双极性脉冲输出的三相电缆中间接头定位装置及定位方法

1.本发明属于电缆检测技术领域，更具体地，涉及一种双极性脉冲输出的三相电缆中间接头定位装置及定位方法。


背景技术：

2.电力电缆由于其独特的优点，广泛地应用于城市配电网中。但是在其投入运行后，由于其深埋地下、受到多种不利因素的影响，有时会发生故障、影响供电可靠性。其中，电缆中间接头用于连接两段电缆，是电缆整体结构的不连续处，同样是电缆绝缘薄弱位置，因此电缆的运行故障大多发生在电缆附件，特别是电缆中间接头上，国家电网就曾统计过电力电缆的故障情况，结果表明七成以上的电缆运行故障是由电缆附件特别是电缆接头的故障所引起的。因此，在电路出现故障后，会优先排查电缆接头，此时，需要对电缆接头进行定位。
3.近年来，时域反射法(tdr)被广泛地应用于电缆接头的定位中。tdr利用电力电缆与中间接头处的波阻抗不匹配、行波在中间接头的首端和尾端均会发生折反射的原理定位中间接头，在脉冲输出端采集波过程的波形，计算得到每个中间接头处的反射波到达时间，结合行波在电缆上的传播波速即可计算每个中间接头距测量首端的位置。然而实际应用中，现场的噪声复杂，且随着接头距离的增加，入射波的信号强度逐渐降低，导致接头处的反射波信号强度随之逐渐降低，甚至会淹没在噪声信号中难以被识别，容易造成遗漏甚至误判的情况。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双极性脉冲输出的三相电缆中间接头定位装置及定位方法，其目的在于提高三相电缆中间接头定位精度。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种双极性脉冲输出的三相电缆中间接头定位装置，包括：
6.双极性脉冲生成单元，具有正极性输出端和负极性输出端，用于同时生成正极性脉冲和负极性脉冲，所述正极性输出端用于向三相电缆中的其中一相发送正极性脉冲，所述负极性输出端用于向三相电缆中的其中另一相发送负极性脉冲；
7.数据采集单元，分别采集所述正极性输出端的第一波过程波形和所述负极性输出端的第二波过程波形；
8.数据处理单元，用于获取所述第一波过程波形和第二波过程波形并求差值，识别反射波，并根据反射波的到达时间以及行波在电缆上的传播波速计算对应接头距离测量首端的位置。
9.在其中一个实施例中，所述双极性脉冲生成单元包括依次电连接的直流电源、脉冲形成线、可控开关、极性翻转线；其中，所述可控开关用于控制脉冲形成线和极性翻转线的连通状态，在启动所述直流电源后，当所述可控开关断开时，所述直流电源向所述脉冲形
成线充电，当所述可控开关导通瞬间，所述脉冲形成线向所述极性翻转线输出脉冲信号；所述极性翻转线用于翻转脉冲信号以同时生成正极性脉冲和负极性脉冲。
10.在其中一个实施例中，所述脉冲形成线包括长度相同且波阻抗相同的第一同轴线缆和第二同轴线缆，所述第一同轴线缆的线芯和第二同轴线缆的线芯相连，所述第一同轴线缆的屏蔽层和第二同轴线缆的屏蔽层相连且接地。
11.在其中一个实施例中，所述极性翻转线包括长度相同的第三同轴线缆和第四同轴线缆，第一至第四线缆的波阻抗均相同，所述第三同轴线缆的线芯与第四同轴线缆的屏蔽层相连并与所述可控开关相连，所述第三同轴线缆的屏蔽层接地并与第四同轴线缆的线芯相连，从所述第三同轴线缆的输出端引出所述正极性输出端，从所述第四同轴线缆的输出端引出所述负极性输出端。
12.在其中一个实施例中，所述数据处理单元包括核心控制单元，通过所述核心控制单元控制所述可控开关的开通和断开。
13.在其中一个实施例中，所述可控开关由驱动芯片和高压水银继电器组成，驱动芯片根据核心控制单元的触发信号驱动并触发高压水银继电器闭合或断开。
14.在其中一个实施例中，所述双极性脉冲生成单元包括波形叠加二极管，所述波形叠加二极管包括第一二极管和第二二极管，通过第一二极管引出正极性输出端，通过第二二极管引出负极性输出端，正极性脉冲依次经过第一二极管的阳极和阴极后从所述正极性输出端输出，负极性脉冲依次经过第二二极管的阴极和阳极后从所述负极性输出端输出。
