一种高压电缆潜在问题的离线检测定位方法及装置与流程

本发明涉及电缆检测领域，尤其涉及一种基于行波法的、安全便捷的高压电缆潜在问题的离线检测定位方法及装置。

背景技术：

近年来，国内外电网发展迅速，电力电缆大量投入到城市电网的建设之中，且使用量逐年攀升。随着电网用电负荷的不断增长，电缆故障率也大大升高，造成重大经济损失。为确保电力电缆的可靠运行，保障电网安全，对电缆的检测技术成为了国内外专家的研究热点。目前，对高压电缆常用的检测方式为：在投运前或对运行中的高压电缆周期性停电，进行离线检测。

当前，对电力电缆的离线检测方法中脉冲电流法使用较为广泛。其基本原理为以交流实验电源对电缆加压至一定电压的等级，电缆绝缘的缺陷处会发生局部放电，电缆两端会产生一个瞬时的电压变化，此时经过耦合电路，在回路中产生脉冲电流,将脉冲电流流经检测阻抗产生的脉冲电压予以采集、放大和显示处理来测定局部放电的基本量。定位则是利用脉冲正反向传播产生的时间差来计算。但是对电缆进行充电测试需要很高的电压且时间较长，该充电系统包含多个设备，如在野外检测时需发电机、高压变压器、耦合电容和高压连接电缆。同时设备运输不便，不利于现场条件下的离线检测。而且方法所产生的脉冲实际为阻尼振荡，对于潜在缺陷点距测试点较近时，由于脉冲传播路径过短，使得反射脉冲与入射脉冲发生混叠，不易观察而无法精确获取入射及反射脉冲之间的时间差值,造成定位失败。并且该方法通过观察示波器来计算时间差，误差很大，结果十分不准确。

振荡波法通过无源谐振技术取代脉冲电流法中的传统交流实验电源，使得系统体积及重量显著减小。在对电缆使用直流充电并在充电完成的基础上，通过内置的高压电抗器、高压实时固态开关与试品电缆形成阻尼振荡电压波，激发出电缆潜在缺陷处的放电信号。由于其基本原理与脉冲电流法大致相同，所以同样存在对潜在缺陷点距测试点较近时不能精准定位的问题。并且仍需携带示波器等设备以观察放电信号和记录数据，较为麻烦。且上述方法都需进行高压充电，对操作人员存在安全隐患，并且会对已存在放电源的电缆造成二次损伤，对电缆的损害较大。

基于以上所述问题，本领域急需一种安全便捷的高压电缆潜在问题的离线检测定位方法及装置。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种基于行波法的、安全便捷的高压电缆潜在问题的离线检测定位方法及装置。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种高压电缆潜在问题的离线检测定位方法，包括如下步骤：

1)由单片机控制DDS信号发生器产生用于检测待测电缆的正弦信号；

2)所述正弦信号经信号放大模块进行信号的放大；

3)放大后的正弦信号通过变压器耦合到连接至待测电缆的回波检测电路；

4)由数据采集模块在所述回波检测电路的检测端进行电压的采样；

5)由数据分析处理模块读取采样得到的波形数据，并进行分析和处理；

6)对完好的电缆进行检测、采样，将采样得到的波形B的数据存入数据分析处理模块的存储单元中；

7)所述数据分析处理模块对采样信号进行数据分析处理前应得到以下数据：

a)所述正弦信号在所述待测电缆中的传播速度v；

b)所述正弦信号的频率f及周期T。

8)所述数据分析处理模块在处理时需要完成：

a)对待测电缆进行检测时，在测试点采样得到的两个周期的波形A的数据；

b)由检测待测电缆得到的波形A的数据与对完好电缆检测得到的波形B的数据之差，得到所述正弦信号到达问题点而反射回来的两个周期波形C的数据；

c)波形C的极大值点的横坐标t_i与行波传输到潜在问题点再经反射回来所用时间Δt_i的关系式为：

d)各个问题点距测试点的距离x利用公式：

x＝vΔt_i/2

计算出来；

9)在检测含潜在问题的待测电缆时，单片机采集变压器初级侧电压的峰值，再将此峰值与检测完好电缆时存下的相应数值做比较，将所得比值送给数据分析处理模块，所述数据分析处理模块将当前待测电缆的采样值除以此比值，以消除电路的老化、湿度和温度对测量的影响。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步地，还包括步骤：将所述数据分析处理模块经分析处理得到的结果在显示模块上显示出来。

