（无线电物理专业论文）基于tms320lf2401a的电力电缆故障定点检测技术.pdf

摘要 摘要 随着经济的快速发展，电力电缆得到广泛的应用。电力电缆故障检测成为制 约电缆发展的一个难题，特别是故障点粗测后的精确定点技术。在文中，作者旨 在研究一种用于电缆故障检测的精确定点系统。主要工作包括： 介绍了电缆故障检测的基本知识，如电缆故障产生的原因、电缆故障分类和 电缆故障的检测方法。探讨了电缆故障的检测方法中的粗测法和定点检测法。讨 论了数字滤波器的设计方法，研究并应用m a t l a b 中的f d a t o o l t 具箱设计了电缆故 障定点系统的核心模块：f i r 滤波器。在研究t t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 1 a 数字信 号处理器的硬件结构、性能特点和d s p 的集成开发环境c c s 3 1 的基础上，根据性 能要求，设计了前端模拟部分的滤波、放大电路、d s p 芯片的外围电路和系统的输 出电路。并运用c 和汇编的混合编程完成了基于d s p 芯片的f i r 数字滤波器的仿真 和设计。 作者设计的系统应用在闪络性故障的精确定点仪上，可以手动调节选择滤波 频率范围，避开现场噪声，从而精确的得到故障点。 关键词：精确定点t m s 3 2 0 l f 2 4 0 1 a闪络故障手动调节 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , e l e c t r i cp o w e rc a b l e sa r ew i d e l yu s e d c a b l ef a u l td e t e c t i o n ，e s p e c i a l l yp r e c i s i o nf i x e d - p o i n tt e c h n i q u e sa f t e rt h er o u g h m e a s u r e m e n to ff a u l tp o i n t s ，h a sb e c o m eac o n s t r a i n tt ot h ed e v e l o p m e n to ft h ec a b l e i n t h i sp a p e r , ap r e c i s el o c a t i o ns y s t e n af o rc a b l ef a u l td e t e c t i o nw a si n t r o d u c e d t h em a i n t a s k so ft h et h e s i si n c l u d et h ef o l l o w i n gp a r t s ， b a s i ck n o w l e d g eo fc a b l ef a u l td e t e c t i o nw a sd e s c r i b e d ，s u c ha sc a b l ef a u l tc a u s e s ， c a b l ef a u l tc l a s s i f i c a t i o na n dc a b l ef a u l tl o c a t i o nm e t h o d c a b l ef a u l tm e a s u r e m e n t m e t h o d sw e r ed i s c u s s e d ，i n c l u d i n gc r u d em e a s u r e m e n tm e t h o da n df i x e d p o i n tt e s t m e t h o d a l s o ，d i 西t a lf i l t e rd e s i g nm e t h o d sw e r ed i s c u s s e d a f t e rf d a t o o lt o o l b o xw a s s t u d i e d ，af i rf i l t e r , c o r em o d u l e so ft h ec i r c u i tf a u l tl o c a t i o ns y s t e m sw a sd e s i g n e d f i n a l l y , w i t ht h er e s e a r c ho fh a r d w a r es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i co ft h e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 l f 2 4 0 1ai nt ic o m p a n y , a n dc c s - t h ed s pi n t e g r a t e d d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，t h ef i l t e r i n ga n da m p l i f y i n gc i r c u i ti nf r o n t - e