電纜故障檢測系統(tǒng)設(shè)計

房峰

摘要：電纜作為電力傳輸或信號傳遞的載體，在設(shè)備設(shè)施中發(fā)揮著重要的作用。在設(shè)備故障排查和預(yù)防性維修時，需要對電纜的技術(shù)狀態(tài)進行檢查，確保設(shè)備供電或者信號傳遞的正確性。在設(shè)備電纜故障中，最為常見的故障類型就是短路和斷路故障，依靠人工進行排查的傳統(tǒng)方法效率低、錯誤率高。利用現(xiàn)有計算機技術(shù)開展電纜導(dǎo)通和絕緣檢測，并可以檢測故障類型和斷點位置，能夠?qū)崿F(xiàn)電纜主要技術(shù)指標(biāo)檢測的自動化和智能化，提升應(yīng)急故障處置能力，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和設(shè)備維護中具有良好的應(yīng)用前景和實際意義。

關(guān)鍵詞：電纜、單片機、斷點檢測、絕緣

一、概述

隨著科學(xué)技術(shù)的逐步發(fā)展，電纜的應(yīng)用日趨復(fù)雜和先進，在工業(yè)生產(chǎn)中的地位也越來越重要。特別是在大中型電氣設(shè)備中，電纜具有敷設(shè)隱蔽性強、走線集中、數(shù)量種類多等特點，作為電力驅(qū)動和信號傳遞的主要載體，一旦發(fā)生故障無法在短時間內(nèi)定位排除，將會帶來不可估量的損失和影響。設(shè)備電纜故障檢測和日常維護通過簡單工具開展檢測，效率低、易出錯，難以滿足現(xiàn)代化的生產(chǎn)需求，需要一種具備自動化和智能化的測試系統(tǒng)開展電纜的性能檢測。本文研究一種基于嵌入式系統(tǒng)控制的電纜故障檢測系統(tǒng)設(shè)計，并給出設(shè)計方法，它較之傳統(tǒng)的方法有測試精度高、智能化水準(zhǔn)好、操作簡便等優(yōu)點。并且基于嵌入式系統(tǒng)研究，用軟件編程的思想可實現(xiàn)測試鏈路的自動切換，并具備后續(xù)擴展需求，節(jié)約硬件資源，具有良好的市場應(yīng)用前景。

二、測試的基本原理

導(dǎo)通測試基于惠斯登電橋進行開展，由于電纜導(dǎo)通阻值較小，兩臂容易同時對電源變化產(chǎn)生反應(yīng)，需要將輸出信號送入差分放大器，消除共模干擾，提高測試的準(zhǔn)確性。

進行基準(zhǔn)電壓校正時需要將RS被測電阻設(shè)定為0（短路），此時通過調(diào)整R0使兩臂之間電阻相同，電橋處于平衡狀態(tài)，電路沒有輸出。當(dāng)系統(tǒng)開展導(dǎo)通測試時，電纜電阻接入測試系統(tǒng)，電橋平衡被打破，輸出電壓U1與基準(zhǔn)比較電壓U2產(chǎn)生差值，經(jīng)過放大后進入檢測電路采樣。

故障檢測基于低壓脈沖反射法開展，通過測試反射脈沖信號的極性可判斷故障類型，如果反射脈沖與反射脈沖極性相同，故障點為開路，如果極性相反，故障點為短路。

通過計算發(fā)射脈沖信號與反射脈沖信號之間的時間差計算故障點距離測試點的距離。在測試時需要通過電纜連接適配器從電纜的端面輸入低壓脈沖信號，此時時間記為t1，信號在傳輸過程中遇到斷面、接頭、損傷等特殊點位時，電纜阻抗會發(fā)生變化，此時會從阻抗變化的起始位置反射一個脈沖信號，從被測試電纜的起始端傳遞到測試系統(tǒng)，并被系統(tǒng)記錄，時間記為t2。根據(jù)電流信號傳播速度為v，被測試電纜斷點距離測試起始端的長度L，可根據(jù)公式計算得出：

絕緣檢測可實現(xiàn)電纜內(nèi)部每條芯線與電纜屏蔽層之間和每條芯線之間的耐壓電阻檢測。通過系統(tǒng)內(nèi)置調(diào)節(jié)器可選擇100V-1000V之間的耐壓測試電壓檔，將電壓加載到需測試的電纜芯線之間，利用電阻分壓法測試回路的分壓值輸入放大電路，基準(zhǔn)比較電壓通過基準(zhǔn)電源提供。放大電路放大后信號進入檢測電路進行采樣，并由系統(tǒng)進行記錄，電纜內(nèi)部各芯線之間的選通通過邏輯電路控制繼電器陣列實現(xiàn)測試管腳分配。

