谈谈电缆故障测试仪工作原理及组成

随着工业的快速发展，人们对电力的需求越来越大，电力电缆广泛应用于人们的生产生活中。地埋电缆作为一种重要的电力电缆，在电力传输方面得到了普遍的应用。相对于架空线路，地埋电缆在传输能力方面符合更高的要求，在铺设方面更加节省空间，节省了不必要的架空设备。由于其深埋于地下，地埋电缆还有很高的安全性。

地埋电缆铺设于地下的铺设渠中，一般情况下铺设在地下2米处左右，所以地埋电缆具有不可视性。同时，地埋电缆的故障种类比较多，故障原因繁杂，给检修人员带来了不便。针对当前检测中存在的不足，本文从提高测量精度、提高测量速度以及提高检测过程中的安全性做了研究。设计一种基于ARM的嵌入式电缆故障检测系统，实现了电缆故障的可视性，设计的检测系统便于现场测量和观察。通过实际测量和实验研究，对故障电缆的测试方法进行了深入的研究，明确了当前几种常用检测方法以及各种检测方法对应的故障类型。

本文完整介绍了地埋电缆故障的原因、类型、测量方法以及测量原理，从实际角度对检测系统进行了分析和规划，并且进行了实验研究。在实验过程中，将测量步骤分为初步测量。在初步测量中，通过利用相关的探测设备，利用低压脉冲法、电流脉冲法、二次脉冲反射法对地埋电缆的低阻故障、高阻故障进行了检测。利用行波信号遇到不同的故障点会有不同的反射信号的特点，对电缆的低阻故障和高阻故障进行脉冲探测，并对反射波形进行分析。在对波形分析过程中，利用波形比较法确定反射波形的起始点，有效确定出行波在故障线路中的传输时间。得到初步测量数据后，利用声磁同步法和音频感应法对故障电缆进行了测量。通过测量，利用声磁信号在不同距离会有不同的声磁时间差，确定了故障点的位置。通过音频感应法对故障电缆施加周期性的高压信号，在故障点形成的有规律的声音信号，通过辨别声音信号的大小确定了故障点的位置。

实验证明，初步测量可以确定故障类型以及故障点的位置，误差范围在半米以内，测量可以准确找到故障点的位置。实验方法有效、可行、省时，是检测地埋电缆故障的有效方法。

根据故障的探测原理，当仪器处于闪络触发方式时，故障点瞬时击穿放电所形成的闪络回波是随机的单次瞬态波形，因此测试仪器应具备存储示波器的功能，可捕获和显示单次瞬态波形。DGC-H 电缆故障测试仪采用数字存储技术，利用高速A/D转换器采样，将输入的瞬态模拟信号实时地转换成数字信号，存储在高速存储器中，经CPU微处理器处理后，送至LCD显示控制电路，变为时序点阵信息，于是在LCD屏幕上显示当前采样的波形参数。

当仪器处于脉冲触发方式时，仪器按一定周期发出探测脉冲加入被测电缆和输入电路，即时启动A/D工作，其采样、存储、处理和显示与前述过程相同。LCD显示屏上应有反射回波。