n da n a l o gp a r t ， d s pc h i pp e r i p h e r a lc i r c u i t sa n ds y s t e mo u t p u tc i r c u i tw e r ed e s i g n e db a s e do nt h e p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s t h es i m u l a t i o na n dd e s i g no f t h ef i r d i g t a lf i l t e rb a s e do n d s p c h i pw a sp e r f o r m e db yu s i n gcl a n g u a g ea n da s s e m b l el a n g u a g e w h e na p p l i e dt oap r e c i s ef i x e d p o i n ti n s t r u m e n to fc a b l ea r cr e f l e c t i o nf a u l t ，t h e s y s t e mp r o p o s e di nt h i sp a p e rc a nm a n u a l l ya d j u s tt h ef r e q u e n c yr a n g eo ff i l t e r i n g o p t i o n s ，a n da v o i dt h eo n - s i t en o i s e ，t h u sap r e c i s ep o i n to f f a i l u r ew a so b t a i n e d 。 k e yw o r d s ：p r e c i s i o nf i x e d - p o i n tt e c h n o l o g y t m s 3 2 0 l f 2 4 0 1 a a r er e f l e c t i o nf a u rm a n u a lr e g u l a t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：乏盔垒 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：至熊 导师签争：辫函舟 e i 其i 塑i 三j 日期瓴士岁 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 1 1 1 电缆故障检测的简单介绍 电力电缆是电力传输网络的重要组成部分，随着电网改造工作的开展，电力 电缆的优势越来越明显，电力电缆的应用数量也越来越多，而且多埋在地下管道 之中。由于电力电缆多埋在地下，人们在地面上是观察不到故障点的，必须先用 仪器测出准确的故障位置，才能进行地面修复【1 1 。伴随着电力电缆故障的增多，如 何快速、准确、经济地查找故障点，成为人们关注的一个焦点。迅速、准确地确 定电力电缆的故障点能提高供电可靠性，减少故障修复费用及停电损失。电力电 缆故障点检测是一项技术性比较强的工作，需要检测人员很好的掌握检测原理和 方法，并具有一定的工作经验。对电力电缆故障，必须采用成套的仪器和专门的 方法进行检测。电缆故障检测一般分五步进行：首先确定电缆故障的性质；然后 根据故障性质对故障点距离进行粗测( 从现场实践看来，大多数电缆的准确长度没 有记载，因此在粗测之前往往需要测量电缆长度) ；粗测后，用路径仪确定电缆路 径；根据不同故障性质，选择合适的定点方法，精确测定故障点位置1 2 】。 检测人员一般通过测量工具测量电力电缆的电阻值来判断电缆的故障性质， 电缆故障性质确定后，首先用低压脉冲法或电桥法测出正常相的电缆全长，跟已 知的实际长度比较，校准波速。电缆的全长和波速在电缆故障粗测中要用到。根 据电缆故障性质，主要通过以下两类粗侧法( 粗测法就是在电缆的一端使用仪器测 定故障距离) 测量故障的位置。一类是脉冲反射法，包括低压脉冲反射法、二次脉 冲法、直流闪侧法、冲闪法；另一类是电桥法，包括低压电桥、高压电桥及电容 电桥【3 1 。 对电缆故障进行粗测之后，用路径仪确定电缆路径走向，找出故障点的大体 方位。根据不同的故障性质，选择合适的电缆故障定点检测方法，把故障点精确 在一个很小的范围内。用于电缆故障精确定点的主要检测方法有声音判断法、磁 场判断法、音频感应法、电流方向法、跨步电压法及声磁同步法，声磁同步法是 声音判断法和磁场判断法的综合【3 1 。在很多情况下，电缆故障精确定点比故障距离 测量更困难，尤其是电力电缆发生高阻故障后，故障点物理化学性质变化不大， 故障点搜寻难度很大【4 1 。用高压智能电桥法测得故障距离之后，一般需要用高压击 穿故障点或在故障点产生闪络，通过对故障点直流击穿或闪络产生的声、磁振动 等信号来搜寻故障剧5 1 。 2 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 1 a 的电力电缆故障定点检测技术 1 1 2 电缆故障检测的发展趋势 从上世纪7 0 年代至今，电缆故障定位技术取得了长足的发展和进步，各种检 测方法和检测仪器应运而生，电缆故障检测技术不断得到完善和提高，并且在实 践中得到了广泛的应用【6 】。 