電纜路徑檢測儀的原理及改進設計

1、目錄i第一章 緒論11.1引言11.2發(fā)展過程11.2.1 傳統(tǒng)技術的應用11.2.2現(xiàn)代新技術的應用41.2.3在我國電纜路徑檢測儀三個階段51.3今后發(fā)展方向111.4 本章小節(jié)13第二章 電纜路徑檢測的原理152.1音頻信號發(fā)生器152.2音頻信號接收172.3電纜路徑識別的原理192.3.1帶電電纜磁場分析192.3.2電纜路徑探測的原理222.4本章小節(jié)27第三章 電纜路徑檢測儀的改進方法293.1 電磁法探測的原理293.2電纜路徑儀的定位方法293.3電纜路徑儀的測深方法303.4 電纜路徑檢測儀的改進方案313.5本章小節(jié)37第四章 電纜路徑檢測儀改進的硬件設計394.1 信號

2、預處理電路394.2 A/D轉換電路414.3顯示電路454.4擴展鍵盤電路484.5GPS系統(tǒng)的設計554.6本章小結58第五章 軟件及仿真595.1 電路仿真軟件EWB特點及功能簡介595.2系統(tǒng)主要部分電路的仿真605.3本章小結61第六章 結論63謝辭65參考文獻67第一章 緒論13第一章 緒論1.1引言電力電纜路徑檢測技術及儀器的發(fā)展經歷了一個相當長的過程。由于我國基礎工業(yè)及電纜制造水平的滯后，使得電纜故障率普遍較高，反而促進了電纜路徑測試技術在我國得到了較大的發(fā)展和突破。電力電纜路徑的檢測是一個世界性的課題。上個世紀三十年代，國外刊登了一篇論文電纜中擊穿點故障之探測，首先提出了用高

3、壓沖擊來使故障點放電，用沖擊電流表粗測電纜路徑的論點，這一觀點為以后電纜檢測技術的發(fā)展和手段的豐富奠定了基礎。 電纜路徑檢測設備是伴隨著先進電子技術的出現(xiàn)而誕生的。電纜路徑檢測技術的發(fā)展經歷了一個漫長的過程。上個世紀七十年代以前，主要是采用電橋法和低壓脈沖法（又稱時域反射法）。電橋法及低壓脈沖測距法在測量電纜的接地故障和開路故障方面，可以說是相當完善了。然而對于高阻故障（泄露高阻和閃絡高阻）的尋測，采用上述方法則是無能為力的，盡管后來出現(xiàn)了用高壓電橋（輸出高壓10kV）測高阻故障，但大多還需“燒穿”，故障可測率很低。在國外，六十年代末期英國首先研制出了世界上第一臺電纜故障閃測儀。我國在七十年代

4、初期由西安電子科技大學（原西北電訊工程學院）和西安供電局聯(lián)合研制出了我國第一臺貯存示波管式電纜故障檢測儀DGC711，后來又相繼推出了改進型儀器。12發(fā)展過程1.2.1 傳統(tǒng)技術的應用所謂傳統(tǒng)技術是指用電橋法來解決電纜故障的方法，我國第一代電纜路徑測試方面的專家們均熟悉并熟練掌握了此項技術，現(xiàn)在使用此方法的人已不多見。無論是電阻電橋法，還是電容電橋法，甚至后來的高壓電橋法，缺點是要求電纜必須有一個好相，若三相均壞則無法組成“橋”根本不能進行測試。1、電阻電橋法：上個世紀七十年代以前，世界各工業(yè)發(fā)達國家都廣泛采用此種方法，被稱為“經典”方法。幾十年來幾乎沒有什么質的變化，對于短路故障及低阻故障的

5、測試甚為方便。圖1.1電阻電橋法測試連線圖圖1.2 等效電路電阻電橋法顧名思義，即利用電橋平衡原理，以電纜某一好相為臂組成電橋并使其達到平衡，測量出故障點兩側段電纜的直流電阻值，同時將電纜視為“均勻的傳輸線”，那么電阻的比值與電纜長度的比值成正比，以此推導出故障點距測試端的距離（在此略去計算公式的推導，只給出結論）即： 其中：R1、R2為已知電阻，通過上式可以看出，只要知道電纜的準確長度L全長，就能精確算出故障點的距離。2、電容電橋法： 當電纜是開(斷)路故障時，若再采用測量電阻電橋法將無法測出故障點的距離，因為直流電橋測量臂未能構成直流通道。在此只能采用交流電源，根據電橋平衡原理測量出電纜好

6、相及故障相的交流阻抗值。由于電纜被視為“均勻的傳輸線”，其上分布電容與電纜長度成正比，以此推算出故障點的距離（在此略去計算公式推導，只給出結論）即：其中：R1、R2為已知電阻，圖1.3電容電橋法測試連線圖圖1.4等效電路依據上式，已知電纜全長就可算出故障點距離。由于此類故障實際中出現(xiàn)機會較少，所以不常使用。3、高壓電橋法：電阻電橋法和電容電橋法解決的電纜故障類型很單一，局限性很大。通常電纜出故障往往都是綜合性的，而且大多數故障都是泄漏高阻(已形成固定泄漏通道的一類故障)或閃絡高阻(未形成固定泄漏通道的一類故障)。為了解決實際面臨的難題，人們想到了通過提高直流電橋輸出電壓(通?？蛇_10kV)，使

7、故障點擊穿，形成瞬間短路，測量出故障點兩側段電纜的直流電阻值，推算出故障點距離，即：其中：R1、R2為已知電阻高壓電橋法測電纜故障連線圖與低壓電阻電橋法相同。此種方法的優(yōu)點是再也不用“燒穿”法先降低故障相絕緣電阻，使其變成低阻才能測試，即大家常形容的“邊燒穿邊粗測”。1.2.2現(xiàn)代新技術的應用 通過前面的分析，我們了解到電橋法實質上只能解決電纜部分故障的測試。而電纜的故障千奇百怪，三相全壞的情況常有發(fā)生。為了解決諸多難題，同時也為了方便各種故障的測試，因此，通過西安電子科技大學(原西北電訊工程學院)和西安供電局科研人員的合作攻關，我國才有了真正意義上的電纜故障檢測儀。 儀器的基本原理應用了微波

