一種電纜故障檢測試驗(yàn)系統(tǒng)及其工作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電纜故障檢測試驗(yàn)系統(tǒng)，特別是涉及一種基于雙路對稱矩形波試 驗(yàn)信號的電纜故障檢測試驗(yàn)系統(tǒng)及其工作方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的電纜故障檢測方法是基于反射信號的頻率或強(qiáng)度進(jìn)行分析，通過分析反射 信號和反射信號的時(shí)間差來識(shí)別故障位置。但由于反射信號易受環(huán)境影響發(fā)生畸變，因此 很難獲得準(zhǔn)確的故障位置，尤其是在現(xiàn)場干擾較重、缺陷點(diǎn)較多的情況。目前采用頻域振蕩 波的分析技術(shù)因?yàn)轭l率高，校準(zhǔn)難度大，采集速率高，使得總體成本偏高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于雙路對稱矩形波試驗(yàn)信號 的電纜故障檢測試驗(yàn)系統(tǒng)及其工作方法，在實(shí)現(xiàn)對電纜故障高效檢測的同時(shí)，對試驗(yàn)信號 波形質(zhì)量要求低、信號采樣率低，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、成本低，能為后續(xù)復(fù)雜算法快 速提供基礎(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0005] 本發(fā)明提出一種電纜故障檢測試驗(yàn)系統(tǒng)及其工作方法，其技術(shù)思路是：采用兩路 時(shí)序可控的試驗(yàn)矩形波通過串聯(lián)電感同時(shí)施加到被試電纜，分析矩形波激勵(lì)作用下，電纜 反射波形的頻域累加特征。在該模式下，比單端施加矩形波有典型的好處：一是雙端矩形波 施加可容易實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)，使得試驗(yàn)系統(tǒng)輸出阻抗達(dá)到平衡；如雙端矩形波信號可采用同極性 輸出，在該條件下輸出電流默認(rèn)為零值，可通過是否為零值進(jìn)行校準(zhǔn)。二是在雙端矩形波施 加模式下，可通過調(diào)整雙端矩形波的時(shí)序，輕易獲得2倍幅度的試驗(yàn)電壓信號，可通過調(diào)整 雙端矩形波的時(shí)序，使得其輸出同一時(shí)刻是相反極性，這樣在雙端電流耦合時(shí)獲得的反射 波形的幅度差異，可方便得出反射波形的方向，容易識(shí)別故障位置（如，電纜本體導(dǎo)體反射 和從護(hù)套屏蔽層反射，其反射的回路路徑長度不同，在兩路矩形波輸出端的電流信號耦合 展現(xiàn)的幅度也就不同）。
[0006] 所述電纜故障檢測試驗(yàn)系統(tǒng)具體包括：微處理器，負(fù)責(zé)整個(gè)監(jiān)測試驗(yàn)系統(tǒng)的控 制，并對發(fā)送出的控制數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析；DDS信號發(fā)生器1 (輸出電壓 10V-10kV)，受微處理器控制，產(chǎn)生頻率、幅值可調(diào)控的矩形波信號1 ;DDS信號發(fā)生器2(輸 出電壓10V-10kV)，受微處理器控制，產(chǎn)生頻率、幅值可調(diào)控的矩形波信號2,矩形波信號2 的頻率、幅值與矩形波信號1 一致；可調(diào)電感器1，電感量受微處理器控制，串聯(lián)在DDS信號 發(fā)生器1與被測電纜之間，將接收到的矩形波信號1送入被測電纜，對矩形波信號1的諧波 進(jìn)行過濾、并與被測電纜產(chǎn)生諧振電壓信號；可調(diào)電感器2,電感量受微處理器控制，串聯(lián) 在DDS信號發(fā)生器2與被測電纜之間，將接收到的矩形波信號2送入被測電纜，對矩形波信 號2的諧波進(jìn)行過濾、并與被測電纜產(chǎn)生諧振電壓信號；穿心式電流互感器1，與可調(diào)電感 器1并聯(lián)，對回路電流信號進(jìn)行耦合；穿心式電流互感器2,與可調(diào)電感器2并聯(lián)，對回路電 流信號進(jìn)行耦合；可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電容器1，電容量（lpF-lOOpF)受微處理器控制，串聯(lián)在穿心式 電流互感器1與地端之間，對回路電壓信號進(jìn)行耦合、同時(shí)隔斷直流信號；可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電容器 2,電容量（lpF-100pF)受微處理器控制，串聯(lián)在穿心式電流互感器2與地端之間、且與可調(diào) 標(biāo)準(zhǔn)電容器1同地端，對回路電壓信號進(jìn)行耦合、同時(shí)隔斷直流信號；峰值檢波器1，與穿心 式電流互感器1串聯(lián)，對經(jīng)穿心式電流互感器1耦合后的電壓信號進(jìn)行峰值提??；峰值檢波 器2,與穿心式電流互感器2串聯(lián)，對經(jīng)穿心式電流互感器2耦合后的電壓信號進(jìn)行峰值提 取；乘法器，計(jì)算來自峰值檢波器1的輸出信號與來自峰值檢波器2的輸出信號的相關(guān)性； 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對乘法器輸出的電壓信號進(jìn)行模擬-數(shù)字變化，然后送入微處理器進(jìn)行處理。 為提高輸出電壓，可在DDS信號發(fā)生器1和DDS信號發(fā)生器2之后（即DDS與可調(diào)電感器 之間）分別串聯(lián)一個(gè)升壓器。