现代微电子技术的发展，促进了电缆故障检测的进步。仪器正向智能化方向 发展，能对采集的信号进行复杂的数学处理：自动计算故障点；记忆测量波形； 打印输出波形及测量结果等；同时，这些仪器也具有体积小，携带方便，操作简 单等优点【_ 7 1 。新型智能化电缆故障检测系统将具有如下几个方面的突出特征：( 1 ) 测量精度以先进的故障定位理论为基础，并结合计算机技术，使得故障定位精度 进一步提高。( 2 ) 自动化系统可实现误差自动补偿、检测程序自动化操作、自动报 警和故障自诊断及自动巡回检测。( 3 ) 基于i n t e r n e t 的网络化已经成为人们工作和学 习的重要工具，它对于智能电缆故障监测系统来讲也是很重要的，因为它是远程 操作、监控的唯一有效的途径。总之，新的电缆故障定位理论、传感器、微型机 算计及网络的结合，为智能化电缆故障检测系统开辟了广阔的前景f 引。 电缆故障的在线监测技术，提高电缆线路运行的安全性，同时也减小了用电 损失。因而，这种技术显得非常重要。目前，由直流分量法、直流叠加法和在线 介质损耗角正切法三种方法组成的综合电缆在线检测仪在国外已问世。电缆故障 的精确定位与准确识别对快速准确排除故障具有十分重要的意义，电缆故障诊断 与定位技术也发展的相当迅速。长期以来，通过国内外专家学者的不断努力，涌 现出许多测距方法和测距装置，这些方法和装置适用于不同故障情况，以下简单 的介绍了测距方法。 例如使用实时专家系统对电缆进行自动检测，采用高速光电传感技术，利用 光纤对电缆进行在线故障测距；以及将全球定位系统( g p s ) 技术应用于电缆故障在 线测距当中。随着电力电缆故障检测技术的发展，通过采用高速a d 转换器、精 确的时钟系统和先进的分析工具来分析暂态故障信号，获取电力电缆故障点的特 征信息。在这种思路的引导下产生了许多在线的测距方法。从长远来看，在线检 测及全自动检测是未来电缆故障检测的发展趋势。相对离线测距而言，在线检测 能够快速实现故障测距。并且能够将故障测距信息自动传送到系统监测设备，也 避免了离线定位技术中所使用的过高的冲击电压对电缆可能造成的附加损伤。 目前，国内外一些公司在不断研究新的检测方法，但电力电缆故障的在线检 测与测距迄今尚未达到输电线路故障的在线检测与测距的成熟程度。基于输电网 的g p s 行波故障定位方法是将电缆的地理信息系统( g i s ) 和全球定位系统( g p s ) 结 合起来，形成了电缆故障自动定位系统。当运行中的电缆发生故障时，故障点产 生的行波信号沿线路向两端传输，利用g p s 提供的精确时钟信号记录到达两端的 第一章绪论 时间差，即可确定故障点距离。该系统的智能化程度较高，可以实现对电缆故障 的自动检测，并直接给出故障点的地理位置信息。 小波分析在电缆故障诊断中的应用。小波变换应用于电力系统的研究，己显 示出优越性和广阔的应用前景。电力系统暂态信号分析包括滤波与去噪、信号检 测与分类识别、数据压缩等。小波分析对非平稳信号的处理和识别具有很多优势， 利用小波分析可以对暂态信号进行多分辨分析、时频分析、多尺度边沿检测等等。 由于行波故障信号的多尺度检测或小波分析能够全面描述行波故障信号特征，因 此，可以利用小波分析对行波故障分量进行多尺度分解，再根据它们在不同频带( 尺 度) 下的表现判定故障是否发生在保护区内。对不同尺度下小波变换的结果进行干 扰的分析和抑制、提取信号故障特征参数，实现故障的精确测距。 文中所述故障定位方法按照检测方式可分为主动式和被动式两种。主动式一 般是在线路不停电的情况下，故障发生后向系统注入特定的信号实现故障定位， 如果接地点存在间歇性电弧现象，注入的信号在线路中将不连续，给故障定位带 来困难。若是在离线的情况下利用其实现故障定位，需要外加直流高压使接地点 保持击穿状态，势必增加投资和检测复杂性。被动式主要是利用故障发生时采集 信号中包含的故障信息以及故障前后线路参数的变化实现故障点的定位，不需要 额外增加设备，在现场容易实现，所以利用被动式检测方法查找故障点是今后配 电网故障定位的发展方向p j 。 1 2 数字信号处理技术在电缆故障检测中的应用 1 2 1 数字信号处理概述 每个工程技术领域都涉及到信号，这些信号有电的、磁的、机械振动的、热 的、声的、光的等各种各样的信号。如何在较强的背景噪声和干扰信号下提取微 弱的有用信号，这是信号处理要研究和解决的问题。长期以来，人们都是通过模 拟信号处理来实现对信号的处理。模拟信号处理是用模拟的方法对信号进行表征、 转换和处理的过程，这种处理方式相对于数字处理而言，精度低、灵活性差、信 号处理能力低和功能单一等不足【1 0 1 。模拟滤波器的发展经历了从无源滤波器到有 源滤波器两个过程，有源滤波器的提出，使得滤波器集成化得到了实现【1 1 1 。高精 度无源滤波器从设计到制造都是难度非常高的技术，有源滤波器在很大程度上改 进了滤波器的性能，也降低了一些制造工艺的难度【l 羽。但有源滤波器的性能与制 造工艺，都是无法与数字滤波器相比拟的。随着电子工业的发展，对滤波器的性 能要求越来越高，功能也越来越多，并且要求它们向集成化方向发展【l3 1 。