CN205210228U - 组合式定向非接触电缆故障检测定位传感装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种组合式定向非接触电缆故障检测定位传感装置，其包含一个导体环、两个磁环、一个绝缘外套及三个缓冲垫，磁环、导体环、缓冲垫、绝缘外套主体呈环状圆筒型结构，分别由两个对称的半圆形结构紧密连接组成，导体环和两个磁环顺次紧密嵌入在绝缘外套中，缓冲垫用于填充在磁环、导体环与待测电缆之间。导体环经外部输出引线接地，两个磁环分别通过内部输出引线的一端与反射法电缆故障定位装置电气连接，两内部输出引线的另一端接至地，远离导体环的磁环内部输出引线的输出回路中连接有阻抗匹配网络。本实用新型装置能够应用于复杂电缆网络系统的故障定位，具有安装便捷、安全性高等特点。

Description

组合式定向非接触电缆故障检测定位传感装置

技术领域

本实用新型涉及一种针对反射法电缆故障诊断的组合式定向非接触检测定位传感装置，属于电工技术领域。

背景技术

随着多电/全电飞机和载人空间站的发展，飞机、航天器的用电设备急剧增加，电线电缆的使用日益增多。由于使用年限的增加，受水、紫外线、温度等环境因素的影响越来越大，导致飞机电缆发生短路、断路等硬故障及一些间歇性的软故障，给飞机的安全飞行带来了极大的隐患，因此电缆故障诊断技术受到国内外研究学者的广泛关注。在电缆故障检测定位领域，反射法由于能够在判断电缆发生故障类型的同时诊断出电缆故障发生的位置而被广泛应用。

在众多的反射法中，扩展频谱时域反射法SSTDR(SpreadSpectrumTimeDomainReflectometry)由于具有能够实现在线诊断、抗干扰性强、故障定位精度高而成为研究重点，其实现的原理框图如附图1所示。将频率相同的正弦信号与伪随机序列PN码1:1数字调制后经过DA数模转换芯片转换为模拟信号后经隔离耦合装置注入待测电缆，当待测电缆中发生故障时会由于该点的阻抗与电缆的特性阻抗不匹配而发生反射，反射信号同样通过隔离耦合装置将信号耦合到反射法电缆故障检测装置的接收端。将接收的信号通过AD模数转换将模拟信号转换为数字信号后与入射信号进行相关运算，由相关运算曲线提取电缆的故障信息。

相关运算公式如下式所示。

$r\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_0^T{s}_1\left(t\right)*s_2(t-\mathrm{\τ})dt$

式中s₁(t)为入射信号，s₂(t-τ)为反射信号，r(τ)为相关运算结果，T为检测信号周期，改变延时时间τ求得r(τ)绝对值最大时刻τ的大小，根据信号在电缆中的传播速度及延时时间τ求得电缆发生故障的位置，根据r(τ)的正负判断电缆发生故障的类型，从而诊断出故障信息。

但是，不论是SSTDR或是其他的反射法，检测装置与待测电缆导体之间需要电气连接，来实现检测信号的注入与接收。它需要改变电缆系统的接口端子，从待测电缆的一侧将检测装置接入，当无需检测时，需再次断开系统接口端子，实现检测装置的拆卸。随着检测次数的增多，重复地安装/拆卸对原始电缆造成进一步的损害；当待测电缆用于高压系统时，会对执行故障检测的操作人员造成一定的人身安全。采用将感性耦合应用于反射法，实现检测信号的耦合输入与耦合输出，避免了检测装置与待测电缆之间的电气连接，电缆系统的原有接口端子也无需改变，加之对感性耦合装置结构的优化，安装/拆卸方便，使用简便，提高了检测装置与待测电缆之间的安全性与实用性。

实际电气设备中，电缆一般都存在大量的分支，以网络的形式分布，线路复杂。电缆分支点的阻抗不匹配会导致该点的多次反射，从而影响对电缆故障信息的提取，因此实现入射信号的定向耦合，控制其传输的方向，能够避免多次反射对电缆故障造成的影响，并对不同的电缆分支，发送接收来自不同耦合器的信号并加以故障信息处理，从而实现电缆网络的故障诊断定位。

