CN116087689A - 一种基于光纤同步的电缆故障检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤同步的电缆故障检测装置及方法，属于电缆故障检测技术领域，用于电缆故障检测和定位，通过设置两台电缆故障定位检测机构并通过光纤连接，其中故障电缆与光纤长度相等，将故障电缆的两端分别与两台电缆故障定位检测机构上的故障定位传感器连接，并获取故障信号在电缆中的波形震荡特征，通过施密特触发器进行门限设置进行抗干扰处理，以及非门的反转，通过光收发器TTL的传输，采集卡预触发采集，实现两台监测设备采集数据的定位计算，并判断所述故障电缆发生故障的故障位置。

Description

一种基于光纤同步的电缆故障检测装置及方法

技术领域

本发明属于电缆故障检测技术领域，用于电缆故障检测和定位，尤其是涉及一种基于光纤同步的电缆故障检测装置及方法。

背景技术

随着国民经济的高速发展和城市电网改造工作的开展，配电线路大量采用电力电缆供电，由于铺设条件的复杂性以及日常使用环境影响等因素，电力电缆的故障时有发生，尤其是单相接地、两相短路，严重影响了用电力系统的安全运行和人们的日常生活，甚至造成安全事故、危害到人们的生命及财产安全；现有的一种电缆故障定位可视化仿真试验方法、电缆故障定位方法、装置及系统，专利号为(CN102798802B、CN115267420A)，用于提高仿真试验操作的准确性和工作效率，满足日趋增加的电力系统可视化需求，且可以精确得到电缆的实际故障位置；在实际使用的过程中，该技术均比较依赖时间同步模块，通过时间同步进行两台设备同步采集，对时间同步期的要求较高，且只能对单一类型的故障进行定位。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光纤同步的电缆故障检测装置及方法，根据故障信号在电缆中的波形震荡特征，并通过施密特触发器进行门限设置，进行抗干扰处理，以及非门的反转，通过光收发器TTL的传输，采集卡预触发采集，实现两台监测设备采集数据的定位计算。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于光纤同步的电缆故障检测装置，包括两台电缆故障定位检测机构，两台所述电缆故障定位检测机构通过光纤连接，两台所述电缆故障定位检测机构均包括故障定位传感器、信号调理板、光纤同步发射模块、光纤同步接收模块和预触发采集卡，所述故障定位传感器与所述预触发采集卡电连接，所述预触发采集卡、光纤同步发射模块、光纤同步接收模块分别与所述信号调理板连接，所述光纤的两端分别与所述光纤同步发射模块、光纤同步接收模块连接。

所述故障定位传感器包括两块半圆型锰锌材料组成，所述半圆型锰锌材料单边绕制线圈，所述线圈通过积分电路输出，所述线圈与所述预触发采集卡电连接。

所述信号调理板包含检波器电路，其输入端与第一级运放连接，输出端与SMA接头连接，并与施密特触发器连接，所述施密特触发器输出脚与非门连接。

一种基于光纤同步的电缆故障检测方法，包括电缆故障点，所述电缆与所述光纤长度相等，所述电缆故障检测方法包括：

将所述故障电缆的两端分别与两台所述电缆故障定位检测机构上的故障定位传感器连接，用于获取故障信号在电缆中的波形震荡特征；

通过施密特触发器进行门限设置进行抗干扰处理，以及非门的反转；

通过光收发器TTL的传输，采集卡预触发采集，实现两台监测设备采集数据的定位计算，并判断所述故障电缆发生故障的故障位置。

所述抗干扰处理包括从所述波形震荡特征中提取出包络信号，经过施密特触发器调整为TTL信号生成负脉冲信号，再经过74LSO4电路进行反转为方波信号。

所述两台监测设备采集数据的定位计算如下：经过232转光纤电路从光纤口传输到电缆故障定位检测机构的转光纤模块，并在光纤口RX的电平口提取到TTL信号,且RX与TX电口TTL进行短接形成环状，将此TTL信号接入电缆故障定位检测机构的一张FPGA采集卡预触发端口，另外一端预触发端口在获得TTL上升沿信号时，FPGA采集卡预先采集几百微妙数据，用于防止故障信号丢失。

所述故障位置计算过程如下：电缆故障定位检测机构A获取的故障信号对应采集卡点数N1,电缆故障定位检测机构B故障信号采集卡点数N2,电缆长度L，采集卡采样率对应的每个点的时间为1/N，光纤模块延时时间

电缆故障定位检测机构A与电缆故障定位检测机构B的时差为T0＝(N1/N-N2/N-L/3*108),故障信号传输速率为V,故障点距离电缆故障定位检测机构A的距离为L1，故障距离L1＝(V*0.01*T0-L)/2。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明提供的基于光纤同步的电缆故障检测装置及方法，设置两台电缆故障定位检测机构并通过光纤连接，其中故障电缆与光纤长度相等，将故障电缆的两端分别与两台电缆故障定位检测机构上的故障定位传感器连接，并获取故障信号在电缆中的波形震荡特征，通过施密特触发器进行门限设置进行抗干扰处理，以及非门的反转，通过光收发器TTL的传输，采集卡预触发采集，实现两台监测设备采集数据的定位计算，并判断所述故障电缆发生故障的故障位置。

