電力電纜識(shí)別技術(shù)研究

唐立珠，劉蔥柏，劉雪冬，白水峰，李鐵鋒

（1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司吉林供電公司吉林吉林132000；2.陜西意聯(lián)電氣設(shè)備有限公司陜西西安710000）

電力電纜識(shí)別技術(shù)研究

唐立珠1，劉蔥柏2，劉雪冬1，白水峰1，李鐵鋒1

（1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司吉林供電公司吉林吉林132000；2.陜西意聯(lián)電氣設(shè)備有限公司陜西西安710000）

針對(duì)傳統(tǒng)電纜檢測(cè)和識(shí)別技術(shù)的局限性，文中基于電磁感應(yīng)原理，提出通過對(duì)耦合信號(hào)的不同相位的鑒別來實(shí)現(xiàn)在線電力電纜的檢測(cè)。系統(tǒng)由發(fā)射端和接收端兩部分構(gòu)成，發(fā)射端采用升壓電路和全橋逆變器結(jié)合的結(jié)構(gòu)，利用電磁感應(yīng)將識(shí)別信號(hào)耦合到電纜的金屬鎧甲上，接收端則通過互感鉗來檢測(cè)金屬鎧甲上的信號(hào)，并通過相位識(shí)別技術(shù)進(jìn)行鑒別，從而判斷出電力電纜之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過對(duì)批量的樣機(jī)進(jìn)行實(shí)測(cè)，取得了較好的運(yùn)行效果，符合預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

電纜識(shí)別；雙調(diào)制波；電磁感應(yīng)；頻譜分析

隨著人民生活水平的不斷提高，各種電氣設(shè)備在日常的應(yīng)用越來越廣泛，電力電纜作為城市電能傳輸?shù)闹匾ㄓ嵜浇?，在城市建設(shè)中的位置越來越重要。由于電力電纜是隱蔽工程，且當(dāng)前對(duì)電力電纜的數(shù)據(jù)管理比較落后，資料殘缺，不能通過之前的數(shù)據(jù)對(duì)電纜進(jìn)行精確的判斷，然而隨著城市化的推進(jìn)，越來越多的電力電纜需要識(shí)別，替換，因此，研究電力電纜的識(shí)別技術(shù)，避免挖斷電纜造成的各種電氣事故，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-4]。目前常用的方法為脈沖極性法、音頻信號(hào)法、電阻法等，脈沖極性法只能對(duì)停電的電纜進(jìn)行檢測(cè)，適用性不強(qiáng)，音頻法雖然解決了電纜的帶點(diǎn)檢測(cè)，但檢測(cè)時(shí)需要找到與系統(tǒng)接地相獨(dú)立的接地方式，應(yīng)用上存在一定的局限性[5-7]。本文基于電磁感應(yīng)原理，提出通過對(duì)耦合信號(hào)的不同相位的鑒別來實(shí)現(xiàn)在線電力電纜的檢測(cè)。從而判斷出電力電纜之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過對(duì)批量的樣機(jī)進(jìn)行實(shí)測(cè)，取得了較好的運(yùn)行效果，符合預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。為電力電纜識(shí)別提供了新方向。

1 電纜識(shí)別技術(shù)相關(guān)理論

1.1 信號(hào)發(fā)射技術(shù)

根據(jù)電力電纜的特性，發(fā)射信號(hào)需要一個(gè)正相周期和反相特性周期的信號(hào)。此次研究采用將兩個(gè)不同頻率的正弦波信號(hào)進(jìn)行疊加，通過設(shè)定兩者的頻率，可以實(shí)現(xiàn)正相和反相的周期信號(hào)[8-10]。為了合成方便，兩個(gè)信號(hào)的周期盡可能的為最小公倍數(shù)，本文選用800 Hz和1.2 kHz的正弦波進(jìn)行合成頻率為400 Hz的波形，如圖1所示。

圖1 發(fā)射信號(hào)波形

1.2 信號(hào)相位分析

對(duì)發(fā)射信號(hào)采樣一個(gè)周期進(jìn)行FFT運(yùn)算，可分別得出不同頻率的信號(hào)相位?800，?1200。當(dāng)8 00 Hz的波形相角為90度時(shí)可計(jì)算1 200 Hz信號(hào)的相位?1200_800p，同理可得?800_1200p。不管采用什么樣的采樣方式，兩者均有固定的關(guān)系[11]。兩者合成之后的周期成為合成周期，如圖2所示，合成之后每個(gè)周期內(nèi)會(huì)有兩次達(dá)到峰值如圖中的A點(diǎn)和B點(diǎn)，兩者的相位差為90度。通過相位分析可將檢測(cè)到的信號(hào)分成4種情況：

如果電纜不是匹配電纜，則檢測(cè)到的信號(hào)為反相的如圖3所示。通過對(duì)其進(jìn)行相位進(jìn)行分析，可將其分為4種情形：

圖2 電纜匹配時(shí)的合成波形

圖3 電纜不匹配時(shí)的合成波形

2 信號(hào)發(fā)射端設(shè)計(jì)

