電纜故障測(cè)試儀基本工作原理與組成

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，人們對(duì)電力的需求越來越大，電力電纜廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活中。地埋電纜作為一種重要的電力電纜，在電力傳輸方面得到了普遍的應(yīng)用。相對(duì)于架空線路，地埋電纜在傳輸能力方面符合更高的要求，在鋪設(shè)方面更加節(jié)省空間，節(jié)省了不必要的架空設(shè)備。由于其深埋于地下，地埋電纜還有很高的安全性。

　　 地埋電纜鋪設(shè)于地下的鋪設(shè)渠中，一般情況下鋪設(shè)在地下2米處左右，所以地埋電纜具有不可視性。同時(shí)，地埋電纜的故障種類比較多，故障原因繁雜，給檢修人員帶來了不便。針對(duì)當(dāng)前檢測(cè)中存在的不足，本文從提高測(cè)量精度、提高測(cè)量速度以及提高檢測(cè)過程中的安全性做了研究。設(shè)計(jì)一種基于ARM的嵌入式電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電纜故障的可視性，設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和觀察。通過實(shí)際測(cè)量和實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)故障電纜的測(cè)試方法進(jìn)行了深入的研究，明確了當(dāng)前幾種常用檢測(cè)方法以及各種檢測(cè)方法對(duì)應(yīng)的故障類型。

　　 本文完整介紹了地埋電纜故障的原因、類型、測(cè)量方法以及測(cè)量原理，從實(shí)際角度對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了分析和規(guī)劃，并且進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)過程中，將測(cè)量步驟分為初步測(cè)量和精確測(cè)量。在初步測(cè)量中，通過利用相關(guān)的探測(cè)設(shè)備，利用低壓脈沖法、電流脈沖法、二次脈沖反射法對(duì)地埋電纜的低阻故障、高阻故障進(jìn)行了檢測(cè)。利用行波信號(hào)遇到不同的故障點(diǎn)會(huì)有不同的反射信號(hào)的特點(diǎn)，對(duì)電纜的低阻故障和高阻故障進(jìn)行脈沖探測(cè)，并對(duì)反射波形進(jìn)行分析。在對(duì)波形分析過程中，利用波形比較法確定反射波形的起始點(diǎn)，有效確定出行波在故障線路中的傳輸時(shí)間。得到初步測(cè)量數(shù)據(jù)后，利用聲磁同步法和音頻感應(yīng)法對(duì)故障電纜進(jìn)行了精確測(cè)量。通過精確測(cè)量，利用聲磁信號(hào)在不同距離會(huì)有不同的聲磁時(shí)間差，確定了故障點(diǎn)的精確位置。通過音頻感應(yīng)法對(duì)故障電纜施加周期性的高壓信號(hào)，在故障點(diǎn)形成的有規(guī)律的聲音信號(hào)，通過辨別聲音信號(hào)的大小確定了故障點(diǎn)的精確位置。

　　 實(shí)驗(yàn)證明，初步測(cè)量可以確定故障類型以及故障點(diǎn)的位置，誤差范圍在半米以內(nèi)，精確測(cè)量可以準(zhǔn)確找到故障點(diǎn)的位置。實(shí)驗(yàn)方法有效、可行、省時(shí)，是檢測(cè)地埋電纜故障的有效方法。

根據(jù)故障的探測(cè)原理，當(dāng)儀器處于閃絡(luò)觸發(fā)方式時(shí)，故障點(diǎn)瞬時(shí)擊穿放電所形成的閃絡(luò)回波是隨機(jī)的單次瞬態(tài)波形，因此測(cè)試儀器應(yīng)具備存儲(chǔ)示波器的功能，可捕獲和顯示單次瞬態(tài)波形。電纜故障測(cè)試儀采用數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)，利用高速A/D轉(zhuǎn)換器采樣，將輸入的瞬態(tài)模擬信號(hào)實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，存儲(chǔ)在高速存儲(chǔ)器中，經(jīng)CPU微處理器處理后，送至LCD顯示控制電路，變?yōu)闀r(shí)序點(diǎn)陣信息，于是在LCD屏幕上顯示當(dāng)前采樣的波形參數(shù)。

當(dāng)儀器處于脈沖觸發(fā)方式時(shí)，儀器按一定周期發(fā)出探測(cè)脈沖加入被測(cè)電纜和輸入電路，即時(shí)啟動(dòng)A/D工作，其采樣、存儲(chǔ)、處理和顯示與前述過程相同。LCD顯示屏上應(yīng)有反射回波。

