基于混沌時域反射技術的絕緣材料老化測試系統設計

中圖分類號：TQ325;TM21 文獻標志碼：A

文章編號：1001-5922（2025）07-0106-04

Abstract：In view of the open circuit and short circuit faults that occur in the processof cable use afected by the aging of insulating materials，it is necessary to carryout systematic tests for the aging ofcable insulating materials， and take targeted countermeasures in time to ensure the safe and eficient operation of cables.Due to the problems of low sensitivityand poor noise immunityof traditional Time Domain Reflectance（TDR）in detectingcable insulation agingand minorfaults in complex industrial environments，a cable fault test system based on Chaotic Time Domain Reflectance （CTDR）was proposed.By using the wide spectrum characteristics and strong anti-interference abilityof chaoticsignals，combined with the improvedcrosscorrelation algorithmand adaptive threshold analysis technology，the identificationaccuracyof weak reflectedsignalscanbefullyimproved，and thequantitativeevaluation of cable insulation aging degree and the precise positioning offault points can be realized，soas to provide a high-reliability solution for the monitoring of power cable health status.

Key words：chaotic time-domain reflections；cables；faults；test system；design

電纜作為電力傳輸與信息交互的核心載體，極易在長時間運行下出現絕緣老化問題，嚴重威脅電網安全。在電纜絕緣材料老化故障測試中，傳統時域反射法受限于脈沖信號帶寬，在復雜拓撲電纜網絡中的檢測分辨率普遍低于 1m ，難以滿足現代電力系統精細化運維需求[1]。為突破這些限制，實現電纜故障高精度定位與實時監測，相關學者嘗試將寬帶微波混沌信號應用于電纜故障檢測的新領域。如王洋針對傳統光纖檢測技術中動態范圍與空間分辨率相互制約的難題，創新性地開發了一種基于混沌光調制的時域反射檢測系統，其通過構建相位隨機化的類噪聲混沌源，結合實時調制策略驅動半導體激光器，成功生成了具有寬頻譜特性的混沌探測光脈沖，有效規避了傳統線性調頻方法中的信噪比衰減問題，為長距離光纖網絡的精準故障定位提供了新途徑[2]。

為解決電力電纜絕緣缺陷精準檢測難題，范亞洲在其研究中提出融合混沌反射與信號處理的檢測方法，即通過變分模態分解與自適應小波包技術實現噪聲分離，結合閾值篩選完成信號凈化，然后利用混沌時域反射技術分離參考/探測信號，通過分析反射信號相關峰的時間延遲與幅值特性，實現電纜絕緣缺陷的亞米級定位（±0.3m）與類型識別[3]。本研究基于相關學者研究成果，創新性地開發了一種基于混沌光調制的時域反射檢測系統，期望利用其探測精度高、功能齊全、體積小、便攜、方便使用、長期穩定運行等優點有效克服傳統方法的短板，為精確監控電纜健康狀況和及時排查潛在問題提供強有力支持。

1混沌時域反射技術

混沌信號的波動無序而復雜，擁有諸如噪聲相似性、廣泛的頻率覆蓋以及尖銳的8函數相關峰等獨特屬性。利用簡約且易于操控的非線性混沌電路，可生產出1＼～2GHz的高帶寬混沌信號，且造價不高。一種以Colpitts振蕩器生成的混沌信號為基礎，用以探查電纜障礙的新式檢測手段已走出實驗室，且得到了大量實踐驗證。本研究設計了一種新型電纜故障檢測裝置，采用布爾混沌電路產生非周期性寬帶探測信號，通過雙通道同步處理技術，將混沌源輸出分離為參考信號與注入電纜的檢測信號，利用時延相關算法解析反射波特征，實現在0＼～5km“毫米級”故障精準定位。當探測信號進入待測試電纜后，在遭遇斷電、短路或阻抗不匹配等故障時，信號會反彈。回波與參考信號經互相關處理，峰值所對應的時間表征了信號來回路徑的總耗時，再結合電纜中信號的傳播速率，可精確判斷故障點，通過反射波峰值的極性來斷定故障類別。