從結(jié)構(gòu)上來看，信號(hào)發(fā)射器是由升壓電路和逆變電路組成。產(chǎn)生波形的算法有很多，此次選取的為等效面積法，即把每一個(gè)正弦波半波等效成N等分，每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用等面積的高矩形波替代，這樣N個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖所構(gòu)成的波形與正弦波半波等效[12-15]。

逆變電路本系統(tǒng)采用的為全橋逆變電路如圖4所示，晶閘管為IRF740，ID=10 A；電容為CBB電容0.68 μF，可承受電壓為400 V。

圖4 全橋逆變電路

發(fā)射端的升壓電路的輸入電源為12 V，DC/DC增益為200/12=17，為了避免由于占空比過大導(dǎo)致過高的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力，所以此次的電路設(shè)計(jì)占空比不能超過80%。結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 DC/DC變換器

總增益為：

D=0.7即可滿足設(shè)計(jì)要求。

3 信號(hào)接受端設(shè)計(jì)

通過互感器可以實(shí)現(xiàn)將信號(hào)從電纜的鎧甲上提取出來，檢測(cè)發(fā)射信號(hào)的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生耦合現(xiàn)象，因此設(shè)計(jì)電路的時(shí)候需要設(shè)計(jì)帶通濾波用以消除干擾信號(hào)。同時(shí)由于信號(hào)長距離的傳輸，會(huì)持續(xù)的衰減，使得檢測(cè)到的信號(hào)及其微弱，所以需在濾波器的輸出端加上放大器。

本次設(shè)計(jì)的帶通濾波器采用4階的巴特沃斯函數(shù)模型，選用TI公司的UAF42AP芯片搭建電路，通過自帶的仿真軟件分別對(duì)800 Hz和1 200 Hz的輸入信號(hào)進(jìn)行模擬仿真，同時(shí)對(duì)加入帶通濾波器之后造成的相位偏移進(jìn)行補(bǔ)償修正。800 Hz、1 200 Hz的仿真結(jié)果如圖5、6所示。

圖6 800 Hz信號(hào)濾波圖

圖7 1 200 Hz信號(hào)濾波圖

有圖可得濾波增益在0.45左右，加入濾波器之后使得800 Hz的信號(hào)相位之后了40.3°，1 200 Hz的信號(hào)相位超前了64.8°，由于發(fā)射信號(hào)是兩者的合成信號(hào)，因此考慮到加入濾波器的相位偏移需要在判斷的基礎(chǔ)上加上相位的偏移量為 40.3°+64.8°=105.1°，對(duì)電纜的識(shí)別判定依據(jù)修正為：

電纜不匹配的修正判據(jù)：

經(jīng)過帶通濾波的信號(hào)由于經(jīng)過長距離的傳輸，信號(hào)已經(jīng)衰減，檢測(cè)到的信號(hào)已經(jīng)非常微弱，再進(jìn)一步分析之前需經(jīng)過一次信號(hào)放大，由于檢測(cè)電纜的距離不同，測(cè)得的信號(hào)的大小也不同，因此本次的放大器采用自動(dòng)增益控制電路，電路如圖8所示。經(jīng)過放大的信號(hào)便可依據(jù)上述的判定依據(jù)對(duì)電纜進(jìn)行識(shí)別。

圖8 自動(dòng)增益控制圖

4 結(jié) 論

通過采用800 Hz和1 200 Hz的正弦波信號(hào)進(jìn)行疊加，產(chǎn)生系統(tǒng)檢測(cè)的發(fā)射信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)正相和反相兩種不同的周期信號(hào)，方便分析和識(shí)別，同時(shí)在接收端加入帶通濾波器過濾干擾信后，并在分析之前通過自動(dòng)增益控制的放大電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，增強(qiáng)了系統(tǒng)的識(shí)別率，為電力力電纜識(shí)別提供了新方向。

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Research on identification technology of power cable

TANG Li?zhu1，LIU Cong?bai2，LIU Xue?dong1，BAI Shui?feng1，LI Tie?feng1
（1.Chinese Jilinsheng Electric Power co.，LTD.，Jilin Electric Power Supply Company，Jilin132000，China；2.Shanxi Yilian Electric Equipment Co.，Ltd.，Xi'an710000，China）

Aiming at the limitations of traditional cable detection and recognition technology，this paper based on the principle of electromagnetic induction is proposed to realize the detection of power cable online through the identification of signal coupling of different phases.System consists of transmitter and receiver two parts constitute，transmitter adopts a structure of the boost circuit and a full bridge inverter with，using electromagnetic induction will identify signal is coupled to the cable metal armor，receiver is by transformer clamp to detect metal armor signal and by phase identification technology identification，to determine the correspondence between the power cable.Through the bulk of prototype were measured and achieved good operating results，meet the expected design goal.

cable identification；dual modulation wave；electromagnetic induction；frequency spectrum analysis

TN710

A

1674-6236（2017）22-0166-04

2016-08-23稿件編號(hào)：201608161

唐立珠（1962—），男，吉林蛟河人，高工。研究方向：電力系統(tǒng)、項(xiàng)目總體方案設(shè)計(jì)等。