CN101900776B - 基于扩频反射的导线绝缘故障检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于扩频反射的导线绝缘故障检测方法及装置，使用经过BPSK调制的m序列作为导线故障的检测信号，通过计算检测信号与反射信号的互相关函数确定故障的位置和严重程度。根据该方法设计的装置包括：时钟电路，滤波电路，m序列生成电路，BPSK调制和发射电路，采样电路，CPLD芯片和显示设备。具有抗干扰能力强和定位精度高的特点，可用于导线故障的实时检测。

Description

基于扩频反射的导线绝缘故障检测方法及装置

技术领域

本发明涉及导线绝缘故障检测的方法及装置，特别是涉及一种基于扩频反射原理的导线绝缘故障诊断并定位的方法及装置。

背景技术

作为信息和能量载体的导线，广泛应用于各种仪器设备中，其安全稳定性日益受到人们的重视。随着设备运行时间的增长，导线长期在电、冷热、振动和辐射等复杂环境下工作，会产生绝缘磨损、老化、腐蚀和变形等故障，并最终造成导线的断路或短路。检测并排除早期的绝缘故障，有助于避免可能的严重故障的发生，消除潜在危害并降低维修成本。目前，比较成熟的导线绝缘故障检测方法及装置有以下几种。

第一种是电桥法。它分为电阻式和电容式两种。电阻式电桥通过测量导线的一端到故障处的电阻值，再由导线的一次参数确定故障位置，适用于低阻接地性故障；电容式电桥通过测量导线的对地电容确定故障位置，适用于开路故障。采用电桥法，必须事先获知导线的相关参数；并且该方法要求引线接触良好，否则会因接触电阻而造成较大的定位误差。

第二种是声测法。该方法利用电容器给导线施加足够高的脉冲电压，将绝缘故障处击穿，产生音频及电磁振荡。对于裸露在外或敷设较浅的导线，直接通过声音强度确定声源；对于不易接近的导线，可以通过测量接收到的声波与电磁波的时间差计算出故障位置。该方法所需电压较高，适用于高压电缆的故障定位；此外，由于外界噪声的干扰及查找经验的限制，难以准确定位故障点。

第三种是反射法，该方法是给导线送入一个脉冲或类似的高频信号，来接收导线中出现的暂态响应，通过分析发送端的接收信号，来获知导线各处特性阻抗的变化情况从而确定故障。根据入射信号的不同，可将反射法分为时域反射法、闪测法和频域反射法。

时域反射法将上升时间较短的低压脉冲或阶跃信号发射入导线，通过观测此信号和故障处反射信号间的时间差来定位故障。该方法适用于检测导线的低阻短路或接地性故障，而对高阻短路和闪络性故障无能为力；且定位反射信号起始点时容易受噪声干扰，误差较大。

闪测法首先使导线的故障点在足够高脉冲电压的作用下击穿，发生闪络放电，该闪络以电磁波的形式在发送点和故障点之间反射；通过分析信号发送端的波形来确定故障位置。该方法适用于高压电缆；同时所需击穿电压随故障与发送端距离的变化而不同，不能可靠确定放电电压以发现较小的绝缘故障。

频域反射法使用一系列的频率步进的正弦波作为检测信号。先发射某一频率下的正弦波给故障导线，用乘法器计算出反射信号和入射信号间相位差，该值与导线的电气长度成正比；再改变正弦波的频率，得到相位差值随频率变化的曲线；对该曲线进行傅里叶变换，便可以确定故障位置和严重程度。该方法工作频率较高，在几百兆至数吉赫兹之间，较难用硬件实现，且受噪声干扰大。

综上所述，目前的导线故障检测方法存在着不能有效发现绝缘故障、适用场合受限和易受噪声干扰等诸多不足。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于扩频反射的导线绝缘故障检测方法及装置。该方法及装置可以有效检测导线的绝缘故障，具有抗干扰能力强、定位精度高和实时性好等特点。

本发明提出的导线绝缘故障检测方法为：使用多级移位寄存器生成m(Maximal Length)序列；用m序列调制正弦波；向被测导线的一端发送已调m序列作为故障检测信号；经过一段时间后，反射信号到达导线的发送端，与检测信号相互叠加，形成接收信号；在发送端采样该接收信号；计算接收信号和检测信号的互相关函数；根据互相关函数波形上尖峰的位置和幅值判断导线故障的位置和严重程度。

该方法还包括：

所述调制为BPSK(Binary Phase Shift Keying)调制；和

所述正弦波的频率与m序列的码速率相同；和

采用CPLD(Complex Programmable Logic Device)芯片计算互相关函数；和

由于接收信号是无限长的，因此在CPLD芯片中计算互相关函数时，需要将其截取一定长度，该长度由芯片存储容量和被测导线总长决定，通常为2～3个序列周期。

根据上述方法，本发明设计了基于扩频反射的导线绝缘故障检测装置，其特征在于，包括：时钟电路，滤波电路，m序列生成电路，BPSK调制和发射电路，采样电路，CPLD芯片和显示设备，其中：