2微波混沌信號產生方式

在混沌時域反射技術的應用實踐中，混沌信號源選擇準確性會直接關系到測試結果的準確性和可靠性。理想的混沌信源需滿足寬頻帶覆蓋、強抗噪特性及尖銳自相關峰3項核心指標，以保障故障定位的靈敏度與抗環境干擾能力。在實際工況應用中，混沌信號的產生手段主要分為光、電雙路徑：光域方案依托非線性光學效應，通過光纖環形腔耦合激光器構建動態熵源，可輸出\"GHz級”超寬帶混沌載波；電域方案則包含基于現場可編程門陣列（FPGA）的數字化偽隨機序列重構與模擬電路自激振蕩2類，后者利用非線性元件（如蔡氏二極管）產生連續混沌波形。對于數字混沌信號，可基于混沌動力學系統的理論方程進行映射，并利用可編程邏輯器件實施。模擬混沌信號的生成則依賴于三極管、電容等元件和電感、電阻的非線性行為，同時結合自動控制理念來設計和實現[3]

2.1 蔡氏電路

蔡氏電路主要由一個雙端口RCL網絡組成，其是用一個線性電感、電容，以及另一個線性電容并聯，旁邊再串聯一個線性電阻和一個特殊的非線性元件構件，是混沌電路研究中的典型三階系統，為混沌理論的研究提供了寶貴的物理模型。

在工程實踐中，為實現更高頻帶混沌信號獲取，需適度優化非線性電阻頻率響應，利用集成運算放大器來替換傳統的非線性電阻，從而將信號頻率從數千赫茲提升至數10萬Hz；另一種方案是利用隧道二極管獨有的負阻特征，進一步將頻率推進到“兆赫茲”級別。在追尋更高頻混沌信號的道路上，蔡氏混沌電路的相關實驗已經在美國海軍實驗室取得了突破，實現了高達 150MHz 的頻率輸出[4]。盡管頻率層次得以提高，但電路穩定工作的問題依舊是一個技術難題，阻礙了實驗成果到實際運用的轉化。

2.2 Colpitts混沌電路

Colpitts混沌電路因其廣泛的頻帶覆蓋，成為當下流行的混沌電路之一。其非線性造型選擇了高頻三極管作為核心構件，遠超傳統集成運放。系統基于無源器件網絡構建高頻振蕩模塊，采用電容分壓式三點式拓撲結構。Colpitts電路通過雙電容反饋路徑與共基極三極管形成相位補償機制，其工C諧振網絡由電感與并聯電容組構成，可在3～30MHz頻段內產生具有優異頻譜純度的自激振蕩信號，為三極管供給必要的直流偏壓，在調整發射極工作電壓的過程中可將電路推向多樣的振蕩狀態[5]

2.3布爾混沌電路

美國杜克大學Cavalcante等開創性地利用數字邏輯器件構建了布爾型混沌發生裝置，其核心架構基于三節點時滯反饋網絡，其中2個節點通過異或門（XOR）形成非線性交互，第3節點則采用異或邏輯的非運算組合（XNOR）構成閉環回路，其拓撲結構見圖 ¹ （a）;通過邏輯門電路的級聯與反饋路徑設計，在硬件層面實現了確定性混沌動力學行為，這種操作需要將異或門和非門（NOT）連接起來完成。6個時延參數分別為12r、21r、22r、13r、31r和33r，其分別代指節點間信號的傳播時間，以及各自的反饋延遲，最終形成了一個復雜的自律混沌網絡。

混沌電路的非線性輸出和布爾網絡的時延特性合力促成了混沌狀態的出現。圖1（b）時序波形呈現偽隨機序列特征，動態范圍達±3V；圖1（c）功率譜展現寬頻特性（0＼～50MHz），譜線平坦度優于±2dB，具備類白噪聲統計特性，在帶寬下降10dB條件下，其能夠達到1.3GHz[6]

