專利名稱：基于擴(kuò)頻反射的導(dǎo)線絕緣故障檢測(cè)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及導(dǎo)線絕緣故障檢測(cè)的方法及裝置，特別是涉及一種基于擴(kuò)頻反射原理 的導(dǎo)線絕緣故障診斷并定位的方法及裝置。
背景技術(shù)：
作為信息和能量載體的導(dǎo)線，廣泛應(yīng)用于各種儀器設(shè)備中，其安全穩(wěn)定性日益受 到人們的重視。隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，導(dǎo)線長(zhǎng)期在電、冷熱、振動(dòng)和輻射等復(fù)雜環(huán)境下 工作，會(huì)產(chǎn)生絕緣磨損、老化、腐蝕和變形等故障，并最終造成導(dǎo)線的斷路或短路。檢測(cè)并排 除早期的絕緣故障，有助于避免可能的嚴(yán)重故障的發(fā)生，消除潛在危害并降低維修成本。目 前，比較成熟的導(dǎo)線絕緣故障檢測(cè)方法及裝置有以下幾種。第一種是電橋法。它分為電阻式和電容式兩種。電阻式電橋通過測(cè)量導(dǎo)線的一端 到故障處的電阻值，再由導(dǎo)線的一次參數(shù)確定故障位置，適用于低阻接地性故障；電容式電 橋通過測(cè)量導(dǎo)線的對(duì)地電容確定故障位置，適用于開路故障。采用電橋法，必須事先獲知導(dǎo) 線的相關(guān)參數(shù)；并且該方法要求引線接觸良好，否則會(huì)因接觸電阻而造成較大的定位誤差。第二種是聲測(cè)法。該方法利用電容器給導(dǎo)線施加足夠高的脈沖電壓，將絕緣故障 處擊穿，產(chǎn)生音頻及電磁振蕩。對(duì)于裸露在外或敷設(shè)較淺的導(dǎo)線，直接通過聲音強(qiáng)度確定聲 源；對(duì)于不易接近的導(dǎo)線，可以通過測(cè)量接收到的聲波與電磁波的時(shí)間差計(jì)算出故障位置。 該方法所需電壓較高，適用于高壓電纜的故障定位；此外，由于外界噪聲的干擾及查找經(jīng)驗(yàn) 的限制，難以準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)。第三種是反射法，該方法是給導(dǎo)線送入一個(gè)脈沖或類似的高頻信號(hào)，來接收導(dǎo)線 中出現(xiàn)的暫態(tài)響應(yīng)，通過分析發(fā)送端的接收信號(hào)，來獲知導(dǎo)線各處特性阻抗的變化情況，從 而確定故障。根據(jù)入射信號(hào)的不同，可將反射法分為時(shí)域反射法、閃測(cè)法和頻域反射法。時(shí)域反射法將上升時(shí)間較短的低壓脈沖或階躍信號(hào)發(fā)射入導(dǎo)線，通過觀測(cè)此信號(hào) 和故障處反射信號(hào)間的時(shí)間差來定位故障。該方法適用于檢測(cè)導(dǎo)線的低阻短路或接地性故 障，而對(duì)高阻短路和閃絡(luò)性故障無能為力；且定位反射信號(hào)起始點(diǎn)時(shí)容易受噪聲干擾，誤差 較大。閃測(cè)法首先使導(dǎo)線的故障點(diǎn)在足夠高脈沖電壓的作用下?lián)舸l(fā)生閃絡(luò)放電，該 閃絡(luò)以電磁波的形式在發(fā)送點(diǎn)和故障點(diǎn)之間反射；通過分析信號(hào)發(fā)送端的波形來確定故障 位置。該方法適用于高壓電纜；同時(shí)所需擊穿電壓隨故障與發(fā)送端距離的變化而不同，不能 可靠確定放電電壓以發(fā)現(xiàn)較小的絕緣故障。頻域反射法使用一系列的頻率步進(jìn)的正弦波作為檢測(cè)信號(hào)。先發(fā)射某一頻率下的 正弦波給故障導(dǎo)線，用乘法器計(jì)算出反射信號(hào)和入射信號(hào)間相位差，該值與導(dǎo)線的電氣長(zhǎng) 度成正比；再改變正弦波的頻率，得到相位差值隨頻率變化的曲線；對(duì)該曲線進(jìn)行傅里葉 變換，便可以確定故障位置和嚴(yán)重程度。該方法工作頻率較高，在幾百兆至數(shù)吉赫茲之間， 較難用硬件實(shí)現(xiàn)，且受噪聲干擾大。綜上所述，目前的導(dǎo)線故障檢測(cè)方法存在著不能有效發(fā)現(xiàn)絕緣故障、適用場(chǎng)合受限和易受噪聲干擾等諸多不足。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種基于擴(kuò)頻反射的導(dǎo)線絕緣故障檢測(cè)方法及 裝置。該方法及裝置可以有效檢測(cè)導(dǎo)線的絕緣故障，具有抗干擾能力強(qiáng)、定位精度高和實(shí)時(shí) 性好等特點(diǎn)。