電纜故障在線檢測定位裝置研究

高闖，王莉，楊善水

(南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 211100)

0 引 言

復(fù)雜大系統(tǒng)(例如飛機、航天器、核、可再生能源系統(tǒng)等)正飛速發(fā)展，與之配套的電力系統(tǒng)需要越來越多的電線電纜來實現(xiàn)功率輸送及信號控制。受外界因素，例如水、紫外線、溫度、振動、過載及時間等影響[1-2]，電纜會逐步老化并最終導(dǎo)致出現(xiàn)短路、斷路等硬故障及間歇性故障。由于間歇性故障具有難以復(fù)現(xiàn)的特點，地面檢測率低，亟需一種電纜故障在線檢測定位方法，及時排除故障，保證安全運行。

目前，已有多種方法可以用來診斷電纜故障[2]，其中反射法發(fā)展迅速。反射法根據(jù)入射信號的不同，分為時域反射法[3]、頻域反射法[4]、序列時域反射法[5]、擴展頻譜時域反射法[6-7](Spread Spectrum Time Domain Reflectometry，簡稱SSTDR)、噪聲域反射法[8]等。其中，SSTDR方法因其定位精度高、抗干擾性強、能夠?qū)崿F(xiàn)在線診斷、適用范圍廣等優(yōu)勢而備受關(guān)注。國外，LIVEWIRE公司的Spark Chaser Ⅱ產(chǎn)品就是利用SSTDR實現(xiàn)電纜故障的在線檢測定位，且該公司生產(chǎn)了專用SSTDR集成芯片SSTDR ASIC，其定位精度高(±1%)，檢測周期短(10 ms)，診斷范圍廣[9]。國內(nèi)，在該方面的研究相對落后，方聯(lián)公司的ME103，其短距離定位精度為1 m，無法滿足電纜故障定位的精度要求。

本文采用SSTDR電纜故障診斷技術(shù)，基于FPGA技術(shù)，設(shè)計一種板級速率為500 MHz的飛機電纜故障在線檢測和定位裝置，并進行實驗驗證。

1 電纜故障在線檢測定位原理

1.1 傳輸線理論

當(dāng)電纜注入高頻載波信號，通有高頻載波信號的電纜線可以等效為由分布參數(shù)組成的均勻傳輸線模型，等效電路如圖1所示[10]，L0(H/km)，R0(Ω/km)，C0(F/km)和G0(S/km)分別為單位長度分布電感，分布電阻，分布電容及分布電導(dǎo)。

圖1 均勻傳輸線分布參數(shù)模型Fig.1 Distributed parameter model of uniform transmission line

根據(jù)基爾霍夫電壓定律及電流定律，得電纜上任一點距始端距離為x的電壓電流方程為

(1)

根據(jù)邊界條件可以求出該方程的解，得出入射信號在電纜x點處的反射系數(shù)ρ為

(2)

式中：ZL為x點處的負(fù)載阻抗；Z0為電纜特性阻抗。

當(dāng)電纜x點處發(fā)生開路故障時(ZL=∞)，反射系數(shù)為1，反射信號與入射信號極性相同；當(dāng)電纜x點處發(fā)生短路故障時(ZL=0)，反射系數(shù)為-1，反射信號與入射信號極性相反。

1.2 SSTDR電纜故障檢測原理

SSTDR的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2所示，主要分為3步：①信號源將由偽隨機信號(PN碼)與正弦波調(diào)制的擴頻檢測信號注入待測電纜，②檢測系統(tǒng)采集故障點處由于阻抗不匹配而反射的信號，③將入射信號與反射信號進行相關(guān)運算，根據(jù)反射信號相對于入射信號的幅值和延遲特性，判定故障類型及故障距離。

圖2 SSTDR電纜故障診斷結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of cable fault diagnosis with SSTDR

其相關(guān)運算后的故障診斷波形圖如圖3所示，可以看出：采用SSTDR實現(xiàn)電纜故障定位遵循傳輸線原理，開路故障，反射波頭為正；短路故障，反射波頭為負(fù)；根據(jù)相關(guān)入射波和反射波之間的距離可以判定故障距離；無反射波頭時，電纜無故障。

圖3 電纜故障診斷波形Fig.3 Diagram of cable fault diagnosis figure

2 裝置硬件設(shè)計及性能指標(biāo)