3布爾混沌電路設計

采用 yjv22-3×300 電纜開展研究，利用Ansys軟件對電纜缺陷進行仿真模擬。建立電纜缺陷模型時，需考慮金屬尖刺缺陷、氣隙缺陷、絕緣層受潮缺陷等3種常見典型缺陷[7]。采用三節點動態耦合架構，通過非線性邏輯運算單元生成可控混沌序列，利用各網絡節點相互作用反饋機制形成電路拓撲結構內用邏輯門，并通過擴展邏輯電路或調節邏輯門的工作電壓來微調時間延遲，具體如圖2所示。具體來說，節點1、2配置異或邏輯單元（XOR）形成非線性反饋，節點3集成XOR與反相器（NOT）構成復合邏輯模塊，以實現更復合的邏輯功能。

通過調整節點間的時延和反饋路徑的延時，布爾網絡能夠從有序的周期狀態過渡到無序的混沌狀態，主要根源于電路的非線性特性，而實際電路中相關非線性特性則主要源于邏輯門中的低通濾波屬性，即由電容元件引入的效應。

4混沌時域反射儀系統設計

4.1 系統硬件總體設計

4.1.1信號參考與探測通道設計

在硬件系統設計領域，布爾電路生成的混沌信號被一分為二，分別供給探測和參考通道。探測通道獲得的信號用于捕捉故障數據，而參考通道的信號則作為比對基準，探測信號一方面流向信號采集端；另一方面直達被測試電纜。若電纜出現問題，信號會反射回來，形成回波，帶著故障的具體信息回到采集端[8]。

4.1.2電源模塊設計

當電流通過電路板時，生成混沌信號的基本前提是穩定的電壓，當電壓達到1.885V時，混沌狀態即刻穩固成型。鑒于混沌信號對起始條件高度敏感，維護準確電壓對于信號穩定性的維持起了決定性的作用，一旦電路板的電壓錨定于2.85V，輸出的布爾混沌信號穩定性達到最優[9]

在控制電路電壓穩定問題上，XL4015芯片展現其獨特優勢，主要體現在線性調整和負載變化適應性上，即使在電流負載變動時，也能保持輸出電壓的穩定。

這款芯片還擁有一個寬廣的可調輸出電壓區間，可以從1.25V調整到32V。同時，該芯片還集成了完備的安全保護措施，包括短路、過流和過溫，以保障電路的安全穩健運行[10]。在封裝形式上，XL4015以其TO263-5L標準型號，憑借小巧的體積、高度集成化的設計以及簡潔的外圍電路需求，在市場上占有一席之地。

4.1.3 信號采集模塊設計

信號采集模塊的主要職能是執行參考信號與回波信號的收集任務，并通過USB接口將數據傳輸給上位機進行后續處理。

（1）ADC模塊。模擬數碼轉換器（ADC）是電子技術中基礎而關鍵的設備，通過采樣、保持、量化與編碼等步驟將連續變化的模擬信號轉化為數字電路所能理解和處理的數字信號。其核心架構依據轉換策略可分為高速并行型（如FlashADC）、高精度過采樣型（∑-△型）及均衡型（SAR型）3大類別，其中逐次逼近型（SAR）憑借功耗與精度的平衡特性占據主流地位[11]

由于高帶寬布爾混沌信號對高速率采樣需求較高，因此，速率極快的并聯比較型ADC便成為最佳選擇。NationalSemiconductor公司ADCo82OO型號以其低功耗及8位垂直分辨率頗為出名，受到青睞。其流水線式結構支持20-200MS/s采樣率，超頻模式可達250MS/s臨界值。該器件在1.8V低電壓供電下實現1.5LSB的積分非線性誤差，內置自校準電路有效抑制溫度漂移。其 LVDS 輸出接口兼容主流FPGA開發板，結合QFN-32封裝的熱阻優化特性，可構建多通道同步采集系統，滿足寬帶混沌信號實時捕獲與相位同步處理的技術要求;芯片的另一大亮點是內置了采樣保持電路，大幅減少了對外部電路設計的需求。在實操層面，采樣頻率通常是信號最高頻率的5至10倍來設置，但高速ADC的成本不菲[12]。為實現成本和性能之間的平衡，采取分相多路技術進行采樣時鐘精準移相，以避免信號重疊并提高采樣率。

