CN114113910A - 一种矿用电缆故障查找方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿用电缆故障查找方法及装置，涉及电缆故障查找技术领域。本发明方法及装置基于传输线理论，向被测电缆送入脉冲信号，通过分析按传输路径返回脉冲信号发射端的反射信号与送入的脉冲信号为同相位或者反相位，相应判断电缆故障类型为开路或者短路，并根据发送出脉冲信号和接收到反射信号的传输时间判断故障点位置。本发明方法及装置在煤矿井下电缆出现故障时，能够快速判断故障类型和故障点位置，本发明装置用电池供电，为便携式本安型，具有结构简单，易操作的特点，查找故障响应速度快、稳定性好、抗干扰能力强等优点，能够为煤矿井下电缆故障排查提供有力的技术支撑。

Description

一种矿用电缆故障查找方法及装置

技术领域

本发明涉及电缆故障查找技术领域，具体涉及一种矿用电缆故障查找方法及装置。

背景技术

电缆在长期使用中，由于各种工作环境的影响，会出现短路和断路现象。从而影响设备的供电和通信讯号的传输。特别是煤矿井下，当信号电缆出现故障时，会使安全监控设备失去监控功能，影响煤矿井下安全；当生产设备的供电电缆出现故障时会造成停产，尤其是采煤机供电电缆出现故障时，采煤机会停止工作，造成矿井停产，经济损失巨大。

排查供电电缆故障时，特别是短路故障，煤矿上现有方法基本都是采用二分法查找，此方法费时、费力，效率极低。特别是井下大功率生产设备的电缆直径较大，二分法排查起来极其困难。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种矿用电缆故障查找方法及装置，旨在可以省时、省力、快速地查找出电缆故障，特别是煤矿井下的电缆故障，以减少因电缆故障造成的经济损失。

为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：

一种矿用电缆故障查找方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：从被测电缆的一端向所述被测电缆送入一个测试信号，同时开始计时，并在送入测试信号的这一端等待反射信号：1)若收到反射信号，且反射信号的相位与所述测试信号的相位为同相，则判断被测电缆故障类型为开路，并转至步骤2；2)若收到反射信号，且反射信号的相位与所述测试信号的相位为反相，则判断被测电缆故障类型为短路，并转至步骤2；3)若未收到反射信号，则判断电缆故障处于测试盲区；

步骤2：按照下式计算出反射信号的传输长度L，从而确定故障点位置；

L＝T/2C

其中，T为从被测电缆的一端送入测试信号到被测电缆的所述一端接收到反射信号的时间；C为测试信号波速。

进一步地，根据所述的矿用电缆故障查找方法，所述测试信号为脉冲信号。

基于所述的矿用电缆故障查找方法的矿用电缆故障查找装置，该装置包括微处理器、测试信号发送单元、反射信号接收单元、测试端子、可充电电池；以微处理器为核心同时电连接测试信号发送单元的一端和反射信号接收单元的一端，测试信号发送单元的另一端和反射信号接收单元的另一端共同电连接测试端子，通过测试端子连接被测电缆；所述可充电电池同时为微处理器、测试信号发送单元、反射信号接收单元供电；

所述微处理器，用于接收测试指令，并根据测试指令同时向测试信号发送单元中的测试信号发生器和反射信号接收单元中的计时器发送启动指令；从反射信号接收单元中的鉴相器读取由相位差信号转换的电压信号并从反射信号接收单元的计时器中读取时长；将所读取的时长与预设的时长阈值进行比较，若所读取的时长大于所述时长阈值，则判断被测电缆处于测试盲区；若所读取的时长小于等于所述时长阈值，则一方面根据所述电压信号确定反射信号与输入被测电缆的测试信号之间的相位关系，若反射信号与测试信号同相位则判断被测电缆发生开路故障，若反射信号与测试信号反相位则判断被测电缆发生短路故障，另一方面将读取的时长和测试信号发送单元向测试端子送入的脉冲信号的波速代入公式L＝T/2C中计算出电缆故障位置；其中，L为反射信号的传输长度，T为从被测电缆的一端送入测试信号到被测电缆的所述一端接收到反射信号的时间，C为测试信号波速；