三、系統(tǒng)設(shè)計方案

（一）系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)主要針對短距離低壓電力電纜和通信電纜檢測進行設(shè)計，被測試電纜最大芯線數(shù)設(shè)定為400芯以內(nèi)，能夠滿足大多數(shù)的應(yīng)用需求。系統(tǒng)基于嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)，利用嵌入式系統(tǒng)采集分析測試信號的特性，通過顯示模塊能夠直觀給出測試結(jié)果。主要由嵌入式模塊、顯示及控制模塊、供電及高壓模塊、繼電器控制模塊、適配器等部分組成。嵌入式模塊作為檢測系統(tǒng)控制核心選用ARM架構(gòu)系列，具有兼容性好、可開發(fā)性強、操作維護方便等特點，負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)自檢、指令執(zhí)行、數(shù)據(jù)處理記錄、控制硬件電路完成功能檢測等功能，同時提供數(shù)據(jù)傳輸接口，實現(xiàn)功能拓展。顯示及控制模塊具有功能選擇按鍵實現(xiàn)系統(tǒng)功能選擇和人機交互界面的顯示。供電及高壓模塊可以連接220V標(biāo)準(zhǔn)電源，一方面通過整流分壓為系統(tǒng)提供工作電源，同時通過逆變模塊可產(chǎn)生1000V以內(nèi)高壓用于絕緣測試，內(nèi)置高精度低噪聲基準(zhǔn)電源為放大電路提供基準(zhǔn)比較電壓。繼電器控制模塊由繼電器整列組成，計算機系統(tǒng)控制指令經(jīng)譯碼電路可驅(qū)動相應(yīng)的繼電器斷開和閉合，實現(xiàn)測試點之間的自動切換連接。適配器需要根據(jù)實際測試電纜的接口形式進行適配制作，系統(tǒng)提供二組20*20的標(biāo)準(zhǔn)插針陣面，與電纜連接部分通過制作適配電纜與系統(tǒng)進行連接，也可以根據(jù)實際常用的型號的連接器進行適配制作。

（二）系統(tǒng)工作流程

電纜測試系統(tǒng)包含自檢、絕緣檢測、導(dǎo)通檢測和故障輔助定位四個功能模塊。系統(tǒng)開機以后自動開始自檢，通過發(fā)送校驗指令，系統(tǒng)檢測檢驗碼正確后會接通接口及各功能模塊，開展繼電器模塊自檢，系統(tǒng)自動選取校正點位繼電器執(zhí)行導(dǎo)通測試任務(wù)，采樣分析電壓等基本信息，如正常反饋校正碼系統(tǒng)判定工作正常，進入待機狀態(tài)等待執(zhí)行功能模塊。

執(zhí)行導(dǎo)通或絕緣測試時首先需要將被測試電纜通過適配器接入測試系統(tǒng)，通過功能選擇鍵盤設(shè)置測量電纜的芯線數(shù)，并選擇起始芯線編號和結(jié)束芯數(shù)編號，作為測試地址碼。執(zhí)行導(dǎo)通檢測系統(tǒng)自動執(zhí)行某一芯線與其他芯線的導(dǎo)通檢測，如果測試通過反饋測試通過標(biāo)志，并記錄測試兩端芯線編號，并顯示測試結(jié)果，測試流程接收。絕緣測試時只需接入電纜一端接入測試系統(tǒng)，通過功能開關(guān)選擇測試電壓，系統(tǒng)自動執(zhí)行某一芯線與其他芯線和屏蔽之間的耐壓檢測，經(jīng)采樣反饋顯示耐壓阻值。

在測試過程中，如果電纜導(dǎo)通或絕緣測試出現(xiàn)問題，可以使用故障輔助定位功能進一步分析故障點的類型及距離測試點的距離，系統(tǒng)通過發(fā)射一個脈沖信號，經(jīng)放大電路進入到電纜，同時計時器開始計時，脈沖信號遇到故障點時產(chǎn)生回波信號，再經(jīng)放大后進入計算機，計時器停止計時。處理器根據(jù)回波特性分析故障點類型，并計算斷點距離測試點的長度，并顯示測試結(jié)果。

（三）斷點測試系統(tǒng)誤差處理

在開展斷點測試過程中，單個脈沖寬度越寬會導(dǎo)致測量盲區(qū)越大，在實際選擇時以尖峰波的上升沿作為觸發(fā)計時器的條件，根據(jù)回波信號的特性可以進一步判斷具體的故障點類型。由于計時模塊執(zhí)行語句和外圍電路延時會參數(shù)系統(tǒng)測試誤差，在進行故障點距離計算時需把系統(tǒng)延時值減去，因此得到下面的關(guān)系式：

L1代表測量誤差長度，V1代表信號在電纜中的傳輸速度，代表信號發(fā)射到接收時間，代表系統(tǒng)延遲時間，與系統(tǒng)響應(yīng)頻率有直接關(guān)系，需要依據(jù)具體嵌入式系統(tǒng)的參數(shù)在計算模塊中進行誤差校正。

四、結(jié)語

電纜故障檢測系統(tǒng)便攜性好、技術(shù)成熟穩(wěn)定，具有響應(yīng)迅速、測試準(zhǔn)確、功能豐富的特點，能夠為電氣維護人員提供良好的技術(shù)支撐。后續(xù)功能拓展中還可以與工控機進行結(jié)合，建立測試數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)更加精細(xì)化的測量功能，能夠更加高效和準(zhǔn)確的開展電纜故障診斷。

參考文獻(xiàn)：

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