大功率电法勘探发射机输出电缆状态监测系统分析

刘晓琼, 彭家林,2, 李 广, 石福升, 常雪良, 杨晓柏, 丁 雪

(1.江西省防震减灾与工程地质灾害探测工程研究中心(东华理工大学),江西 南昌 330013； 2.中国广核集团有限公司,广东 深圳 518000)

1 绪论

大功率电法勘探广泛用于矿产资源勘探以及工程勘查等领域，其输出功率高达数百千瓦[1-2]。由于输出电缆长达数千米，铺设工作量较大，为提高效率，电缆铺设以后直到施工结束时才回收[3]。输出电缆通常为截面积较大的铜芯电缆，价值较高，电缆被盗事件时有发生。长时间置于野外的电缆容易受到车辆碾压或动物啃咬而破损。当输出电缆遭到破损时，不仅会造成经济损失和工期延误，更重要的是，电缆断裂处裸露在地表，会造成极大的安全隐患，危及断口处人畜的生命安全[4-6]。为防止此类事件的发生，通常的做法是指派专人进行不间断巡视，长时间的巡视不仅工作量大，且人类肉眼巡查有时并不容易发现电缆的断裂或者破损之处[7]。此外，现有的电法勘探发射机通常不具备接地电阻测量的功能。测量接地电阻时，通常需要将输出电缆断开，然后利用蓄电池、万用表等设备进行间接测量，操作繁琐且精度不高。

针对上述问题，本文设计了一种基于ARM高性能处理器、可安装于电法勘探发射机并能监测其输出回路状态的系统。用于在发射机停止工作时(如开机施工前及晚上停机休息时)监测接地电阻或者发射机输出电缆的连接状态，实现在回路遭到破坏时即时发出声光报警，并通过无线通信手段通知工作人员，防止因电缆损坏造成次日施工时发生安全事故。

2 方案设计

2.1 系统结构

系统结构框图如图1所示。根据监测功能的需要，系统的主要模块包括：STM32主控制器模块、电缆状态信息采集模块、DHT11温湿度模块、声光报警模块、DS1302实时时钟模块、AT24C02存储模块、GSM无线通信模块、LCD显示模块。其中电缆状态信息采集模块用于获取输出电缆的连接状态以及测量接地电阻[8]。

图1 系统结构框图

DHT11数字温湿度传感器模块的功能是监测当前环境的温湿度，当温度太高或湿度过大时，及时通知工作人员当前温湿度不适合大功率电法勘探作业[9]。DS1302实时时钟模块能够准确记录故障或事件发生的时间。GSM无线通信模块型号为SIM800C，用于输出电缆遭到破坏等紧急事件发生时实时呼叫勘探人员并将当前发生的紧急事件的具体信息发送至勘探人员的手机。AT24C02存储模块用于记录系统发生的故障或者输出电缆遭破坏等紧急事件发生的时间，便于后续勘探人员或者维修人员查看。系统选用的显示模块为3.5寸的TFT型LCD屏幕，该模块通过FSMC总线与STM32主控制器芯片相连，以提高显示屏的刷新速率。

2.2 输出电缆状态监测方法及电路模型

电缆状态信息采集模块为本系统的关键模块，其功能有二：一是采集代表输出回路状态的电压量以实现对当前输出回路状态的判断；二是通过采集到的电压信息计算当前输出回路的接地电阻阻值。图2为本监测系统的电缆状态信息采集模块的等效电路原理图。

图2 输出电缆状态监测等效电路原理图

其中Ra、Rb为已知阻值的高精度电阻，Rx为极间接地电阻。接地电阻测量原理为：将VCC分别通过Ra、Rb流经电缆接入大地后，再分别通过电阻Ra和Rb获取代表输出回路状态的电压信号Va、Vb，随后将采集到的模拟电压信号Va、Vb输入主控制器模块STM32芯片的内部ADC。通过分析Va、Vb的值，便能求得极间接地电阻Rx和判断发送电缆A、B的状态。当忽略输出电缆自身电阻时，极间接地电阻Rx的求取公式为：

IRx=(VCC-Va)/Ra

(1)

进而：

Rx=Va/IRx(VCC-Va)

(1)

发送电缆A、B的状态判断见表1。

表1 发射机输出电缆状态判断方法

上表中Va测得值的求取公式为：

IRx=IRa=VCC/(Ra+Rx)

(3)

进而：

Va=IRx×Rx=Rx×VCC/(Ra+Rx)

(4)

3 系统测试

系统开机后，若首先检测GSM模块连接状态，连接正常则显示“Connected”，连接异常则显示“Unconnected”。GSM模块连接正常后，即可用于电缆状态监测功能的测试。

当保持输出电缆B正常连接，断开输出电缆A时，系统立即触发声光报警，同时将该情况通过短信通知工作人员并在液晶显示器上显示。事件发生后，按下查询按键便可以读取存储器内记录下的紧急事件内容及发生时间。如图3所示为按下查询按键后的查询结果。从图3中可以看出2020年6月28日23时02分47秒发生了输出电缆A断开的事件。此外，系统屏幕上实时显示了当前时间、接电阻、温度、湿度以及GSM连接状态等信息。随后，我们对B电缆断开、A和B两电缆同时断开等情况分别进行了测试。测试结果与表1所述情况一致。

图3 事件查询结果

4 结论

本文针对大功率电法勘探在生产实践过程中所遇到的问题提出了一种输出电缆状态监测方法，并设计出一款实用的发射机输出回路状态监测系统。该系统能够可靠地排查出电法勘探发射机输出电缆断裂时存在的安全隐患，减轻了发射机值守人员的工作负担，并具有自动测量接地电阻的功能。系统还具有体积小、功耗低、即时报警、安装方便等优点。

当输出电缆破损但没有断开时，也存在极大的安全隐患，本文所述监测系统没有考虑这种情况。此外，在极少数偏远地区，如戈壁滩、沙漠、深山老林等没有GSM信号或者GSM信号弱的区域，本文所述系统的使用将受到一定的限制，因此，后续改进的升级版将致力于解决上述问题。