摘  要： 介紹一種基于脈沖測量法和閃絡法原理的商用高壓電纜故障測試儀的原理和硬件設計。利用雷達測試原理，向電纜發送一個低壓脈沖或高壓脈沖。當遇到特性阻抗不匹配的地方時，就會產生反射波，根據反射信號的波形確定故障的性質，通過測量波形特征點來定位故障點位置。系統以微控制器、CPLD為核心，由脈沖發送/接收、LCD顯示、高速ADC采樣等硬件電路模塊組成。
關鍵詞：電纜故障測試; 脈沖測量法; 閃絡法; 雷達法

    70年代初，著名雷達專家、中國科學院院士保錚教授根據雷達測試原理，提出了一種獨特的“閃絡法”技術方案，并設計制造出我國第一臺“埋地電力電纜故障測尋儀”，使尋找故障時間從原來的幾天(甚至半個月)縮短為幾個小時，從而使我國的電纜故障測試技術處于世界領先水平。
    過去，在“閃絡法”電纜故障測試原理出現以前，電橋法（電阻電橋法、電容電橋法、高壓電橋法）是一種經典測試方法。電橋法優點是簡單、方便、精確度高，但只適用于低阻故障，這種方法最大缺點是不適用于高阻與閃絡性故障，而電纜故障大部分屬于高阻與閃絡性故障。電橋法的另一缺點是需要知道電纜的準確長度等原始技術資料，當一條電纜線路內是由導體材料或截面不同的電纜組成時，還要進行換算，電橋法還不能測量三相短路或斷路故障[1,2]。
    本文設計的高壓電纜故障測試儀是以“脈沖測量法”和“閃絡法”技術為基礎，將發送脈沖、高速數據采集濾波、數據計算、數據和波形顯示、故障定位等集成于一個系統而開發的智能高壓電纜故障測試儀。
1 電纜故障測試原理
    電纜的故障一般分為低阻故障、高阻故障、閃絡性故障以及泄漏故障。脈沖測量法適用于低阻、接地及斷路故障的測試，還可用于測量電纜的長度，區分電纜的中間頭、B型接頭與終端頭等；閃絡法（雷達法）適用于高阻故障的測試，而電纜高阻故障幾乎占電纜故障的90%以上，閃絡法主要分為直流高壓閃絡法、沖擊高壓閃絡法、沖擊高壓終端閃測法、直流閃絡測量回路法等[1,2,4]。
1.1 脈沖測量法
　  脈沖測量法的工作原理：測試時向電纜故障相注入低壓發送脈沖，如果線路正常且終端負載阻抗等于線路的特性阻抗時,發送脈沖被負載吸收而無反射回波；當線路有故障時，由于故障點的阻抗不再是線路的特性阻抗而產生反射、其反射系數為:

1.2 閃絡法（雷達法）
    閃絡法的工作原理是：對電纜加上足夠高的電壓，電纜故障點就會發生介質擊穿現象。在擊穿的瞬間，故障點被放電電弧短路，在放電前后，產生電壓躍變。介質擊穿時，其電離過程需要一定的時間，而弧光放電一般要持續數百微秒到幾個毫秒，因此躍變電壓在放電期間就以波的形式在電纜故障點和電纜端頭之間來回反射，這時，在電纜端頭（始端或終端），把瞬時躍變電壓及來回反射波形記錄下來，便可知道波形來回反射的時間，再根據電波在電纜中的傳播速度，可以根據式（2）算出電纜故障點到測試端的距離。
2 主要技術性能指標
    (1) 采樣頻率：30 MHz。
    (2) 測試范圍：可以測試35 kV以下的各種銅芯及鋁芯的油浸紙電纜、聚氯乙烯電纜、交聯電纜、不滴流電纜及各種非標電纜。
    (3) 采樣方式：低壓脈沖方式、高壓電壓取樣法、高壓電流取樣法方式。
    (4) 可測試故障類型：高阻閃絡性故障、高阻泄漏性故障、短路故障、開路故障、低阻故障。
    (5) 測試距離：低壓脈沖法：測試距離≦16 km；高壓閃絡法：測試距離≦15 km。
    (6) 測試盲區：小于10 m。
    (7) 誤差：
    相對誤差：不大于±0.5%；
    絕對誤差：2 km以下長度電纜不超過2 m； 5 km以上長度電纜不超過5 m。
    (8) 內部脈沖有0.2 μs、2 μs，幅度大于200 V。
3 系統硬件設計
3.1 系統結構
    本系統數字部分主要為微控制器系統，CPLD邏輯單元，存儲單元等。模擬部分包括脈沖發生電路和接收電路。
　 采用微控制器（AT89C58）構成單片機系統。微控制器與CPLD、存儲單元、LCD、RS232通信接口、鍵盤KEY，高速ADC采樣電路構成整個控制系統。在CPLD邏輯單元中的主要工作為邏輯譯碼、地址發生器和脈沖控制，完成脈沖信號的發生、控制采樣。存儲單元由速度為12 ns的高速RAM(TC55B88P-12)構成,存放采樣波形數據，數據RAM(M5M51008BFP-55L)存放處理后的波形數據，由于RAM帶后備電池，存放的數據可以長期保存，也可以通過系統的RS-232C接口上傳到PC計算機保存、分析[3]。系統硬件結構如圖1。