模拟滤 波器越来越不能达到要求了，人们一直在寻找更好的方法来解决这些问题。直到 2 0 世纪6 0 年代，数字信号处理理论得到了很好的发展，理论体系也趋于成熟，到 4 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 1 a 的电力电缆故障定点检测技术 现在它已经成长为一门独立的数字信号处理学科。数字滤波器在数字信号处理中 占有绝对优势的地位，它涉及的领域很广，如本文要研究的电缆故障检测领域， 其它的如通信系统、系统控制、生物医学工程、遥感遥测、地质勘探、电力系统 和自动化仪器等，可以说数字滤波技术已经涉及到我们生活的各个领域。在理论 基础得到完善的同时，随着集成电路技术的发展，各种新型的大规模和超大规模 集成电路不断涌现，都使得数字信号处理系统的功能越来越强大；随之出现的各 类仿真软件如：m a t l a b 软件，也使得数字滤波器得到了更广泛的应用。至此，我 们提出了数字信号处理这个概念，就是用数字符号的序列来表示信号，并根据数 字信号处理的理论和算法，以获得信号的特征参数和信号在某种意义上更易识别 和有用的过程。数字信号处理由于运算速度快，具有可编程特性和接口灵活的特 点，使得它在许多电子产品的研制、开发和应用中，发挥着重要的作用。采用d s p 芯片来实现数字信号处理系统是当前发展的趋势f 1 3 】。 数字滤波器在数字信号处理中占有重要的地位，数字滤波器容易实现不同的 幅值和相位频率特性指标，能够克服模拟滤波器器件难以克服的电压漂移、温度 漂移和噪声等问题【1 4 1 。数字滤波器一般是指将d s p 芯片用于滤波器的技术与方法。 d s p 芯片是一种特别适合处理数字信号运算的c p u ，其主要特点是能够实时快速 的实现各种数字信号处理算法【1 5 1 。用d s p 芯片实现的数字滤波器除了具有稳定性 好、精确度高、不受环境影响外，还具有灵活性好的特点。用可编程d s p 芯片实 现数字滤波器可通过修改滤波器的参数十分方便的改变滤波器的特性。目前的 d s p 芯片以其强大、快速的数据处理功能在微弱信号检测和其他信号处理领域得 到了广泛的应用，并成为开发应用的主要技术之一。 1 2 2 数字滤波器设计简述 数字滤波器是指输入、输出均为数字信号，通过一定运算关系改变输入信号 所含频率成分的相对比例或者滤除某些频率成分的器件。数字滤波器又分为无限 冲激响应滤波器( i 取) 和有限冲激响应滤波器( f i r ) 。两种滤波器的设计方法大不相 同，i i r 滤波器的设计结果是得到滤波器系统函数h ( z ) ，而f i r 滤波器的设计结果 是得到单位脉冲响应h ( n ) 。i i r 滤波器设计方法有两类：一类设计方法是借助于模 拟滤波器的设计方法进行设计，这类方法相对比较容易，因为模拟滤波器设计方 法已经很成熟；另一类方法是直接在频域或者时域中进行设计，设计时需要计算 机辅助设计。f i r 滤波器具有不含反馈环路、结构简单以及可以实现严格线性相位 等优点，因而在相位要求比较严格的条件下，采用f 1 r 滤波器。稳定和线性相位 特性是f i r 滤波器的重要优势。f i r 滤波器设计的主要任务是选择有线长度的脉冲 响应h ( n ) ，使传输函数h ( e l w ) 满足数字滤波器的技术要求。一般滤波器的技术要求 由幅频特性给出，相频特性一般不做要求【1 6 1 。f i r 滤波器的设计方法有三种：窗函 第一章绪论 5 数法、频率采样法和切比雪夫等波纹逼近法，常用的六种窗函数法包括矩形窗、 三角形窗、汉宁窗、哈明窗、布来克曼窗和凯泽窗。两种滤波器从性能、结构、 设计工具等方面来说，各有优势，但基于稳定性的考虑，本文的设计选择了f i r 滤波器。设计芯片选用t i 公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 1 a ，d s p 芯片能够满足所需要的运 算速度。数字滤波器的实现方法一般有几种：1 ) 在通用计算机上软件编程实现；2 ) 用加法器、乘法器、延时器设计实现专用的滤波电路；3 ) 用单片机实现；4 ) 用通用 的可编程d s p 芯片实现：5 ) 用专用的d s p 芯片实现；6 ) 用f p g a c p l d 等可编 程器件来设计实现【1 7 1 。在这几种方法中，第一种方法的速度比较慢，主要用来进 行算法的模拟仿真，只能用于非实时系统；第二种和第五种方法是专用的，应用 范围不广；第三种方法比较容易实现人机接口，但系统比较复杂，对乘法运算的 速度很慢；第四种方法因d s p 芯片的哈佛结构、并行结构、指令系统等结构特点， 使得数字滤波器比较容易实现；第六种方法是通过软件编程用硬件实现特定的数 字滤波算法，具有通用性，可以实现算法的并行运算，在当今研究的也比较多。 在本文的设计研究中，数字滤波器用硬件实现时，用到的是可编程d s p 芯片构成 的数字滤波器【l 引。 1 2 3d s p 芯片的特点 1 9 8 2 年，t i 公司推出首枚d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 ，标志着d s p 技术发展进入实 用阶段。此后d s p 不断地更新换代，至今已有定点系列、浮点系列以及多处理器 并行处理结构系列。