15.在其中一个实施例中，所述数据处理单元包括人机交互单元和核心控制单元，其中，
16.所述人机交互单元用于接收输入指令并向所述核心控制单元发送控制指令，以及接收所述核心控制单元上传的采集数据并计算接头距离测量首端的位置；
17.所述核心控制单元用于接收所述控制指令并控制双极性脉冲生成单元输出正极性脉冲和负极性脉冲以及将数据采集单元的采集数据上传至所述人机交互单元。
18.在其中一个实施例中，所述核心控制单元包括单片机、外围供电电路、通信电路和控制电路。
19.按照本发明的另一个方面，提供了一种三相电缆中间接头定位方法，包括：
20.同时从三相电缆测量首端向其中任意两相分别输入正极性脉冲和负极性脉冲；
21.分别于测量首端处采集对应两相的第一波过程波形和第二波过程波形；
22.对第一波过程波形和第二波过程波形并求差值，识别反射波，并根据反射波到达测量首端的时间以及行波在电缆上的传播波速计算对应接头距离测量首端的位置。
23.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
24.本发明中的双极性脉冲输出的三相电缆中间接头定位装置及定位方法，通过同时产生正极性脉冲和负极性脉冲，并同时输送到被测三相电缆中的两相首端上，随后采集两相首端处的波过程波形并作差值处理，由于两相分别输入的为极性相反的脉冲，在遇到电缆接头时，对应两相所反射回的波形极性也相反，而环境中的噪声信号相位不随着入射脉冲极性的变化而变化，将两相所反射回的波形进行差值处理，可以增大反射波的强度，消除或减弱环境噪声所带来的影响，从而提高接头处的反射波识别度，减少接头误判、漏判的情
况。
附图说明
25.图1为一实施例的双极性脉冲输出的三相电缆中间接头定位装置的结构框图；
26.图2为另一实施例的双极性脉冲输出的三相电缆中间接头定位装置的结构框图；
27.图3为一实施例的双极性脉冲输出的三相电缆中间接头定位装置的具体结构示意图；
28.图4为一实施例的人机交互单元的界面示意图；
29.图5为一实施例的三相电缆中间接头定位方法的步骤流程图。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
31.如图1所示为本发明一实施例中的双极性脉冲输出的三相电缆中间接头定位装置的结构框图，其主要包括双极性脉冲生成单元1、数据采集单元2和数据处理单元。其中，双极性脉冲生成单元1具有正极性输出端和负极性输出端，用于同时生成正极性脉冲和负极性脉冲，正极性输出端用于向三相电缆中的其中一相发送正极性脉冲，负极性输出端用于向三相电缆中的其中另一相发送负极性脉冲。数据采集单元2分别采集正极性输出端的第一波过程波形和负极性输出端的第二波过程波形。数据处理单元，用于获取第一波过程波形和第二波过程波形并求差值，识别反射波，并根据反射波的到达时间以及行波在电缆上的传播波速计算对应接头距离测量首端的位置。由于本发明同时向电缆的两相输入极性相反的脉冲，遇到电缆接头时，电缆两相又同时反射回极性相反的反射波，通过同时采集两相的波过程波形，并进行差值计算，可以使两相极性相反的反射波叠加，从而增强反射波的强度，消除或减弱环境噪声所带来的影响，从而提高接头处的反射波识别度，减少接头误判、漏判的情况。
32.在一实施例中，如图2所示，数据处理单元具体可以包括核心控制单元3和人机交互单元4。其中，核心控制单元3用于与人机交互单元4进行双向交流并控制测试回路。人机交互单元4可以是存放于上位机的控制软件，具体包括波形显示框40、文本输入框41、文本显示框42和交互按键43。
33.在一实施例中，数据采集单元2具有双路高速采集功能，具有两个通道且能采集ns级的信号，两路通道分别与正极性输出端和负极性输出端连接，以分别采集正极性输出端的第一波过程波形和负极性输出端的第二波过程波形。
