专利名称：：电缆故障测试系统及故障点的确定方法
技术领域：
：本发明属于测试
技术领域：
，涉及电缆故障测量，特别是电缆故障位置的定点方法。
背景技术：
：长期以来，为了寻求方便有效的电线电缆故障测距定位方法，广大科技工作者进行了不懈的努力，并提出了许多方法。例如西安电子科技大学自1971年1月生产出全国第一台DGC-711型埋地电缆故障测试仪，之后推出功能比较完善、性能稳定、结构紧凑的DGC-711系列电缆故障智能测试仪。上世纪九十年代推出了DGC-911系列电缆故障智能测试仪。2010年推出了DGC-2010多脉冲电缆故障智能测试仪。在原理上，电缆故障测距定位需经过粗测、寻径、定点三大步完成。故障点距离的粗测是由电缆闪测仪来实现，在故障电缆的一端测试出故障点的大概位置；路径信号源产生15KHZ信号供寻测电缆路径时用；定点仪用于故障点的精测，在故障点距离的粗测范围内沿着电缆走向可精确地探测出故障点的具体位置，从而实现故障定位。目前在电缆故障测试领域，不管国内还是国外性能优越的故障测试仪都是较好的解决了电缆故障测距定位中的粗测问题和路径寻找问题。目前的定点测量方法主要包括声测法和声磁同步测量法，这些方法定点时是要找出“最响点”在定点过程中根据听到的有规律放电声，确定故障点的大概位置，再沿电缆走向前后移动定点仪进行比较寻找到放电声音较大处，同时减小定点仪的输出音量，逐步集中搜寻到声音最大点，最后确定出故障点的位置。这种方法的主要缺点包括三个方面一是由于受到环境中电磁噪声和振动噪声的影响，使得定点仪的操作人员难以确定故障点的“最响点”；二是由于现场环境复杂，使得现场操作人员不能到达发生故障的区域，因此无法精确的确定故障点的位置；三是现有定点测量方法都需要现场操作人员用耳朵，通过听故障点放电声音的强弱来确定故障点的位置。
发明内容本发明的目的在于克服上述现有测量方法的缺点，提出一种电缆故障测试系统及故障点的精确定位方法，以在无需确定“最响点”的位置，无需现场操作人员用耳朵听故障放电声音的强弱，无需现场操作人员到达发生故障的区域的情况下，精确地确定出故障点的位置。为实现上述目的本发明的故障点确定方法，是通过在地面布置四个声波传感器，利用电磁波和声波到达系统的时间差和四个声波传感器的在水平面的坐标值，用四点计算公式精确地计算出故障点。具体实现步骤包括如下(1)通过电缆故障智能测试仪测得故障点的大概位置，在该位置附近的地面，以四边形的方式布置四个声波传感器(1，2，3，4)；(2)根据四个声波传感器的布局，构建求解故障点位置的计算公式式中x，y，z为故障点的空间坐标，Xi，yi为第i个(i=1,2,3,4)声波传感器的平面坐标，这些空间坐标、平面坐标都是以0为参考点，、为故障点的声波到各个声波传感器所需要的时间，ν为声波在介质中的传播速度；(3)根据四个声波传感器所分布的位置，预设定四个声波传感器的电缆长度，得出它们相对参考点的坐标值(X^yi)；(4)根据声波传感器接收的故障点声波信号强度，将信号经过低噪声放大器放大，送到A/D转换器；(5)AD转换器循环读入N次四路声波传感器的数据和一路电磁波接收器接收到的数据，N>10，再将每路的N次数据分别取平均值，获得5个数据值；(6)将步骤(5)得到的四路声波传感器的数据分别与一路电磁波接收器接收到的数据进行求差运算，得到时间值、；(7)将步骤(3)得到的四个声波传感器的坐标值(Xi，Yi)和步骤(6)得到的时间值、代入步骤(2)所述的故障点位置计算公式，计算出电缆故障点的坐标位置x，y，z。为实现上述目的本发明的电缆故障定点系统，包括输入按键，用于设置参数和执行测量；系统电源，用于为系统各模块工作供电；四路声波传感器，用于接收地下故障点放电的声波信号，把声波信号转换为电信号送到四路低噪声放大器中；四路低噪声放大器，用于将四路传感器传输的小信号放大到A/D转换器所需要的量程范围后送到A/D转换器；一路电磁波接收器，用于接收故障点放电瞬间的高频电磁波信号，并将该信号放大到0-5V后，送入A/D转换器；五路A/D转换器，用于把四路低噪声传来的声波模拟数据和一路电磁波接收器接收的电磁波数据，转换为数字数据；智能CPU，用于接收五路A/D转换器传输的数字数据，通过将四路声波传感器的数据分别与一路电磁波接收器接收到的数据进行求差运算，得到时间值ti;根据预设的四个声波传感器的电缆长度，求出四个传感器的坐标值(Xi，yi)，将求出的ti;(xi;Yi)通过如下故障定位计算公式，计算出故障点的精确位置，并将故障点的位置在LED屏中显示，式中X，y，ζ为故障点的空间坐标，Xi,Yi为第i个(i=1,2,3,4)声波传感器的平面坐标，这些空间坐标、平面坐标都是以0为参考点，、为故障点的声波到各个声波传感器所需要的时间，ν为声波在介质中的传播速度。