檢測電纜故障點(diǎn)的電磁傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要 電磁傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理用于檢測電磁信號(hào)的。在精確檢測電纜故障點(diǎn)時(shí)，根據(jù)故障點(diǎn)產(chǎn)生的磁場變化，電磁傳感器拾取到這種變化的磁場信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓經(jīng)放大、整流處理后，用于后續(xù)檢測指示電路，最后確定故障點(diǎn)的位置。

目前電力系統(tǒng)中，電能傳送主要通過導(dǎo)線完成，導(dǎo)線主要有架空線和電纜兩種。同架空線相比，電力電纜具有送電可靠、受環(huán)境污染小、無需占用地上面積，從而保障了人身安全、提高了輸電線路的輸送能量等。但地下電纜一旦發(fā)生故障排查成為難題，如果處理不及時(shí)造成停電會(huì)浪費(fèi)大量的人力物力。為了避免此類情況發(fā)生，找到一種快速、準(zhǔn)確的電纜故障定位方法是本文研究重點(diǎn)。

在進(jìn)行電纜故障測距時(shí)，無論采用哪種儀器或測量方法，由于電纜多埋設(shè)在地表下，所以在丈量和繪制電纜線路圖時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差，因此根據(jù)測距結(jié)果只能確定電纜故障的大體位置。為了減少開挖工作量，測距之后，需在地面上進(jìn)行精確定點(diǎn)工作。而精確定點(diǎn)方法中應(yīng)用較多的有聲磁同步法和音頻感應(yīng)法，兩者對于電纜的大部分故障都能檢測到，而檢測故障點(diǎn)過程中關(guān)鍵是拾取電磁信號(hào)的電磁傳感器，本文就此傳感器進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。

1 原理

無論使用音頻感應(yīng)法還是聲磁同步法進(jìn)行電纜故障點(diǎn)定位，都要讓電纜故障點(diǎn)產(chǎn)生變化的磁場。利用電感感應(yīng)磁場信號(hào)，經(jīng)兩級(jí)運(yùn)放后整流輸出，輸出信號(hào)接入到指示電路上，隨著磁場強(qiáng)度的增強(qiáng)指示燈點(diǎn)亮的個(gè)數(shù)越多。原理框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電感的選取

電感是閉合回路的一種屬性，即當(dāng)通過閉合回路的電流改變時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)勢以抵抗電流的改變。這種電感稱為自感，是閉合回路自身的屬性。電感是衡量線圈產(chǎn)生電磁感應(yīng)能力的物理量。當(dāng)線圈通入的磁感線越多，線圈感應(yīng)出的電壓越大。一般集成模塊電路應(yīng)用色碼電感和工字電感，色碼電感的線圈比工字電感細(xì)，是一種高頻電感線圈，多應(yīng)用在信號(hào)電路，而工字電感則多應(yīng)用在功率回路中?；诖宋闹械碾姶艂鞲衅鬟x取色碼電感。

色碼電感又名色環(huán)電感，是利用自感作用的一種元件，是具有固定電感量的電感器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中①是磁芯;②是漆包銅線;③是連接電路的引腳;④是環(huán)氧樹脂涂覆層;⑤色碼標(biāo)志。它是在磁芯上繞上一些漆包線后再用環(huán)氧樹脂或塑料封裝而成。其工作頻率為10 kHz～200 MHz，電感量一般在0.1～3 300μH之間。

2.2 放大電路設(shè)計(jì)

三極管的基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)反向連結(jié)的PN結(jié)面，如圖3所示，可有PNP和NPN兩種組合。3個(gè)接出端點(diǎn)依序稱為發(fā)射極(Emitter，E)、基極(Base，B)和集電極(Collector，C)。

從圖4可知通過設(shè)置不同的R5、R4(R6、R7)阻值，可以得到不同的放大倍數(shù)，靜態(tài)工作點(diǎn)Q也會(huì)不同，將直接導(dǎo)致三極管工作在哪個(gè)工作區(qū)域，這里將Q1管設(shè)置在放大區(qū)。在兩級(jí)放大中間加一個(gè)滑動(dòng)變阻器，隨著阻值的變化，將直接影響下一個(gè)三極管Q2的工作狀態(tài)即飽和還是放大，將其阻值設(shè)置到最大即10 kΩ，并用仿真示波器觀測波形如圖5所示。

將A通道接到信號(hào)輸入端，B接到Q1的輸出端，C接到Q2的輸出端，D接到整流后的輸出端，從圖中可以看出滑動(dòng)變阻器的阻值為0時(shí)，Q2工作在飽和區(qū)域。

