CN116381373A - 一种基于波阻抗检测电缆接头老化程度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波阻抗检测电缆接头老化程度的方法，属于电缆接头技术领域，其包括以下步骤，S1：进行电缆接头波阻抗渐变计算，建立三段式集中阻抗模型；S2：依据电缆接头实际结构参数计算行波波速，分别对无屏蔽层的信号电缆以及有屏蔽层的电力电缆进行试验；S3：结合试验电缆接头定位装置的整体功能，搭建电缆接头系统，绘制PCB板并进行调试。使用时，只需外接电源并于上位机通信即可用于电缆接头的老化程度检测，装置体积小，轻便易携带，且支持外部交流供电以及蓄电池供电两种方式，适应恶劣的现场环境。

Description

一种基于波阻抗检测电缆接头老化程度的方法

技术领域

本发明属于电缆接头技术领域，具体涉及一种基于波阻抗检测电缆接头老化程度的方法。

背景技术

电力电缆接头是使电缆与电缆之间形成连续电路的装置。随着电缆本体质量的逐步提高，各种电缆接头引发的事故在电力电缆事故中的比例不断上升。电力电缆作为电力系统的核心以及能量传输载体，其电缆附件的可靠性一直是电缆线路安全运行的核心要素。电缆接头作为电力电缆的绝缘薄弱部位，随着运行年限的增加易发生绝缘性能劣化失效，进一步形成电缆事故，严重影响电网供电可靠性。有关资料和现场事故案例统计数据表明，在排除外力作用的前提下，电力电缆附件通常被视为电缆绝缘的薄弱环节，此处故障发生率较高，其中电缆中间接头更是引起人们高度重视。近年来，关于电力电缆火灾爆炸事故频发，其中事故源为电缆附件损坏的案例占故障总数的70％以上。电缆中间接头在超负荷工作状态下极易发生故障，严重时将引发火灾甚至是爆炸，并涉及同敷设沟内的其他电缆，对电力系统稳定性带来极大威胁。在相关人员抢修过程中，若是未能及时找到问题电缆导致故障进一步发展恶化危及同一电缆沟内的其他电缆，将会导致多根电缆同时故障，将扩大停电范围并延长停电抢修时间，带来无法弥补的经济损失。因此，需要一种能检测电缆接头老化程度的方法，以能及早的发现不合格的电缆接头，及早发现及早更换，避免因电缆接头发生故障引起损失。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种基于波阻抗检测电缆接头老化程度的方法，解决了上述背景技术中的问题。

本发明的目的是这样实现的：一种基于波阻抗检测电缆接头老化程度的方法，其包括以下步骤：

S1：进行电缆接头波阻抗渐变计算，建立三段式集中阻抗模型；

S2：依据电缆接头实际结构参数计算行波波速，分别对无屏蔽层的信号电缆以及有屏蔽层的电力电缆进行试验；

S3：结合试验电缆接头定位装置的整体功能，搭建电缆接头系统，绘制PCB板并进行调试。

进一步的，所述模型的波阻抗、相位系数以及衰减系数在EMTP-ATP中进行Semlyen模型以及JMarti模型的校核，选取JMarti模型进行仿真。

进一步的，基于时域反射法对电缆接头进行定位，所述时域反射法定位的信号源采用单次脉冲；使用复数域导线波动方程式，多导线系统通过相模变换转换为互相独立的单导线系统；考虑单位长度的等值电感L，等值电容C，考虑反映输电线路损耗的传输电阻R和电导G；线路频域一阶微分方程为：

Z＝R+jωL

Y＝G+JωC

式中，Z为线路单位长度阻抗；Y为线路单位长度导纳；ω为电压和电流角频率。

进一步的，所述时域反射法的行波在传输过程中遇到阻抗不连续点发生折反射，进行时域反射法定位的待测电缆处于离线状态，在开路末端发生全反射，且反射回波极性与输入脉冲一致；当电缆末端短路时，行波反射回波与入射波极性相反。

进一步的，所述行波的对应波长与电缆本体实际长度相当，采用分布参数电路模拟电缆本体；在电磁暂态过程涉及的频率范围内，线路电容不随频率变化，线路的电阻和电感随频率发生变化，进行电磁暂态仿真时，暂态信号中包含频率分量。