34.在一实施例中，如图2和图3所示，双极性脉冲生成单元1包括依次电连接的高压直流电源10、脉冲形成线11、高压开关12、极性翻转线13。其中，高压开关12用于控制脉冲形成线11和极性翻转线13的连通状态，在启动高压直流电源10后，当高压开关12断开时，高压直流电源10向脉冲形成线11充电，当高压开关12导通瞬间，脉冲形成线11向极性翻转线13输出脉冲信号；极性翻转线13用于对接收到的脉冲信号做极性翻转处理，同时生成正极性脉
冲和负极性脉冲。可以理解的，双极性脉冲生成单元1也可以由其他脉冲生成装置实现，只要能够同时产生极性相反的两种脉冲即可，本发明对此不做限定。
35.在一实施例中，高压开关12由驱动芯片和高压水银继电器组成，驱动芯片接收核心控制单元3的触发信号后，驱动并触发高压水银继电器闭合。例如，通过高电平控制吸合，通过低电平控制断开。触发信号的高电平持续时间可以为0.1s。
36.在一实施例中，脉冲形成线11包括长度相同且波阻抗相同的第一同轴线缆和第二同轴线缆，第一同轴线缆的线芯和第二同轴线缆的线芯相连，第一同轴线缆的屏蔽层和第二同轴线缆的屏蔽层相连且接地，即脉冲形成线11具有两股线缆，两股线缆的线芯与线芯相连至高压直流电源输出端vo、屏蔽层与屏蔽层相连至地级。高压直流电源10对并联的两股线缆同时充电，脉冲形成线11的末端通过高压开关12连接至极性翻转线13。在本实施例中，使用两股线缆同时充放电，可以提高输出脉冲的幅值，从而提高后续反射波的强度。具体的，每股线缆的波阻抗均可以为50ω。
37.在一实施例中，极性翻转线13包括长度相同且波阻抗相同的第三同轴线缆和第四同轴线缆，第三同轴线缆的线芯与第四同轴线缆的屏蔽层相连并与可控开关相连，第三同轴线缆的屏蔽层接地并与第四同轴线缆的线芯相连，从第三同轴线缆的输出端引出正极性输出端，从第四同轴线缆的输出端引出负极性输出端。即极性翻转线13也有两股，两股高压同轴线缆的线芯和屏蔽层在首端反向对接，一股的线芯与另一股的屏蔽层相连至高压开关12的输出端，一股的屏蔽层与另一股的线芯相连至地级，其中一股线缆输出正极性脉冲，而另一股线缆则对脉冲进行翻转，输出负极性脉冲。具体的，每股线缆的波阻抗均可以为50ω。
38.在一实施例中，双极性脉冲生成单元1还包括波形叠加二极管14，波形叠加二极管14包括第一二极管和第二二极管，通过第一二极管引出正极性输出端，通过第二二极管引出负极性输出端，正极性脉冲依次经过第一二极管的阳极和阴极后从正极性输出端输出，负极性脉冲依次经过第二二极管的阴极和阳极后从负极性输出端输出，即，第一二极管正向串联于脉冲输出回路中，以正向串联的二极管阴极作为正极性脉冲输出端，第二二极管反向串联于脉冲输出回路中，以反向串联的二极管阳极作为负极性脉冲输出端，两个脉冲输出端分别连接至被测三相电缆中的两相线芯上。数据采集单元2的通道21和通道22分别并在正极性和负极性脉冲输出端，用于采集正极性和负极性的波过程波形。核心控制单元3接收数据采集单元2采集的波形数据、控制高压开关12的吸合以及高压直流电源10的输出电压，同时建立与人机交互单元4的双向通信。在正极性脉冲输出端，第一二极管相对于反射回的正脉冲波是截止的，正脉冲波将在二极管的阴极处产生全反射，此时采集到的信号除了原来的信号外还叠加了一个全反射的反射波，从而加倍了信号。同理，在负极性脉冲输出端，第二二极管相对于反射回的负脉冲波是截止的，负脉冲波将在二极管的阳极处产生全反射，此时采集到的信号除了原来的信号外还叠加了一个全反射的反射波，从而加倍了信号。也就是说，本实施例通过设置波形叠加二极管14，可以进一步增强反射波的强度。
