電纜故障測試系統及故障點的確定方法
2023-12-11 13:57:22 4
專利名稱：：電纜故障測試系統及故障點的確定方法
技術領域：
：本發明屬於測試
技術領域：
，涉及電纜故障測量，特別是電纜故障位置的定點方法。
背景技術：
：長期以來，為了尋求方便有效的電線電纜故障測距定位方法，廣大科技工作者進行了不懈的努力，並提出了許多方法。例如西安電子科技大學自1971年1月生產出全國第一臺DGC-711型埋地電纜故障測試儀，之後推出功能比較完善、性能穩定、結構緊湊的DGC-711系列電纜故障智能測試儀。上世紀九十年代推出了DGC-911系列電纜故障智能測試儀。2010年推出了DGC-2010多脈衝電纜故障智能測試儀。在原理上，電纜故障測距定位需經過粗測、尋徑、定點三大步完成。故障點距離的粗測是由電纜閃測儀來實現，在故障電纜的一端測試出故障點的大概位置；路徑信號源產生15KHZ信號供尋測電纜路徑時用；定點儀用於故障點的精測，在故障點距離的粗測範圍內沿著電纜走向可精確地探測出故障點的具體位置，從而實現故障定位。目前在電纜故障測試領域，不管國內還是國外性能優越的故障測試儀都是較好的解決了電纜故障測距定位中的粗測問題和路徑尋找問題。目前的定點測量方法主要包括聲測法和聲磁同步測量法，這些方法定點時是要找出「最響點」在定點過程中根據聽到的有規律放電聲，確定故障點的大概位置，再沿電纜走向前後移動定點儀進行比較尋找到放電聲音較大處，同時減小定點儀的輸出音量，逐步集中搜尋到聲音最大點，最後確定出故障點的位置。這種方法的主要缺點包括三個方面一是由於受到環境中電磁噪聲和振動噪聲的影響，使得定點儀的操作人員難以確定故障點的「最響點」；二是由於現場環境複雜，使得現場操作人員不能到達發生故障的區域，因此無法精確的確定故障點的位置；三是現有定點測量方法都需要現場操作人員用耳朵，通過聽故障點放電聲音的強弱來確定故障點的位置。
發明內容本發明的目的在於克服上述現有測量方法的缺點，提出一種電纜故障測試系統及故障點的精確定位方法，以在無需確定「最響點」的位置，無需現場操作人員用耳朵聽故障放電聲音的強弱，無需現場操作人員到達發生故障的區域的情況下，精確地確定出故障點的位置。為實現上述目的本發明的故障點確定方法，是通過在地面布置四個聲波傳感器，利用電磁波和聲波到達系統的時間差和四個聲波傳感器的在水平面的坐標值，用四點計算公式精確地計算出故障點。具體實現步驟包括如下(1)通過電纜故障智能測試儀測得故障點的大概位置，在該位置附近的地面，以四邊形的方式布置四個聲波傳感器(1，2，3，4)；(2)根據四個聲波傳感器的布局，構建求解故障點位置的計算公式式中x，y，z為故障點的空間坐標，Xi，yi為第i個(i=1,2,3,4)聲波傳感器的平面坐標，這些空間坐標、平面坐標都是以0為參考點，、為故障點的聲波到各個聲波傳感器所需要的時間，ν為聲波在介質中的傳播速度；(3)根據四個聲波傳感器所分布的位置，預設定四個聲波傳感器的電纜長度，得出它們相對參考點的坐標值(X^yi)；(4)根據聲波傳感器接收的故障點聲波信號強度，將信號經過低噪聲放大器放大，送到A/D轉換器；(5)AD轉換器循環讀入N次四路聲波傳感器的數據和一路電磁波接收器接收到的數據，N>10，再將每路的N次數據分別取平均值，獲得5個數據值；(6)將步驟(5)得到的四路聲波傳感器的數據分別與一路電磁波接收器接收到的數據進行求差運算，得到時間值、；(7)將步驟(3)得到的四個聲波傳感器的坐標值(Xi，Yi)和步驟(6)得到的時間值、代入步驟(2)所述的故障點位置計算公式，計算出電纜故障點的坐標位置x，y，z。