CN204116523U

CN204116523U - 一种电缆故障测试系统

Info

Publication number: CN204116523U
Application number: CN201420627952.1U
Authority: CN
Inventors: 张建; 尹娟; 张方荣; 高兴琼
Original assignee: CHENGDU GAOSI ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: CHENGDU GAOSI ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-10-27
Filing date: 2014-10-27
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2024-10-27

Abstract

本实用新型公开了一种电缆故障测试系统。该系统包括MCU；变频谐振电源；本振；分别与变频谐振电源和本振相连的混频器；依次串联于混频器与被测电缆之间的低通滤波器3、功率放大器、可调限流电阻；与可调限流电阻并联的低通滤波器1；依次串联于低通滤波器1与MCU之间的放大器1、电压采集器1；与被测电缆并联的低通滤波器2；依次串联于低通滤波器2与MCU之间的放大器2、电压采集器2；与变频谐振电源相连的调频旋钮1，或/和变频谐振电源通过RC滤波器1与MCU相连；与本振相连的调频旋钮2，或/和本振通过RC滤波器2与MCU相连。与现有技术相比，本实用新型能对电缆进行绝缘分析和快速故障定位，且对电缆本体绝缘无损伤。

Description

一种电缆故障测试系统

技术领域

本实用新型涉及一种针对电缆故障的测试系统。

背景技术

电缆已成为现代工业发展中进行能量传输和信息通信的重要电气设备。目前，用于探测电缆故障及绝缘老化分析的技术较多，有采用直流高压测试绝缘的，有直接采用交流耐压试验的，也有通过交流耐压和局部放电结合试验分析的，其中产生交流耐压试验的方法又有众多分支，包括串联谐振法、阻尼振荡波法等，这些分析装置都具备分析绝缘的能力，但难以区分绝缘缺陷发生的位置。因此，为达到故障定位的目的，耐压试验时通常需要结合时域反射波谱TDR技术或FDR技术进行故障定位。TDR的技术原理为一快速上升的直流脉冲施加到电缆后产生回波，通过检测回波与输出直流脉冲的时间差来进行故障定位，一般仅用于单一故障的检测，如果故障点增多，反射波形会往返多次，造成分析困难。基于频域的分析方法FDR是一种用于检测电缆故障或特性阻抗衰减特性的技术，但由于FDR需要检测所有扫频频率点的发射功率(dB)值，需要设计精密的定向电桥，而定向电桥的设计难度较大，一般仅用于1MHz以上的信号，因此FDR的分析带宽受到严重影响；另外，FDR受扫频点影响，扫频点越多，检测时间越长，可能导致检测一条电缆耗费数小时的情况。

实用新型内容

本实用新型的目的就是针对现有技术的不足，提供一种基于电缆等效阻抗谐振特性的电缆故障测试系统，不仅能对电缆进行绝缘分析和快速故障定位，且对电缆本体绝缘无损伤。

本实用新型利用分析电缆等效阻抗谐振特性来反应电缆绝缘特性的出发点在于：当电缆绝缘出现问题时，至少会在一个频率点影响特征阻抗的连续性，即在某个特征频率点会发生谐振，从而产生阻抗突变。但由于电缆故障特征不同，老化机理的差异，对应电缆故障的谐振频率可能不是整数频率点，如果偏离该频率点一个很小的范围，则可能无法检测到该故障现象。因此，解决电缆绝缘故障快速分析很有实用价值，实现该方案需要满足快速测试、精确频率点搜寻等要求。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

本实用新型的技术思想是：通过变频谐振电源和混频器产生宽频带的差频信号作为检测信号发射源，然后经功率放大器后产生足以驱动电缆容性绝缘层或电缆短路状态的负载电流；通过手动或计算机控制的方法改变检测输出信号的频率、幅度，然后通过双通道高速采集器跟踪试验通过电缆的电压值，并可据此计算电缆的阻抗值，然后寻找电缆阻抗与频率的对应关系，精确寻找电缆阻抗的局部最大值点和最小值点，结合最大值、最小值发生的频率点，计算出对应的电缆故障位置。