8、傳輸(雷達測距)理論，即脈沖法。無論低壓脈沖法還是高壓脈沖法均是依據微波在“均勻長線（電纜）”傳輸中，因其某處(故障點)特性阻抗發(fā)生變化對電波的影響來微觀地分析電波相位、極性及幅度等物理量的變化，來測得電波傳輸到故障點的時間再計算出故障點的距離。即： 其中：v 電波在不同介質電纜中的傳輸速度。t 電波從始端到故障點再返回始端的時間。1.2.3在我國電纜路徑檢測儀三個階段1、 脈沖回波返射法之電子管、晶體管階段。 我國第一臺電纜路徑檢測儀DGC711可以等同于一臺示波器，因為其電路與一般脈沖示波器相似，所不同的是采用了貯能示波管。利用其可有限保持瞬時暫態(tài)信號波形的特性(通?？杀３质畮酌腌?來觀察

9、故障點放電時所采集的電壓波形，用照像機拍照記錄再分析沖洗出的照片上的波形，以此計算出故障點的距離。為了分析方便，儀器在同屏顯示中設計了光標尺(電刻度波)。所以，直到今天還有專家采用存貯示波器測電纜故障皆緣。圖1.5 DGC711電纜故障測試儀面板顯示部分示意圖線路輸入圖1.6 DGC711閃測儀基本原理框圖基于當時的技術及元器件水平，DGC711全部由分立元件組裝而成，因此，各項功能均采用手動切換。做高壓脈沖測試時（閃絡）取樣方式也和國外一樣，采用電阻分壓法。主要技術指標：測試距離：10km測試盲區(qū)：30m儀器電源：220V 50Hz圖1.7 DGC711電纜儀高壓脈沖法(沖閃法)測試連線圖圖

10、7中R1分壓電阻常用水電阻(約51K)，才能滿足大功耗寬電壓范圍的要求。小電感L(或R)是用于取出故障點閃絡波形，故稱為沖L(R)法。(電力電纜故障粗測方法將另文論述，在此不再贅述)。上世紀70年代第一代電纜路徑檢測儀的研發(fā)成功填補了我國當時在此領域的一項空白，發(fā)揮了相當大的作用。但測試精度差、誤差大、笨重、不易操作、貯存示波管易老化等是此階段儀器的重要缺陷。隨著電子新技術的出現(xiàn)，人們對儀器提出了更高的要求，創(chuàng)新勢在必行。2、 單片機技術用于電纜路徑檢測階段 上世紀90年代初期，國內電纜路徑檢測儀在電路設計中大多采用了CPU處理器、高速的A/D轉換器、單片機編程控制等新技術，初步實現(xiàn)了半自動化

11、。與第一代電纜故障測試儀相比，此階段電纜故障檢測儀在信號處理技術上是圖1.8 電纜儀基本原理框圖是一個大的飛躍。它充分利用微處理器龐大的數據處理功能及豐富的軟件，徹底改變了原來用貯存示波管觀察瞬態(tài)模擬波形，用人工估讀故障波形距離的傳統(tǒng)方法，做到了一次采樣獲得的瞬態(tài)波形可以永遠顯示、保存，并且用光游標自動跟蹤故障特征波形，自動換算故障點距離，自動數字顯示，自動打印等。還可以根據不同種類的電纜電波傳輸速度自動修正測試距離。可以說基本上實現(xiàn)了電纜故障測試半自動化、半智能化，提高了儀器的可靠性、穩(wěn)定性。讀數誤差減小，測試精度明顯提高。圖1.9 電纜故障測試儀面板示意圖主機性能雖得到了大幅度改善和提高，

12、但又一個遺留的難題并未解決-高壓分壓取樣方式。繼續(xù)延用水電阻分壓，意味著在高壓脈沖的測試中若主機接地不良(或遺忘)、誤操作、水電阻爆裂均會損壞儀器，嚴重時造成人身傷害。圖1.10 高壓脈沖法(沖閃法)測試連線圖眾所周知，在電纜故障粗測過程中測試電壓的高低，取決于故障電纜絕緣損傷的程度，有時可能會升至34萬伏才能使故障點擊穿，獲得波形。結果往往是儀器不能承受高壓而損壞，甚至造成人身安全威脅，這就是為什么反復強調“四地一線”的安全重要性。目前生產這一類儀器的廠家很多，原理上沒有大的改進，只是在原有技術的基礎上增加了計算機接口，直流供電等功能。取樣方式上也增加了用電流法采集信號(如圖10)。也有嘗試

13、搞數字式電纜故障檢測儀的，即不再顯示測試波形而直接數顯距離。設計思路是可取的，但受測試對象(電纜)容性阻抗特性的影響，數顯結果重復性差，無法確認，實踐證明是不成功的。電橋法測試的安全性很高，所以有些制造廠家又回到了老路上，運用單片機技術及電子技術改造電橋，使其智能化。此類儀器采樣頻率在2025MHz，測試距離1520Km，測試盲區(qū)大多在1530米左右。3、 計算機技術之筆記本電腦階段1硬、軟件技術的改進 新世紀伊始，隨著計算機技術的進一步發(fā)展，電腦走進了千家萬戶。人們不再滿足于儀器的“簡單”使用，于是就出現(xiàn)了信號采集和顯示、分析等功能的分解。即通過前置器采樣信號并處理后送入筆記本電腦，在電腦上

14、顯示波形，采用專用軟件完成對波形的分析、存取、閱讀、比較等，給出最終的結果。這一時期的產品在采樣頻率上明顯有了提高，最高達40MHz，大大提高了儀器的響應速度和分辯率,儀器的操作已趨鼠標化。 測試距離最大到40km，測試盲區(qū)15米左右。同時儀器采用了高集成化及SMT(表面貼裝)技術，更加小巧，便攜、可靠，實現(xiàn)“一包一箱”結構。圖1.11 筆記本電腦型電纜儀組成框圖圖1.12 智能電纜儀原理框圖軟件方面由剛開始采用匯編語言過渡到高級語言編程，工作平臺由DOS升級為Win 98，全中文視窗界面，軟件功能強大而豐富，使人機對話進一步友好。2采樣方式的改變圖1.13 智能電纜故障檢測儀測試連線圖如圖1