进一步的，分析屏蔽层对行波传输衰减的影响，由于行波信号频率成分集中在1MHz以内，忽略屏蔽层对信号衰减的影响，仿真确定的输入脉冲参数满足接头定位的要求，结合仿真和实测波形提取分析接头处反射波特征，为后续接头处反射波识别提供判据。

进一步的，所述电缆接头系统包括单元有脉冲电源、脉冲连接输出端、数据采集端、波形处理模块和上位机人机交互界面。

进一步的，所述脉冲连接输出端由电阻和二极管组成，通过二极管的单向导通性，当负向反射波产生时，二极管导通，使电阻与脉冲形成线阻抗匹配，负向行波的能量在匹配电阻上被消耗；所述数据采集端的采样率为2G/s，存储深度为16kB。

进一步的，硬件电路采用型号为STM32_F407的单片机进行控制，通过写入代码调节直流高压模块的输出电压并且通过外部按键触发单片机产生脉宽为20ns的触发信号，通过驱动芯片控制脉冲输出继电器动作。

本发明的有益效果：通过采用JMarti模型的波阻抗，传播系数计算值与理论误差小，防止输入脉冲引入的测试盲区过大，导致测试脉冲与近端电缆接头反射波信号重叠。利用二极管的单向导通性，由于脉冲形成线与待测电缆接头之间阻抗不匹配产生的反射波在匹配电阻上被相互消耗，测试波形得到良好改善。由于时域反射法接头定位只需要重点关注接头处反射波形而无需对输入脉冲进行完整采集，考虑输入脉冲幅值较高，给数据采集模块耐压带来挑战，采用加入限压保护回路的方法，限制输入脉冲进入数据采集模块端的电压幅值。在该方法下，电缆接头的反射波未受影响，被完整保留，电缆接头的识别检测更加精准。使用时，只需外接电源并于上位机通信即可用于电缆接头的老化程度检测，装置体积小，轻便易携带，且支持外部交流供电以及蓄电池供电两种方式，适应恶劣的现场环境。

附图说明

图1是本发明的供电回路原理示意图；

图2是本发明的继电器驱动部分原理示意图；

图3是本发明的接入TVS二极管限压保护原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明，需要指出的是本发明中出现的所有上下前后左右等方位词，所有方位词均不对本发明做限定，只是为了更清楚的说明和解释本发明。

如图1-3所示，本发明包括以下步骤：

S1：进行电缆接头波阻抗渐变计算，建立三段式集中阻抗模型。所述模型的波阻抗、相位系数以及衰减系数在EMTP-ATP中进行Semlyen模型以及JMarti模型的校核，选取JMarti模型进行仿真。基于时域反射法对电缆接头进行定位，所述时域反射法定位的信号源采用单次脉冲；使用复数域导线波动方程式，多导线系统通过相模变换转换为互相独立的单导线系统。

时域反射法原理：

输电线路因其尺寸较大通常被视为分布参数线路，当在输电线路存在电压波时，由于对地电容储存电场能量导致线路对地电位升高，与此同时，电流行波在输电线路上传播表征输电电路等值电感储存磁场能量的过程。当施加电压为时变信号时，其对应生成的电磁场也具有时变性质。电压行波和电流行波在输电线路上传输的过程就是电磁能量沿着输电线路输送的过程，即行波表征能量在传输线上的传播状态。其中，电压行波的幅值沿传播距离依照指数规律衰减变化，相位依照线性规律变化，行波以一定的速度向输电线路终端运动。假设x为线路首端到输电线路上任意点的距离，单位长度无损输电线路的等值电感为L，等值电容为C。以x轴正方向为参考方向，行波电压u和行波电流i满足式以下公式约束：

接着在式分别对空间变量x以及时间变量t取微分，通过联立变换后，进一步可得波动方程:

对式，可求其达朗贝尔解为式:

式中，v为无损输电线路的行波波速；Zc为无损输电线路的等值波阻抗，其在数值上等于电压波与电流波的比值：uq和uf分别代表电压的正向行波和反向行波；v和Zc具体表达式为：

当行波信号在传输过程中遇到阻抗不连续点将会发生折射和反射，一线路的波阻抗为Z1，二线路波阻抗为Z 2，A为两条线路相交点即阻抗不连续点，在此处行波将发生折反射。即在A点处，由于两条线路的波阻抗不同即其电压和电流的比值不同，故能量被重新分配。通常情况下，将行波分成两个部分，一部分为与入射波行进方向相同的折射波，记电压折射波为u_2q，电流为i_2q。另一部分为与之传输方向相反的反射波，同理记电压反射波为u_1f，电流为i_1f。入射波电压记为u_1q，电流记为i_1q。则：

