一種低壓脈衝法的短距離電纜故障測距系統和測距方法與流程
2024-02-04 16:34:15 1
本發明涉及電纜故障測距系統，具體涉及一種低壓脈衝法的短距離電纜故障測距系統和測距方法。
背景技術：
隨著我國的經濟高速發展，電網逐漸進行了改革，電力線路逐漸實現了電纜化。隨著電纜的應用越來越廣泛，電纜的故障問題就會不斷發生。為了更好的解決電纜故障帶來的一系列問題，對電纜的故障距離的精確把握顯得尤其重要。目前，行波法是對電纜故障測距最為有效的方法。通過向被測電纜中注入脈衝，檢測入射脈衝和反射脈衝之間的時間差，結合電纜的行波速度，便可以得到電纜的故障距離。如脈衝電流法、脈衝電壓法、二次脈衝法等。對於遠距離的電纜，上述行波法得到的入射行波和反射行波不會產生重疊，計算兩波形的時間差很容易。然而當是短距離的電纜時，往往會出現盲區，從而造成測量的距離偏差很大。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足提供一種低壓脈衝法的短距離電纜故障測距系統和測距方法，本低壓脈衝法的短距離電纜故障測距系統和測距方法具有很高的測距精確度。
為實現上述技術目的，本發明採取的技術方案為：
一種低壓脈衝法的短距離電纜故障測距系統，包括單片機控制模塊、鍵盤輸入模塊、顯示屏模塊、脈衝產生電路、脈衝延遲電路、高速採集模塊、PC處理模塊、電源和被測電纜，所述單片機控制模塊、鍵盤輸入模塊、顯示屏模塊、脈衝產生電路、脈衝延遲電路、高速採集模塊、PC處理模塊分別與電源連接，所述單片機控制模塊分別與鍵盤輸入模塊、顯示屏模塊、高速採集模塊和脈衝產生電路連接，所述脈衝產生電路和脈衝延遲電路連接，所述脈衝延遲電路的輸出端分別與高速採集模塊和被測電纜連接，所述高速採集模塊與PC處理模塊連接。
作為本發明進一步改進的技術方案，所述脈衝產生電路包括交流電源、橋式整流電路、IGBT電路、降壓變壓器、二極體D5和滑動變阻器R2，所述交流電源的兩端與橋式整流電路連接，所述橋式整流電路分別與降壓變壓器和IGBT電路連接，所述二極體D5與降壓變壓器的初級並聯，所述二極體D5的負極與橋式整流電路連接，所述二極體D5的正極與IGBT電路連接，所述降壓變壓器的次級與滑動變阻器R2並聯，所述滑動變阻器R2與脈衝延遲電路並聯，所述IGBT電路與單片機控制模塊的輸出端連接。
作為本發明進一步改進的技術方案，所述降壓變壓器的次級包括調壓軸頭，所述調壓軸頭用於調節降壓變壓器二次輸出電壓高低。
作為本發明進一步改進的技術方案，所述IGBT電路包括IGBT和二極體D6，所述IGBT的C極與二極體D5的正極連接，所述IGBT的G極與單片機控制模塊的輸出端連接，所述IGBT的E極與橋式整流電路連接，所述IGBT的E極與二極體D6的正極連接，所述IGBT的C極與二極體D6的負極連接。
作為本發明進一步改進的技術方案，所述脈衝延遲電路包括滑動變阻器R3、多路開關K、電容C1、電容C2、電容C3、電容C4、施密特觸發器U1和施密特觸發器U2，所述滑動變阻器R3的一端與滑動變阻器R2的一端的連接，所述電容C1、電容C2、電容C3、電容C4和施密特觸發器U1均與滑動變阻器R2的另一端連接，所述多路開關K的輸入端分別與滑動變阻器R3和施密特觸發器U1連接，所述多路開關K的輸出端分別與電容C1、電容C2、電容C3和電容C4連接，所述施密特觸發器U1和施密特觸發器U2連接，所述施密特觸發器U2分別與被測電纜和高速採集模塊連接，所述施密特觸發器U1和施密特觸發器U2均與單片機控制模塊連接。
本發明採取的另一個技術方案為：
