CN113295081B - 一种基于时频域的盘装电缆测长***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时频域的盘装电缆测长***及方法，***包括：待测电缆；用于向待测电缆输入电压信号的信号注入模块；用于获取待测电缆中电压信号的信号检测模块；根据信号检测模块的测量结果，用于计算盘装电缆长度的数据处理模块；信号注入模块的一对输出端子分别接至待测电缆一端的缆芯和金属护套，信号检测模块的一个通道接至待测电缆首端的缆芯和金属护套，另一通道接至待测电缆末端的缆芯和金属护套。本发明基于高频正弦电压信号在装盘电缆中的传播时间以及传播速度的测量，计算电缆的长度，从波速和行波时间两方面保证了盘装电缆长度检测的精度，方法简易实用，具有广泛的实用价值。

Description

一种基于时频域的盘装电缆测长***及方法

技术领域

本发明属于电力电缆检测领域，尤其涉及一种基于时频域的盘装电缆测长***及方法。

背景技术

电力电缆是电力***中承担电力传输的核心设备之一，具有空间占用少、受环境影响小、可靠性高等一系列优点，是目前城市供电的主要输电途径。目前在电力电缆施工过程中，由于电缆实际长度小于标称长度导致的成本增加、工期延误等问题时有发生。因此，在电缆敷设之前进行长度检测十分必要。

传统盘装电缆的长度测量需要复绕，费时费力，且操作过程中可能对电缆绝缘外观造成破坏。直流电阻测量受温度影响较大，此外电缆材质以次充好、截面不足等质量问题也会直接影响测量结果。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种基于时频域的盘装电缆测长***，快速有效的测出盘装电缆的长度；本发明的另一个目的是提供一种适用于该***的测量方法，采用时频域结合的方式解决了单纯以阈值判断时差误差较大的问题，实现盘装电缆长度的准确校验。

技术方案：一种基于时频域的盘装电缆测长***，包括待测电缆；用于向待测电缆输入电压信号的信号注入模块；用于获取待测电缆中电压信号的信号检测模块；根据信号检测模块的测量结果，用于计算盘装电缆长度的数据处理模块；信号注入模块的一对输出端子分别接至待测电缆一端的缆芯和金属护套，信号检测模块的一个通道接至待测电缆首端的缆芯和金属护套，另一通道接至待测电缆末端的缆芯和金属护套。

进一步地，信号注入模块为高频交流信号源。

进一步地，信号检测模块为多通道高速示波器。

进一步地，多通道高速示波器的信号电缆与待测电缆的阻抗匹配或接近，用于降低行波信号的反射。

进一步地，待测电缆与盘装电缆参数相同，待测电缆沿盘装电缆的绕行方向并紧贴于其它匝电缆之上。

一种适用于上述的基于时频域的盘装电缆测长方法，包括以下步骤：

步骤1，选用设定长度L₀的待测电缆，向待测电缆首端输入设定频率f₀的第一电压信号，在首端测得第一首端电压信号u₀₁，末端测得第一末端电压信号u₀₂；

步骤2，使用第一首端电压信号u₀₁和第一末端电压信号u₀₂对应次序的波峰或波谷的时间差，结合第一首端电压信号u₀₁和第一末端电压信号u₀₂的相位差，计算第一电压信号在待测电缆中的传播时间t₀，进而获得盘装电缆的波速v；

步骤3，向盘装电缆的首端输入设定频率f₀的第二电压信号，在首端测得第二首端电压信号u₁，末端测得第二末端电压信号u₂，

步骤4，使用第二首端电压信号u₁和第二末端电压信号u₂对应次序的波峰或波谷的时间差，结合第二首端电压信号u₁和第二末端电压信号u₂的相位差，计算第二电压信号在盘装电缆中的传播时间t；

