陳長(zhǎng)浩，王 安

(西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，西安 710129)

一種便攜式信號(hào)電纜接地故障檢測(cè)儀

陳長(zhǎng)浩，王 安

(西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，西安 710129)

鐵路信號(hào)室里信號(hào)線的數(shù)量眾多，如何準(zhǔn)確定位芯線接地故障的位置是個(gè)亟待解決的問(wèn)題；文章針對(duì)故障芯線阻容網(wǎng)絡(luò)的接地模型，提出了單頻幅相法的故障定位方法，即用故障芯線各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的幅相信息來(lái)確定故障點(diǎn)的位置，并且為了解決單頻幅相法操作上的局限性，提出了基于折合相位差的雙頻幅相法定位原理；介紹了一種以TMS320C5509A數(shù)字信號(hào)處理芯片為數(shù)據(jù)處理和控制核心的便攜式信號(hào)電纜接地故障檢測(cè)儀，給出了該系統(tǒng)的工作原理及硬件、軟件實(shí)現(xiàn)方案；經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，實(shí)驗(yàn)室條件下用信號(hào)發(fā)射裝置和信號(hào)接收裝置對(duì)模擬故障電纜進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)能夠定位1 MΩ接地電阻故障；該儀器達(dá)到了一定的精度，能較好地適用于工程現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試。

信號(hào)電纜故障測(cè)試；DSP; 鐵路信號(hào)；接地故障

0 引言

近年來(lái)高速鐵路和動(dòng)車的快速發(fā)展對(duì)鐵路控制系統(tǒng)的可靠性和安全性提出了越來(lái)越嚴(yán)格的要求[1]。研究如何快速準(zhǔn)確定位鐵路信號(hào)電纜故障點(diǎn)具有很好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義[2]。目前，故障定位方法多是從電力電纜上移植過(guò)來(lái)的，沒(méi)有考慮鐵路信號(hào)電纜自身的特殊性，不能準(zhǔn)確的定位故障。本文在研究高阻接地故障電纜形成的阻容網(wǎng)絡(luò)模型特性的基礎(chǔ)上，提出了基于雙頻信號(hào)折算相位差的定位方法。該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是在測(cè)量信號(hào)的相位時(shí)，不用從過(guò)零點(diǎn)的位置開(kāi)始，測(cè)量精度高，操作上方便快捷；二是以相位差的極性突變作為故障位置的判斷依據(jù)，能夠定位高阻接地故障。

這些年國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)了多種電纜故障測(cè)試系統(tǒng)，而其中多由PC機(jī)配以數(shù)據(jù)采集卡，且輔以定點(diǎn)儀、路徑儀等產(chǎn)品。因此價(jià)格昂貴、攜帶不便、處理速度慢等缺點(diǎn)嚴(yán)重地影響實(shí)際應(yīng)用。于是開(kāi)發(fā)了一種性能優(yōu)越、價(jià)格低廉、適用于信號(hào)室內(nèi)作業(yè)的便攜式儀器，用于取代原有的信號(hào)電纜接地故障檢測(cè)設(shè)備[4]。該系統(tǒng)以高速、低功耗DSP芯片TMS320C5509A為核心器件[5]，提高查找信號(hào)電纜接地故障的效率與可靠性。

1 信號(hào)電纜接地故障的定位原理

1.1 鐵路信號(hào)電纜高阻接地故障的模型

根據(jù)《鐵路信號(hào)設(shè)備電氣特性測(cè)試方法》的規(guī)定：直流電源對(duì)地漏電流不大于1 mA，交流電源對(duì)地漏電流不大于20 mA，對(duì)信號(hào)機(jī)、軌道電路送電端電纜進(jìn)行全程測(cè)量時(shí)，對(duì)地電阻不低于1 MΩ[6]，否則認(rèn)定電纜有損傷。

根據(jù)《電纜線路維修與維護(hù)》的規(guī)定：外界溫度為20 ℃時(shí)，綜合扭絞型電纜任一芯線對(duì)連接到大地的其他芯線之間的電容不大于0.1 μF/km (本文測(cè)試此類)。故障芯線與大地之間形成阻容網(wǎng)絡(luò)接地模型。 Rx為故障處的接地電阻，取值為10 kΩ～1 MΩ；電容C1、C2、C3、C4的值表示兩端點(diǎn)之前芯線的長(zhǎng)度，若為0.01 μF則表示100 m的芯線長(zhǎng)度，故障芯線的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，模型中分布電容值越大。如圖1所示。

