一种电缆故障检测及老化分析方法技术

本发明专利技术公开了一种电缆故障检测及老化分析方法。该方法基于频域的绝缘阻抗振荡理论，在非破坏性试验系统或破坏性试验系统获取的频域阻抗的振荡波谱分析基础之上，通过分析频域阻抗的振荡特征建立故障定位模型，然后比较测试振荡阻抗频谱缺陷与内部仿真曲线的差异，不仅可以实现远距离精确故障定位，还可以有效区分故障类型。与现有技术相比，本发明专利技术不仅能够实现故障的精确定位和多点定位，而且能够进行故障类型识别和绝缘老化状态分析，整个检测和分析过程人工经验依赖成分小，能够适用于1m-1000km、尤其适用于数百公里以上电缆。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，特别是涉及一种能够适用于 lm-1000km、尤其适用于数百公里以上长距离电缆的故障检测及老化分析方法。
技术介绍
电缆是工业和民用实业发展中必不可少的电力设备，广泛用于电能传输、控制信 号传输及通信系统中，因此维护和检测电缆成为确保电力系统、通信系统和控制装备必不 可少的工作。目前针对电缆故障检测主要有TDR定位法和FDR分析法等。 TDR定位法主要通过给电缆施加低压非破坏性直流脉冲信号，然后采集来自电缆 的反射信号，计算直流脉冲信号施加时间点T1和反射信号出现时间T2的时间差，然后直接 计算电缆故障位置。该方法操作和分析简单，但受到信号传输过程中衰减的影响，反射信号 波形容易发生畸变，导致难以区分反射信号和干扰信号，因此通常仅能用于5公里以下电 缆测试，且定位不够精确。TDR的另一缺点是人为操作经验成分较大，对于出现多个故障点 有多个反射脉冲时，造成获取的信号波形复杂，则很难进行多点故障定位。此外，TDR还不 容易进行电缆长度的测量，通常需要比对多次测试结果，或进行双端测试才能获得较准确 的电缆长度。 FDR分析法采用频域测量模式，通过计算或统计分析频域点上的反射信号强度来 寻找故障点，然后根据信号传播理论的衰减理论计算故障位置。FDR法通常采用扫频模式， 即通过捕捉到故障对应的特征频率点进行分析，从而采用峰值提取法测量信号幅度，不需 要严格考虑反射信号的波形，因此可获得较高精度，可用于10公里以下的电缆测试。但FDR 的缺点是扫频时间长，测量精度受到扫频步进频率的影响，即越长的电缆，扫频点越多，测 试时间就越长，如果采用缩小扫频点，则故障定位的误差就越大。目前针对FDR具体采用的 扫频频带和扫频步进等主要依赖测试人员的经验，因此FDR法的硬件结构相较TDR复杂，还 因为受到操作人员经验差别获得不同的测量结果（定位误差），且FDR对未知长度的电缆难 以估算。因此FDR的推广应用受到限制。 采用非破坏性的试验分析方法近年来逐渐受到欢迎，但目前基于TDR、FDR的分析 方法不仅面临以上问题，而且仅能用于电缆故障点的分析，对于电缆绝缘老化状态并不能 提供直接分析结果。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对现有技术的不足，提供一种能够适用于lm-1000km、尤其适 用于数百公里以上电缆的故障检测及老化分析方法，不仅能够实现故障的精确定位和多点 定位，而且能够进行故障类型识别和绝缘老化状态分析，整个检测和分析过程人工经验依 赖成分小。 为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下： 本专利技术提出了，主要技术思想在于：与传统基 于时域振荡理论不同，本专利技术基于频域的绝缘阻抗振荡理论，在非破坏性试验系统或破坏 性试验系统获取的频域阻抗的振荡波谱分析基础之上，通过分析频域阻抗的振荡特征建立 故障定位模型，然后比较测试振荡阻抗频谱缺陷与内部仿真曲线的差异，不仅可以实现远 距离精确故障定位，还可以有效区分故障类型。