TWI676808B - 電纜特性量測裝置 - Google Patents

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鄭湘原
Syang-Ywan Jeng
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中原大學
Chung Yuan Christian University
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Abstract

本發明主要提出一種電纜特性量測裝置，其僅由一訊號產生模組、一檢測單元與一量測模組所構成，因此具備低設置成本的優勢。於電纜特性的檢測上，本發明令該訊號產生模組產生一振盪訊號，且該振盪訊號由一分壓單元轉變成一監控訊號與用以輸入至一待測電纜內的複數個導體之其一的一測試訊號。並且，透過將該檢測單元電性連接至該導體、該電纜內的一遮蔽導體、或該電纜內的另一個導體之後，該量測模組可透過該檢測單元接收由該電纜所輸出的一反應訊號。接著，在量測模組完成對該監控訊號與該反應訊號的相關訊號處理之後，後端的控制與處理裝置便可以基於該監控訊號與該反應訊號的處理數據而計算出電纜的劣化程度。

Description

電纜特性量測裝置
本發明係關於電纜線的技術領域，尤指一種電纜特性量測裝置。
根據研究資料的統計，台灣電力公司於西元2003至2005年共發生了4027件與地下配電系統有關的事故，其中涉及高壓電纜的事故包含1300件。目前很多國家已經把電纜檢測與監控技術視為國家建設發展的主要重點之一。離線檢測(off-line)為一種傳統式的電纜監測技術，其主要在拆卸電纜的情況下，利用高阻計對至少一待測電纜進行絕緣電阻量測。肇因於必須拆卸電纜，離線檢測只能在夜間進行。另一方面，待測電纜的拆卸與復歸通常是仰賴人力，因此，想要在有限的時間內完成預定區段的電纜的檢測，勢必要花費許多人力費用。由此可知，如何在線(on-line)檢測電纜的絕緣電阻與洩漏電流遂成為電力公司最重要的技術發展目標。
圖1顯示美國專利號US9,335,380所揭示的一種絕緣劣化檢出裝置的架構圖。由圖1可知，所述絕緣劣化檢出裝置101’係電性連接於受控於一控制裝置2’的一電源裝置1’與一負載3’之間，並包 括：一零相比流器(Zero-phase current transformer,ZCT)4’、一比流器(Current transformer,CT)5’、一頻率演算單元7’、一同步檢波單元8’、與一顯示單元9’；其中，零相比流器4’量測電纜線之中經由絕緣電阻流向大地的漏電流，而比流器5’則量測透過電纜線流至負載3’的相電流。此外，頻率演算單元7’係接收比流器5’所量測的相電流，並接著進行頻率演算。另一方面，同步檢波單元8’係接收零相比流器4’所量測的漏電流(亦即，零相電流)，並接著對該零相電流實施傅立葉轉換。最終，同步檢波單元8’以相電流波形為基礎，而後自零相電流之中將相關雜訊去除。簡單地說，美國專利號US9,335,380B2主要係依據零相電流與相電流的比對結果，判斷電纜線的絕緣劣化程度。
長期涉及電纜線檢測裝置設計與開發的電子工程師應該可以發現，習知的電纜線劣化檢測裝置具有以下實務使用上的缺陷：(1)頻率演算單元7’與同步檢波單元8’須具備一定程度的運算能力，導致絕緣劣化檢出裝置101’的設置成本過高；以及(2)零相比流器4’與比流器5’的體積係隨著相電流的數值而改變；可想而知，體積過大的零相比流器4’與比流器5’使得所述絕緣劣化檢出裝置101’的所有單元無法被整合於單一殼體內。
由上述說明可知，如何在兼顧監測裝置的運算能力及其建置成本的情況下設計出優秀的一套電纜絕緣劣化檢測系統，現已成為非常重要的課題。有鑑於此，本案之發明人係極力加以研究發明，而終於研發完成本發明之一種電纜特性量測裝置。
