一种电缆故障检测试验系统及其工作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电缆故障检测试验系统，特别是涉及一种基于双路对称矩形波试 验信号的电缆故障检测试验系统及其工作方法。
【背景技术】
[0002] 传统的电缆故障检测方法是基于反射信号的频率或强度进行分析，通过分析反射 信号和反射信号的时间差来识别故障位置。但由于反射信号易受环境影响发生畸变，因此 很难获得准确的故障位置，尤其是在现场干扰较重、缺陷点较多的情况。目前采用频域振荡 波的分析技术因为频率高，校准难度大，采集速率高，使得总体成本偏高。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种基于双路对称矩形波试验信号 的电缆故障检测试验系统及其工作方法，在实现对电缆故障高效检测的同时，对试验信号 波形质量要求低、信号采样率低，且系统结构简单、易于实现、成本低，能为后续复杂算法快 速提供基础相关数据。
[0004] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0005] 本发明提出一种电缆故障检测试验系统及其工作方法，其技术思路是：采用两路 时序可控的试验矩形波通过串联电感同时施加到被试电缆，分析矩形波激励作用下，电缆 反射波形的频域累加特征。在该模式下，比单端施加矩形波有典型的好处：一是双端矩形波 施加可容易实现校准，使得试验系统输出阻抗达到平衡；如双端矩形波信号可采用同极性 输出，在该条件下输出电流默认为零值，可通过是否为零值进行校准。二是在双端矩形波施 加模式下，可通过调整双端矩形波的时序，轻易获得2倍幅度的试验电压信号，可通过调整 双端矩形波的时序，使得其输出同一时刻是相反极性，这样在双端电流耦合时获得的反射 波形的幅度差异，可方便得出反射波形的方向，容易识别故障位置（如，电缆本体导体反射 和从护套屏蔽层反射，其反射的回路路径长度不同，在两路矩形波输出端的电流信号耦合 展现的幅度也就不同）。
[0006] 所述电缆故障检测试验系统具体包括：微处理器，负责整个监测试验系统的控 制，并对发送出的控制数据和接收到的数据进行计算和分析；DDS信号发生器1 (输出电压 10V-10kV)，受微处理器控制，产生频率、幅值可调控的矩形波信号1 ;DDS信号发生器2(输 出电压10V-10kV)，受微处理器控制，产生频率、幅值可调控的矩形波信号2,矩形波信号2 的频率、幅值与矩形波信号1 一致；可调电感器1，电感量受微处理器控制，串联在DDS信号 发生器1与被测电缆之间，将接收到的矩形波信号1送入被测电缆，对矩形波信号1的谐波 进行过滤、并与被测电缆产生谐振电压信号；可调电感器2,电感量受微处理器控制，串联 在DDS信号发生器2与被测电缆之间，将接收到的矩形波信号2送入被测电缆，对矩形波信 号2的谐波进行过滤、并与被测电缆产生谐振电压信号；穿心式电流互感器1，与可调电感 器1并联，对回路电流信号进行耦合；穿心式电流互感器2,与可调电感器2并联，对回路电 流信号进行耦合；可调标准电容器1，电容量（lpF-lOOpF)受微处理器控制，串联在穿心式 电流互感器1与地端之间，对回路电压信号进行耦合、同时隔断直流信号；可调标准电容器 2,电容量（lpF-100pF)受微处理器控制，串联在穿心式电流互感器2与地端之间、且与可调 标准电容器1同地端，对回路电压信号进行耦合、同时隔断直流信号；峰值检波器1，与穿心 式电流互感器1串联，对经穿心式电流互感器1耦合后的电压信号进行峰值提取；峰值检波 器2,与穿心式电流互感器2串联，对经穿心式电流互感器2耦合后的电压信号进行峰值提 取；乘法器，计算来自峰值检波器1的输出信号与来自峰值检波器2的输出信号的相关性； 模数转换器，对乘法器输出的电压信号进行模拟-数字变化，然后送入微处理器进行处理。 为提高输出电压，可在DDS信号发生器1和DDS信号发生器2之后（即DDS与可调电感器 之间）分别串联一个升压器。
