房峰

摘要：電纜作為電力傳輸或信號(hào)傳遞的載體，在設(shè)備設(shè)施中發(fā)揮著重要的作用。在設(shè)備故障排查和預(yù)防性維修時(shí)，需要對(duì)電纜的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行檢查，確保設(shè)備供電或者信號(hào)傳遞的正確性。在設(shè)備電纜故障中，最為常見的故障類型就是短路和斷路故障，依靠人工進(jìn)行排查的傳統(tǒng)方法效率低、錯(cuò)誤率高。利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)技術(shù)開展電纜導(dǎo)通和絕緣檢測(cè)，并可以檢測(cè)故障類型和斷點(diǎn)位置，能夠?qū)崿F(xiàn)電纜主要技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)的自動(dòng)化和智能化，提升應(yīng)急故障處置能力，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和設(shè)備維護(hù)中具有良好的應(yīng)用前景和實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：電纜、單片機(jī)、斷點(diǎn)檢測(cè)、絕緣

一、概述

隨著科學(xué)技術(shù)的逐步發(fā)展，電纜的應(yīng)用日趨復(fù)雜和先進(jìn)，在工業(yè)生產(chǎn)中的地位也越來越重要。特別是在大中型電氣設(shè)備中，電纜具有敷設(shè)隱蔽性強(qiáng)、走線集中、數(shù)量種類多等特點(diǎn)，作為電力驅(qū)動(dòng)和信號(hào)傳遞的主要載體，一旦發(fā)生故障無法在短時(shí)間內(nèi)定位排除，將會(huì)帶來不可估量的損失和影響。設(shè)備電纜故障檢測(cè)和日常維護(hù)通過簡(jiǎn)單工具開展檢測(cè)，效率低、易出錯(cuò)，難以滿足現(xiàn)代化的生產(chǎn)需求，需要一種具備自動(dòng)化和智能化的測(cè)試系統(tǒng)開展電纜的性能檢測(cè)。本文研究一種基于嵌入式系統(tǒng)控制的電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并給出設(shè)計(jì)方法，它較之傳統(tǒng)的方法有測(cè)試精度高、智能化水準(zhǔn)好、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。并且基于嵌入式系統(tǒng)研究，用軟件編程的思想可實(shí)現(xiàn)測(cè)試鏈路的自動(dòng)切換，并具備后續(xù)擴(kuò)展需求，節(jié)約硬件資源，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

二、測(cè)試的基本原理

導(dǎo)通測(cè)試基于惠斯登電橋進(jìn)行開展，由于電纜導(dǎo)通阻值較小，兩臂容易同時(shí)對(duì)電源變化產(chǎn)生反應(yīng)，需要將輸出信號(hào)送入差分放大器，消除共模干擾，提高測(cè)試的準(zhǔn)確性。

進(jìn)行基準(zhǔn)電壓校正時(shí)需要將RS被測(cè)電阻設(shè)定為0（短路），此時(shí)通過調(diào)整R0使兩臂之間電阻相同，電橋處于平衡狀態(tài)，電路沒有輸出。當(dāng)系統(tǒng)開展導(dǎo)通測(cè)試時(shí)，電纜電阻接入測(cè)試系統(tǒng)，電橋平衡被打破，輸出電壓U1與基準(zhǔn)比較電壓U2產(chǎn)生差值，經(jīng)過放大后進(jìn)入檢測(cè)電路采樣。

故障檢測(cè)基于低壓脈沖反射法開展，通過測(cè)試反射脈沖信號(hào)的極性可判斷故障類型，如果反射脈沖與反射脈沖極性相同，故障點(diǎn)為開路，如果極性相反，故障點(diǎn)為短路。

