阅读说明：本技术 一种用于电缆中间接头定位的方波脉冲电源 (Square wave pulse power supply for positioning cable intermediate joint ) 是由 李柳霞 吴昊谦 林福昌 张钦 李化 刘毅 于 2020-03-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于电缆中间接头定位的方波脉冲电源,结合行波在电缆中传输衰减的实际情况,通过对继电器进行不同频率的快速开关,控制方波脉冲的输出,且使输出的方波脉冲具有陡峭的边沿,使接头处的反射波具有正负尖峰一对信号的明显特征,便于接头处反射波的识别。此外,该电源采用高压模块输出千伏级可调直流电压,通过提高输入脉冲幅值获得较高的信噪比,缓解了电缆长度较长时行波衰减严重的问题。将该电源用于电缆中间接头定位,采集电源输出的脉冲在电缆中间接头处反射的反射波,所得反射波的特征明显、信噪比高,能够准确获取接头处反射波到达采集点的时间,从而实现对电缆接头的准确定位。(The invention discloses a square wave pulse power supply for positioning a cable intermediate joint, which is characterized in that the output of square wave pulses is controlled by rapidly switching relays at different frequencies in combination with the actual condition of transmission attenuation of traveling waves in a cable, and the output square wave pulses have steep edges, so that reflected waves at the joint have the obvious characteristics of a pair of signals of positive and negative peaks, and the identification of the reflected waves at the joint is facilitated. In addition, the power supply adopts the high-voltage module to output kilovolt-level adjustable direct-current voltage, and a higher signal-to-noise ratio is obtained by improving the amplitude of the input pulse, so that the problem of serious traveling wave attenuation when the cable is longer is solved. The power supply is used for positioning the cable intermediate joint, reflected waves of pulses output by the power supply and reflected at the cable intermediate joint are collected, the obtained reflected waves are obvious in characteristics and high in signal-to-noise ratio, and the time of the reflected waves at the joint reaching a collection point can be accurately obtained, so that the cable joint is accurately positioned.)

一种用于电缆中间接头定位的方波脉冲电源

技术领域

本发明属于电力设备领域，更具体地，涉及一种用于电缆中间接头定位的方波脉冲电源。

背景技术

电缆通道相对于架空线路而言，供电可靠性高，受不可抗力等外部因素的影响少，目前越来越多的输配电工程选择电缆这种地下传输方式。随着电缆线路的普及，电缆路径的延长，中间接头的数量也就越来越多。电缆中间接头是电缆通道巡检的薄弱环节，在施工验收过程中，供电运行人员为了便于寻找接头位置，会在中间接头处安装警示桩。虽然此种方法能起到一定的定位作用，但是一旦发生不可抗力外界因素导致警示桩被人为破坏，只能靠人为的经验来查找中间接头的位置，这使得电缆中间接头定位难度大大增加。目前，通常采用行波法对电缆中间接头进行定位，将脉冲电源产生的脉冲输出到待测电缆后，通过采集反射波到达测量端的时间，结合行波波速，即可对电缆接头进行定位。由于行波在电缆中传输存在衰减和变形，随着行波行进距离增加，接头处反射波衰减和变形程度加剧，故其定位结果的准确性和可靠性往往依赖于脉冲电源产生的脉冲。因此，研究一种用于电缆中间接头定位的方波脉冲电源存在重要的意义。

现有脉冲电源主要采用电容微分电路和峰化电路实现。但是，由于微分电路和峰化电路利用集中参数元件搭建，形成的窄脉冲很不方整，且受开关参数限制，产生的脉冲上升沿较为平缓，上升时间长，且存在严重的拖尾，在电缆接头处反射波幅值较低，当电缆总长较长，中间接头数量较多时，该脉冲波形在后面几段接头处反射的反射波的信噪比较低，无法对中间接头准确定位。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种用于电缆中间接头定位的方波脉冲电源，用以解决现有方法由于现有的方波脉冲电源无法产生陡峭的方波边沿且脉冲幅值过低而导致电缆中间接头定位不准确的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提出了一种用于电缆中间接头定位的方波脉冲电源，包括：高压模块、高压电阻器、传输线、继电器控制模块和继电器；