目前d s p 的主要厂家有：t i 、a d 、m o t o r o l a 和l u c e n t ， 其中t i 公司的市场分额最大，它的产品已发展到第8 代。d s p 的主要特点表现在 以下几方面： l 、哈佛结构 哈佛结构的主要特点是程序存储器和数据存储器相互独立，每个存储器独立 编址、独立访问，取指令和取操作数可同时进行，程序空间和数据空间之间可相 互传送数据；系统中设置了程序总线和数据总线两条总线，使数据的吞吐率提高 了一倍。由于程序和数据存储器在分开的两个空间里，取指令和执行能完全重叠 运行，提高了指令执行速度。 2 、多总线结构 d s p 芯片采用多总线结构，可同时进行取指令和多个数据存取操作，并由辅 助寄存器自动增减地址进行寻址，使d s p 在一个机器周期内可多次对程序空间和 数据空间进行访问，大大提高了d s p 运行速度。 3 、流水线结构 d s p 执行一条指令，需要通过取指、译码、取操作和执行等几个阶段，采用 流水线结构，可以使这几个阶段重叠运行。 6 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 1 a 的电力电缆故障定点检测技术 4 、多处理单元 d s p 内部一般都包括多个处理单元，如算术逻辑单元( a l u ) 、辅助运算单元 ( a r a u ) 、累加器( a c c ) 、以及硬件乘法器( m u l ) 等，它们可以在一个指令周期内 同时进行运算，因此d s p 特别适用于f i r 和i i r 滤波器的设计。 5 、特殊的d s p 指令 为了更好的满足数字信号处理应用的需要，在d s p 的指令系统中，设计了一 些特殊的数字信号处理指令用来完成专门的数字信号处理操作。 6 、指令周期短 采用哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊指令及集成电路优化 设计，使指令周期可在2 0 n s 以下。 7 、运算精度高 早期的d s p 字长为8 位，后来逐步提高到1 6 位、2 4 位、3 2 位。为防止运算 过程中的溢出，有的累加器达到4 0 位。此外，一批浮点d s p 如：t m s 3 2 0 c 3 x 、 a d s p 2 1 0 2 0 等则提供了更大的动态范围。 8 、硬件配置强 新一代d s p 的接口功能愈来愈强，片内具有串行e i ( s p i 、s c i ) 、主机接h ( h p i ) 、 软件控制的等待状态发生器、锁相环时钟产生器以及检测访问口j t a g ( 用于实现 在片仿真，符合i e e e 11 4 9 i 标准) ，更易于完成系统设计【1 9 1 。 由上可以看出d s p 是一种具有高速运算能力的单片机。普通单片机是事务密 集型的，而d s p 则是运算密集型，因此d s p 可以取代单片机，而单片机却不能取 代d s p 2 0 。本文主要研究数字信号处理的软硬件实现方法，即利用t i 公司的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 1 a 芯片，通过配置硬件和软件编程，实现所要求的数字信号处理任 务【2 1 1 。 1 3 本文的主要研究内容与结构 电路故障粗测后，需要借助探针( 地面比较疏松时用) 和定点仪进行电缆故障精 确定位。高压击穿故障点时，会产生火花放电，火花放电时产生的振动声音通过 压电传感器转换为电信号，由前端模拟电路进行初步处理，再通过d s p 芯片进行 数字滤波，最后通过耳机还原成声音，通过人机的有效配合，从而精确确定故障 点的位置。在实际测量中，由于电缆多位于嘈杂的环境中，如来往车辆压辗公路 的杂音和放电声混在一起，影响了耳机的准确收听。如果是这样可以等到后夜， 车辆稀少了，再仔细搜索。 滤波技术是影响电力电缆故障测距准确与否的重要因素。从电力电缆故障检 测方法的发展趋势分析，电力电缆故障检测方法原理性的理论己基本完善，目前 第一章绪论 7 电力电缆故障测距仪器的研制也是以改进测距方式、提高检测精度、仪器便携化 的角度着手。随着数字信号处理理论的完善，数字滤波技术已经深入应用于电缆 故障检测领域中。 1 3 1 本文的主要研究内容 本文在大量研究电缆故障检测技术、e d a 和d s p 等技术资料的基础上，学习 了相关的硬件知识，并深入的分析了d s p 的应用实例，最后设计出了合理的电缆 故障检测的硬件电路，编写了c 与汇编混合的滤波程序。在了解和对比f i r 滤波 器的几种实现方法后，经过比较、分析和研究，决定利用t i 公司推出的高性能1 6 位的定点2 0 0 0 系列的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 l a 来设计有限冲击响应数字滤波 器，主要完成的任务有： 1 、介绍电力电缆的一些基本相关知识，如电力电缆的基本结构、电力电缆故 障产生的原因等等，这些内容都是研究电缆故障检测的必备知识。探讨电缆故障 检测的方法，其中测距法中详细探讨电桥法的原理，特别是数字式二进制电桥。 数字式二进制电桥能够通过单片机智能化控制电阻比值的大小，完全模拟了模拟 电桥的特性。二进制电桥在保持模拟电桥的特性同时，使智能化控制电桥平衡成 为现实。