CN212341347U - 电缆故障综合测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电缆故障综合测试装置，包括信号发射机、探测接收机其特征在于，所述信号发射机包括功率驱动单元、阻抗匹配单元、输出采样单元、发射CPU控制单元、发射工作电源、发射控制操作单元，所述发射CPU控制单元电连接有波形发生单元，所述波形发生单元将发出的波频信号通过功率驱动单元放大后输入阻抗匹配单元，所述阻抗匹配单元与输出采样单元电连接。本实用新型本装置可进行带电电缆进行路径探测和识别测试，且具有测试精度高、适用性较强、测试效率高等优势；信号发射装置可输出不同的频率的信号，而且接收装置是采用带通滤波技术进行选频采集，所以测试过程中可避免周围信号的干扰，具有将强的抗干扰能力。

Description

电缆故障综合测试装置

技术领域

本实用新型涉及电力系统电缆路径检测设备技术领域，尤其涉及一种电缆故障综合测试装置。

背景技术

随着社会的快速发展，电网的发展更出乎我们预料。城市内所有输电线路将由原来的架空线改为地下电力电缆。那么在进行城市建设的施工过程中为避免对地埋电缆的破坏，就必须建立一套完善的地下线缆的数据资料，主要包括电缆的路径信息和标识信息。但是地下埋设的电缆错综复杂，不但路径没有统一的管理，一些电缆标识也因时间久远变得无迹可寻。因此，线缆的路径测试和电缆的识别是一项工作量较大的任务。长期以来，我国现有的地下线缆资料都以图纸、图标形式记录保存，采用人工方式管理，效率低下。随着人们生活水平的不断提高，对于电力的需求量日益增大，因此需要添加更多的供电线路来满足人们的要求，这就要求我们的线缆管理水平必须高效、可靠、完善。

目前有关电缆路径探测技术采用电磁感应原理，主要由信号发射装置、信号接收装置以及传感器等组成。信号发射装置主要是通过直连方式给电缆芯线施加一个固定频率的信号，该芯线的末端接地，这样发射的信号通过电缆和大地组成的回路产生电流，就会电缆周围产生磁场；信号接收装置和传感器的主要目的是采集电缆周围发出的磁场信号，通过耳机输出声音或者模拟指针摆动情况来表示信号的强度大小，操作者再根据声音或者指针摆动大小来判断电缆路径。

现有技术的缺点：

1、电缆路径探测的主要意义是做好电缆管理工作，为城市建设规划等做好基础工作。传统的电缆路径测试设备功能单一，仅针对停运电缆进行测试，发射机发出的信号频率固定不变，通过耳机输出声音和指针表头的摆动来判断电缆路径。从测试对象上来说，具有很大的局限性，必须对被测电缆进行停电处理，将信号直接加载到电缆芯线上，和可靠性供电要求不相符；从测试性能来说，由于采用固定频率的发射信号，临近电缆的工频信号或者畸变电场信号可能会影响测试效果，抗干扰能力较弱；从测试结果的判定方面来说，测试人员需要通过分辨声音的大小或者通过指针摆动情况来判断路径位置，测试结果不够直观，使得测试效率变低。

2、电缆识别的主要目的是完成旧电缆或者无电缆标识信息的电缆的辨识任务，为电缆改迁或者移除做好安全基础。传统的电缆路径测试设备无法对电缆进行辨识，即无法完成电缆的识别工作，想要从众多的电缆中找到需要的电缆，必须专门配置电缆识别装置，无论从设备成本高低或者设备携带便捷程度来说都存在一定的问题。

3、针对电缆泄漏性故障，尤其是低压无铠电缆单相接地故障或者单芯高压电缆的外护套故障，常规的电缆故障测试仪的测试方法对其无效，只能通过音频方式或者跨步电压法进行测试，但是传统的电缆路径测试设备的音频法具有明显的劣势，由于通过声音大小和指针摆动判断测试结果，所以人为主观因素较大，音频法测试故障的效率和精度都很低。此劣势可以通过另一种故障测试方式——跨步电压法来实现，但是传统的电缆路径测试设备却没有此功能。

