CN112363101A - 一种电缆故障定点仪性能评价装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电缆故障定点仪性能评价装置及方法，属于电力电缆故障探测全系列仪器性能评价领域。本发明包括上位机、通信线、定点仪主机、可视窗、定点仪传感器、消声室、评价装置主机和工作台，所述上位机与定点仪主机通过通信线连接，所述定点仪主机与定点仪传感器连接，所述定点仪传感器置于评价装置主机上，所述评价装置主机位于工作台上，所述工作台安装在消声室内，所述消声室上设置有可视窗。还包括显示屏，所述显示屏与评价装置主机连接。模拟了电缆故障点在高压脉冲电源冲击下产生的声磁信号，并且模拟了在相对故障点不同位置声磁信号延时而产生的声磁同步时间差；实现了声磁信号强度以及声磁同步时间差任意可调。
Description
技术领域
本发明涉及一种电缆故障定点仪性能评价装置及方法，属于电力电缆故障探测全系列仪器性能评价领域。
背景技术
电缆故障定点仪是用于地下电缆的故障位置的精确定点，目前电缆故障定位监测技术主要是声磁同步时间差法，声磁同步时间差法是借助高压脉冲电源施加高压脉冲至故障电缆，并在故障点发生击穿放电现象，伴随着放电声和由电场产生的磁场信号；由于声音信号和磁场信号在介质中传播速度的不同，两者信号达到接收点处会产生延时，通过该延时来定位故障点的具体位置。
由于制造厂家众多、技术路线复杂、性能参差不齐，无法准确判断电缆故障点的位置，严重影响对电缆关键性能指标的判断；由于缺乏可行的电缆故障工况模拟方法，目前关于电缆故障定点仪的检验方法和性能评价技术研究尚处于空白阶段；因此，迫切需要研究相关的检验技术和装置，用以指导电缆故障定点仪的检验和评价工作。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理，在保证对定点仪性能评价可行性的情况下，设计出小巧便携，可以评定定点仪声音信号和磁场信号检测能力，同时可以评定定点仪对声磁同步时间差检测的准确性和重复性的电缆故障定点仪性能评价装置及方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该电缆故障定点仪性能评价装置，其结构特点在于：包括上位机、通信线、可视窗、消声室、评价装置主机和工作台，所述上位机与评价装置主机通过通信线连接，所述评价装置主机位于工作台上，所述工作台安装在消声室内，所述消声室上设置有可视窗，所述评价装置主机上安装有显示屏。
进一步地，该电缆故障定点仪性能评价装置用于对定点仪主机进行检测，所述定点仪主机连接有定点仪传感器，所述定点仪传感器置于评价装置主机上。
进一步地，所述评价装置主机包括单片机、声音驱动电路、声音D/A数模转换器、声音直流电源、扬声器、声音比较器、磁场驱动电路、磁场D/A数模转换器、磁场直流电源、回路导线、磁场比较器、电容传感器、声强信号处理电路、声强A/D模数转换器、电流传感器、场强信号处理电路和场强A/D模数转换器；所述声音D/A数模转换器和声音驱动电路均与单片机连接，所述声音直流电源与声音D/A数模转换器连接，所述声音驱动电路与声音直流电源连接，所述扬声器与声音驱动电路连接，所述声音比较器与扬声器连接，所述电容传感器与扬声器配合，所述声强信号处理电路与电容传感器连接，所述声强A/D模数转换器与声强信号处理电路连接，所述单片机分别与声音比较器和声强A/D模数转换器连接；所述磁场D/A数模转换器和磁场驱动电路均与单片机连接，所述磁场直流电源与磁场D/A数模转换器连接，所述磁场驱动电路与磁场直流电源连接，所述回路导线与磁场驱动电路连接，所述磁场比较器与回路导线连接，所述电流传感器与回路导线配合，所述场强信号处理电路与电流传感器连接，所述场强A/D模数转换器与场强信号处理电路连接，所述单片机分别与磁场比较器和场强A/D模数转换器连接。
