一种电缆故障检测方法及便携式电缆故障检测仪

摘要

本发明公开了一种电缆故障检测方法及便携式电缆故障检测仪，方法包括以下步骤：S1：将电缆线路两端的金属护套接地，拆卸互连中间箱的互连部分，使各相电缆头两端的金属护套短路；S2：发送一次低压脉冲，记录反射波形；S3：释放高压脉冲，使得电缆故障点被瞬时击穿形成高压故障；S4：在故障点高压故障的持续时间内发送另一个低压脉冲，记录故障点的反射波形；S5：对比两次反射波形，得到故障点的位置。本发明通过改进型的二次脉冲法测量故障点，测距误差小，定位精度满足现场的需要。有效地识别低压电缆故障类型、精准识别故障的位置，极大减少故障查找时间、减轻故障维修人员压力、缩短故障排除时间，提升经济和社会效益。

说明书

技术领域

本发明涉及电缆故障检测领域，特别涉及一种电缆故障检测方法及便携式电缆故障检 测仪。

背景技术

电缆是输送电信号和传输信息的重要介质，主要并广泛应用于电力、国防、建筑、交 通、通信、汽车以及化工等领域，电缆体系的正常运行为现代工业生产和社会运作提供了重 要的基础性保障。

随着电网智能化水平的提升，电力电缆被广泛应用于城市地下电网、海底输电网等。 而随着电缆投入使用时间的增加，其故障发生的概率也有所提高，电缆线路建设过程中的安 装磨损、应用环境中的长期腐蚀等因素，均存在引起电缆故障的风险。故障排除需要花费较 多的人力、物力。一旦不能及时排除故障，将带来较大的经济损失与不良的社会影响。

为保障城市供电的基本安全，纯粹的人工排查已经远远不能满足实际需求，需逐步提 高电缆的故障检测水平。传统的电缆检测主要是离线检测，如时域反射法，这种方法相对于 人工排查具有很大的进步意义，但是其缺点在于只能离线检测，即需要断电之后才能进行故 障定位和检测，这种方法会影响正常的生产生活，检测的时效性大打折扣，同时离线检测难 以做到批量的电缆检查，对于居民用电来说，离线检测需要在电缆断电的前提下进行，这就 要求供电部门切断某区域的电源进行故障排查，不可避免会造成较大的经济损失。对于电缆 在工作过程中发生的闪络性故障，其故障发生时间具有不确定性，在离线检测时无法复现， 使得电缆运行存在隐患。

发明内容

针对现有技术电缆故障点的检测不准确的问题，本发明提供了一种电缆故障检测方法 及便携式电缆故障检测仪，基于脉冲反射地下线路断线、混线(短路)、严重绝缘不良类型的 故障测距定位装置，可以在电缆故障测试仪主机分析的电缆故障点的大致位置的基础上来确 定电缆故障点的精确位置。

以下是本发明的技术方案。

一种电缆故障检测方法，包括以下步骤：

S1：将电缆线路两端的金属护套接地，拆卸互连中间箱的互连部分，使各相电缆头两端的金 属护套短路；

S2：发送一次低压脉冲，记录反射波形；

S3：释放高压脉冲，使得电缆故障点被瞬时击穿形成高压故障；

S4：在故障点高压故障的持续时间内发送另一个低压脉冲，记录故障点的反射波形；

S5：对比两次反射波形，得到故障点的位置。

通过比较两个低压脉冲测量的波形并与起始点对齐，可以发现电缆故障点前的波形重 叠较好，而故障点后的波形曲线发散。

作为优选，还包括结果核验：调整低压脉冲和高压脉冲的脉冲宽度，重复执行若干次 步骤S2-S5，记录每次得到的故障点的位置是否在误差范围内，如不在误差范围内，则报错。

作为优选，所述报错后，采用声磁同步法检测故障点位置。

作为优选，所述声磁同步法检测故障点位置，包括：把放电球隙调到一定位置，然后 把电压升至球隙自动放电，当故障点击穿放电时，以声音和磁场的传播时间差乘以声音的传 播速度即为故障点离探测点的距离。