电缆故障定点检测方法有声音判断法，作者设计的系统就是根据声音判 断法原理而设计的。结合声测法和d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 1 a 设计的系统，可以 比较精确、快速的找到故障点。 2 、介绍数字滤波器设计的相关内容，包括数字滤波器的定义及分类、滤波器 的技术要求。分析i i r 和f i r 两种滤波器的设计方法，其中详细探讨f i r 数字滤 波器设计中的窗函数法。研究m a t l a b 环境下f i r 滤波器的设计方法，主要是用窗 函数法设计f i r 滤波器，及如何用m a t l a b 中的工具箱设计各种类型的数字滤波器。 最后设计符合要求的f i r 滤波器，并通过m a t l a b 输出系统函数的系数数据。 3 、深入学习t i 公司的1 6 位定点d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 1 a 的硬件、软件结 构和特性，熟悉d s p 系统设计过程，深入理解a d 转换器、通用定时器、f l a s h 等芯片内部资源的工作模式。深入了解d s p 的开发环境和工具，编写d s p 滤波器 的程序，并对硬、软件进行调试，研制可用的电缆故障定点检测系统。设计基于 d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 1 a 的f i r 数字滤波器。 4 、选择除中心芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 1 a 之外的相应芯片及集成模块，对电缆故 障精确定点系统进行硬件电路设计，主要包括前端模拟部分、时钟信号产生电路、 系统电源供电电路( 包括复位电路) 、串行通信接口电路、p w m 波输出电路等基本 外部电路的设计。其中前端模拟电路起到放大、滤波的作用，用m u l t i s i m1 0 0 对 其进行仿真，仿真结果可以看出电路满足要求。 8 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 1 a 的电力电缆故障定点检测技术 1 3 2 本文的结构 本文主要分为6 部分： 第一章绪论，首先简单的介绍电力电缆的应用，以及电力电缆故障的类型及 各类故障粗测、精确定点的检测方法，最后探讨了电缆故障检测的发展趋势。其 次介绍数字滤波技术的发展动态及数字滤波器设计的几种实现方法，同时也介绍 了d s p 技术的发展应用及d s p 芯片的结构、d s p 系统的设计过程等基本知识，说 明了本文的研究意义及主要做的工作。 第二章电力电缆故障检测的基本知识，详细介绍了电力电缆故障产生的原因， 做到从安装就要考虑到减少故障的发生。根据故障类型，总结了电缆故障检测的 步骤，并讲解了各种检测方法，特别是测距法中的二进制数控电桥。 第三章数字滤波器设计，介绍数字滤波器的基本理论，主要包括数字滤波器 的分类、有限冲击响应数字滤波器f i r 结构及设计方法，编写程序并在m a t l a b 环 境下进行了仿真。 第四章电力电缆故障定点检测系统设计，详细介绍硬件核心部件 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 1a 的内部组件和基本外部电路，以及f i r 数字滤波器系统硬件电路 设计，主要是外围电路的连接设计。并介绍了软件的开发环境和t m s 3 2 0 l f 2 4 0 1 a 的开发工具。 第五章试验结果与分析，利用示波器检测滤波器效果，得出了d s p 芯片的输 入与输出对比图，经过分析，f i r 滤波器的波形图与m a t l a b 仿真结果基本一致， 说明设计的滤波器能够完成滤波效果。 结束语，总结了全文主要成就，指出了今后的努力方向。 第二章电力电缆故障检测的基本知识 9 第二章电力电缆故障检测的基本知识 随着国民经济的飞速发展，由于电力电缆具有输电通道小、受环境污染影响 小、可靠性高及对人身及周围环境干扰小等优点而被广泛应用。特别是在城市及 大型工业电力用户，电缆几乎成为今后主要的电能传输、分配的途径。那么如何 准确、迅速、经济地查寻电缆故障便成了人们关注的问题【2 2 1 。 首先简单介绍一下电力电缆的基本结构，电力电缆主要由线芯( 导体) 、绝缘层 和保护层( 套) 三部分组成，不同的部分发挥着不同的作用。线芯是传送电能的导体， 它必须有良好的导电性能，以减少电能在传输过程中的损耗；绝缘层用来将不同 线芯以及接地部分彼此绝缘隔离，它必须绝缘性能良好，并具有一定的耐热性能； 保护层用以保护绝缘层免受外界作用，使电缆在运输、贮存、敷设和运行过程中， 绝缘层不受外力的损伤和防止水分浸入，它应具有一定的机械强度。电力电缆按 芯数分为单芯电缆和多芯电缆，本文要研究的是多芯电缆的故障检测问题。电力 电缆按照敷设环境分为直埋、排管、隧道、架空、水底过河、大高落差电缆等， 本文设计的电缆故障定点检测仪主要是针对直埋电力电缆设计的【2 3 1 。 2 1 电力电缆故障产生的原因 电力电缆故障的原因是多方面的，大致可分为以下几种： 1 、机械损伤：例如在安装过程中，不小心碰伤电缆；机械牵引力过大而拉伤 电缆；电缆过度弯曲而损伤电缆；这些损伤经过长时间运行后就有可能发展成为 电缆故障。