进一步地，所述上位机和显示屏均与单片机连接。
进一步地，所述评价装置主机还包括测试平台，所述电容传感器置于测试平台的中心位置，所述扬声器设置在电容传感器附近，所述回路导线设置在测试平台上、且回路导线穿过电流传感器。
进一步地，本发明的另一个技术目的在于提供一种电缆故障定点仪性能评价方法。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的。
一种电缆故障定点仪性能评价方法，如下：
上位机控制软件、并通过通信线发送控制指令控制单片机执行相应工作。
单片机连接控制声音D/A数模转换器输出连续可调电压，声音D/A数模转换器连接声音直流电源的电压反馈回路以调节输出电压，产生的输出电压施加至声音驱动电路以为扬声器提供供电电压，同时单片机连接声音驱动电路，通过产生PWM脉宽调制波控制声音驱动电路产生特定的声音控制信号，最后声音驱动电路连接扬声器，将声音控制信号转换成通过扬声器发出特定频率、幅值和持续时间的声音信号。
单片机连接控制磁场D/A数模转换器输出连续可调电压，磁场D/A数模转换器连接磁场直流电源的电压反馈回路以调节输出电压，产生的输出电压施加至磁场驱动电路以为回路导线提供电流，同时单片机连接磁场驱动电路，通过产生PWM脉宽调制波控制磁场驱动电路产生特定的磁场控制信号，最后磁场驱动电路连接回路导线，将磁场控制信号转换成通过回路导线发出特定频率、幅值和持续时间的电流信号。
进一步地，所述声音驱动电路和磁场驱动电路分别连接声音比较器和磁场比较器、以接收声音和磁场信号的起始时间并产生声音和磁场触发信号，声音比较器和磁场比较器连接单片机，单片机采集两个声音和磁场触发信号，比较两者接收时间以得到声磁同步时间差ΔT。
进一步地，所述电容传感器放置并伸出测试平台的中心位置、以接收待测定点仪正下方的模拟故障点声音信号，扬声器固定在电容传感器附近、用于产生模拟故障点的放电声音，回路导线穿过电流传感器并设置在测试平台上、用于产生模拟点的磁场信号。
进一步地，所述电容传感器、声强信号处理电路、声强A/D模数转换器和单片机依次连接，电容传感器将声音信号转换成电压信号，所述声强信号处理电路对该电压信号进行滤波和放大处理，所述声强A/D模数转换器将处理后的声音模拟信号转换成数字信号发送至单片机，并通过公式计算得到声音强度LAeq；
声音强度计量方式采用频率A计权声压级计算，公式为：
其中，PA(t)是瞬时A计权声压，P0是参考声压(2×10-5Pa)，T是有效时间的总量。
进一步地，所述电流传感器、场强信号处理电路、场强A/D模数转换器和单片机依次连接，所述电流传感器将电流信号转换成电压信号，所述场强信号处理电路对该电压信号进行滤波和放大处理，所述场强A/D模数转换器将处理后的电流模拟信号转换成数字信号发送至单片机，并通过公式计算得到磁场强度H；
磁场强度计算公式为：
其中，N为回路导线的匝数，I为通入回路导线的励磁电流，Le为回路导线的有效磁路长度。
相比现有技术，本发明具有以下优点：针对目前无法模拟电缆故障工况和缺乏电缆故障定点仪性能评价装置的问题，通过分析电缆故障点在高压脉冲电源冲击下产生的声磁信号的特性，建立电缆故障点相对定点仪位置的声磁信号关联特征模型，设计了一种基于声磁同步时间差法的声磁发生和检测电路模型；针对无法对定点仪声音信号、磁场信号、及声磁同步时间差进行定量分析的问题进行研究，对发出的声音、磁场和声磁同步时间差进行检测，最终得到了适合对定点仪进行性能评价的电路模型。
模拟了电缆故障点在高压脉冲电源冲击下产生的声磁信号，并且模拟了在相对故障点不同位置声磁信号延时而产生的声磁同步时间差；实现了声磁信号强度以及声磁同步时间差任意可调。
可以测量声音强度和磁场强度，同时可以测量声磁同步时间差；为电缆故障定点仪性能评价提供重要的参考依据。
本装置小型便捷，大大减小占地面积；并且配套消声室减小外界环境对性能评价的影响。