因此，研制出一种能准确识别电缆、快速查找电缆路径并且可查找电缆故障的电缆故障综合测试装置迫在眉睫，现针对以上问题设计出一种电缆故障综合测试装置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种电缆故障综合测试装置，具备便携轻巧、使用方便、查找快捷、大屏液晶图形显示、测试中不需耳机、背光功能适应夜间操作、内置充电电池，测试时无需市电的优点，解决了各种复杂电网铺设的电缆路径查找、电缆识别辨识以及电缆故障查找困难的问题。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种电缆故障综合测试装置，包括信号发射机、探测接收机其特征在于，所述信号发射机包括功率驱动单元、阻抗匹配单元、输出采样单元、发射CPU控制单元、发射工作电源、发射控制操作单元；

所述发射CPU控制单元电连接有波形发生单元，所述波形发生单元将发出的波频信号通过功率驱动单元放大后输入阻抗匹配单元，所述阻抗匹配单元与输出采样单元电连接，所述输出采样单元的一个信号发射输电极与待测电缆电芯的一端连接，其另发射输出地线电极通过接地与被测电缆电芯的另一端连接组成回路，所述输出采样单元与发射CPU控制单元电连接，发射CPU控制单元分别连接有阻抗匹配单元、输出显示单元，所述发射工作电源分别与功率驱动单元、波形发生单元、发射CPU控制单元、发射控制操作单元供电连接，所述发射控制操作单元与发射CPU 控制单元电连接；

所述探测接收机通过接收待测电缆周围的电磁波信号。

进一步的，探测接收机包括接收CPU控制单元、信号采样单元、移动工作电源，所述信号采样单元采集所述待测电缆周围的电磁波信号并送入程控放大单元内，所述程控放大单元将放大后的到的电磁波信号送入带通滤波单元，带通滤波单元将滤波后的电磁波信号送入波形变换单元，波形变换单元通过模数转换单元送入接收CPU控制单元，接收CPU控制单元将结果显示在接收显示单元上，所述移动工作电源分别与接收CPU控制单元、信号采样单元、程控放大单元、带通滤波单元、波形变换单元、模数转换单元、接收显示单元供电连接，所述接收CPU控制单元连接有接收控制操作单元。

进一步的，所述波形发生单元分别可以产生低频信号、中频信号、高频信号、射频信号。

进一步的，所述控制操作单元主要用于对于施加到待测电缆上的信号的频率和功率进行设置。

进一步的，所述输出显示单元主要用于显示施加到待测电缆上的频率档位信息、输出功率档位信息和待测电缆的阻抗值。

本实用新型与现有技术相比具有的有益效果是：

1.本装置可进行带电电缆进行路径探测和识别测试，传统的电缆路径测试装置无法对带电电缆进行路径探测，而且无法进行电缆识别工作；如果必须停电检测，那么测试效率以及测试成本就太高，而且与可靠供电的要求完全不符合；

2.本装置所描述的带电路径探测技术主要是利用发射钳将发射信号直接耦合到被测电缆上，发射钳的线圈和被测电缆可类此为互感器的一次侧和二次侧，这样在电缆的金属铠和大地组成的回路中就会感应出电流，此电流所产生的磁场就是我们接收装置所检测的信号。传统的路径探测设备采用直连输出，将信号施加到电缆芯线上，所以无法做到带电电缆的路径测试；

3.本装置测试具有测试精度高、适用性较强、测试效率高等优势；信号发射装置可输出不同的频率的信号，而且接收装置是采用带通滤波技术进行选频采集，所以测试过程中可避免周围信号的干扰，具有将强的抗干扰能力；不同频率的发射信号的作用不同，低频信号适合长距离传输，而高频信号则具有将强的穿透性能，可针对回路阻抗较大或者接地不可靠的现场环境进行有效测试；另外，信号发射模块的发射功率具有高中低三个档位，针对较长电缆或者埋设较深的电缆可采用高功率输出，便于信号的接收采集，而针对几百米左右的短电缆，可采用低功率输出，减少设备的功耗，延长使用时间。因此该装置的适用性较强；

