【正文】 置。而且是最為行之有效的方法。聲測法定點對高壓電纜、低壓電纜、直埋電纜、電纜溝電纜等等均適用。但從目前情況看，還沒有性能可靠的，能實際應(yīng)用的定點儀。 3) 跨步電壓法：采用跨步電壓法定點，主要針對對電纜外護套絕緣有要求的外護套接地故障定點，現(xiàn)在對部分直埋的無鎧裝的低壓電纜、電線芯線接地 故障、也可以采用跨步電壓法定點。此音頻信號在電纜故障點，被電弧短路，不再繼續(xù)向電纜終端傳播。電纜故障磁場預(yù)定點技術(shù)，是一種較新的故障定點手段，其概念的提出時間較短，儀器的研發(fā)和儀器使用時間也較短。 5) 聲磁同步法：是將聲測法與電磁波法綜合應(yīng)用，例如 DTC003 系列聲磁同步定點儀，采用了聲測法定點與聲磁同步定點法相結(jié)合定點原理。在故障點正上方，聲波信號最大，離開故障點，聲波信號減少，或者無聲波信號。當(dāng)聲測探頭放置在故障點上方時，定點儀二個表頭指示及耳機聲音同步。另外，聲磁同步定點儀可以將故障定點和電纜路徑探測工作同步進行，大大提高故障定點效率。 ``` 7 第四章低壓脈沖反射法工作原理 工作原理 測量電纜故障時，電纜可視為一條均勻分布的傳輸線，根據(jù)傳輸線 (長線 )理論，在電纜一端加脈沖電壓，則此脈沖按一定的速度 (決定于電纜介質(zhì)的介電常數(shù)和導(dǎo)磁系數(shù) )沿線傳輸，當(dāng)脈沖遇到故障點 (或阻抗不均勻點 )就會發(fā)生反射，用閃測儀記錄下發(fā)送脈沖和反射脈沖之間的傳輸時間 △T，則可按已知的傳輸速度 V來計算出故障點的距離 Lx， Lx=VT/2 (42) 同樣已知電纜全 長，可測出脈沖傳輸速度： V=2L/T (43) 測試時向電纜注入一低壓脈沖，該脈沖沿電纜傳播到阻抗不匹配點，如短路點、故障點、中間接頭等，脈沖產(chǎn)生反射，回送到測量點被儀器記錄下來（圖 41）。 L=V斷路故障反射脈沖與發(fā)射脈沖極性相同，而短路故障的反射脈沖與發(fā)射脈沖極性相反。在不清楚電纜的波速度值的情況下，可用如下方法測量。 L?△ t (45) 發(fā)射脈沖的選擇 1. 脈沖的形狀 電纜故障測量儀器使用的電壓脈沖一般有矩形、指數(shù)、鐘形（又叫升余弦）等。 2. 脈 沖的寬度 脈沖總有一定的時間寬度，假定為τ，則在τ時刻以內(nèi)到來的反射脈沖與發(fā)射脈沖相重迭，無法區(qū)分出來，因此就不能測出故障點距離，出現(xiàn)了盲區(qū)。從減小盲區(qū)的角度看，發(fā)送脈沖寬度窄一些好，但脈沖愈窄，它所包含的高頻成分愈豐富，而線路高頻損耗大，使反射脈沖幅值過小，畸變嚴(yán)重，影響遠(yuǎn)距離故障的測量效果。 脈沖反射波形的理解 脈沖反射波形反映電纜故障與結(jié)構(gòu) 觀察電纜的低壓脈沖反射波形除可以找出故障點的位置及判別故障性質(zhì)外，還有利于了解復(fù)雜電纜的結(jié)構(gòu)，這一優(yōu)點是電橋法無法比擬的。 圖 給出了一個有低阻故障的電纜，中間有接頭 J，圖 向電纜注入一低壓脈沖測得的脈沖反射波形。 ``` 9 a b 圖 42 中間有接頭的電纜脈沖反射波形 把波形上任一點的時間坐標(biāo)乘以二分之一的波速度（即 44式），換算成距離，則電纜上所有阻抗不匹配點，如中間接頭 J、故障點 F、電纜的開路終端 B，均按實際的距離以脈沖的形式出現(xiàn)在波形上。一般來 說，開路與短路故障反射比較強，而中間接頭反射較弱。 下面介紹幾種典型故障的脈沖反射波形。 圖 43 斷路故障脈沖反射波形 圖 43給出了斷路故障脈沖反射波形。由于脈沖在電纜中傳輸存在損耗，脈沖幅值逐漸減小，并且波頭上升變得愈來愈緩慢。 2. 短路故障 脈沖在短路點產(chǎn)生全反射，反射脈沖與發(fā)送脈沖極性相反。