滑動(dòng)變阻器是用于調(diào)節(jié)兩級(jí)放大后輸出電壓值的峰值大小如表1所示。

2.3 整流電路

二極管(Diode)，是一種具有單向傳導(dǎo)電流的電子器件。在半導(dǎo)體二極管內(nèi)部有一個(gè)PN結(jié)兩個(gè)引線端子，這種電子器件按照外加電壓的方向，具備單向電流的轉(zhuǎn)導(dǎo)性。

2.4 指示電路

由以上介紹可知當(dāng)電感感應(yīng)到的磁場越強(qiáng)，輸出電壓Vo就越大，Vo進(jìn)入指示電路后點(diǎn)亮燈的個(gè)數(shù)就越多。當(dāng)越接近電纜的故障點(diǎn)時(shí)感應(yīng)到的磁場強(qiáng)度就越強(qiáng)即點(diǎn)亮所有的燈。

3 脈沖磁場波形的識(shí)別

3.1 基于聲磁同步故障檢測電磁波形

聲磁同步法：故障點(diǎn)放電時(shí)，除了產(chǎn)生放電聲外，還會(huì)產(chǎn)生高頻電磁波向地面?zhèn)鞑?。通過同時(shí)接收電磁波和聲波的方法來判斷當(dāng)前的聲波是否由故障點(diǎn)放電引起的方法稱為聲磁同步法。

當(dāng)電纜發(fā)生故障時(shí)，向電纜施加沖擊高壓信號(hào)，使故障點(diǎn)放電時(shí)，會(huì)在電纜的外皮與大地形成的回路中感應(yīng)出環(huán)流，這一環(huán)流在電纜周圍產(chǎn)生脈沖磁場。電纜故障點(diǎn)放電產(chǎn)生的脈沖磁場一般是一個(gè)衰減的余弦信號(hào)，信號(hào)的周期與電纜的長度、電纜周圍的介質(zhì)等因素有關(guān)，持續(xù)的時(shí)間長度大約是電纜上高壓信號(hào)存在的時(shí)間，下圖給出了故障點(diǎn)放電產(chǎn)生的脈沖磁場信號(hào)。

3.2 基于音頻感應(yīng)故障檢測電磁波形

音頻感應(yīng)法：當(dāng)電纜發(fā)生故障時(shí)，向電纜輸入1 kHz的音頻電流，其周圍將產(chǎn)生一個(gè)同樣頻率的交變磁場，在地面上用探頭沿著被測電纜方向接收電磁場信號(hào)，并將之送入放大器，再將信號(hào)送入耳機(jī)或儀表，故障點(diǎn)聲音會(huì)明顯增強(qiáng)。

圖10是給電纜施加1 kHz音頻電流，以及在故障點(diǎn)檢測到的電磁波。

4 測量結(jié)果

由于磁場具有方向性，當(dāng)傳感器所處的位置不同時(shí)，檢測到的磁場信號(hào)強(qiáng)度也不同。將傳感器在距故障點(diǎn)0.5 m處沿電纜放置，然后在水平面上順時(shí)針旋轉(zhuǎn)傳感器，檢測結(jié)果如表2所示。

由表1所示傳感器與電纜夾角0°時(shí)穿過電感的磁力線最多，因此檢測的感應(yīng)電壓也最大，而180°時(shí)穿過電感的磁力線最少，因此感應(yīng)的電壓最小。同時(shí)也測試了傳感器在原位置而垂直水平面向上放置時(shí)感應(yīng)電壓為80 mV，向下時(shí)為120 mV，由此可以看出傳感器放置位置和故障電纜夾角為零度時(shí)，穿過電感的磁力線最多，檢測的感應(yīng)電壓也最大。

由于線圈的匝數(shù)越多，電感值越大，電感越大磁感應(yīng)能力越強(qiáng)。改變色碼電感值的大小則檢測結(jié)果如表3所示。

表3中的點(diǎn)亮燈個(gè)數(shù)0.5表示處于半點(diǎn)亮狀態(tài)，而且從此表可以看出電感值越大檢測的距離越遠(yuǎn)。檢測距離為±5 m，即在10 m范圍內(nèi)確定故障點(diǎn)的位置，在2 m范圍內(nèi)使用4.7 mH的電感值就可以找到故障點(diǎn)準(zhǔn)確位置。

5 結(jié)束語

此電磁傳感器不僅可應(yīng)用于電纜故障點(diǎn)定位儀，而且可應(yīng)用于電纜的識(shí)別。隨著科技的不斷進(jìn)步以及電纜故障探測方法的不斷提高，新的電纜故障檢測方法不斷地涌現(xiàn)，將會(huì)有更多的檢測設(shè)備出現(xiàn)。