圖1 故障芯線的阻容網(wǎng)絡(luò)模型

1.2 單頻幅相法原理

圖2 單頻幅相法原理圖

通過(guò)信號(hào)發(fā)射器往阻容網(wǎng)絡(luò)模型中注入單頻正弦交流信號(hào)，如圖2(a)所示，依次檢測(cè)芯線各點(diǎn)處的電流值，A、B、D點(diǎn)電流的幅值由(2)(3)式可得，沿著芯線的方向，電流的幅值依次減小，和圖2(b)中顯示電流幅值的趨勢(shì)一致；三點(diǎn)的相位由公式(4)(5)(6)可得，從A點(diǎn)到B點(diǎn)依次減小，越過(guò)故障點(diǎn)之后，D點(diǎn)電流的相位反向突變?yōu)?0°。單頻幅相法定位原理：沿著芯線的方向，前后兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)所得信號(hào)相位差的極性在故障點(diǎn)前后發(fā)生突變作為判斷故障點(diǎn)位置的依據(jù)，由上述分析可知，故障點(diǎn)的位置在B、D之間，和圖2(a)中故障點(diǎn)的位置相符。

(1)

(2)

ID=U*ω*C2

(3)

φA=arctan(ωRx(C1+C2))

(4)

φB=arctan(ωRxC2)

(5)

φD=90°

(6)

1.3 單頻幅相法的局限性

使用單頻幅相法作為故障點(diǎn)的定位原理[3]，芯線上每一點(diǎn)電流必須從過(guò)零點(diǎn)開(kāi)始檢測(cè)，而且在檢測(cè)電流信號(hào)的同時(shí)，要同步的檢測(cè)該點(diǎn)的電壓信號(hào)，這在Matlab的仿真環(huán)境下很容易實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際操作中，從過(guò)零點(diǎn)開(kāi)始檢測(cè)不易實(shí)現(xiàn)，而且對(duì)每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，要同時(shí)檢測(cè)兩個(gè)信號(hào)，檢測(cè)任務(wù)量大?？紤]到方法研究的目的在于為故障定位設(shè)備的開(kāi)發(fā)奠定理論基礎(chǔ)，因而，必須進(jìn)一步優(yōu)化故障芯線的定位方法。

1.4 折算相位差的原理

當(dāng)發(fā)射器注入的是雙頻正弦信號(hào)，且這兩個(gè)信號(hào)的頻率之間有一定的倍頻關(guān)系，即f1=n*f2。設(shè)兩個(gè)信號(hào)折算相位差公式為：

(7)

注入信號(hào)為：

y=y1+y2=

A1sin(w1t+φ1)+A2sin(w2t+φ2)

(8)

則在t=t0時(shí)刻，信號(hào)y1的相位為：

φ1′=ω1t0+φ1

(9)

信號(hào)y2的相位為：

φ2′ =ω2t0+φ2

(10)

按折算相位差的公式可得Δφ′為：

(11)

如果φ1=φ2=0°，兩個(gè)信號(hào)如果注入到純阻性網(wǎng)絡(luò)中，Δφ始終為0；如果注入到故障芯線的阻容網(wǎng)絡(luò)模型中，Δφ取容性電流和阻性電流的比值，即故障前后的折算相位差分別由式(12)和式(13)可求得的。

(12)

(13)

由(12)式可知，當(dāng)Rx、w11、w2為定值時(shí)，Δφq是隨著電容支路的的減小而減小，即在故障點(diǎn)前，后一個(gè)測(cè)試點(diǎn)減去前一個(gè)測(cè)試點(diǎn)的折算相位差的值為負(fù)數(shù)；Δφh的值只與發(fā)射信號(hào)的倍頻有關(guān)，和其它參數(shù)無(wú)關(guān)，其值大于故障點(diǎn)前的任一測(cè)試點(diǎn)的折算相位差，且Δφh-Δφq的值為正數(shù)，前后兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)折合相位差的差值的極性發(fā)生了突變，以此來(lái)作為故障點(diǎn)位置判斷的依據(jù)，這即是折算相位差的定位原理。

