电缆线短路故障测量设计

电缆线短路故障测量设计

发表时间：2019-07-01T09:09:11.983Z 来源：《基层建设》2019年第10期作者：李士成王超

[导读] 摘要：随着我国社会经济的飞速发展，国内的电缆可敷设在室内、隧道、电缆沟、管道、易燃及严重腐蚀的地方，随着使用年限增加、环境变化以及施工破损、过流等情况发生，电缆易发生短路故障。

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摘要：随着我国社会经济的飞速发展，国内的电缆可敷设在室内、隧道、电缆沟、管道、易燃及严重腐蚀的地方，随着使用年限增加、环境变化以及施工破损、过流等情况发生，电缆易发生短路故障。当出现电缆线故障后，如何准确、快速的找出隐蔽故障点，是线路检测维修工作的难点。目前，测量电缆线故障的方法有：低压脉冲法、高压闪络法、电桥法等。虽然相关仪器能准确快速的测量电缆故障点位置，但其价格贵、操作复杂。而传统的逐段测量法，在电缆线的外部绝缘层没有损坏时无法检查，测量难度大、费时费力且安全性不高。本项目采用电阻测量法对电缆线短路故障点进行测量，以STC89C52单片机为核心，设计一个成本低廉、方便操作、定位准确的电缆短路故障测量装置。无论明线还是暗敷线，都能准确测量出短路故障点的位置，减少排查时间及人力物力的消耗，避免更换可用线路导致的资源浪费。

关键词：电缆线；短路故障；测量设计

引言

针对暗敷电缆线短路故障点隐蔽且难以检查定位的现象，以STC89C52单片机为核心，设计电缆线短路故障点测量装置。装置通过对故障电缆线间电阻的测量，直接将故障点的位置显示在液晶屏上，其误差在2%以内。装置能方便准确地测量不同材质、规格的电缆线路短路故障，提高故障检修人员工作效率。

1电缆线短路故障的内容

电缆断线故障（导体不接续）和短路故障（导体之间相连接或导体与钢带相连接或导体与屏蔽之间相连接）的出现，会导致电缆不能正常运行。电缆制造企业若生产工艺不完善、过程控制不严、原材料不稳定，就会使产品发生断线和短路故障。如不能及时处理或处理不当，则不仅会严重影响产品交货期而且造成产品报废，给企业造成较大的经济损失。电缆断线故障处理所用的电容法是根据电缆导体结构和绝缘结构均匀的情况下电缆电容与电缆长度成正比例关系，计算出理想下断处两端电容，完全避免了断处电容引起的误差。电缆短路故障处理是利用电阻电桥法原理，外接入标准导线作为标准电阻，数字万用表直流毫安档作为电桥检流计来进行故障定位。这些断线和短路故障处理设备简单，投入费用少，检测设备小、易携带、好操作，电缆断线及短路故障准确度可达到100%，完全可以解决电缆企业所出现的2芯及以上电缆的单芯实心导体断线故障、电缆导体之间的短路故障、电缆导体对铠装钢带或屏蔽铜带之间的短路故障。该实用技术可以在电缆行业中推广使用。目前国内外处理电缆断线和短路故障的方法较多，主要有电桥法和脉冲法，其主要检测设备大多较昂贵且技术很难掌握。因此，对电缆制造企业来说，用较少的投入就能及时准确地处理电缆断线故障和短路故障就显得非常重要。

2系统总体设计

2.1系统总体框图

电缆线短路故障测量装置系统硬件部分主要由STC89C52单片机主控

模块、按键输入模块、稳压电源模块、电压采集模块、A/D转换模块及液晶显示模块组成。模块采集电压信号，并将电压信号放大传递给A/D转换器模块；A/D转换模块将电压的模拟信号转化为数字信号送入STC89C52单片机；按键输入模块为单片机提供电缆线的规格、材料及电阻挡位等信息；而单片机控制模块根据检测到的信号进行计算；最后将故障点的位置和电阻值通过液晶显示器显示。稳压电源模块为整个装置提供电能。

2.2电缆线短路故障测量原理

电缆线芯间的绝缘层破环，芯内导线发生短接，形成短路故障。采用电阻检测法测量，利用同一材料、截面积相同的电缆线在温度不变的条件下其电阻率固定且阻值与长度成线性关系的原理，将故障电缆芯线接于短路故障测量装置正负端。在恒定的电流下，电缆线电压与阻值成正比，而短路故障的位置距离与电阻率成正比。短路位置计算公式如式所示。