本发明与现有技术相比具有的优点1)本发明由于构建了计算故障点位置的计算公式，并利用智能CPU使用该公式方便的计算出故障点的精确位置，避免了现场工作人员在故障点位置附近来回走动，通过人耳朵听故障点放电发出的声音的强弱来寻找故障点位置的麻烦，避免了当故障点在工作人员无法到达的区域就无法判断故障点位置的问题；2)本发明使用声波传感器获得故障点放电发出的声波信号，并将该声信号转换为电信号，用低噪声放大器对信号进行放大，使系统的抗噪声能力强；3)本发明对经过低噪声放大器放大后的数据进行统计平均计算，定点精度高；4)本发明在定点故障时，使用A/D转换器把模拟信号转换为数字信号，用数字方式进行定点运算，在处理数据时更加快速、准确。图1是本发明的系统结构框图；图2是本发明四个传感器的布局示意图；图3是本发明低噪声放大器原理框图；图4是本发明的测试流程图。具体实施例方式本发明是通过电缆故障智能测试仪测得故障点的大概位置后，在该位置附近的地面，以四边形的方式布置四个声波传感器，利用电磁波和声波到达系统的时间差和四个声波传感器的在水平面的坐标值，用故障点计算公式精确地计算出故障点位置。参照图1，本发明的测试系统主要由四路声波传感器、四路低噪声放大器、一路电磁波接收器、五路A/D转换器、智能CPU、输入按键、测量结果输出设备LED显示器和系统电源组成。其中在故障点的大概位置附近的地面，以四边形的方式布置四个声波传感器，如图2所示，声波传感器的带宽从100HZ到3KHZ；低噪声放大器主要由输入电阻RIN、偏置电阻R1、负反馈电阻Rf和低噪声集成运算放大器A组成，其带宽为0-1MHZ增益，Rf/Rl设定为100dB，如图3所示；A/D转换器为16BIT、最高转换速率为IMHZ的模数转换器；输入按键为系统的外设，是用于设置参数和执行测量；系统电源是为系统各模块工作供电；智能CPU使用的型号为C8051FXXX系列单片机，但不局限于该系列的单片机，并在CPU内部FLASH中写入了故障点测量和定点计算公式的全部程序。测量时，通过输入按键设置系统测试的初始状态，四路声波传感器接收故障点放电时发出的声波信号，并送入四路低噪声放大器中将该声波信号放大到0-5V的范围，输入给最高转换速率为IMHZ的A/D转换器；电磁波接收器接收故障点放电时发出的电磁波信号，并将该电磁波信号放大到0-5V的范围，也输入给最高转换速率为1MHZA/D转换器；该A/D转换器将这五路模拟信号转换为数字信号后送入智能CPU，智能CPU，将四路声波传感器的数据分别与一路电磁波接收器接收到的数据进行求差运算，得到时间值ti;根据预设的四个声波传感器的电缆长度，求出四个传感器的坐标值(Xi，yi)，将求出的ti;(xi;Yi)通过故障定位计算公式，计算出故障点的精确位置，并将故障点的位置在LED屏中显示。参照图4，本发明确定电缆故障点的方法，包括如下步骤步骤1用电缆故障智能测试仪测得故障点的大概位置，并以四边形的方式在该位置附近的地面布置四个声波传感器1，2，3和4。步骤2根据四个声波传感器所分布的位置，构建故障点位置的计算公式。(2a)根据四个声波传感器在地面的位置，以及空间两点间的距离公式，得出故障点与四个声波传感器间的距离如式(X-Xi)2+(Y-Yi)2+z2=Ri2G=1，2，3，4)1)式中x，y，ζ为故障点的空间坐标，Xi,Yi为第i个(i=1,2,3,4)声波传感器的平面坐标，这些空间坐标、平面坐标都是以0为参考点，RiG=1,2,3,4)为各个声波传感器测量点到故障点的距离，代=<一，、为故障点的声波到各个声波传感器所需要的时间，ν为声波在介质中的传播速度；(2b)将i=1，2，3，4代入式1)，组成一个由四个方程构成的方程组‘(X-X1)2+(广乃)2+=>2(/)Γ^(χ-χ,)2+(j；-y2)2+ζ2=Z22V2(II)、ν1}义2^Λ2，，2)}(χ-χ3)2+(γ-γ3)2+Ζ2=32ν2(ΙΠ)(χ-χ4)2+(γ-γ4)2+ζ2=,2ν\ν)(2c)将方程组2)中的方程⑴与方程(II)做差运算，将方程组2)中的方程(II)与方程(III)做差运算，将方程组2)中的方程(III)与方程(IV)做差运算，组成一个由三个方程构成的方程组‘-2(x,-x2)x+(X12-X22)-2(yi-y2)y+O12-少22)=O12-1\)v-2(x2-X3)x+(X22-X23)-2(γ2-γ3)γ+