高压模块的输出端经过高压电阻器分别与继电器控制模块和传输线的输入端相连，传输线的输出端与继电器的簧片相连，继电器控制模块的输出端与继电器的吸合线圈相连；

高压模块用于输出千伏级的可调直流电压，为继电器控制模块供电，并给传输线充电；

高压电阻器起限流作用，用于防止方波脉冲电源被损坏；

传输线为分布参数元件，用于储能，并产生脉冲；

继电器控制模块用于通过脉冲驱动继电器，使其快速的导通和开断，并控制继电器的开关频率；

继电器用于以不同频率进行开关，将传输线输出的脉冲转变为具有不同模式以及陡峭的上升沿和下降沿的方波脉冲，并输出到待测电缆中。

进一步优选地，上述方波脉冲上升沿的上升时间小于1ns，上升沿的下降时间小于2ns，且平顶平直。

进一步优选地，方波脉冲模式包括单次触发脉冲模式和重频触发脉冲模式。

进一步优选地，当继电器控制模块控制继电器进行一次导通和开断时，方波脉冲电源输出的方波脉冲的模式为单次触发脉冲模式；当继电器控制模块控制继电器以固定频率进行导通和开断时，方波脉冲电源输出的方波脉冲的模式为重频触发脉冲模式。

进一步优选地，当方波脉冲电源输出的方波脉冲的模式为重频触发脉冲模式时，输出的方波脉冲的时间间隔大于继电器从开断到导通的操作时间。

进一步优选地，继电器为高压干簧继电器。

进一步优选地，继电器控制模块包括串联的FPGA、逻辑芯片和驱动芯片；

FPGA用于通过操作其外部按键产生信号，控制其内部定时计数器工作，经过预设计数周期后，通过改变内部寄存器数值并将其赋值给外部引脚，产生输出电平翻转，输出LVTTL电平；

逻辑芯片用于将FPGA输出的LVTTL电平进行放大，输出TTL电平；

驱动芯片用于将逻辑芯片输出的TTL电平进行放大，驱动继电器，并控制继电器的开关频率。

进一步优选地，上述用于电缆中间接头定位的方波脉冲电源还包括：显示模块；

其中，高压模块的输出端经过高压电阻器与显示模块的输入端相连；此时，高压模块还用于为所述显示模块供电；

显示模块的输入端连接在高压电阻器与输电线之间，或者连接在继电器的输出端之后；

显示模块用于实时显示方波脉冲电源输出的脉冲电压幅值，并指示方波脉冲电源输出的方波脉冲的模式。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

1、本发明提供了一种用于电缆中间接头定位的方波脉冲电源，结合行波在电缆中传输衰减的实际情况，通过对继电器进行不同频率的快速开关，控制方波脉冲的输出，产生不同的模式且具有陡峭上升沿和下降沿的方波脉冲，并输出到待测电缆中，使接头处的反射波具有正负尖峰一对信号的明显特征，便于接头处反射波的识别。此外，该电源采用高压模块输出千伏级的可调直流电压为传输线充电，传输线储能后产生的脉冲幅值较高，经继电器后所得的方波脉冲的信噪比也较高，从而缓解了电缆长度较长时行波衰减严重、测试信噪比低的问题。将该电源用于电缆中间接头定位，采集电源输出的脉冲在电缆中间接头处的反射波，所得反射波的特征明显、信噪比高，能够准确获取接头处反射波到达采集点的时间，从而实现对电缆接头的准确定位。

2、本发明所提供的用于电缆中间接头定位的方波脉冲电源中的继电器为干簧继电器，干簧继电器动作迅速且接触电容小，在继电器控制直流电压的输出时，能够产生上升前沿小于1ns的脉冲；另外，其簧片恢复时间短，在继电器控制直流电压的输出时，能够产生具有陡峭的下降沿、无拖尾的脉冲，故采用干簧继电器能够使方波脉冲电源产生快脉冲，进而克服原有技术在行波法定位时因输入脉冲在电缆传输过程中衰减变形严重而导致信噪比过低的问题，使得测试波形满足电缆中间接头定位要求，定位的准确性较高。

3、本发明所提供的用于电缆中间接头定位的方波脉冲电源，结构简单且紧凑，内部器件装配考虑电磁兼容问题，不受外部复杂环境影响，耦合电感电容小，杂散参数较小。另外，高压模块通过高压电阻器给传输线充电，传输线为分布参数元件，为同轴结构，屏蔽性能好，抗干扰能力强，且回路等效阻抗低，能量损失少，脉冲源功率密度高，运用传输线原理产生的方波脉冲平顶平直，纹波系数小；且由于输出脉冲宽度严格受传输线长度控制，故确定传输线长度后，输出脉冲宽度固定，可保证单次触发和重频触发两种工作模式下输出的波形稳定，方波平顶平直，电源可靠。