一種低壓脈衝法的短距離電纜故障測距系統的測距方法，包括以下步驟：
（1）通過鍵盤輸入模塊預先設置發射脈衝的寬度和頻率並通過單片機控制模塊將預先設置的發射脈衝的寬度和頻率顯示在顯示屏模塊上；
（2）單片機控制模塊輸入高電平到脈衝產生電路，IGBT電路中的IGBT導通，二極體D5導通，交流電源導通，降壓變壓器開始工作，通過降壓變壓器的調壓抽頭來控制輸出電壓幅值，利用滑動變阻器R2來調節負載阻抗使滑動變阻器R2與被測電纜阻抗匹配；
（3）單片機控制模塊停止輸入高電平到脈衝產生電路，IGBT電路中的IGBT截止，二極體D5截止，降壓變壓器停止工作，利用IGBT的導通和截止從而實現低壓脈衝信號的產生；
（4）脈衝產生電路通過滑動變阻器R2輸入低壓脈衝信號到脈衝延遲電路，根據鍵盤輸入模塊預先設置的發射脈衝的寬度，調節滑動變阻器R2，且開關K對電容C1、電容C2、電容C3和電容C4進行選擇從而使脈衝延遲電路輸出的發射脈衝的寬度與預先設置的發射脈衝的寬度一致；
（5）通過單片機控制模塊對施密特觸發器U1和施密特觸發器U2施加高電平，施密特觸發器U1和施密特觸發器U2調節脈衝延遲時間從而實現發射脈衝的頻率與鍵盤輸入模塊預先設置的發射脈衝的頻率一致；
（6）高速採集模塊採集脈衝延遲電路的輸出端產生的發射脈衝以及由被測電纜產生的反射脈衝並發送到PC處理模塊；
（7）PC處理模塊對發射脈衝中的波形和反射脈衝中的波形進行小波變換，並進行去噪聲處理，利用模極大值原理找出發射脈衝的起點和第一個反射脈衝的起點，從而計算發射波形和第一個反射脈衝之間的時間差，結合反射脈衝和發射脈衝在電纜中的速度從而計算被測電纜的故障距離。
本發明的脈衝產生電路設置了橋式整流電路，有效的將交流電路發出的交流轉換為直流，交流電源使用比直流電源更加方便，且橋式整流電路產生的波形比直流電源直接提供的波形更加圓潤，波形效果更加明顯；IGBT電路的開關速度更開，產生的脈衝的波形更加圓滑，IGBT電路中的IGBT的輸出的電流和跨導都大於相同尺寸的MOSFET，其中滑動變阻器R2調節自身的阻值從而使自身與被測電纜形成阻抗匹配，從而防止了脈衝的幅值衰減過快；由於IGBT的導通和截止，產生了低壓脈衝信號；通過脈衝延遲電路中的4選1的多路開關K選擇電容C1、電容C2、電容C3和電容C4中的4個不同容值的電容中比較合適的電容，再加上調節滑動變阻器R2的阻值，以此來調節出與預先設定的脈衝的發射脈衝的寬度一致的脈衝；施密特觸發器U1和施密特觸發器U2調節了脈衝延遲時間，以此來減少因短距離的被測電纜而造成的測量盲區，並最終使實際發射脈衝的頻率與預先設定的發射脈衝的頻率一致，最終輸出適合的低壓脈衝即發射脈衝；利用高速採集模塊對反射脈衝的波形進行採集，將波形數據傳入PC處理模塊進行波形進一步的處理，利用小波變換，在進行去噪聲處理，利用模極大值原理找到分歧點，從而獲得時間差，結合脈衝的電壓行波在被測電纜中的傳播速度，從而可以精確得到被測電纜的故障距離。本發明適用於電纜短距離開路故障和低阻故障的測距。在短距離的電纜故障測距中，操作簡單，精確度高，具有很高的研究價值。
附圖說明
圖1為本發明的電路原理示意圖。
圖2為本發明的脈衝產生電路的電路原理示意圖。
圖3為本發明的脈衝延遲電路的電路原理示意圖。
具體實施方式
下面根據圖1至圖3對本發明的具體實施方式作進一步說明：