15、3所示，由于采樣頻率的提高(40MHz)和信號采集技術的創(chuàng)新，新的取樣方式感應式應運而生，實現(xiàn)了測試與高壓完全隔離，人身的絕對安全。困擾了多年的因誤操作及地線不良（或遺忘）而燒壞儀器的現(xiàn)象從此不復存在，這創(chuàng)新稱得上信號采集方式的一次“革命”。2測試波形的改變二代電纜路徑檢測儀由于采用高壓分壓，電感取波形(沖L法)方式，（如圖10所示）在故障點擊穿時，實質上是一個LC的振蕩電路，所以故障點放電的電壓波形往往是疊加在余弦大振蕩波上，并且很容易被淹沒。改用新一代檢測儀及感應法取樣后波形基本處于同一水平基線(波形形成原理將另文論述)，而且會反映出多個周期，分析時可選取更為理想的一個周期波形，使人為的讀

16、數誤差減至最小。同時增加了同屏雙波形顯示，即測試區(qū)域放大波形及全貌波形同時記錄、顯示，加之現(xiàn)有的各種比較波形功能，使用起來將更加容易、快捷。第一、 波形比較見圖14 圖15沖閃法測試波形展開波形圖1.14 第一、二代儀器高壓脈沖法測試波形圖1.15 FCL系列智能型電纜故障檢測儀高壓脈沖法波形3精測設備-定點儀技術的改進由于電纜故障點在被擊穿后產生電磁波和聲波，因此傳統(tǒng)方法是接收兩者信號并處理放大，通常電磁波強度用指針式電壓表指示，聲波則通過耳機輸出，兩者均為最大(強)時即為故障點，這種接收技術被稱為“聲磁同步”法。定點儀新技術中對電磁波進行了更細的分解。由于電磁波在空氣中的傳輸速度比聲波快，

17、通過計時電路記錄兩者到達的時間再經邏輯運算給出故障點距離。1.3今后發(fā)展方向1、虛擬儀器概念的建立。上世紀90年代未期，隨著計算機技術、網絡技術、微電子技術、大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展和筆記本電腦的廣泛應用，出現(xiàn)了數字化儀器和智能儀器，國外提出了“虛擬儀器”的設計思路。大家知道，傳統(tǒng)儀器一般是一臺獨立的裝置。從外觀上看，它一般由操作面板、信號輸入端口、檢測結果輸出這幾個部分組成。操作面板上一般有一些開關、按鈕、旋鈕等檢測結果的輸出方式有數字顯示、指針式表頭指示、圖形顯示及打印輸出等。從功能方面分析，傳統(tǒng)儀器可分為信號的采集與控制、信號的分析與處理、結果的表達與輸出這幾個部分。傳統(tǒng)儀器的功能都

18、是通過硬件電路或固化軟件實現(xiàn)的，而且由儀器生產廠家給定，其功能和規(guī)模一般是固定的，用戶無法隨意改變其結構和功能。 傳統(tǒng)儀器大都是一個封閉的系統(tǒng)與其它設備的連接受到限制。另外，傳統(tǒng)儀器還是沒有擺脫獨立使用和手動操作的模式，在較為復雜的應用場合或測試參數較多的情況下，使用起來就不太方便。這三方面的原因，使傳統(tǒng)儀器很難適應信息時代對儀器的需求。那么如何解決這個問題呢？可以設想，在必要的數據采集硬件和通用計算機支持下，通過軟件來實現(xiàn)儀器的部分或全部功能，所謂虛擬儀器，就是在通用的計算機平臺上定義和設計儀器的功能，用戶操作計算機的同時就是在使用一臺專門的電子儀器。虛擬儀器以計算機為核心，充分利用計算機強

19、大的圖形界面和數據處理能力，提供對測量數據的分析和顯示功能。2、計算機技術之虛擬儀器、網絡時代。圖1.16虛擬儀器之全智能電纜儀組成圖基于以上設計思路，全智能電纜故障檢測儀主要技術及功能特點有：1） 虛擬儀器界面，所有操作均鼠標配合快捷迅速完成，人機界面友好，領導電力檢測儀器主要潮流。2） 可遠程技術服務，升級軟件。3） 全套儀器采用SMT（表面貼裝）技術及元器件、高集成化，一包（筆記本電腦）、一箱（高級鋁合金箱）式結構，在國際、國內市場體積最小、便攜性最好。4） 真正的一機多功能。所配高檔筆記本電腦，也可用于多種智能檢測儀器的自動控制，完成辦公自動化、學習、娛樂等各種電腦所能完成的工作，大大

20、提高了設備的利用率。5） 進入虛擬的儀器界面，無需任何操作，自動聯(lián)機，支持熱插拔（USB接口），單鍵采樣，四波形顯示（測試區(qū)域放大波形、全貌波形、全長脈沖或任一測試波形，接頭位置任意輸入）簡單、直觀。6） 自動電源管理，電源具有過流、過壓、過充、過放等完善的保護功能，對鋰電池的使用安全、高效。7） 先進的自動同屏四波形比較功能，測試波形與壓縮波形比較，測試波形與接頭位置比較，測試波形與全長波形比較等，加之內存的實測波形圖冊，大大提高了復雜波形的分析正確率。8） 電腦硬盤容量大，提供各種網絡接口，可存儲、打印、上網。輕松滿足各種需求如下圖9）“藍牙”技術應用“藍牙”（Bluetooth）是一種用

21、來創(chuàng)建智能無線電通訊的新技術，使用這種技術可以取代連接各種各人計算設備的大部分的電纜。作為藍牙技術最基礎的應用，藍牙技術將展示一個無線連接的世界?！八{牙”技術若移植到虛擬儀器之全智能電纜故障檢測儀上，則可實現(xiàn)無限上網、電子郵件發(fā)送、遠程在線控制等，真正作到與用戶無限相聯(lián)，通過網絡解決現(xiàn)場遇到的難題。1.4 本章小節(jié)本章主要對電纜路徑檢測儀的發(fā)展過程和歷史進行一個初步的介紹，讓我們從直觀上認識了電纜路徑檢測儀的發(fā)展過程，使我們對其有了一個出不得了解和認識。 第二章 電纜路徑檢測的原理 27 第二章 電纜路徑檢測的原理電纜路徑檢測是電纜故障檢測過程中一個非常重要的環(huán)節(jié)。一方面，電纜故障距離測定之后