4.信号接收装置中集成了两个线圈，根据这两个线圈上感应的信号强度的大小可帮助操作者指示路径的方向，操作者只需要根据设备的方向指示进行移动就能很快找到电缆的准确路径；另外，信号接收装置上可直观显示操作者所处位置的信号强度，并且由数值和图示两种方式表示，更加直观；当然，用户也可通过设备喇叭输出声音的大小或者快慢节奏来判断电缆路径。不同方式的信号强度显示和判断方法，使得路径探测和识别更加准确、更加高效；

5.可完成音频法电缆故障定位和跨步电压法故障定位；电缆故障的精确定位的方法具有声磁法、音频法和跨步电压法，本装置就具有两大类定点方法，可以协助快速测试电缆故障，可谓功能丰富、一机多用。音频法就是利用电磁感应原理，通过信号发射装置给电缆施加频率可设置、功率档位可设置的信号，当该信号流经故障点时，就会经由故障点流入大地。也就是在故障点之前，电缆上是有较强的信号的，在故障点之后该信号就会减弱甚至完全消失。那么，当操作者使用信号接收装置沿着电缆路径巡查时，当发现信号有明显的减弱或者突变，就能确定此处为故障点。由于信号接收装置的测试效率较高，所以我们可以完全不用粗测的情况下，直接采用音频法进行全线寻测故障点；

6.也可通过给信号接收装置配置A字架来实现跨步电压法测试故障点。信号发射装置和上述音频法一样，当信号流经故障点时，就会在故障点两侧产生不同方向的电流，由于土壤具有电阻，有电流就会产生电压。因此，在故障点两侧就会产生不同方向的电压信号。信号接收装置通过采集A字架返回的信号的极性和大小，通过极性变化来判断定位故障点。当A字架在故障点正上方时，信号强度最小，喇叭声音最小；当A字架在故障点两侧时，信号强度变大，而且两侧的信号极性相反；

7.以上定点方式可以解决外护套故障的测试和低压电缆单相对地故障检测，而这两类故障对于传统的行波法粗测和声磁定点都是无法有效解决的。因此，电缆故障综合测试装置能够有效弥补传统电缆故障测试仪的缺点，使得电缆故障查找的方法更全面、测试效率更高效。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。

在附图中：

图1为本实用新型提出的一种电缆故障综合测试装置的原理示意图；

图2为信号发射机的原理框图示意图；

图3为探测接收机的原理框图示意图；

图4为波形发生单元电路图；

图5为功率驱动单元电路图；

图6为信号采样单元电路图；

图7为程控放大单元电路图；

图8为带通滤波单元电路图；

图9为波形变化单元电路图；

图10为模数转换单元电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参照图1-3，一种电缆故障综合测试装置，包括信号发射机、探测接收机其特征在于，信号发射机包括功率驱动单元3、阻抗匹配单元4、输出采样单元5、发射CPU控制单元7、发射工作电源9、发射控制操作单元10；

发射CPU控制单元7电连接有波形发生单元6，波形发生单元6将发出的波频信号通过功率驱动单元3放大后输入阻抗匹配单元4，阻抗匹配单元4与输出采样单元5电连接，输出采样单元5的一个信号发射输电极与待测电缆电芯的一端连接，其另发射输出地线电极通过接地与被测电缆电芯的另一端连接组成回路，输出采样单元5与发射CPU控制单元7电连接，发射CPU控制单元7分别连接有阻抗匹配单元4、输出显示单元8，发射工作电源9分别与功率驱动单元3、波形发生单元6、发射CPU控制单元7、发射控制操作单元10供电连接，发射控制操作单元10与发射CPU控制单元7电连接；

探测接收机通过接收待测电缆周围的电磁波信号。

探测接收机包括接收CPU控制单元12、信号采样单元13、移动工作电源19，信号采样单元13采集待测电缆周围的电磁波信号并送入程控放大单元14内，程控放大单元14将放大后的到的电磁波信号送入带通滤波单元15，带通滤波单元15 将滤波后的电磁波信号送入波形变换单元16，波形变换单元16通过模数转换单元 17送入接收CPU控制单元12，接收CPU控制单元12将结果显示在接收显示单元18 上，移动工作电源19分别与接收CPU控制单元12、信号采样单元13、程控放大单元14、带通滤波单元15、波形变换单元16、模数转换单元17、接收显示单元18 供电连接，接收CPU控制单元12连接有接收控制操作单元11。