由(11)式可知，折算相位差與t無(wú)關(guān)，即對(duì)電纜芯線上的點(diǎn)來(lái)說(shuō)，相位差的值由發(fā)射信號(hào)的初始相位和倍頻值決定，與檢測(cè)的時(shí)刻無(wú)關(guān)，而且不需要在檢測(cè)電流信號(hào)的同時(shí)，同步的檢測(cè)電壓信號(hào)，折算相位差定位法克服了單頻幅相定位法的局限性，為工業(yè)檢測(cè)設(shè)備的研發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以TI公司的低功耗數(shù)字處理芯片TMS320C5509A為核心器件[9]，并根據(jù)測(cè)試儀的功能需求，基于該 DSP 芯片進(jìn)行了相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)程序的編寫；完成小電流檢測(cè)的前置調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集等模塊的軟硬件調(diào)試，用C語(yǔ)言進(jìn)行FFT算法及頻譜校正的程序設(shè)計(jì)；完成外擴(kuò)EEPROM的燒寫程序，使得程序能在DSP上獨(dú)立運(yùn)行。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 接地故障檢測(cè)儀系統(tǒng)框圖

2.2 信號(hào)調(diào)理及數(shù)據(jù)采集

2.2.1 電流檢測(cè)

在線纜故障定位方案確定后，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的一個(gè)核心和難點(diǎn)就是如何將故障中的電流準(zhǔn)確檢測(cè)出來(lái)。首先需要確定故障中電流的大小，依此來(lái)選用電流傳感器。電流傳感器分為電流互感器和霍爾電流傳感器?；魻栯娏鱾鞲衅髦饕糜跍y(cè)量大電流的，當(dāng)線纜中電流太小霍爾電流傳感器檢測(cè)不到，并且霍爾電流傳感器卡鉗式比較少。而電流互感器，能測(cè)量較小電流，并且電流互感器卡鉗式比較多。

最終選擇ETCR030高精度鉗形漏電傳感器，分辨率1 μA/AC，適用于高精度的交流漏電流、高次諧波電流、相位、電能、功率、功率因數(shù)等檢測(cè)。鉗形設(shè)計(jì)，不必?cái)嚅_(kāi)被測(cè)線路。用雙層屏蔽技術(shù)，外界磁場(chǎng)的影響極小，確保了常年無(wú)間斷測(cè)量的高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性[7]。

2.2.2 采集電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換器是采集電路的核心器件，它把被采集到的模擬信號(hào)經(jīng)量化和編碼后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出?？紤]到差分輸入對(duì)輸入通路上的共模信號(hào)有抑制作用，為消除線路上可能存在的噪聲信號(hào)，在A/D選擇時(shí)，選用差分輸入方式。同時(shí)考慮到A/D與DSP的接口問(wèn)題，為方便連接，本設(shè)計(jì)采用的A/D芯片為TLC320AC02。

TLC320AC02是TI公司的一款單5 V電源供電、具有14位分辨率、最高采樣率可達(dá)43.2 kHz、內(nèi)含開(kāi)關(guān)電容式帶通抗混疊輸入濾波器和低通重構(gòu)輸出濾波器的模擬接口電路。其模擬輸入采用差分輸入方式，并同時(shí)帶有與DSP直接相連的同步串行數(shù)字接口，可與TMS320VC5509A無(wú)縫連接。TLC320AC02體積小，工作溫度范圍寬(-40～85 ℃)，功耗小(只有110 mW)，常用于便攜設(shè)備的采集電路，主要包括調(diào)制解調(diào)器、語(yǔ)音處理、工業(yè)過(guò)程控制、光譜分析、作為DSP的模擬接口電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及各種記錄儀等[8]。AD采集接口電路如圖4所示。

圖4 AD采集接口電路

2.3 人機(jī)接口部分

由于對(duì)故障電纜中電流的檢測(cè)，需要將相關(guān)參數(shù)顯示出來(lái)，同時(shí)，為了快速定位，可通過(guò)顯示“→”、“←”來(lái)指示故障點(diǎn)的位置，在此選用FYD12864液晶。在數(shù)據(jù)讀寫時(shí)，采用8位并行數(shù)據(jù)傳送，通過(guò)總線與TMS320VC5509A相連；而參數(shù)輸入、啟動(dòng)測(cè)試等，需要按鍵的輸入，設(shè)計(jì)采用按鍵芯片74C923，為去除按鍵抖動(dòng)，添加阻容濾波網(wǎng)絡(luò)，按鍵輸入采用中斷模式，提高CPU的使用效率。

