电力电缆故障定点仪的研制.pdf

2 0 0 6年第 2期 No． 2 2 o 0 6 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e ＆ Ca b l e 2 0 0 6年 4月 Ap r． ， 2 0 0 6 电力电缆故障定点仪的研制 孙建涛， 魏新劳， 陈庆国， 王永红 ( 哈尔滨理工大学电气与电子工程学院， 黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 4 0 ) 摘要： 为了快速准确的找到电力电缆故障所发生的位置， 研究了声磁传播时问差法测寻电力电缆故障点。根 据其原理 ， 设计制造了一台 电力 电缆故障定点仪 ， 并 阐述 了其硬件 结构厦其设计。 实验证 明， 谊仪 器对 电缆故 障精确 定点的效果 良好 ， 可以满足工程上的要 求。 关键词： 电力电缆； 电缆故障定点仪； 声磁传播时间差； 故障点； 测寻 中圈分类号 ： T M 2 0 6 ； T M 2 4 7 文献标识码 ： A 文| ． t 缩号 ： 1 6 7 2 ． 6 9 0 1 ( 2 0 0 6 ) 0 2 ． 0 0 3 7 — 0 5 De v e l o p me nt o f Po we r Ca b l e Fa u l t Lo c a t o r S UN J i a n ． t a o ．e t a l ( H a r b i n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d E ngi n e e ri n g ， I n s t i t u t e o f E l e c t r i c a l a n d E l e c t r o n i c E ngi n e e r i n g ，H a r b i n 1 5 0 0 4 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：I n o r d e r t O l o c a t e p o w e r c a b l e f a u l t f a s t a n d a c c u r a t e l y ． t h e a c o u s t i c p r o p a g a t i o n ti m e me a s u r e m e n t W as d e v e l o p e d t o d e t e c t c ab l e f a u l t ．We d e s i g n e d a fau l t l o c a t o r b a s e d o n t h e p ri n c i p l e of the me tho d ．T h i s p a p e r p res e n t s the h a r d w a r e c o n s t r u c ti o n a n d d e s i g n o f the i n s t r u m e n t ．E x p e ri me n t s h o w e d tha t t h e i n s t r u me n t C an me e t the e n g i n e e ri n g req u i reme n t s b y e ff e c t i v c a n d a c c u r a t e c ab l e f a u l t l o c a ti o n． Ke y wo r ds ：p o we r c a b l e；c ab l e f a u l t l o c a t o r ；a c o u s t ic p r o p a g a t i o n t i me me a s u reme n t ；f a u l t ；d e t e c t i o n 1 引 言 电力电缆一旦发生故障 ， 特别是直埋电缆 。 