基于声磁同步原理电力电缆故障定位的研究.pdf

第 5 1卷第 1 0期 2 0 1 4年5月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e n t& I n s t r u m e n t a t i o n VO 1 51 No 1 0 M a y 2 5， 2 01 4 基 于声磁 同步原理 电力电缆故 障定位 的研究 高巧妹， 戚宇林 ( 华北电力大学， 河北 保定 0 7 1 0 0 0 ) 摘要： 通过查阅大量资料选用了一种基于声磁 同步法 的精确故 障定位方法 ，并设计 了声 、 磁信号传感器 ， 使 电 力电缆精确定位更为直观。首先用脉冲发生器对电缆施加放电脉冲 ， 此时故 障点就会释放出声音信号与电磁 信号 ， 而电磁信号的传播速度接近光速瞬问到达故障点 ， 在检测到 电磁信号后通知单片机定时器 T l对 内部 机 器周期计数， 直到检测到声音信号为止， 由液晶屏显示测量结果， 并沿着电缆寻找时间值最小点即为故障点所 在的位置 ， 其方法对电网的可靠运行具有积极作用。 关键词： 电力 电缆； 故障定位； 声音信号 ； 电磁信号 中图分类号： T M 9 3 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 4 ) 1 0 0 0 2 8 0 5 Th e S t u d y o f t he Po we r Ca b l e Fa ul t Lo c a t i o n Ba s e d o n t he Ac o u s t i c a n d M a g ne t S y n c hr o n o us Pr i nc i pl e G AO Q i a o me i ， Q I Y u l i n ( N o r t h C h i n a E l e c t r i c P o w e r U n i v e r s i t y ，B a o d i n g 0 7 1 0 0 0， H e b e i ，C h i n a ) Ab s t r ac t ：Th i s p a p e r i n t r o d u c e s a n a c c ur a t e f a u l t l o c a t i o n me t h o d be a s e d o n t h e p r i n c i p l e o f t h e ma g n e t i c a n d s o un d s y n c h r o n i z a t i o n， t h r o u n g s e a r c h i n g a l a r g e n u mb e r o f p a p e r s We d e s i g n e d t h e a c o u t i c s i g n a l s e n s o r a n d ma g n e t i c s i g - n a l s e n s o r ，wh i c h ma k e s t he p o we r c a b l e t o p i n p o i n t mo r e i n t ui t i v e F i r s t ，t h e p u l s e g e n e r a t o r a p p l i e s a d i s c h a r g e p u l s e t o t h e c a b l e ， a n d t h e n t h e f a u l t p o i n t wi l l r e l e a s e t h e a u d i o s i g n a l s a n d t h e e l e c t r o ma g n e t i c s i g n a l s As t h e p r o p a g a t i o n s p e e d o f e l e c t r o ma g n e t i c s i g n a l s a c c r o s e t o t h e s p e e d o f l i g h t ，t h e e l e c t r o ma g ne t i c s i g n a l a r r i v e s t h e f a i l u r e p o i n t mo me n t a r i l y Whe n t h e mi c r o c o n t r o l l e r d e t e c t e s t h e e l e c t r o ma g n e t i c s i g n a l s，t h e T1 t i me r wi l l