进一步地，所述正弦信号经信号放大模块进行信号的放大包括：先经电压放大器进行电压的放大，再经功率放大器进行功率的放大。

由于含潜在问题被测电缆可能不止一个潜在问题点，会存在多个反射波，在测试点叠加后，波形C在一个周期内不止有一个极大值点，可能会有多个极大值点，第i个极大值点的横坐标为ti，各个潜在问题点距测试端的距离x仍然可以通过公式x＝vΔt_i/2计算出来。

在实际应用中，正弦信号的频率f应该固定，且f应该远小于回波检测电路的固有谐振频率f₀；一般地，可选f＝50kHz。

正弦信号是在含潜在问题的电缆的金属导线与金属屏蔽网之间的介质中传播的，经过潜在问题点时，波形会发生反射，反射时会有Π相位的突变；最终采样到的波形数据是经变压器耦合的信号与各反射波叠加后的信号波形数据。

本发明还提供一种高压电缆潜在问题的离线检测定位装置，包括：单片机、信号发生模块、信号放大模块、变压器、校准检测模块、采样触发信号模块、待测电缆、回波检测电路、数据采集模块、数据分析处理模块以及光耦隔离模块，其中，所述信号发生模块中设有连接至所述单片机的DDS信号发生器，所述单片机控制所述DDS信号发生器产生正弦信号；所述DDS信号发生器经电阻R1与所述信号放大模块相连接，所述信号放大模块连接至所述变压器；所述变压器包括：变压器初级侧、变压器第一次级侧以及变压器第二次级侧，其中，所述变压器初级侧与所述信号放大模块相连接，所述变压器初级侧还与所述校准检测模块相连接；所述变压器第一次级侧与所述待测电缆相连接，所述待测电缆与所述回波检测电路相连接，所述回波检测电路、所述数据采集模块、所述数据分析处理模块和所述光耦隔离模块依次相连接，所述光耦隔离模块连接至所述单片机；所述变压器第二次级侧与所述采样触发信号模块相连接，所述采样触发信号模块与所述数据分析处理模块相连接；所述光耦隔离模块设于所述单片机与所述数据分析处理模块之间。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步地，还包括连接至所述数据分析处理模块的显示模块，用以显示所述数据分析处理模块采样得到的波形以及计算值。

进一步地，所述信号放大模块中依次设有电压放大器和功率放大器；所述电压放大器的正输入端与所述电阻R1相连接，负输入端经电阻R2接地，所述电压放大器的负输入端和输出端之间并联一电阻R3；所述功率放大器的正输入端与所述电压放大器的输出端相连接，所述功率放大器的负输入端与其输出端短路，输出端连接至所述变压器。

进一步地，所述校准检测模块包括：电阻R6、R7和R8，检波运算放大器以及检波电路，所述电阻R6和R7串联后并联于所述变压器初级侧，所述电阻R7接地，所述检波运算放大器的正输入端通过电阻R8连接至所述电阻R6、R7之间，所述检波运算放大器的负输入端与其输出端短路并连接至所述检波电路，所述检波电路连接至所述单片机。

进一步地，所述回波检测电路包括：电感L1、电容C1、电阻R4和R5，第一次级运算放大器以及第一次级差分放大器，所述电感L1和所述电容C1分别并联于所述变压器第一次级侧，所述电阻R4和R5串联后并联于所述变压器第一次级侧，所述第一次级运算放大器的正输入端连接至所述电阻R4、R5之间，所述第一次级运算放大器的负输入端与其输出端短路，所述第一次级差分放大器为单端输入、双端输出，其正输入端连接所述第一次级运算放大器的输出端，双端输出至所述数据采集模块。