机械损伤引起的电缆故障占电缆故障事故的比例比较大。电缆结构中 护层的作用就是防止电缆受到机械损伤。 2 、电缆绝缘层的破坏：电缆绝缘层的破坏是故障产生的主要原因。特别是塑 料绝缘的电力电缆，电缆绝缘层长期在电场作用下工作，要受到伴随电作用而来 的化学、热和机械作用，从而使介质发生物理、化学变化，使介质的绝缘下降。 同时由于绝缘层的介质损耗，可能造成电缆过热，进而加速了绝缘层老化。安装 于电缆密集区、电缆沟及电缆隧道等通风不良处的电缆，会导致散热不良；穿在 干燥管中的电缆以及与热力管道接近的电缆，都会因过热而使绝缘加速老化。电 缆密封不严，绝缘层进入水分而受潮，使电缆绝缘性能下降，甚至造成树枝状放 电或直接贯穿性击穿，导致电缆出现故障。另外，在大气过电压和电力系统内部 过电压的作用下，使电缆绝缘层击穿，形成故障，这种情形下击穿点一般是由于 材料存在缺陷而造成的。 3 、护层的腐蚀：因受土壤内酸、碱和杂散电流的影响，埋地电缆的铅或铝包 l o 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 1 a 的电力电缆故障定点检测技术 将遭到腐蚀而损坏。护层遭到破坏后，电缆的内两层会遭到更大的破坏。 4 、过电压：过电压主要指大气过电压和内过电压。许多户外终端接头的故障 是由大气过电压引起的。电缆本身的缺陷也会导致在大气过电压的情况下发生故 障。 5 、材料缺陷：材料缺陷主要表现在三个方面，电缆制造的问题、电缆附件制 造上的缺陷和对绝缘材料的维护管理不善等，这些都可能使电缆发生故障。首先 是电缆制造的问题，主要有包铅( 铝) 留下的缺陷；在包缠绝缘过程中，纸绝缘上出 现褶皱、裂损、破口和重叠间隙等缺陷。二是电缆附件制造上的缺陷，如铸铁件 有砂眼，瓷件的机械强度不够，其它零件不符合规格或组装时不密封等。三是对 绝缘材料维护管理不善，造成制作电缆中间接头和终端头绝缘材料受潮、粘污和 老化，影响中间接头和终端接头的质量。 除此外，电力电缆制造工艺的中间接头和终端头的设计和制作工艺问题，也 是电力电缆故障的重要原因。需要通过改进制造技术、提高施工技术来尽量避免。 故障产生的原因和故障的表现形式是多方面的，有逐渐形成的也有突发性的，而 每一个电缆故障可能是由上述一种或几种原因造成的，在设计施工阶段增强电缆 故障防范意识，可有效降低电缆故障发生的概率。故障发生之后，我们首先要检 测出故障的类型，根据故障类型，迸一步制定出检测故障的方法瞰】。 2 2 电力电缆故障的分类 电力电缆故障的分类方法比较多，通常有以下几种方法： l 、电力电缆故障从形式上可分为串联和并联故障。串联故障指电缆一个或多 个导体( 包括铅、铝外皮) 断开，通常在电缆至少一个导体断路之前，串联故障是不 容易发现的；并联故障是导体对外皮或导体之间的绝缘下降，而不能承受正常运 行电压。 2 、检测人员一般通过使用测量台、兆欧表、万用表测量电力电缆的电阻值来 判断电缆的故障性质，用兆欧表分别测各相对地绝缘电阻及分别测各相间的绝缘 电阻，然后根据结果判断是单相故障还是多相故障，用兆欧表测出是低阻故障后， 还要进一步通过万用表来检测是否真正发生了低阻故障。只有正确的诊断故障， 才能选择正确的检测方法。接下来通过万用表检查导体的连续性，即在电缆一端 将a 、b 、c 三相短路而且接地，在另一端用万用表检测各相间是否通路。根据故 障电阻与击穿间隙情况，电缆故障可分为低阻、高阻、开路与闪络性故障。 1 )低电阻接地或短路故障：电缆一芯或数芯对地绝缘电阻或芯与芯之间的绝 缘电阻低于1 0 0 k q ，而导体连续性良好者。一般常见的有单相接地，两相或三相 短路或接地等故障。 第二章电力电缆故障检测的基本知识 2 )高电阻接地或短路故障：与低电阻接地或短路故障有些相似，但区别在于 电缆一芯或数芯对地绝缘电阻或芯与芯之间的绝缘电阻低于正常值很多，但高于 1 0 0 k q ，导体连续性良好。一般常见的有单相接地、两相或三相短路或接地。 3 ) 开路故障：电缆各相导体的绝缘电阻符合规定，但导体的连续性试验证明 有一相或数相导体不连续，或虽未断开但工作电压不能传输到终端，或虽然终端 有电压但负载能力较差。开路故障的典型例子就是断线故障和断线并接地故障。 常见类型有单相断线、两相断线、三相断线。 4 )闪络故障：这类故障大多在预防性耐压试验时发生，并多出现于电缆中间 接头或终端头。发生这类故障时，故障现象不一定相同。有时在接近所要求的试 验电压时击穿，然后又恢复，有时会连续击穿，但频率不稳定，间隔时问数秒至 数分钟不等。有时电缆在一定电压下发生击穿，待绝缘恢复后击穿现象便完全停 止，通常称这类故障为封闭性故障。低电压时电缆绝缘良好，当电压升高到一定 值或在某一较高电压持续一定时间后，绝缘发生瞬时击穿现象。常见类型有单相 闪络、两相闪络、三相闪络。 以上分类的目的是为了方便选择电缆故障定位方法。根据目前采用的故障测 距技术，开路与低阻故障可用低压脉冲反射法，高阻故障要用冲击闪络法和电桥 法，而闪络性故障可用直流闪络法检测。