波形发生单元6分别可以产生低频信号815Hz、中频信号8.19kHz、高频信号32.768kHz、射频信号81.6kHz。

发射控制操作单元10主要用于对于施加到待测电缆上的信号的频率和功率进行设置。

输出显示单元8主要用于显示施加到待测电缆上的频率档位信息、输出功率档位信息和待测电缆的阻抗值。

波形发生单元6：主要由DDS信号发生器芯片U1，集成运放U2，电阻R1、R2、 R3、R4,电容C1、C2、C3、C4、C5组成。

其工作原理是：由发射工作电源9提供5V电压，通过CPU控制单元8向U1写入需要加到待测电缆上的频率信息。U1是一片AD9833芯片，通过相位累加原理可以输出较为纯净的正弦波信号；带有一定频率信息的正弦信号通过S_OUT输出进入到由R1、C1组成的高通滤波器，然后送入由U2组成的比较放大器，将输出的正弦信号转化为方波信号。由于是单电源运放，因此集成运放U2的同向输入端需要接入2.5V的虚地信号，保证放大器的正常工作。

功率驱动单元3：主要由MOS关驱动芯片U3、NMOS管Q1、Q2,电容C1、C2,二极管D1、D2、D3组成。

其工作原理是：由发射工作电源9提供隔离的电源D_P_VOUT和MOS管驱动电源V_MOS。波形发生单元6产生的信号SS1_OUT送入MOS管驱动芯片U3。U3是一款专用于高端NMOS驱动的芯片。将信号反向后加到Q2的门极，同时依靠肖特基二极管D1和自举电容C2，将输入电压抬高，之后顺利打开高侧NMOS管Q1，形成强大的电流驱动。

阻抗匹配单元4：主要由一高频变压器组成。

其工作原理是：功率驱动单元3输出的功率交流信号，送入变压器的输入端子 0，变压器的端子5接地，输出端子6接地，输出端子1,2,3,4输出不同功率的信号耦合到待测电缆上；由于变压器的加入使输入输出阻抗隔离，达到了阻抗匹配的效果。

输出显示单元8：主要由LCD12864液晶屏幕器组成。

其工作原理是：通过CPU控制单元7，与LCD12864进行通讯。该液晶显示器具有低功耗，显示界面清晰，带背光功能，适宜在夜间操作。该显示单元主要是提供了直观的频率和功率档位信息，最重要的一点是提供了发射信号加到电缆上后电缆的阻抗值显示。

信号采样单元13：主要由集成运放U1，磁保持继电器J1，电阻R1、R2、R3、 R4，电容C1、C2、C3、C4、C5、C6，二极管D1、D2、D3、D4组成。

其工作原理是：由移动工作电源19提供5V的单电源工作电压。L1，L2是缠绕在磁棒线圈上的多股漆包线，当电缆中有信号电流的时候，该电流会在电缆上方产生感应磁场。交变的感应磁场在磁棒上绕制的线圈中产生感应电动势，从而可以采样到电缆上的信号。之后送到由R1，R3,U1组成的反向放大电路对信号进行放大。 J1的作用是切换需要采样信号的频率档位，通过切换L1和L2线圈来实现该功能。电容C1、C2、C5、C6主要起到阻抗匹配的作用，使接收到的信号最大化。由于是采用单电源供电。因此需要给运放提供虚地电压V2.5_OUT。该电压由电源电压分压获得。

所述程控放大单元14：主要由集成运放U1，数字电位器U2，电阻R1、R2，电容C1、C2、C3组成。

其工作原理是：由移动工作电源19提供5V电源。信号从S_CH_B进入到由运放 U1和数字电位器U2构成的方向放大器，其放大倍数等于R1与U2的电阻并联结果除以R2的值。由于R1和R2的阻值恒定。因此改变U2的电阻值就改变了放大倍数。通过接收CPU控制单元12与U2通讯，改变U2的电阻值，从而达到程控放大的目的。