本發明之主要目的在於提出一種電纜特性量測裝置，其僅由一訊號產生模組、一檢測單元與一量測模組所構成，因此具備低設置成本的優勢。於電纜特性的檢測上，本發明令該訊號產生模組產生一振盪訊號，且該振盪訊號由一分壓單元轉變成一監控訊號與用以輸入至一待測電纜內的複數個導體之其一的一測試訊號。並且，透過將該檢測單元電性連接至該導體、該電纜內的一遮蔽導體、或該電纜內的另一個導體之後，該量測模組可透過該檢測單元接收由該電纜所輸出的一反應訊號。接著，在量測模組完成對該監控訊號與該反應訊號的相關訊號處理之後，後端的控制與處理裝置便可以基於該監控訊號與該反應訊號的處理數據而計算出電纜的劣化程度。除此之外，本發明之電纜特性量測裝置還能夠透過函式庫、變數或運算元的形式建立於一執行裝置之中，例如：FPGA晶片或電腦，由此更顯現出本發明於實務應用上的高彈性。
為了達成上述本發明之主要目的，本案發明人係提供所述電纜特性量測裝置的一實施例，係包括：一訊號產生模組，用以產生一振盪訊號，且該振盪訊號由一分壓單元轉變成一監控訊號與一測試訊號；其中，該測試訊號用以輸入至一電纜內的複數個導體之其一；一檢測單元，電性連接至該導體、該電纜內的一遮蔽導體、或該電纜內的另一個導體，用以接收一反應訊號；以及 一量測模組，電性連接至一分壓單元以接收一監控訊號，並同時透過該檢測單元接收所述反應訊號。
於本發明之所述電纜特性量測裝置的實施例之中，該振盪訊號可為下列任一者：週期性方波訊號、週期性弦波訊號、變週期方波訊號、或變週期弦波訊號。
於本發明之所述電纜特性量測裝置的實施例之中，該分壓單元可為下列任一者：電阻分壓器、電容分壓器、或阻容分壓器。
於本發明之所述電纜特性量測裝置的實施例之中，該檢測單元包括：一檢測電阻、與該檢測電阻並聯的一檢測電容、以及與該檢測電阻並聯的一檢測電感。
<本發明>
2‧‧‧電纜
CT‧‧‧導體
20‧‧‧內半導層
23‧‧‧絕緣層
24‧‧‧外半導層
25‧‧‧外護層
SC‧‧‧遮蔽導體
11‧‧‧訊號產生模組
12‧‧‧分壓單元
13‧‧‧檢測單元
14‧‧‧量測模組
CK‧‧‧耦合電容
CG‧‧‧接地電容
MS‧‧‧監控訊號
TS‧‧‧測試訊號
RS‧‧‧反應訊號
15‧‧‧限流單元
RCL‧‧‧限流電阻
3‧‧‧控制與處理裝置
RD‧‧‧檢測電阻
CD‧‧‧檢測電容
LD‧‧‧檢測電感
111‧‧‧振盪訊號產生單元
112‧‧‧帶通濾波單元
113‧‧‧放大器單元
114‧‧‧高通濾波單元
141‧‧‧電壓量測單元
142‧‧‧相位量測單元
BF1‧‧‧第一帶通濾波器
LF1‧‧‧第一低通濾波器
BF2‧‧‧第二帶通濾波器
LF2‧‧‧第二低通濾波器
HS‧‧‧保持與取樣電路
BF3‧‧‧第三帶通濾波器
LF3‧‧‧第三低通濾波器
BF4‧‧‧第四帶通濾波器
LF4‧‧‧第四低通濾波器
PD‧‧‧相位檢出電路
V1‧‧‧第一電壓訊號
V2‧‧‧第二電壓訊號
θ1‧‧‧第一相位
θ2‧‧‧第二相位
<習知>
101’‧‧‧絕緣劣化檢出裝置
2’‧‧‧控制裝置
1’‧‧‧電源裝置
3’‧‧‧負載
4’‧‧‧零相比流器
5’‧‧‧比流器
7’‧‧‧頻率演算單元
8’‧‧‧同步檢波單元
9’‧‧‧顯示單元
圖1係顯示美國專利號US9,335,380所揭示的一種絕緣劣化檢出裝置的架構圖；圖2係顯示習知的電纜的側面剖視圖；圖3顯示本發明之一種電纜特性量測裝置的架構圖；圖4顯示本發明之電纜特性量測裝置的細部架構圖；圖5顯示電壓量測單元的架構圖；圖6顯示相位量測單元的架構圖；以及圖7顯示第一電壓訊號與第二電壓訊號的波形圖。
為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種電纜特性量測裝置，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。