本发明还提供一种便携式电缆故障检测仪，包括：

操作箱，用于操作人员将电缆线路两端的金属护套接地，拆卸互连中间箱的互连部分，使各 相电缆头两端的金属护套短路；

低压脉冲单元，用于向待测电缆发送一次低压脉冲，记录反射波形；还用于在故障点高压故 障的持续时间内发送另一个低压脉冲，记录故障点的反射波形；

高压脉冲单元，用于释放高压脉冲，使得电缆故障点被瞬时击穿形成高压故障；

处理单元，连接低压脉冲单元和高压脉冲单元，用于对比两次反射波形，得到故障点的位置； 显示器，连接处理单元，用于显示信息；

操作面板，连接显示器和处理单元，用于输入操作指令。

作为优选，所述处理单元包括MSP430单片机及其工作电路。

作为优选，所述便携式电缆故障检测仪还用于：调整低压脉冲和高压脉冲的脉冲宽度， 重复运行若干次低压脉冲单元及高压脉冲单元，记录每次得到的故障点的位置是否在误差范 围内，如不在误差范围内，则报错。

作为优选，还包括声磁接收单元，所述声磁接收单元用于：在操作人员把放电球隙调 到一定位置，把电压升至球隙自动放电后，当故障点击穿放电时，声磁接收单元以声音和磁 场的传播时间差乘以声音的传播速度得到故障点离探测点的距离。

传统的二次脉冲接线是指交叉互连盒的接线方式不变，且电缆金属护套的一端接地。 由于电缆在互连处的波阻抗发生改变，脉冲发射波变得复杂，影响三个接头处的波形，也影 响故障处的波形，从而干扰对结果的判断。根据改进的二次脉冲定位方法的测量结果可知， 测距误差小，定位精度满足现场的需要。

本发明的实质性效果包括：通过改进型的二次脉冲法测量故障点，测距误差小，定位 精度满足现场的需要。有效地识别低压电缆故障类型、精准识别故障的位置，基于二次脉冲 反射电缆断线、短路、严重绝缘不良等多种常见故障类型的识别，极大减少故障查找时间、 减轻故障维修人员压力、缩短故障排除时间，提升经济和社会效益。

附图说明

图1是本发明实施例的方法流程图；

图2是本发明实施例的系统框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例，对本技术 方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全 部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所 获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，在本发明的各种实施例中，各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先 后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成 任何限定。

应当理解，在本发明中，“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本发明中，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”仅仅是一种描述关联 对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。 “包含A、B和C”、“包含A、B、C”是指A、B、C三者都包含，“包含A、B或C”是指 包含A、B、C三者之一，“包含A、B和/或C”是指包含A、B、C三者中任1个或任2个 或3个。

下面以具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。实施例可以相互结合，对于 相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

电定位技术主要有脉冲反射法、冲击电流法、时间到达法、幅频映射法及相位差分法。 其中脉冲反射法和冲击电流法是最常用的定位方法。

1)低压脉冲反射法：利用传输线的电波反射现象，通过计量发射脉冲与故障点反射 脉冲之间的时差来进行测距。主要测定电缆中的低阻、开路故障，及电缆全长的标准测量， 测量准确率较高，应用较广。但不能测高阻或闪络故障。

工作原理：测试时向电缆注入一低压脉冲，该脉冲沿电缆传播到阻抗不匹配点，如短 路点、故障点、中间接头等，脉冲产生反射，回送到测量点被仪器记录下来。波形上发射脉 冲与反射脉冲的时间差为Δt，对应脉冲在测量点与阻抗不匹配点往返一次的时间。已知脉冲 在电缆中的波速度v，则阻抗不匹配点距离L，可由下式计算：

L＝v·Δt/2 (1)

通过识别反射脉冲的极性，可以判定故障的性质。断路故障反射脉冲与发射脉冲极性相同， 而短路故障的反射脉冲与发射脉冲极性相反。由(1)式可知，脉冲在电缆中的波速度对于准 确地计算出故障距离很关键。在不清楚电缆的波速度值的情况下，可用如下方法测量：如已 知被测电缆的长度，根据发送脉冲与电缆终端反射脉冲之间的时间Δt，可推算出电缆中的波 速度：v＝2·L/Δt