带通滤波单元15：主要由集成运放U1，电阻R1、R2、R3，电容C1、C2、C3，电器器VR1组成。

其工作原理是：由移动工作电源19提供5V电源。信号由R_SIG_OUT进入，由集成运放和电阻电容构成的有源二阶带通滤波器。该电路频率选择性较好，可以用 VR1调整滤波器中心频率。由于是单电源电路，因此，运放的虚地电压由V2.5_OUT 提供。该电压由电源电压分压获得。

所述波形变换单元16：主要由集成运放U1，电阻R1、R2、R3、R4、R5，电容 C1、C2、C3，二极管D1、D2组成。

其工作原理是：由移动工作电源19提供5V电源。信号S_IN首先进入由C1， R1组成的高通滤波器。然后通过由集成运放和二极管D1，D2组成的绝对值电路。由于二极管的单向导通特性，和集成运放在开环模式下增益无穷大的特点。通过D2 和R4构成的负反馈电路，R5和C3构成的低通滤波器。将进入到电路里的方波信号转化为对应幅度的直流电压信号V_DC_OUT后送入模数转换单元17。

模数转换单元17：主要由模数转换芯片U1，基准电压芯片U2，电阻R1、R2、R3，电容C1组成。

其工作原理是：由移动工作电源19提供5V电源。U1是一片12位的模数转换芯其基准电压由U2提供。信号由AD_CH0送进入到U1。通过接收CPU控制单元12 与U1通讯，将对应的模拟电压信号转换为相应的数字编码。

所述接收显示单元18:主要由一块LCD12864液晶屏幕组成。

其工作原理是：接收接收CPU控制单元12的控制，主要用于显示当前接收的频率档位，接收信号的模式，以及接收信号的强度。采用图形化与数字显示相结合，为使用者提供了简洁明了的操作界面。

使用时，波形发生单元6分别可以产生低频信号815Hz、中频信号8.19kHz、高频信号32.768kHz、射频信号81.6kHz送入功率驱动单元3，通过阻抗匹配单元4 进行输出信号与电缆阻抗的匹配，再由输出采样单元5采样到输出信号在最佳匹配范围内后送入待测电缆中；

发射控制操作单元10主要用于对于施加到待测电缆上的信号的频率和功率进行设置，以满足不同测试环境需求：针对较长电缆的测试一般设置为低频，适合长距离跟踪；针对测试回路阻抗较大的电缆，一般设置为高频，具有较强的穿透能力。另外，该单元还可以对输出到待测电缆上的信号功率进行切换，对接收信号较弱的情况可设置为高功率，而接收信号太强的情况可设置为低功率；

输出显示单元8主要用于显示施加到待测电缆上的频率档位信息，输出功率档位信息和待测电缆的阻抗值，实现对当前输出状态的实施监控，操作者可根据待测电缆的回路阻抗值对频率和功率进行适当调整，使得装置处于最佳测试状态；

发射工作电源9主要给信号发射模块的各单元提供工作电源，确保各单元正常工作。

所述信号采集单元13通过内部磁棒线圈(路径测试、音频法故障测试)、者柔性电流钳(电缆识别)来采集信号发射模块在电缆上产生的磁场信号，并送入程控放大单元14。

所述程控放大单元14接收信号采集单元送入的信号，控制操作单元11将测试人员设定的增益值反馈给接收CPU控制单元12，此时接收CPU控制单元12对程控放大单元14进行控制，从而进行对放大倍数的调节，实现对信号接收灵敏度的调节，以满足不同信号强度的测试。

所述带通滤波单元15接收来自程控放大单元14的信号，同时控制单元11将测试人员设定的接收频率信息反馈给接收CPU控制单元12，然后接收CPU控制单元 12对带通滤波单元15进行调节控制，主要是通过以外部设定的接收频率为中心频率的带通滤波电路将无效的干扰信号滤除掉，保留和发射信号频率一致的信号，并将其送入波形变换单元16。