其故 障位置较难确定。如何快速准确的找到故障所发生 的位置 ， 便成为维修及恢复供 电的关键一步。 电力电缆故障的测寻可分为两个步骤 ， 即故 障 测距与精确定点。由于电缆在敷设 时， 可能存在弯 曲迂回、 上下起伏 ， 而并不是直线敷设 ， 因此 ， 测距所 得到的结果可能与实际测量点与故障点之间的距离 有偏差 ， 所以还需要进一步精确定点。 对于电缆故障的统计表明 ， 电力电缆的高阻故 障几乎占全部 故障率的 9 0 ％以上。而对于高阻故 障的精确定 点方 法主要有 声测 法 ( 包含 声磁 同步 法) 、 声磁传 播时间差测量法⋯。 目前 ， 声磁传播时 间差法是最为经济 有效 的故障定点方法 ， 采用该法 可免除使用声测法时判别不出声音最大信号点的情 况 ， 只要仪器能够接收到放电声波和放 电电磁波， 并 显示两种信号的时间差 ， 就可以判断测量点距故 障 点的距离 。 本文采用声磁传播时间差测量法 ， 研制 了电力 收稿 日期 ： 2 0 0 5 ． 1 0 ． O 8 作者简介： 孙建涛( 1 9 8 0一) ， 男， 黑龙江齐齐哈尔人， 在 读硕士研究生． 作者地址： 黑龙江哈尔滨市动力路 2 3号东区 2 2 7信箱 [ 1 5 0 0 4 0 ] ． 电缆故障定点仪。利用所设计的声波振动传感器等 硬件结构 ， 结合 8 9 C 5 1 单片机的计算程序， 实现了电 力 电缆故障精确定点的功能。为电力电缆故障的测 寻提供了一种有效的手段。 2 基本原理与硬件结构 2 ． 1 声磁 传播 时 间差法 的基 本原理 使用声磁传播时间差法对电缆故障定点时 ， 需 要在 电缆端部施加冲击高 电压 ， 使故障点产生有规 律的放 电， 根据声波振动信号 的传播速度和从故障 点到测量点传播所用 的时间， 即可计算 出该故障点 的位置。由于电磁波的传播速度等于光速 ， 远远高 于振动信号的传播速度。 所以， 可以用声 、 磁信号传 播的时间差来代替声波的传播时间⋯。该定点仪就 是应用这个原理， 使用声磁传播时间差信号控制单 片机定时器／ 计数器对 内部机器周期脉冲计数， 由液 晶显示控制器显示计 数结果 ， 沿着计数值减小的方 向移动故障定点仪 ， 当两种信号的时 间差为最小值 时 ， 则表明故障定点仪所在的位置 即为 电缆的故 障 点 。 2 ． 2 仪器的硬件构成 该仪器主要 由声波振动传感器 、 电磁波传感器 、 信号处理电路、 单片机数据处理 电路 、 液晶显示控制 器等部分组成 ， 硬件结构框图如图 1 所示 。 声波振动传感器和电磁波传感器的作用是分别 维普资讯 2 0 0 6年第 2 期 No． 2 2 0 o 6 电 线 电 缆 E l e c t il e Wi r e＆ C a b l e 2 0 0 6年 4月 A p r ． ， 2 0 0 6 宙 两 精 电 波 振 级 滤 密 压 动 - ● _ 放 -● 波 -● 整 -● 比 —● 传 大 电 流 较 数 监 液 感 电 路 电 器 字 片 晶 路 路 逻 机 显 罂 辑 — ● — ● 不 电 两 精 电 电 n 控 磁 级 滤 密 压 路 制 波 放 波 整 比 器 传 - 4 P - ● - ● - ● _ ● 大 电 流 较 感 电 路 电 嚣 罂 路 路 图 l 电力电缆故障定点仪硬件结构框图 把故障点放电击穿时所产生的声波振动信号和电磁 信号转换成 电信号 ， 以电压的形式 输送到下一级的 运算放大电路中； 由于现场的工作环境存在着强烈 的干扰信号， 所 以， 必须采取滤波措 施 ， 消 除低频 干 扰； 为了与后续的数字电路相兼容， 滤波后的信号需 要整流处理， 并且电压 比较器采用单 电源供电； 两路 电压比较器的输 出信号经过数字 电路逻辑运算后 ， 就可得到一个脉宽为两路信号传播时间差的方波信 号 ； 将该方波信号加到单片机的I N T 0 端 ， 控制单片机 的定时器， 计数器对内部机器周期脉 冲进行计数； 最 后， 由液晶显示控制器将计数结果显示 出来。 