2)脉冲电压法：脉冲电压法首先将电缆故障在直流或脉冲高压信号下击穿，然后通过记录 放电脉冲在测量点与故障点往返一次所需的时间来测距。包括直流高压闪络测量法(直闪法) 和冲击高压闪络测量法(冲闪法)。脉冲电压法的一个主要优点是不必将高阻与闪络性故障 烧穿，直接利用故障击穿产生的瞬间脉冲信号，测试速度快，测量过程也得到简化，是电 缆故障测试技术的重大进步。

因此，低压脉冲法波形清晰，易于工程技术人员判别故障，但只适用于低阻故障；而 脉冲电压法适用于各种故障，但波形较难判别。将两者技术结合在一起，便是二次脉冲法， 本实施例是基于二次脉冲法的一种改进技术。

实施例：

一种电缆故障检测方法，包括如图1所示的以下步骤：

S1：将电缆线路两端的金属护套接地，拆卸互连中间箱的互连部分，使各相电缆头两端的金 属护套短路；

S2：发送一次低压脉冲，记录反射波形；

S3：释放高压脉冲，使得电缆故障点被瞬时击穿形成高压故障；

S4：在故障点高压故障的持续时间内发送另一个低压脉冲，记录故障点的反射波形；

S5：对比两次反射波形，得到故障点的位置。

通过比较两个低压脉冲测量的波形并与起始点对齐，可以发现电缆故障点前的波形重 叠较好，而故障点后的波形曲线发散。

本实施例中，还包括结果核验：调整低压脉冲和高压脉冲的脉冲宽度，重复执行若干 次步骤S2-S5，记录每次得到的故障点的位置是否在误差范围内，如不在误差范围内，则报 错。

本实施例中，报错后，采用声磁同步法检测故障点位置。

本实施例中，声磁同步法检测故障点位置，包括：把放电球隙调到一定位置，然后把 电压升至球隙自动放电，当故障点击穿放电时，以声音和磁场的传播时间差乘以声音的传播 速度即为故障点离探测点的距离。

二次脉冲测距的原理及关键技术：在足够高的脉冲电压作用下，高电阻故障通过电弧 时产生短路发射，得到与短路测试特性相同的波形，即测试脉冲的极性与故障点回波脉冲的 波形相反。当电压达到一定值时，当电压非常高，场强足够大时，介质中少量的自由电子在 电场作用下碰撞和解离，自由电子与中性分子碰撞，激发和解离，产生新的电子和正离子。 即，电缆故障点突然发生故障，故障点电压急剧下降到接近零，电流突然增大，产生放电弧。 根据电弧理论，该电弧的表观电阻很小，可以认为是低电阻或短路故障。

二次脉冲方法的关键技术是避免故障点被高压故障时故障点产生的多步电压反射波 和固有的大余弦振荡波形，然后仪器在故障点高压故障的持续时间内发送另一个脉冲，记录 故障点的反射脉冲。

通过同时在屏幕上显示两次测量的波形并与起点对齐，可以清楚地发现波形在故障点 完全重叠之前形成。一旦通过故障点，波形曲线就会明显地发散。而且，故障点的拐点非常 明显，是短路故障回波的标准波形，可以很好地解释故障距离。几乎所有的高阻抗故障都是 这种具有单一特征的波形。

首先对故障电缆发射一个低压脉冲，只要故障点的接地电阻大于电缆波阻抗5倍以上， 我们可以认为此时故障电缆相对于低压脉冲是开路，脉冲在高阻和闪络性的故障点不会产生 反射。那么在脉冲释放端接收到的反射波形相当于一个线芯绝缘良好电缆的波形。仅当所试 验电缆为非完全接地的情况时，由IRG发送的低压脉冲才会由终端被反射并以此求得线路的 总长度，此时为准确定位故障点位置，我们还需有冲击电压发生器(SSG)释放高压脉冲， 使得故障点被瞬时击穿，电缆阻值发生变化，随之而来的低压脉冲便由击穿点反射回近端， 通过对两条曲线的对比方可确定故障点具体位置。

