一種便攜式信號電纜接地故障檢測儀

陳長浩，王 安

(西北工業(yè)大學 自動化學院，西安 710129)

一種便攜式信號電纜接地故障檢測儀

陳長浩，王 安

(西北工業(yè)大學 自動化學院，西安 710129)

鐵路信號室里信號線的數(shù)量眾多，如何準確定位芯線接地故障的位置是個亟待解決的問題；文章針對故障芯線阻容網(wǎng)絡的接地模型，提出了單頻幅相法的故障定位方法，即用故障芯線各個測試點的幅相信息來確定故障點的位置，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)字信號處理芯片為數(shù)據(jù)處理和控制核心的便攜式信號電纜接地故障檢測儀，給出了該系統(tǒng)的工作原理及硬件、軟件實現(xiàn)方案；經(jīng)實驗室測試及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，實驗室條件下用信號發(fā)射裝置和信號接收裝置對模擬故障電纜進行測試，測試結(jié)果表明，設計的測試系統(tǒng)能夠定位1 MΩ接地電阻故障；該儀器達到了一定的精度，能較好地適用于工程現(xiàn)場的測試。

信號電纜故障測試；DSP; 鐵路信號；接地故障

0 引言

近年來高速鐵路和動車的快速發(fā)展對鐵路控制系統(tǒng)的可靠性和安全性提出了越來越嚴格的要求[1]。研究如何快速準確定位鐵路信號電纜故障點具有很好的經(jīng)濟價值和社會意義[2]。目前，故障定位方法多是從電力電纜上移植過來的，沒有考慮鐵路信號電纜自身的特殊性，不能準確的定位故障。本文在研究高阻接地故障電纜形成的阻容網(wǎng)絡模型特性的基礎上，提出了基于雙頻信號折算相位差的定位方法。該方法具有以下優(yōu)點：一是在測量信號的相位時，不用從過零點的位置開始，測量精度高，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。

這些年國內(nèi)外開發(fā)了多種電纜故障測試系統(tǒng)，而其中多由PC機配以數(shù)據(jù)采集卡，且輔以定點儀、路徑儀等產(chǎn)品。因此價格昂貴、攜帶不便、處理速度慢等缺點嚴重地影響實際應用。于是開發(fā)了一種性能優(yōu)越、價格低廉、適用于信號室內(nèi)作業(yè)的便攜式儀器，用于取代原有的信號電纜接地故障檢測設備[4]。該系統(tǒng)以高速、低功耗DSP芯片TMS320C5509A為核心器件[5]，提高查找信號電纜接地故障的效率與可靠性。

1 信號電纜接地故障的定位原理

1.1 鐵路信號電纜高阻接地故障的模型

根據(jù)《鐵路信號設備電氣特性測試方法》的規(guī)定：直流電源對地漏電流不大于1 mA，交流電源對地漏電流不大于20 mA，對信號機、軌道電路送電端電纜進行全程測量時，對地電阻不低于1 MΩ[6]，否則認定電纜有損傷。

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

1.2 單頻幅相法原理

圖2 單頻幅相法原理圖

通過信號發(fā)射器往阻容網(wǎng)絡模型中注入單頻正弦交流信號，如圖2(a)所示，依次檢測芯線各點處的電流值，A、B、D點電流的幅值由(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一致；三點的相位由公式(4)(5)(6)可得，從A點到B點依次減小，越過故障點之后，D點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，前后兩個測試點所得信號相位差的極性在故障點前后發(fā)生突變作為判斷故障點位置的依據(jù)，由上述分析可知，故障點的位置在B、D之間，和圖2(a)中故障點的位置相符。

(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的定位原理[3]，芯線上每一點電流必須從過零點開始檢測，而且在檢測電流信號的同時，要同步的檢測該點的電壓信號，這在Matlab的仿真環(huán)境下很容易實現(xiàn)，在實際操作中，從過零點開始檢測不易實現(xiàn)，而且對每一個測試點，要同時檢測兩個信號，檢測任務量大。考慮到方法研究的目的在于為故障定位設備的開發(fā)奠定理論基礎，因而，必須進一步優(yōu)化故障芯線的定位方法。

1.4 折算相位差的原理

當發(fā)射器注入的是雙頻正弦信號，且這兩個信號的頻率之間有一定的倍頻關系，即f1=n*f2。設兩個信號折算相位差公式為：

(7)