所述测试信号发送单元，用于在微处理器的控制下，产生测试信号并通过测试端子将测试信号送入被测电缆；所述测试信号发送单元进一步包括测试信号发生器、测试信号驱动器、本安保护电路，所述测试信号发生器顺序电连接所述测试信号驱动器和所述本安保护电路；所述测试信号发生器，用于根据从微处理器接收的启动指令，产生测试信号；所述测试信号驱动器，用于将所述测试信号发生器产生的测试信号通过测试端子送入被测电缆，并且能够及时关断信号发送；所述本安保护电路，用于控制所述测试信号驱动器所发送的测试信号的电压、电流和测试信号的脉冲宽度，从而控制被测电缆获得的总电源能量，保障发送到被测电缆上的信号具有所需的本安特性；

所述反射信号接收单元，用于接收被测电缆发出的反射信号，并对接收的反射信号进行放大和滤波处理后，测量所述反射信号与所述测试信号之间的相位差获得相位差信号，以及计算出接收到反射信号与发送测试信号之间的时长；所述反射信号接收单元进一步包括反射信号放大器、反射信号滤波器、触发器、鉴相器和计时器，反射信号放大器顺序电连接反射信号滤波器、触发器、鉴相器和计时器；所述反射信号放大器和反射信号滤波器对接收的反射信号分别进行放大和滤波处理，将接收的反射信号整理成所述触发器可识别的准确电平信号，所述触发器将识别到的整形信号进一步放大，送入所述鉴相器；所述鉴相器，用于检测测试信号与反射信号之间的相位差，并将检测出的相位差信号转换成电压信号输出；所述计时器，根据从微处理器接收的指令启动计时，并在接收到鉴相器发送的电压信号时停止计时，并计算出时长。

进一步地，根据所述的矿用电缆故障查找装置，所述测试信号为脉冲信号。

进一步地，根据所述的矿用电缆故障查找装置，所述测试信号的脉冲宽度为2us～5us。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案较现有技术具有以下有益效果：本发明方法及装置基于传输线理论，向被测电缆送入脉冲信号，通过分析按传输路径返回脉冲信号发射端的反射信号与送入的脉冲信号为同相位或者反相位，相应判断电缆故障类型为开路或者短路，并根据发送出脉冲信号和接收到反射信号的传输时间判断故障点位置。本发明方法及装置在煤矿井下电缆出现故障时，能够快速判断故障类型和故障点位置，本发明装置用电池供电，为便携式本安型，具有结构简单，易操作的特点，查找故障响应速度快、稳定性好、抗干扰能力强等优点，能够为煤矿井下电缆故障排查提供有力的技术支撑。

附图说明

图1为本实施方式的矿用电缆故障查找装置的结构示意图；

图2为本实施方式矿用电缆故障查找装置的部分电路原理图；

图3为本实施方式计时器的电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优势更加清晰，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

根据线路传输理论，当电流信号在均匀阻抗的电缆中进行传输时，会出现如下三种情况：

1、当信号通路中出现短路现象时，会在短路端产生一个与信号源发出的信号相位相反的反射信号，该反射信号按传输路径返回信号发射端。反射信号到达信号发射端的时间T与信号波速C及电缆长度L均成正比。

2、当信号通路中出现开路现象时，会在开路端产生一个与信号源发出的信号相位相同的反射信号，该反射信号按传输路径返回信号发射端。反射信号到达信号发射端的时间T与信号波速C及电缆长度L均成正比。

3、如果传输线末端阻抗与信号源阻抗相同，则不会出现反射信号。如果在传输过程中出现阻抗不匹配现象时，也会产生反射信号。

由上述情况1、2可以得出，无论电缆出现短路还是开路情况，反射信号均与电缆长度和信号波速C成正比，所以可以得到时间T的计算公式为

T＝2L*C

基于上述理论，本实施方式的矿用电缆故障查找方法，包括如下步骤：

步骤1：从被测电缆的一端向所述被测电缆送入一个测试信号，同时开始计时，并在送入测试信号的这一端等待反射信号：1)若收到反射信号，且反射信号的相位与所述测试信号的相位为同相，则判断被测电缆故障类型为开路，并转至步骤2；2)若收到反射信号，且反射信号的相位与所述测试信号的相位为反相，则判断被测电缆故障类型为短路，并转至步骤2；3)若未收到反射信号，则判断电缆故障处于测试盲区，电缆没有接入，即悬空状态。