进一步地，所述采样触发信号模块包括：第二次级差分放大器、电阻R9～R12、锗二极管、以及电压比较器，所述第二次级差分放大器的正、负输入端连接至所述变压器第二次级侧，输出端通过串联的电阻R9、R10连接至所述电压比较器的正输入端，所述锗二极管的负极端子连接至所述电阻R9、R10之间，所述电阻R11、R12分别连接至所述电压比较器的正、负输入端，所述电压比较器的输出端连接至所述数据分析处理模块。

本发明的有益效果是：可在高压电缆生产厂使用，对高压电缆生产厂生产的高压电缆进行检测，防止带潜在问题的电缆投入到实际使用当中，造成重大经济损失；亦可用于高压电缆问题的排查，对刚铺设好的各段高压电缆进行检测，将检测所得的波形数据保存起来，作为标准波形；在使用过程中若出现问题，再对各段高压电缆进行检测，通过与各段标准波形对比，找出问题的所在。

附图说明

图1示为本发明的高压电缆潜在问题的离线检测定位装置的系统结构图；

图2示为一个实施例中的高压电缆潜在问题检测与定位的电路框图；

图3示为仿真所得的三种波形图；

在附图中，各标号所表示的部件名称列表如下：

100、单片机；200、信号发生模块；300、信号放大模块；301、电压放大器；302、功率放大器；400、变压器；401、变压器初级侧；4011、校准检测模块；402、变压器第一次级侧；403、变压器第二次级侧；4031、采样触发信号模块；500、待测电缆；600、回波检测电路；700、数据采集模块；800、数据分析处理模块；801、显示模块；900、光耦隔离模块；

1-2、DDS信号发生器；1-6、第二次级差分放大器；1-7、第一次级差分放大器；1-8、电压比较器；1-13、检波运算放大器；1-14、第一次级运算放大器；1-18、检波电路。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

请结合图1和图2所示，图1示为本发明的高压电缆潜在问题的离线检测定位装置的系统结构图，图2示为一个实施例中的高压电缆潜在问题检测定位的电路框图；所述离线检测定位装置包括：单片机100、信号发生模块200、信号放大模块300、变压器400、校准检测模块4011、采样触发信号模块4031、待测电缆500、回波检测电路600、数据采集模块700、数据分析处理模块800、显示模块801、光耦隔离模块900，其中，

所述信号发生模块200中设有连接至所述单片机100的DDS信号发生器1-2，所述单片机100控制所述DDS信号发生器1-2产生用于检测含隐患问题的高压电缆的正弦信号；所述单片机100可采用STC12C5A60S2单片机，所述DDS信号发生器1-2可采用AD9851，所述单片机100通过对所述DDS信号发生器1-2写入控制字命令来使所述DDS信号发生器1-2输出所述正弦信号，通过改变写入的控制字可使所述正弦信号的频率发生改变。

所述DDS信号发生器1-2经电阻R1与所述信号放大模块300相连接；所述信号放大模块300中依次设有电压放大器301和功率放大器302；所述电压放大器301的正输入端与所述电阻R1相连接，负输入端经电阻R2接地，所述电压放大器301的负输入端和输出端之间并联一电阻R3；所述功率放大器302的正输入端与所述电压放大器301的输出端相连接，所述功率放大器302的负输入端与其输出端短路；由此，所述DDS信号发生器1-2产生的正弦信号经过电压放大器进行电压放大后，再经过功率放大器进行功率放大；其中，电压放大器301可选用LMH6629，供电电源电压能达到±15V，其功能是将所述DDS信号发生器1-2输出的所述正弦信号进行放大，使得正弦信号的电压大小满足要求；在实际应用中，可通过设定电阻R2和R3的阻值来调节电压的放大倍数；而功率放大器302可选用OPA2604，输出电流可达到350mA，作用是将来自电压放大器301的正弦信号进行功率放大，使得此信号能满足回波检测电路功率的需要。

所述功率放大器302的输出端连接至所述变压器400，所述变压器400包括：变压器初级侧401、变压器第一次级侧402以及变压器第二次级侧403，其中，

所述变压器初级侧401的第一端与所述功率放大器302的输出端相连接，所述变压器初级侧401的第二端直接接地；

所述变压器初级侧401连接有所述校准检测模块4011，所述校准检测模块4011包括：电阻R6、R7和R8，检波运算放大器1-13以及检波电路1-18，所述电阻R6和R7串联后并联于所述变压器初级侧，所述电阻R7接地，所述检波运算放大器1-13的正输入端通过电阻R8连接至所述电阻R6、R7之间，所述检波运算放大器1-13的负输入端与其输出端短路并连接至所述检波电路1-18，所述检波电路1-18连接至所述单片机100；

