地埋电缆故障的非接触式检测定位装置及方法与流程

1.本发明属于地埋电缆故障检测的技术领域，具体涉及一种地埋电缆故障的非接触式检测定位装置及方法。


背景技术：

2.目前，国内外对于电缆故障定位的方法主要分为阻抗法(电桥法)、行波法、声磁法和反射法；其中反射法是目前有效的电缆故障定位方法之一，其基于与雷达相同的原理，通过发送一个低压高频信号至待测电缆中，当检测信号传输至由故障(开路和短路等)引起的阻抗不匹配点时，会产生反射信号，再在发送端采集电缆终端反射而来的信号，通过入射信号和反射信号之间的时间延时来实现故障定位和测距。
3.反射法在电缆故障定位中也分为接触式和非接触式两种检测方法；其中接触式检测方法需要将检测设备与电缆直接连接，检测定位距离远且准确；但是对于10kv/35kv的地埋电缆，目前接触式检测方法存在两个问题：第一，由于检测设备与电缆直接连接，往往需要断电进行检测，影响了供电可靠性，导致成本较高；第二，接触式检测一般在电缆终端或开关柜处进行检测，限制了检测的便携性。非接触式检测方法则利用耦合装置将检测信号耦合至地埋电缆屏蔽层，以屏蔽-大地作为传输信道进行检测，不影响电缆的正常工作，但是非接触式检测方法也存在以下困难：第一，以常用的10kv铠装电缆为例，其电缆结构包括导体、内半导电层、绝缘层、外半导电层、金属屏蔽层、填充物、包带、内护套、铠装层和外护套，这种复杂的电缆结构使得实际现场的信号耦合难度增大；第二，屏蔽-大地的传输信道噪声大、衰减大、环境复杂，进一步限制了电缆的非接触式检测；第三，为了构成屏蔽-大地传输信道，并定向检测故障，往往需要在变电站电缆接地点处进行检测，限制了检测地点，失去了便携性，增加了检测难度。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种地埋电缆故障的非接触式检测定位装置及方法，本发明基于反射法利用阻波器将待测电缆和大地进行相连形成屏蔽层-大地传输回路，实现了定向检测；再基于变频检测方法，通过双卡接式电感耦合器将检测器发出的不同频率的检测信号耦合至待测电缆中，并接收反射信号传输至检测器中进行判断，实现了长短距离的故障检测，具有在线检测、非接触耦合、定向检测、准确度高、检测速度快、抗干扰能力强和便携检测的优势。
5.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.本发明一方面提供一种地埋电缆故障的非接触式检测定位装置，所述装置包括检测器、阻波器和耦合器；
7.所述检测器包括信号产生与数据处理模块、数模转换模块、信号放大模块、信号输出耦合模块、信号接收耦合模块、信号调理模块及模数转换模块；
8.所述阻波器由铜环串联可调电感构成，铜环分为上下两片，卡接在待测电缆外护
套上；所述铜环的接合处引线串联可调电感，通过接地针与大地连接；
9.所述耦合器为卡接式电感耦合器，包括第一卡接式电感耦合器及第二卡接式电感耦合器，卡接在待测电缆外护套上；
10.所述信号产生与数据处理模块、数模转换模块、信号放大模块及信号输出耦合模块依次连接；所述信号产生与数据处理模块、模数转换模块、信号调理模块及信号接收耦合模块依次连接；
11.所述检测器的信号输出耦合模块与第一卡接式电感耦合器进行连接，所述检测器的信号接收耦合模块与第二卡接式电感耦合器进行连接；
12.所述阻波器、第一卡接式电感耦合器与第二卡接式电感耦合器依次安装在待测电缆上。
13.作为优选的技术方案，所述信号产生与数据处理模块通过正弦信号与伪随机序列码调制产生不同中心频率的sstdr数字信号，用于故障检测与信号处理，并判断故障类型和故障距离，上传至上位机。
14.作为优选的技术方案，所述阻波器、第一卡接式电感耦合器与第二卡接式电感耦合器间的安装距离不超过20cm。