本装置支持上位机远程控制，避免人为操作对性能评价环境带来干扰。
附图说明
图1是本发明实施例的电缆故障定点仪性能评价装置的结构示意图。
图2是本发明实施例的评价装置主机的主视结构示意图。
图3是本发明实施例的评价装置主机的俯视结构示意图。
图4是本发明实施例的电缆故障定点仪性能评价装置的原理示意图。
图中：上位机1、通信线2、定点仪主机3、可视窗4、定点仪传感器5、消声室6、评价装置主机7、工作台8、显示屏9、
单片机71、
声音驱动电路72、声音D/A数模转换器73、声音直流电源74、扬声器75、声音比较器76、
磁场驱动电路77、磁场D/A数模转换器78、磁场直流电源79、回路导线710、磁场比较器711、
电容传感器712、声强信号处理电路713、声强A/D模数转换器714、
电流传感器715、场强信号处理电路716、场强A/D模数转换器717、
测试平台718。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例。
参见图1至图4所示，须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中若有引用如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本实施例中的电缆故障定点仪性能评价装置，包括上位机1、通信线2、可视窗4、消声室6、评价装置主机7和工作台8，上位机1与评价装置主机7通过通信线2连接，评价装置主机7位于工作台8上，工作台8安装在消声室6内，消声室6上设置有可视窗4，评价装置主机7上安装有显示屏9。
该电缆故障定点仪性能评价装置用于对定点仪主机3进行检测，定点仪主机3连接有定点仪传感器5，定点仪传感器5置于评价装置主机7上。
本实施例中的评价装置主机7包括单片机71、声音驱动电路72、声音D/A数模转换器73、声音直流电源74、扬声器75、声音比较器76、磁场驱动电路77、磁场D/A数模转换器78、磁场直流电源79、回路导线710、磁场比较器711、电容传感器712、声强信号处理电路713、声强A/D模数转换器714、电流传感器715、场强信号处理电路716、场强A/D模数转换器717和测试平台718。
本实施例中的声音D/A数模转换器73和声音驱动电路72均与单片机71连接，声音直流电源74与声音D/A数模转换器73连接，声音驱动电路72与声音直流电源74连接，扬声器75与声音驱动电路72连接，声音比较器76与扬声器75连接，电容传感器712与扬声器75配合，声强信号处理电路713与电容传感器712连接，声强A/D模数转换器714与声强信号处理电路713连接，单片机71分别与声音比较器76和声强A/D模数转换器714连接。
本实施例中的磁场D/A数模转换器78和磁场驱动电路77均与单片机71连接，磁场直流电源79与磁场D/A数模转换器78连接，磁场驱动电路77与磁场直流电源79连接，回路导线710与磁场驱动电路77连接，磁场比较器711与回路导线710连接，电流传感器715与回路导线710配合，场强信号处理电路716与电流传感器715连接，场强A/D模数转换器717与场强信号处理电路716连接，单片机71分别与磁场比较器711和场强A/D模数转换器717连接。
本实施例中的电容传感器712置于测试平台718的中心位置，扬声器75设置在电容传感器712附近，回路导线710设置在测试平台718上、且回路导线710穿过电流传感器715；上位机1和显示屏9均与单片机71连接。
本实施例中的电缆故障定点仪性能评价方法，如下：
将待测设备传感器放置在测试平台718上；评价装置主机7放置在消声室6内的工作台8上，以减弱外界环境干扰噪声对性能评价测试的影响；工作台8外放置上位机1与定点仪主机3通过通信线2连接，以远程对待测设备进行性能评价。
上位机1控制软件、并通过通信线2发送控制指令控制单片机71执行相应工作。