b e c o u nt i n g u n t i l t h e s o u n d s i g n a l i s d e t e c t e d At l a s t t h e LCD d i s p l a i e s me a s u r e me n t r e s u l t s ，a n d whe r e t h e r e s u l t s i s t h e mi n i mum v a l u e i s wh e r e t h e l o c a t i o n o f t he p o i n t o f f a i l u r e i s Ke y wo r d s： p o we r c a b l e，f a u l t l o c a t i o n，ma g ne t i c s i g n a l s，s o un d s i g n a l s 0 引 言 随着城域网改造的实施 ， 电力 电缆 获得 越来越 越广泛的应用。同架空线相 比， 电力 电缆具 有送 电 可靠受环境污染小 、 不需要 占用地 上面积从而保障 人身安全 、 可以提高输 电线路的输送能量等 J 。但 是地下 电缆一旦发生故 障将很难将其 寻找到 ， 如果 处理不及时不仅会浪费大量 的人力 物力 ， 而且会造 成难以估计 的停 电损 失。因此能找到一种快 速、 准 确的电缆故障定位方法 ， 成为 国内外科研人员 的共 同 目标 。 众所周知国内外在 电力 电缆故障查找 时一般分 为两大步 ， 一是电缆故障测距 ， 即查找故 障点所在的 大概 的 范 围 ； 二 是 查 找 故 障 点 所 在 的 精 确 位 一 2 8 一 置 。 _ 4 - 5 1 在精确定点 中有声测法 、 音频感应法和声磁 同步法等。本文只对精确定点中的声磁 同步法做 了 研究 ， 即在 1 0米范围内快速而准确 的查找到故障点 的位置 ， 对电网的可靠运行具有积极作用。 1 标基于声磁同步法的电缆故障定点仪系统组成 如图 1所示为该设计 的整体构框图。电缆故障 点放电会产生声音信号 和电磁信 号 ， 用声音传 感器 和电磁传感器分别检测故 障点在放 电击 穿时所产生 的声音信号和 电磁信 号； 检测到 的信号带 有很多干 扰信号所以要经过滤波排除干扰； 信号经过滤波以 后会有部分低频强信号删除掉， 剩下微弱的高频信 号所以需要进行方大处理 ； 由于放大 电路器 件本身 可能会产生热噪声对信号造成干扰 ， 所以需要再次进 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 l卷第 l 0期 2 0 1 4年5月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e m e nt& I n s t r u m e n t a t i o n VO 1 5 1 N0 1 0 M a y 2 5， 2 0 1 4 图 1 整 体设计 框 图 Fi g 1 Bl o c k di a g r a m o f t he o v e r a l l d e s i g n 行滤波 ； 二次滤波出来 的信 号经过精密整流整成直 流信号 ； 信号进入单片机进行 A D转换 ( 由软件控制 单片机完成) ； 最终结果在显示屏上显示出来。 可能有人会 质疑 C 8 0 5 1 F X系列 单片机 有 内部 A D转换器 吗?回答是肯定 的， 正是基 于此原 因我 们选用了这款单 片机 ， 其缩 减 了整个 电路空 间的设 计同时也节约了成本 。 2 硬件电路的设计 2 1 电磁信号传感器 色码 电感线 圈是一种 高频 电感线 圈， 具有 固定 电感 量 的 电 感 器。 它 的 工 作 频 率 为 l O k H z至 2 0 0 M Hz ， 电感量一般 在 0 1 到 3 3 0 0 h之 间。色 码电感器的电感量标志方法 同电阻一样 以色环来标 记。其单位为 。由色码电感设计的电磁传感器如 图 2所示 。 图2 电磁传感器 Fi g 2 Th e e l e c t l o ma g n e t i c s e n s o r 我们根据电磁感应 原理 ， 用色 码电感设计检测 模块 ， 给检测模块提供直流电压 ， 则 色码 电感 中会有 电流流过， 当其周围有变化的磁场时候 ， 电感就能产 生电磁感应， 感应到的电磁信号经两级放大输出。 电感值越大 ， 感应磁场信号能力越强 ， 检测的范围也 越大。测试结果如表 l所示。 电缆故障点放 电产生 的脉冲磁场一般是一衰减 的余弦信号 ， 信号持续的时间长度大约是 电缆上 高 压信号存在的时间， 图3给出了传感模块检测到的磁 场信号。 