引言
電力電纜是電能在電氣設(shè)備之間傳輸或控制信號在電氣設(shè)備之間傳遞及通信的重要媒介,在檢修維護電力設(shè)備及電力建設(shè)過程中發(fā)揮的作用十分重要。在實際工作中,電力電纜從早期的建設(shè)到后期投入運行后的運維,其對線、查線、探測和管理上均存在著很大的不足,具體表現(xiàn)為建設(shè)電纜時接線與鋪設(shè)核線技術(shù)不夠先進,電纜檢測效率較低,電纜探測精確度無法滿足電纜檢測實用性的要求,電纜檢測的準(zhǔn)確性與供電可靠性存在明顯差距,在復(fù)雜環(huán)境下,如運行時檢測、掩埋、強電磁干擾、多條電纜纏繞等情況下,電纜普查和數(shù)據(jù)信息的管理往往存在很大的技術(shù)漏洞和缺陷,究其原因均為缺乏有效的技術(shù)手段對電力電纜進行精準(zhǔn)地定位檢測。另外,電力電纜在后期的檢修運維中也存在著很大的困難,如21世紀(jì)以來,電力電纜快速發(fā)展,迅速從早期的新建過渡到了如今的大規(guī)模鋪設(shè),隨著城鎮(zhèn)現(xiàn)代化的推進,如今的電力電纜網(wǎng)絡(luò)錯綜復(fù)雜,因而在施工過程中,從輕度受損到被挖斷的情況屢屢發(fā)生,其原因主要在于早期電纜鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)大多沒有存檔記錄。此外,管理規(guī)范片面且落后、技術(shù)手段缺乏、人員不斷變動等因素也導(dǎo)致了此類情況的發(fā)生。
1雙調(diào)制波的合成
根據(jù)電纜信號傳輸模型,需要一個發(fā)射信號,且該信號的正反相周期特性須不同。而雙調(diào)制波是一種正相信號與反相信號不同的周期信號,其通過疊加兩個設(shè)計好的不同頻率的正弦波信號而產(chǎn)生,識別電力電纜便可基于該信號來完成。本項目所研究的電力電纜核線裝置正是基于該技術(shù),且兩個正弦波信號頻率設(shè)計為800Hz和1200Hz。
在設(shè)計雙調(diào)制波的過程中,不能選取頻率具有整數(shù)倍關(guān)系的兩個波形,其原因在于成倍數(shù)關(guān)系的兩個波形疊加后所得到的調(diào)制波相位變化了180。,如圖1和圖2所示(圖中選取的波形頻率為1kHz和3kHz,其頻率成倍數(shù)關(guān)系）。
為更方便地合成波形,選取波形的最優(yōu)方法是選擇頻率具有最小公倍數(shù)的兩個波形,故本項目選擇的是頻率分別為800Hz和1200Hz的兩個正弦波,其疊加后所得到的雙調(diào)制波頻率是400Hz,且波形正反相是截然不同的,如圖3所示,其分別是800Hz和1200Hz反相后的波形及疊加后所得到的波形。實際上,實現(xiàn)此效果的條件是兩個正弦波的頻率比為2/3。
由于逆變器的正弦信號受到開關(guān)頻率的限制,故采用上述頻率的正弦波信號。通常情況下,開關(guān)頻率在100kHz以下,如不間斷電源中的逆變器的開關(guān)頻率在20kHz左右。系統(tǒng)的開關(guān)頻率可設(shè)定為100kHz,導(dǎo)致波形畸變和開關(guān)頻率較難過濾的原因通常為調(diào)制波頻率過大,每個周波的開關(guān)周期過少。而且若頻率過高,考慮到傳輸線寄生參數(shù)的影響,會導(dǎo)致電纜上的信號嚴(yán)重衰減,從而減短信號的傳輸距離。另外,頻率不能太低,控制電纜內(nèi)部可能存在工頻交流電,其高頻諧波較弱,對上述兩個頻率的信號影響相對較小,這樣就能很容易地過濾掉低頻分量,得到400Hz的雙調(diào)制波信號。