具体而言，本实用新型提出的一种电缆故障测试系统，包括：MCU控制器；变频谐振电源；本机振荡器；分别与变频谐振电源和本机振荡器相连的混频器；与混频器相连的低通滤波器3；与低通滤波器3相连的功率放大器；串联于功率放大器和被测电缆之间的可调限流电阻；与可调限流电阻并联的低通滤波器1；与低通滤波器1相连的放大器1；与放大器1相连，同时与MCU控制器相连、与MCU控制器进行数据交互的电压采集器1；与被测电缆并联的低通滤波器2；与低通滤波器2相连的放大器2；与放大器2相连，同时与MCU控制器相连、与MCU控制器进行数据交互的电压采集器2；与变频谐振电源相连的调频旋钮1，或/和变频谐振电源通过RC滤波器1与MCU控制器相连、受MCU控制器控制(即MCU控制器控制变频谐振电源的输出频率)；与本机振荡器相连的调频旋钮2，或/和本机振荡器通过RC滤波器2与MCU控制器相连、受MCU控制器控制(即MCU控制器控制本机振荡器的输出频率)。

本实用新型提出的一种电缆故障测试系统还可以是另一种结构，包括：MCU控制器；变频谐振电源；本机振荡器；分别与变频谐振电源和本机振荡器相连的混频器；与混频器相连的低通滤波器3；串联于低通滤波器3和被测电缆之间的功率放大器；串联在被测电缆接地回路上的可调限流电阻；与被测电缆并联的低通滤波器1；与低通滤波器1相连的放大器1；与放大器1相连，同时与MCU控制器相连、与MCU控制器进行数据交互的电压采集器1；与可调限流电阻并联的低通滤波器2；与低通滤波器2相连的放大器2；与放大器2相连，同时与MCU控制器相连、与MCU控制器进行数据交互的电压采集器2；与变频谐振电源相连的调频旋钮1，或/和变频谐振电源通过RC滤波器1与MCU控制器相连、受MCU控制器控制(即MCU控制器控制变频谐振电源的输出频率)；与本机振荡器相连的调频旋钮2，或/和本机振荡器通过RC滤波器2与MCU控制器相连、受MCU控制器控制(即MCU控制器控制本机振荡器的输出频率)。

本实用新型通过高频本振和低频谐振电源混频产生试验信号，因而具备频率点非常连续的输出信号，比单独的DDS发生器或数模转换器输出的带宽更宽，幅度更稳定，频率线性度更高，对于准确寻找阻抗频率特性曲线上的最大值点和最小值点非常有利；因此，可以说是一种经济的用于电缆检测的高带宽试验电源，可覆盖0-1000M信号范围。

变频谐振电源可采用LC振荡器，具备可调电感和受电压控制改变容值的电容，既可受MCU控制振荡频率，也可采用手动调节调频旋钮1实现调频(可以是直接改变电容值，也可以是改变电压的方式改变电容值)；变频谐振电源的频率范围为0.01kHz-20MHz。通过手动方式调节调频旋钮1进行快速调频，同时结合实时显示，能够跳过电缆阻抗未发生明显跳变的频率范围，实现快速测试，从而显著提高现场检测效率。

本机振荡器具备电压控制的微调电容，既可受MCU控制输出频率，也可采用手动调节调频旋钮2实现调频(可以是直接改变电容值，也可以是改变电压的方式改变电容值)，从而改变混频器输出频率，实现提高或减少试验频率带宽的目的。本机振荡器频率范围为1kHz-1GHz。

MCU控制器对变频谐振电源和本机振荡器的控制方式采用电压控制(VCO压控，即MCU通过DA或PWM输出可变电压经滤波后形成直流电压到变频谐振电源和本机振荡器)的方式改变振荡器内部的电容值，从而改变输出频率。

功率放大器具备至少一级功率放大输出，具备两路并行输出的SMA或BNC接口，一路直接给被试电缆提供功率试验信号，另一路可提供试验跟踪信号或进行其他监测。功率放大器输出电压小于等于60V、输出功率小于等于60W。当功率放大器具备多级串联放大输出时，每级功放输出端均配置有供外部输出连接的SMA或BNC接口。