參見圖1，一種低壓脈衝法的短距離電纜故障測距系統，包括單片機控制模塊、鍵盤輸入模塊、顯示屏模塊、脈衝產生電路、脈衝延遲電路、高速採集模塊、PC處理模塊、電源和被測電纜，單片機控制模塊、鍵盤輸入模塊、顯示屏模塊、脈衝產生電路、脈衝延遲電路、高速採集模塊、PC處理模塊分別與電源連接，單片機控制模塊中的I/O埠分別與鍵盤輸入模塊、顯示屏模塊、高速採集模塊和脈衝產生電路連接，脈衝產生電路和脈衝延遲電路連接，脈衝延遲電路的輸出端分別與高速採集模塊和被測電纜連接，高速採集模塊與PC處理模塊連接。
其中鍵盤輸入模塊預先設置發射脈衝的寬度和頻率並發送到單片機控制模塊，顯示屏模塊根據單片機控制模塊的控制指令顯示發射脈衝的寬度和頻率；單片機控制模塊發送觸發信號到脈衝產生電路，脈衝產生電路產生低壓脈衝信號並發送低壓脈衝信號到脈衝延遲電路，脈衝延遲電路調節脈衝延遲時間從而實現發射脈衝的頻率與鍵盤輸入模塊預先設置的發射脈衝的頻率一致和實現發射脈衝的寬度與預先設置的發射脈衝的寬度一致，脈衝延遲電路輸出發射信號到被測電纜，經過被測電纜的故障點從而產生反射脈衝，高速採集模塊採集並發送脈衝延遲電路輸出的發射信號和經過被測電纜產生的反射脈衝到PC處理模塊，PC處理模塊計算被測電纜的故障距離。
進一步地，如圖2，所述脈衝產生電路包括交流電源、橋式整流電路1、IGBT電路3、降壓變壓器2、二極體D5和滑動變阻器R2，所述交流電源的兩端與橋式整流電路1連接，所述橋式整流電路1分別與降壓變壓器2和IGBT電路3連接，所述二極體D5與降壓變壓器2的初級並聯，所述二極體D5的負極與橋式整流電路1連接，所述二極體D5的正極與IGBT電路3連接，所述降壓變壓器2的次級與滑動變阻器R2並聯，所述滑動變阻器R2與脈衝延遲電路並聯，所述IGBT電路3與單片機控制模塊中的I/O埠連接；橋式整流電路1由二極體D1、二極體D2、二極體D3、二極體D4、電阻R1和電容C1組成，其中二極體D1、二極體D2、二極體D3和二極體D4採用橋式接法；如圖2所示。
進一步地，降壓變壓器2的次級包括調壓軸頭，調壓軸頭用於調節降壓變壓器2二次輸出電壓高低。
進一步地，所述IGBT電路3包括IGBT和二極體D6，所述IGBT的C極與二極體D5的正極連接，所述IGBT的G極與單片機控制模塊的中的I/O埠連接，所述IGBT的E極與橋式整流電路1連接，所述IGBT的E極與二極體D6的正極連接，所述IGBT的C極與二極體D6的負極連接。IGBT是電力電子器件，它的導通和截止用來控制降壓變壓器2的通斷，當IGBT處於導通狀態時，降壓變壓器2導通，在很短的時間內單片機控制模塊中的I/O埠的觸發信號消失，IGBT截止，降壓變壓器2也斷開，從而產生了低壓脈衝。
進一步地，參見圖3，脈衝延遲電路包括滑動變阻器R3、多路開關K、電容C1、電容C2、電容C3、電容C4、施密特觸發器U1和施密特觸發器U2，滑動變阻器R3的一端與滑動變阻器R2的一端的連接，電容C1、電容C2、電容C3、電容C4和施密特觸發器U1均與滑動變阻器R2的另一端連接，多路開關為4選1多路開關，多路開關K的輸入端即其中一路分別與滑動變阻器R3和施密特觸發器U1連接，多路開關K的輸出端即其中四路分別與電容C1、電容C2、電容C3和電容C4連接，施密特觸發器U1和施密特觸發器U2連接，施密特觸發器U2的輸出端分別與被測電纜和高速採集模塊連接，施密特觸發器U1和施密特觸發器U2均與單片機控制模塊連接。其中多路開關K是進行電容值的選取，選取電容C1、電容C2、電容C3和電容C4的四個不同的電容值從而輸出不同寬度的脈衝，施密特觸發器U1和施密特觸發器U2可以對脈衝進行延遲，通過不同的延遲時間從而輸出不同頻率的脈衝。
一種低壓脈衝法的短距離電纜故障測距系統的測距方法，包括以下步驟：
（1）通過鍵盤輸入模塊預先設置發射脈衝的寬度和頻率並通過單片機控制模塊將預先設置的發射脈衝的寬度和頻率顯示在顯示屏模塊上；