(y22-y2,)=(-1])v；3)-2(x3-x4)x+(x32-x42)-2(^3-y4)y+(y23-y])={ξ-1\)v(2d)将方程组3)写成矩阵的形式得出求参数X，y，ν2求解公式X-x22)+(y'-yl)-x2)2(凡-y2)(tl-^22)"y=(X22-x2s)+(y22χ2(X2-x3)2(y2Φ；4)y\(x32-x24)+(y2s-Λ2)2(X3-I4)2(y3-J4)劣-O(2e)由方程组2)中的方程得出参数ζ的求解公式Z=-(χ-χ,)2-(y-ytf(/=1,2,3,4)’5)式中:χ,y，ζ为故障点的空间坐标，Xi,Yi为第i个(i=1,2,3,4)声波传感器的平面坐标，这些空间坐标、平面坐标都是以0为参考点，、为故障点的声波到各个声波传感器所需要的时间，ν为声波在介质中的传播速度。步骤3根据四个声波传感器所分布的位置，预设定四个声波传感器的电缆长度，得出它们相对参考点的坐标值(Xi，yi)。步骤4根据四路声波传感器接收的故障点声波信号强度，将该声波信号经过低噪声放大器放大到A/D转换器的量程范围0-5V后，送入A/D转换器。步骤5通过一路电磁波接收器接收故障点发出的电磁波信号，并将该电磁波信号放大到A/D转换器的量程范围0-5V后，送到A/D转换器，A/D转换器循环读入N次四路声波传感器的数据和一路电磁波接收器接收到的数据，其中N>10，再将每路的N次数据分别取平均，获得5个数据值。步骤6将步骤5中的四路声波传感器的数据分别与一路电磁波接收器接收到的数据进行求差运算得到四个时间值、。步骤7将步骤3得到的四个声波传感器的坐标值(Xi，yi)和步骤6得到的时间值、代入步骤2所述的本发明的故障点位置计算公式，求出故障点的坐标位置(X，y，ζ)。权利要求一种电缆故障点的精确定位方法，包括如下步骤(1)通过电缆故障智能测试仪测得故障点的大概位置，在该位置附近的地面，以四边形的方式布置四个声波传感器(1，2，3，4)；(2)根据四个声波传感器的布局，构建求解故障点位置的计算公式<mrow><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mi>x</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>y</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><msup><mi>v</mi><mn>2</mn></msup></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>x</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>-</mo><msubsup><mi>x</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>y</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>-</mo><msubsup><mi>y</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>x</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>-</mo><msubsup><mi>x</mi><mn>3</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>y</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>-</mo><msubsup><mi>y</mi><mn>3</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi></mrow><mn>3</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>-</mo><msubsup><mi>x</mi><mn>4</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>)</mo><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>y</mi><mn>3</