本發(fā)明提出的導(dǎo)線絕緣故障檢測(cè)方法為使用多級(jí)移位寄存器生成!!!(Maximal Length)序列；用m序列調(diào)制正弦波；向被測(cè)導(dǎo)線的一端發(fā)送已調(diào)m序列作為故障檢測(cè)信 號(hào)；經(jīng)過一段時(shí)間后，反射信號(hào)到達(dá)導(dǎo)線的發(fā)送端，與檢測(cè)信號(hào)相互疊加，形成接收信號(hào)； 在發(fā)送端采樣該接收信號(hào)；計(jì)算接收信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)；根據(jù)互相關(guān)函數(shù)波形 上尖峰的位置和幅值判斷導(dǎo)線故障的位置和嚴(yán)重程度。該方法還包括所述調(diào)制為BPSK(Binary Phase Shift Keying)調(diào)制；禾口所述正弦波的頻率與m序列的碼速率相同；和采用CPLD (Complex Programmable Logic Device)芯片計(jì)算互相關(guān)函數(shù)；和由于接收信號(hào)是無限長(zhǎng)的，因此在CPLD芯片中計(jì)算互相關(guān)函數(shù)時(shí)，需要將其截取 一定長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度由芯片存儲(chǔ)容量和被測(cè)導(dǎo)線總長(zhǎng)決定，通常為2 3個(gè)序列周期。根據(jù)上述方法，本發(fā)明設(shè)計(jì)了基于擴(kuò)頻反射的導(dǎo)線絕緣故障檢測(cè)裝置，其特征在 于，包括時(shí)鐘電路，濾波電路，m序列生成電路，BPSK調(diào)制和發(fā)射電路，采樣電路，CPLD芯片 和顯示設(shè)備，其中時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生頻率較高的時(shí)鐘信號(hào)；濾波電路用于過濾時(shí)鐘信號(hào)的高次諧波，得到正弦基波，并將其送入BPSK調(diào)制和 發(fā)射電路中；m序列生成電路在時(shí)鐘信號(hào)的作用下，生成對(duì)應(yīng)碼速率下的m序列；BPSK調(diào)制和發(fā)射電路使用m序列調(diào)制正弦基波，得到檢測(cè)信號(hào)，發(fā)送至被測(cè)導(dǎo)線 中；采樣電路用于采集被測(cè)導(dǎo)線上的接收信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式后送入CPLD中；CPLD芯片用于計(jì)算接收信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)，并將結(jié)果輸出至顯示設(shè) 備；顯示設(shè)備用于顯示互相關(guān)函數(shù)波形，通過該波形便可以發(fā)現(xiàn)并分析故障。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和創(chuàng)新之處在于(l)m序列作為PN(Pseudorandom Noise)序列的一種，具有優(yōu)良的二值自相關(guān)特 性。將其經(jīng)過BPSK調(diào)制后，自相關(guān)波形的主瓣更窄，能更有效地抑制噪聲并提高測(cè)距精度。 本發(fā)明把經(jīng)過調(diào)制的m序列作為導(dǎo)線的故障檢測(cè)信號(hào)，將本可能湮沒于噪聲下的細(xì)微故障 信息突出顯示出來，有利于發(fā)現(xiàn)細(xì)微的絕緣故障。(2)有效抑制噪聲的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明可以把檢測(cè)信號(hào)的幅值設(shè)定得很低， 低至噪聲水平而不影響有效檢測(cè)。因此，可用本發(fā)明實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)線的工作狀況，而不會(huì)干擾 相連設(shè)備的正常工作。這樣做基于兩個(gè)原因某些間歇性故障(如電弧、瞬間短路等)僅在 導(dǎo)線工作時(shí)發(fā)生；某些絕緣故障在導(dǎo)線在未工作時(shí)僅有輕微的阻抗不匹配，較難被發(fā)現(xiàn)，而在工作時(shí)故障特征很明顯，易于被檢測(cè)到。(3)本發(fā)明通過測(cè)定互相關(guān)函數(shù)波形峰值的位置來定位故障，而不是傳統(tǒng)方法中 通過測(cè)定反射波的起始點(diǎn)，因而本發(fā)明故障定位更為方便、受噪聲干擾更少、誤差更小。


