A08-电缆故障闪测仪校验装置的研制 张军

电缆故障闪测仪校验装置的研制

张 军，雷 民，项 琼，陈习文，郭子娟

（国网电力科学研究院，武汉 430074）

摘 要：课题研制的电缆故障闪测仪校验装置可用于开展电缆故障闪测仪的校验工作。项目涉及：测距功能、测速功能。

本文介绍了该校验装置的工作原理和核心技术。本校验装置功能设计针对性强，使用便捷有效，经法定计量检定机构校准，参数达到设计要求，国内领先。

关键词：电缆故障闪测仪校验装置；校准；检定；校验装置

0 引言

电缆故障是电力系统常见故障之一，故障形式主要包括开路故障、低阻故障、泄露性高阻故障、闪络性高阻故障等。为了测量、定位电缆故障距离，许多电力测试仪器生产厂家研制了电缆故障测试仪，目前已在电力系统中大量使用。其中电缆故障测试仪按照不同测试原理和测试目的可分为电缆故障闪测仪、电缆故障定位仪、电缆故障路径仪等。其中，电缆故障闪测仪是借鉴时域反射计的原理来实现的，并且电缆故障闪测仪的测量方法根据脉冲信号源的产生又可细分为低压脉冲法和闪络法两类，其中：低压脉冲法即用低压脉冲波信号确定电缆故障距离的方法，发送的低压脉冲信号多由仪器主机直接提供，该类方法多针对开路故障和低阻故障采用；闪络法即利用高压脉冲波反射确定电缆故障距离的方法，需要在仪器主机外部单独提供高压脉冲信号源，该类方法多针对泄露性高阻故障、闪络性高阻故障采用。

电缆故障闪测仪作为工作计量器具，本质测量参数是时间量，但和众多预试仪器类似，由于针对性较强，接口特殊，其计量特性很难方便溯源到上级时间计量标准，故需研制专门校验装置，以助对该类测试仪开展校验工作。

目前，国内只有少数几家单位对电缆故障闪测仪开展校验工作，采取校验方法也为传统实物法，该方法主要特在在于：用实物电缆作为标准器具，事先用长度计量器具对实物电缆长度进行标定，在标定后，再用于对被试测试仪进行校验。传统校验方法有诸多不足，主要在于：实物电缆受温度影响，其长度会产生较大变化，且由于本身存在弹性，再加上人工问题，其长度标定工作复杂、准确度低，且体积庞大；此外，实物电缆往往为单一绝缘材质，可模拟种类不丰富，若想模拟多种材质电缆，其成

本会大大提高。

本课题研制的电缆故障闪测仪校验装置参考电力行业标准DL/T 849.1-2004要求进行针对性设计，可对目前市场上主流的电缆故障闪测仪进行合理、高效的校验工作；且针对电缆故障闪测仪功能特点设计了程序界面，检定人员可以针对性的直接预置相关标准值，而不需额外人工进行时间换算等工作；同时，本校验装置专门设计了溯源接口和溯源方案，从而使本校验装置可方便、有效的纳入计量溯源体系，最终可溯源到国家最高时间计量标准。

1 校验装置的主要功能、参数

等效故障距离测量范围：50m~50km； 波速设置范围：100m/us~300m/us； 故障反射波峰值：0.5~2V；

故障反射波形选择：方波、正弦波；

等效故障距离最大允许误差：±(0.2%L±2m)，其中：L为标称故障距离；

内置方波触发脉冲，方便校验装置本身去上级计量单位溯源。

2 校验装置的工作原理和使用方法

2.1 工作原理

长距离传输线的波传输过程可以用分布参数等值电路进行分析。其波速公式为v=1/LC，其波阻抗公式为Z=

L/C，其中，L为导线以大地为

回路的每米电感值，C为导线每米对地电容值。

电缆故障闪测仪借鉴时域反射原理设计。在对故障距离测量时需预设或预先标定待测电缆的行波速度，其测得的故障距离结果为：

测量结果 = 行波速度 × 脉冲往返时间 / 2 以电缆故障距离为10km为例，考虑到电缆中

电磁波的传播速度约为1.5×108m/s，可推断出，该故障距离下，测量脉冲往返时间约为(2×10km) / (1.5×108m/s)=1.3ms。

根据如上所述基本原理和背景条件，本项目设计了

电缆故障闪测仪校验装置，即通过“被动反馈回路”模拟实物电缆的时域反射特性，从而达到对该类测试仪进行校验的目的。

图1 工作原理框图

如图1所示，为本校验装置工作原理框架图。具体为：从图示校验装置左侧，即电缆芯线端子以及电缆屏蔽层端子看进去，能呈现出均匀传输线的时域反射特性，也就是在入射方波脉冲Pin的激励下，校验装置应有类似于均匀传输线的时域反射特性，可产生反射脉冲信号Pout，并且Pout、Pin两个信号的延迟时间严格正比于模拟的均匀传输线的故障点距离，模拟的标准故障距离计算公式为：