3.2 主要外圍電路
3.2.1 高速ADC采樣電路
　 高速ADC用于對反射回波進行高速采樣，采樣數據存儲于采樣存儲器TC55B88P-12。
    采樣電路結構見圖2。由于ADC不是三態輸出，需要在ADC與存儲器之間加入高速緩沖器74HC245。采樣時，緩沖器的使能腳/OE, 為“0”，總線開通，ADC數據直接存進波形存儲器，CPLD總線保持為高阻態。測試完成后，緩沖器關閉，由CPLD對存儲器進行讀取操作。采樣結束后通知單片機讀取數據。

3.2.2 地址發生器、波形存儲器
    地址發生器，波形存儲器電路如圖3所示。30 MHz時鐘信號送往地址計數器的時鐘輸入端，以驅動地址計數器掃描高速波形存儲器的地址,地址計數器采用13 bit二進制同步計數器， 地址計數器輸出的13 bit地址數據與高速波形存儲器的地址輸入端相連，高速波形存儲器為ISSI61C64。每個波形點分辨率為8 bit，每個地址存放一個波形點的數據。當檢測掃描至最后一個波形地址時，停止位將地址計數器的預置數控制端置位，這樣在下一個時鐘到來時，地址計數器又從該波形的首地址尋址，讀取波形數據。控制信號中的同步位用于輸出外同步信號。波形存儲器輸出的波形數據由鎖存器74HC245鎖存后送往微控制器數據總線。電路中，13 bit同步二進制地址計數器、鎖存器由高速CPLD實現。
3.2.3 脈沖發生電路
    為減小測試盲區，發送脈沖寬度越窄越好，但脈沖越窄，反射回波的高次諧波也變的十分嚴重，對系統的濾波提出了更高的要求,本系統將脈沖寬度分成0.2 μs和2 μs兩檔，測量距離越遠，選用的脈沖越寬。
3.2.4 內部高壓產生電路
    系統采用LC升壓電路，見圖4。

    某煉油廠一條6 kV交聯聚乙烯電纜，用本儀器測試故障點424 m，波形特征明顯，經確定點后測試誤差沒有超過20 cm。
    經長期實際應用驗證，本文介紹的高壓電纜故障測試儀，具有體積小、成本低、靈敏度高、易于操作、抗干擾性高等優點。
參考文獻
[1] 張棟國．電力電纜故障分析和測試[M]． 西安：西北電訊工程學院出版社，1986．
[2] 張棟國．電纜故障分析與測試[M]． 北京：中國電力出版社，2005．
[3] 何立民．MCS-51系列單片機應用系統設計[M]．北京：北京航空航天大學出版社，1990．
[4] 朱啟林，李仁義，徐丙垠．電力電纜故障測試方法與案例分析[M]．北京：機械工業出版社，2008．