此外，本专利技术通过一套简单数学模型，计算 未知电缆的长度，或在未知电缆准确长度的条件下依旧可以进行测试，最终形成的故障定 位曲线同样可以展示电缆长度。所述电缆故障检测及老化分析方法具体包括以下步骤： ( -）向被试电缆施加步进频率△ fk的扫频信号，然后采集对应每个扫频频率输 入信号的电压时域信号和流经电缆内部形成回路的电流时域信号，并计算电缆的频域阻抗 和相位，绘制连续的阻抗频率曲线和相位频率曲线。向被试电缆施加的扫频信号是施加到 电缆绝缘导体与屏蔽层之间、或多芯电缆导体之间；被测电缆为空载状态、或输出短路状 态、或带负载状态；扫频信号的带宽为〇. IHz-IOGHz，扫频步进频率范围为ΙΗζ-ΙΟΜΗζ。 阻抗频率曲线和相位频率曲线测试通常由一定功率输出的扫频信号及其采集装 置完成，扫频试验信号施加到电缆上后，采集系统同时测量输出电压和负载电流值，然后采 用滤波或FFT运算等方法计算出阻抗频率曲线和相位频率曲线。 由于需要绘制阻抗频率曲线和相位频率曲线，试验电源输出有一定频率带宽，而 电缆绝缘层呈容性状态，在低频时呈阻性，高频时呈现容性或感性，因此针对不同的扫频 试验频率，流过绝缘层的电流也相应不同，而当电缆发生绝缘故障时，不论故障发生在屏蔽 层、或护套、或电缆中心导体内部、或电缆导体与屏蔽层之间、或电缆多芯导体之间，也不论 电缆远端是否短路、开路、或连接有负载，均可进行测试，并且绘制的阻抗频率曲线和相位 频率曲线既包括了电缆固有特性阻抗的频率特性，也包括了绝缘层故障或缺陷的阻抗频率 特性，还包括了负载特性（开路、短路或输出连接的负载）。 步骤（一）不对被试电缆的终端连接方式进行限制，也不限制单芯电缆或多芯电 缆，也不限制扫频试验输出的电压（不同额定工作电压不同，绝缘强度不同），但是由于电 缆的绝缘层总体是呈容性的，且随着电缆长度的增加，电容量增大，即同一频率下试验输 出的电流也随着电缆长度增大而增大，因此检测试验输出的电流可能会覆盖几个mA (如几 米）到数安培（A)(数公里长度），只需要扫频试验输出提供较低电压（几伏到数十伏）即 可测量电缆的阻抗频率曲线和相位频率曲线。因此可以说本专利技术提供了一种非破坏的试验 方法。 本专利技术也不限制扫频的具体步进值（即Afk)。即使Afk较大时，扫频点数较少， 绘制的曲线较为粗糙，也可以进行后续测试和分析，后续会根据曲线的异常点，进行二次精 密扫频测试，二次扫频的步进值只要求小于(即二次扫频高于原扫频精度）即可。不 过为将本专利技术阐述清楚，建议首次扫频的点数不少于30个点。可以分段扫频，也可以一次 性扫频。 只要确保测试的频率带宽足够，绘制的阻抗频率曲线和相位频率曲线为衰减振荡 波形，电缆越长对试验信号衰减越大，则阻抗频率特性曲线衰减幅度越大。不同于基于时域 的信号阻尼类衰减，本专利技术提出的阻抗衰减振荡，是一种基于频域的分析模式，不同的电缆 长度、传输速率和故障特征都会影响频域下的阻抗振荡幅度及其相位，通过分析频域下的 阻抗连续性，并考虑异常阻抗对应的相位，可以有效的分析电缆的故障缺陷，并且本专利技术通 过频域振荡模式分析还具有以下突出优点： a.