15.作为优选的技术方案，使用高介电常数软性材料填充阻波器的铜环与待测电缆间的缝隙，所述阻波器的阻抗值z为：
[0016][0017]
其中，r0为阻波器内阻，c为铜环与待测电缆屏蔽层构成的电容值，l为可调电感的感值。
[0018]
作为优选的技术方案，所述阻波器连接待测电缆和大地，在待测电缆任意位置形成屏蔽层-大地传输回路，对待测电缆进行定向非接触式故障测试。
[0019]
作为优选的技术方案，所述卡接式电感耦合器为铁氧体磁环，其耦合匝数比为1:1。
[0020]
本发明另一方面还提供了一种地埋电缆故障的非接触式检测定位方法，采用上述的地埋电缆故障的非接触式检测定位装置，实现对地埋电缆故障的检测与定位，所述方法包括下述步骤：
[0021]
将所述地埋电缆故障的非接触式检测定位装置安装在待测电缆上；
[0022]
所述地埋电缆故障的非接触式检测定位装置发出检测信号对待测电缆进行故障检测；
[0023]
所述地埋电缆故障的非接触式检测定位装置接收反射信号，进行运算输出检测结果。
[0024]
作为优选的技术方案，所述将所述地埋电缆故障的非接触式检测定位装置安装在待测电缆上，具体为：
[0025]
将所述阻波器卡接在待测电缆外护套上，用高介电常数材料填充阻波器铜环与待测电缆之间的空隙；所述阻波器通过引线连接接地针，与大地构成屏蔽层-大地传输回路，实现信号定向传输；
[0026]
所述第一卡接式电感耦合器和第二卡接式电感耦合器沿检测方向顺序卡接在待
测电缆上；
[0027]
所述检测器的信号输出耦合模块通过同轴电缆与第一卡接式电感耦合器进行连接，所述检测器的信号接收耦合模块通过同轴电缆与第二卡接式电感耦合器进行连接。
[0028]
作为优选的技术方案，所述将所述地埋电缆故障的非接触式检测定位装置安装在待测电缆上，具体为：
[0029]
将所述阻波器卡接在待测电缆外护套上，用高介电常数材料填充阻波器铜环与待测电缆之间的空隙；所述阻波器通过引线连接接地针，与大地构成屏蔽层-大地传输回路，实现信号定向传输；
[0030]
所述第一卡接式电感耦合器和第二卡接式电感耦合器沿检测方向顺序卡接在待测电缆上；
[0031]
所述检测器的信号输出耦合模块通过同轴电缆与第一卡接式电感耦合器进行连接，所述检测器的信号接收耦合模块通过同轴电缆与第二卡接式电感耦合器进行连接。
[0032]
作为优选的技术方案，所述所述地埋电缆故障的非接触式检测定位装置接收反射信号，进行运算输出检测结果，具体为：
[0033]
第二卡接式电感耦合器按照1:1匝数比将反射信号耦合至信号接收耦合器中，再传输至信号调理模块减小信号并滤波去噪，通过模数转换模块转换为数字信号，输入信号产生与数据处理模块进行处理；
[0034]
信号产生与数据处理模块将检测信号和反射信号进行运算，并归一化得到信号波形图，判断故障类型和故障距离，并上传至上位机。
[0035]
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0036]
针对电缆结构复杂，检测时噪声大、衰减大、环境复杂及检测困难等问题，本发明通过阻波器构成屏蔽层-大地传输回路，采用耦合器实现检测信号的非接触式注入，使用检测器对反射信号进行处理及判断，实现对地埋电缆故障的非接触式检测定位；本发明的优势在于：1、通过非接触式的故障检测定位，避免了停电损失；2、检测器通过产生不同中心频率的sstdr数字信号进行变频检测，实现了长短距离的故障检测；3、采用阻波器接地，在电缆任意位置与大地构成回路，并通过阻波器高频低阻的特性实现定向检测；4、采用双卡接式电感耦合器注入接收信号，减少了耦合器衰减对检测结果的影响，增加了检测精度；5、可推广应用于不同环境中的线缆故障检测，如舰船，矿井，隧道等供电系统。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]