所述波形变换单元16接收来自带通滤波单元15的交流信号，将接收到的交流信号转换为直流信号输出，主要是电压幅值、电流幅值等信息，然后将其送入模数转换单元。

所述模数转换单元17采集直流模拟信号后送入接收CPU控制单元12，由接收 CPU控制单元12按照固定的算法进行数据计算和分析，给出相关的数据结果。

所述接收显示单元18根据接收CPU控制单元12的控制指令，显示操作者设定的频率设置信息、增益设置信息以及测试模式信息等，同时显示接收到的信号强度，并通过数值和图形方式进行标识，为使用者提供清晰、直观的界面，使得测试过程更加高效。

本装置是以电磁感应法为基础加以通讯原理的应用设计而成。在使用上包含了更多人性化的设计，通过大屏液晶显示信号强弱,条栅、箭头及声音提示使得操作者很容易判断电缆地下位置、具体那根电缆以及实现音频法故障定位，一人即可完成全部操作。改变了传统的电缆路径查找方法，采用多种频率发射的方法，提高了抗干扰能力和电缆路径查找的准缺性，还能可靠完成电缆识别、故障定位等功能。确保相关单位可以获得准确的电缆路径及电缆辨识，并能快速绘制相应的电缆线路图纸及标识。为城市化电网的快速发展提供了有效的手段，进一步提高国民经济效益。

本实用新型未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种电缆故障综合测试装置，包括信号发射机、探测接收机，其特征在于，所述信号发射机包括功率驱动单元(3)、阻抗匹配单元(4)、输出采样单元(5)、发射CPU控制单元(7)、发射工作电源(9)、发射控制操作单元(10)；

所述发射CPU控制单元(7)电连接有波形发生单元(6)，所述波形发生单元(6)将发出的波频信号通过功率驱动单元(3)放大后输入阻抗匹配单元(4)，所述阻抗匹配单元(4)与输出采样单元(5)电连接，所述输出采样单元(5)的一个信号发射输电极与待测电缆电芯的一端连接，其另发射输出地线电极通过接地与被测电缆电芯的另一端连接组成回路，所述输出采样单元(5)与发射CPU控制单元(7)电连接，发射CPU控制单元(7)分别连接有阻抗匹配单元(4)、输出显示单元(8)，所述发射工作电源(9)分别与功率驱动单元(3)、波形发生单元(6)、发射CPU控制单元(7)、发射控制操作单元(10)供电连接，所述发射控制操作单元(10)与发射CPU控制单元(7)电连接；

所述探测接收机通过接收待测电缆周围的电磁波信号。

2.根据权利要求1所述的电缆故障综合测试装置，其特征在于：探测接收机包括接收CPU控制单元(12)、信号采样单元(13)、移动工作电源(19)，所述信号采样单元(13)采集所述待测电缆周围的电磁波信号并送入程控放大单元(14)内，所述程控放大单元(14)将放大后的到的电磁波信号送入带通滤波单元(15)，带通滤波单元(15)将滤波后的电磁波信号送入波形变换单元(16)，波形变换单元(16)通过模数转换单元(17)送入接收CPU控制单元(12)，接收CPU控制单元(12)将结果显示在接收显示单元(18)上，所述移动工作电源(19)分别与接收CPU控制单元(12)、信号采样单元(13)、程控放大单元(14)、带通滤波单元(15)、波形变换单元(16)、模数转换单元(17)、接收显示单元(18)供电连接，所述接收CPU控制单元(12)连接有接收控制操作单元(11)。

3.根据权利要求1所述的电缆故障综合测试装置，其特征在于：所述波形发生单元(6)可以产生低频信号、中频信号、高频信号、射频信号。

4.根据权利要求1所述的电缆故障综合测试装置，其特征在于：所述发射控制操作单元(10)主要用于对于施加到待测电缆上的信号的频率和功率进行设置。

5.根据权利要求1所述的电缆故障综合测试装置，其特征在于：所述输出显示单元(8)主要用于显示施加到待测电缆上的频率档位信息、输出功率档位信息和待测电缆的阻抗值。

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