22、，要根據電纜的路徑和走向來判斷電纜故障點的大概位置，電力電纜大多是直埋式或埋設在電纜溝中，電纜敷設之后，其上方往往是道路或耕地或者是圍墻等臨時性建筑，在現(xiàn)場應用過程中，我們發(fā)現(xiàn)大多數電纜敷設資料不全，因此在電纜故障檢測中要用專門的儀器測量電纜路徑：另一方面，故障點精確測定技術一般都需要首先精確測定電纜路徑，把故障點從二維平面坐標限定在一條曲線上，然后再精確定點；其次，某些情況下，電纜敷設深度不同，需要用電纜路徑識別技術確定電纜深度，從而把故障點限定在三維空間的一條曲線上。從電纜的一端注入音頻信號，檢測該電纜上方地面上的磁場可以確定電纜路徑，利用這種原理制作的音頻信號發(fā)生器和音頻信號接收機可進行

23、電纜路徑識別177-8U。21音頻信號發(fā)生器 音頻信號發(fā)生器為電纜路徑探測提供信號源，26kHz正弦波，最大輸出功率25W，可連續(xù)工作，或以2秒的周期斷續(xù)工作，輸出阻抗分為16()、256Q、1kQ、10k()與30k()共5檔，工作電流連續(xù)可調。圖2-1(a)和2-1(b)分別是該音頻信號發(fā)生器的內部結構圖和外觀。音頻信號發(fā)生器原理圖如圖2-2所示。 1電源: 音頻信號發(fā)生器共需要6個直流電壓，分別是為正弦波發(fā)生器供電的5V，為功放供電的25V，為斷續(xù)工作振蕩器供電的+15V電源和為風扇供電的+12V電源。為了減小電源對信號的干擾，采用線性電源供電。2波形發(fā)生: IC2為一標準正弦波信號發(fā)生

24、器，產生頻率為26KHz、幅值為5V的標準正弦波。改變R6的值可以調節(jié)正弦波的頻率。3斷續(xù)工作方式:音頻信號發(fā)生器有連續(xù)和斷續(xù)兩種工作方式，實際使用中大多采用斷續(xù)工作方式。ICi是一個振蕩器，產生一個占空比5帆，頻率0。5Hz的方波信號，工作方式的選擇通過開關K2完成，K2安裝在儀器面板上，當K2置于1位時，Q1斷開，正弦波發(fā)生器產生的正弦波信號通過隔直電容C7將信號傳送給放大電路，儀器工作于連續(xù)狀態(tài)，當K2置于2位時，Ql被定時閉合和斷開，當Q1閉合時，正弦波不會通過C7傳送到下一級，儀器沒有信號輸出，當Q1斷開時，正弦波信號通過C?傳送給下一級，儀器有正弦波輸出，從而實現(xiàn)儀器的斷續(xù)工作。4

25、工作電流調節(jié): 通過電位器RWl實現(xiàn)輸出工作電流的連續(xù)調節(jié)。 5功率放大及輸出: tC4是一個功率放大器，該功率放大器最大輸出功率25W，最大輸出電流4A，可驅動8Q和16Q負載，功率放大器輸出通過變壓器輸出，變壓器輸出共有5級，用多路轉換開關在不同的輸出之間切換，可實現(xiàn)負載阻抗匹配。由于功率放大器損耗較大，因此需增加一個散熱器。 圖2.1音頻信號發(fā)生器的外觀及內部結構圖2.2音頻信號發(fā)生器原理圖2.2音頻信號接收 路徑探測過程中的信號接收任務由音頻信號接收機來完成。音頻信號接收機與電磁探頭配合，可以接收由音頻信號發(fā)生器通過電纜傳過來的電磁感應信號，也可以接收直流高壓對故障點擊穿時產生的電磁信

26、號，與聲音探頭配合，可以接收直流高壓對故障點擊穿時產生的聲音信號，磁場判斷法的接收機。 信號接收機磁探頭的原理與結構示意圖如圖23所示。信號接收機的的外觀如圖24所示。圖2.3磁探頭原理與結構示意圖音頻信號接收機的原理如圖2-5所示，探頭接收到的音頻信號(cH”共經過兩級濾波和三級放大，最終分為兩路信號，一路作為電流顯示(uA)，另一路作為耳機輸出(CH2)，具體電路不做具體分析。圖2.4信號接收機的外觀圖2.5信號接收機原理圖23電纜路徑識別的原理 盡管音頻信號發(fā)生器和信號接收機原理很簡單，但要很好地使用音頻信號發(fā)生器和信號接收機探測電纜路徑，必須對電纜周圍的電磁場分布有充分的了解。231帶

27、電電纜磁場分析 電纜路徑的是通過檢測電纜上方地面上的磁場進行的，為了更準確的闡述電纜路徑識別的原理，我們首先簡單分析一下帶電電纜的磁場，這里所講的帶電，并非專指電纜工作中的帶電，而包括以各種方式給待測電纜注入電流。一、相地連接時電纜的磁場 相地連接如圖2-6所示，指將信號源接到待測電纜的一相導體與電纜的金屬護套外皮之間，經電纜末端的短路環(huán)或故障點形成回路。相地連接的等效電路如圖2-7所示，相地連接時主要存在著兩個電流回路，一個是導體與外皮形成的回路，另一個是外皮與大地構成的回路，兩個回路之間有互感M產生的磁耦合以及互阻抗造成的電耦合。電源施加在導體與皮之間的回路里，產生電流i；由于有電磁耦合，