表 1 测量结果 T a b 1 Me a s u r e me n t r e s u l t s 色环 电感值 mh 检测范 围 m 4 7 5 6 6 6 7 8 8 8 9 0 2 9 1 2 9 2 2 9 4 4 I 八 7 CH2 5 0 0 mV M5 O Op s CH2 2 图 3检 测的 电磁 信 号 F i g 3 T h e d e t e c t i n g e l e c t r o ma g n e t i c s i g n a l s 2 2 声音传感器原理 2 2 1 声音传感器原理 传感器的基本结构 由一片单面涂有金属 的驻极 体薄膜与一个上面有若干小孔的金属电极( 背称为 背 电极 ) 构成 。驻极体 面与背电极相对 ， 中间有一个 极小的空气 隙 ， 形成一个 以空气 隙和驻极 体作绝缘 介质 ， 以背电极和驻极体上 的金属层作 为两个 电极 构成一个 平板 电容 器。电容 的两极 之 间有输 出 电 极 。由于驻极体薄膜上分布有 自由电荷 。当声波 引 起驻极体薄膜振动而产生位移 时； 改变了电容两极 版之间的距离 ， 从而引起电容 的容量发生变化 J ， 由 于驻极体上 的电荷数始终保持恒定 ， 根据公式 ： Q= C U所 以当 C变化时必然引起 电容器两端 电压 U的 变化 ， 从而输出电信号 ， 实现声一电的变换 。驻极体 话筒的内部结构如图4所示 。 蒜 一 图 4 驻 极体 话 筒 Fi g 4 Th e e l e c t r e t mi c r o p h o n 一 29 2 4 ；。 1 2 3 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 1卷第 1 0期 2 0 1 4年5月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c al M e a s u r e m e n t& I n s t r u m e n t a t i o n V0 1 51 NO 1 0 M a y 2 5。 2 0 1 4 2 2 2 传感器的设计 此模块使用驻极体话 筒拾取声音信 号 ， 并 对其 进行两级放大处理 ， 放大后的信号进入鉴频识别 模 块 ， 对信号进行鉴频识别。鉴频识别的原理是谐振， 它将拾取的信号和设定信号频率对比， 当频率相同 时， 输出一个开关量信号， 不但实现了有效拾取声音 信号而且能检测出信号的频率。传感器检测到的声 音信号如图 5所示 。 l 4 q l j V I I = M 2 5 0p a CH2 图 5 检测的声音信号波形 图 Fi g 5 Th e d e t e c t i n g s o un d s i g n a l wa v e f o r m 2 2 3 滤波电路设计 U A F 4 2滤波器的设计一般 有两种方法 ： 一种是 同相输入方式 ， 另一种 是反相输入方式 。本文设计 采用同相输入方 式 ， I n 2作 为信号 输入端 ， U A F 4 2引 脚 7为带通信号输出端 。滤波器的设计原理， 如 图 6所示。 M 图 6 有源滤波器 Fi g 6 Th e fi l t e r 滤波器中心频率 ： r 2 R L 2 ： 放大倍数 ： A R4 Q值 ： 一 30 一 ( 2 ) Q= ： 二R 4 ( R + R Q ) 匦 1R 2 R 1 R C 2 一 ( 3 ) 由图 3和图 5可以看 出传感器检测到的信号包 含很多杂波信号 ， 并且 电压很小 。滤波后 的信号如 图 7所示 。 长 I 八 7 、 7 f 7 -=， 三 V ： i j 图 7滤波后 信 号波 形 F i g 7 Th e fi l t e r e d wa v e f o r m 图7 ( a ) 左边为声音信号， 图7 ( b ) 为电磁信号， 可 以看 出有 源滤波器很有效地滤 出信 号 ， 并且实 现 了增益放大 。 2 2 4 放大电路设计 放大电路采用放大器 L F 3 4 7进行设计 ， L F 3 4 7放 大器采用场效应 晶体管技术可提供较宽 的带宽和快 速 的转换速率 ； 并具有较小 的偏 执输入 电流 和电源 电流 ； 可提供单 、 双、 四运算 放大器 ； 高输入阻抗 ， 可 看做理想 运算放 大器_ 9 J 。从反 相端输 入形 成 负反 馈 ， 并在负反馈反馈 回路上并联 c 1反馈 电容 ， c 1是 为了稳定工作点 、 减小对放大信号 的影响。 由放大器的知识 ， 根据理想放大器“ 虚短” 和“ 虚 断” 得 ， 放大倍数 ： ( 4 ) 即放大倍数 由R 。 与 R 的比值决定 ， 值得注意的 是 ， 信号经放 大后 ， 相位会 发生 1 8 0 。 