时钟电路用于产生频率较高的时钟信号；

滤波电路用于过滤时钟信号的高次谐波，得到正弦基波，并将其送入BPSK调制和发射电路中；

m序列生成电路在时钟信号的作用下，生成对应码速率下的m序列；

BPSK调制和发射电路使用m序列调制正弦基波，得到检测信号，发送至被测导线中；

采样电路用于采集被测导线上的接收信号，将其转换为数字形式后送入CPLD中；

CPLD芯片用于计算接收信号和检测信号的互相关函数，并将结果输出至显示设备；

显示设备用于显示互相关函数波形，通过该波形便可以发现并分析故障。

与现有技术相比较，本发明的优点和创新之处在于：

(1)m序列作为PN(Pseudorandom Noise)序列的一种，具有优良的二值自相关特性。将其经过BPSK调制后，自相关波形的主瓣更窄，能更有效地抑制噪声并提高测距精度。本发明把经过调制的m序列作为导线的故障检测信号，将本可能湮没于噪声下的细微故障信息突出显示出来，有利于发现细微的绝缘故障。

(2)有效抑制噪声的另一个优点在于，本发明可以把检测信号的幅值设定得很低，低至噪声水平而不影响有效检测。因此，可用本发明实时监测导线的工作状况，而不会干扰相连设备的正常工作。这样做基于两个原因：某些间歇性故障(如电弧、瞬间短路等)仅在导线工作时发生；某些绝缘故障在导线在未工作时仅有轻微的阻抗不匹配，较难被发现，而在工作时故障特征很明显，易于被检测到。

(3)本发明通过测定互相关函数波形峰值的位置来定位故障，而不是传统方法中通过测定反射波的起始点，因而本发明故障定位更为方便、受噪声干扰更少、误差更小。

附图说明

图1是本发明方法及装置的原理示意图；

图2是一个已调制的m序列及其自相关函数的曲线图；

图3是本发明方法及装置检测导线绝缘故障实施例的互相关函数曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图1，有源或无源晶振组成的时钟电路1产生高频时钟信号，发送至m序列生成电路2和滤波电路3中。时钟频率越高，故障定位精度越高，但需要考虑硬件成本、电磁兼容性以及芯片工作性能，一般选择几十至上百兆赫兹。

滤波电路3用于过滤时钟信号的高次谐波，得到正弦基波，主要部件是一个中心频率与时钟电路1的频率一致的带通滤波器(如SAW(Surface AcousticWave)滤波器)。时钟信号通过该电路后，高频谐波部分被滤除，余下正弦基波。

在时钟电路1的作用下，m序列生成电路2产生对应码速率的m序列。该电路由多级线性反馈移位寄存器构成。在时钟信号的作用下，移位寄存器不断移位，并将输出通过一定的函数关系反馈给输入，产生码速率和周期固定的m序列。移位寄存器的级数决定m序列的周期及整个装置的噪声抑制能力，级数越高，周期越长，抗干扰性越好，但同时需要计算互相关函数的CPLD芯片7具有更高的运算和存储能力，通常选择7至10级。反馈函数由m序列本原多项式决定。

生成的m序列与滤波电路3输出的正弦基波一起，被送入BPSK调制和发射电路4中。该电路的核心器件为一个四象限模拟乘法器，通过实时计算输入的m序列与正弦基波的乘积，得到已调m序列。

一个典型的已调m序列如图2(a)所示，它正负幅值相等，周期性重复。一个周期内正负移位的自相关函数波形如图2(b)所示，它也具有周期性，且与m序列的周期相同。波形的主瓣很窄，幅值较高，函数在序列移位为零时取得极大值，移位为其它值时处于小幅振荡状态，旁瓣的幅值与序列的周期有关，周期越长，幅值越小，已调m序列的这一自相关特性，使得它能准确定位故障并有效抑制噪声。

将具有上述特性的已调m序列直接加给被测导线5的一端。根据传输线理论，检测信号在导线中传播，遇到绝缘故障等特征阻抗不连续处，会发生波的反射和透射。每个故障处的反射信号均与检测信号的波形类似，只是经过了时间的移位和幅值的缩放，故障距离检测信号发送端越远，移位越长；故障越严重，特征阻抗变化越剧烈，幅值越高。此外，反射信号还会在其它故障处发生多次反射，但幅值逐渐衰减。