（2）前端模擬信號調理模塊。在模擬信號被模數轉換為數字信號前，首先要穿越例如增益或衰減電路、偏置電路、濾波電路等多重前置處理階段，旨在調整信號至最佳狀態，確保之后能夠精確地契合模數轉換器（ADC）的輸入要求，進而提升整個系統的測量準確度[13]。接著，通過FPGA生成的控制信號來操縱開關，選擇合適的交流或直流檔位及調節增益或衰減值，以適應不同信號的特性。由于工作環境中充斥著眾多的電磁干擾以及電路元件自身產生的噪聲，一旦直接放任這些干擾信號，就會與有用信號混雜并放大，最終對采集系統的準確度造成負面影響。因此，在信號調理環節引入了噪聲濾波器，利用其低通濾波器特性移除高頻的冗余分量。在決定低通濾波器的截止頻率時，需兼顧ADC的最大采樣率，如設定濾波器的頻率閾值為100MHz，既能有效剔除不必要的干擾，又保證滿足高速采樣的需求，從而為整個采集系統提供可靠支持[14]

（3）高速數據采集控制器。隨技術發展獲得革新，尤其是超大規模集成電路工藝的快速發展，高速數據采集控制設備的內部集成度獲得顯著提升，能在單芯片上集成高達數以千萬計的現場可編程門陣列（FPGA）。因其編程上的靈活性、開發周期的縮短、編程的可重復性以及快速的運算處理速度等顯著優勢，已被廣泛應用于醫療、通訊、數據采集等多個前沿科技領域。

本系統以FPGA為核心控制器，搭載低抖動鎖相環電路實現精密時鐘管理，通過50MHz溫補晶振輸入，經5倍頻生成250MHz主時鐘后，采用四相分頻技術產生0°90°180°270°相移采樣時鐘組，相位偏差控制在±5ps。FPGA同步執行通道切換、ADC陣列驅動、DDR3數據緩沖及PCIe3.0協議通信，其動態重配置功能允許在線調整采樣策略，滿足不同工況下的實時信號捕獲需求[15]

（4）高速數據緩存。在高速數據采集領域，瞬時會聚積出浩如煙海的數據量。假若這些數據直接被傳遞至上位機處理，不免會造成輸入/輸出端口資源的過度占用，并由此拖慢作業流程的高效運轉。再者，上位機的主存取數據之速并不迅捷，加之資源占用的問題，更顯得處理速度緩慢。

針對數據采集的高速特性與主存的相對緩慢創建了一條明顯的鴻溝，為了平衡這一矛盾點，數據緩存器便成了一種行之有效的中介設施，它將暫時存儲這些數據，直至通信端口將信息穩妥轉交給上位機。在選用的緩存器類型中，靜態隨機存儲器（SRAM）和動態隨機存儲器（SDRAM）應用最為廣泛。SDRAM作為一種動態存儲器，依賴于周期性的刷新電路來保持數據，其優勢在于能夠以較少的晶體管數量實現更大的存儲容量，因而相對較小的體積能夠存儲同樣規模的數據；反之，SRAM無需定時刷新，數據存儲穩定，在加電狀態下即可保持信息。然而，要想達到與SDRAM相當的存儲容量，SRAM需要消耗更多的晶體管，就不可避免地導致芯片尺寸的增加；在讀取速度方面，SRAM遠快于SDRAM。由于本項目旨在實現高速數據的實時采集，對速度和實時性的要求極高，故選用了GSITechnology生產的GS816036BGT-150型號的SRAM，完全符合快速捕捉和暫存大容量數據的需求。