且在式中有：

联立式两式，可得：

式中，ρ_α为行波的折射系数，ρ_β为行波的反射系数。当行波遇到阻抗不连续点时，只需采集反射波信号就可以对阻抗不连续点进行定位。现有研究结果表明，在正常情况下，电缆中间接头的波阻抗为电缆本体波阻抗的1.2至1.5倍。故当脉冲行波遇到电缆中间接头时，将会发生折反射，采集反射波到达时间结合行波波速就可以实现对电缆接头的精准检测。

导线的频率波动方程：

用于时域反射法定位的信号源通常为单次脉冲，其覆盖的频率成分较广，应考虑使用复数域导线波动方程式。讨论复数域内的波动方程，值得注意的是，多导线系统可通过相模变换转换为互相独立的单导线系统。通常情况下，输电线路不是无损的，故除了考虑单位长度的等值电感L，等值电容C，考虑反映输电线路损耗的传输电阻R和电导G；

在某一频率下，线路频域一阶微分方程为：

其中

Z＝R+jωL

Y＝G+JωC

式中，U为线路对地电压相量；I为线路中电流相量；Z为线路单位长度阻抗；Y为线路单位长度导纳；ω为电压和电流角频率。同样地，分别对x进行求导，合并变形得线路频域二阶微分方程：

式中，γ为线路传播系数，α为衰减系数，β为相位系数。

可得：

故线路两端电压、电流为：

故

通常线路首末端电流的参考方向统一为从首端指向末端。为求解线路的等效电路，现假设线路两端的电流参考方向均从端点指向线路，即Ik的参考方向为k到m，Im的参考方向为m到k，他们的参考方向刚好相反，进一步求得通解。所述时域反射法的行波在传输过程中遇到阻抗不连续点发生折反射，进行时域反射法定位的待测电缆处于离线状态，在开路末端发生全反射，且反射回波极性与输入脉冲一致；当电缆末端短路时，行波反射回波与入射波极性相反。

时域反射法检测原理：

行波在传输过程中遇到阻抗不连续点将会发生折反射，由于进行时域反射法定位的待测电缆需要处于离线状态，故在其开路末端将发生全反射，且反射回波极性与输入脉冲一致；当电缆末端短路时，行波反射回波与入射波极性相反，该反射信号可作为电缆测长的依据。

式中，l为待测电缆的全长；t为线路末端反射回波到达波形采集处的时间。值得注意的是，由于波形采集与脉冲输入在同一位置，故当反射回波到达波形采集处时，行波实际行进距离为待测电缆全长的两倍。进一步地，假设某处中间接头与测试端之间的距离为s，行波波速为v，由于中间接头与电缆本体波阻抗不连续，故行波遇到中间接头时也将发生折反射。在t₁时刻发射脉冲信号并在t₂时刻接收脉冲信号，则该中间接头的位置可通过式求出：

故在现场测试中，仅需向离线的待测电缆输入测试脉冲，并采集行波遇到每一处中间接头的反射波，结合具体波速即可实现对中间接头进行准确定位。时域反射法定位具有原理简单，实际操作简便，测试时间短且定位精度高等特点。

模型搭建：

在电磁暂态过程涉及的频率范围内，可认为线路电容不随频率变化，但线路的电阻和电感随频率发生变化。例如，某500kV线路在50Hz时零序电阻、电感分别为0.18Ω/km，3.31mH/km；而在1000Hz时分别为2.55Ω/km、2.5mH/km。如果所研究的电磁暂态过程主要频率范围较小，可使用恒定参数输电线路模型。但当电磁暂态频率较高时，如在关心操作过电压的峰值时，或考虑高频下的谐振时，必须使用随频率变化的线路参数模型。在进行电磁暂态仿真时，暂态信号中包含很多频率分量。实测波形通常在工频第一、第二周波出现电压或电流峰值，这往往与信号的高频分量有关。随着频率的升高，线路上对应信号的衰减系数增大，若仿真时设置线路参数为工频，则信号的衰减速度也比实际要慢，且由于测试的信号幅值较实际要大得多。因此，对电磁暂态过程进行准确的模拟，必须建立输电线路频率相关模型。在基于时域反射法对电缆中间接头进行定位时，首要关注脉冲行波在传输过程中的衰减以及变形。其中行波脉冲发生变形正是因为线路在高频下的衰减系数大于工频下的衰减系数，即高频成分衰减较低频成分严重，这可能导致行波整体波形中某些突变成分消失，增大识别中间接头处反射波的难度。基于以上考虑，应选择频率相关模型进行电缆本体的相关建模，且在仿真中应重点关注电缆模型的衰减系数的校核。此外，利用时域反射对电缆中间接头定位的基础为电缆中间接头的等效波阻抗与电缆本体波阻抗不连续，故还需要重点校核电缆模型的等效波阻抗，并将仿真结果与电力电缆实际波阻抗数据进行比较。