当应用的脉冲信号从电缆的初始端传输到端子时，它遇到障碍物(阻抗错配点)，这 可能是线的连接或电缆的断裂，并将脉冲波反射回初始端。可以得到的故障定位公式：

s其中是故障点的距离，v是电缆介质中脉冲波的波速，t

电缆的波阻抗计算公式为：

其中：L

在用二次脉冲法完成故障点的预定位后，把放电球隙调到一定位置，然后把电压升至 球隙自动放电。从示波器或放电声音可以判断故障点是否已经击穿放电，当故障点击穿放电 时，球隙的放电声大而清脆。测量人员可以携带声磁接收仪到计算出的地点探测，根据放电 声音的大小和磁场信号的频率断定故障点的精确位置。

为了通过改进的二次脉冲法提高电缆主绝缘故障定位的精度，将电缆线路两端的金属 护套接地，拆卸互连中间箱的互连部分，使各相电缆头两端的金属护套短路。

传统的二次脉冲接线是指交叉互连盒的接线方式不变，且电缆金属护套的一端接地。 由于电缆在互连处的波阻抗发生改变，脉冲发射波变得复杂，影响三个接头处的波形，也影 响故障处的波形，从而干扰对结果的判断。根据改进的二次脉冲定位方法的测量结果可知， 测距误差小，定位精度满足现场的需要。

本实施例还提供一种便携式电缆故障检测仪，包括：

操作箱，用于操作人员将电缆线路两端的金属护套接地，拆卸互连中间箱的互连部分，使各 相电缆头两端的金属护套短路；

低压脉冲单元，用于向待测电缆发送一次低压脉冲，记录反射波形；还用于在故障点高压故 障的持续时间内发送另一个低压脉冲，记录故障点的反射波形；

高压脉冲单元，用于释放高压脉冲，使得电缆故障点被瞬时击穿形成高压故障；

处理单元，连接低压脉冲单元和高压脉冲单元，用于对比两次反射波形，得到故障点的位置； 显示器，连接处理单元，用于显示信息；

操作面板，连接显示器和处理单元，用于输入操作指令。

本实施例中，处理单元包括MSP430单片机及其工作电路。

本实施例中，便携式电缆故障检测仪还用于：调整低压脉冲和高压脉冲的脉冲宽度， 重复运行若干次低压脉冲单元及高压脉冲单元，记录每次得到的故障点的位置是否在误差范 围内，如不在误差范围内，则报错。

本实施例中，还包括声磁接收单元，声磁接收单元用于：在操作人员把放电球隙调到 一定位置，把电压升至球隙自动放电后，当故障点击穿放电时，声磁接收单元以声音和磁场 的传播时间差乘以声音的传播速度得到故障点离探测点的距离。

具体来说本实施例的便携式电缆故障检测仪如图2所示，采用了键盘电路、逻辑判断 电路、电缆检测电路、LCD显示电路、报警电路、数据存储电路、MSP430单片机控制系统。本系统中所有IC的工作电压均为3.3V直流电。本系统设计了两种测试模式：标准测试、自定义测试。

标准试验：

首先，通过键盘输入核心值，然后进入电缆检测接口。MSP430电缆检测电路将信号发送到 进行判断的逻辑判断电路，然后将判断结果发送到MSP430单片机，后者将数据发送到存储 电路。检测完成后，读出数据存储电路的数据进行判断，同时打开并显示错误报警电路。

自定义检测：

根据标准检测的差异，不需要输入核心值进行自定义检测，无需担心一条线对应多条线，一 条线对应报警。其他电缆则根据电流检测电缆进行检测。如有任何差异，请打开报警电路， 并显示错误结果。

脉冲产生电路在系统测试中主要发送施加到电缆上的脉冲信号，而脉冲产生电路设计 的关键是所产生的脉冲宽度必须可调。由于本设计需要灵活地改变脉冲宽度，因此采用可编 程装置来实现脉冲的产生。采用变程器件，实现了脉冲产生的灵活性和方便性，脉冲波形整 洁。

从理论上讲，该方案设计的脉冲发生电路的脉冲宽度的可调范围是从一个可编程的时 钟周期到N次的时钟周期，并且脉冲宽度可以灵活地调整。

由于电缆的电阻特性和电缆中相应的噪声干扰，电缆中的故障行波信号将会减弱。如 果小于采样分辨率，则采集电路难以进行采集。因此，所发送的脉冲信号对故障行波信号也 有很大的影响。因此，有必要在采样电路点设计一个脉冲接收电路，其主要目的是放大故障 行波信号，减少对故障行波信号的外部干扰，从而使采样电路能够收集一个完整的故障行波 信号。