圖1是本發(fā)明方法及裝置的原理示意圖；圖2是一個(gè)已調(diào)制的m序列及其自相關(guān)函數(shù)的曲線圖；圖3是本發(fā)明方法及裝置檢測(cè)導(dǎo)線絕緣故障實(shí)施例的互相關(guān)函數(shù)曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。請(qǐng)參閱圖1，有源或無源晶振組成的時(shí)鐘電路1產(chǎn)生高頻時(shí)鐘信號(hào)，發(fā)送至m序列 生成電路2和濾波電路3中。時(shí)鐘頻率越高，故障定位精度越高，但需要考慮硬件成本、電 磁兼容性以及芯片工作性能，一般選擇幾十至上百兆赫茲。濾波電路3用于過濾時(shí)鐘信號(hào)的高次諧波，得到正弦基波，主要部件是一個(gè)中心 頻率與時(shí)鐘電路1的頻率一致的帶通濾波器(如SAW (Surface Acousticffave)濾波器)。 時(shí)鐘信號(hào)通過該電路后，高頻諧波部分被濾除，余下正弦基波。在時(shí)鐘電路1的作用下，m序列生成電路2產(chǎn)生對(duì)應(yīng)碼速率的m序列。該電路由 多級(jí)線性反饋移位寄存器構(gòu)成。在時(shí)鐘信號(hào)的作用下，移位寄存器不斷移位，并將輸出通 過一定的函數(shù)關(guān)系反饋給輸入，產(chǎn)生碼速率和周期固定的m序列。移位寄存器的級(jí)數(shù)決定 m序列的周期及整個(gè)裝置的噪聲抑制能力，級(jí)數(shù)越高，周期越長(zhǎng)，抗干擾性越好，但同時(shí)需要 計(jì)算互相關(guān)函數(shù)的CPLD芯片7具有更高的運(yùn)算和存儲(chǔ)能力，通常選擇7至10級(jí)。反饋函 數(shù)由m序列本原多項(xiàng)式?jīng)Q定。生成的m序列與濾波電路3輸出的正弦基波一起，被送入BPSK調(diào)制和發(fā)射電路4 中。該電路的核心器件為一個(gè)四象限模擬乘法器，通過實(shí)時(shí)計(jì)算輸入的m序列與正弦基波 的乘積，得到已調(diào)m序列?！獋€(gè)典型的已調(diào)m序列如圖2(a)所示，它正負(fù)幅值相等，周期性重復(fù)。一個(gè)周期內(nèi) 正負(fù)移位的自相關(guān)函數(shù)波形如圖2(b)所示，它也具有周期性，且與m序列的周期相同。波形 的主瓣很窄，幅值較高，函數(shù)在序列移位為零時(shí)取得極大值，移位為其它值時(shí)處于小幅振蕩 狀態(tài)，旁瓣的幅值與序列的周期有關(guān)，周期越長(zhǎng)，幅值越小，已調(diào)m序列的這一自相關(guān)特性， 使得它能準(zhǔn)確定位故障并有效抑制噪聲。將具有上述特性的已調(diào)m序列直接加給被測(cè)導(dǎo)線5的一端。根據(jù)傳輸線理論，檢 測(cè)信號(hào)在導(dǎo)線中傳播，遇到絕緣故障等特征阻抗不連續(xù)處，會(huì)發(fā)生波的反射和透射。每個(gè)故 障處的反射信號(hào)均與檢測(cè)信號(hào)的波形類似，只是經(jīng)過了時(shí)間的移位和幅值的縮放，故障距 離檢測(cè)信號(hào)發(fā)送端越遠(yuǎn)，移位越長(zhǎng)；故障越嚴(yán)重，特征阻抗變化越劇烈，幅值越高。此外，反 射信號(hào)還會(huì)在其它故障處發(fā)生多次反射，但幅值逐漸衰減。經(jīng)過一段時(shí)間后，經(jīng)過多次反射并疊加有檢測(cè)信號(hào)的接收信號(hào)在導(dǎo)線的發(fā)送端被 采樣電路6采樣，轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式后，送入CPLD芯片7中。CPLD芯片7用于計(jì)算接收信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)。根據(jù)其存儲(chǔ)容量和被測(cè)導(dǎo)線總長(zhǎng)，從采樣電路6中截取2 3個(gè)周期的接收信號(hào)參與互相關(guān)運(yùn)算。一個(gè)周期的檢測(cè) 信號(hào)預(yù)先存儲(chǔ)在CPLD中，運(yùn)算前需先對(duì)其補(bǔ)零至與接收信號(hào)長(zhǎng)度相等，再將補(bǔ)零后的檢測(cè) 信號(hào)循環(huán)移位，移位步長(zhǎng)為1，移位次數(shù)與接收信號(hào)的長(zhǎng)度相同，然后計(jì)算每個(gè)移位后的檢 測(cè)信號(hào)與接收信號(hào)的內(nèi)積，即得到該移位下的互相關(guān)函數(shù)值。