為實現上述目的本發明的電纜故障定點系統，包括輸入按鍵，用於設置參數和執行測量；系統電源，用於為系統各模塊工作供電；四路聲波傳感器，用於接收地下故障點放電的聲波信號，把聲波信號轉換為電信號送到四路低噪聲放大器中；四路低噪聲放大器，用於將四路傳感器傳輸的小信號放大到A/D轉換器所需要的量程範圍後送到A/D轉換器；一路電磁波接收器，用於接收故障點放電瞬間的高頻電磁波信號，並將該信號放大到0-5V後，送入A/D轉換器；五路A/D轉換器，用於把四路低噪聲傳來的聲波模擬數據和一路電磁波接收器接收的電磁波數據，轉換為數字數據；智能CPU，用於接收五路A/D轉換器傳輸的數字數據，通過將四路聲波傳感器的數據分別與一路電磁波接收器接收到的數據進行求差運算，得到時間值ti;根據預設的四個聲波傳感器的電纜長度，求出四個傳感器的坐標值(Xi，yi)，將求出的ti;(xi;Yi)通過如下故障定位計算公式，計算出故障點的精確位置，並將故障點的位置在LED屏中顯示，式中X，y，ζ為故障點的空間坐標，Xi,Yi為第i個(i=1,2,3,4)聲波傳感器的平面坐標，這些空間坐標、平面坐標都是以0為參考點，、為故障點的聲波到各個聲波傳感器所需要的時間，ν為聲波在介質中的傳播速度。本發明與現有技術相比具有的優點1)本發明由於構建了計算故障點位置的計算公式，並利用智能CPU使用該公式方便的計算出故障點的精確位置，避免了現場工作人員在故障點位置附近來回走動，通過人耳朵聽故障點放電發出的聲音的強弱來尋找故障點位置的麻煩，避免了當故障點在工作人員無法到達的區域就無法判斷故障點位置的問題；2)本發明使用聲波傳感器獲得故障點放電發出的聲波信號，並將該聲信號轉換為電信號，用低噪聲放大器對信號進行放大，使系統的抗噪聲能力強；3)本發明對經過低噪聲放大器放大後的數據進行統計平均計算，定點精度高；4)本發明在定點故障時，使用A/D轉換器把模擬信號轉換為數位訊號，用數字方式進行定點運算，在處理數據時更加快速、準確。圖1是本發明的系統結構框圖；圖2是本發明四個傳感器的布局示意圖；圖3是本發明低噪聲放大器原理框圖；圖4是本發明的測試流程圖。具體實施例方式本發明是通過電纜故障智能測試儀測得故障點的大概位置後，在該位置附近的地面，以四邊形的方式布置四個聲波傳感器，利用電磁波和聲波到達系統的時間差和四個聲波傳感器的在水平面的坐標值，用故障點計算公式精確地計算出故障點位置。參照圖1，本發明的測試系統主要由四路聲波傳感器、四路低噪聲放大器、一路電磁波接收器、五路A/D轉換器、智能CPU、輸入按鍵、測量結果輸出設備LED顯示器和系統電源組成。其中在故障點的大概位置附近的地面，以四邊形的方式布置四個聲波傳感器，如圖2所示，聲波傳感器的帶寬從100HZ到3KHZ；低噪聲放大器主要由輸入電阻RIN、偏置電阻R1、負反饋電阻Rf和低噪聲集成運算放大器A組成，其帶寬為0-1MHZ增益，Rf/Rl設定為100dB，如圖3所示；A/D轉換器為16BIT、最高轉換速率為IMHZ的模數轉換器；輸入按鍵為系統的外設，是用於設置參數和執行測量；系統電源是為系統各模塊工作供電；智能CPU使用的型號為C8051FXXX系列單片機，但不局限於該系列的單片機，並在CPU內部FLASH中寫入了故障點測量和定點計算公式的全部程序。測量時，通過輸入按鍵設置系統測試的初始狀態，四路聲波傳感器接收故障點放電時發出的聲波信號，並送入四路低噪聲放大器中將該聲波信號放大到0-5V的範圍，輸入給最高轉換速率為IMHZ的A/D轉換器；電磁波接收器接收故障點放電時發出的電磁波信號，並將該電磁波信號放大到0-5V的範圍，也輸入給最高轉換速率為1MHZA/D轉換器；該A/D轉換器將這五路模擬信號轉換為數位訊號後送入智能CPU，智能CPU，將四路聲波傳感器的數據分別與一路電磁波接收器接收到的數據進行求差運算，得到時間值ti;根據預設的四個聲波傳感器的電纜長度，求出四個傳感器的坐標值(Xi，yi)，將求出的ti;(xi;Yi)通過故障定位計算公式，計算出故障點的精確位置，並將故障點的位置在LED屏中顯示。參照圖4，本發明確定電纜故障點的方法，包括如下步驟步驟1用電纜故障智能測試儀測得故障點的大概位置，並以四邊形的方式在該位置附近的地面布置四個聲波傳感器1，2，3和4。步驟2根據四個聲波傳感器所分布的位置，構建故障點位置的計算公式。