開始說明本發明之一種電纜特性量測裝置之前，必須先介紹電纜的基本結構。雖然電機工程師或具有電機背景的工程人員應當熟悉電纜的基本結構，但為了讓相關技術人員能夠更容易地理解本發明之技術特徵，在此還是簡單地描述電纜的基本結構。圖2顯示習知的電纜的側面剖視圖。習知的電纜2的基本結構包括：包覆有複數導體CT的一內半導層20、包覆該內半導層20的一絕緣層23、包覆該絕緣層23的一外半導層24、以及包覆該外半導層24的一外護層25；其中，該外半導層24之中係嵌有複數遮蔽導體SC。
圖3顯示本發明之一種電纜特性量測裝置的架構圖，且圖4顯示本發明之電纜特性量測裝置的細部架構圖。如圖3與圖4所示，本發明之電纜特性量測裝置於構成上主要包括：一訊號產生模組11、一分壓單元12、一檢測單元13、與一量測模組14；其中，該分壓單元12可以是電阻分壓器、電容分壓器、或阻容分壓器，且圖4顯示該分壓單元12為一組電容分壓器，包括一耦合電容CK與一接地電容CG。根據本發明之設計，該訊號產生模組11用以產生一振盪訊號，例如：週期性方波訊號、週期性弦波訊號、變週期方波訊號、或變週期弦波訊號。電子工程師應該知道，所謂週期性的方波訊號表示該振盪訊號具有單一週期(頻率)，而變週期方波訊號則指該振盪訊號具有兩種以上的週期(頻率)。
如圖3與圖4所示，該振盪訊號由分壓單元12轉變成一監控訊號MS與一測試訊號TS，且該測試訊號TS用以輸入至電纜2內的複數個導體CT之其一。值得注意的是，該檢測單元13電性連接至該導體CT、該電纜2內的一遮蔽導體SC、或該電纜2內的另一個導體CT。如此設置，與該檢測單元13電性連接的該量測模組14，其便可以透過檢測單元13自該導體CT、該遮蔽導體SC、或該電纜2內的另一個導體CT接收一反應訊號RS。需特別注意的是，圖3與圖4顯示，包括一限流電阻RCL的一限流單元15被電性連接於該分壓單元12與該訊號產生模組11之間。這樣的配置是為了避免該訊號產生模組11所輸出的振盪訊號帶有過大的電流，進而令所述測試訊號TS也帶有過大的電流。此外，由圖3與圖4可知，量測模組14同時電性連接至該分壓單元12以接收該監控訊號MS。接著，量測模組14會利用其內部的一些訊號處理單元對該監控訊號MS與該反應訊號RS進行必要的訊號處理，之後再將該監控訊號MS與該反應訊號RS的處理數據傳送至後端的控制與處理裝置3，例如：桌上型電腦、筆記型電腦、智慧型手機、智慧型手表、智慧型眼鏡、或平板電腦。最終，該控制與處理裝置3便可以基於所述處理數據而計算出電纜2的電容與阻抗。
根據本發明之設計，該檢測單元13包括：一檢測電阻RD、與該檢測電阻RD並聯的一檢測電容CD、以及與該檢測電阻RD並聯的一檢測電感LD。另一方面，該訊號產生模組11包括：用以產生所述振盪訊號的一振盪訊號產生單元111、一帶通濾波單元112、一放大器 單元113、與一高通濾波單元114。其中，該帶通濾波單元112耦接於該振盪訊號產生單元111，用以對該振盪訊號執行帶通濾波處理。並且，該放大器單元113耦接於該帶通濾波單元112，用以對已完成所述帶通濾波處理的該振盪訊號進一步地執行一訊號放大處理。此外，該高通濾波單元114耦接於該放大器單元113，用以對已完成所述訊號放大處理的該振盪訊號進一步地執行高通濾波處理。
繼續地參閱圖4。該量測模組14包括：一電壓量測單元141與一相位量測單元142。請同時參閱圖5與圖6，分別顯示電壓量測單元與相位量測單元的架構圖。如圖4與圖5所示，該電壓量測單元141包括：一第一帶通濾波器BF1、一第一低通濾波器LF1、一第二帶通濾波器BF2、一第二低通濾波器LF2、與一保持與取樣電路(Holding and sampling circuit)HS。其中，該電壓量測單元141自該分壓單元12處接收所述監控訊號MS之後，便接著以其第一帶通濾波器BF1對該監控訊號MS進行帶通濾波處理。之後，與該第一帶通濾波器BF1電性連接的該第一低通濾波器LF1便接著對該監控訊號MS進一步執行低通濾波處理。最終，電性連接至該第一低通濾波器LF1的該保持與取樣電路HS便用以對該監控訊號MS執行具時間連續性的一電壓保持與取樣處理，進而獲得一第一電壓訊號V1。