注入信號為：

y=y1+y2=

A1sin(w1t+φ1)+A2sin(w2t+φ2)

(8)

則在t=t0時刻，信號y1的相位為：

φ1′=ω1t0+φ1

(9)

信號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°，兩個信號如果注入到純阻性網(wǎng)絡中，Δφ始終為0；如果注入到故障芯線的阻容網(wǎng)絡模型中，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Rx、w11、w2為定值時，Δφq是隨著電容支路的的減小而減小，即在故障點前，后一個測試點減去前一個測試點的折算相位差的值為負數(shù)；Δφh的值只與發(fā)射信號的倍頻有關，和其它參數(shù)無關，其值大于故障點前的任一測試點的折算相位差，且Δφh-Δφq的值為正數(shù)，前后兩個測試點折合相位差的差值的極性發(fā)生了突變，以此來作為故障點位置判斷的依據(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無關，即對電纜芯線上的點來說，相位差的值由發(fā)射信號的初始相位和倍頻值決定，與檢測的時刻無關，而且不需要在檢測電流信號的同時，同步的檢測電壓信號，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)檢測設備的研發(fā)奠定了理論基礎。

2 系統(tǒng)的硬件設計

2.1 系統(tǒng)的體系結(jié)構

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)測試儀的功能需求，基于該 DSP 芯片進行了相應的硬件設計及驅(qū)動程序的編寫；完成小電流檢測的前置調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集等模塊的軟硬件調(diào)試，用C語言進行FFT算法及頻譜校正的程序設計；完成外擴EEPROM的燒寫程序，使得程序能在DSP上獨立運行。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 接地故障檢測儀系統(tǒng)框圖

2.2 信號調(diào)理及數(shù)據(jù)采集

2.2.1 電流檢測

在線纜故障定位方案確定后，其實現(xiàn)過程中的一個核心和難點就是如何將故障中的電流準確檢測出來。首先需要確定故障中電流的大小，依此來選用電流傳感器。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量大電流的，當線纜中電流太小霍爾電流傳感器檢測不到，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。鉗形設計，不必斷開被測線路。用雙層屏蔽技術，外界磁場的影響極小，確保了常年無間斷測量的高精度、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經(jīng)量化和編碼后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。考慮到差分輸入對輸入通路上的共模信號有抑制作用，為消除線路上可能存在的噪聲信號，在A/D選擇時，選用差分輸入方式。同時考慮到A/D與DSP的接口問題，為方便連接，本設計采用的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43.2 kHz、內(nèi)含開關電容式帶通抗混疊輸入濾波器和低通重構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，并同時帶有與DSP直接相連的同步串行數(shù)字接口，可與TMS320VC5509A無縫連接。TLC320AC02體積小，工作溫度范圍寬(-40～85 ℃)，功耗小(只有110 mW)，常用于便攜設備的采集電路，主要包括調(diào)制解調(diào)器、語音處理、工業(yè)過程控制、光譜分析、作為DSP的模擬接口電路進行數(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 人機接口部分

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

2.4 外擴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)設計時，需要外擴非易失性存儲器，將程序及重要信息保存在其中。而系統(tǒng)上電時，通過芯片內(nèi)置的引導程序，將外部存儲器中的程序引導至內(nèi)部的高速RAM中，然后執(zhí)行相關代碼，完成啟動。在此設計中選用Atmel公司的AT25512作為外部存儲芯片，其有64KB的存儲空間，通過串行SPI總線與DSP相連。

TMS320VC5509A上電復位后，系統(tǒng)初始化，然后根據(jù)預先設置的自啟動模式，通過固化在ROM中的bootloader程序進行程序引導。

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調(diào)理用到運放以及數(shù)據(jù)采集中AD芯片的供電需求，系統(tǒng)還需要提供正負5 V電壓。為了設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)軟件設計

為實現(xiàn)電纜故障定位，結(jié)合方案設計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計流程圖

系統(tǒng)的主要功能包括：系統(tǒng)校正、通過測試折合相位差判斷故障點。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)字濾波器對相位的影響，保證折合相位差的改變是由于鐵路信號電纜的故障引起的。