波形上第一個故障點反射脈沖之后的脈沖極性出現(xiàn)一正一負(fù)的交替變化，這是由于脈沖在故障點反射系數(shù)為 1，而在測量端反射為正的緣故。圖 45 給出了電壓反射系數(shù)與透射系數(shù)隨 K值的變化關(guān)系，可見 K10，即故障電阻大于波阻抗值的 10 倍時，脈沖反射系數(shù)幅值小于 5%，故障點反射脈沖較難以識別，故低壓脈沖法不適用測量這類故障的距離。由脈沖傳播網(wǎng)格圖看出，注入的脈沖在故障點產(chǎn)生反射脈沖， t1 時刻回到測量端，該脈沖從測量端返回，在故障點又被再次反射， t2 時刻又一次回到測量端。穿過故障點的透射脈沖在電纜的端點被反射， t3 時刻回到測量端。 a. b. c. 圖 46 電纜中點之前的低阻故障脈沖反射波形 ``` 12 圖 47 電纜中點之后的低阻故障脈沖反射波形 一般的低壓脈沖反射儀器依靠操作人員移動標(biāo)尺或電子光標(biāo)，來測量故障距離。根據(jù) ，故障愈遠(yuǎn)，反射脈沖上升愈圓滑，標(biāo)定愈困難。 a. b. 圖 48 反射脈沖起始點的標(biāo)定 可以把最新測量波形與記憶波形同時顯示。實際電力電纜三相均有故障的可能性很小，絕大部分情況下有良好的線芯存在，可方便地利用波形比較法，測量故障點。由于脈沖在傳播過程中存在損耗，電 纜終端的反射脈沖傳回到測量點后，波形上升沿比較圓滑，不好精確地標(biāo)定出反射脈沖到達時間，特別當(dāng)電纜距離較長時，這一現(xiàn)象更突出。 ``` 13 圖 49 電纜終端開路與短路脈沖反射波形比較 1. 為什么使用內(nèi)部阻抗平衡技術(shù) ? 脈沖反射儀器發(fā)送的脈沖有一定的寬度，由于儀器的輸出阻抗與電纜波阻抗不匹配，電纜上得到的或者是儀器接收電路感受到的發(fā)送脈沖拖了一個尾巴，故障點反射脈沖與發(fā)射脈沖重疊，會造成顯著的測量盲區(qū)；儀器同時接收并在顯示器上顯示發(fā)送脈沖與反射脈沖，當(dāng)故障點距離較遠(yuǎn)時，發(fā)送脈沖的幅值遠(yuǎn)大于故障點反射脈沖，如通過提高放大器增益，來達到提高故障點反射脈沖幅值的目的，將造成信號放大電路的飽和，出現(xiàn)所謂的“阻塞”現(xiàn)象。 2. 內(nèi)部阻抗平衡技術(shù) 如圖 410 所示，儀器同時向被測電纜 與內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò)發(fā)射脈沖，而儀器接收到的信號是被測電纜與內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò)上信號的差值，調(diào)節(jié)內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，使其與電纜的波阻抗一致，則發(fā)送脈沖在電纜與內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生的信號相同，儀器接收到的信號為零，而當(dāng)反射脈沖到來時，內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò)上無信號出現(xiàn)，反射脈沖全部送到儀器接收電路上去。 圖 410 內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò)的作用 ``` 14 a. 無內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò) b. 