可调限流电阻至少为一只恒定阻值的限流电阻和一只可调电阻并联，或由含可调电阻在内的多只不同阻值电阻并联而成，总功率为0.5-50W，阻值范围0.5-30欧姆。当被测电缆距离较长，电压等级较高时，电缆容量较大，可能造成较大的负载电流，因此针对该情况可适当提高可调限流电阻的阻值，以限制输出电流的峰值；同时，调整可调限流电阻阻值也有利于与采集通道的最佳采集量程匹配，以获得最佳测试精度。通过两路采集器采集两端电压来计算输出负载电流，并根据欧姆定律计算电缆的阻抗值，不仅获取电缆阻抗的方式简单，而且可调限流电阻起到了保护测试系统的目的，防止电缆发生短路故障时造成输出负载电流过大的危险。

所述电缆故障测试系统还包括与MCU控制器进行数据交互的PC，可根据扫频阻抗测试的中间数据提供快速统计功能，分析阻抗局部最大值和最小值，并根据其分布特征分析电缆绝缘状态。连接可调限流电阻与被测电缆的为50欧姆或75欧姆射频同轴电缆。所述低通滤波器1和低通滤波器2的截止频率为500MHz，电压采集器1和电压采集器2的等效采样频率小于等于10GHz。可调限流电阻串联于功率放大器和被测电缆之间时，放大器1和放大器2的增益为0-50dB；可调限流电阻串联在被测电缆接地回路上时，放大器1和放大器2的增益为1-120dB。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：不需要向电缆施加额定工作电压，也不需要给电缆串联或并联无源谐振的电感器件，直接通过线性调制的宽频信号向电缆施加振荡必须的初始电压及频率，用于检测电缆等效阻抗的谐振特性，从而实现电缆的绝缘分析和快速故障定位；本实用新型的输出电压不超过30V，对电缆本体绝缘无损伤，可用于各种绝缘的电缆。

附图说明

图1是电缆故障测试系统的结构一示意图。

图2是电缆故障测试系统的结构二示意图。

图3是实施例1中的阻抗频率特性曲线示意图。

图4是实施例2中无故障时0.9kHz-9MHz的阻抗频率特性曲线示意图。

图5是实施例2中有故障时9MHz-10MHz的阻抗频率特性曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的优选实施例作进一步的描述。

实施例1

如图1、图3所示。搭建一电缆故障测试系统，对长度为4公里的EPR同轴电缆进行故障测试。所述测试系统包括：MCU控制器；频率范围为1kHz-20MHz的变频谐振电源；频率范围为1kHz-100MHz的本机振荡器；分别与变频谐振电源和本机振荡器相连的混频器；与混频器相连的低通滤波器3；与低通滤波器3相连、输出电压为10V、输出功率为20W的功率放大器；串联于功率放大器和被测电缆之间，总功率为20W、阻值范围0.5-5欧姆的可调限流电阻；与可调限流电阻并联、截止频率为120MHz的低通滤波器1；与低通滤波器1相连、增益为50dB的放大器1；与放大器1相连，同时与MCU控制器相连、与MCU控制器进行数据交互，等效采样频率为1GHz的电压采集器1；与被测电缆并联、截止频率为120MHz的低通滤波器2；与低通滤波器2相连、增益为50dB的放大器2；与放大器2相连，同时与MCU控制器相连、与MCU控制器进行数据交互，等效采样频率为1GHz的电压采集器2；与变频谐振电源相连的调频旋钮1；变频谐振电源通过RC滤波器1与MCU控制器相连、受MCU控制器控制；与本机振荡器相连的调频旋钮2；本机振荡器通过RC滤波器2与MCU控制器相连、受MCU控制器控制；与MCU控制器相连、与MCU控制器进行数据交互的PC。连接可调限流电阻与被测电缆的为50欧姆射频同轴电缆。

测试时，通过MCU控制器控制变频谐振电源和本机振荡器的频率值，控制变频谐振电源的输出频率范围为1kHz-20MHz、本机振荡器的频率为1kHz-100MHz，则混频器输出频率范围为0-120MHz。可调限流电阻的阻值调整到4欧姆时，向被测电缆施加的信号为电压10V、功率20W的扫频信号，电压采集器1和电压采集器2获得的电压信号用于计算电缆在每个试验频率下的阻抗值。由于随着频率升高，电缆阻抗是变化的，因此负载总阻抗是下降的，来自电压采集器1和电压采集器2获得的电压是非线性变化的。由于电缆呈现容性，随频率升高阻抗呈下降趋势，在高频段电缆阻抗减少，因此阻抗频谱是一组连续的衰减曲线。最终获得的阻抗频率特性曲线如图3所示，可见电缆阻抗频谱连续平滑度好，未呈现故障特征。