39.在一实施例中，核心控制单元3由stm32f4系列单片机和外围供电、通信、控制电路组成，通信电路同于和上位机中的所述人机交互单元4通信，通信方式包括usb、网线等有限通信和wifi、蓝牙等无线通信，用于接收所述人机交互单元4的试验回路控制指令及发送响应指令和所述数据采集单元传回的波形数据；控制电路用于根据指令设置高压源输出电压
和产生触发信号触发高压开关吸合。
40.在一实施例中，所述人机交互单元4为存放在上位机中的控制软件，能直观地显示采集到的波形，用户可从正极性原始波形、负极性原始波形和处理后的波形中选择所需展示的波形；用户可根据需求设置合适的试验回路参数并控制试验的开始，所述人机交互单元4将据此生成相应的指令发送至所述核心控制单元3。具体的，如图4所示，人机交互单元4可以包括波形显示框40、文本输入框41、文本显示框42和交互按键43。波形显示框40可显示正极性脉冲测试波形、负极性脉冲测试波形和差值测试波形中的一种；文本输入框41用于输入测试条件和测试信息，包括输出电压、波速和被测电缆的型号；文本显示框42用于显示最终接头定位的结果，即电缆的总长度和每个中间接头距测试首端的位置；交互按键43用于选择显示的波形、开始测试、保存结果和读取历史结果等。
41.相应的，本技术还涉及一种三相电缆中间接头定位方法，如图5所示，该方法至少包括以下步骤：
42.步骤s100：同时从三相电缆测量首端向其中任意两相分别输入正极性脉冲和负极性脉冲。
43.步骤s200：分别于测量首端处采集对应两相的第一波过程波形和第二波过程波形。
44.步骤s300：对第一波过程波形和第二波过程波形并求差值，识别反射波，并根据反射波到达测量首端的时间以及行波在电缆上的传播波速计算对应接头距离测量首端的位置。
45.以上方法可以基于上文介绍的双极性脉冲输出的三相电缆中间接头定位装置实现，也可以基于其他装置实现。
46.在一具体的实施例中，利用上述双极性脉冲输出的三相电缆中间接头定位装置进行接头定位的方法具体包括：
47.1)连接对象：将正极性脉冲输出端和负极性脉冲输出端通过夹具分别连接至被测三相电缆中的两相线芯上，被测三相电缆的每一相屏蔽层均接地。
48.2)设置参数：在所述人机交互单元4的文本输入框41内输入所需测试电压的大小，选择合适的波速和电缆型号。
49.3)开始测试：测试人员远离装置后，给装置接通电源，并点击在上位机交互按键43的“开始测试”按键，人机交互单元4与装置的核心控制单元3建立双向通信。首先根据设置的测试电压大小，人机交互单元4发送高压直流电源输出指令，核心控制单元3收到后返回响应指令并控制高压直流电源10的输出电压。高压直流电源10开始输出电压并对两股脉冲形成线11并联充电。经过一定时间后，人机交互单元4再次发送触发指令，核心控制单元3收到后返回响应指令并触发高压开关12吸合一段时间，储存在脉冲形成线11的能量经过极性翻转线13后输出一定脉宽和幅值的正负极性脉冲方波，并施加到被测三相电缆的两相上。数据采集单元2采集到正负极性的波过程波形后通过核心控制单元3转发至人机交互单元4进行数据显示与处理。
50.4)结果处理：
①
结果显示：人机交互单元4显示选择的波形、文本显示框42以表格形式展现接头定位结果；
②
结果保存：“保存结果”按键可按一定的格式保存波形图像和接头定位结果，在对应的文件夹内生成包含结果信息的文件；
③
结果调用：“读取结果”按键可
显示之前测试所保存的结果。
51.以上双极性脉冲输出的三相电缆中间接头定位装置及定位方法，通过同时产生正极性脉冲和负极性脉冲，并同时输送到被测三相电缆中的两相首端上，随后采集两相首端处的波过程波形并作差值处理，由于两相分别输入的为极性相反的脉冲，在遇到电缆接头时，对应两相所反射回的波形极性也相反，进行差值处理，可以增大反射波的强度，消除或减弱环境噪声所带来的影响，从而提高接头处的反射波识别度，减少接头误判、漏判的情况。
52.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。