28、在外皮與地之間的回路產生電流i，這樣導體、外皮與大地中的電流分別是J、i-i及j，。電流j，的大小與信號的頻率、電纜的材料及周圍介質等因素有關，它是隨著頻率的增加而減少的；對一般的電力電纜來說，在數千赫茲的頻率范圍內，電流j釣為的10左右。電纜周圍的磁場是由和產生的磁場迭加而成的，但由于電纜的導體被包在具有良好屏蔽作用的金屬外皮中，因此，地面上能測到的電磁場主要是有廣產生的。圖2.6 相地連接接線圖大地中返回電流的分布比較復雜，我們用等效載流導體的方法對之進行分析，理論分析表明，在研究磁場的分布時，可用在電纜下距離為A的一載流導體來近似等效大地返回電流，如圖2-8所示，1的大小取決于信號的頻率

29、、電纜的埋設深度及周圍大地化學成分及濕度等因素。大地和地面上的空氣導磁率均接近真空中的導磁率，電纜周圍的磁場可以近似看成電流為的距離為A的上下平行的載流導體產生的合成磁場，其磁力線如圖2-9所示，如果電纜是與地面平行敷設的，在電纜的正上方磁力線與地面平行而與電纜走向垂直，在電纜的正上方磁場強度達到最大值。圖2.7大地電流磁場分布二、相相連接時電纜的磁場 相相連接是指將信號源接到待測電纜的兩相導體之間，兩個相導體與電纜末端的短路環(huán)或故障點形成回路，如圖2-10所示。為了保證電纜三相阻抗參數的平衡，減少對外的電磁影響，電纜的三相導體實際上是沿電纜敷設方向扭絞前進的，兩個導體之間的相對位置是沿電纜變

30、化的，因此造成了地面上的磁場也是沿電纜變化的，具體取決于導體所在平面與地面的相對位置。在兩個通電導體所在的平面處于與地面垂直的位置上時，地面上的磁場分布與圖2-9所示相地連接時的磁場類似，不過由于兩個導體之間的距離很小，值非常小，而且由于外皮的屏蔽，在電流相同的情況下，相相連接時地面上磁場強度要比相地連接時小得多。當兩個導體所在的平面與地面平行時，地面上的磁場分布如圖2-11所示，兩個導體產生的磁場在電纜的正上方迭加使磁場強度達到最大值，而在稍偏離電纜正上方的位置上兩個導體產生的磁場相抵消使磁場強度急劇下降。磁力線在電纜的正上方進入地面。當兩個導體所在平面與地面成一定夾角時的磁場分布如圖2-1

31、2所示。圖2.8平行導體相連接時的磁場分布圖2.9成夾角時的磁場分布232電纜路徑探測的原理 通過各種耦合方式，向被測電纜中注入交變電流，在被測電纜周圍產生具有一定分布規(guī)律的電磁場，通過電纜上方電磁場的分布可確定電纜路徑。 一、信號耦合方式 根據電纜的阻抗特性以及電磁場信號測量的方便性，電纜路徑識別所采用的交變電流信號頻率一般為音頻信號，頻率范圍從幾十Hz到十幾EHz不等。音頻信號的產生方法在下一節(jié)中敘述，本接討論音頻信號的注入方式。 音頻信號注入電纜的方法主要有兩類，一類是電流耦合，另一類是電感耦合，根據不同的應用場合，每一類耦合方式又可分為若干種接線方法。(一)電流耦合 將音頻信號發(fā)生器直

32、接接入被測電纜的耦合方式。電流耦合有兩種接線方式。圖213是電流耦合的兩種接線方式。 方式一的接線中，音頻信號發(fā)生器輸出的一端接電纜的一根芯線，這根芯線的另一端接地，音頻輸出的另一端直接接地。這種接線方式中電流從芯線注入而從大地返回。 第二種接線方式中，音頻信號發(fā)生器輸出的一端接電纜的一根芯線，這根芯線的另一端接電纜外皮，音頻輸出的另一端接電纜外皮。這種接線方式中電流從芯線注入而從大地返回，電纜上方的電磁場是芯線與外皮所產生磁摯的差分結果，因此，總的電磁場強度較弱。多芯電纜中使用這種接線方式的話，應該選用最外面的一根芯線。圖2.10電流耦合方式接線(二)電容耦合 與電流耦合類似，在電容耦合法中

33、音頻信號發(fā)生器的輸出直接接到電纜上，其接線及電纜上方電磁場強度分布如圖214所示。這種接線方式中，音頻信號可從兩根芯線之間注入，也可在一根芯線與外皮之間注入，在實際測量中最好接在一根芯線與外皮之間，以保證磁場的強度。在音頻信號發(fā)生器的兩個輸出之間沒有導體連接，而是依靠芯線跟外皮之間的容抗注入電流，電纜上方的磁場強度與電纜內部的電流成正比，沿電纜長度方向逐漸減小，在電纜的另一端，電纜上方的電磁場強度幾乎無法測量，因此使用這種接線方式時，只能測量電纜全長的45左右。注入電纜的電流大小與電容量和頻率有關，增加音頻信號發(fā)生器的頻率可以增加注入電纜的電流，也可以將多根芯線并聯(lián)使用，以增加電容量，從而增加

34、注入電纜的電流。圖2.11電容耦合的接線圖(三)電感耦合 電感耦合是間接耦合方法，可用于不能應用直接耦合的場合，例如刁；能直接接觸的電纜或者運行電纜等等。如圖215所示，電感耦合可以有兩種不同的接線方式。 方式一的接法將音頻信號發(fā)生器的輸出線繞在待測電纜的鉛皮周圍，耦合圈數為57圈。通過耦合線圈向電纜發(fā)射信號，電纜可視作一電感，產生感生電動勢和感生電流，通過電纜向周圍發(fā)射電磁波。間接式連接方式，可以在不停電的情況下進行路徑測試，在某些不允許停電的電纜需要測試路徑時，可以用此連接方式。這種方式的缺點是電磁波在向前傳播的過程中損耗大造成測尋距離不遠，一般在一公里以內。 方式二的接法通過一個變壓器鐵