附图说明

图1为本发明的两个电缆故障定位检测机构连接示意图；

图2为本发明的故障定位监测装置示意图；

图3为本发明的故障定位同步定位检测电路示意图；

图4为本发明的光纤同步发射模块示意图；

图5为本发明的光纤同步接收模块示意图；

图6为本发明的故障定位传感器示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，一种基于光纤同步的电缆故障检测装置，包括两台电缆故障定位检测机构，两台所述电缆故障定位检测机构通过光纤连接，两台所述电缆故障定位检测机构均包括故障定位传感器、信号调理板、光纤同步发射模块、光纤同步接收模块和预触发采集卡，所述故障定位传感器与所述预触发采集卡电连接，所述预触发采集卡、光纤同步发射模块、光纤同步接收模块分别与所述信号调理板连接，所述光纤的两端分别与所述光纤同步发射模块、光纤同步接收模块连接；将故障电缆的两端分别与两台电缆故障定位检测机构上的故障定位传感器连接，并获取故障信号在电缆中的波形震荡特征，通过施密特触发器进行门限设置进行抗干扰处理，以及非门的反转，通过光收发器TTL的传输，采集卡预触发采集，实现两台监测设备采集数据的定位计算，并判断所述故障电缆发生故障的故障位置。

如图2、图3、图4、图5、图6所示，本实施例中，两台电缆故障定位检测机构内部模块一样，信号调理板采用三通道带宽30M信号调理，任意通道通过或门输出3.3V的10ns上升沿脉冲，预触发采集卡采用双通道FPGA数据采集卡，光纤同步发射模块采用25GDWDM光模块15km，光纤同步接收模块采用TORX173光纤接收模块、232转光纤模块；其中故障定位传感器包括两块半圆型锰锌材料组成，半圆型锰锌材料单边绕制线圈，线圈通过积分电路输出，线圈与预触发采集卡电连接，使用时由电流产生的交变磁场在线圈中感应出一个电压，该电压与电流的变化率成比例，线圈的直接输出由Vout＝M dI/dt给出，其中M是线圈的互感和dI/dt是电流的变化率，为了完成换能器的工作，对电压进行电子积分，以使积分器的输出为能精确再现电流波形的电压；具体实施，电缆故障定位检测机构包含故障定位传感器，TTL信号调理板，光纤同步发射模块，光纤同步接收模块以及FPGA采集卡，故障定位传感器，由两块半圆型锰锌材料所组成，频率在100KHz到10MHz；所述锰锌单边绕制线圈，线圈通过积分电路输出，TTL信号调理板与定位传感器连接，故障定位传感器通过第一级运放进行信噪提升，TTL信号调理板包含检波器电路输入端与第一级运放连接，输出与SMA接头连接，并与施密特触发器连接，施密特触发器输出脚与非门连接，对信号的反转，光纤同步模块输入端232的TX端与TTL信号调理板连接，光模块TX的电口TTL端与FPGA预触发端口连接，光纤ST端口与另外一组光纤端口正常连接，PGA预触发采集卡输入端与故障定位传感器连接；具体处理过程如下：当故障信号发生时，将故障信号一端输入采集卡，一端输入故障定位光纤同步检测电路，检测电路根据震荡信号特征，提取出包络信号经过施密特触发器调整为ttl信号，由于施密特触发器生成负脉冲信号，因此再经过74LSO4电路进行反转为方波信号，方波信号电平高于3.3V，接入232TX端，经过232转光纤电路从光纤口传输到电缆故障定位检测装置2的一端232转光纤模块，在故障定位检测装置2的光纤口RX的电平口可以提取到TTL信号,且RX与TX电口TTL进行短接，形成环状，将此TTL信号接入故障定位监测装置2的一张FPGA采集卡预触发端口，另外一端预触发端口在获得TTL上升沿信号时，FPGA采集卡预先采集几百微妙数据，防止故障信号丢失；其计算过程如下故障定位监测装置1获取的故障信号对应采集卡点数N1,监测装置2故障信号采集卡点数N2,电缆长度L，采集卡采样率对应的每个点的时间为1/N，光纤长度与电缆长度等长，光纤模块延时时间

故障定位监测装置1与故障定位监测装置2的时差为T0＝(N1/N-N2/N-L/3*108),故障信号传输速率为V,故障点距离故障定位监测装置1的距离为L1，那么故障距离L1＝(V*0.01*T0-L)/2，实现两台监测设备采集数据的定位计算，并判断所述故障电缆发生故障的故障位置。