步骤5，根据步骤2中的波速v与步骤4中的传播时间t，获得盘装电缆的长度。

进一步地，步骤1中，待测电缆与盘装电缆参数相同，待测电缆长度大于1米。

进一步地，步骤1中，第一电压信号的频率f₀的取值范围为f₀≥20MHz。

进一步地，步骤2中，计算信号在待测电缆中的传播时间t₀的表达式为：

式中：

Δt₀表示第一首端电压信号u₀₁和第一末端电压信号u₀₂对应次序的波峰或波谷的时间差，

f₀表示第一电压信号的频率，

表示向下取整符号，

表示第一末端电压信号u₀₂超前第一首端电压信号u₀₁的角度；

盘装电缆的波速与待测电缆的波速相同，待测电缆的电缆波速v表达式为：

式中：

L₀表示待测电缆的长度，

t₀表示信号在待测电缆中的传播时间。

进一步地，步骤4中，计算信号在电缆中的传播时间t的表达式为：

式中：

Δt表示高速示波器测量结果获得的首端电压信号u₁和末端电压信号u₂第一个峰值之间的时间差，

f₀表示第二电压信号的频率，

表示向下取整符号，

表示第二末端电压信号u₂超前第二首端电压信号u₁的角度；

步骤5中，计算盘装电缆长度L的表达式为：

L＝vt

式中：

v表示待测电缆的电缆波速，

t表示第二电压信号在盘装电缆中的传播时间。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的优点：基于高频正弦电压信号在装盘电缆中的传播时间以及传播速度的测量，计算电缆的长度；采用与盘装电缆相同参数的待测电缆，在相同环境下，考虑电缆匝间互感进行波速的就地标定；采用电缆首末端双端检测的方式，对注入电缆以及达到电缆末端的行波信号进行准确检测，准确获取行波在电缆中的传播时间与波速，从波速和行波时间两方面保证了盘装电缆长度检测的精度，方法简易实用。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于时频域的盘装电缆测长方法的流程图；

图2为本发明提供的一种时频域结合的盘装电缆测长***的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种基于时频域的盘装电缆测长方法，包括以下步骤：

步骤1，选用设定长度L₀的标定电缆，高频交流信号源4的一对输出端子分别接至标定电缆1的缆芯2和金属护套3，向其首端输入设定频率f₀的第一电压信号。将多通道高速示波器5的一个通道接至标定电缆1首端的缆芯和金属护套，另一通道接至标定电缆1末端的缆芯和金属护套，同步在首端测得第一首端电压信号u₀₁，末端测得第一末端电压信号u₀₂。

波速标定时采用双端信号测量能够有效提高信号识别率。

其中，标定电缆与盘装电缆参数相同，选择同型号同批次的短电缆，或直接在盘装电缆首端截取一段作为标定电缆，长度可以为1至2米之间，用长度测量工具，例如但不限于，用计米器或卷尺等工具，测量获得其实际长度L₀。

在相同环境下，将标定电缆沿装线盘中电缆绕行方向紧贴于其它匝电缆之上，用于在考虑互感作用的情况下进行波速标定。

第一电压信号的频率f₀的取值范围为f₀≥20MHz。

步骤2，使用第一首端电压信号u₀₁和第一末端电压信号u₀₂对应次序的波峰或波谷的时间差，结合第一首端电压信号u₀₁和第一末端电压信号u₀₂的相位差，计算所述第一电压信号在标定电缆中的传播时间t₀，进而获得盘装电缆的波速v。

计算信号在标定电缆1中的传播时间t₀：

式中：

Δt₀表示第一首端电压信号u₀₁和第一末端电压信号u₀₂对应次序的波峰或波谷的时间差。

f₀表示高频交流信号源4输出正弦交流电压的频率。

表示向下取整符号，例如，/>代表从信号注入标定电缆首端到信号抵达盘装电缆末端所经历的周期数。

表示第一末端电压信号u₀₂超前第一首端电压信号u₀₁的角度，取角度单位，根据多个周期内的测量信号获得，例如但不限于，标定电缆首、末端信号多个周期内的平均相位差。

以如下公式计算标定电缆的电缆波速v：

式中：

L₀表示标定电缆的长度。

t₀表示信号在标定电缆1中的传播时间。

步骤3，采用与电缆标定时相同的高频信号源4以多通道高速示波器5，将图2所示的标定电缆1替换为盘装电缆，将高频交流信号源4的一对输出端子分别接至盘装电缆首端的缆芯和金属护套，高频交流信号源4输出与波速标定时相同频率的高频正弦交流电压，即向盘装电缆的首端输入设定频率f₀的第二电压信号，多通道高速示波器5的一个通道接至盘装电缆首端的缆芯和金属护套，另一通道接至盘装电缆末端的缆芯和金属护套，多通道高速示波器5同步在首端测得第二首端电压信号u₁，末端测得第二末端电压信号u₂。