2.仪器的组成

仪器是以微处理器为核心，控制信号的发射、接收及数字化处理过程。仪器的工作原理方框图如图6所示。

图6　工作原理方框图

微处理器完成的数字处理任务包括：数据的采集、储存、数字滤波、光标移动、距离计算、图形比较、图像的比例扩展，直到送LCD显示。也可根据需要由通讯口与PC机通讯。

脉冲发生器是根据微处理器送来的编码信号，自动形成一定宽度的逻辑脉冲。此脉冲经发射电路转换成高幅值的发射脉冲，送至被测电缆上。

高速A/D发生器是将被测电缆上返回的信号经输入电路送高速A/D采样电路转换成数字信号，后送微处理器进行处理。

键盘是人机对话的窗口，操作人员可根据测试需要通过键盘将命令输入给计算机，然后由计算机控制仪器完成某一测试功能。

2.2 面板控制机构和按键菜单的作用

1.控制机构

(1)触发：供选择触发工作方式用。按下开关（ 　位置）为闪络法工作方式。在使用脉冲法测试时，开关置于　 位置。

(2)输出：仪器输出线连接被测电缆的测试端。

(3)充电：仪器使用直流蓄电池组，若仪器显示电量不足，插入电源充电指示灯亮即可。

2.按键作用说明

(1)“开、关"键：控制仪器电源开启/关断。按下此键，仪器电源接通，显示屏将显示工作视窗。

(2)“采样"键：按键向被测线路上发射脉冲，每按一次，仪器就发射一次脉冲并进行采样，若按下三秒钟，仪器则连续发射脉冲，只有当其它键按下时才停止。

(3)“◄►"键：具有两种作用：

仪器测试功能时，为活动光标左右移动操作。

仪器菜单功能时，为左、右移动选择菜单项操作。

(4)“+○—"键：LCD液晶显示屏对比度调节。

3.菜单功能的作用及操作

(1)范围：用于故障检查，因为在故障查找时，一般都是从近距离开始逐步向远距离检查的。

开机时，仪器的测量范围为198m，也就是说你所查找的故障范围是否在0～198m之间，如果没有出现故障波则必须改变测量范围值，测量范围从198m开始，每增加一次，范围增大一倍。为了不同长度电缆的测试，当改变测量范围时，发射脉冲的宽度随着范围的增大而加宽。

操作步骤如下：

按下测量范围键，每按一次 ，范围增大一倍。

(2)起点：用以高速光标计数的起点位置。开机时屏幕上有两光标分别在屏上右端（起点）和中间位置。若需要改变光标起点位置，则可调节“◄►"键将中间活动光标调到所需起点位置，然后按“零点"菜单选择接受，此时原起点光标与活动光标重合变为新起点光标，数据显示为0m。操作步骤如下：

按下比例键，当仪器下方菜单中出现零点菜单时，则可调节“◄►"键使之高亮，然后按下比例键。

(3)比例：用以在检查到故障位置后为了定位而将波形进行扩展。操作步骤如下：

按下比例键，当仪器下方菜单中出现比例菜单时，则可调节“◄►"键使之高亮，然后按下比例键。

(4)波速：由于电波在不同结构的电缆上的传播速度是不同的，因此，在测试各种不同型号的电缆时，必须适应该电缆传输的波速值。开机时，仪器的传播速度自动置为200m/ns，测试中应根据电缆而修改。操作步骤如下：

按下波速键，使波速值高亮，然后按“◄►"键调节波速，到达所需波速按下波速键使之高亮消失。

(5) 存储：仪器具有波形及参数存储功能，用此功能可将仪器测试的波形及参数分别存入仪器中提供的非易失性存储器单元中，以备将来调出比较。操作步骤如下：

按下比例键，当仪器下方菜单中出现存储菜单时，则可调节“◄►"键使之高亮，然后按下比例键。

(6) 调出：由于仪器采用了非易失性存储器，所存储的波形关机后都不会易失。因此，仪器可以在任何时候将存储的波形及参数调出来分析，也可以将存储的波形调出来与当前测试的波形进行比较，可进一步判断故障点。操作步骤如下：