一种基于光纤同步的电缆故障检测方法，包括电缆故障点，电缆与光纤长度相等，所述电缆故障检测方法包括：将故障电缆的两端分别与两台所述电缆故障定位检测机构上的故障定位传感器连接，用于获取故障信号在电缆中的波形震荡特征；通过施密特触发器进行门限设置进行抗干扰处理，以及非门的反转；通过光收发器TTL的传输，采集卡预触发采集，实现两台监测设备采集数据的定位计算，并判断所述故障电缆发生故障的故障位置；抗干扰处理包括从所述波形震荡特征中提取出包络信号，经过施密特触发器调整为TTL信号生成负脉冲信号，再经过74LSO4电路进行反转为方波信号；两台监测设备采集数据的定位计算如下：经过232转光纤电路从光纤口传输到电缆故障定位检测机构的转光纤模块，并在光纤口RX的电平口提取到TTL信号,且RX与TX电口TTL进行短接形成环状，将此TTL信号接入电缆故障定位检测机构的一张FPGA采集卡预触发端口，另外一端预触发端口在获得TTL上升沿信号时，FPGA采集卡预先采集几百微妙数据，用于防止故障信号丢失，电缆故障定位检测机构A获取的故障信号对应采集卡点数N1,电缆故障定位检测机构B故障信号采集卡点数N2,电缆长度L，采集卡采样率对应的每个点的时间为1/N，光纤模块延时时间

电缆故障定位检测机构A与电缆故障定位检测机构B的时差为T0＝(N1/N-N2/N-L/3*108),故障信号传输速率为V,故障点距离电缆故障定位检测机构A的距离为L1，故障距离L1＝(V*0.01*T0-L)/2；将故障电缆的两端分别与两台电缆故障定位检测机构上的故障定位传感器连接，并获取故障信号在电缆中的波形震荡特征，通过施密特触发器进行门限设置进行抗干扰处理，以及非门的反转，通过光收发器TTL的传输，采集卡预触发采集，实现两台监测设备采集数据的定位计算，并判断所述故障电缆发生故障的故障位置。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于光纤同步的电缆故障检测装置，其特征在于，包括两台电缆故障定位检测机构，两台所述电缆故障定位检测机构通过光纤连接，两台所述电缆故障定位检测机构均包括故障定位传感器、信号调理板、光纤同步发射模块、光纤同步接收模块和预触发采集卡，所述故障定位传感器与所述预触发采集卡电连接，所述预触发采集卡、光纤同步发射模块、光纤同步接收模块分别与所述信号调理板连接，所述光纤的两端分别与所述光纤同步发射模块、光纤同步接收模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤同步的电缆故障检测装置，其特征在于：所述故障定位传感器包括两块半圆型锰锌材料组成，所述半圆型锰锌材料单边绕制线圈，所述线圈通过积分电路输出，所述线圈与所述预触发采集卡电连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤同步的电缆故障检测装置，其特征在于：所述信号调理板包含检波器电路，其输入端与第一级运放连接，输出端与SMA接头连接，并与施密特触发器连接，所述施密特触发器输出脚与非门连接。

4.根据权利要求1-3所述的一种基于光纤同步的电缆故障检测方法，其特征在于：包括电缆故障点，所述电缆与所述光纤长度相等，所述电缆故障检测方法包括：

将所述故障电缆的两端分别与两台所述电缆故障定位检测机构上的故障定位传感器连接，用于获取故障信号在电缆中的波形震荡特征；

通过施密特触发器进行门限设置进行抗干扰处理，以及非门的反转；

通过光收发器TTL的传输，采集卡预触发采集，实现两台监测设备采集数据的定位计算，并判断所述故障电缆发生故障的故障位置。

5.根据权利要求4所述的一种基于光纤同步的电缆故障检测方法，其特征在于：所述抗干扰处理包括从所述波形震荡特征中提取出包络信号，经过施密特触发器调整为TTL信号生成负脉冲信号，再经过74LSO4电路进行反转为方波信号。

6.根据权利要求4所述的一种基于光纤同步的电缆故障检测方法，其特征在于：所述两台监测设备采集数据的定位计算如下：经过232转光纤电路从光纤口传输到电缆故障定位检测机构的转光纤模块，并在光纤口RX的电平口提取到TTL信号,且RX与TX电口TTL进行短接形成环状，将此TTL信号接入电缆故障定位检测机构的一张FPGA采集卡预触发端口，另外一端预触发端口在获得TTL上升沿信号时，FPGA采集卡预先采集几百微妙数据，用于防止故障信号丢失。

7.根据权利要求4所述的一种基于光纤同步的电缆故障检测方法，其特征在于：所述故障位置计算过程如下：电缆故障定位检测机构A获取的故障信号对应采集卡点数N1,电缆故障定位检测机构B故障信号采集卡点数N2,电缆长度L，采集卡采样率对应的每个点的时间为1/N，光纤模块延时时间

电缆故障定位检测机构A与电缆故障定位检测机构B的时差为T0＝(N1/N-N2/N-L/3*108),故障信号传输速率为V,故障点距离电缆故障定位检测机构A的距离为L1，故障距离L1＝(V*0.01*T0-L)/2。

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