电缆故障点的电磁传感器如何设计

　　目前电力系统中，电能传送主要通过导线完成，导线主要有架空线和电缆两种。同架空线相比，电力电缆具有送电可靠、受环境污染小、无需占用地上面积，从而保障了人身安全、提高了输电线路的输送能量等。但地下电缆一旦发生故障排查成为难题，如果处理不及时造成停电会浪费大量的人力物力。为了避免此类情况发生，找到一种快速、准确的电缆故障定位方法是本文研究重点。
　　在进行电缆故障测距时，无论采用哪种仪器或测量方法，由于电缆多埋设在地表下，所以在丈量和绘制电缆线路图时会产生误差，因此根据测距结果只能确定电缆故障的大体位置。为了减少开挖工作量，测距之后，需在地面上进行精确定点工作。而精确定点方法中应用较多的有声磁同步法和音频感应法，两者对于电缆的大部分故障都能检测到，而检测故障点过程中关键是拾取电磁信号的电磁传感器，本文就此传感器进行了研究和设计。
　　1 原理
　　无论使用音频感应法还是声磁同步法进行电缆故障点定位，都要让电缆故障点产生变化的磁场。利用电感感应磁场信号，经两级运放后整流输出，输出信号接入到指示电路上，随着磁场强度的增强指示灯点亮的个数越多。原理框图如图1所示。
　　
　　2 硬件电路设计
　　2.1 电感的选取
　　电感是闭合回路的一种属性，即当通过闭合回路的电流改变时，会出现电动势以抵抗电流的改变。这种电感称为自感，是闭合回路自身的属性。电感是衡量线圈产生电磁感应能力的物理量。当线圈通入的磁感线越多，线圈感应出的电压越大。一般集成模块电路应用色码电感和工字电感，色码电感的线圈比工字电感细，是一种高频电感线圈，多应用在信号电路，而工字电感则多应用在功率回路中。基于此文中的电磁传感器选取色码电感。
　　色码电感又名色环电感，是利用自感作用的一种元件，是具有固定电感量的电感器，其内部结构如图2所示。
　　图2中①是磁芯;②是漆包铜线;③是连接电路的引脚;④是环氧树脂涂覆层;⑤色码标志。它是在磁芯上绕上一些漆包线后再用环氧树脂或塑料封装而成。其工作频率为10 kHz～200 MHz，电感量一般在0.1～3 300μH之间。
　　2.2 放大电路设计
　　三极管的基本结构是两个反向连结的PN结面，如图3所示，可有PNP和NPN两种组合。3个接出端点依序称为发射极（Emitter，E）、基极（Base，B）和集电极（Collector，C）。
　　从图4可知通过设置不同的R5、R4（R6、R7）阻值，可以得到不同的放大倍数，静态工作点Q也会不同，将直接导致三极管工作在哪个工作区域，这里将Q1管设置在放大区。在两级放大中间加一个滑动变阻器，随着阻值的变化，将直接影响下一个三极管Q2的工作状态即饱和还是放大，将其阻值设置到最大即10 kΩ，并用仿真示波器观测波形如图5所示。
　　将A通道接到信号输入端，B接到Q1的输出端，C接到Q2的输出端，D接到整流后的输出端，从图中可以看出滑动变阻器的阻值为0时，Q2工作在饱和区域。
　　滑动变阻器是用于调节两级放大后输出电压值的峰值大小如表1所示。
　　
　　2.3 整流电路
　　二极管（Diode），是一种具有单向传导电流的电子器件。在半导体二极管内部有一个PN结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向电流的转导性。
　　
　　2.4 指示电路
　　由以上介绍可知当电感感应到的磁场越强，输出电压Vo就越大，Vo进入指示电路后点亮灯的个数就越多。当越接近电缆的故障点时感应到的磁场强度就越强即点亮所有的灯。
　　3 脉冲磁场波形的识别
　　3.1 基于声磁同步故障检测电磁波形
　　声磁同步法：故障点放电时，除了产生放电声外，还会产生高频电磁波向地面传播。通过同时接收电磁波和声波的方法来判断当前的声波是否由故障点放电引起的方法称为声磁同步法。
