電纜故障測試儀基本工作原理與組成

隨著工業的快速發展，人們對電力的需求越來越大，電力電纜廣泛應用于人們的生產生活中。地埋電纜作為一種重要的電力電纜，在電力傳輸方面得到了普遍的應用。相對于架空線路，地埋電纜在傳輸能力方面符合更高的要求，在鋪設方面更加節省空間，節省了不必要的架空設備。由于其深埋于地下，地埋電纜還有很高的安全性。

　　 地埋電纜鋪設于地下的鋪設渠中，一般情況下鋪設在地下2米處左右，所以地埋電纜具有不可視性。同時，地埋電纜的故障種類比較多，故障原因繁雜，給檢修人員帶來了不便。針對當前檢測中存在的不足，本文從提高測量精度、提高測量速度以及提高檢測過程中的安全性做了研究。設計一種基于ARM的嵌入式電纜故障檢測系統，實現了電纜故障的可視性，設計的檢測系統便于現場測量和觀察。通過實際測量和實驗研究，對故障電纜的測試方法進行了深入的研究，明確了當前幾種常用檢測方法以及各種檢測方法對應的故障類型。

　　 本文完整介紹了地埋電纜故障的原因、類型、測量方法以及測量原理，從實際角度對檢測系統進行了分析和規劃，并且進行了實驗研究。在實驗過程中，將測量步驟分為初步測量和精確測量。在初步測量中，通過利用相關的探測設備，利用低壓脈沖法、電流脈沖法、二次脈沖反射法對地埋電纜的低阻故障、高阻故障進行了檢測。利用行波信號遇到不同的故障點會有不同的反射信號的特點，對電纜的低阻故障和高阻故障進行脈沖探測，并對反射波形進行分析。在對波形分析過程中，利用波形比較法確定反射波形的起始點，有效確定出行波在故障線路中的傳輸時間。得到初步測量數據后，利用聲磁同步法和音頻感應法對故障電纜進行了精確測量。通過精確測量，利用聲磁信號在不同距離會有不同的聲磁時間差，確定了故障點的精確位置。通過音頻感應法對故障電纜施加周期性的高壓信號，在故障點形成的有規律的聲音信號，通過辨別聲音信號的大小確定了故障點的精確位置。

　　 實驗證明，初步測量可以確定故障類型以及故障點的位置，誤差范圍在半米以內，精確測量可以準確找到故障點的位置。實驗方法有效、可行、省時，是檢測地埋電纜故障的有效方法。

根據故障的探測原理，當儀器處于閃絡觸發方式時，故障點瞬時擊穿放電所形成的閃絡回波是隨機的單次瞬態波形，因此測試儀器應具備存儲示波器的功能，可捕獲和顯示單次瞬態波形。電纜故障測試儀采用數字存儲技術，利用高速A/D轉換器采樣，將輸入的瞬態模擬信號實時地轉換成數字信號，存儲在高速存儲器中，經CPU微處理器處理后，送至LCD顯示控制電路，變為時序點陣信息，于是在LCD屏幕上顯示當前采樣的波形參數。

當儀器處于脈沖觸發方式時，儀器按一定周期發出探測脈沖加入被測電纜和輸入電路，即時啟動A/D工作，其采樣、存儲、處理和顯示與前述過程相同。LCD顯示屏上應有反射回波。

