基于雙調(diào)制波的電纜核線技術(shù)研究

陶雙柱 袁立翱 楊濤宇 錢俊杰

摘要：雙調(diào)制波是指一種正相信號(hào)與反相信號(hào)完全不同的周期信號(hào)，其是通過疊加兩個(gè)正弦波信號(hào)而產(chǎn)生的，而這兩個(gè)正弦波信號(hào)的頻率是不相同的?，F(xiàn)介紹利用電磁感應(yīng)原理的基于雙調(diào)制波技術(shù)的電力電纜核線技術(shù)，其通過鑒別耦合信號(hào)的不同相位，從而達(dá)到在線檢測(cè)電力電纜的目的。

關(guān)鍵詞：電纜識(shí)別;雙調(diào)制波信號(hào);頻譜分析

中圖分類號(hào)：TM247? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）01-0019-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.01.005

0? ? 引言

電力電纜是電能在電氣設(shè)備之間傳輸或控制信號(hào)在電氣設(shè)備之間傳遞及通信的重要媒介，在檢修維護(hù)電力設(shè)備及電力建設(shè)過程中發(fā)揮的作用十分重要[1-3]。在實(shí)際工作中，電力電纜從早期的建設(shè)到后期投入運(yùn)行后的運(yùn)維，其對(duì)線、查線、探測(cè)和管理上均存在著很大的不足，具體表現(xiàn)為建設(shè)電纜時(shí)接線與鋪設(shè)核線技術(shù)不夠先進(jìn)，電纜檢測(cè)效率較低，電纜探測(cè)精確度無法滿足電纜檢測(cè)實(shí)用性的要求，電纜檢測(cè)的準(zhǔn)確性與供電可靠性存在明顯差距，在復(fù)雜環(huán)境下，如運(yùn)行時(shí)檢測(cè)、掩埋、強(qiáng)電磁干擾、多條電纜纏繞等情況下，電纜普查和數(shù)據(jù)信息的管理往往存在很大的技術(shù)漏洞和缺陷，究其原因均為缺乏有效的技術(shù)手段對(duì)電力電纜進(jìn)行精準(zhǔn)地定位檢測(cè)[4-6]。另外，電力電纜在后期的檢修運(yùn)維中也存在著很大的困難，如21世紀(jì)以來，電力電纜快速發(fā)展，迅速?gòu)脑缙诘男陆ㄟ^渡到了如今的大規(guī)模鋪設(shè)，隨著城鎮(zhèn)現(xiàn)代化的推進(jìn)，如今的電力電纜網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)綜復(fù)雜，因而在施工過程中，從輕度受損到被挖斷的情況屢屢發(fā)生，其原因主要在于早期電纜鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)大多沒有存檔記錄。此外，管理規(guī)范片面且落后、技術(shù)手段缺乏、人員不斷變動(dòng)等因素也導(dǎo)致了此類情況的發(fā)生[7-8]。

1? ? 雙調(diào)制波的合成

根據(jù)電纜信號(hào)傳輸模型，需要一個(gè)發(fā)射信號(hào)，且該信號(hào)的正反相周期特性須不同。而雙調(diào)制波是一種正相信號(hào)與反相信號(hào)不同的周期信號(hào)，其通過疊加兩個(gè)設(shè)計(jì)好的不同頻率的正弦波信號(hào)而產(chǎn)生，識(shí)別電力電纜便可基于該信號(hào)來完成。本項(xiàng)目所研究的電力電纜核線裝置正是基于該技術(shù)，且兩個(gè)正弦波信號(hào)頻率設(shè)計(jì)為800 Hz和1 200 Hz。

在設(shè)計(jì)雙調(diào)制波的過程中，不能選取頻率具有整數(shù)倍關(guān)系的兩個(gè)波形，其原因在于成倍數(shù)關(guān)系的兩個(gè)波形疊加后所得到的調(diào)制波相位變化了180°，如圖1和圖2所示（圖中選取的波形頻率為1 kHz和3 kHz，其頻率成倍數(shù)關(guān)系）。

為更方便地合成波形，選取波形的最優(yōu)方法是選擇頻率具有最小公倍數(shù)的兩個(gè)波形，故本項(xiàng)目選擇的是頻率分別為800 Hz和1 200 Hz的兩個(gè)正弦波，其疊加后所得到的雙調(diào)制波頻率是400 Hz，且波形正反相是截然不同的，如圖3所示，其分別是800 Hz和1 200 Hz反相后的波形及疊加后所得到的波形。實(shí)際上，實(shí)現(xiàn)此效果的條件是兩個(gè)正弦波的頻率比為2/3。