发明内容

本实用新型的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种在不对电力线路进行改动的前提下实现将定向非接触耦合应用于反射法的组合式定向非接触检测传感装置，实现电缆的非接触式故障诊断。

为此，本实用新型采用的技术方案如下：

组合式定向非接触电缆故障检测定位传感装置，其特征在于包含一个导体环、两个磁环、一个绝缘外套、三个缓冲垫，导体环、磁环、绝缘外套、缓冲垫主体呈环状圆筒型结构，分别由两个对称的半圆形结构紧密连接组成，导体环和两个磁环按顺序紧密嵌入绝缘外套中，三个缓冲垫分别用于填充在导体环、两个磁环与待测电缆之间，导体环经外部输出引线接地，两个磁环分别通过内部输出引线的一端与反射法电缆故障定位装置电气连接，两内部输出引线的另一端接至地，远离导体环的磁环内部输出引线的输出回路中连接有阻抗匹配网络。

本实用新型中磁环实现将高频入射信号非接触耦合至待测电缆中及反射信号的采集，磁环与待测电缆没有电气连接。输出引线、磁环、待测电缆导体三者形成一个非接触式变压器，实现入射信号与反射信号的非接触耦合输入与耦合输出。靠近导体环的磁环内部输出引线连接反射法检测装置的信号发送端，实现检测信号的非接触耦合输入到待测电缆中；远离导体环的磁环内部输出引线连接反射法检测装置的信号接收端，实现检测信号的非接触采集。

本实用新型中的导体环实现对高频入射信号耦合传输的方向控制。导体环、待测电缆絶缘层、缓冲垫、导体层四层形成了一个非接触电容，使得待测电缆与地之间形成了一条电容支路，为入射信号向待测电缆所需的方向传输提供了回路，阻止检测信号向电源侧传输，类似于一个具有阻波效果的容性阻波器，实现检测信号的单向传输，从而实现对待测电缆的定向检测。

针对感性非接触耦合装置中非接触电容容值过小带来的阻抗不匹配问题采用传输线阻抗匹配方式加以解决，通过传输线串并联形成阻抗匹配网络。

磁环、导体环与待测电缆之间填充有弹性绝缘材料做的缓冲垫，在导体环中的绝缘材料与在磁环中的绝缘材料作用是不一致的。磁环中加弹性绝缘材料是为了保证待测电缆与引线处于磁环的中心位置，从而使磁环上的场强均匀分布，进而将引线与待测电缆之间的信号较好地实现耦合，因此对绝缘材料的特性是没有特定要求的；在导体环中的绝缘材料作用是避免导体环与电缆之间留有空隙，实现导体环与待测电缆的紧密无缝安装，以免空隙造成非接触电容容值的减小。磁环与两个导体环紧密嵌入在绝缘外套中，绝缘外套实现对整个传感装置固定，形成组合式的感性耦合传感装置。

磁环的材料特性如通频带、相对磁导率，磁环内径、外径、长度等参数设计，需使引线与待测电缆之间的互感值达到一定的大小，实现检测信号的完整耦合，选用磁环的磁性材料需满足材料的饱和磁密关系式。导体环的内径、厚度及长度等参数设计，需使形成的非接触电容达到一定容值，高频信号下形成的容抗尽可能小，实现对电缆一侧的支路短路的效果，达到检测信号定向耦合的目的。

根据缓冲垫在磁环与导体环中的不同作用，磁环中的缓冲垫应根据其实际设计出的内径尺寸大小完整地填充在内部，保证引线与待测电缆处于磁环的中心位置，两磁环的尺寸一致；导体环中的缓冲垫厚度应在确保导体环与待测电缆无缝固定的情况下尽可能小，以减小对非接触电容容值的影响。