2.儀器的組成

儀器是以微處理器為核心，控制信號的發射、接收及數字化處理過程。儀器的工作原理方框圖如圖6所示。

圖6　工作原理方框圖

微處理器完成的數字處理任務包括：數據的采集、儲存、數字濾波、光標移動、距離計算、圖形比較、圖像的比例擴展，直到送LCD顯示。也可根據需要由通訊口與PC機通訊。

脈沖發生器是根據微處理器送來的編碼信號，自動形成一定寬度的邏輯脈沖。此脈沖經發射電路轉換成高幅值的發射脈沖，送至被測電纜上。

高速A/D發生器是將被測電纜上返回的信號經輸入電路送高速A/D采樣電路轉換成數字信號，最后送微處理器進行處理。

鍵盤是人機對話的窗口，操作人員可根據測試需要通過鍵盤將命令輸入給計算機，然后由計算機控制儀器完成某一測試功能。

2.2 面板控制機構和按鍵菜單的作用

1.控制機構

(1)觸發：供選擇觸發工作方式用。按下開關（ 　位置）為閃絡法工作方式。在使用脈沖法測試時，開關置于　 位置。

  (2)輸出：儀器輸出線連接被測電纜的測試端。

  (3)充電：儀器使用直流蓄電池組，若儀器顯示電量不足，插入電源充電指示燈亮即可。

2.按鍵作用說明

(1)“開、關"鍵：控制儀器電源開啟/關斷。按下此鍵，儀器電源接通，顯示屏將顯示工作視窗。

(2)“采樣"鍵：按鍵向被測線路上發射脈沖，每按一次，儀器就發射一次脈沖并進行采樣，若按下三秒鐘，儀器則連續發射脈沖，只有當其它鍵按下時才停止。

(3)“??"鍵：具有兩種作用：

儀器測試功能時，為活動光標左右移動操作。

儀器菜單功能時，為左、右移動選擇菜單項操作。

(4)“+○—"鍵：LCD液晶顯示屏對比度調節。

3.菜單功能的作用及操作

  (1)范圍：用于故障檢查，因為在故障查找時，一般都是從近距離開始逐步向遠距離檢查的。

開機時，儀器的測量范圍為198m，也就是說你所查找的故障范圍是否在0～198m之間，如果沒有出現故障波則必須改變測量范圍值，測量范圍從198m開始，每增加一次，范圍增大一倍。為了不同長度電纜的測試，當改變測量范圍時，發射脈沖的寬度隨著范圍的增大而加寬。

操作步驟如下：

按下測量范圍鍵，每按一次 ，范圍增大一倍。

(2)起點：用以高速光標計數的起點位置。開機時屏幕上有兩光標分別在屏上最右端（起點）和中間位置。若需要改變光標起點位置，則可調節“??"鍵將中間活動光標調到所需起點位置，然后按“零點"菜單選擇接受，此時原起點光標與活動光標重合變為新起點光標，數據顯示為0m。操作步驟如下：

按下比例鍵，當儀器下方菜單中出現零點菜單時，則可調節“??"鍵使之高亮，然后按下比例鍵。

(3)比例：用以在檢查到故障位置后為了精確定位而將波形進行擴展。操作步驟如下：

按下比例鍵，當儀器下方菜單中出現比例菜單時，則可調節“??"鍵使之高亮，然后按下比例鍵。

(4)波速：由于電波在不同結構的電纜上的傳播速度是不同的，因此，在測試各種不同型號的電纜時，必須適應該電纜傳輸的波速值。開機時，儀器的傳播速度自動置為200m/ns，測試中應根據電纜而修改。操作步驟如下：

按下波速鍵，使波速值高亮，然后按“??"鍵調節波速，到達所需波速按下波速鍵使之高亮消失。

(5) 存儲：儀器具有波形及參數存儲功能，用此功能可將儀器測試的波形及參數分別存入儀器中提供的非易失性存儲器單元中，以備將來調出比較。操作步驟如下：

    按下比例鍵，當儀器下方菜單中出現存儲菜單時，則可調節“??"鍵使之高亮，然后按下比例鍵。

(6) 調出：由于儀器采用了非易失性存儲器，所存儲的波形關機后都不會易失。因此，儀器可以在任何時候將存儲的波形及參數調出來分析，也可以將存儲的波形調出來與當前測試的波形進行比較，可進一步精確判斷故障點。操作步驟如下：