4、本发明所提供的用于电缆中间接头定位的方波脉冲电源，可以根据实际需求将脉冲电源在单次触发模式以及重频触发模式之间进行切换，输出脉冲的幅值连续可调，方便工作人员根据实际待测电缆长度灵活调节幅值，增强了该方波脉冲电源的现场适应性，使得检测工作更加灵活。

5、将本发明所提供的方波脉冲电源用于电缆中间接头定位，可以很好的替代传统的如通过安装警示桩进行定位的方式，有效地避免因不可抗力将警示桩破坏而无法定位接头的问题，减轻了检修运行人员的工作压力。除此之外，基于行波法原理，本发明所提供的方波脉冲电源还可用于电缆电缆故障点的及时定位。

6、本发明所提供的用于电缆中间接头定位的方波脉冲电源，包括：高压模块、高压电阻器、传输线、继电器控制模块和继电器；利用传输线输出的方波脉冲具有功率密度高，体积小，结构简单的特点。且该方波脉冲电源携带方便，便于使用。

7、本发明所提供的用于电缆中间接头定位的方波脉冲电源，继电器动作迅速且整套电源装置回路杂散参数小，使得产生的脉冲边沿很陡峭。通过继电器控制模块能够实现重频触发，并且输出稳定的方波脉冲。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的一种用于电缆中间接头定位的方波脉冲电源结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的继电器控制模块控制继电器的原理图；

图3为本发明实施例2提供的采用本发明所提出的方波脉冲电源用于三接头四段电缆接头定位的试验布置图；

图4为本发明实施例2提供的采用本发明所提出的方波脉冲电源输出的方波脉冲波形图；

图5为本发明实施例2提供的采用本发明所提出的方波脉冲电源输出的方波脉冲波形图的上升沿和下降沿波形；其中，图(a)为采用本发明所提出的方波脉冲电源输出的方波脉冲波形图的上升沿波形；图(b)为采用本发明所提出的方波脉冲电源输出的方波脉冲波形图的下降沿波形；

图6为本发明实施例2提供的采用本发明所提出的脉冲电源用于一根三接头四段电缆接头定位时示波器采集的波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

由于上升较为平缓的输入脉冲在电缆接头处反射波幅值较低，当电缆总长较长，中间接头数量较多时，上升时间长的脉冲波形在后面几段接头反射波信噪比太低，将会造成中间接头定位失败，故需要尽可能输出快脉冲。为了实现上述目的，本发明所提供的一种用于电缆中间接头定位的方波脉冲电源，具体结合实施例进行详述：

实施例1、

一种用于电缆中间接头定位的方波脉冲电源，如图1所示，包括：高压模块、高压电阻器、传输线、继电器控制模块和继电器；其中，高压模块的输出端经过高压电阻器分别与继电器控制模块和传输线的输入端相连，传输线的输出端与继电器的簧片相连，继电器控制模块的输出端与继电器的吸合线圈相连；

高压模块用于输出千伏级的可调直流电压，为继电器控制模块供电，并给传输线充电；具体的，在定位电缆中间接头的过程中，由于当电缆长度较长时行波衰减变形严重，考虑输入脉冲波形为方波，具有较陡的上升沿和下降沿，并且需要适当提高输入脉冲幅值获得较高的信噪比，故本发明将高压模块输出的直流电压幅值设置为千伏级可调；并且通过外接旋钮可以对输出电压进行连续控制，然后通过传输线向待测电缆输出脉冲。本实施例中，方波脉冲电源输出的方波脉冲幅值为0～1000V可调。

高压电阻器起限流作用，用于保护元器件，防止方波脉冲电源被损坏；具体的，高压电阻器是适合在高电压、高电压冲击、高压高频环境下使用的电阻。其纯无感，杂散电容可忽略不计。

传输线为分布参数元件，用于储能，并产生脉冲；

继电器控制模块用于通过脉冲驱动继电器，使其快速的导通和开断，并控制继电器的开关频率；优选地，继电器控制模块包括串联的FPGA、逻辑芯片和驱动芯片；其中，FPGA用于通过操作其外部按键产生信号，控制其内部定时计数器工作，经过预设计数周期后，通过改变内部寄存器数值并将其赋值给外部引脚，产生输出电平翻转，输出LVTTL电平；逻辑芯片用于将FPGA输出的LVTTL电平进行放大，输出TTL电平；驱动芯片用于将逻辑芯片输出的TTL电平进行放大，从而驱动继电器。具体的，如图2所示，在继电器控制模块中，逻辑芯片为高速CMOS，驱动芯片为MOSFET驱动。通过操作外部按键产生信号，控制FPGA内部定时计数器工作，经过预先设置的计数周期后，通过改变内部寄存器数值并将其赋值给外部引脚，产生输出电平翻转，构成驱动信号。由于FPGA引脚输出电平为LVTTL，无法驱动继电器线圈吸合开关，故还应将FPGA输出信号通过外接芯片处理放大直至满足继电器吸合电压指标。考虑信号延迟以及芯片的负载驱动能力，选用高速CMOS器件先将LVTTL电平先转换为TTL电平。由于TTL电平仍无法满足继电器驱动要求，故再次利用MOSFET驱动器产生驱动信号使继电器动作。值得注意的是，由于干簧继电器的典型操作时间为1ms，故FPGA编程不应使计数周期过短，否则也无法触发继电器。