由于逆變器的正弦信號(hào)受到開關(guān)頻率的限制，故采用上述頻率的正弦波信號(hào)。通常情況下，開關(guān)頻率在100 kHz以下，如不間斷電源中的逆變器的開關(guān)頻率在20 kHz左右。系統(tǒng)的開關(guān)頻率可設(shè)定為100 kHz，導(dǎo)致波形畸變和開關(guān)頻率較難過濾的原因通常為調(diào)制波頻率過大，每個(gè)周波的開關(guān)周期過少。而且若頻率過高，考慮到傳輸線寄生參數(shù)的影響，會(huì)導(dǎo)致電纜上的信號(hào)嚴(yán)重衰減，從而減短信號(hào)的傳輸距離。另外，頻率不能太低，控制電纜內(nèi)部可能存在工頻交流電，其高頻諧波較弱，對(duì)上述兩個(gè)頻率的信號(hào)影響相對(duì)較小，這樣就能很容易地過濾掉低頻分量，得到400 Hz的雙調(diào)制波信號(hào)。

2? ? 雙調(diào)制波信號(hào)相位分析

對(duì)雙調(diào)制波信號(hào)的某個(gè)周期進(jìn)行快速傅里葉變換運(yùn)算，可得到800 Hz和1 200 Hz信號(hào)采樣周期起始點(diǎn)處的相位φ800和φ1 200。根據(jù)這兩個(gè)相位可以求得800 Hz信號(hào)峰值時(shí)（即φ800P=90°），1 200 Hz信號(hào)的相位φ1 200_800P，且φ1 200_800P和φ800P=90°均滿足一定的等式關(guān)系。

根據(jù)φ800與90°的關(guān)系，匹配電纜上的信號(hào)劃分情形如圖4所示。

在情形Ⅰ和Ⅲ所得到的φ800介于0°～90°之間，而情形Ⅱ和Ⅳ所得到的φ800介于90°～360°之間。下面分析每一種情形以得到在不同情形下φ800和φ1 200的關(guān)系。

由于以上計(jì)算結(jié)果有超過360°的可能，而快速傅里葉變換計(jì)算結(jié)果應(yīng)在0°～360°，所以將0°～360°之外的φ1 200進(jìn)行處理，減去或加上360°，直到0≤φ1 200≤360°。

（P）360°表示若是P>360°，則P減掉360°;若是P<0，則P加上360°，直到0≤P<360°。

同理，非匹配電纜上的信號(hào)劃分情形如圖5所示。

3? ? 識(shí)別判據(jù)

根據(jù)上文分析的結(jié)果，φ800和φ1 200在雙調(diào)制波正反相情況下滿足不同的等式關(guān)系，且以上述關(guān)系作為識(shí)別判據(jù)，不會(huì)產(chǎn)生誤判。

兩者滿足其一即可。

雖然電纜不匹配判據(jù)不能直接確定電纜之間的匹配關(guān)系，但其可以檢測(cè)儀器。若檢測(cè)結(jié)果同時(shí)不滿足匹配和非匹配標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)，則可能是儀器發(fā)生故障，重新更換設(shè)備即可。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)基于雙調(diào)制波的電纜核線系統(tǒng)中的部分環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究，后續(xù)得到了部分電路的試驗(yàn)結(jié)果且制造出了樣機(jī)。基于本文所述技術(shù)設(shè)計(jì)的電力電纜核線系統(tǒng)主要由發(fā)射端和接收端兩部分組成，其中發(fā)射端主要采用升壓逆變結(jié)構(gòu)，通過電磁感應(yīng)原理將識(shí)別到的信號(hào)耦合到電力電纜的金屬鎧甲上;接收端采用相位識(shí)別技術(shù)來檢測(cè)和鑒別電力電纜金屬鎧甲上的信號(hào)，并判斷出電力電纜的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系。如今，基于雙調(diào)制波技術(shù)的電力電纜核線系統(tǒng)已在智能管理系統(tǒng)中取得了良好的運(yùn)行效果，通過該系統(tǒng)，相關(guān)工作人員可以及時(shí)、精確地掌握電力電纜位置和情況，這對(duì)電力電纜的安全運(yùn)維、日常管理、城市施工、事故預(yù)防等起到了積極作用。

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收稿日期：2021-11-01

作者簡(jiǎn)介：陶雙柱（1979—），男，江蘇南京人，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化、輸變電施工。