实施例2

如图2、图4、图5所示。搭建一电缆故障测试系统，对长度为10公里、电压等级为10kV的XLPE电缆进行故障测试。所述测试系统包括：MCU控制器；频率范围为0.1kHz-20MHz的变频谐振电源；频率范围为1kHz-150MHz的本机振荡器；分别与变频谐振电源和本机振荡器相连的混频器；与混频器相连的低通滤波器3；串联于低通滤波器3和被测电缆之间，输出电压为10V、输出功率为60W的功率放大器；串联在被测电缆接地回路上，总功率为50W、阻值为2欧姆的可调限流电阻；与被测电缆并联、截止频率为180MHz的低通滤波器1；与低通滤波器1相连、增益为1dB的放大器1；与放大器1相连，同时与MCU控制器相连、与MCU控制器进行数据交互，等效采样频率为500MHz的电压采集器1；与可调限流电阻并联、截止频率为180MHz的低通滤波器2；与低通滤波器2相连、增益为100dB的放大器2；与放大器2相连，同时与MCU控制器相连、与MCU控制器进行数据交互，等效采样频率为500MHz的电压采集器2；与变频谐振电源相连的调频旋钮1；变频谐振电源通过RC滤波器1与MCU控制器相连、受MCU控制器控制；与本机振荡器相连的调频旋钮2；本机振荡器通过RC滤波器2与MCU控制器相连、受MCU控制器控制；与MCU控制器相连、与MCU控制器进行数据交互的PC。连接可调限流电阻与被测电缆的为75欧姆射频同轴电缆。

测试时，通过调频旋钮1控制变频谐振电源的频率值，通过调频旋钮2控制本机振荡器的频率值，并且能够在PC端实时展示电缆阻抗随试验频率变化的情况；混频器输出最大频率范围为0.9kHz-170MHz。当手动调节调频旋钮1时，调频旋钮2调整到1kHz，观察PC端屏幕的电缆阻抗的变化情况，当观察到阻抗非常稳定时(如图4所示)，继续调节调频旋钮1，直到发现阻抗出现异常跳变时(如图5所示)，立即停止快速调节调频旋钮1，采用减缓并来回调整调频旋钮1的办法，减缓变频谐振电源输出频率的变化，然后捕捉阻抗出现异常的峰值或谷值。粗调时发现阻抗突变点出现在频率点10MHz附近，采用微调、来回调节调频旋钮1的办法，捕捉到峰值阻抗对应的频率点为9.7MHz。该频率信息可用于分析电缆的故障位置，根据Lf＝v/2*f，参考电缆出厂数据、电缆传输速率v＝2×10⁸m/s，则电缆在9.7MHz对应的故障位置为10.309米。

需要说明的是，采用MCU控制器控制变频谐振电源和本机振荡器频率值的方式是一种等间隔频率步进的扫频方法，或较为粗略的对数扫频方法，该方法虽然可实现一定带宽的快速扫频测试，对于获得宽频带的阻抗频率特性曲线有很好的作用，该曲线可用于分析电缆老化。但由于MCU控制器控制时即使能全部采用最高频率带宽和最小的频率步进进行测试，相比采用手动调节和微调的方式，频率分辨率仍可能不满足测试要求，且全带宽精密扫频的时间较长，可能花费数小时时间，因此一般全数控模式的快速扫频测试(如实施例1)可能存在频率泄露，无法发现微弱的故障。而通过手动调节频率方式(如实施例2)和实时监测的方法，可以快速动态捕捉异常点，并通过灵活的来回调整，最终找到最佳频率点，对应跳变点的最佳频率点即为电缆的故障等效阻抗的谐振频率点。

另外需要说明的是，本实用新型的混频器可以看做是大范围频率粗调单元，变频谐振电源可以看做小范围频率带宽的精密可调单元，两者结合可以起到较好的输出频率连续性的作用，如果单设计一个独立的大范围的频率带宽(如0-1GHz)且具备精密可调(如分辨率为1Hz)的输出信号，不仅频率分辨率不高，而且要实现稳定可重复的频率点，电路设计势必相当复杂，也很难得到较为连续的手动调频的作用。本实用新型将低带宽频率的变频谐振信号源和较大频率调整范围的混频器结合，混频器输出又包括了两路信号相乘的频率信息，可以起到粗调和细调结合实现降频或升频的作用，且很容易输出非整数频率值的信号，因此可以认为本实用新型提供了一种较低成本、相对简易的用于电缆试验的宽频域扫频试验信号发生装置。