单片机71连接控制声音D/A数模转换器73输出连续可调电压，声音D/A数模转换器73连接声音直流电源74的电压反馈回路以调节输出电压，产生的输出电压施加至声音驱动电路72以为扬声器75提供供电电压，同时单片机71连接声音驱动电路72，通过产生PWM脉宽调制波控制声音驱动电路72产生特定的声音控制信号，最后声音驱动电路72连接扬声器75，将声音控制信号转换成通过扬声器75发出特定频率、幅值和持续时间的声音信号。
单片机71连接控制磁场D/A数模转换器78输出连续可调电压，磁场D/A数模转换器78连接磁场直流电源79的电压反馈回路以调节输出电压，产生的输出电压施加至磁场驱动电路77以为回路导线710提供电流，同时单片机71连接磁场驱动电路77，通过产生PWM脉宽调制波控制磁场驱动电路77产生特定的磁场控制信号，最后磁场驱动电路77连接回路导线710，将磁场控制信号转换成通过回路导线710发出特定频率、幅值和持续时间的电流信号。
声音驱动电路72和磁场驱动电路77分别连接声音比较器76和磁场比较器711、以接收声音和磁场信号的起始时间并产生声音和磁场触发信号，声音比较器76和磁场比较器711连接单片机71，单片机71采集两个声音和磁场触发信号，比较两者接收时间以得到声磁同步时间差ΔT。
电容传感器712放置并伸出测试平台718的中心位置、以接收待测定点仪正下方的模拟故障点声音信号，扬声器75固定在电容传感器712附近、用于产生模拟故障点的放电声音，回路导线710穿过电流传感器715并设置在测试平台718上、用于产生模拟点的磁场信号。
电容传感器712、声强信号处理电路713、声强A/D模数转换器714和单片机71依次连接，电容传感器712将声音信号转换成电压信号，声强信号处理电路713对该电压信号进行滤波和放大处理，声强A/D模数转换器714将处理后的声音模拟信号转换成数字信号发送至单片机71，并通过公式计算得到声音强度LAeq；
声音强度计量方式采用频率A计权声压级计算，公式为：
其中，PA(t)是瞬时A计权声压，P0是参考声压2×10-5Pa，T是有效时间的总量。
电流传感器715、场强信号处理电路716、场强A/D模数转换器717和单片机71依次连接，电流传感器715将电流信号转换成电压信号，场强信号处理电路716对该电压信号进行滤波和放大处理，场强A/D模数转换器717将处理后的电流模拟信号转换成数字信号发送至单片机71，并通过公式计算得到磁场强度H；
磁场强度计算公式为：
其中，N为回路导线的匝数，I为通入回路导线的励磁电流，Le为回路导线的有效磁路长度。
具体的说，单片机71连接声音驱动电路72，用于输出PWM波调节扬声器75发出声音的频率、持续时间及起始时间；声音驱动电路72连接扬声器75，用于驱动扬声器75发出声音信号；单片机71连接声音D/A数模转换器73，用于软件控制声音直流电源74反馈电压；声音D/A数模转换器73连接声音直流电源74，用于调节声音可调电源电压；声音直流电源74连接声音驱动电路72，用于为扬声器75提供供电电压。
具体的说，单片机71连接磁场驱动电路77，用于输出PWM波调节负载发出磁场的频率、持续时间及起始时间；磁场驱动电路77连接回路导线710，用于在回路导线710通电流产生磁场信号；单片机71连接磁场D/A数模转换器78，用于软件控制磁场直流电源79反馈电压；磁场D/A数模转换器78连接磁场直流电源79，用于调节磁场可调电源电压；磁场直流电源79连接磁场驱动电路77，用于在回路导线710上通入特定电流信号并转换成磁场信号。
具体的说，声音比较器76连接扬声器75，用于检测声音信号起始时间；单片机71连接声音比较器76，用于与磁场信号起始时间进行对比得到声磁时间差具体量化值。
具体的说，磁场比较器711连接回路导线710，用于检测电流信号起始时间；单片机71连接磁场比较器711，用于与声音信号起始时间进行对比得到声磁时间差具体量化值。
