摘  要： 介紹一種基于脈沖測(cè)量法和閃絡(luò)法原理的商用高壓電纜故障測(cè)試儀的原理和硬件設(shè)計(jì)。利用雷達(dá)測(cè)試原理，向電纜發(fā)送一個(gè)低壓脈沖或高壓脈沖。當(dāng)遇到特性阻抗不匹配的地方時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生反射波，根據(jù)反射信號(hào)的波形確定故障的性質(zhì)，通過(guò)測(cè)量波形特征點(diǎn)來(lái)定位故障點(diǎn)位置。系統(tǒng)以微控制器、CPLD為核心，由脈沖發(fā)送/接收、LCD顯示、高速ADC采樣等硬件電路模塊組成。
關(guān)鍵詞：電纜故障測(cè)試; 脈沖測(cè)量法; 閃絡(luò)法; 雷達(dá)法

    70年代初，著名雷達(dá)專家、中國(guó)科學(xué)院院士保錚教授根據(jù)雷達(dá)測(cè)試原理，提出了一種獨(dú)特的“閃絡(luò)法”技術(shù)方案，并設(shè)計(jì)制造出我國(guó)第一臺(tái)“埋地電力電纜故障測(cè)尋儀”，使尋找故障時(shí)間從原來(lái)的幾天(甚至半個(gè)月)縮短為幾個(gè)小時(shí)，從而使我國(guó)的電纜故障測(cè)試技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。
    過(guò)去，在“閃絡(luò)法”電纜故障測(cè)試原理出現(xiàn)以前，電橋法（電阻電橋法、電容電橋法、高壓電橋法）是一種經(jīng)典測(cè)試方法。電橋法優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、方便、精確度高，但只適用于低阻故障，這種方法最大缺點(diǎn)是不適用于高阻與閃絡(luò)性故障，而電纜故障大部分屬于高阻與閃絡(luò)性故障。電橋法的另一缺點(diǎn)是需要知道電纜的準(zhǔn)確長(zhǎng)度等原始技術(shù)資料，當(dāng)一條電纜線路內(nèi)是由導(dǎo)體材料或截面不同的電纜組成時(shí)，還要進(jìn)行換算，電橋法還不能測(cè)量三相短路或斷路故障[1,2]。
    本文設(shè)計(jì)的高壓電纜故障測(cè)試儀是以“脈沖測(cè)量法”和“閃絡(luò)法”技術(shù)為基礎(chǔ)，將發(fā)送脈沖、高速數(shù)據(jù)采集濾波、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)和波形顯示、故障定位等集成于一個(gè)系統(tǒng)而開發(fā)的智能高壓電纜故障測(cè)試儀。
1 電纜故障測(cè)試原理
    電纜的故障一般分為低阻故障、高阻故障、閃絡(luò)性故障以及泄漏故障。脈沖測(cè)量法適用于低阻、接地及斷路故障的測(cè)試，還可用于測(cè)量電纜的長(zhǎng)度，區(qū)分電纜的中間頭、B型接頭與終端頭等；閃絡(luò)法（雷達(dá)法）適用于高阻故障的測(cè)試，而電纜高阻故障幾乎占電纜故障的90%以上，閃絡(luò)法主要分為直流高壓閃絡(luò)法、沖擊高壓閃絡(luò)法、沖擊高壓終端閃測(cè)法、直流閃絡(luò)測(cè)量回路法等[1,2,4]。
1.1 脈沖測(cè)量法
　  脈沖測(cè)量法的工作原理：測(cè)試時(shí)向電纜故障相注入低壓發(fā)送脈沖，如果線路正常且終端負(fù)載阻抗等于線路的特性阻抗時(shí),發(fā)送脈沖被負(fù)載吸收而無(wú)反射回波；當(dāng)線路有故障時(shí)，由于故障點(diǎn)的阻抗不再是線路的特性阻抗而產(chǎn)生反射、其反射系數(shù)為:

1.2 閃絡(luò)法（雷達(dá)法）
    閃絡(luò)法的工作原理是：對(duì)電纜加上足夠高的電壓，電纜故障點(diǎn)就會(huì)發(fā)生介質(zhì)擊穿現(xiàn)象。在擊穿的瞬間，故障點(diǎn)被放電電弧短路，在放電前后，產(chǎn)生電壓躍變。介質(zhì)擊穿時(shí)，其電離過(guò)程需要一定的時(shí)間，而弧光放電一般要持續(xù)數(shù)百微秒到幾個(gè)毫秒，因此躍變電壓在放電期間就以波的形式在電纜故障點(diǎn)和電纜端頭之間來(lái)回反射，這時(shí)，在電纜端頭（始端或終端），把瞬時(shí)躍變電壓及來(lái)回反射波形記錄下來(lái)，便可知道波形來(lái)回反射的時(shí)間，再根據(jù)電波在電纜中的傳播速度，可以根據(jù)式（2）算出電纜故障點(diǎn)到測(cè)試端的距離。
2 主要技術(shù)性能指標(biāo)
    (1) 采樣頻率：30 MHz。
    (2) 測(cè)試范圍：可以測(cè)試35 kV以下的各種銅芯及鋁芯的油浸紙電纜、聚氯乙烯電纜、交聯(lián)電纜、不滴流電纜及各種非標(biāo)電纜。
    (3) 采樣方式：低壓脈沖方式、高壓電壓取樣法、高壓電流取樣法方式。
    (4) 可測(cè)試故障類型：高阻閃絡(luò)性故障、高阻泄漏性故障、短路故障、開路故障、低阻故障。
    (5) 測(cè)試距離：低壓脈沖法：測(cè)試距離≦16 km；高壓閃絡(luò)法：測(cè)試距離≦15 km。
    (6) 測(cè)試盲區(qū)：小于10 m。
    (7) 誤差：
    相對(duì)誤差：不大于±0.5%；
    絕對(duì)誤差：2 km以下長(zhǎng)度電纜不超過(guò)2 m； 5 km以上長(zhǎng)度電纜不超過(guò)5 m。
    (8) 內(nèi)部脈沖有0.2 μs、2 μs，幅度大于200 V。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    本系統(tǒng)數(shù)字部分主要為微控制器系統(tǒng)，CPLD邏輯單元，存儲(chǔ)單元等。模擬部分包括脈沖發(fā)生電路和接收電路。
　 采用微控制器（AT89C58）構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)。微控制器與CPLD、存儲(chǔ)單元、LCD、RS232通信接口、鍵盤KEY，高速ADC采樣電路構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)。在CPLD邏輯單元中的主要工作為邏輯譯碼、地址發(fā)生器和脈沖控制，完成脈沖信號(hào)的發(fā)生、控制采樣。存儲(chǔ)單元由速度為12 ns的高速RAM(TC55B88P-12)構(gòu)成,存放采樣波形數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)RAM(M5M51008BFP-55L)存放處理后的波形數(shù)據(jù)，由于RAM帶后備電池，存放的數(shù)據(jù)可以長(zhǎng)期保存，也可以通過(guò)系統(tǒng)的RS-232C接口上傳到PC計(jì)算機(jī)保存、分析[3]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1。

3.2 主要外圍電路
3.2.1 高速ADC采樣電路
　 高速ADC用于對(duì)反射回波進(jìn)行高速采樣，采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于采樣存儲(chǔ)器TC55B88P-12。
    采樣電路結(jié)構(gòu)見圖2。由于ADC不是三態(tài)輸出，需要在ADC與存儲(chǔ)器之間加入高速緩沖器74HC245。采樣時(shí)，緩沖器的使能腳/OE, 為“0”，總線開通，ADC數(shù)據(jù)直接存進(jìn)波形存儲(chǔ)器，CPLD總線保持為高阻態(tài)。測(cè)試完成后，緩沖器關(guān)閉，由CPLD對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀取操作。采樣結(jié)束后通知單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)。

3.2.2 地址發(fā)生器、波形存儲(chǔ)器
    地址發(fā)生器，波形存儲(chǔ)器電路如圖3所示。30 MHz時(shí)鐘信號(hào)送往地址計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入端，以驅(qū)動(dòng)地址計(jì)數(shù)器掃描高速波形存儲(chǔ)器的地址,地址計(jì)數(shù)器采用13 bit二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器， 地址計(jì)數(shù)器輸出的13 bit地址數(shù)據(jù)與高速波形存儲(chǔ)器的地址輸入端相連，高速波形存儲(chǔ)器為ISSI61C64。每個(gè)波形點(diǎn)分辨率為8 bit，每個(gè)地址存放一個(gè)波形點(diǎn)的數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)掃描至最后一個(gè)波形地址時(shí)，停止位將地址計(jì)數(shù)器的預(yù)置數(shù)控制端置位，這樣在下一個(gè)時(shí)鐘到來(lái)時(shí)，地址計(jì)數(shù)器又從該波形的首地址尋址，讀取波形數(shù)據(jù)?？刂菩盘?hào)中的同步位用于輸出外同步信號(hào)。波形存儲(chǔ)器輸出的波形數(shù)據(jù)由鎖存器74HC245鎖存后送往微控制器數(shù)據(jù)總線。電路中，13 bit同步二進(jìn)制地址計(jì)數(shù)器、鎖存器由高速CPLD實(shí)現(xiàn)。
3.2.3 脈沖發(fā)生電路
    為減小測(cè)試盲區(qū)，發(fā)送脈沖寬度越窄越好，但脈沖越窄，反射回波的高次諧波也變的十分嚴(yán)重，對(duì)系統(tǒng)的濾波提出了更高的要求,本系統(tǒng)將脈沖寬度分成0.2 μs和2 μs兩檔，測(cè)量距離越遠(yuǎn)，選用的脈沖越寬。
3.2.4 內(nèi)部高壓產(chǎn)生電路
    系統(tǒng)采用LC升壓電路，見圖4。

    某煉油廠一條6 kV交聯(lián)聚乙烯電纜，用本儀器測(cè)試故障點(diǎn)424 m，波形特征明顯，經(jīng)確定點(diǎn)后測(cè)試誤差沒有超過(guò)20 cm。
    經(jīng)長(zhǎng)期實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，本文介紹的高壓電纜故障測(cè)試儀，具有體積小、成本低、靈敏度高、易于操作、抗干擾性高等優(yōu)點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
[1] 張棟國(guó)．電力電纜故障分析和測(cè)試[M]． 西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1986．
[2] 張棟國(guó)．電纜故障分析與測(cè)試[M]． 北京：中國(guó)電力出版社，2005．
[3] 何立民．MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990．
[4] 朱啟林，李仁義，徐丙垠．電力電纜故障測(cè)試方法與案例分析[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008．