单相接地故障出现的几率最高，约占整 个故障总数的8 0 左右；其次是两相短路故障，约占到1 2 以上；接下来就是两 相接地短路故障，它的几率相对小一些，约占2 3 ；三相接地短路故障几率 则更小，约占l 3 ，绝大多数都是由单相或两相故障发展而来。单相接地故 障引起电源三相不对称，有关设备工作失常，容易造成设备的薄弱绝缘发生击穿， 扩大事故范围，影响供电的可靠性。中性点不接地的系统中单相接地的准确诊断 与处理问题，至今都是一个难题。因此，对出现机率极高的单相接地故障展开研 究十分必要。本文所设计的电缆故障定点仪器就是针对高阻接地中闪络故障而研 究的。 2 3 电力电缆故障检测的步骤 对于离线电缆故障的检测一般分五步进行：首先了解电缆的基本情况和确定 电缆故障的性质；从现场实践看来，大多数电缆的准确长度没有记载，因此在粗 测之前往往需要测量电缆长度或者通过低压脉冲法校正波速度；然后根据故障性 质选择故障距离定位方法，对故障点距离进行粗测；粗测之后，用路径仪确定电 缆路径；根据不同故障性质，选择合适的定点方法，精确测定故障点位置。 l 、电缆故障性质的诊断：电缆故障性质的诊断，即确定故障的类型与严重程 度，以便选择适当的电缆故障测距与定点方法。 1 2 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 1 a 的电力电缆故障定点检测技术 2 、电缆长度的测量与波速度校正：电缆长度测量的方法主要有低压脉冲反射 法和电桥法两种。低压脉冲反射法是通过对低压脉冲在电缆中传播一个来回( 从检 测端到电缆另一端，然后从电缆另一端返回) 所用的时间来确定电缆长度的。测量 电缆全长时，一般是通过良好相对地测量，这样和电缆的实际长度相符。电桥法 是通过对电缆芯线回路电阻的测量来确定电缆的长度。波速度的校正是在已知电 缆长度的条件下，通过低压脉冲法对波速度进行校正。首先根据常用的波速度 1 7 2 m s 测出电缆全长，如果测量值与实际值相差比较大，改变波速度使得测量长 度与电缆实际长度相符，调整后的波速度即为波在这根电缆中的波速度。 3 、电缆故障测距：电缆故障测距又叫粗定位，在电缆的一端使用仪器确定故 障距离，现场上常用的故障测距方法有电桥法和行波法。目前，故障测距装置的 测距误差一般在4 1 0 米的范围。 4 、电缆路径的确定：一般通过音频信号感应法进行。 5 、电缆故障定点：电缆故障定点，又叫精确定点，即按照故障测距结果，根 据电缆的路径走向，在粗定位的前后范围内，利用声音判断法、磁场判断法、音 频感应法、电流方向法、跨步电压法及声磁同步法精确确定故障点的位置【2 5 】。 一般来说，成功的电缆故障检测都要经过以上五个步骤，否则欲速则不达。 如果不进行波速校正，那么通过脉冲法粗测的故障点将很不准确，这样就给故障 点精确定点带来了更大的工作量。反之，如果不进行故障测距而直接利用声音判 断法进行故障精确定点检测，这需要沿着很长的电缆路径( 可能有数公里长) 检测故 障点放电声音，这是相当困难的，而且很难找到故障点。如果先测出电缆故障距 离，确定出一个大体方位来，就可以在很小的一个范围内( 1 0 米左右) 来回移动精确 定点仪器检测电缆故障点的放电声音，这样就很容易找到故障点。 2 4 电力电缆故障的测距方法 2 4 1 电缆故障粗测方法 用于电缆故障预定位的方法主要有两类：一类是电桥法，包括低压电桥、高 压电桥及电容电桥；另一类是脉冲反射法，包括低压脉冲反射法、二次脉冲法、 直流闪测法、冲闪法等，这一类方法又称行波分析法或波反射法。随着科技水平 的提高，又出现了针对电缆高阻及闪络故障的高压脉冲( 电流或电压) 法以及二次 ( 低压) 脉冲法。本节将主要介绍各种测距方法的基本理论【2 们。 1 、电桥法 1 ) 传统的直流电桥法 电桥法是一种非常经典的方法，其原理是将被测电缆终端的故障相和非故障 相短接，电桥的双臂分别接故障相和非故障相，调节可调电阻，使得电桥平衡， 第二章电力电缆故障检测的基本知识 1 3 再由于电缆直流电阻与长度成正比，可求出电缆故障点到测量端的距离。使用电 桥对电缆进行故障测距时通常使用单臂电桥、双臂电桥或自制电桥等，其接线图 如图2 1 ( a ) 所示。根据惠斯登电桥的原理，取电缆特性完全相同的两相，一相为完 好相，一相为故障相，将电缆线芯电阻引入直流电桥，调节电桥平衡，测量出已 知电阻比值。因为线芯的电阻与电缆长度( 截面及材料相同时) 成正比，即r = r l 其 中r 为单位长度电阻率。其等效电路图如图2 1 ( b ) 所示，当电桥平衡时，检流计g 中无电流通过，且满足等式： 里：墨 ( 2 1 ) r r 。 设电缆单位长度电阻为r d m ，l 为电缆长度，x 为故障点到测量点的距离( m ) ，根 据电桥平衡公式( 2 。1 ) 得： 里：里：( l + l - x ) r ( 2 - 2 ) 恐r x 。， 、。 由式( 2 2 ) 可得： 工：兰生 ( 2 3 ) 墨+ r 。 电容式电桥的测距原理与电阻式电桥测距原理基本相同，它用于电缆开路故 障的测距，基本原理是开路故障测得的电缆电容量与电缆故障距离成正比，只要 利用电容电桥测出了电容大小，并且知道了电缆单位长度的电容值，就可以求出 电缆的故障距离。 传统的电桥测量方法只能测量绝缘阻值在1 m q 以下的绝缘故障，伴随着高压 发生器的出现，测量仪器可以先击穿故障点，再利用电桥原理，采用直流、交