35、芯將電磁場信號耦合到電纜中去，變壓器鐵芯必須放置在被測電纜的正上方，這種測試方法不需要對地下電纜進行開挖，使用方便，但如果地下有多條電纜存在時，沒有選擇性，距離信號發(fā)生器較近的位置無法使用，也不適合測過長的電纜。圖2.12電感耦合方式接地二、電纜路徑的確定 通過各種耦合方式，在電纜周圍產生交變的電磁場上方地面上的電磁場分布可以確定電纜路徑。通過測量電纜利用接收線圈在地面上接收磁場信號，在線圈中產生出感生電動勢，信號放大后，通過耳機、指針或其他方式進行監(jiān)視。隨著接收線圈的移動，信號的大小發(fā)生變化，由此，可判斷出電纜路徑。信號的強弱通過聯(lián)接在接收機上的耳機以及信號強度指示表頭的顯示來確定，根據探測

36、時磁場信號曲線的不同，探測方法分為最大法與最小法兩種，最大法又稱音峰法，通過尋找信號最強的特征點確定電纜路徑，最小法又稱音谷法，是通過尋找電磁場信號最弱的特征點確定電纜路徑的。各種電流注入方式最終都會在電纜周圍產生一個交變的磁場，以相地接線方法為例，當電纜深度遠大于電纜直徑時，電纜周圍的磁力線分布可以近似地看作是以電纜截面幾何中心為圓心，垂直于電纜走向的一組同心圓，當接收機線圈與磁力線以不同的角度放置是，在垂直于電纜走向的方向上左右移動，接收到的電磁場信號分布不同，最大法和最小法的測試原理如圖2-16所示。圖2.13接地時確定電纜路徑的方法圖2-16相地連接時確定電纜路徑的方法 圖2-16(a

37、)所示為最大法電纜路徑探測，使接收機的接收線圈平行于地面并與電纜走向垂直，慢慢移動接收線圈，在線圈位于電纜正上方且垂直于電纜時，穿過線圈的磁力線最多，接收到的信號最強，繼續(xù)移動線圈時，信號又逐漸減弱，信號最強點所指示的位置即為電纜所經過的路徑。 圖2-16(b)所示為最小法電纜路徑探測，使接收機的接收線圈垂直于地面或平行于電纜走向，慢慢移動接收線圈，接收到的信號強度為一馬鞍形分布，在線圈位于電纜正上方時，磁力線與線圈平面平行，沒有磁力線穿過線圈，線圈內無感應電動勢產生，接收到的信號很微弱。然后將線圈先后向兩側移動，就有一部分磁力線穿過線圈，產生感生電動勢，信號強度逐漸增加，當移動到某一距離時，

38、信號最強，再往遠處移動，信號又逐漸變弱。馬鞍形曲線谷點所對應的測試位置即電纜所經過的路徑。 相相連接時電纜路徑探測的原理與相地連接時是類似的。由于電纜導體的扭絞，地面上磁場的分布沿電纜的路徑是變化的，最大法與最小法的應用有所區(qū)別。當兩個通電導體所在的平面與地面垂直時，電纜上方磁場的分布規(guī)律與相地連接時是一致的，前面介紹的最大法與最小法是適用的。兩個導體所在的平面與地面平行時，其地面上磁場分布規(guī)律如圖217(a)所示，由于磁力線在電纜的正上方進入地面，造成信號強弱分布曲線與相地連接時情況恰恰相反。在線圈與地面垂直放置時，在電纜正上方穿過線圈的磁力線最多，信號最強，在線圈與地面平行放置時，在電纜正

39、上方穿過線圈的磁力線最少，信號最弱，如圖2-17(b)所示。圖2.14兩導體平行時的電纜路徑確定(三)電纜深度探測 在電纜故障檢測過程中有時需要知道電纜的深度，利用音頻信號發(fā)生器和接收機配合，可以很方便地確定電纜埋設深度。如圖2-18所示，將電纜按相地連接法連接，用最小法測得電纜正上方位置A點，然后將線圈傾斜，使之與地面成45角(垂直于電纜的走向)并沿與電纜垂直的方向向左或向右移動，找到信號最弱點B和B，在這兩個位置上，線圈的軸線與磁力線垂直，穿過線圈的磁力線最少，接收到的信號強度最小。一般情況下AB之間的距離上AB之間的距離如和電纜埋設深度2大小應該相等，在實際測量過程中我們發(fā)現(xiàn)用i上批作為

40、測量結果更接近于實際情況。圖2.15電纜埋設深度的檢測2.4本章小節(jié)本章主要是對電纜路徑檢測的原理作了一個大概的介紹，描述了音頻法測路徑的基本的過程，并且對其它的方法也做了介紹，為下一步改進提供了原理上的依據 第三章 電纜路徑檢測儀的改進的方法 37 第三章 電纜路徑檢測儀的改進方法3.1 電磁法探測的原理地下敷設的電纜與周圍的土壤介質在導電性、導磁性、密度或其他理化性質上存在差異,故能被探測、識別和區(qū)分。目前電纜探測方法大致有電磁法、直流電法、地震波法、放射性跟蹤法和地質雷達等, 其中電磁法因探測準確度高、抗干擾能力強、適用范圍廣、操作簡便、成本低、效率高而最常用。電磁法利用電磁感應原理。專

41、用發(fā)射機將一定頻率的信號電流I 施加(直連或感應) 于待測電纜,使其周圍空間產生電磁場 ,其磁場強度H= KI / R ,式中K 為場強系數, R 為電纜周圍任意一點P 距電流中心的距離, Hx 、Hz 分別為H 的水平、垂直分量。用接收機在地面上測量H及其分布便可確定被測電纜的位置和埋深,實現(xiàn)其定位。圖3.1電磁法探測的原理圖3.2電纜路徑儀的定位方法(1) 從發(fā)射機的連接方式角度可分為3 種方法:直連法發(fā)射機一端接地,另一端接到不帶電的被測電纜上,從而將發(fā)出的信號直接加到被測電纜上。此法的信號強、定位和測深準確度高,易分辨相鄰電纜(見圖2) 。夾鉗耦合法將電纜路徑儀配備的夾鉗夾套在電纜上,

