一种基于时域反射技术的低压配电线路电弧故障定位仪设计

摘要

在恶劣环境下，物理摩擦、化学侵蚀等诸多因素都可能使低压配电线路线缆出现绝缘层老化、磨损、接触不良等情况，从而引发故障电弧，故障电弧通常是引起火灾的元凶。故障发生后，必须确定故障点位置，才能对故障线路进行维修和更换。不同于高压输电线路，低压配电线路长度相对较短，传输电压较低，且通常铺设在建筑物的墙壁内或封闭管路之中，视觉难以辨别，故适用于高压输电线路的故障点定位技术并不能很好的应用在低压配电线路中。目前，国内外对故障电弧定位的研究在应用范围和精度上都有一定局限性。因此，对低压配电线路电弧故障定位进行深入、全面的研究，找到能快速、准确定位故障位置的方法有重要意义。
　　本文首先对低压配电线路中的线缆进行了传输特性分析。通过建立平行双导线的分布参数模型，推导了脉冲波的波动方程、传输线缆特性阻抗等参数，随后探讨了时域反射技术的基本原理。在此过程中，本文研究了脉冲信号在不同介质线缆中的传播速度、反射信号的反射系数等参数，以求从理论上提高时域反射技术的定位精度并判断故障电弧的类型。
　　其次，本文对电弧故陴定位仪进行了系统设计。从核心系统和片外整形电路两个部分详细介绍了基于时域反射技术的电弧故障定位仪的设计方案。在此过程中，本文改进了传统延迟线延迟单元的排布方式，采用等间隔交叉排布的方法，将延迟单元分布在多列可编程逻辑模块中，增大了延迟线长度并减小了走线误差。为了提高时域反射信号的识别度并判断电弧故障点的类型，本文还选取了高摆率的运算放大芯片和高速比较器芯片设计了片外整形电路。
　　实验结果表明:时间间隔测量模块可正确产生分辨率为625ps的测试时钟信号;基于时域反射方法，利用返回信号的极性成功分辨了故障点的故障类型;定位仪可以完成对测试线缆的准确定长，即对模拟电弧故障点的准确定位，其定位误差小于0.1米，满足测量需求。

目录

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致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 电弧定位技术综述

1．2．1 基于电弧物理现象定位

1．2．2 基于线缆特性变化定位

1．3 时间间隔测量技术综述

1．3．1 模拟法时间间隔测量

1．3．2 数字法时间间隔测量

1．3．3 时间间隔测量方法对比

1．4 研究内容与论文结构

第2章 时域反射故障定位理论研究

2．1 低压配电线路中的电弧类型

2．1．1 串联电弧

2．1．2 并联电弧

2．2 线缆传输特性分析

2．2．1 平行双导线传输线模型

2．2．2 传输线的特性阻抗

2．3 时域反射技术分析

2．3．1 脉冲波在线缆中的传播速度

2．3．2 脉冲波反射系数与透射系数

2．4 本章小结

第3章 电弧故障定位仪的设计

3．1 总体设计方案

3．2 核心系统设计

3．2．1 时间数字转换模块

3．2．2 解码与储存区

3．2．3 测量脉冲发射模块

3．2．4 约束文件

3．3 片外整形电路设计

3．3．1 脉冲放大模块

3．3．2 接收整形模块

3．4 本章小结

第4章 实验分析

4．1 FPGA开发平台

4．1．1 FPGA开发设计流程

4．2 实验与分析

4．2．1 时间间隔测量测试仿真

4．2．2 时域反射法功能验证

4．2．3 电弧故障定位仪精度测试

4．3 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 展望

参考文献

攻读学位期间科研成果