2.1 裝置硬件設(shè)計

高速SSTDR故障檢測裝置的整個硬件電路如圖4所示，主要包括7部分：FPGA最小系統(tǒng)、時鐘發(fā)生模塊、DA轉(zhuǎn)換模塊、高速采集模塊、多路通道選擇模塊、隔離耦合模塊和通信接口模塊。

圖4 SSTDR電纜故障在線檢測定位裝置硬件框圖Fig.4 Hardware block diagram of SSTDR cable fault online detection and location device

在FPGA最小系統(tǒng)中將PN碼與正弦信號調(diào)制，實現(xiàn)擴頻檢測數(shù)字信號的產(chǎn)生。產(chǎn)生的數(shù)字信號被送入DA轉(zhuǎn)換模塊中進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，并根據(jù)實際電路的需要調(diào)節(jié)信號的幅值大小。DA需要高頻時鐘驅(qū)動，F(xiàn)PGA自身的時鐘信號無法滿足，因此采取外擴高頻時鐘芯片，相應(yīng)的配置在FPGA中實現(xiàn)，為DA和AD的芯片提供工作時鐘。最終產(chǎn)生的模擬入射信號通過通道選擇模塊，在隔離耦合的作用下，注入相應(yīng)的通道中，對該通道的電纜進行故障診斷。其中多通道選擇模塊實現(xiàn)檢測裝置對多路電纜分時循環(huán)發(fā)送信號，實現(xiàn)對多路電纜的故障檢測；當(dāng)入射信號遇到由故障點引起的阻抗不匹配點時會產(chǎn)生反射信號，反射信號在隔離耦合器的作用下送入高頻信號采集模塊，通過調(diào)理電路進行信號幅值的調(diào)節(jié)，利用AD芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入FPGA中。FPGA最小系統(tǒng)對入射信號和反射信號進行相關(guān)運算處理，并提取故障信息，通過串口通信傳輸?shù)缴衔粰C進行故障信息顯示。

2.2 性能指標(biāo)

高速SSTDR板卡硬件測試板卡性能指標(biāo)：

(1) 測試方法：SSTDR；

(2) 測試電纜拓?fù)漕愋停簡沃坊蚍种щ娎|；

(3) 測試故障類型：能夠?qū)崿F(xiàn)開路、短路以及間歇性電弧故障檢測定位；

(4) 檢測定位精度：≤±0.2 m；

(5) 單次故障檢測周期：<200 μs；

(6) 測試電纜型號：電力電纜與信號電纜。

3 實驗驗證

以航天器電源系統(tǒng)為例，建立基于SSTDR的電纜故障測試平臺，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 電纜故障在線檢測定位裝置實驗平臺Fig.5 Experimental platform of cable fault on-line detection and location device

主功率電源、限流電阻、待測電纜及負(fù)載用于模擬功率回路。在待測電纜AF250上設(shè)置故障，用于模擬開路、短路及電弧故障，SSTDR故障檢測定位裝置發(fā)送一組檢測信號通過信號注入裝置將其注入待測電纜中，并將反射回來的信號接收至SSTDR裝置中，在其中進行一定的算法運算，將故障信息通過232串口發(fā)送至上位機，在Labview界面顯示故障信息及故障距離。

在待測電纜2.10、5.55、5.68、5.80 m等處分別設(shè)置開路、短路、串行電弧、并行電弧故障。電纜故障在線檢測定位裝置診斷出的結(jié)果如圖6所示，可以看出：該裝置能夠在相應(yīng)的定位精度(±0.2 m)范圍內(nèi)對電纜故障進行正確的檢測與定位，其中，對電纜開路、短路硬故障的檢測率可達(dá)95%以上，對間歇性串行電弧、并行電弧的檢測率能夠達(dá)到90%以上。

(a) 2.10 m處開路故障

(b) 5.55 m處短路故障

(c) 5.68 m處串行電弧故障

(d) 5.80 m處并行電弧故障圖6 電纜故障檢測定位結(jié)果Fig.6 The result of cable fault diagnosis

4 結(jié) 論

(1) 本文設(shè)計的飛機電纜故障在線檢測定位裝置，能夠?qū)﹄娎|各類型故障進行精確定位，檢測率高，具有較高的工程應(yīng)用價值。

(2) 該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)電纜在線狀態(tài)監(jiān)測，對難以復(fù)現(xiàn)的間歇性故障具有較好的診斷效果。