2.儀器的組成

儀器是以微處理器為核心，控制信號(hào)的發(fā)射、接收及數(shù)字化處理過程。儀器的工作原理方框圖如圖6所示。

圖6　工作原理方框圖

微處理器完成的數(shù)字處理任務(wù)包括：數(shù)據(jù)的采集、儲(chǔ)存、數(shù)字濾波、光標(biāo)移動(dòng)、距離計(jì)算、圖形比較、圖像的比例擴(kuò)展，直到送LCD顯示。也可根據(jù)需要由通訊口與PC機(jī)通訊。

脈沖發(fā)生器是根據(jù)微處理器送來的編碼信號(hào)，自動(dòng)形成一定寬度的邏輯脈沖。此脈沖經(jīng)發(fā)射電路轉(zhuǎn)換成高幅值的發(fā)射脈沖，送至被測(cè)電纜上。

高速A/D發(fā)生器是將被測(cè)電纜上返回的信號(hào)經(jīng)輸入電路送高速A/D采樣電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后送微處理器進(jìn)行處理。

鍵盤是人機(jī)對(duì)話的窗口，操作人員可根據(jù)測(cè)試需要通過鍵盤將命令輸入給計(jì)算機(jī)，然后由計(jì)算機(jī)控制儀器完成某一測(cè)試功能。

2.2 面板控制機(jī)構(gòu)和按鍵菜單的作用

1.控制機(jī)構(gòu)

(1)觸發(fā)：供選擇觸發(fā)工作方式用。按下開關(guān)（ 　位置）為閃絡(luò)法工作方式。在使用脈沖法測(cè)試時(shí)，開關(guān)置于　 位置。

  (2)輸出：儀器輸出線連接被測(cè)電纜的測(cè)試端。

  (3)充電：儀器使用直流蓄電池組，若儀器顯示電量不足，插入電源充電指示燈亮即可。

2.按鍵作用說明

(1)“開、關(guān)"鍵：控制儀器電源開啟/關(guān)斷。按下此鍵，儀器電源接通，顯示屏將顯示工作視窗。

(2)“采樣"鍵：按鍵向被測(cè)線路上發(fā)射脈沖，每按一次，儀器就發(fā)射一次脈沖并進(jìn)行采樣，若按下三秒鐘，儀器則連續(xù)發(fā)射脈沖，只有當(dāng)其它鍵按下時(shí)才停止。

(3)“??"鍵：具有兩種作用：

儀器測(cè)試功能時(shí)，為活動(dòng)光標(biāo)左右移動(dòng)操作。

儀器菜單功能時(shí)，為左、右移動(dòng)選擇菜單項(xiàng)操作。

(4)“+○—"鍵：LCD液晶顯示屏對(duì)比度調(diào)節(jié)。

3.菜單功能的作用及操作

  (1)范圍：用于故障檢查，因?yàn)樵诠收喜檎視r(shí)，一般都是從近距離開始逐步向遠(yuǎn)距離檢查的。

開機(jī)時(shí)，儀器的測(cè)量范圍為198m，也就是說你所查找的故障范圍是否在0～198m之間，如果沒有出現(xiàn)故障波則必須改變測(cè)量范圍值，測(cè)量范圍從198m開始，每增加一次，范圍增大一倍。為了不同長度電纜的測(cè)試，當(dāng)改變測(cè)量范圍時(shí)，發(fā)射脈沖的寬度隨著范圍的增大而加寬。

操作步驟如下：

按下測(cè)量范圍鍵，每按一次 ，范圍增大一倍。

(2)起點(diǎn)：用以高速光標(biāo)計(jì)數(shù)的起點(diǎn)位置。開機(jī)時(shí)屏幕上有兩光標(biāo)分別在屏上最右端（起點(diǎn)）和中間位置。若需要改變光標(biāo)起點(diǎn)位置，則可調(diào)節(jié)“??"鍵將中間活動(dòng)光標(biāo)調(diào)到所需起點(diǎn)位置，然后按“零點(diǎn)"菜單選擇接受，此時(shí)原起點(diǎn)光標(biāo)與活動(dòng)光標(biāo)重合變?yōu)樾缕瘘c(diǎn)光標(biāo)，數(shù)據(jù)顯示為0m。操作步驟如下：

按下比例鍵，當(dāng)儀器下方菜單中出現(xiàn)零點(diǎn)菜單時(shí)，則可調(diào)節(jié)“??"鍵使之高亮，然后按下比例鍵。

(3)比例：用以在檢查到故障位置后為了精確定位而將波形進(jìn)行擴(kuò)展。操作步驟如下：

按下比例鍵，當(dāng)儀器下方菜單中出現(xiàn)比例菜單時(shí)，則可調(diào)節(jié)“??"鍵使之高亮，然后按下比例鍵。

(4)波速：由于電波在不同結(jié)構(gòu)的電纜上的傳播速度是不同的，因此，在測(cè)試各種不同型號(hào)的電纜時(shí)，必須適應(yīng)該電纜傳輸?shù)牟ㄋ僦?。開機(jī)時(shí)，儀器的傳播速度自動(dòng)置為200m/ns，測(cè)試中應(yīng)根據(jù)電纜而修改。操作步驟如下：