2.4 外擴(kuò)EEPROM接口

由于TMS320VC5509A是RAM型器件，掉電后不能保存用戶信息，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要外擴(kuò)非易失性存儲(chǔ)器，將程序及重要信息保存在其中。而系統(tǒng)上電時(shí)，通過(guò)芯片內(nèi)置的引導(dǎo)程序，將外部存儲(chǔ)器中的程序引導(dǎo)至內(nèi)部的高速RAM中，然后執(zhí)行相關(guān)代碼，完成啟動(dòng)。在此設(shè)計(jì)中選用Atmel公司的AT25512作為外部存儲(chǔ)芯片，其有64KB的存儲(chǔ)空間，通過(guò)串行SPI總線與DSP相連。

TMS320VC5509A上電復(fù)位后，系統(tǒng)初始化，然后根據(jù)預(yù)先設(shè)置的自啟動(dòng)模式，通過(guò)固化在ROM中的bootloader程序進(jìn)行程序引導(dǎo)。

2.5 電源部分

TMS320VC5509A芯片需要3.3 V和1.8 V兩種電壓，其中3.3 V為I/O所需電壓，1.8 V為核供電電壓。另外由于電路中信號(hào)調(diào)理用到運(yùn)放以及數(shù)據(jù)采集中AD芯片的供電需求，系統(tǒng)還需要提供正負(fù)5 V電壓。為了設(shè)備便于攜帶及電池便于更換，選擇5節(jié)干電池供電，即電源供電為7.5 V左右，為了得到儀器芯片的工作電壓，需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，5 V電源由SPX1117M-5.0轉(zhuǎn)換得到。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)電纜故障定位，結(jié)合方案設(shè)計(jì)中定位儀的使用方法和硬件電路的需求，基于DSP的軟件程序[9]整體流程如圖5(a)所示；其中根據(jù)按鍵的功能不同，分為故障測(cè)試如圖5(b)、系統(tǒng)校正如圖5(c)。

圖5 電纜故障定位儀程序設(shè)計(jì)流程圖

系統(tǒng)的主要功能包括：系統(tǒng)校正、通過(guò)測(cè)試折合相位差判斷故障點(diǎn)。其中，系統(tǒng)校正功能，是為了消除電流轉(zhuǎn)電壓電路中濾波電容，以及數(shù)字濾波器對(duì)相位的影響，保證折合相位差的改變是由于鐵路信號(hào)電纜的故障引起的。

整個(gè)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，可分為顯示模塊、前置信號(hào)程控放大處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、濾波處理模塊、FFT變換模塊、折合相位差處理及故障判斷模塊。采用模塊化設(shè)計(jì)可以提高程序的可讀性和可靠性，將任務(wù)進(jìn)行分解，便于程序設(shè)計(jì)。首先將每個(gè)模塊的操作函數(shù)單獨(dú)放在一個(gè)頭文件中，然后在主函數(shù)中，如果需要用到某個(gè)相關(guān)的功能模塊，只需將該功能塊的頭文件包含在主函數(shù)中即可。

本設(shè)計(jì)包含的功能模塊頭函數(shù)如下：

include "my_Config.h"http://配置DSP相關(guān)頭文件

include "my_CD4051.h"http://多路開(kāi)關(guān)相關(guān)文件

include "my_filter.h"http://FIR濾波器相關(guān)頭文件

include "TLC320AC02.h"http://配置AD及數(shù)據(jù)采集

include "my_fft.h"http:// FFT變換相關(guān)頭文件

include "my_12864_DSP.h"http://顯示相關(guān)頭文件

include "my_interrupt.h"http://外部中斷配置頭文件。

其中，DSP配置相關(guān)文件主要分為四部分：

① 通過(guò)鎖相環(huán)的配置來(lái)設(shè)置CPU的時(shí)鐘；

② 通過(guò)外部存儲(chǔ)接口EMIF的配置來(lái)控制液晶的顯示等；③ 通過(guò)McBSP的配置來(lái)實(shí)現(xiàn)與AD和外擴(kuò)EEPROM的通信；

④ 通用GPIO的配置。

多路開(kāi)關(guān)模塊主要通過(guò)控制放大器的不同反饋電阻的接通，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的放大倍數(shù)，使得AD采集時(shí)，信號(hào)有合適的幅值，保證采集的數(shù)據(jù)有更高的準(zhǔn)確度。