通過計(jì)算發(fā)射脈沖信號(hào)與反射脈沖信號(hào)之間的時(shí)間差計(jì)算故障點(diǎn)距離測(cè)試點(diǎn)的距離。在測(cè)試時(shí)需要通過電纜連接適配器從電纜的端面輸入低壓脈沖信號(hào)，此時(shí)時(shí)間記為t1，信號(hào)在傳輸過程中遇到斷面、接頭、損傷等特殊點(diǎn)位時(shí)，電纜阻抗會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)會(huì)從阻抗變化的起始位置反射一個(gè)脈沖信號(hào)，從被測(cè)試電纜的起始端傳遞到測(cè)試系統(tǒng)，并被系統(tǒng)記錄，時(shí)間記為t2。根據(jù)電流信號(hào)傳播速度為v，被測(cè)試電纜斷點(diǎn)距離測(cè)試起始端的長度L，可根據(jù)公式計(jì)算得出：

絕緣檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)電纜內(nèi)部每條芯線與電纜屏蔽層之間和每條芯線之間的耐壓電阻檢測(cè)。通過系統(tǒng)內(nèi)置調(diào)節(jié)器可選擇100V-1000V之間的耐壓測(cè)試電壓檔，將電壓加載到需測(cè)試的電纜芯線之間，利用電阻分壓法測(cè)試回路的分壓值輸入放大電路，基準(zhǔn)比較電壓通過基準(zhǔn)電源提供。放大電路放大后信號(hào)進(jìn)入檢測(cè)電路進(jìn)行采樣，并由系統(tǒng)進(jìn)行記錄，電纜內(nèi)部各芯線之間的選通通過邏輯電路控制繼電器陣列實(shí)現(xiàn)測(cè)試管腳分配。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

（一）系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)主要針對(duì)短距離低壓電力電纜和通信電纜檢測(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì)，被測(cè)試電纜最大芯線數(shù)設(shè)定為400芯以內(nèi)，能夠滿足大多數(shù)的應(yīng)用需求。系統(tǒng)基于嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，利用嵌入式系統(tǒng)采集分析測(cè)試信號(hào)的特性，通過顯示模塊能夠直觀給出測(cè)試結(jié)果。主要由嵌入式模塊、顯示及控制模塊、供電及高壓模塊、繼電器控制模塊、適配器等部分組成。嵌入式模塊作為檢測(cè)系統(tǒng)控制核心選用ARM架構(gòu)系列，具有兼容性好、可開發(fā)性強(qiáng)、操作維護(hù)方便等特點(diǎn)，負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)自檢、指令執(zhí)行、數(shù)據(jù)處理記錄、控制硬件電路完成功能檢測(cè)等功能，同時(shí)提供數(shù)據(jù)傳輸接口，實(shí)現(xiàn)功能拓展。顯示及控制模塊具有功能選擇按鍵實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能選擇和人機(jī)交互界面的顯示。供電及高壓模塊可以連接220V標(biāo)準(zhǔn)電源，一方面通過整流分壓為系統(tǒng)提供工作電源，同時(shí)通過逆變模塊可產(chǎn)生1000V以內(nèi)高壓用于絕緣測(cè)試，內(nèi)置高精度低噪聲基準(zhǔn)電源為放大電路提供基準(zhǔn)比較電壓。繼電器控制模塊由繼電器整列組成，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制指令經(jīng)譯碼電路可驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器斷開和閉合，實(shí)現(xiàn)測(cè)試點(diǎn)之間的自動(dòng)切換連接。適配器需要根據(jù)實(shí)際測(cè)試電纜的接口形式進(jìn)行適配制作，系統(tǒng)提供二組20*20的標(biāo)準(zhǔn)插針陣面，與電纜連接部分通過制作適配電纜與系統(tǒng)進(jìn)行連接，也可以根據(jù)實(shí)際常用的型號(hào)的連接器進(jìn)行適配制作。