本实用新型中两个磁环、两根输出引线与待测电缆分别形成两个信号传输变压器，实现对高频入射信号的非接触耦合传输及对反射信号的非接触采集，改善了传统的电缆故障诊断方法中检测装置与待测电缆需要直接电气连接的问题。导体环与待测电缆绝缘层、待测电缆导体层形成非接触电容，连接在磁环的一侧并接地，使得待测电缆与地之间形成了一条电容支路，为入射信号向待测电缆所需的方向传输提供了回路，阻止检测信号向电缆另一侧传输，实现对待测电缆的定向检测。其中远离导体环的磁环内部输出引线在与电缆故障诊断装置连接之前连接了由五根传输线组成的阻抗匹配网络，解决感性非接触耦合装置中由于非接触电容容值过小带来的线路阻抗不匹配问题。本实用新型中的导体环、磁环均采用环状圆筒型结构并加工成两个半圆型结构，紧密地嵌入绝缘外套内部，可以简便地实现检测传感装置的安装/拆卸，无需改变待测电缆系统原有的电气连接方式，安全可靠，并由于其定向耦合的作用，可以将其推广应用于复杂电缆网络的故障诊断，实现电缆故障的在线检测。

附图说明

图1是SSTDR(扩展频谱时域反射法)实现的原理框图；

图2是组合式感性非接触耦合传感装置的三维立体结构示意图；

图3是组合式感性非接触耦合传感装置侧面解剖图；

图4是组合式感性非接触耦合传感装置的导体端横截面图与磁环部横截面图；

图5是组合式感性非接触耦合传感装置的等效原理图；

图6是感性耦合应用于SSTDR进行电缆故障诊断的仿真结果曲线；

图7是感性耦合应用于SSTDR进行电缆故障诊断的实验结果曲线。

具体实施方式

下面根据附图对实用新型的技术方案进行具体地说明。

图2为组合式定向非接触电缆故障检测定位传感装置，其中包含待测电缆导体层1、待测电缆绝缘层2、导体环内部缓冲垫3、导体环4、磁环内部缓冲垫5与7、磁环6与8、绝缘外套9、磁环6内部输出引线10及磁环8内部输出引线11、组成阻抗匹配网络的第一～第五传输线12、13、14、15、16及反射法故障检测装置17。第一传输线12和第二传输线13分别串联在磁环8内部输出引线11的两端，再并联第三传输线14后分别串联第四传输线15和第五传输线16，第四传输线15的另一端连接至反射法故障诊断装置的信号采集端，第五传输线16的另一端接地。在进行故障检测时，首先导体环、两个磁环顺次紧密连接，在缓冲垫与绝缘外套夹紧下将其套在待测电缆上，当进行单根的电缆故障诊断时，导体环4外引出接线端子连接到电源地，将反射法电缆故障诊断装置的信号发射端与输出引线10的一端连接，实现检测信号的耦合输入，输出引线11连接传输线阻抗匹配网络并连接至反射法电缆故障诊断装置的信号接收端，实现高频反射信号的非接触采集，输出引线10的另一端与第五传输线16的另一端连接在一起，并接至诊断装置的模拟地，将发射的信号与接收的信号在故障诊断装置中完成相关运算，得故障诊断的结果。如果检测的电缆是双线制传输电缆，则将两根电缆上同时套上组合式定向非接触电缆故障检测定位传感装置，将两个传感装置的导体环外面的接线端子相连接地，实现检测信号的定向耦合传输，而输出引线10同时穿过两个传感装置中靠近导体环的两个磁环内部，输出引线11同时穿过远离导体环的两个磁环内部，并将输出引线10接地的一端和第五传输线16接地的一端短接后接地，输出引线11如图2所示连接阻抗匹配网络，并接至反射法故障诊断装置的信号接收端，将信号发射端的信号与信号接收端的信号进行在诊断装置中进行相关运算，实现非接触式电缆故障诊断。

图3是组合式定向非接触电缆故障检测定位传感装置侧面解剖图，包括了待测电缆导体层1、待测电缆绝缘层2，导体环内部缓冲垫3、导体环4、磁环内部缓冲垫5和7、磁环6和8、绝缘外套9；缓冲垫3无缝隙地填充在待测电缆绝缘层2与导体环4之间，缓冲垫5和7填充在待测电缆绝缘层及输入输出引线与磁环之间的气隙位置，保证待测电缆与引线处于磁环的内部。绝缘外套紧密地套在导体环、磁环的外部，上述导体环、缓冲垫、磁环、绝缘外套均采用圆筒型结构，并设计为两个对称的半圆型结构相扣，为传感装置的安装/拆卸提供了便利。