　　当电缆发生故障时，向电缆施加冲击高压信号，使故障点放电时，会在电缆的外皮与大地形成的回路中感应出环流，这一环流在电缆周围产生脉冲磁场。电缆故障点放电产生的脉冲磁场一般是一个衰减的余弦信号，信号的周期与电缆的长度、电缆周围的介质等因素有关，持续的时间长度大约是电缆上高压信号存在的时间，下图给出了故障点放电产生的脉冲磁场信号。
　　
　　3.2 基于音频感应故障检测电磁波形
　　音频感应法：当电缆发生故障时，向电缆输入1 kHz的音频电流，其周围将产生一个同样频率的交变磁场，在地面上用探头沿着被测电缆方向接收电磁场信号，并将之送入放大器，再将信号送入耳机或仪表，故障点声音会明显增强。
　　图10是给电缆施加1 kHz音频电流，以及在故障点检测到的电磁波。
　　4 测量结果
　　由于磁场具有方向性，当传感器所处的位置不同时，检测到的磁场信号强度也不同。将传感器在距故障点0.5 m处沿电缆放置，然后在水平面上顺时针旋转传感器，检测结果如表2所示。
　　由表1所示传感器与电缆夹角0°时穿过电感的磁力线最多，因此检测的感应电压也最大，而180°时穿过电感的磁力线最少，因此感应的电压最小。同时也测试了传感器在原位置而垂直水平面向上放置时感应电压为80 mV，向下时为120 mV，由此可以看出传感器放置位置和故障电缆夹角为零度时，穿过电感的磁力线最多，检测的感应电压也最大。
　　由于线圈的匝数越多，电感值越大，电感越大磁感应能力越强。改变色码电感值的大小则检测结果如表3所示。
　　表3中的点亮灯个数0.5表示处于半点亮状态，而且从此表可以看出电感值越大检测的距离越远。检测距离为±5 m，即在10 m范围内确定故障点的位置，在2 m范围内使用4.7 mH的电感值就可以找到故障点准确位置。
　　5 结束语
　　此电磁传感器不仅可应用于电缆故障点定位仪，而且可应用于电缆的识别。随着科技的不断进步以及电缆故障探测方法的不断提高，新的电缆故障检测方法不断地涌现，将会有更多的检测设备出现。

　　目前电力系统中，电能传送主要通过导线完成，导线主要有架空线和电缆两种。同架空线相比，电力电缆具有送电可靠、受环境污染小、无需占用地上面积，从而保障了人身安全、提高了输电线路的输送能量等。但地下电缆一旦发生故障排查成为难题，如果处理不及时造成停电会浪费大量的人力物力。为了避免此类情况发生，找到一种快速、准确的电缆故障定位方法是本文研究重点。
　　在进行电缆故障测距时，无论采用哪种仪器或测量方法，由于电缆多埋设在地表下，所以在丈量和绘制电缆线路图时会产生误差，因此根据测距结果只能确定电缆故障的大体位置。为了减少开挖工作量，测距之后，需在地面上进行精确定点工作。而精确定点方法中应用较多的有声磁同步法和音频感应法，两者对于电缆的大部分故障都能检测到，而检测故障点过程中关键是拾取电磁信号的电磁传感器，本文就此传感器进行了研究和设计。
　　1 原理
　　无论使用音频感应法还是声磁同步法进行电缆故障点定位，都要让电缆故障点产生变化的磁场。利用电感感应磁场信号，经两级运放后整流输出，输出信号接入到指示电路上，随着磁场强度的增强指示灯点亮的个数越多。原理框图如图1所示。
　　
　　2 硬件电路设计
　　2.1 电感的选取
　　电感是闭合回路的一种属性，即当通过闭合回路的电流改变时，会出现电动势以抵抗电流的改变。这种电感称为自感，是闭合回路自身的属性。电感是衡量线圈产生电磁感应能力的物理量。当线圈通入的磁感线越多，线圈感应出的电压越大。一般集成模块电路应用色码电感和工字电感，色码电感的线圈比工字电感细，是一种高频电感线圈，多应用在信号电路，而工字电感则多应用在功率回路中。基于此文中的电磁传感器选取色码电感。
　　色码电感又名色环电感，是利用自感作用的一种元件，是具有固定电感量的电感器，其内部结构如图2所示。