Claims

1.一种电缆故障测试系统，其特征在于，所述测试系统包括：MCU控制器；变频谐振电源；本机振荡器；分别与变频谐振电源和本机振荡器相连的混频器；与混频器相连的低通滤波器3；与低通滤波器3相连的功率放大器；串联于功率放大器和被测电缆之间的可调限流电阻；与可调限流电阻并联的低通滤波器1；与低通滤波器1相连的放大器1；与放大器1相连，同时与MCU控制器相连、与MCU控制器进行数据交互的电压采集器1；与被测电缆并联的低通滤波器2；与低通滤波器2相连的放大器2；与放大器2相连，同时与MCU控制器相连、与MCU控制器进行数据交互的电压采集器2；与变频谐振电源相连的调频旋钮1，或/和变频谐振电源通过RC滤波器1与MCU控制器相连、受MCU控制器控制；与本机振荡器相连的调频旋钮2，或/和本机振荡器通过RC滤波器2与MCU控制器相连、受MCU控制器控制。

2.根据权利要求1所述的电缆故障测试系统，其特征在于：设有与MCU控制器进行数据交互的PC；连接可调限流电阻与被测电缆的为50欧姆或75欧姆射频同轴电缆。

3.根据权利要求1或2所述的电缆故障测试系统，其特征在于：所述变频谐振电源的频率范围为0.01kHz-20MHz，本机振荡器频率范围为1kHz-1GHz，功率放大器输出电压小于等于60V、输出功率小于等于60W。

4.根据权利要求1或2所述的电缆故障测试系统，其特征在于：所述低通滤波器1和低通滤波器2的截止频率为500MHz，放大器1和放大器2的增益为0-50dB，电压采集器1和电压采集器2的等效采样频率小于等于10GHz。

5.根据权利要求1或2所述的电缆故障测试系统，其特征在于：所述可调限流电阻总功率为0.5-50W，阻值范围0.5-30欧姆。

6.一种电缆故障测试系统，其特征在于，所述测试系统包括：MCU控制器；变频谐振电源；本机振荡器；分别与变频谐振电源和本机振荡器相连的混频器；与混频器相连的低通滤波器3；串联于低通滤波器3和被测电缆之间的功率放大器；串联在被测电缆接地回路上的可调限流电阻；与被测电缆并联的低通滤波器1；与低通滤波器1相连的放大器1；与放大器1相连，同时与MCU控制器相连、与MCU控制器进行数据交互的电压采集器1；与可调限流电阻并联的低通滤波器2；与低通滤波器2相连的放大器2；与放大器2相连，同时与MCU控制器相连、与MCU控制器进行数据交互的电压采集器2；与变频谐振电源相连的调频旋钮1，或/和变频谐振电源通过RC滤波器1与MCU控制器相连、受MCU控制器控制；与本机振荡器相连的调频旋钮2，或/和本机振荡器通过RC滤波器2与MCU控制器相连、受MCU控制器控制。

7.根据权利要求6所述的电缆故障测试系统，其特征在于：设有与MCU控制器进行数据交互的PC；连接可调限流电阻与被测电缆、功率放大器与被测电缆的为50欧姆或75欧姆射频同轴电缆。

8.根据权利要求6或7所述的电缆故障测试系统，其特征在于：所述变频谐振电源的频率范围为0.01kHz-20MHz，本机振荡器频率范围为1kHz-1GHz，功率放大器输出电压小于等于60V、输出功率小于等于60W。

9.根据权利要求6或7所述的电缆故障测试系统，其特征在于：所述低通滤波器1和低通滤波器2的截止频率为500MHz，放大器1和放大器2的增益为1-120dB，电压采集器1和电压采集器2的等效采样频率小于等于10GHz。

10.根据权利要求6或7所述的电缆故障测试系统，其特征在于：所述可调限流电阻总功率为0.5-50W，阻值范围0.5-30欧姆。