步骤2：按照下式计算出反射信号的传输长度L，从而确定故障点位置。

L＝T/2C

其中，T为从被测电缆的一端送入测试信号到被测电缆的所述一端接收到反射信号的时间；C为测试信号波速。在本实施方式中，所述测试信号为脉冲信号。

图1是本实施方式的基于传输线理论的矿用本安型电缆故障查找装置，如图1所示，所述基于传输线理论的矿用本安型电缆故障查找装置包括微处理器、测试信号发送单元、反射信号接收单元、测试端子、液晶屏、键盘、电源管理单元和电池充电接口，并以微处理器为核心同时电连接液晶屏、键盘、测试信号发送单元的一端和反射信号接收单元的一端，测试信号发送单元的另一端和反射信号接收单元的另一端共同电连接测试端子，通过测试端子连接被测电缆。其中，

所述微处理器，用于接收测试指令，并根据测试指令同时向测试信号发送单元中的测试信号发生器和反射信号接收单元中的计时器发送启动指令；从反射信号接收单元中的鉴相器读取相位差信号并从反射信号接收单元的计时器中读取时长；将所读取的时长与预设的时长阈值进行比较，若所读取的时长大于所述时长阈值，则判断被测电缆处于测试盲区；若所读取的时长小于等于所述时长阈值，则一方面根据所述相位差信号确定反射信号与输入被测电缆的测试信号之间的相位关系，若反射信号与测试信号同相位则判断被测电缆发生开路故障，若反射信号与测试信号反相位则判断被测电缆发生短路故障，另一方面将读取的时长和测试信号发送单元向测试端子送入的脉冲信号的波速代入公式L＝T/2C中计算出电缆故障位置。

所述测试信号发送单元，用于在微处理器的控制下，通过测试端子向被测电缆发送测试信号，包括测试信号发生器、测试信号驱动器、本安保护电路，所述测试信号发生器顺序电连接所述测试信号驱动器和所述本安保护电路；所述测试信号发生器，用于根据从微处理器接收的指令，产生所述测试信号，本实施方式的测试信号为脉冲信号；所述测试信号驱动器，用于将所述测试信号发生器产生的测试信号通过测试端子送入被测电缆，并且能够及时关断信号发送，以保证本安特性和测量精度；所述本安保护电路，用于保障发送到被测电缆上的信号具有足够的本安特性。

在本实施方式中，测试信号发送单元在微处理器的控制下，根据传输线理论中信号完整性特性，通过测试端子向目标测试电缆发送脉宽为2us～5us、幅值为5V的脉冲信号作为测试信号。如图2所示，tPlusStart是微处理器送入的2us～5us脉冲宽度的控制信号，该控制信号通过电阻R9送入测试信号驱动器IC2的IC2.4引脚以控制IC2.4引脚，将DC5V的电压经过电阻R7送入IC2.1脚，再经过IC2.2脚输出，经过电阻R8和电容C11通过测试端子的TP1端向被测线路发送脉宽为2us～5us、幅值为5V的脉冲信号作为测试信号。在本实施方式中，保证本安特性的方法是通过本安保护电路控制所发送的测试信号的电压、电流和脉冲宽度(时间)，从而控制被测电缆获得的总电源能量E。在本实施方式中，DC5V电压经R7，R8限流后，最大脉冲电流为5/(51+51)<＝50mA。又由于脉冲宽度为2us～5us，所以测试时，在被测电缆中的最大电能量E＝5*50mA*5us＝12.5mJ，这个值满足本安参数要求。

所述反射信号接收单元，用于接收被测电缆的反射信号，并对接收的反射信号进行放大和滤波处理后，测定所述反射信号与所述测试信号之间的相位差，并计算接收到反射信号与发送测试信号之间的时长，将相位差信号和所述时长均发送给微处理器；所述反射信号接收单元进一步包括反射信号放大器、反射信号滤波器、触发器、鉴相器和计时器，反射信号放大器顺序电连接反射信号滤波器、触发器、鉴相器和计时器。

