电缆故障定位系统的设计与实现_贺瑞斌.pdf

电缆故障定位系统的设计与实现贺瑞斌，赵少侠（国网宁夏电力公司固原供电公司，宁夏 固原 ）摘要：为了精确探测地埋电缆接地故障点具体位置，使用双频混合法，利用电磁法原理，设计了一种电缆故障定位系统。该系统由路径检测和 字架定位两大模块组成，通过两大模块采集磁场信号，然后对模拟及数字信号进行处理，以提取有用信号。从解决实际需求出发，研究了电缆故障定位系统工作原理，设计了系统的构架和模块框图，并实现路径检测与故障定位的功能。关键词：接地故障；差分线圈；电缆路径检测；字架定位中图分类号：，（，）：，：，：；收稿日期：引言随着社会的发展、城乡的改造，我国电力电网也有了很大的变化。电力电网采用的传输方式大多是电力电缆，所以电网变化了，原图纸上的电缆路径和敷设深度已不能正确反映实际情况。尤其是近些年城市基础设施的改造，导致外力破坏电缆的问题频频发生，严重威胁着电网安全，给电力电缆管理与维护造成很大挑战，因此电缆路径的探测与故障定位成为电缆维护工作中极其重要的一环。针对以上现状，本文提出一种电缆故障定位系统，该系统使用双频混合法，即由发射机发出 正弦波与 矩形波，其中正弦波用于检测路径，矩形波用于发现故障点位，可快速实现电力电缆在复杂环境条件下的故障排除，对于避免更大经济损失、保证建筑施工安全性、提高供电网络安全稳定性具有重要意义。电缆故障定位系统的原理发射装置产生双频混合信号（正弦波和 矩形波）注入故障电缆中，混合信号沿着电缆传输，通过磁传感器检测电缆周围的高频磁场信号 正弦波的强度，可找到地埋电缆的路径信息。混合信号在到达接地故障点时发生泄漏，信号强度突降，并以故障点为中心，在周围土壤中进行发散传输，此时电流在电缆故障点前后传输方向相反，利用探针式信号采集器采集混合信号中低频 矩形波成分，根据其占空比变化可精准确定故障点位置。该定位系统分为路径检测和字架定位两大模块。路径检测系统原理基于电缆相对半径小、铺设长度长的自身特点，可采用电磁法采集混频信号产生的磁场信号。通过交流信号源与电缆连接，使电缆中产生特定信号，然后利用差分线圈接收器接收交变磁场的信号，最终根据幅值变化来确定电缆的路径。在实际工作中发现电磁法探测准确度非常高，适用于多种场景，并在各种不利条件下的抗干扰能力强，实际操作又非常简单。电磁法的主要理论基础是电缆与其介质导磁性及导电性不同。根据其原理，分析电磁场空间分布规律，从而发现地下电缆的分布走向情况。如电缆埋入土（介质）中，土是非磁介质，电磁频率不很高，那么电缆（单根载流电缆）在地面上点产生的磁场强度为：电工技术系统解决方案由图地埋电缆示意图，推导计算得各参数为：图 地埋电缆示意图当，埋入深度一定时，水平分量达到最大值，即磁场强度（电缆正上方）的水平分量最大，且变大，会相应减小。当时，垂直分量，即磁场强度（电缆正上方）的垂直分量为。由此可知，通过调整线圈垂直或水平与地面的位置，即可在电缆正上方采样信号极值，从而获取路径信息。字架定位系统原理混合信号在故障点处以故障点为圆心，向四周呈放射状传输，形成环状等电势线，电流在故障点沿电缆路径前后的方向正好相反。字架定位系统原理图如图所示，表示故障点位置，、表示故障点沿电缆路径的左右方向，表示故障点附近的电势差值，因此混合信号中 矩形波信号经故障点前后的占空比发生变化，可根据这一特点利用探针式传感器在故障点附近采集土壤中的混合信号。图 字架定位系统原理图电缆故障定位系统的软硬件设计 总体原理框图该电缆故障定位系统由路径检测模块与 字架定位模块组成，原理框图如图所示。（）路径检测模块。首先使用差分线圈在电缆附近采集微弱的 磁场信号，并将其转化为电压信号，经模拟电路滤波、放大处理后输入微控制器，进行数字信号处理（转换、），得到信号幅值，将该信号强度显示在 屏上；根据信号的强弱程度发出不同占空比的 波，经功率放大后，作为一路音频输出。图电缆故障定位系统原理框图（）字架定位模块。