事实上，无论哪种频率相关模型，都是近似模型，需要验证其准确程度的。对仿真模型的校核，通常有两种方法，其一为验证基本参数单位长度电阻R、电感L、电导G、电容C，其二为验证衍生参数波阻抗Zc、传播系数γ(包括衰减系数α、相位系数β)。本次仿真重点关注对象为电缆本体与中间接头的波阻抗不连续程度以及脉冲行波在电缆中传输特性，故基于衍生参数波阻抗Zc、传播系数γ(包括衰减系数α、相位系数β)进行验证。通过仿真来验证衍生参数的思路是：在某一频率下进行足够长时间的暂态计算，直至过渡到稳态，利用稳态参数来校核波阻抗、衰减系数和相位系数。该种方法适用于任意电压等级、任意长度的交流或者直流线路。

电磁暂态仿真软件EMTP-ATP提供3种输电线路频率相关模型：JMarti模型、Semlyen模型、Noda模型。其中由于Noda模型在建模时经常无法收敛，后续仿真计算也无法开展故本次研究的仿真电缆频变模型校核围绕Semlyen模型和JMarti模型的校核展开。现有暂态电路仿真分析广泛采用典型500kV线路进行校核，而10kV电力电缆具有多种规格型号，且在各地供配电网络的架设通常依据当地的负荷承载量大小以及地区经济水平因地制宜，导致各地市所选10kV电力电缆类型均有差别，难以形成统一参考。故本次模型校核同样选用500kV线路模型进行校核。其主要目的为比较两种频率相关模型的暂态响应情况，探究不同的电导G值对暂态分量衰减以及输电线路参数的影响。在确定能准确复现时域反射法暂态过程的电缆模型基础上，代入实际的10kV电力电缆参数进行分析。在实际35kV以下电力电缆通常为三芯统包电缆，其每个线芯之间结构完全对称，中间接头的位置完全一致。在接头定位中，仅对其中一个线芯开展测试即可实现中间接头定位。为简化模型，观测不同测试输入脉冲下接头处反射波的特征，首先搭建单芯带有中间接头电缆线路进行仿真，主要目的是确定用于表征电磁暂态过程的最佳电缆频变模型。后续还需进一步完善三芯统包电缆模型并开展现场测试，将测试结果与仿真相比较，校验线路模型的准确度并观测电缆芯数不同对测试波形的影响。

S2：依据电缆接头实际结构参数计算行波波速，分别对无屏蔽层的信号电缆以及有屏蔽层的电力电缆进行试验。所述行波的对应波长与电缆本体实际长度相当，采用分布参数电路模拟电缆本体；在电磁暂态过程涉及的频率范围内，线路电容不随频率变化，线路的电阻和电感随频率发生变化，进行电磁暂态仿真时，暂态信号中包含频率分量。分析屏蔽层对行波传输衰减的影响，由于行波信号频率成分集中在1MHz以内，忽略屏蔽层对信号衰减的影响，仿真确定的输入脉冲参数满足接头定位的要求，结合仿真和实测波形提取分析接头处反射波特征，为后续接头处反射波识别提供判据。

行波波速理论，信号频率直接影响波速，故首先对第二章所述的测试方波脉冲进行频谱分析，利用软件Matlab对幅值为1kV，上升时间为1ns脉宽分别为50ns、150ns、300ns的方波脉冲进行傅里叶分析。窄脉冲的中心频率较宽脉冲高，在行波传输过程中，信号高频分量的衰减系数较低频分量大，故当行波传输距离一定时，窄脉冲衰减剧烈。在另一方面，在输出脉冲幅值相同的条件下，宽度小的脉冲对应输出能量低。当传输距离较远时，窄脉冲因能量损失占总比重过高而被噪声淹没。