3 硬 件电路设计 3 ． 1 声波振动传感器的设计 声波振动传感器的结构原理 图如 图 2所示 ， 核 心部分是一具有高灵敏度的压电陶瓷 片， 用以实现 机械能与电能的转换 ， 在压电陶瓷片上放置一个质 量块 ， 利用弹簧对压 电元件及质量块施加预紧力 。 图2 声波振动传感器结构原理图 本振动传感器利用压电陶瓷 的正压电效应 ， 当 压电陶瓷片上受力后 ， 便在压 电陶瓷片的两个表面 分别产生正、 负电荷 ， 因此可把压电元件视为一个 电 容器， 如图 3 所示。 图 3 压电元件电容器等效电路 等效电容器两极板间的电压 为 ： = ( 1 ) 式中， q 为两极板 的电荷量 ； C 为等效 电容 。所以 可用电压等效电路来等效该压 电式传感器 ： 一个电 压源 U o与一个电容串联构成 ， 如图 4所示。 巴 图 4 压 电式 传感 器电压源等效 电路 ( 1 )工作 原理。使用时 ， 该振动传感器与被测 体紧密相连 ， 当被测体以某一加速度振动时 ， 质量块 m 受到的惯性力F 为： F = m n ( 2 ) 式中， a为振动加速度； m 为质量块的质量。压 电 陶瓷片受到此力后 ， 产生的电荷 q ， 为 ： q ，=d = d m ( 3 ) 则 ， 产生的电压 为 ： U = q r ； 警 (4 ) 式中， d为压电常数 。其电压灵敏度 s 为 ： 一 詈= ( 5 ) u ， 由式 ( 4 ) 可见 ， 其实质上是一个压电式加速度传 感器， 其输出电压与振动加速度 a成正 比。 ( 2 )频 率响应特性。根据该 传感器的结构 ， 可 以把它简化为由集中质量 m、 刚度系数 K和阻尼系 数 c组成的一个 二阶单 自由度力 学系统 ， 如图 5所 示 ， 其数学模型为 ： m窖+ d x + K x ： 一 ／ h a s ( 6 ) m + c + ： 一 L 6 图5 单自由度二阶力学系统 式中， m是压 电元件的等效质 量 ； c是 等效 阻尼系 数 ； K是等效刚度系数； 是质量块相对于基座位移 的振幅； t 为时间 ； a ， 是振动体加速度 的振幅 ； 负号 表示惯性力 与加速度方 向相 反。经拉 氏变换 可写 成 ： 维普资讯 2 O 0 6年第 2期 N o． 2 2 o 0 6 电 线 电 缆 E l e c t r i c Wi r e＆ C a b l e 2 0 0 6年 4月 Apr ． ， 2 0 0 6 ( r s +2 邪 +1 ) =一r 口 ( 7 ) 3 ． 3 式中， r 为时间常数， r = ／ 罟； s 为拉普拉斯算子； V^ 阻尼 比 r=— 。 ’ 2 Km )- a s 1 ’ 青 一a r c t a n{ 焉) 式中， 叫为振动频率 ； ∞ 。 为固有频率 ， 叫 。 =i 1 。 件的弹性系数 ； 为质量块的绝对位移 ； 。 为被测 物体的绝对位移。由压电效应而产生的电荷 q为： q d F =d k x ( 1 1 ) 即 dq II} ( 1 2 ) q ．． 口^ d k ／ 叫 ： [ 1 【 2 ~ ( t o ／ t o 。 ) 】 ( 1 3 ) 当 t o ／ t o 0 《 1时 ， 旦 d - 下 k ( 1 4 ) 口 。 O ) 0‘ 由式( 1 4 ) 可得 ， 当传感器的固有频率 ∞ 。 远大于 振动物体的工作频率 ∞时 ， 传感器的电荷 灵敏度系 数 q ／ a 近似为一常数， 基本不随工作频率变化。由 于压电式传感器具有很高 的固有频率b ， 所 以该传 感器具有很好的高频响应 ， 具有较宽的频率 响应范 围。 3 ． 2电磁波传感器设计 电磁波传感器用来检测由于电缆故障点击穿放 电而产生的畸变的电磁信号 ， 并将其转换成 电压信 号输送到下一级放大电路 中。 