在進(jìn)行內(nèi)積中的乘法運(yùn)算時(shí)， 使用移位相加乘法器較為節(jié)省硬件資源，其實(shí)現(xiàn)步驟為對(duì)于η位的乘數(shù)和被乘數(shù)，定義最 低位至最高位為第0至第η-1位；從乘數(shù)的第0位開始判斷，若為1，將被乘數(shù)左移0位，若 為0，則不予處理，依次判斷至最高位；將所有移位后的被乘數(shù)相加，即得到相乘結(jié)果。計(jì)算 出互相關(guān)函數(shù)值后，將結(jié)果傳送至顯示設(shè)備8中。顯示設(shè)備8用來顯示不同移位下的互相關(guān)函數(shù)波形，互相關(guān)函數(shù)也具有周期性， 且與m序列的周期一致。由于檢測(cè)信號(hào)包含在接收信號(hào)中，根據(jù)圖2(b)，互相關(guān)函數(shù)的波形 在移位為零時(shí)會(huì)有一個(gè)較高的尖峰；此外，當(dāng)移位值取為相當(dāng)于檢測(cè)信號(hào)從發(fā)送端到故障 點(diǎn)來回的時(shí)間時(shí)，波形上會(huì)另有一個(gè)尖峰，尖峰的位置指示故障與發(fā)送端的距離，幅值反映 故障的嚴(yán)重程度，并且由于多次反射，該尖峰會(huì)在一個(gè)互相關(guān)函數(shù)的周期內(nèi)多次出現(xiàn)并逐 漸衰減。因此，通過觀察互相關(guān)函數(shù)波形，便能得知導(dǎo)線的故障信息。當(dāng)利用本裝置檢測(cè)導(dǎo)線絕緣故障時(shí)，按圖1連接好設(shè)備，由BPSK調(diào)制和發(fā)射電路 4向被測(cè)導(dǎo)線5直接發(fā)送檢測(cè)信號(hào)，被測(cè)導(dǎo)線5可以處在斷電或工作狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)正在工 作導(dǎo)線的絕緣故障時(shí)，需預(yù)先在導(dǎo)線上設(shè)置一個(gè)端口，并在該端口與BPSK調(diào)制和發(fā)射電路 4及采樣電路6之間增加信號(hào)隔離電路；或者在設(shè)計(jì)時(shí)，直接將某些關(guān)鍵導(dǎo)線與本裝置連接 在一起，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些導(dǎo)線的工作狀況。若導(dǎo)線存在絕緣故障，導(dǎo)致特征阻抗發(fā)生變化，則會(huì)在顯示設(shè)備8上顯示類似于 圖3的互相關(guān)函數(shù)曲線圖。由于反射信號(hào)到達(dá)發(fā)送端需要一定的時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)與檢測(cè) 信號(hào)相互疊加的電壓為零，故曲線圖的前段有小幅的震蕩。圖3包含了兩個(gè)周期的互相關(guān) 函數(shù)，第一個(gè)周期的波形有震蕩，因此對(duì)第二個(gè)周期的波形進(jìn)行分析，即尖峰1之后的部 分。根據(jù)之前的分析，互相關(guān)函數(shù)在移位為零時(shí)會(huì)出現(xiàn)較高的尖峰，此即尖峰1 ；尖峰3在一 個(gè)周期內(nèi)多次出現(xiàn)并逐漸衰減(尖峰4、5)，說明它對(duì)應(yīng)導(dǎo)線的故障處；尖峰2對(duì)應(yīng)導(dǎo)線的 末端。通過測(cè)量尖峰1和尖峰3的移位值，再乘以單個(gè)移位對(duì)應(yīng)的時(shí)間延遲，即可得知檢測(cè) 信號(hào)從發(fā)送端到故障處來回的時(shí)間，最后根據(jù)電磁波在導(dǎo)線中的傳播速度，便可定位故障； 尖峰3的幅值反映了對(duì)應(yīng)處故障的嚴(yán)重程度，幅值越高，故障越嚴(yán)重。
權(quán)利要求