在工程实际中，由于一段电力电缆的长度一般设置在3～5km，故通常要求所输入的测试脉冲覆盖的测试范围在3km以上。故为了满足测试波形覆盖范围的要求，输入脉冲的宽度不能过小。对于现场电缆中间接头定位拟定选用的方波脉冲宽度为200ns～300ns可满足测试覆盖范围3km以上的要求。在另一方面，输入脉冲的宽度也不应过大，当中间接头距离测试端很近时，输入脉冲宽度过大将导致中间接头处反射波与输入脉冲重叠。当电缆的长度较长时，可采取分两次进行中间接头定位的方式。即可先在电缆的一端输入测试脉冲，进行中间接头定位，等成功拾取测试波形内所有中间接头的位置之后，在更换至另一侧进行剩余中间接头的定位，综合两次定位的结果就可以成功获取所有中间接头的位置。通过绪论分析可知，当信号的中心频率达到1MHz时，其行波波速已经稳定，波速的波动误差已控制在2％以内满足中间接头定位的准确度要求。此时的行波波速仅需考虑电缆结构参数的影响。即利用脉冲宽度在300ns以内，上升时间为1ns的方波脉冲在现场进行定位时，仅需要得知待测电缆的型号即可计算其对应波速。

半导电层厚度与波速的关系，通过上述频率分析计算可知，当输入上述方波脉冲时，可认为波速已经稳定，只取决于电缆的结构参数，可直接技术行波波速。分别以10kV和35kV电缆为例进行波速的计算。已知电压等级为10kV的XLPE电缆其主绝缘厚度为4.5mm，电压等级为35kV的XLPE电缆其主绝缘厚度为9.3mm，且其内、外半导电层的厚度受电缆厂工艺不同的影响，厚度范围在0.5～1.0mm之间。通过咨询多个电缆厂可知，目前普遍取半导电层的厚度为0.8±0.1mm，且内、外层厚度通常保持一致。在高频情况(f>1MHz)下，计算行波波速随半导电层厚度变化的情况，以10kV电缆为例，考虑半导电层对行波波速的影响之后，标准的行波波速大致在169.8m/us左右，这与电缆的经验波速170～174m/us相吻合。在高频情况下，当径向位移电流通过半导电层时，内、外半导电层会对高频信号产生一定的衰减和色散作用。因此必须将内外半导电层对电力电缆中信号传播特性的影响考虑入内。值得注意的是，考虑的对象仅是单一电力电缆本体，未考虑电缆中间接头带来的影响。

由于电磁暂态仿真软件在进行电路模型计算时，通常不考虑半导电层对信号传播的影响，这将导致仿真波形的传输衰减与实际情况有所出入，为了进一步确保上述所选用的方波脉冲满足工程定位需求，还需比较针对半导电层对衰减的作用展开有关计算。输入方波脉冲的信号集中在1MHz以内，此时半导电层对信号衰减的影响较小，在工程误差允许范围之内可以忽略。根据上述考虑电缆内、外半导体层前后对比，在理论计算层次上证实考虑半导电层的存在会使信号的传播速度降低且会增大信号的衰减程度的规律。以下还需对实际电力电缆进行测试，计算实际行波波速，并将试验波形与仿真波形进行对比，校核行波衰减计算结果。

综上，通过理论计算和试验测试可知，电缆半导电层的存在会使行波波速降低，且会加剧信号传输的衰减。在行波波速校核方面，通过理论计算可知，随着电缆的半导体层厚度增加，行波波速逐渐减小。通过试验测试实际波速与理论计算误差控制在2％以内，理论计算值与试验测试结果保持一致，故可直接将波速取为理论计算值。在现场只需获取待测电缆的规格参数即可计算其波速，用于后续行波法检测。在实际检测时，还需要注意待测电缆入口处由于传输线波阻抗不匹配而引起的多次折反射。这将导致测试波形前段混乱，当待测电缆的中间接头距离脉冲入口较近时，其反射信号存在淹没于该段杂乱波形中的可能性，造成中间接头的漏判，增大测试盲区。另一方面，待测电缆脉冲入口处由于阻抗不匹配引发的多次折反射也将造成信号能量损失，降低测试信噪比。