濾波器模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行FIR數(shù)字濾波處理，濾除不需要的頻率成分，同時(shí)FIR濾波器產(chǎn)生相位誤差是線性的，便于校正處理。FIR濾波器通過(guò)Matlab設(shè)計(jì)得到。

液晶顯示模塊，通過(guò)對(duì)帶字庫(kù)的液晶進(jìn)行讀寫，使其顯示測(cè)試的相關(guān)信息。

中斷模塊主要實(shí)現(xiàn)中斷向量表的設(shè)置，清除中斷標(biāo)志，使能和打開(kāi)中斷，在中斷子函數(shù)中對(duì)按鍵標(biāo)志位進(jìn)行設(shè)置。

4 測(cè)試結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室搭建800 m故障芯線接地的物理模型，用電容的值表示芯線的長(zhǎng)度，接地電阻范圍取40 kΩ～1 MΩ，模型示意圖如6所示。

圖6 模擬故障電纜示意圖

整理數(shù)據(jù)于曲線的顯示和觀察，取接地電阻為40 kΩ、75kΩ、130 kΩ、200 kΩ、525 kΩ、763 kΩ、1 MΩ分別為故障一到故障七；而故障八是由故障七中測(cè)試點(diǎn)3和測(cè)試點(diǎn)4之間的電容替換為200 kΩ的電阻得到的，即該故障中存在兩處接地故障點(diǎn)；計(jì)算沿線各個(gè)測(cè)試點(diǎn)折合相位差的平均值，繪制曲線如圖7所示。

圖7 模擬故障電纜各個(gè)測(cè)試點(diǎn)相位差的變化

從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，故障點(diǎn)前后相位差突變值≥5°左右，利用相位差突變這一特征可以判斷出40 k～1 MΩ的接地故障點(diǎn)的位置在測(cè)試點(diǎn)6和7之間。同理，在故障八中，測(cè)試點(diǎn)3和測(cè)試點(diǎn)4之間，以及測(cè)試點(diǎn)6和測(cè)試點(diǎn)7之間都存在折算相位差的反向突變，因此，在故障八中，存在兩處接地故障點(diǎn)。在做定位芯線接地故障的實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)應(yīng)每一個(gè)接地電阻，記錄沿線各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的折合相位差的值，每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)量三次取相位差平均值，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 實(shí)測(cè)故障電纜相應(yīng)測(cè)試點(diǎn)的折合相位差

5 結(jié)論

便攜式信號(hào)電纜接地故障檢測(cè)儀采用高速、低功耗DSP芯片設(shè)計(jì)，通過(guò)判斷電纜中電流的折合相位差的變化，查找信號(hào)電纜接地故障的位置，達(dá)到1 MΩ接地故障的設(shè)計(jì)指標(biāo)，同時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證了幅相法定位接地故障可行性，可應(yīng)用于通信、鐵路等信號(hào)室內(nèi)各類電纜的測(cè)試。

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A Portable Signal Cable Fault Location Detector

Chen Changhao1,Wang An2

(Department of Automation,Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710129,China)

There are a lot of signal lines in the signal chamber, how to accurately locate the fault position is a problem to be solved. Aiming at grounding model of fault wire resistance-capacitance network, a single frequency amplitude-phase fault location method was proposed in this paper, that is to determine the position of the fault point according to amplitude-phase information in each test point of the fault component wire. And in response to the operational boundlessness of single frequency amplitude-phase method, dual frequency amplitude-phase location principle based on equivalent phase difference was proposed.A portable signal cable fault location detector is introduced. It has been designed in a compact size by using TMS320 C5509A. The system principle is embodied with hardware and software design. Through test in the laboratory as well as systematic joint debugging, test was conducted on simulated fault cable using sender unit and signal reception device. The result of the test shows that the test system is able to locate the fault of grounding 1 MΩ resistance.The error of fault location indicates that this instrument achieves satisfied precision and works well in engineering environment .

signal cable fault detect; DSP; railway signal; cable ground fault

2016-12-23；

2017-02-06。

陳長(zhǎng)浩(1990-)，男，陜西安康人，碩士研究生，主要從事鐵路信號(hào)電纜接地故障測(cè)量方法的研究。

王 安(1959-)男， 山東蓬萊人，副教授，主要從事計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)和智能儀器儀表方向的研究。

1671-4598(2017)07-0317-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.079

TM93;TP391

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