图4是组合式定向非接触电缆故障检测定位传感装置的导体环端部横截面图与磁环端部横截面图，A-A为导体环端部横截面图，从内向外依次是待测电缆导体层1、待测电缆绝缘层2、导体环内部缓冲垫3、导体环4及绝缘外套9；B-B为磁环端部横截面图，从内向外依次是待测电缆导体层1、待测电缆绝缘层2、磁环内部缓冲垫5、磁环6及绝缘外套9。

图5是组合式定向非接触电缆故障检测定位传感装置的等效原理图。两个磁环与两根引线与待测电缆分别形成两个信号传输变压器，磁环6内部输出引线10连接至反射法电缆故障诊断装置的信号发射端，在磁环6的作用下实现将检测信号耦合输入至待测电缆中；导体环4与待测电缆绝缘层和待测电缆形成非接触电缆，导体环外部含接线端子，将其接地，在高频检测信号下，容抗较小，相当于将待测电缆一侧的电缆支路及电源短路，阻止检测信号向电源一侧传输，实现了检测信号的定向传输；磁环8内部输出引线11连接至由传输线组成的阻抗匹配网络，阻抗匹配网络是为了解决由于非接触电容容值不能达到理论需求大小而采取的解决方案，并紧接着连接至反射法电缆故障诊断装置的信号接收端，实现高频检测信号的非接触采集。

输出引线、磁环、待测电缆形成信号传输变压器，实现信号的非接触耦合。输出引线与待测电缆材质相同，匝比为1:1，实现阻抗的匹配。为了保证完整地信号耦合，磁环的相对磁导率要足够地大，使引线中传输的检测信号产生的磁场主要分布于磁环本体，进而完整地实现将信号耦合到待测电缆中；高频反射信号耦合输出时同理，因此引线与待测电缆之间的互感需要保证一定的大小，其计算公式如下：

$M=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{r}l}{2\mathrm{\π}}ln\frac{b+\frac{{\mathrm{d\μ}}_r}{\mathrm{\π}}}{a+\frac{{\mathrm{d\μ}}_r}{\mathrm{\π}}}$

式中μ_r为磁环材料相对真空的磁导率，a为磁环内半径大小，b为磁环外半径大小，d为磁环气隙大小，l为磁环长度。

通过仿真发现当互感值达到1μH及以上时，才能完整地实现信号耦合，进而进行电缆故障诊断时，才能与直接注入式电缆故障诊断效果一致。

容性阻波器的实现是通过导体环、待测电缆绝缘层、缓冲垫及待测电缆形成非接触电容从而将电缆一侧的支路及电源短路达到定向耦合的目的。根据容性阻波器的工作原理，已知容性阻波器的容抗为1/jwC，当容性阻波器容抗值接近于0时，容性阻波器将电源内阻及电源侧电缆短路，阻止了检测信号向电源端流动。因此根据非接触电容容值计算公式

式中L为导体环的长度，R_a为电缆导体层半径，R_t为电缆绝缘层半径，R_b为导体环内半径，ε₁为电缆绝缘层相对介电常数，ε₂为缓冲垫材料相对介电常数。

由上式可得缓冲垫的材料及尺寸大小影响了非接触电容的容值，因此所选的缓冲垫材料的相对介电常数高于电缆绝缘层，同时为了非接触电容容值不至于过小，缓冲垫材料的厚度不能太大，导体环的长度可以略长。

由于加工工艺与实际产品的小型化要求，非接触电容的容值往往不能达到理论需求的大小，容性阻波器的引入使电缆故障诊断装置的始端出现了阻抗不匹配的现象，因此在电缆故障诊断装置的信号接收端通过采用传输线阻抗匹配方式加以匹配，根据实际设计的非接触电容容值的大小，通过采用Smith圆图的匹配方式设计串并联传输线网络中引线的长度。