标准故障距离 = △T × 波速 / 2

其中，△T为Pout信号对Pin信号的延迟时间，波速为方波脉冲信号在不同绝缘材质电缆中的波行进速度，除以2是因为标准故障距离应为波折返总行程的一半。 由于入射脉冲Pin的幅值范围随被试电缆故障闪测仪不同设计从1V到100V均有可能，脉冲方向

有正有负，该脉冲信号通过电缆芯线接线端子进入校验装置后，首先被调理为幅值小于6V的小峰值脉冲信号，然后进入整形、比较模块，变为正向TTL方波信号，该TTL方波信号作为触发脉冲信号启动预置延时参数的信号延时反馈模块，该模块基于精密延时电路产生幅值、波形可调的延时反馈波形，该波形再经过高速放大模块提高驱动能力并形成延时反射脉冲Pout，该延时反射脉冲复用电缆芯线反馈给被试电缆故障闪测仪。该工作原理使得本校验装置从外部看进去具有均匀传输线时域反射特性，从而能针对电缆故障闪测仪的工作原理开展有效、便捷的校验工作。

2.2 校验装置上位机界面

图2 上位机程序界面

验装置会单独的提供一路高质量、陡跳变的方波脉本校验装置采取上、下位机结构，上位机软件

冲作为触发信号，可辅助开展校验工作，不需要额界面如图2所示。其中波速可由检定人员任意设置，

外再准备脉冲信号发生器，将有利于提高本校验装设置范围为100m/us~300m/us，该波速设置经选择后

置溯源工作的便捷性。 可同时提供给被试电缆故障闪测仪，以统一波速参

数。通过软件界面，检定人员可设置标准故障距离，

3 核心技术介绍

程序会自动将故障距离折算为应有的时域反射总时间并通知下位机执行。检定人员还可以设置故障反3.1 电缆芯线复用问题 射波峰值以及反射波的波形，如方波响应，还是正如图1所示，对本校验装置来说，其电缆芯线弦波响应。 模拟端子为入射信号Pin和反射信号Pout所复用，

同时，检定人员通过上位机软件可以在“常规Pin来自被试电缆故障闪测仪，其幅值范围大多在工作模式”和“溯源辅助模式”之间进行选择，当1V到100V范围内，而本校验装置产生的标准反射检定人员仅开展正常检定工作时，选择“常规工作模信号Pout来自校验装置内部的弱电反馈电路，该信式”即可，当校验装置本身需要去上级计量单位送检号幅值设计为从0.5V到2V，这种强、弱信号复用时，可选择“溯源辅助模式”，在该种模式下，本校电缆芯线端子的情况，若无专门设计，很可能造成

入射高压脉冲信号对校验装置内部电路的损害。具体解决方案如图3所示：

05T1

05T1

图3 信号输入端子保护电路

如图3所示，本校验装置设计了信号输入端子保护电路，Sig-in-1信号对应电缆芯线端子，在进行PCB设计时，入射信号Pin首先经过由4个超快恢复二极管MURS360T3组成的嵌位保护电路，这样低能量、高峰值的Pin信号经过该回路会被嵌位到供电电源电位附近，供电电源选用具有过压保护、短路保护等功能的优质±5V电源模块，经过该回路

后Pin峰值范围被嵌位控制在-5.7V ~ +5.7V之内，进入本校验装置后对后级内部电路冲击影响大大减小。同时，为提高保护功能可靠性，在后级回路添加了由快速TVS管SM05T1组成的浪涌保护电路，以上共4组过压高速嵌位保护，冗余充分。 3.2 输入信号调理模块的设计

图4 输入信号调理电路

来自被试电缆故障闪测仪的方波脉冲输入信号Pin进入本校验装置的信号输入端子后，虽经过保护电路嵌位，但方向、幅值均比较随机，该信号需要经过整形、比较模块调理形成TTL方波信号，用于触发后级的信号延时反馈模块。如图4所示，为本校验装置的输入信号调理模块的核心电路。进入本