由于阻抗频率曲线是扫频模式获得，每个频率点的测试信号是标准条件下输出 的，即在确保输出频率稳定、输出幅度稳定的条件获得，因此曲线的每个点的数值是稳定可 重复测试获取的，而其他基于时域的振荡分析方法，如阻尼振荡波试验方法，振荡波形随时 间迅速衰减，每个时间点捕捉需要采集系统具备较高时间分辨率外，每个时间点的衰减信 号易受外部干扰，因此基于时域的阻尼振荡波分析方法很难获得较高的重复性，给后续分 析增加了困难。因此一般阻尼振荡波分析方法一般仅能用于5公里以下设备，较长距离的 电缆振荡波形衰减迅速，已经很难区分是真是的衰减还是噪音。 b.电缆的故障或缺陷主要影响某个频率的特性阻抗，即试验频率接近电缆故障点 的特征阻抗时，会发生谐振状态，即在该频率点附近，测试的阻抗值会出现突变。而试验频 率远离故障阻抗的固有特征频率时，阻抗值会恢复常态。因此局部故障点不会显著改变整 个阻抗频率特性曲线的总体特征，该特点为后续建立振荡衰减模型打下了基础。 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电缆故障检测及老化分析方法，其特征在于：包括以下步骤：(一)向被试电缆施加步进频率Δfk的扫频信号，然后采集对应每个扫频频率输入信号的电压时域信号和流经电缆内部形成回路的电流时域信号，并计算电缆的频域阻抗和相位，绘制连续的阻抗频率曲线和相位频率曲线；(二)在步骤(一)绘制的阻抗频率曲线上，分别找到第一个阻抗峰值Z0及其对应的频率f0、和振荡幅度衰减最小阻抗值对应的振荡截止频率fd，并统计频率f0与振荡截止频率fd之间的振荡次数N；在步骤(一)绘制的相位频率曲线上找到频率f0对应的相位然后建立信号衰减振荡模型式中，β为频域衰减阻抗函数；Z0为第一个阻抗峰值，单位Ω；f0为Z0对应的频率，单位Hz；fd为振荡截止频率，单位Hz；N为f0与fd之间的振荡次数；为f0对应的相位，单位度；Δt为可变时间参数，单位s，取值范围为X取值为1‑10；(三)如果电缆长度已知，则计算得到信号传输速率式中，v为信号传输速率、单位m/s，L为电缆长度、单位m，其他符号同前面一致；如果电缆长度未知，则先估算电缆长度式中，L为电缆长度、单位m，v′为估计的信号传输速率、取值范围为100×106‑300×106m/s，其他符号同前面一致；然后将估算的电缆长度L代入公式计算得到信号传输速率v、单位m/s，式中，其他符号同前面一致；(四)将步骤(一)绘制的阻抗频率曲线与步骤(二)建立的信号衰减振荡模型在频率f0与振荡截止频率fd之间的频段进行比较，如果没有差异，则被试电缆无故障，然后转入步骤(六)进行电缆老化分析；如果存在差异，则被试电缆存在故障，接下来找到阻抗频率曲线上存在差异的频段Δf′及其间的阻抗峰值对应的频率fmax，并通过Δf′邻域所有测量获得的阻抗值进行傅立叶逆变换或小波逆变换得到时域图谱，在时域图谱上至少寻找两个相似信号的峰值之间的时间差Δt′、单位s，然后代入以下公式确定故障位置式中，Lf为故障位置、单位m，v为信号传播速率、单位m/s、由步骤(三)确定；(五)在步骤(四)得到的时域图谱中分析时域信号的初始相位，如果初始相位为零，则电缆故障为电缆中心导体变形或扭伤；如果初始相位大于零，则电缆故障为高阻类故障；如果初始相位小于零，则电缆故障为低阻类故障；如果在步骤(四)得到的阻抗频率曲线上的频段Δf′内存在至少两个阻抗突变点，则计算故障点的机械长度式中，ΔLf为故障点的机械长度、单位m，v为信号传播速率、单位m/s、由步骤(三)确定，f′N为第一个阻抗突变点对应的频率、单位Hz，f′N+1为第二个阻抗突变点对应的频率、单位Hz，f′N和f′N+1直接在阻抗频率曲线上寻找确定；(六)当步骤(四)中判定为被试电缆无故障时，将步骤(二)确定的频率f0与振荡截止频率fd