组合式定向非接触电缆故障检测定位传感装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种针对反射法电缆故障诊断的组合式定向非接触检测定位传 感装置，属于电工技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着多电/全电飞机和载人空间站的发展，飞机、航天器的用电设备急剧增加，电 线电缆的使用日益增多。由于使用年限的增加，受水、紫外线、温度等环境因素的影响越来 越大，导致飞机电缆发生短路、断路等硬故障及一些间歇性的软故障，给飞机的安全飞行带 来了极大的隐患，因此电缆故障诊断技术受到国内外研究学者的广泛关注。在电缆故障检 测定位领域，反射法由于能够在判断电缆发生故障类型的同时诊断出电缆故障发生的位置 而被广泛应用。
[0003] 在众多的反射法中，扩展频谱时域反射法SSTDR(Spread Spectrum Time Domain Reflectometry)由于具有能够实现在线诊断、抗干扰性强、故障定位精度高而成为研究重 点，其实现的原理框图如附图1所示。将频率相同的正弦信号与伪随机序列PN码1:1数字 调制后经过DA数模转换芯片转换为模拟信号后经隔离耦合装置注入待测电缆，当待测电 缆中发生故障时会由于该点的阻抗与电缆的特性阻抗不匹配而发生反射，反射信号同样通 过隔离耦合装置将信号耦合到反射法电缆故障检测装置的接收端。将接收的信号通过AD 模数转换将模拟信号转换为数字信号后与入射信号进行相关运算，由相关运算曲线提取电 缆的故障信息。
[0004] 相关运算公式如下式所示。
[0006] 式中Sl(t)为入射信号，S2(t- τ )为反射信号，r( τ )为相关运算结果，τ为检测 信号周期，改变延时时间τ求得Γ(τ)绝对值最大时刻τ的大小，根据信号在电缆中的传 播速度及延时时间τ求得电缆发生故障的位置，根据 Γ(τ)的正负判断电缆发生故障的类 型，从而诊断出故障信息。
[0007] 但是，不论是SSTDR或是其他的反射法，检测装置与待测电缆导体之间需要电气 连接，来实现检测信号的注入与接收。它需要改变电缆系统的接口端子，从待测电缆的一侧 将检测装置接入，当无需检测时，需再次断开系统接口端子，实现检测装置的拆卸。随着检 测次数的增多，重复地安装/拆卸对原始电缆造成进一步的损害；当待测电缆用于高压系 统时，会对执行故障检测的操作人员造成一定的人身安全。采用将感性耦合应用于反射法， 实现检测信号的耦合输入与耦合输出，避免了检测装置与待测电缆之间的电气连接，电缆 系统的原有接口端子也无需改变，加之对感性耦合装置结构的优化，安装/拆卸方便，使用 简便，提高了检测装置与待测电缆之间的安全性与实用性。
[0008] 实际电气设备中，电缆一般都存在大量的分支，以网络的形式分布，线路复杂。电 缆分支点的阻抗不匹配会导致该点的多次反射，从而影响对电缆故障信息的提取，因此实 现入射信号的定向耦合，控制其传输的方向，能够避免多次反射对电缆故障造成的影响，并 对不同的电缆分支，发送接收来自不同耦合器的信号并加以故障信息处理，从而实现电缆 网络的故障诊断定位。
【发明内容】
[0009] 本实用新型的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种在不对电力线路进行 改动的前提下实现将定向非接触耦合应用于反射法的组合式定向非接触检测传感装置，实 现电缆的非接触式故障诊断。
[0010] 为此，本实用新型采用的技术方案如下：
[0011] 组合式定向非接触电缆故障检测定位传感装置，其特征在于包含一个导体环、两 个磁环、一个绝缘外套、三个缓冲垫，导体环、磁环、绝缘外套、缓冲垫主体呈环状圆筒型结 构，分别由两个对称的半圆形结构紧密连接组成，导体环和两个磁环按顺序紧密嵌入绝缘 外套中，三个缓冲垫分别用于填充在导体环、两个磁环与待测电缆之间，导体环经外部输出 引线接地，两个磁环分别通过内部输出引线的一端与反射法电缆故障定位装置电气连接， 两内部输出引线的另一端接至地，远离导体环的磁环内部输出引线的输出回路中连接有阻 抗匹配网络。
[0012] 本实用新型中磁环实现将高频入射信号非接触耦合至待测电缆中及反射信号的 采集，磁环与待测电缆没有电气连接。输出引线、磁环、待测电缆导体三者形成一个非接触 式变压器，实现入射信号与反射信号的非接触耦合输入与耦合输出。靠近导体环的磁环内 部输出引线连接反射法检测装置的信号发送端，实现检测信号的非接触耦合输入到待测电 缆中；远离导体环的磁环内部输出引线连接反射法检测装置的信号接收端，实现检测信号 的非接触采集。