步骤4，使用第二首端电压信号u₁和第二末端电压信号u₂对应次序的波峰或波谷的时间差，结合第二首端电压信号u₁和第二末端电压信号u₂的相位差，计算所述第二电压信号在盘装电缆中的传播时间t。

以如下公式计算信号在电缆中的传播时间：

式中：

Δt表示高速示波器5测量结果获得的首端电压信号u₁和末端电压信号u₂第一个峰值之间的时间差。

f₀表示高频交流信号源4输出正弦交流电压的频率。

表示向下取整符号，例如，/>代表从信号注入盘装电缆首端到信号抵达盘装电缆末端所经历的周期数。

表示末端电压信号u₂超前首端电压信号u₁的角度，取角度单位，可以根据多个周期内的测量信号获得，例如但不限于，盘装电缆首、末端信号多个周期内的平均相位差。

步骤5，使用步骤2获得的盘装电缆的波速v，乘以步骤4获得的第二电压信号在盘装电缆中的传播时间t，获得盘装电缆的长度。

以如下公式计算盘装电缆长度L：

L＝vt

式中：

v表示标定电缆的电缆波速。

t表示信号在电缆中的传播时间。

如图2所示，本发明还提供了一种时频域结合的盘装电缆测长***，包括：波速标定模块、信号注入模块、信号检测模块和数据处理模块。

波速标定模块，包括标定电缆，用于获取盘装电缆中的信号传播速度。波速标定模块还包括：长度测量工具，用于测量获得标定电缆实际长度L₀，标定电缆与盘装电缆参数相同，标定电缆沿装线盘中电缆绕行方向紧贴于其它匝电缆之上。

信号注入模块，与标定电缆或盘装电缆的首端相连接，用于向标定电缆首端输入设定频率f₀的第一电压信号，或向盘装电缆首端输入设定频率f₀的第二电压信号；信号注入模块包括：高频交流信号源4，高频交流信号源4的一对输出端子分别接至标定电缆或盘装电缆首端的缆芯和金属护套。第一、二电压信号的频率f₀的取值范围为f₀≥20MHz。

信号检测模块，与标定电缆的首端、末端分别相连接，或与盘装电缆的首端、末端分别相连接，获得首末端信号的时间差和相位差；信号检测模块包括：多通道高速示波器5，所述多通道高速示波器5的一个通道接至标定电缆或盘装电缆首端的缆芯和金属护套，另一通道接至标定电缆或盘装电缆末端的缆芯和金属护套；在标定电缆首端测得第一首端电压信号u₀₁，末端测得第一末端电压信号u₀₂，在盘装电缆首端测得第二首端电压信号u₁，末端测得第二末端电压信号u₂，获得第一首端电压信号u₀₁和第一末端电压信号u₀₂对应次序的波峰或波谷的时间差，以及第一首端电压信号u₀₁和第一末端电压信号u₀₂的相位差，获得第二首端电压信号u₁和第二末端电压信号u₂对应次序的波峰或波谷的时间差，以及第二首端电压信号u₁和第二末端电压信号u₂的相位差。

所述多通道高速示波器5的信号电缆与标定电缆或盘装电缆的阻抗匹配或接近，用于降低行波信号的反射。一个优选但非限制性的实施方式为，驻波比小于3即可视为信号电缆与标定电缆或盘装电缆的阻抗接近。