S3：结合试验电缆接头定位装置的整体功能，搭建电缆接头系统，绘制PCB板并进行调试。所述脉冲连接输出端由电阻和二极管组成，通过二极管的单向导通性，当负向反射波产生时，二极管导通，使电阻与脉冲形成线阻抗匹配，负向行波的能量在匹配电阻上被消耗；所述数据采集端的采样率为2G/s，存储深度为16kB。硬件电路采用型号为STM32_F407的单片机进行控制，通过写入代码调节直流高压模块的输出电压并且通过外部按键触发单片机产生脉宽为20ns的触发信号，通过驱动芯片控制脉冲输出继电器动作。所述电缆接头系统包括单元有脉冲电源、脉冲连接输出端、数据采集端、波形处理模块和上位机人机交互界面。

根据现场实际情况，配网10kV～20kV电力电缆普遍采用收缩前的标准长度为410mm的冷缩型中间接头，现场一段电缆全长通常在3～4km左右，内附中间接头个数为9～10个。当电缆的长度较长中间接头个数较多时，可采取分两次进行中间接头定位的方式。即先在电缆的一端输入测试脉冲，进行中间接头定位，等成功拾取测试波形内所有中间接头的位置之后，在更换至另一侧进行剩余中间接头的定位，综合两次定位的结果就可以成功获取所有中间接头的位置。在中间接头定位必须在离线工况下开展。测量时，将脉冲输出口与待测电缆的一端相连，并实现脉冲形成线与待测电缆间的阻抗匹配，避免在脉冲输出处发生多次折反射导致采集波形混乱。值得注意的是，在脉冲源输出口除了注意阻抗匹配问题之外，还需要避免脉冲形成传输线本身对待测电缆中波过程的影响。待脉冲进入被测电缆后，遇到中间接头和到达电缆开路末端的反射波形将被同处于脉冲入口的数据采集端接收，并将波形实时数据传递给波形处理模块，进行波形分析与中间接头处反射波信号拾取。此外，由于待测电缆对象两端开路，故采集电缆末端反射波信号还可用于电缆全线路测长。波形计算处理结果在上位机中显示，上位机界面实现人机交互的功能，控制电缆中间定位系统工作状态。在上位机的显示界面应根据实际测量结果复现电缆线路的接头分布。

脉冲电源设计，由于方波脉冲具有陡峭的上升沿和下降沿，当输入方波脉冲时，在电缆中间接头处的反射波成对出现一正一负两个尖峰，对应其上升沿和下降沿，且正负尖峰的间隔为输入方波脉冲的宽度，故此时反射波信号特征鲜明，易于识别。除此之外，方波脉冲的频谱成分丰富，当其脉冲宽度在百ns内时，其频率成分主要集中在1MHz以上，通过计算分析可知，行波波速在此信号频段已经趋于稳定，可将行波信号视为在电缆内部匀速传输。在另一方面，方波脉冲易于形成，其电源结构简单，且产生波形稳定，结合仿真具体估算以及系统硬件的绝缘限制，所选用的方波脉冲参数为上升前沿小于1ns且下降沿越陡峭越好(通常情况小于2ns)，输出脉冲宽度幅值考虑0～1kV连续可调，脉冲宽度为200～300ns。

常见的方波脉冲发生器可分为两大类：同轴传输线型以及Marx型(电容放电型)。通过对比现有的方波脉冲方法可知，基于传输线原理设计的方波脉冲源具有结构简单，产生波形稳定，且生成的方波脉冲前沿可控制在ps级别，脉冲波形平顶平直等优势。且值得注意的是，基于传输线原理设计的方波脉冲其输出脉冲宽度可由其脉冲形成传输线长度严格控制。传输线在方波脉冲发生器中起两个作用。其一，传输线的本质为分布参数元件，可作储能之用，外接直流高压模块向其充电，能量以电场形式存储。其二，用作脉冲形成线，通过电磁波传递的波过程将能量释放出去，产生脉冲。根据脉冲源内部传输线的组成结构不同，可进一步将其分为单传输线型以及双传输线型。由于单传输线型的结构简单且输出方波上升时间较快，优先选用该种形式构成脉冲电源。