翻转 。取 R = 1 k Q， R ： =1 MQ， 如图 8所示 。 C2 8 图 8放 大 电路 Fi g 8 Amp l i fie r c i r c u i t 1 9 Vo l _ _ _ _ _ _ _ _ 一 0 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 1卷第 1 0期 2 0 1 4年5月2 5日 电测与仪表 Ei e c t r i c a i M e a s ur e me n t& I n s t r u me n t a t i o n V0 1 5 1 NO 1 0 M a y 2 5。 2 0 1 4 2 2 5 精密整流电路 单极性的直流输出电压与输入交流信号 的幅值 呈线性 比例关 系的整 流称 为线性整流 ， 又称精 密整 流 。由于二极管的伏安特性在小信号时处 于截止 或特性 曲线 的弯曲部分 ， 一般利用二极管 的单 向导 电性来组成 整流电路， 在小信号检波时输 出端将 得 不到原信号 ( 或使原信号失真很大) 。如果把二极管 置于运算放 大器组成的负反馈环路 中， 就 能大大削 弱这种影响， 提高电路精度 。 电压关系如下 ： V0= ： ) 在图9 ( a ) 是二极管的电压传输特性 ， 图 9 ( b ) 是 精密整流后的 电压波形 图， 此部 分的作 用就是将正 弦波形整成全部都大于零的半波。 。 O 图9 精 密整流特性 F i g 9 P r e c i s i o n r e c t i fie r c h a r a c t e ris t i c s 图 1 0是精密整流设计 电路 ， 为了使信号进入单 片机进行 A D采样方便 ， 我们在精密整流滤 波后 面 加上一个由 c 和 R 组成的滤交流电路， 信号以之 直流的形式进入单片机进行 A D采样 。 图 1 0 精密整流电路 Fi g 1 0 Th e p r e c i s i o n r e c t i fie r c i r c u i t 3 软件设计部分及测试结果 3 1 C 8 0 5 1 F 3 1 0单 片机简介 “ 一 C 8 0 5 1 F系列是美 国德 克萨斯州 的 C y g n a l 公 司 设计和制造的混合信号片上系统单片机， 该公司于 2 0 1 3年并入 S i l i c o n L a b o r a t o ri e s公司 ， 后者更新原有 5 1 单片机结构 ， 设 计具有 自主知 识产权 的 C I P一5 1 内核的新 C 8 0 5 1 F系列单片机 ， 其运行速度 1 0 0 MI P S 。 C 8 0 5 1 F 3 1 0芯 片具有 高速 、 流水线结构 的 8 0 5 1 兼容的 C I P一 5 1内核 ， 内置 可编程频率为 2 4 5 MH z 精密振荡器 ， 4个通用 1 6位定时器 ，可以配置为数字 或模拟输入的 2 9个 I O端 口， 带有模拟多路器和真正 1 O位 2 0 0 k s p s 的2 5通道单端 差分 A D C 。A D C 0的输 入端选择是由 A MX O P决定的， 当 A MX O P为 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 时， 模拟信号输入端分别为 P 1 0 P 1 7 。 3 2 软件设计程序流程 图 我们将检测 到的声音信号 和电磁信号经 滤波 、 放大、 整流后 进入 单片机 的模 拟输入 端 口 P I 0和 P 1 1 ， 进行 A D转换并判断信号值大小。如图 1 1所 示 ， 当我们查询到电磁信号时启动定时 计数器 T 开 始计时 ， 同时查询声音信号是否到来 ， 查 询到声音信 号时 ， T ： 停止计时， 将计时结果和测量距离显示 到液 晶屏 E 。 图 1 1 流程 图 F i g 1 1 F l o w d i a g r a m 3 3 实验 结果 从表 2中可以看出， 越接近故障点测量 的时间差 越小 ， 据此我们可 以准确 的查 找到故障点所在 的位 置 ， 测量距离与我们实 际的距 离是有一定误差 的在 1 0 c m即 0 1米 范 围之 内， 这 是在误 差 准许 范 围之 内的。 一 31 一 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 l卷第 1 O期 2 0 1 4年5月 2 5日 电测 与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e m e n t& I n s t r u m e nt a t i o n V0 1 5 1 NO 1 0 M a y 2 5， 2 0 1 4 表 2 测量结果 T a b 2 Me a s u r e me n t r e s u l t s 4 结束语 文章的设计是对基 于声磁同步法的电缆故障精 确定点的研究 ， 从测量 的结果可 以看 出误差 不超过 0 1 米， 可以实现对电缆故障精确定位的设计要求， 而且本 系统 简单 可 靠 ， 成 本低 ， 且 精确 灵 敏 ， 操 作 方便 。 