承上述說明，該電壓量測單元141自該檢測單元13處接收所述反應訊號RS之後，便接著以其第二帶通濾波器BF2對該反應訊號RS進行帶通濾波處理。之後，與該第二帶通濾波器BF2電性連接的該第二低通濾波器LF2便接著對該反應訊號RS進一步執行低通濾波處理。最終，電性連接至該第二低通濾波器LF2的該保持與取樣電路HS便用以對該反應訊號RS執行具時間連續性的一電壓保持與取 樣處理，進而獲得一第二電壓訊號V2。圖7即顯示第一電壓訊號V1與第二電壓訊號V2的波形圖。繼續地參閱圖4與圖6，該相位量測單元142包括：一第三帶通濾波器BF3、一第三低通濾波器LF3、一第四帶通濾波器BF4、一第四低通濾波器LF4、與一相位檢出電路(Phase detection circuit)PD。其中，該相位量測單元142自該分壓單元12處接收所述監控訊號MS之後，便接著以其第三帶通濾波器BF3對該監控訊號MS進行帶通濾波處理。之後，與該第三帶通濾波器BF3電性連接的該第三低通濾波器LF3便接著對該監控訊號MS進一步執行低通濾波處理。最終，電性連接至該第三低通濾波器LF3的該相位檢出電路PD便用以對該監控訊號MS執行一相位檢出處理，進而獲得該第一電壓訊號V1的一第一相位θ1。
承上述說明，該相位量測單元142自該檢測單元13處接收所述反應訊號RS之後，便接著以其第四帶通濾波器BF4對該反應訊號RS進行帶通濾波處理。之後，與該第四帶通濾波器BF4電性連接的該第四低通濾波器LF4便接著對該反應訊號RS進一步執行低通濾波處理。最終，電性連接至該第四低通濾波器LF4的該相位檢出電路PD便用以對該反應訊號RS執行一相位檢出處理，進而獲得該第二電壓訊號V2的一第二相位θ2。電子工程師應該知道。由圖7可知，當電纜2的劣化程度越高時，對應於監控訊號MS的第一電壓訊號V1與對應於反應訊號RS的第二電壓訊號V2之間的差異也會大，包括峰值電壓差異與相位差異。因此，可透過觀察第一電壓訊號V1與第二電壓訊號V2之間的一峰值電壓比值或一相位比值的方式，判斷電纜2是否老化或劣化至需要汰換的程度。值得說明的是，長期涉及韌體設計與開發的工程師應當知道，前面所述之訊號產生模組11、檢測 單元13、與量測模組14皆可利用Verilog語言與/或超高速積體電路硬體描述語言(Very High-Speed Hardware Description Language,VHDL)於一FPGA晶片之中進行定義與配置。簡單地說，本發明之電纜特性量測裝置係能夠以系統單晶片(System on Chip,SoC)的方式實現。
如此，上述係已完整且清楚地說明本發明之電纜特性量測裝置；並且，經由上述可知本發明係具有下列之優點：
(1)習知技術提供的絕緣劣化檢出裝置以及運用光纖達成的電纜絕緣劣化檢測方法皆顯示出設置成本過高的重要缺陷。不同地，本發明提出一種電纜特性量測裝置，其僅由一訊號產生模組11、一分壓單元12、一檢測單元13、與一量測模組14所構成，因此具備低設置成本的優勢。於電纜特性的檢測上，本發明令該訊號產生模組11產生一振盪訊號，且該振盪訊號由所述分壓單元12轉變成一監控訊號MS與用以輸入至一待測電纜2內的複數個導體CT之其一的一測試訊號TS。並且，透過將該檢測單元13電性連接至該導體CT、該電纜2內的一遮蔽導體SC、或該電纜2內的另一個導體CT之後，該量測模組14可透過該檢測單元13接收由該電纜2所輸出的一反應訊號RS。接著，在量測模組14完成對該監控訊號MS與該反應訊號RS的有關訊號處理之後，後端的控制與處理裝置3便可以基於有關的處理數據而計算出電纜2的劣化程度。
(2)除此之外，本發明之電纜特性量測裝置還能夠透過函式庫、變數或運算元的形式建立於一執行裝置之中，例如：例如FPGA晶片或電腦，由此更顯現出本發明於實務應用上的高彈性。
必須加以強調的是，上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

Claims (10)