由于温度等的影响，器件的参数会发生微小变化，需要校准；变压器的原边并联两个大电阻R6、R7，它们的存在不会对测量产生任何影响；在检测完好的电缆时，取出电阻R7两端的电压信号，通过电阻R8、运算放大器1-13组成的电压跟随器，通过检波电路1-18后，得到电压的峰值，送到单片机100的A/D转换口，转换成数字量，将此数字量保存到单片机的存储器中；

同样在检测所述含潜在问题的电缆时，单片机也应该记录下来自电阻R7的电压信号的峰值，再将此峰值与检测完好电缆时存下的相应数值做比较，将所得比值通过光耦隔离送给所述数据分析处理模块800，所述数据分析处理模块800将当前含潜在问题的电缆的采样值除以此比值，这样就可以消除温度等对测量的影响。

所述变压器第一次级侧402与所述待测电缆500相连接，所述待测电缆500与所述回波检测电路600相连接，所述回波检测电路600、所述数据采集模块700、所述数据分析处理模块800和所述光耦隔离模块900依次相连接，所述光耦隔离模块900连接至所述单片机100；其中，

所述回波检测电路600中包括：电感L1、电容C1、电阻R4和R5，第一次级运算放大器1-14以及第一次级差分放大器1-7，所述电感L1和所述电容C1分别并联于所述变压器第一次级侧，所述电阻R4和R5串联后并联于所述变压器第一次级侧，所述第一次级运算放大器1-14的正输入端连接至所述电阻R4、R5之间，所述第一次级运算放大器1-14的负输入端与其输出端短路，所述第一次级差分放大器1-7为单端输入、双端输出，其正输入端连接所述第一次级运算放大器1-14的输出端，双端输出至所述数据采集模块700；

在所述回波检测电路600中，所述电感L1和所述电容C1能够使得用于检测的正弦信号的波形是一个比较完好的正弦波；电阻R4和R5是足够大的电阻，它们的存在不会影响检测，例如，电阻R4可选为100兆欧，电阻R5可选为100千欧；所述变压器400耦合到副边的电压的幅值可大于50V；所述回波检测电路600的作用是：将经功率放大器放大后的正弦信号耦合到待测电缆检测端，并在待测电缆中产生行波，以供数据采集模块进行采样；

所述第一次级运算放大器1-14可选用LM709，所述第一次级差分放大器1-7可选用AD8132；所述第一次级运算放大器1-14对电阻R5两边的电压进行跟随，所述第一次级差分放大器1-7对所述第一次级运算放大器1-14输出的电压信号进行差分放大，以供所述数据采集模块700采样；所述第一次级差分放大器1-7供电的电源电压不宜过高，因为所述数据采集模块700的输入电压较小，例如，AD8132的电源电压为2.7V；

所述数据采集模块700中设有高速模/数(A/D)转换芯片，例如可选用ADC08D1000，在所述数据分析处理模块800的控制下对所述第一次级差分放大器1-7输出的信号进行采样。

所述变压器第二次级侧403连接有所述采样触发信号模块4031，所述采样触发信号模块4031包括：第二次级差分放大器1-6、电阻R9～R12、锗二极管1-20、以及电压比较器1-8，其中，所述第二次级差分放大器1-6的正、负输入端连接至所述变压器第二次级侧，输出端通过串联的电阻R9、R10连接至所述电压比较器1-8的正输入端，所述锗二极管1-20的负极端子连接至所述电阻R9、R10之间，所述电阻R11、R12分别连接至所述电压比较器1-8的正、负输入端，所述电压比较器1-8的输出端连接至所述数据分析处理模块800；