参 考 文 献 1 刘应增 ，陈兴 ， 等 电缆故障测试方法 探讨 J 现 代建筑 电气 ， 2 0 1 1，5 2 赵君芳 电缆故障的测试和查 找 J 农村电工 ， 2 0 0 8，( 5 ) 3 喻冬梅 ， 王子薇 ，王体浩电缆故障定位方法及应用研 究 J 电 测 与仪 表 ， 2 0 0 9， 4 6( 9 ) ：1 2 YU Do n gme i ，W ANG Z i we i ，W ANG Ti h a o I n v e s t i g a t i o n i n t o L o c a t i o n a n d A p p l i c a t i o n o f C a b l e F a u l t J E l e c t r i c a l M e a s u r e m e n t I n s t r u me n t a t i o n ， 2 0 0 9 ， 4 6 ( 9 ) ：1 2 4 梁硕， 董爱华基于电磁同步原理的电力电缆故障定点仪的研究 J 测量技术 ， 2 0 0 9 ， ( 6) ： 1 01 1 L I ANG S h u oDONG Aih u a Th e Re s e a r c h o f I n s t r u me n t s f o r A1 1 o 一 3 2 一 e a t i n g C a b l e F a u l t J E l e c t r o n i c s Q u a l i t y ， 2 0 0 9， ( 6 ) ：1 Ol 1 5 孙建涛 ，魏新劳 ，等电力 电缆故 障定 点仪 的研 制 J 电线 电 缆 ， 2 0 0 6，( 4 )： 3 8 3 9 S UN J i a nt a o WEl Xi nl a o e t a 1 De v e l o p me n t o f P o we r Ca b l e F a u l t L o c a t o r J E l e c t r i c Wi r e C a b l e ， 2 0 0 6，( 4) ： 3 83 9 6 孙建涛电力电缆故障探测系统的研制 D 哈尔滨工业大学， 2 0 0 6，( 3 ) ： 4 75 0 7 王凤， 康怡基于脉冲信号注入法的小电流接地选线技术 J 电网技术 ， 2 0 0 8 ，3 2 ( 1 5 ) ： 9 09 3 8 徐俊秒配电网单相接地故障在线定位的研究与实现 D 华北 电力大学 ， 2 0 0 9，( 1 2 )： 3 2 3 4 9 L F 3 4 7 D a t a s h e e t h t t p ： w ww 2 1 i c c o m 1 O 杨育霞 ，李志辉半波整流 电路的仿真实 验及研究 J 实 验科 学与技术 ， 2 0 1 1 ， ( 6 ) ：1 7一l 8 1 1 戚宇林中压配电网单相接 地故 障定位 的研究 与实 现 D 华 北 电力大学 ， 2 0 0 7 ，( 1 2 ) ： 6 26 3 1 2 李健多端 行 波故 障定 位 中 GP R S通 信 和 中心站 软 件 的设 计 D 华北电力大学 ， 2 0 1 1 ，( 1 2 )： 2 22 3 1 3 潘琢金 ， 译 C 8 0 5 1 F 3 1 0 1 2 3 4 5 8 1 6 K B I S P F L A S H微控 制 器数据手册 Z 2 0 0 4 作者简介 ： 高巧妹 ( 1 9 8 7 一 ) ， 女 ， 汉族 ， 河北 省保 定人 ， 硕士研 究 生， 主要研究方 向： 配 电网单相接地故障定位 。 Ema i l ： g a o me i q i a o 8 s i n a e n 戚宇林 ( 1 9 5 8 一 ) ， 男 ， 汉族 ， 河北省保定 人 ， 教授 ， 主 要研究方 向 ： 配电网单相接地故 障定位 。 E ma i l ： q i y u l i n 5 8 9 1 6 3 c o m 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 81 6 ； 修 回 日期 ： 2 0 1 31 21 1 ( 王克祥田春雨编发 ) 圈 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m