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>-</mo><msubsup><mi>y</mi><mn>4</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>&times;</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><mo>)</mo></mrow></mtd><mtd><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><msub><mi>y</mi><mn>1</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>y</mi><mn>2</mn></msub><mo>)</mo></mrow></mtd><mtd><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>-</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>x</mi><mn>3</mn></msub><mo>)</mo></mrow></mtd><mtd><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><msub><mi>y</mi><mn>2</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>y</mi><mn>3</mn></msub><mo>)</mo></mrow></mtd><mtd><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>-</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>3</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><msub><mi>x</mi><mn>3</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>x</mi><mn>4</mn></msub><mo>)</mo></mrow></mtd><mtd><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><msub><mi>y</mi><mn>3</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>y</mi><mn>4</mn></msub><mo>)</mo></mrow></mtd><mtd><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>3</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>-</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>4</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>,</mo></mrow><mrow><mi>z</mi><mo>=</mo><mo>&PlusMinus;</mo><msqrt><msubsup><mi>t</mi><mi>i</mi><mn>2</mn></msubsup><msup><mi>v</mi><mn>2</mn></msup><mo>-</mo><msup><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>-</mo><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>-</mo><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mrow><mi>y</mi><mo>-</mo><mi>y</mi></mrow><mi>i</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></msqrt><mo>,</mo></mrow>式中x，y，z为故障点的空间坐标，xi，yi为第i个(i