模块的方波信号Sig-in-1经过电阻初步分压后一路提供给正向脉冲检测用高速比较器U6，一路提供给负向脉冲检测用高速比较器U9，高速比较器型号为TL3016。其中，正向比较回路的门槛电压由RW1调节，略高于0V，负向比较回路的门槛电压由RW2调节，略低于0V，这样不管Sig-in-1是正脉冲信号，还是负脉冲信号，都会形成一个正向的TTL脉冲信号，两路脉冲信号经过高速或门SN74LVC1G32后即可得到TTL触发电平信号DDS-trig。该DDS-trig信号实际上就是Sig-in-1的响应信号，其主要作用

就是Sig-in-1信号的正跳变沿或负跳变沿转换为正向跳变的TTL信号，用于触发后级信号延时反馈模块。图4中的U1的作用在高速放大、驱动模块中进一步介绍，这里需要提前说明的是，当外部脉冲信号刚进入时，U1的output端子电位处于0V，从而使外部向内看Sig-in-1端子等效于并联一个50 左右的匹配阻抗，这种设计有利于减少输入脉冲信号的额外反射。

3.3 信号延时反馈模块的设计

图5 信号延时反馈模块

如图5所示，为信号延时和反馈模块。在前级TTL电平信号DDS-trig的触发下，处理器TMS320F2812根据上位机预置的延时要求，基于高稳时钟延时并反馈一路方波信号。该方波信号即可直接反馈输出，也可作为触发信号快速启动DDS芯片输出高质量差分正弦波形，波形周期和初相位均由TMS320F2812配置。通过这种方式，本校验装置中即可反馈输出方波信号也可反馈输出正弦波信

号。图5中，DDS芯片采用AD公司AD9951，利用该芯片可在方波触发下快速输出幅、频、相位可调的差分正弦信号，该差分正弦信号经过基于OPA695的高速差分放大电路调理成单端正弦信号；数字电位器采用XICOR公司10位数字电位器X9110，主要用于控制方波幅值。以上两种芯片的外围电路设计如图6所示。

图6 DDS芯片和数字电位器外围电路

3.4 高速放大、驱动模块的设计

图7 高速驱动电路

如图7所示，信号延时反馈模块产生的延时信号DDS-CH1，经过高速宽频运放OPA693进一步提高驱动能力，其输出信号即为Sig-in-1，该信号反馈到电缆芯线端子上，最终形成时域反射信号Pout。 4

校验装置的量值溯源数据

本校验装置的各项功能均在法定计量检定机构（国家高电压计量站）进行量值溯源，校准数据举例如下：

表1 校准数据

标称波速（m/μs） 标称故障距离（m）标称入射波折返总时间（μs）实测入射波折返总时间（μs）

100 50 100 1000 100 10000 100 50000 200 50 200 1000 200 10000 200 50000 300 50 300 1000 300 10000 300 50000

1.000 20.000 200.000 1000.000 0.500 10.000 100.000 500.000 0.333 6.667 66.667 333.333

1.000 20.000 200.000 1000.000 0.500 10.000 100.000 500.000 0.330 6.670 66.670 333.330

备注：标称入射波折返总时间 = 2×标称故障距离/标称波速。本校准数据是在反馈波形为方波情况下获得的。校准用标准器具型号为EE3386A型通用计时器，有效时间分辨率为10ns，测量结果扩展不确定度U＝14.1ns，包含因子k=2。

从以上数据可以看出，本校验装置实际性能参

数符合设计指标，可以合理、有效地用于开展对电缆故障闪测仪的校准、检测工作。

试技术、电能计量（E-mail: leimin@）

项琼（1971-），女，硕士，高工/所副总工，研究方向：高压计量与测试技术（E-mail: xiangqiong@）

陈习文（1982-），男，本科，助工，研究方向：高压计量与测试技术（E-mail: chenxiwen@）

参考文献

[1]

电力行业标准 DL/T 849.1 电力设备专用测试仪器通用技术条件 第1部分：电缆故障闪测仪，2004

[2] 电力行业标准 DL/T 596-1996 电力设备预防性试验规程，1996

郭子娟（1983-），女，本科，助工，研究方向：高压计量与测试技术（E-mail: guozijuan@） 通信地址：430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路143号 国网电力科学研究院/国家高电压计量站 计量与测试技术研究所

作者简介:

张军（1979-），男，硕士，工程师/实验室主任工程师，研究方向：高压计量与测试技术。（E-mail: zhangjun3@)

雷民（1963-），男，硕士，高工/所长，研究方向：高电压计量与测

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