电缆故障检测系统设计

2022-05-13房峰

科学家 2022年5期

房峰

摘要：电缆作为电力传输或信号传递的载体，在设备设施中发挥着重要的作用。在设备故障排查和预防性维修时，需要对电缆的技术状态进行检查，确保设备供电或者信号传递的正确性。在设备电缆故障中，最为常见的故障类型就是短路和断路故障，依靠人工进行排查的传统方法效率低、错误率高。利用现有计算机技术开展电缆导通和绝缘检测，并可以检测故障类型和断点位置，能够实现电缆主要技术指标检测的自动化和智能化，提升应急故障处置能力，在现代工业生产和设备维护中具有良好的应用前景和实际意义。

关键词：电缆、单片机、断点检测、绝缘

一、概述

随着科学技术的逐步发展，电缆的应用日趋复杂和先进，在工业生产中的地位也越来越重要。特别是在大中型电气设备中，电缆具有敷设隐蔽性强、走线集中、数量种类多等特点，作为电力驱动和信号传递的主要载体，一旦发生故障无法在短时间内定位排除，将会带来不可估量的损失和影响。设备电缆故障检测和日常维护通过简单工具开展检测，效率低、易出错，难以满足现代化的生产需求，需要一种具备自动化和智能化的测试系统开展电缆的性能检测。本文研究一种基于嵌入式系统控制的电缆故障检测系统设计，并给出设计方法，它较之传统的方法有测试精度高、智能化水准好、操作简便等优点。并且基于嵌入式系统研究，用软件编程的思想可实现测试链路的自动切换，并具备后续扩展需求，节约硬件资源，具有良好的市场应用前景。

二、测试的基本原理

导通测试基于惠斯登电桥进行开展，由于电缆导通阻值较小，两臂容易同时对电源变化产生反应，需要将输出信号送入差分放大器，消除共模干扰，提高测试的准确性。

进行基准电压校正时需要将RS被测电阻设定为0（短路），此时通过调整R0使两臂之间电阻相同，电桥处于平衡状态，电路没有输出。当系统开展导通测试时，电缆电阻接入测试系统，电桥平衡被打破，输出电压U1与基准比较电压U2产生差值，经过放大后进入检测电路采样。

故障检测基于低压脉冲反射法开展，通过测试反射脉冲信号的极性可判断故障类型，如果反射脉冲与反射脉冲极性相同，故障点为开路，如果极性相反，故障点为短路。

通过计算发射脉冲信号与反射脉冲信号之间的时间差计算故障点距离测试点的距离。在测试时需要通过电缆连接适配器从电缆的端面输入低压脉冲信号，此时时间记为t1，信号在传输过程中遇到断面、接头、损伤等特殊点位时，电缆阻抗会发生变化，此时会从阻抗变化的起始位置反射一个脉冲信号，从被测试电缆的起始端传递到测试系统，并被系统记录，时间记为t2。根据电流信号传播速度为v，被测试电缆断点距离测试起始端的长度L，可根据公式计算得出：

绝缘检测可实现电缆内部每条芯线与电缆屏蔽层之间和每条芯线之间的耐压电阻检测。通过系统内置调节器可选择100V-1000V之间的耐压测试电压档，将电压加载到需测试的电缆芯线之间，利用电阻分压法测试回路的分压值输入放大电路，基准比较电压通过基准电源提供。放大电路放大后信号进入检测电路进行采样，并由系统进行记录，电缆内部各芯线之间的选通通过逻辑电路控制继电器阵列实现测试管脚分配。

三、系统设计方案

（一）系统构成

本系统主要针对短距离低压电力电缆和通信电缆检测进行设计，被测试电缆最大芯线数设定为400芯以内，能够满足大多数的应用需求。系统基于嵌入式系统实现，利用嵌入式系统采集分析测试信号的特性，通过显示模块能够直观给出测试结果。主要由嵌入式模块、显示及控制模块、供电及高压模块、继电器控制模块、适配器等部分组成。嵌入式模块作为检测系统控制核心选用ARM架构系列，具有兼容性好、可开发性强、操作维护方便等特点，负责完成系统自检、指令执行、数据处理记录、控制硬件电路完成功能检测等功能，同时提供数据传输接口，实现功能拓展。显示及控制模块具有功能选择按键实现系统功能选择和人机交互界面的显示。供电及高压模块可以连接220V标准电源，一方面通过整流分压为系统提供工作电源，同时通过逆变模块可产生1000V以内高压用于绝缘测试，内置高精度低噪声基准电源为放大电路提供基准比较电压。继电器控制模块由继电器整列组成，计算机系统控制指令经译码电路可驱动相应的继电器断开和闭合，实现测试点之间的自动切换连接。适配器需要根据实际测试电缆的接口形式进行适配制作，系统提供二组20*20的标准插针阵面，与电缆连接部分通过制作适配电缆与系统进行连接，也可以根据实际常用的型号的连接器进行适配制作。

（二）系统工作流程

电缆测试系统包含自检、绝缘检测、导通检测和故障辅助定位四个功能模块。系统开机以后自动开始自检，通过发送校验指令，系统检测检验码正确后会接通接口及各功能模块，开展继电器模块自检，系统自动选取校正点位继电器执行导通测试任务，采样分析电压等基本信息，如正常反馈校正码系统判定工作正常，进入待机状态等待执行功能模块。

执行导通或绝缘测试时首先需要将被测试电缆通过适配器接入测试系统，通过功能选择键盘设置测量电缆的芯线数，并选择起始芯线编号和结束芯数编号，作为测试地址码。执行导通检测系统自动执行某一芯线与其他芯线的导通检测，如果测试通过反馈测试通过标志，并记录测试两端芯线编号，并显示测试结果，测试流程接收。绝缘测试时只需接入电缆一端接入测试系统，通过功能开关选择测试电压，系统自动执行某一芯线与其他芯线和屏蔽之间的耐压检测，经采样反馈显示耐压阻值。

在测试过程中，如果电缆导通或绝缘测试出现问题，可以使用故障辅助定位功能进一步分析故障点的类型及距离测试点的距离，系统通过发射一个脉冲信号，经放大电路进入到电缆，同时计时器开始计时，脉冲信号遇到故障点时产生回波信号，再经放大后进入计算机，计时器停止计时。处理器根据回波特性分析故障点类型，并计算断点距离测试点的长度，并显示测试结果。

（三）断点测试系统误差处理

在开展断点测试过程中，单个脉冲宽度越宽会导致测量盲区越大，在实际选择时以尖峰波的上升沿作为触发计时器的条件，根据回波信号的特性可以进一步判断具体的故障点类型。由于计时模块执行语句和外围电路延时会参数系统测试误差，在进行故障点距离計算时需把系统延时值减去，因此得到下面的关系式：

L1代表测量误差长度，V1代表信号在电缆中的传输速度，代表信号发射到接收时间，代表系统延迟时间，与系统响应频率有直接关系，需要依据具体嵌入式系统的参数在计算模块中进行误差校正。