所述反射信号放大器和反射信号滤波器对接收的反射信号进行放大和滤波，将信号整理成所述触发器可识别的准确电平信号，所述触发器将识别到的整形信号进一步放大，送入鉴相器。

所述鉴相器，用于检测测试信号与反射信号之间的相位差，并将检测出的相位差信号转换成电压信号输出给微处理器和计时器；在本实施方式中，如图2所示微处理器通过控制鉴相器的IC5.6脚电平，读取IC5.4脚电平来判别接收的反射信号与发送的测试信号之间的相位关系。

所述计时器，根据从微处理器接收的指令启动计时，并在接收到鉴相器发送的电压信号时停止计时，并计算出时长；本实施方式中，在微处理器发送tPlusStart控制信号的同时，也将rPlusStart控制信号发送至图3所示的计时器IC1，IC1在收到该信号后，开始计时；IC5.4脚输出的电平信号rPlusStop通过R1送入计时器IC1.30脚，通知IC1停止计时，IC1在收到停止计时信号后，将计时时长存入寄存器，等待微处理器读取该时长。

所述电源管理单元，用于对可充电电池的充电、放电进行管理管理与控制，包括对电池充电过程中的恒流控制、充电电压与充电时电池温度的检测以及充电完成进度的监控；放电时，监测电池电量达到断电电压时切断电池供电；在电池电量正常时，将电池电压转换为装置正常工作的相应电压值。所述电源管理单元包括电池充电电路、可充电电池、电池放电电路、电源转换电路，所述电池充电接口顺序电连接电池充电电路、可充电电池、电池放电电路、电源转换电路，其中电源转换电路分别电连接微处理器、测试信号发送单元、反射信号接收单元、液晶屏和键盘。

本实施方式的基于传输线理论的矿用本安型电缆故障查找装置外部结构包括测试端子、电池充电接口、键盘、液晶屏。所述测试端子电连接被测电缆、装置内部的测试信号发送单元及反射信号接收单元；电池充电接口电连接装置内部的电源管理单元。所述键盘用于输入测试电缆参数和测试命令，包括电缆类型参数选择按键、确认按键，测试指令控制按键和电源按键；所述液晶屏用于显示被测电缆信息和测试结果，电池充电接口用于为仪表内部可充电电池充电。

本实施方式的基于传输线理论的矿用本安型电缆故障查找装置的工作过程为：通过测试端子连接被测电缆，按下键盘上的电源按键使装置上电，通过操作键盘上的电缆类型参数选择按键选择电缆规格参数，按下确认按键确定电缆参数，然后按下键盘上的测试按键，向微处理器发送测试指令，微处理器接收到测试指令后，启动测试信号发送器产生测试信号，测试信号驱动器将测试信号经本安保护电路驱动到测试端子，并通过测试端子送入被测电缆中，在测试信号停止发送的同时启动反射信号接收单元的计时器开始计时。反射信号接收单元通过测试端子接收被测电缆返回的反射信号，并对接收的反射新号进行滤波、放大与整形处理后送入鉴相器，获得电压信号输出的相位差信号，同时还将该信号发送给计时器命令计时器停止计时，计时器输出时长，微处理器同时读取相位差信号和时长，并将所读取的时长与预设的时长阈值进行比较，若所读取的时长大于所述时长阈值，则判断待测电缆没有接入，即悬空状态；若所读取的时长小于等于所述时长阈值，则一方面根据所述相位差信号确定反射信号与输入被测电缆的测试信号之间的相位关系，若反射信号与测试信号同相位则判断被测电缆发生开路故障，若反射信号与测试信号反相位则判断被测电缆发生短路故障，另一方面将读取的时长和测试信号发送单元向测试端子送入的脉冲信号的波速代入公式L＝T/2C中计算出电缆故障位置；在本实施方式中微处理器采用的是单片机。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；因而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种矿用电缆故障查找方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：从被测电缆的一端向所述被测电缆送入一个测试信号，同时开始计时，并在送入测试信号的这一端等待反射信号：1)若收到反射信号，且反射信号的相位与所述测试信号的相位为同相，则判断被测电缆故障类型为开路，并转至步骤2；2)若收到反射信号，且反射信号的相位与所述测试信号的相位为反相，则判断被测电缆故障类型为短路，并转至步骤2；3)若未收到反射信号，则判断电缆故障处于测试盲区；