脉冲源触发设计，单传输线型方波脉冲发生器通过继电器控制输出脉冲，故继电器的选型以及触发方式将会影响输出方波脉冲的质量。根据本次设计输出脉冲的参数要求以及装配问题。通过对比测试可知，干簧继电器和水银继电器控制触发产生的方波脉冲上升时间并无差别，都在1ns之内，但是水银继电器的装配必须考虑方向问题，故最终选定干簧继电器型号为HVR1A12。由于继电器需要通过外加触发脉冲驱动，使其快速的导通和开断，并控制继电器的开关频率。继电器驱动部分包括串联的STM32单片机、逻辑芯片和驱动芯片；其中，STM32单片机通过操作其外部按键产生信号，控制其内部定时计数器工作，经过预设计数周期后，通过改变内部寄存器数值并将其赋值给外部引脚，产生输出电平翻转，输出LVTTL电平；逻辑芯片用于将LVTTL电平进行放大，输出TTL电平；驱动芯片用于将逻辑芯片输出的TTL电平进行放大，从而驱动继电器，在继电器控制模块中，逻辑芯片为高速CMOS，驱动芯片为MOSFET驱动。

实际操作时通过外部按键产生信号，控制单片机内部定时计数器工作，经过预先设置的计数周期后，通过改变内部寄存器数值并将其赋值给外部引脚，产生输出电平翻转，构成驱动信号。由于STM32引脚输出电平为LVTTL，无法驱动继电器线圈吸合开关，故还应将STM32输出信号通过外接芯片处理放大直至满足继电器吸合电压指标。考虑信号延迟以及芯片的负载驱动能力，选用高速CMOS器件先将LVTTL电平先转换为TTL电平。由于TTL电平仍无法满足继电器驱动要求，故再次利用MOSFET驱动器产生驱动信号使继电器动作。此外，由于电缆接头检测精度要求高，时序配合不到位时，容易引起非常大的误差。故单片机外接晶振主频不能过低，还需要注意对时序应进行严格控制，使触发、采集、处理能协调进行。由于单片机抗干扰能力较差，还需要采用光耦电路进行隔离。

为了保证采集信号不失真，首先需要考虑采样率，由于采集信号为ns级别，且待测线路通常总长为2～3km，故取采样率为2G/s，存储深度为16kB。此外，由于测试对象为快脉冲，前沿较陡，还需考虑带宽对前沿测试的影响。示波器带宽BW与能捕捉到的信号上升时间tp存在的数值关系如下：

由于仅需要准确采集中间接头处和终端开路反射信号，且随着脉冲在待测电缆中传输，其高频分量衰减严重，上升沿逐渐变缓。综合考虑经济成本以及工程要求，以带宽200MHz为例，此时数据采集单元能捕捉到的信号最短上升时间tp为1.75ns。根据EMTP-ATP的仿真结果可知，输入上升前沿1ns以内的方波脉冲其在遇到第一个中间接头(设其距离输入口为200m)时，反射波上升时间大于4ns，而中间接头定位仅要求对接头处反射信号精准捕捉，故数据采集单元带宽为200MHz已能满足数据采集对行波前沿捕捉的要求。

限压保护，由于脉冲源输出信号在kV级别，而数据采集单元的耐压值通常在5V以下，故在行波进入数据采集单元之前，需要进行限压处理。工程实际仅需准确采集接头处反射信号而不需要准确采集输入信号，故在实际测试时可直接对输入脉冲进行幅值限制。本次设计采取利用TVS管与衰减器配合的方式进行数据采集单元保护，其中TVS管起限制输入脉冲幅值的作用，削去输入脉冲超过其限压值的部分，值得注意的是，TVS管除起到限压作用之外，还可缩小数据采集装置采集的输入脉冲幅值与接头处反射波幅值的差距，使中间接头处反射波信号相较于输入脉冲更加明显，易于识别。TVS管限压保护的电路原理图如图所示，其中CH1信号通道为脉冲源输出实际信号，CH2信号通道为经TVS管限压之后的信号。

为探究接入TVS管对采集波形的影响，首先针对单个方波脉冲进行测试，读取加入TVS管前后信号幅值以及上升时间的变化，本次测试选用的TVS管型号为WS24DLC，其结电容为1pF，由于脉冲形成线波阻抗为50Ω，故在出口处并联50Ω电阻进行匹配。加入TVS管后，电压被限制在30V以内，TVS二极管具有较好的限压能力。在另一方面，由于其结电容不可忽略，使得输入脉冲上升沿变缓，当结电容过大时，可能会导致脉冲行波在电缆中间接头处反射波幅值变低，导致定位失败，还需针对带有中间接头的电缆进行测试。此外，考虑到TVS管自身的耐压限制，在实际设计中考虑将多个相同的TVS管串联使用。在一方面可使其耐压满足工程需求，另一方面，多个TVS管串联使其等效电容减小，削弱结电容的作用，在一定程度上起改善波形的作用。