所述电压比较器1-8可采用LM119，所述采样触发信号模块4031从所述变压器第二次级侧403两端提取采样触发信号，输送至所述数据分析处理模块800；所述第二次级差分放大器1-6将来自所述变压器第二次级侧的电压进行差分放大，所述锗二极管1-20的作用是为了保护后边的运放，使差分放大器输出信号的负半周在锗二极管的上端电压不小于-0.2V，从而保护电压比较器1-8；电压比较器为单电源供电，且供电电源与所述数据分析处理模块800一样；当第二次级差分放大器1-6输出电平高于0V时，电压比较器1-8输出高电平，当第二次级差分放大器1-6输出电平小于或等于0V时，电压比较器1-8输出0V，由此，为所述数据分析处理模块800提供采样触发信号。

由于变压器的两个次级侧的负载不同，所以相位不完全相同，测量时应以第一次级侧的过零点为准；在检测完好的电缆时，应记录下这一微小的时间差，进行保存；在实际测量含潜在隐患的电缆时，应该在接到来自电压比较器1-8输出的采样触发信号时，减去此时间差，来作为真正的采样触发信号。

对测试点进行采样的方法如下：以f＝50kHz为例，一个周期是20uS；为了提高采样的精确度，将两个周期平均采样1000个点；相邻两个坐标点的间隔是40nS，采样过程如下：这1000个点分成10轮采样，每一轮采样开始时间是由电压比较器1-8提供的。第一轮采样1、11、21、……991这100个点，第二轮再采样2、12、22、32、……992这100个点，以此类推，直至采样到第10、20、30、……1000个点。在这个过程中，这1000个点都进行了一次采样。再重复这个过程1024次，将每个点在各个过程采样时得到的数据相加。在实际对含潜在问题的电缆进行检测时，存储到所述数据分析处理模块800的存储器中，最初对完好电缆检测时得到的数据亦存储起来。

所述数据分析处理模块800中设有DSP数字信号处理器，例如可采用TMS320F28系列数字信号处理器；所述数据分析处理模块800需要控制所述数据采集模块700进行采样，包括采样开始与结束的时刻，采样的时间间隔等；接收到采样信号后，对此采样信号进行分析，计算出潜在问题点的位置；当所述数据分析处理模块800接收到来自电压比较器1-8的采样触发信号时，控制所述数据采集模块700对所述待测电缆500的测试端进行采样，将所得数据储存起来；

图3为仿真所得的三种波形图；其中，A为检测所述含潜在问题电缆测试端采样得到的波形，B为检测完好电缆时测试端采样得到的波形，C为A波形对应各坐标点的幅值减去B波形对应各坐标点的幅值所得到的，相当于正弦波经过潜在问题点时反射回来的信号的波形；波形C的极大值点的横坐标ti与行波传输到潜在问题点再经反射后回来所用时间Δti的关系为：各个问题点距测试点的距离x利用x＝vΔti/2计算出来。

此外，所述数据分析处理模块800还连接有所述显示模块801，用以显示所述数据分析处理模块800采样得到的波形以及计算值，将采样信号的波形、对完好电缆采样的波形、潜在问题点反射回来的波形这三个波形对照地显示出来，并将潜在问题点的位置显示出来。

在本发明的离线检测定位装置中，由于所述单片机100与所述数据分析处理模块800的电源不同，需要通过光耦来实现所述单片机100与所述数据分析处理模块800之间的通信，因此，在二者之间设置了所述光耦隔离模块900。

由此，本发明通过信号发生模块产生用于检测的正弦信号，经电压放大模块和功率放大模块对该正弦信号进行电压及功率放大后，通过变压器将此信号耦合到检测电路；由数据分析处理模块控制数据采集模块对待测电缆检测端的信号采样后，再读取所述数据采集模块采集到的数据，并对此数据进行分析处理，将分析处理得到的波形及潜在问题点的位置由显示模块显示出来。

本发明可以在高压电缆生产厂使用，对高压电缆生产厂生产的高压电缆进行检测，防止带潜在问题的电缆投入到实际使用当中，造成重大经济损失。

本发明亦可用于高压电缆问题的排查。对刚铺设好的各段高压电缆进行检测，将检测所得的波形数据保存起来，作为标准波形。当使用过程中出现问题后，再对各段高压电缆进行检测，通过与各段标准波形对比，找出问题的所在。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。