图1为本发明实施例中地埋电缆故障的非接触式检测定位装置原理图；
[0039]
图2为本发明实施例中地埋电缆故障的非接触式检测定位装置连接关系图；
[0040]
图3为本发明实施例中检测器的结构示意图；
[0041]
图4(a)为本发明实施例中无阻波器信号输出方向示意图；
[0042]
图4(b)为本发明实施例中有阻波器信号输出方向示意图；
[0043]
图5为本发明实施例中卡接式电感耦合器示意图；
[0044]
图6(a)为本发明实施例中单电感耦合器故障诊断波形示意图；
[0045]
图6(b)为本发明实施例中双电感耦合器故障诊断波形示意图。
具体实施方式
[0046]
为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0047]
在本技术中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本技术所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
[0048]
如图1所示，本发明基于反射法进行故障检测与定位，使用阻波器与大地构成屏蔽层-大地传输回路，通过检测器产生检测信号，并由耦合器向待测电缆中注入检测信号，根据传输线基本理论，当检测信号遇到由故障(开路和短路等)引起的阻抗不匹配点时，产生反射信号，通过反射波头极性判断故障类型，通过对入射信号和反射信号之间的时间延时来实现故障定位。
[0049]
如图2所示，本实施例中的地埋电缆故障的非接触式检测定位装置包括：检测器
①
、阻波器
②
和耦合器；
[0050]
其中，检测器
①
如图3所示，包括信号产生与数据处理模块、数模转换模块、信号放大模块、信号输出耦合模块、信号接收耦合模块、信号调理模块及模数转换模块；信号产生与数据处理模块、数模转换模块、信号放大模块及信号输出耦合模块依次连接；信号产生与数据处理模块、模数转换模块、信号调理模块及信号接收耦合模块依次连接；
[0051]
阻波器
②
由铜环串联可调电感构成，铜环分为上下两片，卡接在待测电缆外护套上；铜环的接合处引线串联可调电感，通过接地针与大地连接；
[0052]
耦合器为卡接式电感耦合器，包括第一卡接式电感耦合器
③
及第二卡接式电感耦合器
④
，卡接在待测电缆外护套上；
[0053]
检测器的信号输出耦合模块与第一卡接式电感耦合器
③
进行连接，检测器的信号接收耦合模块与第二卡接式电感耦合器
④
进行连接；
[0054]
沿检测方向，阻波器
②
、第一卡接式电感耦合器
③
与第二卡接式电感耦合器
④
依次安装在待测电缆上。
[0055]
进一步的，为实现对故障位置的精准定位，本发明中的信号产生与数据处理模块通过正弦信号与伪随机序列码调制产生不同中心频率的sstdr数字信号，用于故障检测与信号处理，并判断故障类型和故障距离，上传至上位机。由于不同中心频率的信号在信道中传输时，频率越高，其盲区越小，衰减越大，则检测距离越短；频率越低，其盲区越大，衰减越小，则检测距离越长。因此在检测故障时，从高频信号开始检测，进行短距离故障检测，再降低信号中心频率，进行长距离故障检测，通过这种变频检测方法来实现对不同长度电缆的故障检测与定位。
[0056]
进一步的，为保证检测结果的准确性，阻波器、第一卡接式电感耦合器与第二卡接式电感耦合器间的安装距离不超过20cm。
[0057]
进一步的，在安装阻波器时，使用高介电常数软性材料填充阻波器的铜环与待测电缆间的缝隙，此时阻波器的阻抗值z为：
[0058][0059]
其中，r0为阻波器内阻，c为铜环与待测电缆屏蔽层构成的电容值，l为可调电感的感值。
[0060]