42、通過夾鉗的感應線圈把信號直接加到電纜上。此法的信號強、定位和測深準確度高,尤其是運行中的電纜不需停電便可測試(見圖3) 。磁感應法發(fā)射機放在電纜上方,發(fā)射線圈產生的電磁場在電纜中感應出電流,從而在電纜周圍產生二次電磁場,它被接收機接收到后即可定位電纜。此法的發(fā)射、接收均不需接地,操作靈活方便,效率高,效果好,可用來搜索電纜,但在電纜緊鄰或密集的場合應慎用(見圖4) 。上述3 種方法可有效地定位已知電纜,但若要定位未知電纜如施工前勘察工地,就需用另一種方法盲查。盲查需由一人手提發(fā)射機,另一人操作接收機,兩者相距約12 m 一起平行橫向走過被測地區(qū),經過地下電纜時接收機指示電纜存在,操作者就在搜索

43、路線上標出各電纜的位置。橫向搜索完成后方向改變90,再縱向搜索同一地區(qū)(見圖5) 。兩個方向搜索結束后回到出發(fā)點,再用磁感應法(見圖4) 跟蹤各標出的電纜。(2) 從接收機的定位方式角度可分為兩種方法: 極大值法用水平線圈測量二次電磁場的水平分量Hx ,因電纜正上方Hx 最大,故出現(xiàn)最大值的水平線圈正下方投影位置上即為電纜。此法的磁場幅度大且寬,易發(fā)現(xiàn)電纜(見圖6) 。極小值法用豎直線圈測量二次電磁場的垂直分量Hz ,因電纜正上方Hz 為0 ,故出現(xiàn)極小值的豎直線圈正下方投影位置上即為電纜。此法的定位準確度高且受附近電纜影響較大(見圖7) 。故可先用極大值法找到電纜大致位置,再用極小值法精確定

44、位。3.3電纜路徑儀的測深方法常用的測深方法有兩種: 直讀法利用上下兩個線圈測量電磁場的梯度從而確定電纜埋深。在接收機中設置測深按鈕,用指針表頭或數字顯示器直接讀出電纜的埋深。此法較簡單、方便、快捷,但在電磁場信號弱時誤差較大(見圖8) 。45測深法先精確定位電纜位置,再將探測線圈與地面成45角并沿電纜方向橫向移動,找到“極小值”點,此點與定位點間的距離l1 或l2 即等于電纜的埋深d。此法測深較準確,且可減小由磁場變形引起的誤差(見圖9) 。有時操作者想定位公用地溝中的某一導體,而發(fā)射機的信號可能感應到更淺或導電性好的導體,用深度按鈕測量可能測得不合理的深度。這時用45法測量就可進一步確定多

45、個導體及其深度,即先找到第1 根導體的深度,再繼續(xù)離開導體,標出各導體的深度,然后向另一側移動(見圖10) 。圖3.2電纜路徑的探測方法3.4電纜路徑檢測儀的改進方案電纜路徑檢測以主要應用電磁感應原理，把電纜產生的磁信號檢測到，然后轉換成電信號，然后對電信號進行處理計算等電路處理得到想要的檢測結果。本方案采用六個傳感器，這六個傳感器共同工作，經過電路處理的到，方位，電流大小，深度，偏向等信息。線圈的分布結構如下圖：3.3線圈分布結構示意圖1號線圈的作用：一方面是在峰值模式的時候檢測信號強度，另一方面與8號線圈配合檢測電流電纜中的電流強度和電纜的埋藏深度。2號線圈與3號線圈的作用：一方面判斷電纜

46、埋藏的左右位置，另一方面是與4、5、8號線圈配合工作判斷羅盤偏向。4號線圈與5號線圈的作用：與2、3、8號線圈配合工作判斷羅盤方向。6號線圈與7號線圈的作用：這兩個線圈可以取其中任何一個，都是在谷值的模式下檢測信號的強度。8號線圈作用：一方面與1號線圈配合測深度與電流大小，另一方面參與羅盤工作。系統(tǒng)原理圖如下：圖3.4系統(tǒng)的原理框圖線圈將電纜中磁信號轉換成電壓信號，然后經過信號預處理電路將有用的信號提取出來并放大到合適A/D轉換信號電壓。經過預處理電路處理后的信號，然后在進行A/D轉換，A/D轉換由單片機控制，各線圈經過A/D轉換后的數字信號在FPGA中進行計算，計算的結果送回單片機，GPS模

47、塊，顯示模塊以及外圍接口也由單片機控制完成。圖3.5信號預處理電路原理框圖在信號的預處理電路中，線圈的電信號首先進行初級放大，然后經過50Hz的陷波電路將最主要的干擾濾除掉，然后在經過多級放大，將信號放大到適合檢測的范圍，然后在經過一次濾波將信號中其它頻率的干擾濾除掉。在測50Hz頻率時通過單片機控制多路開關選擇50Hz帶通濾波電路使其通過。通過單片機控制自動增益控制電路去實現(xiàn)多經放大電路的增益控制。下面是設計基本的顯示界面：圖3.6峰值模式顯示界面圖3.7谷值模式顯示界面圖3.8深度電流顯示界面圖3.9GPS顯示界面圖3.10深度檢測的原理圖1號線圈與8號線圈配合檢測深度和電流強度的理論公式

48、推導如下：電纜中信號電流為：則：當處于電纜正上方時，1、8號線圈中產生的電動勢為：其中，S為線圈的截面積，為電纜中信號的頻率則：假設電纜在測試者的左邊，手持測試儀旋轉一周，2、3、4、5、8判斷方向的原理圖如下：小黑點代表儀器的正前方。圖3.11羅盤的設計同理，電纜在測試者右邊時的情況也應如此。當6號或者7號線圈檢測的電壓值為零是表示在電纜的正上方，羅盤顯示如下：圖3.12羅盤的設計23.5本章小節(jié)本章主要介紹了電纜路徑檢測儀的改進方法，首先介紹了電磁探測的原理和方法，接著以此為基礎提出了改進的反感和方法，并且提出了羅盤的設計方案。 第四章 電纜路徑檢測改進的硬件設計 57 第四章 電纜路徑檢