按下比例键，当仪器下方菜单中出现调出菜单时，则可调节“◄►"键使之高亮，然后按下比例键。

(7)日期：按下日期键 ，调节“◄►"键改变数值，按下日期键转到下一值。完毕按日期键确认。

(8) 打印：按下打印键，自动完成打印。

上述菜单操作过程中，屏幕下方会有操作对话提示出现。

2.3 测试前的准备工作

1.仪器正常状态的检查

使用仪器前，可按以下步骤，检查仪器是否正常工作。

(1)脉冲触发工作状态下，按下电源开键，液晶显示屏上将显示仪器主视窗口，显示屏上有故障距离、波速、测量范围，比例等字样及数据。

(2) 按面板“◄或►"键，仪器中间位置的活动光标将会移动，此时，故障距离数据相应变动。

(3)调节增益电位器，仪器屏上显示的波形幅度将会增大或减小。

按照前述范围菜单操作步骤，改变测量范围，仪器显示屏上测量范围和发射脉冲宽度将发生相应变化，至此，表明仪器工作正常。

2.故障种类的初步判断

测试前对故障原因和种类的分析是很必要的。可选用通用仪表如欧姆表、兆欧表等结合现场情况和实际经验作初步分析判断。

3.选择触发工作方式

如果是断线、接触不良、低阻接地与短路故障，应采用脉冲法。若为电力电缆的高阻闪络故障则应采用闪络法。并将触发工作方式选择开关置于相应的位置。

2.4 仪器的使用和故障测试方法

1.低压脉冲法

低压脉冲法的适用范围是通信和电力电缆的断线，接触不良，低阻性接地和短路故障以及电缆的全长和波速的测量。

一般步骤如下：

a．将面板上触发工作方式开关置于“脉冲"（  ）位置。

b．将测试线插入仪器面板上输入插座内，再将测试线的接线夹与被测电缆相连。若为接地故障应将黑色夹子与被测电缆的地线相连。

c．断开被测电缆线对的局内设备。

d．搜索故障回波及判断故障性质。

使仪器增益大，观察屏幕上有无反射脉冲，若没有，则按照“六、中3、的1"的方法改变测量范围，每改变一档范围并观察有无反射脉冲，一档一档地搜索并仔细观察，至搜索到反射脉冲时为止。故障性质由反射回波的极性判断。若反射脉冲为正脉冲，则为开路断线故障，若反射脉冲为负脉冲，则为短路或接地故障。

e．距离测试，按增益控制键“▲或▼"使反射脉冲前沿徒。然后按光标移动键“◄或►"三秒左右快速移动，光标自动移至故障回波的前沿拐点处自动停下，此时屏幕上方显示的距离即为故障点到测试端的距离。为了提高精度，按波速的方法改变波形比例，将波形扩展后，按上述方法进行定位。

2.直流高压闪络法

(1)首先检查触发工作方式选择开关位置于闪络（　 ）位置，传播速度应为被测电缆的波速值。

(2)适用范围：故障点电阻很高，尚未形成稳定通道，在一定的直流高压作用下，可产生闪络放电故障的电力电缆（即高阻闪络性故障）。预防性击穿电压试验一般采用此法测试。

(3)直流高压闪络故障持续时间有长有短，短的仅闪络几次即消失。直闪法波形简单，容易判断，故障测量的准确度较高，因此应珍惜该过程的测试。

(4)直闪法的测试原理图如图2。在实际测试时利用高压设备和本公司高压测试装置，按图8所示线路连接。

T1　调压器　　　　　　　　　2KVA

T2　高压变压器　　　　　　　0～50KV，2KVA

D　 高压砖硅堆　　　　　　　反向电压100KV，正向电流100mA

C   高压电容器　　　　　　　0.1μF＞10KV

交直流电压表：0～300V，直流电流表：100mA

放电球隙内，电阻阻值：30±20/5kΩ

输出电阻：500Ω±10%

(5)接通仪器电源，屏幕出现视窗。然后逐步调节调压器升高测试电压，当故障点产生闪络现象时，毫安表中电流突然增大，电压表指针抖动。显示屏上应出现图3所示波形。由图3可知，t1～t2间为故障距离。

(6)高压直闪法的试验电压高几千伏至几十千伏，应遵守高压操作规程。应将高压试验设备的接地端，放电球隙的地线端和仪器的地线直接接至电缆铅包，铅包要可靠地接大地。或按“九、中3、"条要求接好地线。使用前应检查高压测试装置内的水阻及分压电阻是否正确。

3.冲击高压闪络法

(1) 冲闪法的适用范围：故障电阻虽高但已形成稳定通道的电力电缆，高压设备受容量限制，直流电压加不上时，应改用冲闪法。其方法是通过放电球间隙向电压加冲击高压，使故障点击穿产生闪络。凡直闪法和脉冲法无法测出的故障原则上均可用此法测试，适应范围较大。

(2)同样须先检查工作方式开关是否置于闪络位置，高压测试装置中水阻及分压电阻是否正确。

(3)按图9所示线路连接设备。地线按“八、中2、的6）"条和“九、中3、" 条要求接好。其中储能电容C要求大于1μF，耐压应能满足试验要求。其它设备要求与直闪法相同。电感一般取放电球隙中的2或3，也可视被测电缆段的长度或根据反射波形适当增大或减小。

(4)测试方法：调节调压器升高试验电压至故障能被击穿为止。放电调节器球间隙的距离应视故障电阻和试验电压能正常放电决定。冲击闪络故障点放电正常与否可由放电的全过程波形判断。

(5) 亦可由球间隙放电响声及电表指示判断是否出现故障点击穿闪络现象。若放电不好可适当提高试验电压，加大球间隙距离或加大储能电容器的容量。

(6) 故障距离的测试与前述方法相同。

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