如图4(a)所示，无阻波器时，检测信号经过耦合器耦合至电缆后其传输方向分别向两侧进行传输，导致接收到的反射信号噪声大、衰减大，经检测器处理后精度低；而本发明中，如图4(b)所示，阻波器连接待测电缆和大地，在待测电缆任意位置形成屏蔽层-大地传输回路，对待测电缆进行定向非接触式故障测试，实现在高频的某一频段内低阻，使信号不向非检测段传输，减少能量损耗，实现定向检测。
[0061]
进一步的，如图5所示，本发明卡接式电感耦合器为铁氧体磁环，一次线圈为1匝；由于待测电缆为二次线圈，通常为1匝，故该卡接式电感耦合器的耦合匝数比为1:1；耦合器将信号以1：1的匝数比耦合至电缆屏蔽层中或接收至检测器中，可以实现地埋电缆的非接触式故障检测，避免了停电损失。
[0062]
为进一步说明双电感耦合器的有效性，本发明中采用单电感耦合器和双电感耦合器对电缆进行故障诊断c，诊断结果如图6(a)、6(b)所示；图6(b)中采用双卡接式电感耦合器，耦合器接受的信号为入射信号与反射信号的叠加信号；而图6(a)采用单耦合器，只有反射信号受到感性耦合器及阻波器的衰减影响，相关运算并归一化后，入射波头与反射波头差距较大，影响故障判断；当采用双耦合器时，两种信号同时受到感性耦合器及阻波器的衰减影响，两种信号的幅值接近，因此相关运算并归一化后入射波头与故障点的反射波头大小接近，有利于故障的判断，增加了检测精度。
[0063]
在本发明另一实施例中，还提供了一种地埋电缆故障的非接触式检测定位方法，该方法应用于地埋电缆故障的非接触式检测定位装置，实现对地埋电缆故障的检测与定位，包括下述步骤：
[0064]
s1、将地埋电缆故障的非接触式检测定位装置安装在待测电缆上，具体包括：
[0065]
将阻波器卡接在待测电缆外护套上，用高介电常数材料填充阻波器铜环与待测电缆之间的空隙；阻波器通过引线连接接地针，与大地构成屏蔽层-大地传输回路，实现信号定向传输；
[0066]
第一卡接式电感耦合器和第二卡接式电感耦合器沿检测方向顺序卡接在待测电缆上；
[0067]
检测器的信号输出耦合模块通过同轴电缆与第一卡接式电感耦合器进行连接，检测器的信号接收耦合模块通过同轴电缆与第二卡接式电感耦合器进行连接。
[0068]
s2、地埋电缆故障的非接触式检测定位装置发出检测信号对待测电缆进行故障检测，具体为：
[0069]
检测器的信号产生与数据处理模块通过正弦信号与伪随机序列码调制产生不同中心频率的sstdr数字信号，从高频信号开始进行短距离故障检测，再逐步降低信号中心频
率，进行长距离故障检测；
[0070]
进行故障检测时，产生sstdr数字信号经过数模转换模块转换为模拟信号，再经过信号放大模块对模拟信号进行放大处理，最后经信号输出耦合模块将放大后的模拟信号传输至第一卡接式耦合器中并按照1:1的匝数比耦合至待测电缆的屏蔽层；
[0071]
不同中心频率的sstdr数字信号传输时，频率越高，盲区越小，衰减越大，检测距离越短；频率越低，盲区越大，衰减越小，检测距离越长。
[0072]
s3、地埋电缆故障的非接触式检测定位装置接收反射信号，进行运算输出检测结果，具体为：
[0073]
第二卡接式电感耦合器按照1:1匝数比将反射信号耦合至信号接收耦合器中，再传输至信号调理模块减小信号并滤波去噪，通过模数转换模块转换为数字信号，输入信号产生与数据处理模块进行处理；
[0074]
信号产生与数据处理模块将检测信号和反射信号进行运算，并归一化得到信号波形图，判断故障类型和故障距离，并上传至上位机。
[0075]
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。
[0076]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。