（二）系統(tǒng)工作流程

電纜測(cè)試系統(tǒng)包含自檢、絕緣檢測(cè)、導(dǎo)通檢測(cè)和故障輔助定位四個(gè)功能模塊。系統(tǒng)開機(jī)以后自動(dòng)開始自檢，通過發(fā)送校驗(yàn)指令，系統(tǒng)檢測(cè)檢驗(yàn)碼正確后會(huì)接通接口及各功能模塊，開展繼電器模塊自檢，系統(tǒng)自動(dòng)選取校正點(diǎn)位繼電器執(zhí)行導(dǎo)通測(cè)試任務(wù)，采樣分析電壓等基本信息，如正常反饋校正碼系統(tǒng)判定工作正常，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)等待執(zhí)行功能模塊。

執(zhí)行導(dǎo)通或絕緣測(cè)試時(shí)首先需要將被測(cè)試電纜通過適配器接入測(cè)試系統(tǒng)，通過功能選擇鍵盤設(shè)置測(cè)量電纜的芯線數(shù)，并選擇起始芯線編號(hào)和結(jié)束芯數(shù)編號(hào)，作為測(cè)試地址碼。執(zhí)行導(dǎo)通檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行某一芯線與其他芯線的導(dǎo)通檢測(cè)，如果測(cè)試通過反饋測(cè)試通過標(biāo)志，并記錄測(cè)試兩端芯線編號(hào)，并顯示測(cè)試結(jié)果，測(cè)試流程接收。絕緣測(cè)試時(shí)只需接入電纜一端接入測(cè)試系統(tǒng)，通過功能開關(guān)選擇測(cè)試電壓，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行某一芯線與其他芯線和屏蔽之間的耐壓檢測(cè)，經(jīng)采樣反饋顯示耐壓阻值。

在測(cè)試過程中，如果電纜導(dǎo)通或絕緣測(cè)試出現(xiàn)問題，可以使用故障輔助定位功能進(jìn)一步分析故障點(diǎn)的類型及距離測(cè)試點(diǎn)的距離，系統(tǒng)通過發(fā)射一個(gè)脈沖信號(hào)，經(jīng)放大電路進(jìn)入到電纜，同時(shí)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，脈沖信號(hào)遇到故障點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生回波信號(hào)，再經(jīng)放大后進(jìn)入計(jì)算機(jī)，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)。處理器根據(jù)回波特性分析故障點(diǎn)類型，并計(jì)算斷點(diǎn)距離測(cè)試點(diǎn)的長度，并顯示測(cè)試結(jié)果。

（三）斷點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)誤差處理

在開展斷點(diǎn)測(cè)試過程中，單個(gè)脈沖寬度越寬會(huì)導(dǎo)致測(cè)量盲區(qū)越大，在實(shí)際選擇時(shí)以尖峰波的上升沿作為觸發(fā)計(jì)時(shí)器的條件，根據(jù)回波信號(hào)的特性可以進(jìn)一步判斷具體的故障點(diǎn)類型。由于計(jì)時(shí)模塊執(zhí)行語句和外圍電路延時(shí)會(huì)參數(shù)系統(tǒng)測(cè)試誤差，在進(jìn)行故障點(diǎn)距離計(jì)算時(shí)需把系統(tǒng)延時(shí)值減去，因此得到下面的關(guān)系式：

L1代表測(cè)量誤差長度，V1代表信號(hào)在電纜中的傳輸速度，代表信號(hào)發(fā)射到接收時(shí)間，代表系統(tǒng)延遲時(shí)間，與系統(tǒng)響應(yīng)頻率有直接關(guān)系，需要依據(jù)具體嵌入式系統(tǒng)的參數(shù)在計(jì)算模塊中進(jìn)行誤差校正。

四、結(jié)語

電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)便攜性好、技術(shù)成熟穩(wěn)定，具有響應(yīng)迅速、測(cè)試準(zhǔn)確、功能豐富的特點(diǎn)，能夠?yàn)殡姎饩S護(hù)人員提供良好的技術(shù)支撐。后續(xù)功能拓展中還可以與工控機(jī)進(jìn)行結(jié)合，建立測(cè)試數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)化的測(cè)量功能，能夠更加高效和準(zhǔn)確的開展電纜故障診斷。

參考文獻(xiàn)：

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