检测到电缆路径走向后，在接地故障点附近使用字架采集 正弦波 占空比的矩形波，将该混频磁场信号转换为电压信号。由于该信号较强，因此只需模拟滤波后即可输入微控制器的 进行 转换，再判断极性以精确获得故障点沿路径的左右方向，将该方向信息通过串口发送至上位机，最后在 上显示。信号采集与模拟处理信号采集与模拟处理图如图所示。差分线圈将采集的高 频 磁 场 信 号 转 化 为 双 端 电 压 信 号，分 别 输 入 至 运放芯片对信号高倍放大，再经过 芯片将双端差分信号转化为单端信号，同时实现滤波及低倍放大功能，将信号通过 进行二次放大；字架将采 集 的 混 频 信 号 转 化 为 双 端 电 压 信 号，分 别 输 入 运放芯片进行滤除高频信号处理。经过以上模拟信号处理后输出的信号较强，可达到现场探测微弱信号的标准。图信号采集与模拟处理图 差分线圈当用两根导线进行信号传输时，一根线体是信号线，另一根导线是地线。信号线上传输的信号称为单端信号，而施加于两根导线上的电压差称为差分信号。差分信号中，两根导线上的信号幅值相同，但相位相反。相对于单端信号，差分信号有如下优势。（）差分信号具有抗干扰能力强的优势。单端信号通过导线传输时，容易受到外界的各种电磁干扰，尤其是在传输微弱的信号时情况更糟。差分信号是通过两根导线上的差值来判断信号大小的，当外界存在干扰时，因为两根导线耦合得很好，干扰几乎会同时耦合到导线上，干扰信号无论是幅值还是相位基本上是相同的，所以差分信号受到外界的影响很少。另外，差分信号的极性是相反的，因此它们产生的电磁场极性也相反，电磁场相互抵消，最终对外界辐射的电磁干扰也相对较小。（）差分信号具有能识别微弱信号的优势。差分信号系统解决方案电工技术 能轻松识别微弱信号，是因为它的参考是另外一根信号线。而单端信号参考的都是系统地，在信号微弱时会直接受到系统地精度的影响。当测量系统与被测信号的距离很远时，它们局部地的电压值之间更容易出现差异。而差分信号考量的是两个信号之间的差值，所以差分线圈易于识别微弱信号。（）差分信号具有更容易精确处理的优势。在一个单电源系统中，在电源与系统地之间建立一“虚地”来区分正负电压（一般为电源与系统地的中点），高于“虚地”的电压为正电压，低于“虚地”的电压为负电压，然后“虚地”分布在整个系统中，因此整个系统的稳定性受到“虚地”的稳定性制约。然而差分信号不需要“虚地”，这就使得处理和传播差分信号有一个高真度，完全不需依赖“虚地”的稳定性。差分线圈的结构如图所示，左侧线圈和右侧线圈在线圈骨架上的绕制方向是相反的，而分布是对称的。当为经过线圈的磁场强度，为左侧线圈中产生的感应电流，为右侧线圈中产生的感应电流，那么它们属于差分信号，大小相等且方向相反。图差分线圈结构图 模拟信号处理 是一款单位增益稳定型，轨到轨输出放大器，最大静态电流为，具有低失真和低噪声的特点。虽然其功耗相对比较低，但能提供低宽带电压噪声性能（）、很好的电流噪声性能（）及出色无杂散动态范围（）；在较低频率（）时的低噪声环境可低至 和 。采用无铅引脚封装，额定工作温度范围为 的扩展工业温度范围，输出摆幅可达到任一供电轨的 以下，可驱动最高 的容性负载，峰化非常小。是专门为便携式应用设计的低功率轨对轨输入输出运算放大器。在低压系统中，输入共模电压范围超出了电源钢轨的最大动态范围。放大器输出具有高输出驱动能力的轨对轨性能，解决了传统的轨对轨输入输出运算放大器的局限性。这种轨对轨的动态范围和高输出驱动器使 成为缓冲模拟数字转换器的理想选择。运算放大器有 带宽和 转换速度，只有 电源电流，提供了良好的交流与低功耗性能。停机时，运算放大器输出处于高阻抗状态。这款放大器具有超低失调、漂移和偏置电流特性，具有轨到轨输入输出摆幅及低噪声特性，是一款自稳零、宽带宽放大器。该放大器采用 单电源供电，具有高增益、高共模抑制比（）和高电源抑制比（）（），极低输入偏置电流（最大值 ），低电源电流（）。数字信号处理数字信号处理原理如图所示。图数字信号处理原理图（）路径检测模块。