具体的说，电容传感器712固定在扬声器75旁边，用于采集扬声器75发出的声音信号并转换成电压信号；声强信号处理电路713连接电容传感器712，用于滤波和放大原始采集到的原始声音信号；声强A/D模数转换器714连接声强信号处理电路713，用于将模拟声音信号转换成单片机71可识别的数字声音信号；单片机71连接声强A/D模数转换器714，用于对扬声器75发出的声音信号进行量化计算。
具体的说，电流传感器715耦合在回路导线710上，用于采集回路导线710通入的电流信号并转换成电压信号；场强信号处理电路716连接电流传感器715，用于滤波和放大原始采集到的原始电流信号；场强A/D模数转换器717连接场强信号处理电路716，用于将模拟电流信号转换成单片机71可识别的数字电流信号；单片机71连接场强A/D模数转换器717，用于对回路导线710上通入的电流信号进行量化计算。
具体的说，单片机71与显示屏9连接，用于显示声音强度、磁场强度和声磁同步时间差量化值；上位机1连接单片机71，用于远程控制评价装置主机7。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种电缆故障定点仪性能评价装置，其特征在于：包括上位机(1)、通信线(2)、可视窗(4)、消声室(6)、评价装置主机(7)和工作台(8)，所述上位机(1)与评价装置主机(7)通过通信线(2)连接，所述评价装置主机(7)位于工作台(8)上，所述工作台(8)安装在消声室(6)内，所述消声室(6)上设置有可视窗(4)，所述评价装置主机(7)上安装有显示屏(9)。
2.根据权利要求1所述的电缆故障定点仪性能评价装置，其特征在于：该电缆故障定点仪性能评价装置用于对定点仪主机(3)进行检测，所述定点仪主机(3)连接有定点仪传感器(5)，所述定点仪传感器(5)置于评价装置主机(7)上。
3.根据权利要求1所述的电缆故障定点仪性能评价装置，其特征在于：所述评价装置主机(7)包括单片机(71)、声音驱动电路(72)、声音D/A数模转换器(73)、声音直流电源(74)、扬声器(75)、声音比较器(76)、磁场驱动电路(77)、磁场D/A数模转换器(78)、磁场直流电源(79)、回路导线(710)、磁场比较器(711)、电容传感器(712)、声强信号处理电路(713)、声强A/D模数转换器(714)、电流传感器(715)、场强信号处理电路(716)和场强A/D模数转换器(717)；所述声音D/A数模转换器(73)和声音驱动电路(72)均与单片机(71)连接，所述声音直流电源(74)与声音D/A数模转换器(73)连接，所述声音驱动电路(72)与声音直流电源(74)连接，所述扬声器(75)与声音驱动电路(72)连接，所述声音比较器(76)与扬声器(75)连接，所述电容传感器(712)与扬声器(75)配合，所述声强信号处理电路(713)与电容传感器(712)连接，所述声强A/D模数转换器(714)与声强信号处理电路(713)连接，所述单片机(71)分别与声音比较器(76)和声强A/D模数转换器(714)连接；所述磁场D/A数模转换器(78)和磁场驱动电路(77)均与单片机(71)连接，所述磁场直流电源(79)与磁场D/A数模转换器(78)连接，所述磁场驱动电路(77)与磁场直流电源(79)连接，所述回路导线(710)与磁场驱动电路(77)连接，所述磁场比较器(711)与回路导线(710)连接，所述电流传感器(715)与回路导线(710)配合，所述场强信号处理电路(716)与电流传感器(715)连接，所述场强A/D模数转换器(717)与场强信号处理电路(716)连接，所述单片机(71)分别与磁场比较器(711)和场强A/D模数转换器(717)连接。
4.根据权利要求3所述的电缆故障定点仪性能评价装置，其特征在于：所述上位机(1)和显示屏(9)均与单片机(71)连接。