[0007] 可調(diào)電感器1和可調(diào)電感器2與被測電纜回路進(jìn)行雙向串聯(lián)，有2個(gè)作用：一是， 與可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電容器1和可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電容器2組成了LC濾波器，對高壓LC諧振頻率的信號進(jìn) 行陷波處理，由于線路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，陷波信號主要來自DDS信號發(fā)生器，由于DDS主要采用 矩形波調(diào)寬方式，諧波較重，因此通過LC濾波能起到較高的高次諧波過濾作用，同時(shí)，可調(diào) 電感器串聯(lián)在回路中有抑制矩形波前沿過度陡峭的作用；二是，可調(diào)電感器與被測電纜的 電容Cx形成諧振，由于Cx數(shù)值遠(yuǎn)大于可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電容器電容C，因此LCx的諧振頻率偏低，可 用于分析電纜的介質(zhì)損失參數(shù)等。峰值檢波器1和峰值檢波器2用于獲得相應(yīng)脈沖寬度范 圍內(nèi)的峰值連續(xù)特征，利于準(zhǔn)確捕捉高密度峰值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)；由于峰值檢波器輸出是直 流信號，對后續(xù)處理的采集器件的采樣率要求顯著降低。乘法器通過計(jì)算兩路峰值檢波器 輸出信號的相關(guān)性，以得出來自峰值檢波器的兩路電壓是否相關(guān)；如果不相關(guān)，則丟棄當(dāng)前 數(shù)據(jù)；如果相關(guān)，則提取峰值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)和幅度，或提取當(dāng)前試驗(yàn)脈沖的頻率值，計(jì)算故 障位置。本試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔、成本低，可實(shí)現(xiàn)靈活多變的試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，尤其是在現(xiàn)場干擾較 重的場合可以獲得一種靈活應(yīng)對的干擾抑制措施（比如可調(diào)節(jié)兩路矩形波的時(shí)序，使得兩 路信號同一時(shí)刻一正一負(fù)，等效輸出的試驗(yàn)電壓提高了 2倍；或者通過兩路信號同一時(shí)刻 為同一極性和相位，進(jìn)行校準(zhǔn)，在該時(shí)刻默認(rèn)回路電流為零，如干擾較重時(shí)，該信號不為零， 可改變矩形波的脈沖寬度進(jìn)行二次校準(zhǔn)，從而避免現(xiàn)場干擾），為后續(xù)復(fù)雜算法快速提供相 關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
[0008] 需要說明的是，本試驗(yàn)系統(tǒng)僅提供了一種基于雙路對稱矩形波試驗(yàn)的檢測系統(tǒng)， 具體的定位算法可采用經(jīng)典的頻率-反射峰值折算法或頻域統(tǒng)計(jì)算法，這些算法在相關(guān)專 利中已有說明（-，D為故障距離，V為光速，f為試驗(yàn)脈沖的寬度時(shí)長的倒數(shù)，如 試驗(yàn)脈沖持續(xù)時(shí)間為2uS，則等效頻率為0. 5MHz)，這里僅提供了試驗(yàn)前端，為減少干擾、降 低成本，提供了一種高效率故障檢測試驗(yàn)系統(tǒng)。在試驗(yàn)前，為確保較高的重復(fù)性，可以不必 嚴(yán)格考慮矩形波的上升沿或下降沿的陡峭程度（傳統(tǒng)的時(shí)域反射計(jì)算對此要求較高），即 使在矩形波平坦區(qū)域存在紋波電壓，只要確保了輸出試驗(yàn)電壓的對稱性，即可獲得較好的 分析結(jié)果。因此，這里的重復(fù)性只需考慮輸出信號的對稱性，即進(jìn)行校準(zhǔn)。
[0009] 上述電纜故障檢測試驗(yàn)系統(tǒng)的工作方法，具體包括以下步驟：
[0010] A、產(chǎn)生兩路試驗(yàn)信號：將可調(diào)電感器1和可調(diào)電感器2的輸出線與被測電纜相連 (可以將兩路DDS矩形波信號施加到電纜絕緣層之間，如芯線與地線之間，或芯線與芯線之 間）；在微處理器中手工或程序受控的方式自動(dòng)輸入矩形波信號1和矩形波信號2的頻率 帶寬、幅值、波形和相位；微處理器根據(jù)輸入?yún)?shù)控制DDS信號發(fā)生器1和DDS信號發(fā)生器 2交替產(chǎn)生矩形波信號1和矩形波信號2注入到被測電纜回路。
[0011] B、信號響應(yīng)采集：微控制器控制可調(diào)電感器1和可調(diào)電感器2的電感量，分別實(shí)現(xiàn) 對兩路諧波的過濾和與被測電纜產(chǎn)生諧振電壓信號；穿心式電流互感器1和穿心式電流互 感器2實(shí)現(xiàn)對回路電流信號進(jìn)行耦合；可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電容器1和可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電容器2的電容量受 微處理器控制，實(shí)現(xiàn)對回路電壓信號的耦合和隔斷直流信號；峰值檢波器1和峰值檢波器 2分別對經(jīng)穿心式電流互感器1和穿心式電流互感器2耦合后的兩路電壓信號進(jìn)行峰值提 取，然后一起輸入乘法器計(jì)算兩路信號相關(guān)性；模數(shù)轉(zhuǎn)換器對乘法器輸出的電壓信號進(jìn)行 模擬-數(shù)字變化，然后送入微處理器。
[0012] C、故障診斷：微處理器對發(fā)送出的控制數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析；當(dāng) DDS信號發(fā)生器1和DDS信號發(fā)生器2的輸出回路電流均為零或