(2a)根據四個聲波傳感器在地面的位置，以及空間兩點間的距離公式，得出故障點與四個聲波傳感器間的距離如式(X-Xi)2+(Y-Yi)2+z2=Ri2G=1，2，3，4)1)式中x，y，ζ為故障點的空間坐標，Xi,Yi為第i個(i=1,2,3,4)聲波傳感器的平面坐標，這些空間坐標、平面坐標都是以0為參考點，RiG=1,2,3,4)為各個聲波傳感器測量點到故障點的距離，代=2(/)Γ^(χ-χ,)2+(j；-y2)2+ζ2=Z22V2(II)、ν1}義2^Λ2，，2)}(χ-χ3)2+(γ-γ3)2+Ζ2=32ν2(ΙΠ)(χ-χ4)2+(γ-γ4)2+ζ2=,2ν\ν)(2c)將方程組2)中的方程⑴與方程(II)做差運算，將方程組2)中的方程(II)與方程(III)做差運算，將方程組2)中的方程(III)與方程(IV)做差運算，組成一個由三個方程構成的方程組『-2(x,-x2)x+(X12-X22)-2(yi-y2)y+O12-少22)=O12-1\)v-2(x2-X3)x+(X22-X23)-2(γ2-γ3)γ+(y22-y2,)=(-1])v；3)-2(x3-x4)x+(x32-x42)-2(^3-y4)y+(y23-y])={ξ-1\)v(2d)將方程組3)寫成矩陣的形式得出求參數X，y，ν2求解公式X-x22)+(y'-yl)-x2)2(凡-y2)(tl-^22)"y=(X22-x2s)+(y22χ2(X2-x3)2(y2Φ；4)y\(x32-x24)+(y2s-Λ2)2(X3-I4)2(y3-J4)劣-O(2e)由方程組2)中的方程得出參數ζ的求解公式Z=-(χ-χ,)2-(y-ytf(/=1,2,3,4)』5)式中:χ,y，ζ為故障點的空間坐標，Xi,Yi為第i個(i=1,2,3,4)聲波傳感器的平面坐標，這些空間坐標、平面坐標都是以0為參考點，、為故障點的聲波到各個聲波傳感器所需要的時間，ν為聲波在介質中的傳播速度。步驟3根據四個聲波傳感器所分布的位置，預設定四個聲波傳感器的電纜長度，得出它們相對參考點的坐標值(Xi，yi)。步驟4根據四路聲波傳感器接收的故障點聲波信號強度，將該聲波信號經過低噪聲放大器放大到A/D轉換器的量程範圍0-5V後，送入A/D轉換器。步驟5通過一路電磁波接收器接收故障點發出的電磁波信號，並將該電磁波信號放大到A/D轉換器的量程範圍0-5V後，送到A/D轉換器，A/D轉換器循環讀入N次四路聲波傳感器的數據和一路電磁波接收器接收到的數據，其中N>10，再將每路的N次數據分別取平均，獲得5個數據值。步驟6將步驟5中的四路聲波傳感器的數據分別與一路電磁波接收器接收到的數據進行求差運算得到四個時間值、。步驟7將步驟3得到的四個聲波傳感器的坐標值(Xi，yi)和步驟6得到的時間值、代入步驟2所述的本發明的故障點位置計算公式，求出故障點的坐標位置(X，y，ζ)。權利要求一種電纜故障點的精確定位方法，包括如下步驟(1)通過電纜故障智能測試儀測得故障點的大概位置，在該位置附近的地面，以四邊形的方式布置四個聲波傳感器(1，2，3，4)；(2)根據四個聲波傳感器的布局，構建求解故障點位置的計算公式xyv2=(x12-x22)+(y12-y22)(x22-x32)+(y22-y32)(x32-x42)+(y32-y42)2(x1-x2)2(y1-y2)(t12-t22)2(x2-x3)2(y2-y3)(t22-t32)2(x3-x4)2(y3-y4)(t32-t42),z=ti2v2-(x-xi)2-(y-yi)2,式中x，y，z為故障點的空間坐標，xi，yi為第i個(i＝1，2，3，4)聲波傳感器的平面坐標，這些空間坐標、平面坐標都是以0為參考點，ti為故障點的聲波到各個聲波傳感器所需要的時間，v為聲波在介質中的傳播速度；(3)根據四個聲波傳感器所分布的位置，預設定四個聲波傳感器的電纜長度，得出它們相對參考點的坐標值(xi，yi)；(4)根據聲波傳感器接收的故障點聲波信號強度，將信號經過低噪聲放大器放大，送到A/D轉換器；(5)AD轉換器循環讀入N次四路聲波傳感器的數據和一路電磁波接收器接收到的數據，N＞10，再將每路的N次數據分別取平均值，獲得5個數據值；(6)將步驟(5)得到的四路聲波傳感器的數據分別與一路電磁波接收器接收到的數據進行求差運算，得到時間值ti；(7)將步驟(3)得到的四個聲波傳感器的坐標值(xi，yi)和步驟(6)得到的時間值ti代入步驟(2)所述的故障點位置計算公式，計算出電纜故障點的坐標位置x，y，z。