数据处理模块，使用信号检测模块的测量结果计算盘装电缆的波速v和盘装电缆的长度。数据处理模块，结合第一首端电压信号u₀₁和第一末端电压信号u₀₂的相位差，计算所述第一电压信号在标定电缆中的传播时间t₀，进而获得盘装电缆的波速v，使用第二首端电压信号u₁和第二末端电压信号u₂对应次序的波峰或波谷的时间差，结合第二首端电压信号u₁和第二末端电压信号u₂的相位差，计算所述第二电压信号在盘装电缆中的传播时间t。

本发明的实施，有助于在盘装电缆验收时准确获取电缆实际长度，一方面可以及时发现供货商是否存在偷工减料，避免不必要的经济损失；另一方面也可避免因标称长度与实际长度不一致带来的施工不便。

Claims (3)

1.一种采用基于时频域的盘装电缆测长***的测长方法，其特征在于，基于时频域的盘装电缆测长***包括待测电缆；用于向待测电缆输入电压信号的信号注入模块；用于获取待测电缆中电压信号的信号检测模块；根据所述信号检测模块的测量结果，用于计算盘装电缆长度的数据处理模块；所述信号注入模块的一对输出端子分别接至待测电缆一端的缆芯和金属护套，所述信号检测模块的一个通道接至待测电缆首端的缆芯和金属护套，另一通道接至待测电缆末端的缆芯和金属护套；所述信号注入模块为高频交流信号源；所述信号检测模块为多通道高速示波器；所述多通道高速示波器的信号电缆与待测电缆的阻抗匹配或接近；所述待测电缆与盘装电缆参数相同，待测电缆沿盘装电缆的绕行方向并紧贴于其它匝电缆之上；

所述测长方法，包括以下步骤：

步骤1，选用设定长度L₀的待测电缆，向所述待测电缆首端输入设定频率f₀的第一电压信号，在首端测得第一首端电压信号u₀₁，末端测得第一末端电压信号u₀₂；

步骤2，使用第一首端电压信号u₀₁和第一末端电压信号u₀₂对应次序的波峰或波谷的时间差，结合第一首端电压信号u₀₁和第一末端电压信号u₀₂的相位差，计算第一电压信号在待测电缆中的传播时间t₀，进而获得盘装电缆的波速v；

计算信号在待测电缆中的传播时间t₀的表达式为：

式中：

Δt₀表示第一首端电压信号u₀₁和第一末端电压信号u₀₂对应次序的波峰或波谷的时间差，

f₀表示第一电压信号的频率，

表示向下取整符号，

表示第一末端电压信号u₀₂超前第一首端电压信号u₀₁的角度；

盘装电缆的波速与待测电缆的波速相同，待测电缆的电缆波速v表达式为：

式中：

L₀表示待测电缆的长度，

t₀表示信号在待测电缆中的传播时间；

步骤3，向盘装电缆的首端输入设定频率f₀的第二电压信号，在首端测得第二首端电压信号u₁，末端测得第二末端电压信号u₂；

步骤4，使用第二首端电压信号u₁和第二末端电压信号u₂对应次序的波峰或波谷的时间差，结合第二首端电压信号u₁和第二末端电压信号u₂的相位差，计算第二电压信号在盘装电缆中的传播时间t；计算信号在电缆中的传播时间t的表达式为：

式中：

Δt表示高速示波器测量结果获得的首端电压信号u₁和末端电压信号u₂第一个峰值之间的时间差，

f₀表示第二电压信号的频率，

表示向下取整符号，

表示第二末端电压信号u₂超前第二首端电压信号u₁的角度；

步骤5，根据所述步骤2中的波速v与所述步骤4中的传播时间t，获得盘装电缆的长度；盘装电缆长度L的表达式为：

L＝vt

式中：

v表示待测电缆的电缆波速，

t表示第二电压信号在盘装电缆中的传播时间。

2.根据权利要求1所述的采用基于时频域的盘装电缆测长***的测长方法，其特征在于，所述步骤1中，待测电缆与盘装电缆参数相同，所述待测电缆长度大于1米。

3.根据权利要求1所述的采用基于时频域的盘装电缆测长***的测长方法，其特征在于，所述步骤1中，第一电压信号的频率f₀的取值范围为f₀≥20MHz。