按下波速鍵，使波速值高亮，然后按“??"鍵調(diào)節(jié)波速，到達(dá)所需波速按下波速鍵使之高亮消失。

(5) 存儲(chǔ)：儀器具有波形及參數(shù)存儲(chǔ)功能，用此功能可將儀器測(cè)試的波形及參數(shù)分別存入儀器中提供的非易失性存儲(chǔ)器單元中，以備將來調(diào)出比較。操作步驟如下：

    按下比例鍵，當(dāng)儀器下方菜單中出現(xiàn)存儲(chǔ)菜單時(shí)，則可調(diào)節(jié)“??"鍵使之高亮，然后按下比例鍵。

(6) 調(diào)出：由于儀器采用了非易失性存儲(chǔ)器，所存儲(chǔ)的波形關(guān)機(jī)后都不會(huì)易失。因此，儀器可以在任何時(shí)候?qū)⒋鎯?chǔ)的波形及參數(shù)調(diào)出來分析，也可以將存儲(chǔ)的波形調(diào)出來與當(dāng)前測(cè)試的波形進(jìn)行比較，可進(jìn)一步精確判斷故障點(diǎn)。操作步驟如下：

按下比例鍵，當(dāng)儀器下方菜單中出現(xiàn)調(diào)出菜單時(shí)，則可調(diào)節(jié)“??"鍵使之高亮，然后按下比例鍵。

(7)日期：按下日期鍵 ，調(diào)節(jié)“??"鍵改變數(shù)值，按下日期鍵轉(zhuǎn)到下一值。完畢按日期鍵確認(rèn)。

(8) 打?。喊聪麓蛴℃I，自動(dòng)完成打印。

   上述菜單操作過程中，屏幕下方會(huì)有操作對(duì)話提示出現(xiàn)。

2.3 測(cè)試前的準(zhǔn)備工作

1.儀器正常狀態(tài)的檢查

使用儀器前，可按以下步驟，檢查儀器是否正常工作。

(1)脈沖觸發(fā)工作狀態(tài)下，按下電源開鍵，液晶顯示屏上將顯示儀器主視窗口，顯示屏上有故障距離、波速、測(cè)量范圍，比例等字樣及數(shù)據(jù)。

(2) 按面板“?或?"鍵，儀器中間位置的活動(dòng)光標(biāo)將會(huì)移動(dòng)，此時(shí)，故障距離數(shù)據(jù)相應(yīng)變動(dòng)。

(3)調(diào)節(jié)增益電位器，儀器屏上顯示的波形幅度將會(huì)增大或減小。

按照前述范圍菜單操作步驟，改變測(cè)量范圍，儀器顯示屏上測(cè)量范圍和發(fā)射脈沖寬度將發(fā)生相應(yīng)變化，至此，表明儀器工作正常。

2.故障種類的初步判斷

測(cè)試前對(duì)故障原因和種類的分析是很必要的?？蛇x用通用儀表如歐姆表、兆歐表等結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)作初步分析判斷。

3.選擇觸發(fā)工作方式

如果是斷線、接觸不良、低阻接地與短路故障，應(yīng)采用脈沖法。若為電力電纜的高阻閃絡(luò)故障則應(yīng)采用閃絡(luò)法。并將觸發(fā)工作方式選擇開關(guān)置于相應(yīng)的位置。

2.4 儀器的使用和故障測(cè)試方法

1.低壓脈沖法

低壓脈沖法的適用范圍是通信和電力電纜的斷線，接觸不良，低阻性接地和短路故障以及電纜的全長和波速的測(cè)量。

一般步驟如下：

a．將面板上觸發(fā)工作方式開關(guān)置于“脈沖"（  ）位置。

b．將測(cè)試線插入儀器面板上輸入插座內(nèi)，再將測(cè)試線的接線夾與被測(cè)電纜相連。若為接地故障應(yīng)將黑色夾子與被測(cè)電纜的地線相連。

c．?dāng)嚅_被測(cè)電纜線對(duì)的局內(nèi)設(shè)備。

d．搜索故障回波及判斷故障性質(zhì)。

　使儀器增益最大，觀察屏幕上有無反射脈沖，若沒有，則按照“六、中3、的1"的方法改變測(cè)量范圍，每改變一檔范圍并觀察有無反射脈沖，一檔一檔地搜索并仔細(xì)觀察，至搜索到反射脈沖時(shí)為止。故障性質(zhì)由反射回波的極性判斷。若反射脈沖為正脈沖，則為開路斷線故障，若反射脈沖為負(fù)脈沖，則為短路或接地故障。

e．距離測(cè)試，按增益控制鍵“▲或▼"使反射脈沖前沿最徒。然后按光標(biāo)移動(dòng)鍵“?或?"三秒左右快速移動(dòng)，光標(biāo)自動(dòng)移至故障回波的前沿拐點(diǎn)處自動(dòng)停下，此時(shí)屏幕上方顯示的距離即為故障點(diǎn)到測(cè)試端的距離。為了提高精度，按波速的方法改變波形比例，將波形擴(kuò)展后，按上述方法進(jìn)行精確定位。