经过一段时间后，经过多次反射并叠加有检测信号的接收信号在导线的发送端被采样电路6采样，转化为数字形式后，送入CPLD芯片7中。

CPLD芯片7用于计算接收信号和检测信号的互相关函数。根据其存储容量和被测导线总长从采样电路6中截取2～3个周期的接收信号参与互相关运算。一个周期的检测信号预先存储在CPLD中，运算前需先对其补零至与接收信号长度相等，再将补零后的检测信号循环移位，移位步长为1，移位次数与接收信号的长度相同，然后计算每个移位后的检测信号与接收信号的内积，即得到该移位下的互相关函数值。在进行内积中的乘法运算时，使用移位相加乘法器较为节省硬件资源，其实现步骤为：对于n位的乘数和被乘数，定义最低位至最高位为第0至第n-1位；从乘数的第0位开始判断，若为1，将被乘数左移0位，若为0，则不予处理，依次判断至最高位；将所有移位后的被乘数相加，即得到相乘结果。计算出互相关函数值后，将结果传送至显示设备8中。

显示设备8用来显示不同移位下的互相关函数波形，互相关函数也具有周期性，且与m序列的周期一致。由于检测信号包含在接收信号中，根据图2(b)，互相关函数的波形在移位为零时会有一个较高的尖峰；此外，当移位值取为相当于检测信号从发送端到故障点来回的时间时，波形上会另有一个尖峰，尖峰的位置指示故障与发送端的距离，幅值反映故障的严重程度，并且由于多次反射，该尖峰会在一个互相关函数的周期内多次出现并逐渐衰减。因此，通过观察互相关函数波形，便能得知导线的故障信息。

当利用本装置检测导线绝缘故障时，按图1连接好设备，由BPSK调制和发射电路4向被测导线5直接发送检测信号，被测导线5可以处在断电或工作状态。当检测正在工作导线的绝缘故障时，需预先在导线上设置一个端口，并在该端口与BPSK调制和发射电路4及采样电路6之间增加信号隔离电路；或者在设计时，直接将某些关键导线与本装置连接在一起，实时监测这些导线的工作状况。

若导线存在绝缘故障，导致特征阻抗发生变化，则会在显示设备8上显示类似于图3的互相关函数曲线图。由于反射信号到达发送端需要一定的时间，在此时间内与检测信号相互叠加的电压为零，故曲线图的前段有小幅的震荡。图3包含了两个周期的互相关函数，第一个周期的波形有震荡，因此对第二个周期的波形进行分析，即尖峰1之后的部分。根据之前的分析，互相关函数在移位为零时会出现较高的尖峰，此即尖峰1；尖峰3在一个周期内多次出现并逐渐衰减(尖峰4、5)，说明它对应导线的故障处；尖峰2对应导线的末端。通过测量尖峰1和尖峰3的移位值，再乘以单个移位对应的时间延迟，即可得知检测信号从发送端到故障处来回的时间，最后根据电磁波在导线中的传播速度，便可定位故障；尖峰3的幅值反映了对应处故障的严重程度，幅值越高，故障越严重。

Claims (7)

1.一种基于扩频反射的导线绝缘故障检测方法，其特征在于：使用多级移位寄存器生成m序列；用m序列调制正弦波；所述调制为BPSK调制，正弦波的频率与m序列的码速率相同；向被测导线的一端发送已调m序列作为故障检测信号；在发送端采样接收信号；计算接收信号和检测信号的互相关函数；根据互相关函数波形上尖峰的位置和幅值判断导线故障的位置和严重程度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用CPLD芯片计算接收信号和检测信号的互相关函数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在CPLD芯片中计算互相关函数时，需要将接收信号截取一定长度，该长度由芯片存储容量和被测导线总长决定，为2～3个序列周期。

4.一种基于扩频反射的导线绝缘故障检测装置，用于实时判定绝缘故障的准确位置和严重程度，其特征在于，包括：时钟电路，滤波电路，m序列生成电路，BPSK调制和发射电路，采样电路，CPLD芯片和显示设备，其中：

时钟电路用于产生频率几十至上百兆赫兹的时钟信号；

滤波电路用于过滤时钟信号的高次谐波，得到正弦基波，并将其送入BPSK调制和发射电路中；

m序列生成电路在时钟信号的作用下，生成对应码速率下的m序列；

BPSK调制和发射电路使用m序列调制正弦基波，得到已调m序列，作为故障检测信号发射至被测导线中；

采样电路用于采集被测导线上的接收信号，将其转换为数字形式后送入CPLD中；

CPLD芯片用于计算接收信号和检测信号的互相关函数，并将结果输出至显示设备；

显示设备用于显示互相关函数波形，通过该波形便可以发现并分析故障。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述m序列生成电路由多级线性反馈移位寄存器构成，在时钟信号的作用下，移位寄存器不断移位，并将输出通过由m序列本原多项式所确定的函数关系反馈给输入，产生码速率和周期固定的m序列。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，该装置在使用时直接连接至被测导线的一端上，向导线发送故障检测信号并接收其反射回的信号。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述BPSK调制和发射电路由四象限模拟乘法器构成。

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