  1. 一種電纜特性量測裝置，係包括：一訊號產生模組，用以產生一振盪訊號，且該振盪訊號由一分壓單元轉變成一監控訊號與一測試訊號；其中，該測試訊號用以輸入至一電纜內的複數個導體之其一；一檢測單元，電性連接至該導體、該電纜內的一遮蔽導體、或該電纜內的另一個導體，用以接收一反應訊號；以及一量測模組，電性連接至該分壓單元以接收所述監控訊號，並同時透過該檢測單元接收所述反應訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電纜特性量測裝置，其中，該分壓單元可為下列任一者：電阻分壓器、電容分壓器、或阻容分壓器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電纜特性量測裝置，其中，該振盪訊號可為下列任一者：週期性方波訊號、週期性弦波訊號、變週期方波訊號、或變週期弦波訊號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電纜特性量測裝置，其中，該檢測單元包括：一檢測電阻、與該檢測電阻並聯的一檢測電容、以及與該檢測電阻並聯的一檢測電感。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電纜特性量測裝置，其中，該分壓單元為包括：一耦合電容與一接地電容。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電纜特性量測裝置，其中，該訊號產生模組包括：一振盪訊號產生單元，用以產生所述振盪訊號；一帶通濾波單元，耦接於該振盪訊號產生單元，用以對該振盪訊號執行帶通濾波處理；一放大器單元，耦接於該帶通濾波單元，用以對已完成所述帶通濾波處理的該振盪訊號進一步地執行一訊號放大處理；以及一高通濾波單元，耦接於該放大器單元，用以對已完成所述訊號放大處理的該振盪訊號進一步地執行高通濾波處理。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電纜特性量測裝置，其中，該量測模組包括：一電壓量測單元，用以自該監控訊號與該反應訊號之中分別取樣出一第一電壓訊號與一第二電壓訊號；以及一相位量測單元，用以自該監控訊號與該反應訊號之中分別取樣出一第一相位與一第二相位。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電纜特性量測裝置，更包括：一限流單元，電性連接於該分壓單元與該訊號產生模組之間，並包括一限流電阻。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之電纜特性量測裝置，其中，該電壓量測單元係包括：一第一帶通濾波器，用以接收該監控訊號，並對該監控訊號進行帶通濾波處理；一第一低通濾波器，電性連接至該第一帶通濾波器，用以對已完成所述帶通濾波處理的該監控訊號進一步執行低通濾波處理；一第二帶通濾波器，用以接收該反應訊號，並對該反應訊號進行帶通濾波處理；一第二低通濾波器，電性連接至該第二帶通濾波器，用以對已完成所述帶通濾波處理的該反應訊號進一步執行低通濾波處理；以及一保持與取樣電路，電性連接至該第一低通濾波器與該第二低通濾波器，用以對該監控訊號與該反應訊號執行具時間連續性的一電壓保持與取樣處理。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電纜特性量測裝置，其中，該相位量測單元係包括：一第三帶通濾波器，用以接收該監控訊號，並對該監控訊號進行帶通濾波處理；一第三低通濾波器，電性連接至該第三帶通濾波器，用以對已完成所述帶通濾波處理的該監控訊號進一步執行低通濾波處理；一第四帶通濾波器，用以接收該反應訊號，並對該反應訊號進行帶通濾波處理；一第四低通濾波器，電性連接至該第四帶通濾波器，用以對已完成所述帶通濾波處理的該反應訊號進一步執行低通濾波處理；以及一相位檢出電路，係電性連接至該第三低通濾波器與該第四低通濾波器，用以對該監控訊號與該反應訊號執行一相位檢出處理。
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