5.根据权利要求3所述的电缆故障定点仪性能评价装置，其特征在于：所述评价装置主机(7)还包括测试平台(718)，所述电容传感器(712)置于测试平台(718)的中心位置，所述扬声器(75)设置在电容传感器(712)附近，所述回路导线(710)设置在测试平台(718)上、且回路导线(710)穿过电流传感器(715)。
6.一种电缆故障定点仪性能评价方法，其特征在于：该电缆故障定点仪性能评价方法如下：上位机(1)控制软件、并通过通信线(2)发送控制指令控制单片机(71)执行相应工作；单片机(71)连接控制声音D/A数模转换器(73)输出连续可调电压，声音D/A数模转换器(73)连接声音直流电源(74)的电压反馈回路以调节输出电压，产生的输出电压施加至声音驱动电路(72)以为扬声器(75)提供供电电压，同时单片机(71)连接声音驱动电路(72)，通过产生PWM脉宽调制波控制声音驱动电路(72)产生特定的声音控制信号，最后声音驱动电路(72)连接扬声器(75)，将声音控制信号转换成通过扬声器(75)发出特定频率、幅值和持续时间的声音信号；
单片机(71)连接控制磁场D/A数模转换器(78)输出连续可调电压，磁场D/A数模转换器(78)连接磁场直流电源(79)的电压反馈回路以调节输出电压，产生的输出电压施加至磁场驱动电路(77)以为回路导线(710)提供电流，同时单片机(71)连接磁场驱动电路(77)，通过产生PWM脉宽调制波控制磁场驱动电路(77)产生特定的磁场控制信号，最后磁场驱动电路(77)连接回路导线(710)，将磁场控制信号转换成通过回路导线(710)发出特定频率、幅值和持续时间的电流信号。
7.根据权利要求6所述的电缆故障定点仪性能评价方法，其特征在于：所述声音驱动电路(72)和磁场驱动电路(77)分别连接声音比较器(76)和磁场比较器(711)、以接收声音和磁场信号的起始时间并产生声音和磁场触发信号，声音比较器(76)和磁场比较器(711)连接单片机(71)，单片机(71)采集两个声音和磁场触发信号，比较两者接收时间以得到声磁同步时间差ΔT。
8.根据权利要求6所述的电缆故障定点仪性能评价方法，其特征在于：所述电容传感器(712)放置并伸出测试平台(718)的中心位置、以接收待测定点仪正下方的模拟故障点声音信号，扬声器(75)固定在电容传感器(712)附近、用于产生模拟故障点的放电声音，回路导线(710)穿过电流传感器(715)并设置在测试平台(718)上、用于产生模拟点的磁场信号。
9.根据权利要求6所述的电缆故障定点仪性能评价方法，其特征在于：所述电容传感器(712)、声强信号处理电路(713)、声强A/D模数转换器(714)和单片机(71)依次连接，电容传感器(712)将声音信号转换成电压信号，所述声强信号处理电路(713)对该电压信号进行滤波和放大处理，所述声强A/D模数转换器(714)将处理后的声音模拟信号转换成数字信号发送至单片机(71)，并通过公式计算得到声音强度LAeq；
声音强度计量方式采用频率A计权声压级计算，公式为：
其中，PA(t)是瞬时A计权声压，P0是参考声压(2×10-5Pa)，T是有效时间的总量。
10.根据权利要求6所述的电缆故障定点仪性能评价方法，其特征在于：所述电流传感器(715)、场强信号处理电路(716)、场强A/D模数转换器(717)和单片机(71)依次连接，所述电流传感器(715)将电流信号转换成电压信号，所述场强信号处理电路(716)对该电压信号进行滤波和放大处理，所述场强A/D模数转换器(717)将处理后的电流模拟信号转换成数字信号发送至单片机(71)，并通过公式计算得到磁场强度H；
磁场强度计算公式为：
其中，N为回路导线的匝数，I为通入回路导线的励磁电流，Le为回路导线的有效磁路长度。
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