步骤2：按照下式计算出反射信号的传输长度L，从而确定故障点位置；

L＝T/2C

其中，T为从被测电缆的一端送入测试信号到被测电缆的所述一端接收到反射信号的时间；C为测试信号波速。

2.根据权利要求1所述的矿用电缆故障查找方法，其特征在于，所述测试信号为脉冲信号。

3.基于权利要求1所述的矿用电缆故障查找方法的矿用电缆故障查找装置，其特征在于，该装置包括微处理器、测试信号发送单元、反射信号接收单元、测试端子、可充电电池；以微处理器为核心同时电连接测试信号发送单元的一端和反射信号接收单元的一端，测试信号发送单元的另一端和反射信号接收单元的另一端共同电连接测试端子，通过测试端子连接被测电缆；所述可充电电池同时为微处理器、测试信号发送单元、反射信号接收单元供电；

所述微处理器，用于接收测试指令，并根据测试指令同时向测试信号发送单元中的测试信号发生器和反射信号接收单元中的计时器发送启动指令；从反射信号接收单元中的鉴相器读取由相位差信号转换的电压信号并从反射信号接收单元的计时器中读取时长；将所读取的时长与预设的时长阈值进行比较，若所读取的时长大于所述时长阈值，则判断被测电缆处于测试盲区；若所读取的时长小于等于所述时长阈值，则一方面根据所述电压信号确定反射信号与输入被测电缆的测试信号之间的相位关系，若反射信号与测试信号同相位则判断被测电缆发生开路故障，若反射信号与测试信号反相位则判断被测电缆发生短路故障，另一方面将读取的时长和测试信号发送单元向测试端子送入的脉冲信号的波速代入公式L＝T/2C中计算出电缆故障位置；其中，L为反射信号的传输长度，T为从被测电缆的一端送入测试信号到被测电缆的所述一端接收到反射信号的时间，C为测试信号波速；

所述测试信号发送单元，用于在微处理器的控制下，产生测试信号并通过测试端子将测试信号送入被测电缆；所述测试信号发送单元进一步包括测试信号发生器、测试信号驱动器、本安保护电路，所述测试信号发生器顺序电连接所述测试信号驱动器和所述本安保护电路；所述测试信号发生器，用于根据从微处理器接收的启动指令，产生测试信号；所述测试信号驱动器，用于将所述测试信号发生器产生的测试信号通过测试端子送入被测电缆，并且能够及时关断信号发送；所述本安保护电路，用于控制所述测试信号驱动器所发送的测试信号的电压、电流和测试信号的脉冲宽度，从而控制被测电缆获得的总电源能量，保障发送到被测电缆上的信号具有所需的本安特性；

所述反射信号接收单元，用于接收被测电缆发出的反射信号，并对接收的反射信号进行放大和滤波处理后，测量所述反射信号与所述测试信号之间的相位差获得相位差信号，以及计算出接收到反射信号与发送测试信号之间的时长；所述反射信号接收单元进一步包括反射信号放大器、反射信号滤波器、触发器、鉴相器和计时器，反射信号放大器顺序电连接反射信号滤波器、触发器、鉴相器和计时器；所述反射信号放大器和反射信号滤波器对接收的反射信号分别进行放大和滤波处理，将接收的反射信号整理成所述触发器可识别的准确电平信号，所述触发器将识别到的整形信号进一步放大，送入所述鉴相器；所述鉴相器，用于检测测试信号与反射信号之间的相位差，并将检测出的相位差信号转换成电压信号输出；所述计时器，根据从微处理器接收的指令启动计时，并在接收到鉴相器发送的电压信号时停止计时，并计算出时长。

4.根据权利要求3所述的矿用电缆故障查找装置，其特征在于，所述测试信号为脉冲信号。

5.根据权利要求3所述的矿用电缆故障查找装置，其特征在于，所述测试信号的脉冲宽度为2us～5us。

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