，逐渐调节直至装置显示故障点距离与已知电缆长度一致时为止，记录下此时波速作为测量故障电缆的波速；
（2）智能测量电缆故障点距离
将故障电缆一端与装置测试线夹可靠连接，启动装置并校准波速，将装置连接到故障电缆始端估计故障位置选择合适量程，按下智能键后屏幕显示故障类型和故障点距离；
（3）波形处理
采用结合牛顿插值法和波形包络线法的波形数据处理方法；
牛顿插值法：
计数变量n初始化为0，发射脉冲并记录起始时刻t0，测量反射脉冲数据，对数据进行滤波处理排除杂波信号，记录此次各点电压幅值u1和时刻t所对应的波形，计数变量n加1赋值为2，若计数变量n不等于整定常数k，k根据不同量程而取不同的值，则阻尼模块快速消除故障电缆内部的反射波能量，陡波脉冲发送/接收模块再次发送脉冲，测量反射脉冲数据，对数据进行滤波处理排除杂波信号，记录第二次各点电压波形u2和时刻t所对应的波形，计数变量n再加1赋值为3，如此往复循环直至计数变量n等于整定常数k，此时共测量并存储k组波形数据，将每一时刻对应的电压幅值取平均值，得到牛顿插值函数表u(ti)，根据牛顿插值函数表求得牛顿插值函数u’(t)，令u’(t)=0求出反射脉冲起始时刻ts，故障点到始端距离L1=v(ts-to)/2，其中v为校准波速；
包络线法：
当电缆参数固定，脉冲波速Vi也随之确定；电缆短路故障时，在电缆中注入脉冲波形；电缆长度Lm对应一个反射波波峰点Am（tm，Um），当电缆长度Lm连续变化时，Am会形成一条曲线g(Am)，即该曲线上每一点对应一个电缆短路点到始端的距离Lm；由装置校准时确定的波速V作为依据，选取对应的g(Am)曲线，根据反射波峰值确定电缆短路位置距始端长度；
计数变量n小于整定常数k时，每次记录的反射波波形数据均对应一个故障距离，最终将k次求得的故障距离取平均值作为包络线法确定的故障距离L2；
分别由牛顿插值法和包络线法求出故障点距离L1和L2，最终确定故障点距离L=（L1+L2）/2，将L输出于液晶屏显示；
（4）故障类型判别方法
以时间为横坐标电压幅值为纵坐标，设定发射脉冲电压值恒为正，当测得反射波波峰点电压值后，若波峰点电压值为正值则判定故障类型为断线，若波峰点电压值为负值则判定故障类型为短路。
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