供电回路，电缆中间接头定位通常在户外进行，供电条件受限制，该中间接头定位装置支持外接交流220V供电以及内部蓄电池自主供电两种方式。即在实际使用时，通过常开和常闭开关的配合实现外部交流220V供电以及蓄电池供电两种方式的切换。当外接220V交流电时，图示常开节点闭合常闭节点断开，外部220V交流电在给装置供电的同时也给蓄电池充电，此时由于二极管反向关断，蓄电池不会向外放电。当切断外部交流220V电源时，常开节点断开，常闭节点闭合，此时二极管被短路，蓄电池向外放电。进一步地，中间接头定位装置的硬件拓扑不要求现场具备交流电源，其仍可正常工作，可适应任何恶劣的现场环境。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于波阻抗检测电缆接头老化程度的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：进行电缆接头波阻抗渐变计算，建立三段式集中阻抗模型；

S2：依据电缆接头实际结构参数计算行波波速，分别对无屏蔽层的信号电缆以及有屏蔽层的电力电缆进行试验；

S3：结合试验电缆接头定位装置的整体功能，搭建电缆接头系统，绘制PCB板并进行调试。

2.根据权利要求1所述的基于波阻抗检测电缆接头老化程度的方法，其特征在于：所述模型的波阻抗、相位系数以及衰减系数在EMTP-ATP中进行Semlyen模型以及JMarti模型的校核，选取JMarti模型进行仿真。

3.根据权利要求2所述的基于波阻抗检测电缆接头老化程度的方法，其特征在于：基于时域反射法对电缆接头进行定位，所述时域反射法定位的信号源采用单次脉冲；使用复数域导线波动方程式，多导线系统通过相模变换转换为互相独立的单导线系统；考虑单位长度的等值电感L，等值电容C，考虑反映输电线路损耗的传输电阻R和电导G；线路频域一阶微分方程为：

Z＝R+jωL

Y＝G+JωC

式中，Z为线路单位长度阻抗；Y为线路单位长度导纳；ω为电压和电流角频率。

4.根据权利要求3所述的基于波阻抗检测电缆接头老化程度的方法，其特征在于：所述时域反射法的行波在传输过程中遇到阻抗不连续点发生折反射，进行时域反射法定位的待测电缆处于离线状态，在开路末端发生全反射，且反射回波极性与输入脉冲一致；当电缆末端短路时，行波反射回波与入射波极性相反。

5.根据权利要求1所述的基于波阻抗检测电缆接头老化程度的方法，其特征在于：所述行波的对应波长与电缆本体实际长度相当，采用分布参数电路模拟电缆本体；在电磁暂态过程涉及的频率范围内，线路电容不随频率变化，线路的电阻和电感随频率发生变化，进行电磁暂态仿真时，暂态信号中包含频率分量。

6.根据权利要求5所述的基于波阻抗检测电缆接头老化程度的方法，其特征在于：分析屏蔽层对行波传输衰减的影响，由于行波信号频率成分集中在1MHz以内，忽略屏蔽层对信号衰减的影响，仿真确定的输入脉冲参数满足接头定位的要求，结合仿真和实测波形提取分析接头处反射波特征，为后续接头处反射波识别提供判据。

7.根据权利要求1所述的基于波阻抗检测电缆接头老化程度的方法，其特征在于：所述电缆接头系统包括单元有脉冲电源、脉冲连接输出端、数据采集端、波形处理模块和上位机人机交互界面。

8.根据权利要求7所述的基于波阻抗检测电缆接头老化程度的方法，其特征在于：所述脉冲连接输出端由电阻和二极管组成，通过二极管的单向导通性，当负向反射波产生时，二极管导通，使电阻与脉冲形成线阻抗匹配，负向行波的能量在匹配电阻上被消耗；所述数据采集端的采样率为2G/s，存储深度为16kB。

9.根据权利要求8所述的基于波阻抗检测电缆接头老化程度的方法，其特征在于：硬件电路采用型号为STM32_F407的单片机进行控制，通过写入代码调节直流高压模块的输出电压并且通过外部按键触发单片机产生脉宽为20ns的触发信号，通过驱动芯片控制脉冲输出继电器动作。

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