有內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò) ,儀器增益過大 圖 411 有無內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò)的脈沖反射波形比較 圖 中的使用內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò)的脈沖反射波形是從波形上消除了發(fā)送脈沖后，提高儀器增益測得的。 為了簡化操作，實際的低壓脈沖反射儀器往往采用固定的平衡網(wǎng)絡(luò)，而不是由操作人員調(diào)節(jié)。首先測得一完好電纜芯線的脈沖反射波形，儲存起來，然后再測量故障芯``` 15 線，把先后兩次測量波形比較，在波形起始處，二者有明顯的差別，說明是電纜出頭故障。 圖 412有短路故障的線芯與完好線芯的波形比較 第 5 章 系統(tǒng)主控單元硬件電路設(shè) 計 在本次設(shè)計中，采用單片機及其外圍輔助設(shè)備作為系統(tǒng)的控制處理部分。 單片機型號的選擇 單片機是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的微處理器，隨機存取數(shù)據(jù)存儲器、 只讀程序存儲器、輸入 /輸出電路，還有其它的外圍器件等集成到一片芯片上，構(gòu)成一個最小而且又完善的計算機系統(tǒng)。在目前的工程使用中，應(yīng)用最多的是 8 位單片機和 16 位單片機； 其中 8 位的單片機、 16 位單片機都分別由 INTER 公司的 MCS51 系列和MCS96 系列為代表。而 MCS51 系列結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉等特點。 ATMEL的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡版本。針對本次設(shè) 計，綜合考慮性能及成品價``` 16 格， 8 位單片機完全能滿足需要，所以決定用 8 位的 AT89C51 作為本次設(shè)計的中央處理單元。 針對本次的設(shè)計，考慮到現(xiàn)場環(huán)境的影響，對信息的輸出及顯示要求盡量的簡明、精確，采用 BCD 撥碼盤信息輸入、 LED 數(shù)碼顯示器輸出（故障距離）和報警指示燈輸出（故障類型）這兩種輸出的方式。 常用的信息輸入方式有：按鍵鍵盤輸入 、 BCD撥碼盤輸入。下面就對撥碼盤的結(jié)構(gòu)和工作原理作簡單那介紹。撥碼盤撥到不同的位置時，輸入控制線 A 分別與 4 根 BCD 碼輸出線中的某根或幾根接通，其接通的 BCD 碼輸出線狀態(tài)正好與撥碼盤指示的十進制一致。 ``` 17 22 圖 51 4位 BCD撥碼盤并聯(lián)結(jié)構(gòu) 7段 LED 數(shù)碼顯示器由 7條發(fā)光二極管組成顯示字段，并按 “ ”字排列， 這 7段發(fā)光二極管分別成為 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g。因此，通過7段的不同組合控制，可以顯示 0 ～ 9數(shù)字和 A ～ F字母，實現(xiàn) 16 進制顯示。下面以共陰極接法為例說明。當(dāng)顯示某一個字符時，相應(yīng)的發(fā)光二極管就恒定地導(dǎo)通或截止。特點是：將多段LED 顯示器同各端的段選線復(fù)接在一起，只用一個 8 位 I/O 口輸出控段選線，段選碼同時加到各個 LED 顯示器上，因此，在每個瞬間， N 位 LED 只能顯示相同的字符，要想每一個LED顯示不同的字符，必須用另外一個 I/O口控制各個 LED顯示器公共陰極輪流接地，逐一掃描點亮，使每位 LED 顯示該位應(yīng)當(dāng)顯示的字符?？