（2）單片機控制模塊輸入高電平到脈衝產生電路，即輸入觸發信號，IGBT電路3中的IGBT導通，二極體D5導通，此時交流電源Uac導通，降壓變壓器2開始工作，通過調節降壓變壓器2的調壓抽頭從而控制輸出電壓幅值，利用滑動變阻器R2來調節自身的阻值，使自身的阻抗與被測線纜的特性阻抗的大小相等且相位相同，形成阻抗匹配，以此來防止幅值衰減過快；
（3）單片機控制模塊停止輸入高電平到脈衝產生電路，IGBT電路3的觸發信號消失，IGBT電路3中的IGBT截止，同時二極體D5截止，降壓變壓器2停止工作，從而由於IGBT的導通和截止，產生了低壓脈衝信號；
（4）脈衝產生電路通過滑動變阻器R2輸入低壓脈衝信號到脈衝延遲電路，根據鍵盤輸入模塊預先設置的發射脈衝的寬度，調節滑動變阻器R2，且開關K對電容C1、電容C2、電容C3和電容C4中不同容值進行選擇從而使實際產生的發射脈衝的寬度與預先設置的發射脈衝的寬度一致，以此滿足需要的發射脈衝的寬度；
（5）通過單片機控制模塊對施密特觸發器U1和施密特觸發器U2施加高電平，施密特觸發器U1和施密特觸發器U2開始工作，並調節脈衝延遲時間從而實現發射脈衝的頻率與鍵盤輸入模塊預先設置的發射脈衝的頻率一致，以此來減少測量盲區，最終輸出低壓脈衝即發射脈衝；
（6）高速採集模塊連接在發射脈衝的輸出端也就是被測電纜的首段，高速採集模塊根據單片機控制模塊開始工作，高速採集模塊採集脈衝延遲電路的輸出端產生的發射脈衝以及由被測電纜產生的反射脈衝，並將採集的發射脈衝和反射脈衝的波形發送到PC處理模塊；
（7）PC處理模塊對發射脈衝中的波形和反射脈衝中的波形進行小波變換，並進行去噪聲處理，利用模極大值原理找出發射脈衝的起點和第一個反射脈衝的起點，從而計算發射波形和第一個反射脈衝之間的時間差，結合反射脈衝和發射脈衝在電纜中的速度從而計算被測電纜的故障距離。
其中高速採集模塊包括示波器，單片機控制模塊包括8098單片機。
本發明的脈衝產生電路設置了橋式整流電路1，有效的將交流電路發出的交流轉換為直流，交流電源使用比直流電源更加方便，且橋式整流電路1產生的波形比直流電源直接提供的波形更加圓潤，波形效果更加明顯；IGBT電路3的開關速度更開，產生的脈衝的波形更加圓滑，IGBT電路3中的IGBT的輸出的電流和跨導都大於相同尺寸的MOSFET，其中滑動變阻器R2調節自身的阻值從而使自身與被測電纜形成阻抗匹配，從而防止了脈衝的幅值衰減過快；由於IGBT的導通和截止，產生了低壓脈衝信號；通過脈衝延遲電路中的4選1的多路開關K選擇電容C1、電容C2、電容C3和電容C4中的4個不同容值的電容中比較合適的電容，再加上調節滑動變阻器R2的阻值，以此來調節出與預先設定的脈衝的發射脈衝的寬度一致的脈衝；施密特觸發器U1和施密特觸發器U2調節了脈衝延遲時間，以此來減少因短距離的被測電纜而造成的測量盲區，並最終使實際發射脈衝的頻率與預先設定的發射脈衝的頻率一致，最終輸出適合的低壓脈衝即發射脈衝；利用高速採集模塊對反射脈衝的波形進行採集，將波形數據傳入PC處理模塊進行波形進一步的處理，利用小波變換，在進行去噪聲處理，利用模極大值原理找到分歧點，從而獲得時間差，結合脈衝的電壓行波在被測電纜中的傳播速度，從而可以精確得到被測電纜的故障距離。本發明適用於電纜短距離開路故障和低阻故障的測距。在短距離的電纜故障測距中，操作簡單，精確度高，具有很高的研究價值。
本發明的保護範圍包括但不限於以上實施方式，本發明的保護範圍以權利要求書為準，任何對本技術做出的本領域的技術人員容易想到的替換、變形、改進均落入本發明的保護範圍。