＝1，2，3，4)声波传感器的平面坐标，这些空间坐标、平面坐标都是以0为参考点，ti为故障点的声波到各个声波传感器所需要的时间，v为声波在介质中的传播速度；(3)根据四个声波传感器所分布的位置，预设定四个声波传感器的电缆长度，得出它们相对参考点的坐标值(xi，yi)；(4)根据声波传感器接收的故障点声波信号强度，将信号经过低噪声放大器放大，送到A/D转换器；(5)AD转换器循环读入N次四路声波传感器的数据和一路电磁波接收器接收到的数据，N＞10，再将每路的N次数据分别取平均值，获得5个数据值；(6)将步骤(5)得到的四路声波传感器的数据分别与一路电磁波接收器接收到的数据进行求差运算，得到时间值ti；(7)将步骤(3)得到的四个声波传感器的坐标值(xi，yi)和步骤(6)得到的时间值ti代入步骤(2)所述的故障点位置计算公式，计算出电缆故障点的坐标位置x，y，z。2.根据权利要求1所述的测量方法，其中步骤(2)所述的构建求解故障点位置的计算公式构建求解故障点位置的计算公式，按如下步骤进行(2a)根据四个声波传感器在地面的位置，以及空间两点间的距离公式，得出故障点与四个声波传感器间的距离如式(X-Xi)2+(Y-Yi)2+z2=Ri2G=1,2,3,4)1)式中X，y，ζ为故障点的空间坐标，Xi,yi为第i个(i=1,2,3,4)声波传感器的平面坐标，这些空间坐标、平面坐标都是以0为参考点，RiG=1,2,3,4)为各个声波传感器测量点到故障点的距离，^=ty，ti为故障点的声波到各个声波传感器所需要的时间，ν为声波在介质中的传播速度；(2b)将i=1，2，3，4代入式1)，组成一个由四个方程构成的方程组(2c)将方程组2)中的方程(I)与方程(II)做差运算，将方程组2)中的方程(II)与方程(III)做差运算，将方程组2)中的方程(III)与方程(IV)做差运算，组成一个由三个方程构成的方程组(2d)将方程组3)写成矩阵的形式得出求参数X，y，ν2求解公式(2c)由方程组2)中的方程得出参数ζ的求解公式3.一种电缆故障测试系统，包括输入按键，用于设置参数和执行测量；系统电源，用于为系统各模块工作供电；四路声波传感器，用于接收地下故障点放电的声波信号，把声波信号转换为电信号送到四路低噪声放大器中；四路低噪声放大器，用于将四路传感器传输的小信号放大到A/D转换器所需要的量程范围后送到A/D转换器；一路电磁波接收器，用于接收故障点放电瞬间的高频电磁波信号，并将该信号放大到0-5V后，送入A/D转换器；五路A/D转换器，用于把四路低噪声传来的声波模拟数据和一路电磁波接收器接收的电磁波数据，转换为数字数据；智能CPU，用于接收五路A/D转换器传输的数字数据，通过将四路声波传感器的数据分别与一路电磁波接收器接收到的数据进行求差运算，得到时间值ti;根据预设的四个声波传感器的电缆长度，求出四个传感器的坐标值(Xi，yi)，将求出的ti;(xi;Yi)通过如下故障定位计算公式，计算出故障点的精确位置，并将故障点的位置在LED屏中显示，式中X，y，ζ为故障点的空间坐标，Xi,yi为第i个(i=1,2,3,4)声波传感器的平面坐标，这些空间坐标、平面坐标都是以O为参考点，、为故障点的声波到各个声波传感器所需要的时间，ν为声波在介质中的传播速度。4.根据权利要求3所述的电缆故障定点仪，其特征在于四路声波传感器，是按照电缆故障智能测试仪测得故障点的大概位置，以四边形的方式设置在该位置附近的地面。5.根据权利要求3所述的电缆故障定点仪，其特征在于四路低噪声放大器分别与四路声波传感器和五路A/D转换器连接。全文摘要本发明公开了一种电缆故障测试系统及故障点的精确定位方法，主要解决现有故障定位中现场操作人员需要在故障点附近来回走动，通过听故障点放电声音的强弱来判断故障点位置的问题。其实现步骤是通过电缆故障智能测试仪测得故障点的大概位置后，在该位置附近的地面，以四边形的方式布置四个声波传感器接收故障点放电的声波数据；在测试位置布置一个电磁波接收器接收故障点的电磁波数据；将四个声波传感器的数据和电磁波数据求差值得到的时间值和四个声波传感器在水平面的坐标值，利用故障点计算公式精确地计算出故障点位置。本发明具有在工作人员无法到达故障点所在的区域的条件，仍然可以精确判断故障点位置的优点，可用于对各种电缆发生的故障进行定位。文档编号G01R31/08GK101907678SQ20101022487公开日2010年12月8日申请日期2010年7月12日优先权日2010年7月12日发明者吴克勇,李锦锋,郭万里,韩昆宏申请人:西安西电科大电力科技有限公司