一種基于擴(kuò)頻反射的導(dǎo)線絕緣故障檢測(cè)方法，其特征在于使用多級(jí)移位寄存器生成m序列；用m序列調(diào)制正弦波；向被測(cè)導(dǎo)線的一端發(fā)送已調(diào)m序列作為故障檢測(cè)信號(hào)；在發(fā)送端采樣接收信號(hào)；計(jì)算接收信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)；根據(jù)互相關(guān)函數(shù)波形上尖峰的位置和幅值判斷導(dǎo)線故障的位置和嚴(yán)重程度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述調(diào)制為BPSK調(diào)制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，正弦波的頻率與m序列的碼速率相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，采用CPLD芯片計(jì)算接收信號(hào)和檢測(cè)信號(hào) 的互相關(guān)函數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在CPLD芯片中計(jì)算互相關(guān)函數(shù)時(shí)，需要將 接收信號(hào)截取一定長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度由芯片存儲(chǔ)容量和被測(cè)導(dǎo)線總長(zhǎng)決定，通常為2 3個(gè)序列 周期。
6.一種基于擴(kuò)頻反射的導(dǎo)線絕緣故障檢測(cè)裝置，用于實(shí)時(shí)判定絕緣故障的準(zhǔn)確位置和 嚴(yán)重程度，其特征在于，包括時(shí)鐘電路，濾波電路，m序列生成電路，BPSK調(diào)制和發(fā)射電路， 采樣電路，CPLD芯片和顯示設(shè)備，其中時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生頻率較高的時(shí)鐘信號(hào)；濾波電路用于過濾時(shí)鐘信號(hào)的高次諧波，得到正弦基波，并將其送入BPSK調(diào)制和發(fā)射 電路中；m序列生成電路在時(shí)鐘信號(hào)的作用下，生成對(duì)應(yīng)碼速率下的m序列；BPSK調(diào)制和發(fā)射電路使用m序列調(diào)制正弦基波，得到已調(diào)m序列，作為故障檢測(cè)信號(hào)發(fā) 射至被測(cè)導(dǎo)線中；采樣電路用于采集被測(cè)導(dǎo)線上的接收信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式后送入CPLD中；CPLD芯片用于計(jì)算接收信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)，并將結(jié)果輸出至顯示設(shè)備；顯示設(shè)備用于顯示互相關(guān)函數(shù)波形，通過該波形便可以發(fā)現(xiàn)并分析故障。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述m序列生成電路由多級(jí)線性反饋移位 寄存器構(gòu)成，在時(shí)鐘信號(hào)的作用下，移位寄存器不斷移位，并將輸出通過一定的函數(shù)關(guān)系反 饋給輸入，產(chǎn)生碼速率和周期固定的m序列。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，該裝置在使用時(shí)直接連接至被測(cè)導(dǎo)線的 一端上，向?qū)Ь€發(fā)送故障檢測(cè)信號(hào)并接收其反射回的信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述BPSK調(diào)制和發(fā)射電路由四象限模擬 乘法器構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于擴(kuò)頻反射的導(dǎo)線絕緣故障檢測(cè)方法及裝置，使用經(jīng)過BPSK調(diào)制的m序列作為導(dǎo)線故障的檢測(cè)信號(hào)，通過計(jì)算檢測(cè)信號(hào)與反射信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)確定故障的位置和嚴(yán)重程度。根據(jù)該方法設(shè)計(jì)的裝置包括時(shí)鐘電路，濾波電路，m序列生成電路，BPSK調(diào)制和發(fā)射電路，采樣電路，CPLD芯片和顯示設(shè)備。具有抗干擾能力強(qiáng)和定位精度高的特點(diǎn)，可用于導(dǎo)線故障的實(shí)時(shí)檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01R31/02GK101900776SQ201010225090
公開日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者周小猛, 張俊民 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)