2.根據權利要求1所述的測量方法，其中步驟(2)所述的構建求解故障點位置的計算公式構建求解故障點位置的計算公式，按如下步驟進行(2a)根據四個聲波傳感器在地面的位置，以及空間兩點間的距離公式，得出故障點與四個聲波傳感器間的距離如式(X-Xi)2+(Y-Yi)2+z2=Ri2G=1,2,3,4)1)式中X，y，ζ為故障點的空間坐標，Xi,yi為第i個(i=1,2,3,4)聲波傳感器的平面坐標，這些空間坐標、平面坐標都是以0為參考點，RiG=1,2,3,4)為各個聲波傳感器測量點到故障點的距離，^=ty，ti為故障點的聲波到各個聲波傳感器所需要的時間，ν為聲波在介質中的傳播速度；(2b)將i=1，2，3，4代入式1)，組成一個由四個方程構成的方程組(2c)將方程組2)中的方程(I)與方程(II)做差運算，將方程組2)中的方程(II)與方程(III)做差運算，將方程組2)中的方程(III)與方程(IV)做差運算，組成一個由三個方程構成的方程組(2d)將方程組3)寫成矩陣的形式得出求參數X，y，ν2求解公式(2c)由方程組2)中的方程得出參數ζ的求解公式3.一種電纜故障測試系統，包括輸入按鍵，用於設置參數和執行測量；系統電源，用於為系統各模塊工作供電；四路聲波傳感器，用於接收地下故障點放電的聲波信號，把聲波信號轉換為電信號送到四路低噪聲放大器中；四路低噪聲放大器，用於將四路傳感器傳輸的小信號放大到A/D轉換器所需要的量程範圍後送到A/D轉換器；一路電磁波接收器，用於接收故障點放電瞬間的高頻電磁波信號，並將該信號放大到0-5V後，送入A/D轉換器；五路A/D轉換器，用於把四路低噪聲傳來的聲波模擬數據和一路電磁波接收器接收的電磁波數據，轉換為數字數據；智能CPU，用於接收五路A/D轉換器傳輸的數字數據，通過將四路聲波傳感器的數據分別與一路電磁波接收器接收到的數據進行求差運算，得到時間值ti;根據預設的四個聲波傳感器的電纜長度，求出四個傳感器的坐標值(Xi，yi)，將求出的ti;(xi;Yi)通過如下故障定位計算公式，計算出故障點的精確位置，並將故障點的位置在LED屏中顯示，式中X，y，ζ為故障點的空間坐標，Xi,yi為第i個(i=1,2,3,4)聲波傳感器的平面坐標，這些空間坐標、平面坐標都是以O為參考點，、為故障點的聲波到各個聲波傳感器所需要的時間，ν為聲波在介質中的傳播速度。4.根據權利要求3所述的電纜故障定點儀，其特徵在於四路聲波傳感器，是按照電纜故障智能測試儀測得故障點的大概位置，以四邊形的方式設置在該位置附近的地面。5.根據權利要求3所述的電纜故障定點儀，其特徵在於四路低噪聲放大器分別與四路聲波傳感器和五路A/D轉換器連接。全文摘要本發明公開了一種電纜故障測試系統及故障點的精確定位方法，主要解決現有故障定位中現場操作人員需要在故障點附近來回走動，通過聽故障點放電聲音的強弱來判斷故障點位置的問題。其實現步驟是通過電纜故障智能測試儀測得故障點的大概位置後，在該位置附近的地面，以四邊形的方式布置四個聲波傳感器接收故障點放電的聲波數據；在測試位置布置一個電磁波接收器接收故障點的電磁波數據；將四個聲波傳感器的數據和電磁波數據求差值得到的時間值和四個聲波傳感器在水平面的坐標值，利用故障點計算公式精確地計算出故障點位置。本發明具有在工作人員無法到達故障點所在的區域的條件，仍然可以精確判斷故障點位置的優點，可用於對各種電纜發生的故障進行定位。文檔編號G01R31/08GK101907678SQ20101022487公開日2010年12月8日申請日期2010年7月12日優先權日2010年7月12日發明者吳克勇,李錦鋒,郭萬裡,韓昆宏申請人:西安西電科大電力科技有限公司