[0007] 可调电感器1和可调电感器2与被测电缆回路进行双向串联，有2个作用：一是， 与可调标准电容器1和可调标准电容器2组成了LC滤波器，对高压LC谐振频率的信号进 行陷波处理，由于线路的设计结构，陷波信号主要来自DDS信号发生器，由于DDS主要采用 矩形波调宽方式，谐波较重，因此通过LC滤波能起到较高的高次谐波过滤作用，同时，可调 电感器串联在回路中有抑制矩形波前沿过度陡峭的作用；二是，可调电感器与被测电缆的 电容Cx形成谐振，由于Cx数值远大于可调标准电容器电容C，因此LCx的谐振频率偏低，可 用于分析电缆的介质损失参数等。峰值检波器1和峰值检波器2用于获得相应脉冲宽度范 围内的峰值连续特征，利于准确捕捉高密度峰值出现的时间点；由于峰值检波器输出是直 流信号，对后续处理的采集器件的采样率要求显著降低。乘法器通过计算两路峰值检波器 输出信号的相关性，以得出来自峰值检波器的两路电压是否相关；如果不相关，则丢弃当前 数据；如果相关，则提取峰值出现的时间点和幅度，或提取当前试验脉冲的频率值，计算故 障位置。本试验系统结构简洁、成本低，可实现灵活多变的试验模式，尤其是在现场干扰较 重的场合可以获得一种灵活应对的干扰抑制措施（比如可调节两路矩形波的时序，使得两 路信号同一时刻一正一负，等效输出的试验电压提高了 2倍；或者通过两路信号同一时刻 为同一极性和相位，进行校准，在该时刻默认回路电流为零，如干扰较重时，该信号不为零， 可改变矩形波的脉冲宽度进行二次校准，从而避免现场干扰），为后续复杂算法快速提供相 关基础数据。
[0008] 需要说明的是，本试验系统仅提供了一种基于双路对称矩形波试验的检测系统， 具体的定位算法可采用经典的频率-反射峰值折算法或频域统计算法，这些算法在相关专 利中已有说明（-，D为故障距离，V为光速，f为试验脉冲的宽度时长的倒数，如 试验脉冲持续时间为2uS，则等效频率为0. 5MHz)，这里仅提供了试验前端，为减少干扰、降 低成本，提供了一种高效率故障检测试验系统。在试验前，为确保较高的重复性，可以不必 严格考虑矩形波的上升沿或下降沿的陡峭程度（传统的时域反射计算对此要求较高），即 使在矩形波平坦区域存在纹波电压，只要确保了输出试验电压的对称性，即可获得较好的 分析结果。因此，这里的重复性只需考虑输出信号的对称性，即进行校准。
[0009] 上述电缆故障检测试验系统的工作方法，具体包括以下步骤：
[0010] A、产生两路试验信号：将可调电感器1和可调电感器2的输出线与被测电缆相连 (可以将两路DDS矩形波信号施加到电缆绝缘层之间，如芯线与地线之间，或芯线与芯线之 间）；在微处理器中手工或程序受控的方式自动输入矩形波信号1和矩形波信号2的频率 带宽、幅值、波形和相位；微处理器根据输入参数控制DDS信号发生器1和DDS信号发生器 2交替产生矩形波信号1和矩形波信号2注入到被测电缆回路。
[0011] B、信号响应采集：微控制器控制可调电感器1和可调电感器2的电感量，分别实现 对两路谐波的过滤和与被测电缆产生谐振电压信号；穿心式电流互感器1和穿心式电流互 感器2实现对回路电流信号进行耦合；可调标准电容器1和可调标准电容器2的电容量受 微处理器控制，实现对回路电压信号的耦合和隔断直流信号；峰值检波器1和峰值检波器 2分别对经穿心式电流互感器1和穿心式电流互感器2耦合后的两路电压信号进行峰值提 取，然后一起输入乘法器计算两路信号相关性；模数转换器对乘法器输出的电压信号进行 模拟-数字变化，然后送入微处理器。
[0012] C、故障诊断：微处理器对发送出的控制数据和接收到的数据进行计算和分析；当 DDS信号发生器1和DDS信号发生器2的输出回路电流均为零或