之间的任意峰值阻抗对应的频率作为基波频率fsn；当步骤(四)中判定为被试电缆存在故障时，将步骤(四)确定的频率fmax作为基波频率fsn；然后分别以fsn、fsn的三倍、fsn的五倍和fsn的七倍作为谐波频率对被试电缆进行测量，根据公式分别计算得到四个传输导纳衰减系数，式中，α为传输导纳衰减系数、单位dB，Vin为施加到被试电缆的端电压、单位V，Iref为流经被试电缆的电流、单位A；接着再根据公式计算三次谐波衰减比ρ(f3)、根据计算五次谐波衰减比ρ(f5)、根据计算七次谐波衰减比ρ(f7)，式中，α(f3)、α(f5)、α(f7)分别为三倍、五倍、七倍基波频率fsn下测试的传输导纳衰减系数、单位dB，α(fsn)为基波频率fsn下测试的传输导纳衰减系数、单位dB；如果三次谐波衰减比ρ(f3)、五次谐波衰减比ρ(f5)和七次谐波衰减比ρ(f7)均小于0，则判定被试电缆未发生明显老化现象；如果三次谐波衰减比ρ(f3)、五次谐波衰减比ρ(f5)和七次谐波衰减比ρ(f7)均大于等于0同时小于0.5，则判定被试电缆存在轻微老化现象；如果三次谐波衰减比ρ(f3)、五次谐波衰减比ρ(f5)和七次谐波衰减比ρ(f7)均大于等于0.5同时小于1，则判定被试电缆存在严重老化现象。...

【技术特征摘要】
1. 一种电缆故障检测及老化分析方法，其特征在于：包括以下步骤： (一） 向被试电缆施加步进频率的扫频信号，然后采集对应每个扫频频率输入信 号的电压时域信号和流经电缆内部形成回路的电流时域信号，并计算电缆的频域阻抗和相 位，绘制连续的阻抗频率曲线和相位频率曲线； (二） 在步骤（一）绘制的阻抗频率曲线上，分别找到第一个阻抗峰值4及其对应的 频率&、和振荡幅度衰减最小阻抗值对应的振荡截止频率f d，并统计频率&与振荡截止频 率fd之间的振荡次数N ;在步骤（一）绘制的相位频率曲线上找到频率&对应的相位0〇; 然后建立信号衰减振荡模型式中，β为频域衰减阻抗函数；4为第一个阻抗峰值，单位ω A为4对应的频率，单 位Hz ;fd为振荡截止频率，单位Hz ;N为A与fd之间的振荡次数；00为&对应的相位，单 位度；At为可变时间参数，单位s,取值范围为I、X取值为1-10 ; (三） 如果电缆长度已知，则计算得到信号传输速率式中，V为信号 传输速率、单位m/s，L为电缆长度、单位m，其他符号同前面一致； 如果电缆长度未知，则先估算电缆长度.式中，L为电缆长度、单位m，V为估 计的信号传输速率、取值范围为l〇〇Xl〇6-3〇〇Xl〇6m/s，其他符号同前面一致；然后将估算 的电缆长度L代入公另，计算得到信号传输速率V、单位m/s，式中，其他符 号同前面一致； (四） 将步骤（一）绘制的阻抗频率曲线与步骤（二）建立的信号衰减振荡模型在频率 f〇与振荡截止频率fd之间的频段进行比较，如果没有差异，则被试电缆无故障，然后转入步 骤（六）进行电缆老化分析；如果存在差异，则被试电缆存在故障，接下来找到阻抗频率曲 线上存在差异的频段Λ f'及其间的阻抗峰值对应的频率fmax，并通过Λ Γ邻域所有测量 获得的阻抗值进行傅立叶逆变换或小波逆变换得到时域图谱，在时域图谱上至少寻找两个 相似信号的峰值之间的时间差At'、单位s，然后代入以下公式确定故障位置式中，Lf为故障位置、单位m，v为信号传播速率、单位m/s、由步骤（三）确定； (五） 在步骤（四）得到的时域图谱中分析时域信号的初始相位，如果初始相位为零， 则电缆故障为电缆中心导体变形或扭伤；如果初始相位大于零，则电缆故障为高阻类故障； 如果初始相位小于零，则电缆故障为低阻类故障； 如果在步骤（四）得到的阻抗频率曲线上的频段Af'内存在至少两个阻抗突变点， 则计算故障点的机械长度.