整個軟件設計采用模塊化設計思想，可分為顯示模塊、前置信號程控放大處理模塊、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。采用模塊化設計可以提高程序的可讀性和可靠性，將任務進行分解，便于程序設計。首先將每個模塊的操作函數(shù)單獨放在一個頭文件中，然后在主函數(shù)中，如果需要用到某個相關的功能模塊，只需將該功能塊的頭文件包含在主函數(shù)中即可。

本設計包含的功能模塊頭函數(shù)如下：

include "my_Config.h"http://配置DSP相關頭文件

include "my_CD4051.h"http://多路開關相關文件

include "my_filter.h"http://FIR濾波器相關頭文件

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

include "my_fft.h"http:// FFT變換相關頭文件

include "my_12864_DSP.h"http://顯示相關頭文件

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

其中，DSP配置相關文件主要分為四部分：

① 通過鎖相環(huán)的配置來設置CPU的時鐘；

② 通過外部存儲接口EMIF的配置來控制液晶的顯示等；③ 通過McBSP的配置來實現(xiàn)與AD和外擴EEPROM的通信；

④ 通用GPIO的配置。

多路開關模塊主要通過控制放大器的不同反饋電阻的接通，來實現(xiàn)不同的放大倍數(shù)，使得AD采集時，信號有合適的幅值，保證采集的數(shù)據(jù)有更高的準確度。

濾波器模塊主要實現(xiàn)對采集的信號進行FIR數(shù)字濾波處理，濾除不需要的頻率成分，同時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Matlab設計得到。

液晶顯示模塊，通過對帶字庫的液晶進行讀寫，使其顯示測試的相關信息。

中斷模塊主要實現(xiàn)中斷向量表的設置，清除中斷標志，使能和打開中斷，在中斷子函數(shù)中對按鍵標志位進行設置。

4 測試結(jié)果

在實驗室搭建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試點3和測試點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；計算沿線各個測試點折合相位差的平均值，繪制曲線如圖7所示。

圖7 模擬故障電纜各個測試點相位差的變化

從實測數(shù)據(jù)分析，故障點前后相位差突變值≥5°左右，利用相位差突變這一特征可以判斷出40 k～1 MΩ的接地故障點的位置在測試點6和7之間。同理，在故障八中，測試點3和測試點4之間，以及測試點6和測試點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。在做定位芯線接地故障的實驗時，對應每一個接地電阻，記錄沿線各個測試點的折合相位差的值，每一個測試點測量三次取相位差平均值，實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1所示。

表1 實測故障電纜相應測試點的折合相位差

5 結(jié)論

便攜式信號電纜接地故障檢測儀采用高速、低功耗DSP芯片設計，通過判斷電纜中電流的折合相位差的變化，查找信號電纜接地故障的位置，達到1 MΩ接地故障的設計指標，同時進一步驗證了幅相法定位接地故障可行性，可應用于通信、鐵路等信號室內(nèi)各類電纜的測試。

[1] 張 薇. 鐵路信號電纜接地方式研究[J]. 科技風, 2015(16):143-143.

[2] Upendar J, Gupta C P, Singh G K. Discrete wavelet transform and probabilistic neural network based algorithm for classification of fault on transmission systems[J]. 2008, 1:206-211.

[3] 王 安,劉三帥,楊偉偉. 鐵路信號電纜接地故障點查找方法研究[J]. 城市軌道交通研究,2014,11:82-85.

[4] 高風波, 張 歆, 張小薊,等. 一種便攜式智能電纜故障測試儀[J]. 測控技術, 2003, 22(12):21-23.

[5] 陳泰紅, 任勝杰. 手把手教你學DSP: 基于TMS320C55x[M]. 北京：北京航空航天大學出版社, 2011.

[6] 中華人民共和國鐵道部. 鐵路信號維護規(guī)則技術標準Ⅱ[M]. 北京：中國鐵道出版社, 2006.

[7] 廣州市銥泰電子科技有限公司.ETCR鉗形漏電流傳感器用戶手冊[Z].

[8] Texas Instruments.TLC320AC02 Data Manual Single-Supply Analog Interface Circuit[Z].October 1997.

[9] Texas Instruments.TMS320C55x DSP Programmer’s Guide[Z].August 2001:45-92.

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。

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

王 安(1959-)男， 山東蓬萊人，副教授，主要從事計算機測控系統(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

A