　　图2中①是磁芯;②是漆包铜线;③是连接电路的引脚;④是环氧树脂涂覆层;⑤色码标志。它是在磁芯上绕上一些漆包线后再用环氧树脂或塑料封装而成。其工作频率为10 kHz～200 MHz，电感量一般在0.1～3 300μH之间。
　　2.2 放大电路设计
　　三极管的基本结构是两个反向连结的PN结面，如图3所示，可有PNP和NPN两种组合。3个接出端点依序称为发射极（Emitter，E）、基极（Base，B）和集电极（Collector，C）。
　　从图4可知通过设置不同的R5、R4（R6、R7）阻值，可以得到不同的放大倍数，静态工作点Q也会不同，将直接导致三极管工作在哪个工作区域，这里将Q1管设置在放大区。在两级放大中间加一个滑动变阻器，随着阻值的变化，将直接影响下一个三极管Q2的工作状态即饱和还是放大，将其阻值设置到最大即10 kΩ，并用仿真示波器观测波形如图5所示。
　　将A通道接到信号输入端，B接到Q1的输出端，C接到Q2的输出端，D接到整流后的输出端，从图中可以看出滑动变阻器的阻值为0时，Q2工作在饱和区域。
　　滑动变阻器是用于调节两级放大后输出电压值的峰值大小如表1所示。
　　
　　2.3 整流电路
　　二极管（Diode），是一种具有单向传导电流的电子器件。在半导体二极管内部有一个PN结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向电流的转导性。
　　
　　2.4 指示电路
　　由以上介绍可知当电感感应到的磁场越强，输出电压Vo就越大，Vo进入指示电路后点亮灯的个数就越多。当越接近电缆的故障点时感应到的磁场强度就越强即点亮所有的灯。
　　3 脉冲磁场波形的识别
　　3.1 基于声磁同步故障检测电磁波形
　　声磁同步法：故障点放电时，除了产生放电声外，还会产生高频电磁波向地面传播。通过同时接收电磁波和声波的方法来判断当前的声波是否由故障点放电引起的方法称为声磁同步法。
　　当电缆发生故障时，向电缆施加冲击高压信号，使故障点放电时，会在电缆的外皮与大地形成的回路中感应出环流，这一环流在电缆周围产生脉冲磁场。电缆故障点放电产生的脉冲磁场一般是一个衰减的余弦信号，信号的周期与电缆的长度、电缆周围的介质等因素有关，持续的时间长度大约是电缆上高压信号存在的时间，下图给出了故障点放电产生的脉冲磁场信号。
　　
　　3.2 基于音频感应故障检测电磁波形
　　音频感应法：当电缆发生故障时，向电缆输入1 kHz的音频电流，其周围将产生一个同样频率的交变磁场，在地面上用探头沿着被测电缆方向接收电磁场信号，并将之送入放大器，再将信号送入耳机或仪表，故障点声音会明显增强。
　　图10是给电缆施加1 kHz音频电流，以及在故障点检测到的电磁波。
　　4 测量结果
　　由于磁场具有方向性，当传感器所处的位置不同时，检测到的磁场信号强度也不同。将传感器在距故障点0.5 m处沿电缆放置，然后在水平面上顺时针旋转传感器，检测结果如表2所示。
　　由表1所示传感器与电缆夹角0°时穿过电感的磁力线最多，因此检测的感应电压也最大，而180°时穿过电感的磁力线最少，因此感应的电压最小。同时也测试了传感器在原位置而垂直水平面向上放置时感应电压为80 mV，向下时为120 mV，由此可以看出传感器放置位置和故障电缆夹角为零度时，穿过电感的磁力线最多，检测的感应电压也最大。
　　由于线圈的匝数越多，电感值越大，电感越大磁感应能力越强。改变色码电感值的大小则检测结果如表3所示。
　　表3中的点亮灯个数0.5表示处于半点亮状态，而且从此表可以看出电感值越大检测的距离越远。检测距离为±5 m，即在10 m范围内确定故障点的位置，在2 m范围内使用4.7 mH的电感值就可以找到故障点准确位置。
　　5 结束语
　　此电磁传感器不仅可应用于电缆故障点定位仪，而且可应用于电缆的识别。随着科技的不断进步以及电缆故障探测方法的不断提高，新的电缆故障检测方法不断地涌现，将会有更多的检测设备出现。