经过差分转单端的 正弦信号输入上位机进行 转换，再经过 得到信号幅值，将该信号强度在 上显示。（）字架定位模块。差分信号输入下位机进行 转换，再通过算法处理判断方向，并将该方向信息通过串口发送给上位机，最后在 上显示。（）上、下位机通信。上位机与下位机使用专门的串口协议通信。转换上、下位机都使用 作为微控制器，系列有个 ，精度为 位，每个 最多有 个外部通道，输入电压范围为。使用独立单通道模式采集 正弦信号，使用独立双通道模式采集 差分信号，两者都开启传输，采集差分信号时需将双通道的数据作差。使用 官网提供的 ，里面包含有汇编语言编写的 程序，只需将 文件添加到工程中，程序中调用 （，）函数，其中括号内参数分别表示输出数组、输入数组和点数。算法处理取 个点作为一组数据，由于点数较多，全部参与排序会浪费大量时间，同时降低了采集数据和上、下位机通信的时效性，因此使用以下改进算法。由于采集的是 矩形波，个点存放了约个周期，因此每个周期只取 个点，只需对 个点使用快速排序法排序，再从排序后的结果中分别计算出该矩形波的极大值与极小值的平均值，然后将两者的平均值作为判断矩形波极性的标准，通过统计大于该值的数在 左右或在 左右，即可判断故障点在沿电缆路径的左右方向。结语电力电缆相对于架空线路，除了不妨碍市容和交通外，（下转第 页）电工技术系统解决方案 成果输出将转角桩、直线桩、沟、房屋等地物按里程从小至大的顺序，以耐张段为单元，以 特定的格式逐行输出，保存至指定文本 格式文件，该文件可运用 软件直接打开生成平断面图。系统运行理论上采集线路断面点时，只能无限接近中心线，以兼顾效率和精度，该系统默认中心断面点的偏线距离为左右，为了能满足各类工程需要，也可自行设定，例如在地下电缆工程，一般电缆是靠近路边敷设，此时缩小默认为断面点的数值，可提高绘图精度。此外，为了便于与现有平断面图间的拼接，增加了起始点号、起始里程进行设定，默认起始点号为，起始里程为。系统运行成果如图所示。图系统运行成果图结语该系统制定了编码规则、数据格式、外业观测方法，利用 编程软件实现了数据编码与 格式文件间的编译，提供了高效绘制电力平断面图的一整套解决方案。该系统的成功研发，真正实现了架空送电线路测量专业高效率、高质量，内、外业一体化的作业模式。同时通过研究和分析断面点间的逻辑关系、断面连接特点，实现了对断面线高精度拟合，沟、塘等水系地物断面线的自动断开等，是行业内同类软件的首创，使得架空送电线路平断面图外业测量效率提高了 以上，内业成图效率提高了 以上，大大缩短了整个工程测量专业的工期。该软件系统已被行业内多家单位使用，在行业内具有广阔的应用前景。参考文献 李旷建 高程拟合在线路高程控制测量中的应用电力勘测设计，（）：高俊海，汪洋，魏建华送电线路平断面图系统的研究电力勘测设计，（）：周余红架空送电线路平断面图处理系统数据接口的研究电力勘测设计，（）：王日输电线路平断面图自动绘制程序设计山西电力，（）：（上接第 页）更重要的是供电可靠，不受外界影响，不易发生因雷击、冰雪等自然灾害造成的故障，在现代化城市电网中应用得越来越多。但当其发生故障时，因深埋于地下，故障点的寻找变得非常困难，若不能及时发现故障点并对其进行修复，就会给用户造成巨大的经济损失，故城市的发展离不开地埋电缆的故障检测技术。本文针对目前电缆故障点定位方法设备复杂及故障点检测可靠性不高的缺点，设计并实现了一种高精度电缆故障定位系统。该系统首先向地埋电缆中发射特定的双频混合信号，然后基于电磁感应定理利用磁传感器检测电缆周围的高频正弦信号用来确定电缆路径信息及故障点的范围，采集电缆故障点周围土壤中的低频信号后根据其占空比变化精确确定故障点的位置。该方法解决了电缆故障点定位的问题，具有很强的实用前景，对后续电缆修复工作具有重要的现实意义。参考文献 巨汉基，朱万华，方广有磁芯感应线圈传感器综述地球物理学进展，（）：鹿洪刚，覃剑，陈祥训，等电力电缆故障测距综述电网技术，（）：崔江