4.2 系統軟件設計

上位機軟件的功能范圍覆蓋了系統硬件的掌控、數據的搜集與處理以及測量成果的展示等重要任務。該系統所搭載的軟件開發工具選擇了Visu-alBasic6.0企業版（以下簡稱VB）作為其編程基石。

構建于Windows環境之上的VB以BASIC語言為根基，經過不斷演化升華，已演成一種高效的面向對象的編程語言。VB以其語法的精煉、易于上手的特性，以及高效的開發流程著稱，自1991年微軟發布VisualBasic1.0首個版本，一直到1998年的6.0版本，經歷了一系列升級改進，現已成為Windows環境下備受歡迎的軟件開發利器，已贏得了開發者廣泛支持與喜愛。相對于傳統順序執行和過程導向的編程軟件，VB引入了易于理解且操作上更加簡潔的面向對象以及事件驅動的編程范式，意味著開發者可以專注于事件本身（如鼠標點擊、光標移動）的相應處理編程，而不需要糾結于這些事件發生的具體順序，大幅減少了編程復雜性，提升了開發效率。

5 結語

本文致力于闡述自主研發的電纜故障測試儀器整體的系統架構，透徹解讀了其硬件布局、軟件構成及關鍵算法的設計細節，并進一步使用這一原型機開展了線纜故障的離線以及在線測試工作，依據所得測試成果對該系統整體性能進行了深入分析，測試成績揭示了測試儀器能夠高效識別電力傳輸系統中線纜的濕電弧故障。

【參考文獻】

[1] 胡超強，黃應敏，鄒科敏，等.智能電纜故障系統定位技術及電網新材料應用的研究[J].粘接，2019，40（11） ：174-177.

[2] 王洋．基于寬帶布爾混沌的光纖故障特性檢測［D].太原：太原理工大學，2021.

[3] 范亞洲.基于混沌時域反射技術的電力電纜絕緣缺陷檢測方法[J].機械與電子，2024，42（3）：50-53.

[4] 方輾鵬.中性點接地10kV線路故障查找方法研究[J].機電信息，2023，（16）：25-27.

[5] 王晨懿，基于混沌相關法的高空間分辨率拉曼分布式光纖傳感技術研究[D]．太原：太原理工大學，2023.

[6] 魏仲謀，豆河偉，黃雄，等.基于 App 技術的電纜故障測試平臺故障診斷方法［J].微型電腦應用，2023，39（4） ：84-86.

[7] 楊廷志，楊志航，鄧家洪，等.基于粒子群優化算法的電纜中間頭故障智能識別仿真研究［J].粘接，2024，51（1） ：137-140.

[8] 岳建靈.重復式電纜地層測試器常見故障處理方法分析[J].石化技術，2023，30（3）：147-149

[9] 周新新.毫米級空間分辨率混沌拉曼光時域反射技術研究[D].太原：太原理工大學，2022.

[10] 杜立偉，許志紅.基于電弧故障測試系統的電纜碳化路徑分析與判別[J.電力自動化設備，2022，42（12） ：217-224.

[11] 吳雙雙，柏文琦，楊宇祥，等.電纜故障測試方法綜述[J].電線電纜，2022（1）：1-5.

[12] 楊玉新，李盛，邢耀敏，等.基于高頻局放檢測的電纜絕緣診斷系統設計研究［J].電力學報，2020，35（3）：246-254.

[13] 尹志貴，陳懷，唐強，等.電纜振蕩波局部放電測試系統檢測技術的應用分析[J].湖南電力，2020，40（2）：50-53.

[14] 王誠成，肖楚琬，孫晶，等.航空線路故障檢測與定位系統設計[J].飛機設計，2020，40（1）：55-58.

[15] 王克勤.電纜故障的在線檢測系統設計[J].現代信息科技，2021，5（23）：64-68.