·式中，△ Lf为故障点的机械长度、单位m， v为信号传播速率、单位m/s、由步骤（三）确定，Γ N为第一个阻抗突变点对应的频率、单 位Hz，f' N+1为第二个阻抗突变点对应的频率、单位Hz，f' 1<和^ N+1直接在阻抗频率曲 线上寻找确定； (六）当步骤（四）中判定为被试电缆无故障时，将步骤（二）确定的频率fQ与振荡 截止频率fd之间的任意峰值阻抗对应的频率作为基波频率fsn;当步骤（四）中判定为被试 电缆存在故障时，将步骤（四）确定的频率f max作为基波频率fsn ;然后分别以fsn、fsn的三 倍、fsn的五倍和fsn的七倍作为谐波频率对被试电缆进行测量，根据公式，分别计算得到四个传输导纳衰减系数，式中，α为传输导纳衰减系数、单位dB，Vin为 施加到被试电缆的端电压、单位V，1#为流经被试电缆的电流、单位A ;接着再根据公式汁算三次谐波衰减比P (f3)、根据计算五次谐波衰减比 P (f5)、根据计算七次谐波衰减比P (f7)，式中，a (f3)、a (f5)、a (f7)分 别为三倍、五倍、七倍基波频率fsn下测试的传输导纳衰减系数、单位dB，a (fsn)为基波频 率fsn下测试的传输导纳衰减系数、单位dB ; 如果三次谐波衰减比P (f3)、五次谐波衰减比P (f5)和七次谐波衰减比P (f7)均小 于〇,则判定被试电缆未发生明显老化现象；如果三次谐波衰减比P (f3)、五次谐波衰减比 P (f5)和七次谐波衰减比P (f7)均大于等于0同时小于0.5,则判定被试电缆存在轻微老 化现象；如果三次谐波衰减比P (f3)、五次谐波衰减比P (f5)和七次谐波衰减比P (f7) 均大于等于〇. 5同时小于1，则判定被试电缆存在严重老化现象。2. 根据权利要求1所述的电缆故障检测及老化分析方法，其特征在于：在步骤（五） 和步骤（六）之间，增加对最终精确故障位置的确定步骤以提高故障定位精度；增加步骤如 下： 根据步骤（四）确定的时间差At'计算故障的基频频率并在基频频率fb 与步骤（四）确定的频率fmax范围内对被试电缆进行二次扫频测量，获得二次阻抗频率 曲线，二次扫频步进频率Δ：Γ k小于步骤（一）中步进频率Afk;在二次阻抗频率曲线 上寻找阻抗峰值对应的频率、单位Hz，然后代入以下公式计算最终精确的故障位置式中，V为最终精确的故障位置、单位m，v为信号传播速率、单位m/s、由步 骤（三）确定；并将频率f_/作为基波频率fsn替代fmax作为基波频率fsn进入步骤（六） 的测量和计算。3. 根据权利要求1所述的电缆故障检测及老化分析方法，其特征在于：步骤（一）中 向被试电缆施加的扫频信号是施加到电缆绝缘导体与屏蔽层之间、或多芯电缆导体之间， 被测电缆为空载状态、或输出短路状态、或带负载状态；扫频信号的带宽为〇. IHz-IOGHz， 扫频步进频率范围为1Ηζ-10ΜΗζ。4. 根据权利要求1所述的电缆故障检测及老化分析方法，其特征在于：步骤（二） 中获得最佳△ t值的方法为小波变换或傅立叶变换或STFT短时傅立叶变换，结合高斯或 Hanning或Hamming或Welch或Kaiser开窗...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建，尹娟，张方荣，高兴琼，
申请(专利权)人：成都高斯电子技术有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51