在两根 l 0 m m1 2 0 m m的铁氧体磁棒上缠绕 上漆包线 ， 并将两线棒串联起来 ， 互相垂直放置， 其 目的就是为了能够检测到各个方向上畸变的电磁信 号 放大电路的设计 由于振动信号 与电磁信号 的后续电路基本相 同 ， 这里以振动信号处理电路为例进行论述 。 本部分采用 两级放大电路， 如图 6所示。第一 级为电压前置放大器 ， 其作用是把传感器的高输出 阻抗变为放大器 的低输 出阻抗， 并 将微弱的电压信 号放大。信号由同相输入端输入， 因此具有输入阻 抗高 ， 输出阻抗低的特点。 在第一级放大电路的输入端接入有 R C构成的 高通滤波器 ， 用以排除直流成份及温度漂移的影响。 图 6电压 放 大 电 路 第二级放大 电路也采用同相 比例运算电路 ， 其 放大倍数可通过调节电位器阻值来改变。振动信号 的最终放大倍数为两级放大倍数的乘积。 3 ． 4 滤波电路的设计 在现场 ， 由于具有较强烈的干扰信号 ， 因此必须 采用滤波措施 。 提取 有用信号。本设计采用具有最 大平坦响应的巴特沃斯二 阶高通滤波器 ， 如图 7所 示 ， 其截止频率 ． 设为 1 5 0 H z ， 传递函数为： A ( s )： —— ( 1 5 ) s + 孑 s + ∞ 2 式中， A 为电压增 益； ∞ 为截止角 频率； Q为品质 因数； s 为拉普拉斯算子。 图 7 二阶高通滤波器电路 图 8为使用仿真软件 o r C A D] ? S p i c e 得到的该高 通滤波器的幅频特性和相频特性 曲线。 3 ． 5 精密整流 电路的设计 由于故障击穿信号 的随机性 ， 起始时刻的信号 3 9 维普资讯 2 0 0 6年第 2期 No． 2 2 o o 6 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e＆ C a b l e 2 0 0 6年 4月 Ap r． ， 2 0 0 6 图 8 幅频和相频特性仿真结果 可能是正脉冲 ， 也可能是负脉 冲， 因此 ， 为 了准确的 确定信号到来的起始时刻 ， 须在滤波 电路和 电压 比 较器之间加一个整流电路 ， 对高频小信号整流。 在普通的二极管整流电路 中， 由于二极管死 区 电压的存在， 使得小信号测量的误差较大。为了提 高精度 ， 采用由运算放大器和小信号二极管组成 的 精密整流电路 ， 利用集成运 放的放 大作用 和深度 负反馈克服二极管非线性造成的误差 。图 9为 由运 算放大器组成 的全波精密整流 电路。图 1 O为声 波 振动信号整流电路的实际输出。 图 9 精密整流 电路 ⋯ 。； ⋯ 。 ⋯ 一 ’ ； l ● f - 0⋯ I _ - - ‘ ． - | 1 ． - - ． f． ■ ■ ⋯ 0 一 _ ， - 1 r ⋯ ● ● 0 ‘ ⋯： ⋯ ⋯_ 1 ． ： - 0 + "Jl ．． ．：． ．，：． ，． ：，． ⋯ t ⋯ ●● ‘⋯⋯ f 一 一 一 ．⋯ L J’- ■ I● I1 ． ⋯ ～ 一 —— 。 J ‘ ● ● ‘ ⋯● ●● ‘‘ ‘ tt⋯●- ，-_。 _-● ● ， ， ● _ ● ● - ● ● 一．．．；⋯． ． ．．．：．．．： ．．． 。 40 图 l 0 声波振动整流电路输出波形 3 ． 6数字电路设计 振动信号经过整流后， 得到的是一系列的高频 振荡波 ， 如图 1 O所示 ， 因此电压 比较器的输出是一 些离散的矩形波， 如图 1 l a 。为了不给下一次的测 量带来误触发， 需要将这些离散的矩形波转换为一 个完整的矩形波， 并用这矩形波来表现电缆故障点 在一次击穿时所产生的振动。利用可重复触发的单 稳态触发器 7 4 H C 1 2 3即可实现该功能， 其输 出如 图 1 l b 所示。同理， 电磁信号也需如此处理。 ：’ ： ： ● ! ’ ⋯ _ _ ’ ’ ： ⋯ ! 一 ’ ： ⋯ 一。。 ’⋯：。 ： ’ ‘ ： - ● ： ： ：叫 j ： 一 ： ⋯ ； ： ． j j 波 形 强 度 9 5 ： 图 1 1 信号处理 电路输 出波形 图 1 2 a 、 b为经过单稳态触发器后得到的电磁信 号及声波振 动信号的波形示 意图。经过 D触发器 后 ， 使其一直保持高电平 ， 直到振动方波信号由高电 平变为低 电平时 ， 由第 三个单稳态触发器向两通道 中的 D触发器发 出复位脉冲 ， 使 它们复位 ， 为下一 次的信号检测做准备， 便可得 到如 图 1 2 c 、 d所示的 信号波形 。从图中可以看 出， 只要对 D触发器输出 的两路信号进行异或运算 ， 就可得到脉宽为两路信 号起始时刻时间差的方波信号， 如图 1 2 e o 由于电磁信号的传播速度要远远高于声波振动 信号的传播速度， 所以电磁信号总是先于振动信号 到达测量点。为 了提高该定点仪的抗 干扰性 ， 在振 维普资讯 2 0 0 6年第 2期 No． 2 2 0o 6 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e＆ Ca bl e 2 0 0 6年 4月 Ap r． 。 2 0 0 6 动信号与电磁信号异或之前， 先将振动信号与电磁 信号进行逻辑与运算， 以保证 只有 当电磁信号出现 时， 振动信号才有效， 逻辑与运算后的输出结果再与 电磁信号进行异或运算， 这样就可以提高仪器的抗 振动干扰性能。 I I ： 6 ) 振 霉 信号 单 稳 态 触 发 器 输出 ▲ 0 - I I c )电 碡信号D 触发器输出 。 I r=]． ———— l e 1异或运算后输出t 图 1 2 数字信号处理电路波形示意图 3 ． 7 声磁传播时间差的计算 将异或运算后得 到的方 波信号加 到单 片机的 雨而端 ， 用它来控制单片机 8 9 C 5 1的定时器， 计数器 对内部机器周期 脉冲进行计数 。当方式控制寄 存器 T MO D的 G A T E=1 时， 的开启与关闭 由T R 0 和i 而逻辑与运 算结 果来控制。仅 当 T R 0=1 ， 且 而端子上出现高 电平 ( 无外部 中断请求信 号) 时 ， 开始计数。当雨而引脚上出现低 电平( 即有外部 中断请求信号) 时， 停止计数。读取 中的计数 值， 经单片机的 P 1 ． 0口， 送到液 晶显示控制器 ， 显示 最终测量结果。计数值越小， 则表明测量点与故障 点之间的距离越小。图 1 3为单 片机 主程序 的流程 图 。 表 1为对时间差信号计数结果的计算值与该信 号的实际测量值的对 比( 单片机采用振荡频率 为 6 MH z的晶振 ， 因此其机器周期为 2 s ) 。 从表中可以看出， 时间差计算值与实际信号脉 宽比较一致 ， 说明仪器的显示结果能够 准确 的反映 出时间差信号脉宽的大小， 其最小计数精度可以达 ， ’ ’’’’’’ ^ ● ^ ● ^ ● ^ ^ 代 ^ - t t t‘‘‘ ‘ 图 l 3 单片机主程序流程图 表 1 计算值与示波器测量值 到 2 s 。 4 结束语 该定点仪采用声磁传播时间差测量法， 对电力 电缆进行故障定点， 经过初步实践证明， 该仪器具有 良好的定点效果 ， 能够快速的探测 出电缆故障所发 生的位置 ， 为电力电缆故障点 的快 速测寻提供了有 效 的工具 。 参考文献 ： [ 1 ] 潘华 ． 电力电缆 故障点精确 定位 方法 及其应用 [ A] ． 全 国城 乡电网建设和改造研讨会[ C ] ． 北京 ： 全国电工技术学会 ， 1 9 9 9 ， 2 3 4 ． 2 41 ． [ 2 ] 单成祥． 传感器的理论与设计基础及其应用[ M] ． 北京： 国防工 业出版社 ， 1 9 9 9 ． [ 3 ] 侯国章． 测试与传感技术[ M] ． 哈尔滨： 哈尔演工业大学出版 社 ． 1 9 9 8 ． [ 4 ] 童诗 白， 华成英 ． 模拟电子技 术基础 [ M] ． 北京 ： 高 等教育 出版 社 ． 2 0 0 2 ． 维普资讯