[发明专利]一种单芯电缆在线故障定位装置及方法

权利要求书

1.一种单芯电缆在线故障定位装置的电缆故障定位方法，其特征在于所述单芯电缆在线故障定位装置包括第一端电流互感器(1)、第二端电流互感器(2)、第一端电流信号引出线(3)、第二端电流信号引出线(4)、测距仪(5)；单芯电缆具有两个端头，分别为第一端和第二端；各相的单芯电缆外护套经过电缆终端后，第一端和第二端分别通过电缆引出线引至接地箱；各相的所述第一端电流互感器对应串联在各相的第一端电缆护套引出线内，各相的所述第二端电流互感器对应串联在各相的第二端电缆护套引出线内；各相的所述第一端电流互感器副边通过第一端电流信号引出线接至测距仪(5)；各相的所述第二端电流互感器副边通过第二端电流信号引出线接至测距仪；所述测距仪引出信号线至上位机；

当单芯电缆发生单相接地短路故障后，从短路点开始的两侧中的位于第一端侧的短路电流I1流向第一端单芯电缆外护套，位于第二端侧的短路电流I2流向第二端单芯电缆外护套；电流沿单芯电缆外护套经过电缆终端后流向电缆护套引出线，经过第一端电流互感器和第二端电流互感器后，电流互感器二次侧感应出电流，并经信号引出线引至测距仪同一相的两个接口；当电流信号到达测距仪对应第一端的接口后，根据运算放大器工作原理将有：

U_INi1+＝(1+Z_{R3_i1+}/Z_{R2_i1+})*U_i1且U_INi1+≤3.3V

U_INi1-＝-(Z_{R3_i1-}/ Z_{R2_i1-})*U_i1且U_INi1-≤3.3V                            (1)

式中，U_INi1+中为INi1+端口的电压；Z_{R3_i1+}为R3_i1+的电阻值；i为A、B、C中任一项；

根据式(1)，当单芯电缆未发生单相接地短路时，电流互感器CT-i1无电流输出，Ui1电压U_i1因电阻R1_i1的存在为零，此时端口INi1+和INi1-输出电压均为0；选择Z_{R3_i1+}远大于Z_{R2_i1+}，Z_{R3_i1-}远大于Z_{R2_i1-}，当i相发生短路时，若短路时刻发生在正半周期，则Ui1为正，INi1+输出电压为3.3V；当i相发生短路时，若短路时刻发生在负半周期，则Ui1为负，INi1-输出电压为3.3V；

当电流信号到达i2口后，根据运算放大器工作原理将有：

U_INi2+＝(1+Z_{R3_i2+}/Z_{R2_i2+})*U_i2且U_INi2+≤3.3V

U_INi2-＝-(Z_{R3_i2-}/ Z_{R2_i2-})*U_i2且U_INi2-≤3.3V                              (2)

式中，U_INi2+中为INi2+端口的电压；Z_{R3_i2+}为R3_i2+的电阻值，余同；

根据式(1)，当单芯电缆未发生单相接地短路时，电流互感器CT-i2无电流输出，Ui2电压U_i2因电阻R1_i2的存在为零，此时端口INi2+和INi2-输出电压均为0；选择Z_{R3_i2+}远大于Z_{R2_i2+}，Z_{R3_i2-}远大于Z_{R2_i2-}，当i相发生短路时，若短路时刻发生在正半周期，则Ui2为正，INi2+输出电压为3.3V；当i相发生短路时，若短路时刻发生在负半周期，则Ui2为负，INi2-输出电压为3.3V；

若短路时刻发生在正半周期,可编程逻辑器件输入端INi1+和INi2+均会由0跳变至3.3V；由于第一端电流信号引出线和第二端电流信号引出线长度相等，根据INi1+和INi2+电平发生跳变的时间差，将能确定短路发生点的位置；如单芯电缆长度为L，信号传播速度为v,短路点距离电缆中心偏i1端h，则有INi1+发生的时刻为：t1＝(0.5L-h)/v,INi1-发生的时刻为：t2＝(0.5L+h)/v；从而可得h＝(t2-t1)v/2,而t2-t1与INi1+和INi2+电平发生跳变的时间差相等，故可定位出故障点距离；