继电器用于以不同频率进行开关，将传输线输出的脉冲转变为具有不同模式以及陡峭的上升沿和下降沿的方波脉冲，并输出到待测电缆中，用于进行待测电缆中间接头的行波法定位；其中，所得方波脉冲上升沿的上升时间小于1ns，上升沿的下降时间小于2ns，且平顶平直。另外，考虑到行波在待测电缆中的衰减和变形，本发明所提供的方波脉冲电源的输出方波脉冲宽度不能过小，但是脉冲宽度过大又会造成采用行波法进行电缆中间接头定位时接头处的反射波与输入的方波脉冲重叠，从而引入测试盲区，使得电缆中间接头定位失败。考虑以上因素，本实施例中将方波脉冲电源输出的方波脉冲宽度设置为120ns。优选地，方波脉冲模式包括单次触发脉冲模式和重频触发脉冲模式。其中，当方波脉冲电源输出的方波脉冲的模式为重频触发脉冲模式时，输出的方波脉冲的时间间隔大于继电器从开断到导通的操作时间。进一步地，上述继电器的接触电容小，簧片的恢复时间短；本实施例中上述继电器为高压干簧继电器，具体可以为HVR1A12。具体的，干簧继电器动作迅速且接触电容小，在继电器控制直流电压的输出时，能够产生上升前沿小于1ns的脉冲；另外，其簧片恢复时间短，在继电器控制直流电压的输出时，能够产生具有陡峭的下降沿、无拖尾的脉冲，故采用干簧继电器能够使方波脉冲电源产生快脉冲，进而克服原有技术在行波法定位时因输入脉冲在电缆传输过程中衰减变形严重而导致信噪比过低的问题，使得测试波形满足电缆中间接头定位要求，定位的准确性较高；除此之外，利用干簧继电器可控制输出幅值为0～3kV的方波信号，其开关电压参数满足本发明例的要求。且干簧继电器可在温度范围-20℃～70℃内正常工作，能适应现场复杂多变的环境。

优选地，上述用于电缆中间接头定位的方波脉冲电源还包括：显示模块；其中，高压模块的输出端经过高压电阻器与显示模块的输入端相连；此时，高压模块还用于为所述显示模块供电；显示模块的输入端连接在高压电阻器与输电线之间，或者连接在继电器的输出端之后；显示模块用于实时显示方波脉冲电源输出的脉冲电压幅值，并指示方波脉冲电源输出的方波脉冲的模式。在本实施例中，如图1所示，显示模块的输入端连接在高压电阻器与输电线之间，此时，根据传输线原理，传输线输出方波脉冲幅值为传输线充电电压的1/2，故显示模块通过实时显示高压模块输出的直流电压幅值，进而实时显示方波脉冲电源输出的脉冲电压幅值，并指示方波脉冲电源输出的方波脉冲的模式。优选地，显示模块包括直流三位数显表头和发光二极管，其中，直流三位数显表头用于实时显示高压模块输出的直流电压的脉冲幅值，进而实时显示方波脉冲电源输出的脉冲电压幅值；发光二极管用于指示方波脉冲电源输出的方波脉冲为单次触发方波脉冲模式还是重频触发方波脉冲模式。

本发明所提供的一种用于电缆中间接头定位的方波脉冲电源，结合行波在电缆中传输衰减的实际情况，通过对继电器进行不同频率的快速开关，控制方波脉冲电源的输出，产生不同的模式且具有陡峭上升沿和下降沿的方波脉冲，使接头处的反射波具有正负尖峰一对信号的明显特征，便于接头处反射波的识别。此外，该电源采用高压模块输出千伏级的可调直流电压为传输线充电，传输线储能后产生的脉冲幅值较高，经继电器后所得的方波脉冲的信噪比也较高，从而缓解了电缆长度较长时行波衰减严重的问题。通过采集该脉冲电源在电缆中间接头处的反射波，获取接头处反射波到达采集点的时间，结合行波波速，进而对电缆接头进行较为准确的定位。使用该方波脉冲电源定位电缆的中间接头，可以很好的替代传统的中间接头定位的位置(安装警示桩)作为补充，有效地避免了因不可抗力将警示桩破坏而无法定位接头装置，减轻检修运行人员的工作压力。该电源体积小，携带方便，效率高等特点。