49、測儀改進的硬件設計4.1 信號預處理電路圖4.1信號預處理電路原理框圖在信號的預處理電路中，線圈的電信號首先進行初級放大，然后經過50Hz的陷波電路將最主要的干擾濾除掉，然后在經過多級放大，將信號放大到適合檢測的范圍，然后在經過一次濾波將信號中其它頻率的干擾濾除掉。在測50Hz頻率時通過單片機控制多路開關選擇50Hz帶通濾波電路使其通過。通過單片機控制自動增益控制電路去實現(xiàn)多經放大電路的增益控制。其具體的電路圖如下圖所示：圖4.2信號預處理電路的電路設計圖4.2 A/D轉換電路A/D轉換電路主要使用的是12位并行輸出AD轉換器AD7492。AD7492是AD公司推出的12位高速、低功耗、逐次逼

50、近式AD轉換器。它可在2.7V5.25V的電壓下工作，其數據通過率高達1MSPS。它內含一個低噪聲、寬頻帶的跟蹤/保持放大器，可以處理高達10MHz的寬頻信號。 AD7492很容易與微處理器或DSP接口。輸入信號從CONVST的下降沿開始被采樣，轉換也從此點啟動。忙信號線在轉換起始時為高電平，810ns后跳變?yōu)榈碗娖揭员硎巨D換結束。沒有與此過程相關的管線延時。轉換結果是借助標準CS和RD信號從一個高速并行接口存取的。 AD7492采用先進的技術來獲得高數據通過率下的低功耗。在5V電壓下，速度為1MSPS時，平均電流僅為1.72mA；它還可對可變電壓/數據通過率進行管理。在5V供電電壓和500k

51、SPS數據通過率下的消耗電流為1.24mA。 AD7492具有全部休眠和部分休眠兩種模式，采用休眠模式可以在低數據通過率時實現(xiàn)低功力量。在5V電壓時，若速度為100kSPS，則平均電流為230A。AD7492的模擬輸入范圍為0REF IN。另外，該器件內部還可提供2.5V參考電壓，同時，該參考也對外部有效。器件的轉換速度由內部時鐘決定。AD7492的主要特性如下： 額定電壓VDD為2.7V5.25V； 高數據通過率：數據通過率為1MSPS； 功耗低：在5V電壓下，數據通過率為1MSPS時，功耗一般為8.6mW； 輸入頻帶寬；100kHz輸入時，信噪比為70dB； 具有片內+2.5V參考電壓；

52、具有片內時鐘振蕩器； 具有可變電壓/數據通過率管理功能，轉換時間由內部時鐘決定。有部分和全部兩種休眠模式，采用休眠模式可在低數據通過率時使效能比達到最大； 帶有高速并行接口； 具有柔性數字接口。通過設定VDRIVE引腳可控制I/O引腳上的電壓； 休眠模式的電流一般為50nA； 無管線延時。是一個標準的逐次逼近式AD轉換器，可在采樣瞬間精確控制，采樣瞬間借助于CONVST的輸入和間隔停止轉換來控制； 外圍元器件較少，可優(yōu)化電路板空間； 采用24引腳SOIC或TSSOP封裝形式。 2 引腳功能 圖1所示為AD7492的功能框圖。圖2為其引腳排列。各引腳的功能如下： CS：片選引腳。在CS和RD下降

53、沿之后，系統(tǒng)把轉換結果放在數據總線上。由于CS和RD連接在輸入端的同一個與門上，因此信號是可以互換的。 RD：讀信號輸入端。通常連接到邏輯輸入端，以讀取轉換結果。若數據總線總是處于工作狀態(tài)，則在忙信號線變?yōu)榈碗娖街皩⑿碌霓D換結果送出去，在這種情況下CS和RD可通過硬件方式連至低電平。 CONVST：啟動轉換輸入信號端。跟蹤/保持輸入放大器在CONVST的下降沿處從跟蹤狀態(tài)轉換為保持狀態(tài)，同時啟動轉換過程。轉換建立時間可短至15ns。如果CONVST在轉換持續(xù)期間處于低電平，且在轉換結束時仍保持低電平，器件將自動進入休眠狀態(tài)。休眠狀態(tài)的類型由PS/FS引腳決定。若器件處于休眠狀態(tài)，CONVST

54、的下一個上升沿將喚醒它。喚醒時間一般為1s。 PS/FS：休眠模式選擇端。器件進入休眠狀態(tài)時，此引腳決定休眠的類型。在部分休眠模式下，內部參考電路和振蕩電路不斷電，耗電大約200V。在全部休眠模式下，所有模擬電路均斷電，此時器件的功耗可以忽略不計。 BUSY：忙信號輸出端。此引腳的邏輯輸出表明器件所處的狀態(tài)。在CONVST下降沿之后，忙信號變?yōu)楦唠娖讲⒃谵D換期間保持高電平。一旦轉換結束，轉換結果存入輸出寄存器，忙線復位為低電平。在忙信號下降沿之前，跟蹤/保持放大器轉為跟蹤狀態(tài)，忙信號變?yōu)榈碗娖揭蚤_始跟蹤。在忙信號變低時，若CONVST輸入仍為低電平，則器件在忙信號上降沿自動進行入休眠狀態(tài)。 R

55、EF OUR：2.5V1%參考電壓輸出。 AVDD：模擬電源端。 DVDD：數字電源端，2.75.25V。用于給AD7492器件內除輸出驅動電路和輸入電路外的所有數字電路提供電源。 AGND：模擬地。 DGND：數字地。 AGND和DGND理論上應處于同一電位，即使在有瞬變電流時，其差值最大也不可超過0.3V。 VIN：模擬輸入端。單端模擬輸入路線。輸入范圍為0VREF IN。此引腳為直流高阻抗。 VDRIVE：輸出驅動電路和數字輸入電路的供電電源為2.7V5.25V。此電源電壓決定數據輸出引腳的高電平電壓和數字輸入的閾值電壓。當數字輸入和輸出引腳閾值電壓為3V時，VDRIVE允許AVDD和DVDD在5V電壓下工作（使ADC的動態(tài)性能最優(yōu)）。 DB0DB11：數字線011位。器件的并聯(lián)數字輸出。這是由CS和RD控制的三態(tài)輸出。它們的輸出高電平電壓是由VDRIVE引腳決定的。 3 應用接口電路 圖3為AD7492的一個典型連接圖。一旦CONVST變?yōu)榈碗娖?，忙信號就變?yōu)楦?/p>