按下比例鍵，當儀器下方菜單中出現調出菜單時，則可調節“??"鍵使之高亮，然后按下比例鍵。

(7)日期：按下日期鍵 ，調節“??"鍵改變數值，按下日期鍵轉到下一值。完畢按日期鍵確認。

(8) 打印：按下打印鍵，自動完成打印。

   上述菜單操作過程中，屏幕下方會有操作對話提示出現。

2.3 測試前的準備工作

1.儀器正常狀態的檢查

使用儀器前，可按以下步驟，檢查儀器是否正常工作。

(1)脈沖觸發工作狀態下，按下電源開鍵，液晶顯示屏上將顯示儀器主視窗口，顯示屏上有故障距離、波速、測量范圍，比例等字樣及數據。

(2) 按面板“?或?"鍵，儀器中間位置的活動光標將會移動，此時，故障距離數據相應變動。

(3)調節增益電位器，儀器屏上顯示的波形幅度將會增大或減小。

按照前述范圍菜單操作步驟，改變測量范圍，儀器顯示屏上測量范圍和發射脈沖寬度將發生相應變化，至此，表明儀器工作正常。

2.故障種類的初步判斷

測試前對故障原因和種類的分析是很必要的。可選用通用儀表如歐姆表、兆歐表等結合現場情況和實際經驗作初步分析判斷。

3.選擇觸發工作方式

如果是斷線、接觸不良、低阻接地與短路故障，應采用脈沖法。若為電力電纜的高阻閃絡故障則應采用閃絡法。并將觸發工作方式選擇開關置于相應的位置。

2.4 儀器的使用和故障測試方法

1.低壓脈沖法

低壓脈沖法的適用范圍是通信和電力電纜的斷線，接觸不良，低阻性接地和短路故障以及電纜的全長和波速的測量。

一般步驟如下：

a．將面板上觸發工作方式開關置于“脈沖"（  ）位置。

b．將測試線插入儀器面板上輸入插座內，再將測試線的接線夾與被測電纜相連。若為接地故障應將黑色夾子與被測電纜的地線相連。

c．斷開被測電纜線對的局內設備。

d．搜索故障回波及判斷故障性質。

　使儀器增益最大，觀察屏幕上有無反射脈沖，若沒有，則按照“六、中3、的1"的方法改變測量范圍，每改變一檔范圍并觀察有無反射脈沖，一檔一檔地搜索并仔細觀察，至搜索到反射脈沖時為止。故障性質由反射回波的極性判斷。若反射脈沖為正脈沖，則為開路斷線故障，若反射脈沖為負脈沖，則為短路或接地故障。

e．距離測試，按增益控制鍵“▲或▼"使反射脈沖前沿最徒。然后按光標移動鍵“?或?"三秒左右快速移動，光標自動移至故障回波的前沿拐點處自動停下，此時屏幕上方顯示的距離即為故障點到測試端的距離。為了提高精度，按波速的方法改變波形比例，將波形擴展后，按上述方法進行精確定位。

2.直流高壓閃絡法

(1)首先檢查觸發工作方式選擇開關位置于閃絡（　 ）位置，傳播速度應為被測電纜的波速值。

(2)適用范圍：故障點電阻很高，尚未形成穩定通道，在一定的直流高壓作用下，可產生閃絡放電故障的電力電纜（即高阻閃絡性故障）。預防性擊穿電壓試驗一般采用此法測試。

(3)直流高壓閃絡故障持續時間有長有短，短的僅閃絡幾次即消失。直閃法波形簡單，容易判斷，故障測量的準確度較高，因此應珍惜該過程的測試。

(4)直閃法的測試原理圖如圖2。在實際測試時利用高壓設備和本公司高壓測試裝置，按圖8所示線路連接。

T1　調壓器　　　　　　　　　2KVA

T2　高壓變壓器　　　　　　　0～50KV，2KVA

D　 高壓磚硅堆　　　　　　　反向電壓100KV，正向電流100mA

C   高壓電容器　　　　　　　0.1μF＞10KV

交直流電壓表：0～300V，直流電流表：100mA

放電球隙內，電阻阻值：30±20/5kΩ

輸出電阻：500Ω±10%

(5)接通儀器電源，屏幕出現視窗。然后逐步調節調壓器升高測試電壓，當故障點產生閃絡現象時，毫安表中電流突然增大，電壓表指針抖動。顯示屏上應出現圖3所示波形。由圖3可知，t1～t2間為故障距離。

(6)高壓直閃法的試驗電壓高幾千伏至幾十千伏，應遵守高壓操作規程。應將高壓試驗設備的接地端，放電球隙的地線端和儀器的地線直接接至電纜鉛包，鉛包要可靠地接大地。或按“九、中3、"條要求接好地線。使用前應檢查高壓測試裝置內的水阻及分壓電阻是否正確。

3.沖擊高壓閃絡法

(1) 沖閃法的適用范圍：故障電阻雖高但已形成穩定通道的電力電纜，高壓設備受容量限制，直流電壓加不上時，應改用沖閃法。其方法是通過放電球間隙向電壓加沖擊高壓，使故障點擊穿產生閃絡。凡直閃法和脈沖法無法測出的故障原則上均可用此法測試，適應范圍較大。

(2)同樣須先檢查工作方式開關是否置于閃絡位置，高壓測試裝置中水阻及分壓電阻是否正確。

(3)按圖9所示線路連接設備。地線按“八、中2、的6）"條和“九、中3、" 條要求接好。其中儲能電容C要求大于1μF，耐壓應能滿足試驗要求。其它設備要求與直閃法相同。電感一般取放電球隙中的2或3，也可視被測電纜段的長度或根據反射波形適當增大或減小。

(4)測試方法：調節調壓器升高試驗電壓至故障能被擊穿為止。放電調節器球間隙的距離應視故障電阻和試驗電壓能正常放電決定。沖擊閃絡故障點放電正常與否可由放電的全過程波形判斷。

(5) 亦可由球間隙放電響聲及電表指示判斷是否出現故障點擊穿閃絡現象。若放電不好可適當提高試驗電壓，加大球間隙距離或加大儲能電容器的容量。

(6) 故障距離的測試與前述方法相同。