放大电路用于将减弱的故障行波信号放大到适当的振幅，以便后续采样电路采集。同 时，为了消除脉冲产生电路对作为放大电路的主要部件的放大器的影响，在放大器之前进行 夹紧处理，即放大器的输入受到限制。

检测脉冲的产生、ADC08100的采样和异步FIFO的数据缓冲区构成了一个高速的A/D 数据采集系统。这需要各种信号的高时间协调，这需要一个特殊的时钟单元来协调，以便使 电路在正确的时间下工作。

在FPGA中，可以方便地定制该时钟模块，生成A/D采样时钟、异步存储器的读写时钟和脉冲产生模块的计数时钟。所有的时钟都通过一个高速时钟同步，整个系统在同一启动 信号下同步运行，从而保证了采样定时要求。

在DSP程序启动后，应首先初始化系统的时钟单元和AD单元。时钟和AD单元的初始化完成后，为了确保CAN通信、读写正常，进行自检，结果正常后，等待上端计算机的指 令执行。

在接收到执行任务的指令后，匹配命令中的主机号和本地号。如果匹配结果一致，则 将执行该命令。如果判决不一致，将做出第二次判决。第二项判断为是否为设定主命令，并 根据设定条件执行联合测试员测试流程，否则不进行判断和任务执行。继续等待来自上一端 计算机的信息。

为了探讨改进的二次脉冲方法和传统的二次脉冲连接方法在测量电缆主绝缘故障方 面的准确性，我们根据表1中的方案进行了两次试验。在测试中，模拟110kV线路端子主绝 缘短路故障。

表1试验方案的比较

传统的二次脉冲接线是指交叉互连盒的接线方式不变，且电缆金属护套的一端接地。由于电 缆在互连处的波阻抗发生改变，脉冲发射波变得复杂，影响三个接头处的波形，也影响故障 处的波形，从而干扰对结果的判断。

根据改进的二次脉冲定位方法的测量结果可知，故障位置为2.32km，测距误差为6.83％，定位精度基本满足现场的需要。电缆故障的准确定位需要配合步进压法、声磁同步法 等工作。

本实施例的实质性效果包括：

通过改进型的二次脉冲法测量故障点，测距误差小，定位精度满足现场的需要。有效地识别 低压电缆故障类型、精准识别故障的位置，基于二次脉冲反射电缆断线、短路、严重绝缘不 良等多种常见故障类型的识别，极大减少故障查找时间、减轻故障维修人员压力、缩短故障 排除时间，提升经济和社会效益。

采用电缆故障探测新理论——二次脉冲法，不仅波形清晰、易于判断，还能针对高阻 及闪络性故障，提供测量准确率高、速度快的方法，所以应用范围广。

电缆故障检测装置在测试脉冲识别故障类型准确性和识别速度上有优势外，还具有易 便携性，减轻了人力负担，大大提高了故障查找和维修的效率。同时在设计时也考虑到此装 置需适用于各种电缆故障的复杂情况，所以具备满足机械强度的要求。

基于先进的二次脉冲法电缆检测方法，易于工作人员判断故障的查找时间大大缩短， 减少由停电带来的经济损失，具有较大的经济效益。

随着电缆故障定点精度的提高，将大大缩小直埋电缆故障点开挖面积，可以降低工程 量、减小费用支出。

通过以上实施方式的描述，所属领域的技术人员可以了解到，为描述的方便和简洁， 仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中可以根据需要而将上述功能分配由不 同的功能模块完成，即将具体装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全 部或者部分功能。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的结构和方法，可以通过其它的方 式实现。例如，以上所描述的关于结构的实施例仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分， 仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结 合或者可以集成到另一个结构，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的 相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，结构或单元的间接耦合或通信 连接，可以是电性，机械或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件 可以是一个物理单元或多个物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个不同地 方。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单 元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采 用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存 储在一个可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对现 有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该软 件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或 处理器(processor)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U 盘、移动硬盘、只读存储器(read only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory， RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上内容，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟 悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在 本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。