式中：U为电缆线的电压；I为恒定电流；S为电缆线截面积；L为短路故障点的位置距离；μ为电缆线的电阻率。

3系统总体电路设计

3.1稳压电源模块

为减小检测误差，电源采用整流稳压电源模块。将220V三相交流电通过变压器降低到合适电压，再通过桥式整流电路将交流电压转化为直流。为减小干扰、稳定直流，电压进入稳压芯片时，并联电解电容及瓷片电容。电解电容进行储能蓄流，瓷片电容滤除杂波，使电压趋于稳定。将电压送入稳压芯片LM7805、LM7812，输出+5V的稳定电压。

3.2电压采集转换模块

电压采集转换模块分为电压采集电路、A/D转换电路。为了得到恒定电流，采用LM317芯片设计恒流电路。LM317恒流电路输出电流公式如式所示。

短路故障电缆线通入恒定电流，产生稳定电压。采用LM358芯片构成正向放大电路，运放电路将电压量采集并放大，送入A/D转换电路。放大倍数公式如式所示。

式中：U1为LM317恒流电路的基准电压；R1为LM317恒流电路的基准电流；IADJ为LM317恒流电路的偏移电流；Ui为采集被测电缆线

短路输入电压；Uo为运放电路输出电压；R3、R4为运放电路比例电阻。

A/D转换电路采用TLC2543芯片将电压模拟量转换成数字量。TLC2543芯片是12位串行模数转换器，将模拟信号转化成0～4095的数字信号，再将数字信号传送给单片机进行处理。

3.3单片机控制模块

故障电缆线接入测量装置后，装置上电，单片机进入初始化，进入一个主循环保证系统稳定工作。在循环内通过软件检测是否采集到电压信号。若没有信号到来，系统自动循环；若有信号到来，将电压信号转化为电阻值，判断电阻大小是否超过量程。若超过量程，则红色指示灯亮，系统重新回到初始化。若在量程内，绿色指示灯亮，选择合适挡位；向单片机输入电缆线的材料、规格信息，将信息显示在液晶显示器上；整理电缆线的参数，计算故障点的位置；最终将电缆线的故障点的位置显示在液晶显示器上；之后系统重新循环，以便于下次操作。

4测量结果分析

4.1测量结果

为了检测装置的精度，对电缆线进行短路故障测量。以0.35mm2铜电缆线为例，分别在3～30m之间每隔3m短路故障进行仿真和实物测量，结果如表1所示。测量结果表明：测量范围内，测量误差总体成缩小趋势，但仿真精度远高于实际测量误差。

4.2误差分析与修正

对比仿真和实物测量结果，实测误差远大于仿真误差。电缆线短路故障测量装置测量时的误差主要原因为：1）在短路测试中，恒定电流不能达到严格的精确，存在一定的波动。在过长时间测量时，LM317芯片逐渐发热，导致恒定电流上升，故障点的距离增大。2）测量时，电缆线与测量装置产生接触电阻，导致测量电缆线电阻增大，使得故障点距离变长，从而误差增大。3）电缆线温度也会随时变化，进而改变其阻值大小。当温度上升时，电缆线阻值增大，导致电缆线故障点的距离增大。4）由于人为因素，实际测试电阻的线路长度，也会存在一定的误差。针对上述误差原因，为减小实物测量误差进行分段补偿修正。一级消除装置的接触电阻所导致的误差；二级将测量分为0～9m、12～28m、21～30m区间，在同一区间测量误差大致相同，对不同的区间的误差进行分段的补偿。测量结果表明：在量程内，装置的精度随电缆线短路故障点距离增加而提高且误差控制在2%以内。

结语

基于STC89C52单片机电缆线短路故障检测装置，对电缆短路检测具有较高的精度，且成本低、方便携带，可对不同型号、不同材质的电缆线进行短路故障测量，具有一定实际应用和推广价值。

参考文献：

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[2]刘颖.电线的过电流老化及其绝缘特性的研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2016.

[3]戴青青.10kV电力电缆故障的类型和测寻方法探析[J].企业技术开发（下半月），2017，33（26）：78-79.