进一步地，在实际应用过程中，先用单次触发脉冲模式大致观测一下整条电缆的情况，再用重频触发脉冲模式，通过重频触发多次测量电缆接头的位置，从而实现更为准确的定位。可以根据实际需求将脉冲电源在单次触发模式以及重频触发模式之间进行切换；当继电器控制模块控制继电器进行一次导通和开断时，方波脉冲电源输出的方波脉冲的模式为单次触发脉冲模式；当继电器控制模块控制继电器以固定频率进行导通和开断时，方波脉冲电源输出的方波脉冲的模式为重频触发脉冲模式。且该方波脉冲电源输出的方波脉冲的幅值连续可调，方便工作人员根据实际待测电缆长度灵活调节幅值，使得检测工作更加灵活。另外，在该方波脉冲电源中，采用高压模块配合外接旋钮输出千伏级连续可调直流电压，并通过高压电阻器对传输线充电，传输线为分布参数元件，运用传输线原理产生的方波脉冲平顶平直，纹波系数小；且由于输出脉冲宽度严格受传输线长度控制，故确定传输线长度后，输出脉冲宽度固定，可保证单次触发和重频触发两种工作模式下输出的波形稳定，电源可靠。

为了进一步说明本发明所提出的方波脉冲电源在定位电缆中间接头所起的作用，下面结合实施例2进行详述：

实施例2、

一种采用本发明实施例1所述的方波脉冲电源定位电缆中间接头的方法，如图3所示，在采用实施例1中的方波脉冲电源进行电缆中间接头定位时，还需配合示波器等数据采集装置使用。本实施例搭建了一个四段电缆三段接头测试平台。四段电缆本体为波阻抗50Ω电缆，其长度分别为75m，55m，30m，44m，中间接头采用75Ω同轴线来模拟，且每段接头取其长度为0.4m。外接500MHz示波器通过300V，10MΩ，3.9pF探头采集反射波形。将方波脉冲电源产生的不同的模式且具有陡峭下降沿的方波脉冲输出到待测电缆中，由于电缆接头与电缆本体之间阻抗不连续，故输出脉冲在电缆中传输时遇到接头将会发生折反射，通过示波器采集该方波脉冲在待测电缆中间接头处反射波的到达时间，对电缆中间接头进行有效定位。在上述过程中，由于输入脉冲波形越陡，接头处反射波幅值越大，采集波形信噪比越高；且由于行波在传输过程中存在衰减变形，故针对接头数量多、总长度较长的电缆需要进一步提高输入脉冲幅值，以便进行准确定位。另外在设置该脉冲电源装置输出脉冲幅值时还需要考虑采集装置的耐压值，防止打坏反射波形采集装置。

具体的，实施例1所述的方波脉冲电源输出的方波脉冲波形如图4所示，其中，横坐标为时间，纵坐标为脉冲电压幅值。进一步地，实施例1所述的方波脉冲电源输出的方波脉冲波形的上升沿波形和下降沿波形分别如图5中的图(a)和图(b)所示，其中，横坐标为时间，纵坐标为脉冲电压幅值。从图4和图5可以看出，该方波脉冲波形的脉冲宽度为120ns，上升时间小于1ns，下降时间小于2ns，为快脉冲；并且该方波脉冲波形的上升阶段有过冲，下降阶段无拖尾，故能在电缆接头处获得幅值较高的反射波，有利于提高采集波形的信噪比。本实施例中示波器采集的方波脉冲在待测电缆中间接头处反射波的波形图如图6所示，其中，横坐标表示时间，纵坐标表示电压幅值，t₁，t₂，t₃分别为三段接头处的反射波到达示波器的时间。从图6中可以看出，接头处的反射波具有一对正负尖峰，且其距离为输入方波脉冲波形的脉冲宽度，故接头处反射波形具有明显的特征，易于准确识别。由于本实施例采用XLPE电缆，通过查表可知，行波在电缆中的波速v为200m/us，且由于本实施例中待测电缆较短，故调节输出脉冲幅值为280V。根据行波法计算三个中间接头的位置x₁，x₂，x₃分别为：从而实现对电缆中间接头的准确定位。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。