低壓電纜故障檢測系統

劉 楊，朱兆優

（東華理工大學，江西 撫州 344000）

隨著工業化進程的發展，電纜越來越廣泛地應用于電力、通信、交通等國民經濟的諸多行業。同時，由于很難測定斷點的準確位置，一些機械或腐蝕的原因引起電纜中金屬導線的斷裂，給電纜的修復工作帶來了很大的困難。如何準確，迅速，精確地查找電纜故障，并加以排除，迅速恢復供電，減少停電時間，降低因停電造成的損失，便成了供電部門日益關注的問題。

1 系統總體功能設計

低壓電纜故障檢測系統的工作原理如圖1所示。波形發生器產生一系列脈沖波，當波形發生電路發出第一個脈沖波時，單片機AT89C51開始啟動定時計數（這里采用機器周期作時基計數脈沖）。脈沖波發出后在電纜中傳播，遇到高阻的斷點、終端點或短路點就會發生反射波脈沖。單片機接收反射波脈沖，使之在接收到第一個反射的脈沖波時，觸發單片機停止計數。最后讀出定時計數器的值，就可計算出故障點的位置。

圖1 低壓電纜故障檢測系統的工作原理圖

假定此時單片機AT89C51定時計數器記錄下的脈沖波數為N，那么從發射到接收到反射的脈沖波所用的時間t=（2N+1）T，其中T為單片機機器周期。脈沖波在電纜中的傳播速度值的計算公式為：

式中：V是脈沖波在電纜中的傳播速度；L是電纜中的斷點與脈沖送入端的距離。

通過運算就可測出電纜中斷點的準確位置。需要指出的是，在測量中，選擇合適的脈沖波周期，可以使測量誤差減小。通過實驗得出1000 m以上長度的此電纜，建議使用2 μs，傳播速度采用20 m/μs。脈沖波的寬度值為2 μs，為高頻信號，不易受外界信號干擾，可直接將脈沖波送入電纜中。其它情況下，需要選擇的參數按實踐經驗分析，而且與電纜的材料和結構有關。

2 硬件電路設計

本系統電路包含單片機、脈沖發生電路、脈沖接收電路、數碼管顯示電路、鍵盤等幾部分組成，如圖2所示，在啟動發射電路的同時啟動單片機內部的定時器，利用定時器的計數功能記錄脈沖發射的時間和收到反射波的時間差。當收到脈沖反射波時，接收電路輸出端產生一個負跳變，在外部中斷輸入端產生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離，并顯示出來，然后繼續下一次的測量。鍵盤用來改變脈沖的周期。

圖2 低壓電纜故障檢測系統硬件電路方框圖

圖3 脈沖發送及接收電路圖

2.1 脈沖發送及接收

脈沖發送及接收電路圖如圖3所示。脈沖信號由AT89C51單片機產生。D/A轉化電路主要由D/A轉換芯片DAC0832和運算放大器F032組成。該電路采用DAC0832的直通連接方式，AT89C51的數據線與DAC0832的數字端相連。D/A轉換電路采用雙極性輸出，即經兩個運算放大器F032輸出。由于單片機接收和輸出的只能是數字量，所以在實際的低壓電纜故障檢測系統中，通過單片機擴展D/A轉換器實現模擬脈沖輸出。DAC0832輸出是電流型的，而在此設計中需要的是脈沖輸出信號，還需要外接運算放大器進行轉換。在本設計中應用兩片F032芯片以代替雙運放來構成雙極性輸出。

由波的反射性質可知：脈沖波反射回到發射點時，波形與原發射點波形反相。所以，反射的脈沖需要經過4093施密特觸發器反相，整形后，輸入由運算放大器的負反饋電路組成的限幅穩壓電路，以防止脈沖在傳輸中幅值有所增大，造成接口芯片損壞。經過限幅穩壓后的脈沖就可直接輸入AT89C51的INT0端，觸發AT89C51產生外部中斷，單片機進入中斷后停止計數，并對數值進行處理。由于脈沖經故障電纜反射后信號很微弱，為毫安級，如果直接送給AT89C51檢測不到，所以還需要經過適當放大。

2.2 鍵盤及顯示電路

為實現該系統對各種不同場合的不同結構電纜的斷點測定，需改變脈沖波的周期值和傳播速度。為此，在AT89C51的P1口擴展一個鍵盤電路，用來改變脈沖波的周期。由于不同電纜的電阻率不同，脈沖波在電纜中的傳播速度也就不同，要測出故障點到測試端的距離，必須知道脈沖波在電纜中的傳播速度。本系統鍵盤采用P1口接成4×4行列式鍵盤，其中設計了 10 個數字鍵（0～9）、2 個功能鍵（a、b 鍵），a 為確定鍵，b為刪除鍵，用來設定脈沖周期的數值。其余的按鍵待以后擴展功能時使用。為節約成本，顯示電路采用4位數碼管顯示。

3 軟件設計

3.1 軟件設計思想

本系統是一個利用脈沖反射原理制作的單片機為主的低壓電纜故障檢測系統，軟件采用C語言編程。主要包括以下過程：

（1）開機自檢，四位數碼管依次顯示0～9，然后熄滅。

（2）由定時/計數器T1方式1產生脈沖從P0輸出，后經DAC0832數模轉換成模擬信號。

（3）采用P3.4口接收脈沖計數，到P3.2接收到反射脈沖時停止計數。

（4）使用掃描法采集4×4矩陣鍵盤以輸入數值，為提高可靠性，程序中加入去抖。

（5）根據本系統的功能，主程序主要完成：初始化系統，調用鍵盤掃描子函數，調用脈沖發生子函數，計數并運算，結果送顯示，如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3.2 數據處理

根據原理我們知道，L=V×（2N+1）T/2。要程序實現公式，首先要確定各個量的大概范圍。L為四位顯示，可知 20

為了使測量相對準確點，我們把脈沖長度限定為：4～150。

L V N T 0～10000 uint 20常量<65535 uint 4～150常量

5 結語

本文設計的這種用低壓脈沖反射法測定電纜斷點位置的系統，能對低壓電纜接地、短路、斷線三類故障進行檢測，可較準確地測定斷點位置，可大大提高電纜的使用壽命和有效利用率，具有較廣闊的應用前景。該裝置系統一旦應用于生產實踐，可有效解決電纜斷點測定的難題，將有力推動相關行業的快速發展。

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