2雙調(diào)制波信號相位分析
對雙調(diào)制波信號的某個周期進行快速傅里葉變換運算,可得到800Hz和1200Hz信號采樣周期起始點處的相位φ800和φ1200。根據(jù)這兩個相位可以求得800Hz信號峰值時(即φ800P=909),1200Hz信號的相位φ1200800P,且φ1200800P和φ800P=909均滿足一定的等式關(guān)系。
根據(jù)φ800與909的關(guān)系,匹配電纜上的信號劃分情形如圖4所示。
在情形1和Ⅲ所得到的φ800介于09～909之間,而情形Ⅱ和Ⅳ所得到的φ800介于909～3609之間。下面分析每一種情形以得到在不同情形下φ800和φ1200的關(guān)系。
在情形Ⅰ和Ⅲ下,起點到峰值經(jīng)過的相位為909-φ800,則1200Hz信號經(jīng)過的相位應(yīng)為2/3(909-φ800),于是:
對于情形V和s,起點到峰值經(jīng)過的相位為4509-φ800,則1200Hz信號經(jīng)過的相位應(yīng)為3/2(4509-φ800),于是:
由于以上計算結(jié)果有超過3609的可能,而快速傅里葉變換計算結(jié)果應(yīng)在09～3609,所以將09～3609之外的φ1200進行處理,減去或加上3609,直到0≤φ1200≤3609。
(P)3609表示若是P>3609,則P減掉3609:若是P<0,則P加上3609,直到0≤P<3609。
同理,非匹配電纜上的信號劃分情形如圖5所示。
在情形I和I下,起點到峰值經(jīng)過的相位為4509-φ800,則1200Hz信號經(jīng)過的相位應(yīng)為3/2(4509-φ800),于是:
對于情形Ⅲ和Ⅳ,起點到峰值經(jīng)過的相位為909-φ800,則1200Hz信號經(jīng)過的相位應(yīng)為3/2(909-φ800),于是:
3識別判據(jù)
根據(jù)上文分析的結(jié)果,φ800和φ1%00在雙調(diào)制波正反相情況下滿足不同的等式關(guān)系,且以上述關(guān)系作為識別判據(jù),不會產(chǎn)生誤判。
故,電纜匹配標(biāo)準(zhǔn)判據(jù):
和:
兩者滿足其一即可。
電纜不匹配標(biāo)準(zhǔn)判據(jù):
和:
兩者滿足其一即可。
雖然電纜不匹配判據(jù)不能直接確定電纜之間的匹配關(guān)系,但其可以檢測儀器。若檢測結(jié)果同時不滿足匹配和非匹配標(biāo)準(zhǔn)判據(jù),則可能是儀器發(fā)生故障,重新更換設(shè)備即可。
4結(jié)語
本文對基于雙調(diào)制波的電纜核線系統(tǒng)中的部分環(huán)節(jié)進行了研究,后續(xù)得到了部分電路的試驗結(jié)果且制造出了樣機。基于本文所述技術(shù)設(shè)計的電力電纜核線系統(tǒng)主要由發(fā)射端和接收端兩部分組成,其中發(fā)射端主要采用升壓逆變結(jié)構(gòu),通過電磁感應(yīng)原理將識別到的信號耦合到電力電纜的金屬鎧甲上:接收端采用相位識別技術(shù)來檢測和鑒別電力電纜金屬鎧甲上的信號,并判斷出電力電纜的相互對應(yīng)關(guān)系。如今,基于雙調(diào)制波技術(shù)的電力電纜核線系統(tǒng)已在智能管理系統(tǒng)中取得了良好的運行效果,通過該系統(tǒng),相關(guān)工作人員可以及時、精確地掌握電力電纜位置和情況,這對電力電纜的安全運維、日常管理、城市施工、事故預(yù)防等起到了積極作用。