2.直流高壓閃絡(luò)法

(1)首先檢查觸發(fā)工作方式選擇開關(guān)位置于閃絡(luò)（　 ）位置，傳播速度應(yīng)為被測(cè)電纜的波速值。

(2)適用范圍：故障點(diǎn)電阻很高，尚未形成穩(wěn)定通道，在一定的直流高壓作用下，可產(chǎn)生閃絡(luò)放電故障的電力電纜（即高阻閃絡(luò)性故障）。預(yù)防性擊穿電壓試驗(yàn)一般采用此法測(cè)試。

(3)直流高壓閃絡(luò)故障持續(xù)時(shí)間有長有短，短的僅閃絡(luò)幾次即消失。直閃法波形簡(jiǎn)單，容易判斷，故障測(cè)量的準(zhǔn)確度較高，因此應(yīng)珍惜該過程的測(cè)試。

(4)直閃法的測(cè)試原理圖如圖2。在實(shí)際測(cè)試時(shí)利用高壓設(shè)備和本公司高壓測(cè)試裝置，按圖8所示線路連接。

T1　調(diào)壓器　　　　　　　　　2KVA

T2　高壓變壓器　　　　　　　0～50KV，2KVA

D　 高壓磚硅堆　　　　　　　反向電壓100KV，正向電流100mA

C   高壓電容器　　　　　　　0.1μF＞10KV

交直流電壓表：0～300V，直流電流表：100mA

放電球隙內(nèi)，電阻阻值：30±20/5kΩ

輸出電阻：500Ω±10%

(5)接通儀器電源，屏幕出現(xiàn)視窗。然后逐步調(diào)節(jié)調(diào)壓器升高測(cè)試電壓，當(dāng)故障點(diǎn)產(chǎn)生閃絡(luò)現(xiàn)象時(shí)，毫安表中電流突然增大，電壓表指針抖動(dòng)。顯示屏上應(yīng)出現(xiàn)圖3所示波形。由圖3可知，t1～t2間為故障距離。

(6)高壓直閃法的試驗(yàn)電壓高幾千伏至幾十千伏，應(yīng)遵守高壓操作規(guī)程。應(yīng)將高壓試驗(yàn)設(shè)備的接地端，放電球隙的地線端和儀器的地線直接接至電纜鉛包，鉛包要可靠地接大地?；虬础熬?、中3、"條要求接好地線。使用前應(yīng)檢查高壓測(cè)試裝置內(nèi)的水阻及分壓電阻是否正確。

3.沖擊高壓閃絡(luò)法

(1) 沖閃法的適用范圍：故障電阻雖高但已形成穩(wěn)定通道的電力電纜，高壓設(shè)備受容量限制，直流電壓加不上時(shí)，應(yīng)改用沖閃法。其方法是通過放電球間隙向電壓加沖擊高壓，使故障點(diǎn)擊穿產(chǎn)生閃絡(luò)。凡直閃法和脈沖法無法測(cè)出的故障原則上均可用此法測(cè)試，適應(yīng)范圍較大。

(2)同樣須先檢查工作方式開關(guān)是否置于閃絡(luò)位置，高壓測(cè)試裝置中水阻及分壓電阻是否正確。

(3)按圖9所示線路連接設(shè)備。地線按“八、中2、的6）"條和“九、中3、" 條要求接好。其中儲(chǔ)能電容C要求大于1μF，耐壓應(yīng)能滿足試驗(yàn)要求。其它設(shè)備要求與直閃法相同。電感一般取放電球隙中的2或3，也可視被測(cè)電纜段的長度或根據(jù)反射波形適當(dāng)增大或減小。

(4)測(cè)試方法：調(diào)節(jié)調(diào)壓器升高試驗(yàn)電壓至故障能被擊穿為止。放電調(diào)節(jié)器球間隙的距離應(yīng)視故障電阻和試驗(yàn)電壓能正常放電決定。沖擊閃絡(luò)故障點(diǎn)放電正常與否可由放電的全過程波形判斷。

(5) 亦可由球間隙放電響聲及電表指示判斷是否出現(xiàn)故障點(diǎn)擊穿閃絡(luò)現(xiàn)象。若放電不好可適當(dāng)提高試驗(yàn)電壓，加大球間隙距離或加大儲(chǔ)能電容器的容量。

(6) 故障距離的測(cè)試與前述方法相同。