若短路时刻发生在负半周期,可编程逻辑器件输入端INi1-和INi2-均会由0跳变至3.3V；由于第一端电流信号引出线和第二端电流信号引出线长度相等，根据INi1-和INi2-电平发生跳变的时间差，将能确定短路发生点的位置；如单芯电缆长度为L，信号传播速度为v,短路点距离电缆中心偏i1端h，则有INi1-发生的时刻为：t1＝(0.5L+h)/v,INi1-发生的时刻为：t2＝(0.5L-h)/v；从而可得h＝(t2-t1)v/2,而t2-t1与INi1-和INi2-电平发生跳变的时间差相等，故可定位出故障点距离；

得出故障点距离后，将数据上传至上位机，可将位置显示出来。

2.如权利要求1所述的电缆故障定位方法，其特征在于所述单芯电缆在线故障定位装置中：

第一端A相的电流互感器CT-A1的副边通过第一端电流信号引出线引至测距仪端口A1，之后分为两路，一路经过电阻R4_A1+与第一运算放大器正极连接，第一运算放大器负极引出经电阻R2_A1+与地电位连接，经电阻R3_A1+与第一运算放大器输出端INA1+连接；另一路经过电阻R2_A1-与第二运算放大器正极连接，第二运算放大器负极引出经电阻R4_A1-与地电位连接，经电阻R3_A1-与第二运算放大器输出端INA1-连接；所述第一运算放大器、第二运算放大器输出端与测距仪的可编辑逻辑器件输入口连接；

第二端A相的电流互感器CT-A2的副边通过第二端电流信号引出线引至测距仪A2端口，之后分为两路，一路经过电阻R4_A2+与第三运算放大器正极连接，第三运算放大器负极引出经电阻R2_A2+与地电位连接，经电阻R3_A2+与第三运算放大器输出端INA2+连接；另一路经过电阻R2_A2-与第四运算放大器正极连接，第四运算放大器负极引出经电阻R4_A2-与地电位连接，经电阻R3_A2-与第四运算放大器输出端INA2-连接；所述第三运算放大器、第四运算放大器输出端与所述可编辑逻辑器件输入口连接；

第一端B相的电流互感器CT-B1的副边通过第一端电流信号引出线引至测距仪B1端口，之后分为两路，一路经过电阻R4_B1+与第五运算放大器正极连接，第五运算放大器负极引出经电阻R2_B1+与地电位连接，经电阻R3_B1+与第五运算放大器输出端INB1+连接；另一路经过电阻R2_B1-与第六运算放大器正极连接，第六运算放大器负极引出经电阻R4_B1-与地电位连，经过电阻R3_B1-与第六运算放大器输出端INB1-连接；所述第五运算放大器、第六运算放大器输出端与所述可编辑逻辑器件输入口连接；

第二端B相的电流互感器CT-B2的副边通过第二端电流信号引出线引至测距仪B2端口，之后分为两路，一路经过电阻R4_B2+与第七运算放大器正极连接，第七运算放大器负极引出经电阻R2_B2+与地电位连接，经电阻R3_B2+与第七运算放大器输出端INB2+连接；另一路经过电阻R2_B2-与第八运算放大器正极连接，第八运算放大器负极引出经电阻R4_B2-与地电位连接，经电阻R3_B2-与第八运算放大器输出端INB2-连接；所述第七运算放大器、第八运算放大器输出端与所述可编辑逻辑器件输入口连接；

第一端C相的电流互感器CT-C1的副边通过第一端电流信号引出线引至测距仪C1端口，之后分为两路，一路经过电阻R4_C1+与第九运算放大器正极连接，第九运算放大器负极引出经电阻R2_C1+与地电位连接，经电阻R3_C1+与第九运算放大器输出端INC1+连接；另一路经过电阻R2_C1-与第十运算放大器正极连接，第十运算放大器负极引出经电阻R4_C1-与地电位连接，经电阻R3_C1-与第十运算放大器输出端INC1-连接；所述第九运算放大器、第十运算放大器输出端与所述可编辑逻辑器件输入口连接；

第二端C相的电流互感器CT-C2的副边通过第二端电流信号引出线引至测距仪C2端口，之后分为两路，一路经过电阻R4_C2+与第十一运算放大器正极连接，第十一运算放大器负极引出经电阻R2_C2+与地电位连接，经电阻R3_C2+与第十一运算放大器输出端INC2+连接；另一路经过电阻R2_C2-与第十二运算放大器正极连接，第十二运算放大器负极引出经电阻R4_C2-与地电位连接；第十二运算放大器正极引出经过电阻R3_C2-与第十二运算放大器输出端INC2-连接；所述第十一运算放大器、第十二运算放大器输出端与所述可编辑逻辑器件输入口连接；

所述可编程逻辑器件通过信号线与上位机连接。