刂泼總€ LED顯示位輪流接地點亮的代碼稱之為 “位選碼 ”。 ``` 18 本系統(tǒng)采用脈沖波在通訊線路上傳播，遇到故障點后返回，記下脈沖來回的時間，進而來確定故障點到測試點之間的距離。 本次設(shè)計要求可測量范圍在 ～ 40km 之間，測量誤差為 ，如考慮到技術(shù)要求，決定采用 100MHz 的脈沖源作為計時單元的計數(shù)脈沖；計數(shù)部分采用一片雙十進制74LS390 芯片。其能計最大的數(shù)值為： M=216=65536，所以能計的最長時間為 T=M/F=216/108==，低壓脈沖波在標(biāo)準(zhǔn)通訊電纜中的傳播速度為 V ≈160m/μs， 一般常用的通訊電纜與標(biāo)準(zhǔn)的通訊電纜間系數(shù)為 ρ=80%，則最長的測量距 2Lmax=PVTmax≈，即 Imax=40km,滿足 測量長度的要求。所以，可判斷系統(tǒng)所選的計時部分。具體電路接線圖見 圖 1。因此，在本次設(shè)計中，低壓脈沖波的產(chǎn)生、調(diào)制、發(fā)送、接收、檢驗過程是難點，也是重點。 脈沖發(fā)射電路設(shè)計 本電路用來產(chǎn)生一個預(yù)定寬度為 30V 矩形脈沖，并通過耦合變壓器發(fā)送到電纜上去。 圖 61 中定時器電路為一可預(yù)置的減法計數(shù)器。根據(jù)測量范圍的不同改變預(yù)置的數(shù)值，定時器就輸出不同寬度的脈沖。而當(dāng)線路上反射脈沖到來時，在L L5 上產(chǎn)生的電壓大小相等，方向相反，回路電壓代數(shù)和為 0，內(nèi)部平衡電路不起作用，反射脈沖電壓通過 T2 的線圈 L4全部變換到 L6 上，加到信號接收電路上。 在現(xiàn)場中常用到一種內(nèi)部阻抗平衡技術(shù)，來消除脈沖反射儀器中產(chǎn)生的 “阻塞 ”現(xiàn)象。 脈沖接收電路設(shè)計 設(shè)計接收電路之前，需要熟悉數(shù)字電子、模擬電子及單片微機原理與接口技術(shù)相關(guān)知識。其引腳如圖 62所示。 正觸發(fā)輸入端（ B）采用了施密特觸發(fā)器，因此，有較高的抗擾度。在全溫度和 VCC 范圍內(nèi)，輸出脈沖寬度為： TWQ =CEXTRTln2≈ 。 74121 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有 3 個觸發(fā)輸入端，由觸發(fā)信號控制電路分析可知，在下述情況下，電路可由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)： 若 A1A2兩個輸入中有一個或兩個為低電平， B發(fā)生由 0到 1的正跳變。 輸出脈沖的寬度取決于定時電容和定時電阻的大小。若要輸出脈沖寬度較寬，則采用電解電容，電容正極接在 Ce 輸入端（ 10腳）。 輸出脈沖寬度 RC? （ 61） 通常 R的數(shù)值取在 2 ～ 30 K?之間， C的數(shù)值取在 10pF～ 10μ F 之間，得到的 Wt 的取值范圍可達到 20ns～ 200ms。 ``` 21 表 61 74121功能表 輸 入 輸 出 1A 2A B Q Q? L X H L H X L H L H X X L L H H H X H ↓ H ↓ H H ↓ ↓ H L X ↑ X L ↑ (2)雙上升沿 7474 D觸發(fā)器（有預(yù)置、清除端） 集成 D 觸發(fā)器有很多的定型產(chǎn)品，本次設(shè)計中采用雙上升沿 D 觸發(fā)器 7474，下面就其邏輯符號和功能作一簡單介紹。 圖 63 D觸發(fā)器 7474的邏輯符號 表 62 D觸發(fā)器 7474功能表 輸 入