[0013] 本实用新型中的导体环实现对高频入射信号耦合传输的方向控制。导体环、待测 电缆絶缘层、缓冲垫、导体层四层形成了一个非接触电容，使得待测电缆与地之间形成了一 条电容支路，为入射信号向待测电缆所需的方向传输提供了回路，阻止检测信号向电源侧 传输，类似于一个具有阻波效果的容性阻波器，实现检测信号的单向传输，从而实现对待测 电缆的定向检测。
[0014] 针对感性非接触耦合装置中非接触电容容值过小带来的阻抗不匹配问题采用传 输线阻抗匹配方式加以解决，通过传输线串并联形成阻抗匹配网络。
[0015] 磁环、导体环与待测电缆之间填充有弹性绝缘材料做的缓冲垫，在导体环中的绝 缘材料与在磁环中的绝缘材料作用是不一致的。磁环中加弹性绝缘材料是为了保证待测电 缆与引线处于磁环的中心位置，从而使磁环上的场强均匀分布，进而将引线与待测电缆之 间的信号较好地实现耦合，因此对绝缘材料的特性是没有特定要求的；在导体环中的绝缘 材料作用是避免导体环与电缆之间留有空隙，实现导体环与待测电缆的紧密无缝安装，以 免空隙造成非接触电容容值的减小。磁环与两个导体环紧密嵌入在绝缘外套中，绝缘外套 实现对整个传感装置固定，形成组合式的感性耦合传感装置。
[0016] 磁环的材料特性如通频带、相对磁导率，磁环内径、外径、长度等参数设计，需使引 线与待测电缆之间的互感值达到一定的大小，实现检测信号的完整耦合，选用磁环的磁性 材料需满足材料的饱和磁密关系式。导体环的内径、厚度及长度等参数设计，需使形成的非 接触电容达到一定容值，高频信号下形成的容抗尽可能小，实现对电缆一侧的支路短路的 效果，达到检测信号定向耦合的目的。
[0017] 根据缓冲垫在磁环与导体环中的不同作用，磁环中的缓冲垫应根据其实际设计出 的内径尺寸大小完整地填充在内部，保证引线与待测电缆处于磁环的中心位置，两磁环的 尺寸一致；导体环中的缓冲垫厚度应在确保导体环与待测电缆无缝固定的情况下尽可能 小，以减小对非接触电容容值的影响。
[0018] 本实用新型中两个磁环、两根输出引线与待测电缆分别形成两个信号传输变压 器，实现对高频入射信号的非接触耦合传输及对反射信号的非接触采集，改善了传统的电 缆故障诊断方法中检测装置与待测电缆需要直接电气连接的问题。导体环与待测电缆绝缘 层、待测电缆导体层形成非接触电容，连接在磁环的一侧并接地，使得待测电缆与地之间形 成了一条电容支路，为入射信号向待测电缆所需的方向传输提供了回路，阻止检测信号向 电缆另一侧传输，实现对待测电缆的定向检测。其中远离导体环的磁环内部输出引线在与 电缆故障诊断装置连接之前连接了由五根传输线组成的阻抗匹配网络，解决感性非接触耦 合装置中由于非接触电容容值过小带来的线路阻抗不匹配问题。本实用新型中的导体环、 磁环均采用环状圆筒型结构并加工成两个半圆型结构，紧密地嵌入绝缘外套内部，可以简 便地实现检测传感装置的安装/拆卸，无需改变待测电缆系统原有的电气连接方式，安全 可靠，并由于其定向耦合的作用，可以将其推广应用于复杂电缆网络的故障诊断，实现电缆 故障的在线检测。
【附图说明】
[0019] 图1是SSTDR(扩展频谱时域反射法）实现的原理框图；
[0020] 图2是组合式感性非接触耦合传感装置的三维立体结构示意图；
[0021 ]图3是组合式感性非接触耦合传感装置侧面解剖图；
[0022] 图4是组合式感性非接触耦合传感装置的导体端横截面图与磁环部横截面图；
[0023] 图5是组合式感性非接触耦合传感装置的等效原理图；
[0024] 图6是感性耦合应用于SSTDR进行电缆故障诊断的仿真结果曲线；
[0025] 图7是感性耦合应用于SSTDR进行电缆故障诊断的实验结果曲线。
【具体实施方式】
[0026] 下面根据附图对实用新型的技术方案进行具体地说明。
[0027] 图2为组合式定向非接触电缆故障检测定位传感装置，其中包含待测电缆导体层 1、待测电缆绝缘层2、导体环内部缓冲垫3、导体环4、磁环内部缓冲垫5与7、磁环6与8、绝 缘外套9、磁环6内部输出引线10及磁环8内部输出引线11、组成阻抗匹配网络的第一~ 第五传输线12、13、14、15、16及反射法故障检测装置17。第一传输线12和第二传输线13 分别串联在磁环8内部输出引线11的两端，再并联第三传输线14后分别串联第四传输线 15和第五传输线16,第四传输线15的另一端连接至反射法故障诊断装置的信号采集端，第 五传输线16的另一端接地。在进行故障检测时，首先导体环、两个磁环顺次紧密连接，在缓 冲垫与绝缘外套夹紧下将其套在待测电缆上，当进行单根的电缆故障诊断时，导体环4外 引出接线端子连接到电源地，将反射法电缆故障诊断装置的信号发射端与输出引线10的 一端连接，实现检测信号的耦合输入，输出引线11连接传输线阻抗匹配网络并连接至反射 法电缆故障诊断装置的信号接收端，实现高频反射信号的非接触采集，输出引线10的另一 端与第五传输线16的另一端连接在一起，并接至诊断装置的模拟地，将发射的信号与接收 的信号在故障诊断装置中完成相关运算，得故障诊断