以AF250聚四氟乙烯电缆为例，实际设计出的磁环内半径为6.5mm，外半径为12.5mm，长28mm，磁环的初始相对磁导率为1500，设计出的耦合器互感值为3.6μH左右。非接触电容导体环内径1mm、外径2mm、长3cm，非接触电容容值为4.5pF左右。阻抗匹配网络中传输线采用与待测电缆相同的材料，根据Smith圆图阻抗匹配方式，根据图示2传输线的标号12、13、14、15、16的长度依次为20cm，20cm，10cm，10cm，10cm。

图6是以AF250聚四氟乙烯电缆为例将感性非接触耦合应用于扩展频谱时域反射法(SSTDR)进行故障诊断的MATLAB仿真，在电缆5.7m处设置开路故障，图示显示的是最终进行归一化相关运算诊断结果曲线。从图中可以看出，一次反射波头的幅值为正，显示的是开路故障，故障类型判定正确；根据两个波头峰值之间的距离能够判定与实际设置的故障距离接近，故障距离定位正确。

图7是以AF250聚四氟乙烯电缆为例将感性非接触耦合应用于扩展频谱时域反射法(SSTDR)进行故障诊断的实验验证，最终相关运算诊断曲线在Labview上位机中显示，检测结果表明实验结果与仿真结果接近，同样准确地反映故障类型和故障距离，验证了将感性非接触耦合应用于反射法进行电缆故障诊断的可行性，实现了电缆故障的非接触在线检测。

综上所述，本实用新型的基本结构、原理、方法通过上述实施例给以具体阐述，在不脱离本实用新型要旨的前提下，根据以上所述的启发，本领域普通技术人员可以不需要付出创造性劳动即可实施变换/替代形式或组合均落入本实用新型保护范围。

Claims (8)

1.组合式定向非接触电缆故障检测定位传感装置，其特征在于包含一个导体环（4）、两个磁环（6、8）、一个绝缘外套（9）及三个缓冲垫（3、5、7），导体环（4）、磁环（6、8）、绝缘外套（9）、缓冲垫（3、5、7）主体呈环状圆筒型结构，分别由两个对称的半圆形结构紧密连接组成，导体环（4）和两个磁环（6、8）按顺序紧密嵌入绝缘外套中，三个缓冲垫（3、5、7）分别用于填充在导体环（4）、两个磁环（6、8）与待测电缆之间，导体环（4）经外部输出引线接地，两个磁环（6、8）分别通过内部输出引线（10、11）的一端与反射法电缆故障定位装置电气连接，两内部输出引线（10、11）的另一端接至地，远离导体环（4）的磁环内部输出引线的输出回路中连接有阻抗匹配网络。

2.如权利要求1所述的组合式定向非接触电缆故障检测定位传感装置，其特征在于输出引线（10、11）和待测电缆型号相同，匝比为1:1。

3.如权利要求1所述的组合式定向非接触电缆故障检测定位传感装置，其特征在于两个磁环（6、8）及内部输出引线（10、11）的尺寸分别一致。

4.如权利要求1所述的组合式定向非接触电缆故障检测定位传感装置，其特征在于靠近导体环（4）的磁环其内部输出引线连接反射法电缆故障定位装置的信号发射端，另一个磁环的内部输出引线连接反射法故障定位装置的信号采集端。

5.如权利要求1所述的组合式定向非接触电缆故障检测定位传感装置，其特征在于两个磁环的磁性材料其相对磁导率满足稳定的信号耦合要求，满足材料的饱和磁密关系。

6.如权利要求1所述的组合式定向非接触电缆故障检测定位传感装置，其特征在于导体环外部设有接线端子，便于线路的连接。

7.如权利要求1所述的组合式定向非接触电缆故障检测定位传感装置，其特征在于与导体环（4）匹配的缓冲垫其材料相对介电常数高于待测电缆绝缘层相对介电常数。

8.如权利要求1所述的组合式定向非接触电缆故障检测定位传感装置，其特征在于阻抗匹配网络由五根传输线（12、13、14、15、16）串并联组成，第一传输线（12）和第二传输线（13）分别串联在远离导体环（4）的磁环内部输出引线的两端，再并联第三传输线（14）后分别串联第四传输线（15）和第五传输线（16），第四传输线（15）的另一端连接至反射法故障诊断装置的信号采集端，第五传输线（16）的另一端接地。