CN101701987A - 一种电缆相位分析识别方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种专门针对高压(35kV及以上)单芯运行电缆的电缆识别和相位测量的检测技术和装置。其中特别提供一种远距离进行待测电缆特征分析的检测装置，专门用于对待测高压(35kV及以上)单芯运行电缆进行电缆识别和相位检测，使用该装置在已知单芯电缆工作相位的位置通过非接触的采集方式进行电缆相位数据采集并进行初始化定义，形成比较基准值；其后可以在任意时间在需要检测的目标电缆位置同样通过该装置对单芯待测电缆采集工作电流、相位数据，并将所接收的信号通过A/D转换、放大、补偿、同步等处理后与基准单芯电缆的标准数据进行比较以确定其类型特征分析从而判断待测电缆的相位以及是否为目标电缆。

Description

一种电缆相位分析识别方法及其装置

一、技术领域

本技术发明属于电力检测领域，其涉及一种专门用于高压(35kV以上)单芯运行电缆的相位测量、识别装置。

二、背景技术

目前市场上提供的高压电缆相位检测仪，多采用直连法(如国产高压核相仪HXQ-Y)，在采取绝缘保护的条件下，将信号采集端与传输导线直接连接并形成检测回路，采集该电流信号进行相位计算，从而判断相位角。该方法测量准确，应用广泛，但仅适用于架空裸线的相位识别，对地下电缆则无法判断。

在我国城市电网建设中，电力输电线路由架空改为入地电缆已经成为广泛采用的方式，由于电力容量需求的不断增加，入地电缆的电压等级也在不断提高，不仅是10kV电压等级的配电网络，现在35kV、110kV等级的主网电缆也大量入地铺设，而且由于主网承担的功能和作用比配网(10kV)更为巨大，对其基础数据的准确性和完整性要求更高。

由于地下电缆施工过程中，施工的不规范，验收方法单一并缺乏有效的技术手段，很多电缆上都没有挂设标识牌甚至干脆挂牌错误。有些电缆由于铺设时间已经很长，上面的挂设的标志牌也已经字迹模糊、脱落、遗失，而在实际电力检修或则施工过程中，电缆通道中的电缆又非常多，对电缆的识别就显得犹为重要。如果无法掌握真实的电缆信息，不仅无法实现有效的管理，而且在维护、修理等施工中采用停电测试方法，不仅耗时费力，对电力用户的生活、生产带来影响，也存在诸多不安全因数。

针对35KV等级及以上地下高压电缆的检测识别，由于其电缆结构外层为铠装和护套，无法采用直连法进行相位检测，而且该类电缆基本采用单芯结构，电流强度大，在信号注入和检出时容易出现被淹没、磁饱和等现象，而且该电压等级的电网建设中必须符合电缆一端铠装接地，另一端铠装不接地的安全运行要求(如图4)，常规用于电缆测量的信号偶合注入法因为不能形成有效检测回路导致失效，无法从根本上解决电缆探测和识别中信号注入的问题。我们了解目前现在除了在敷设电缆时进行标注识别外，还没有有效的技术手段和办法对已经敷设的该等级运行电缆进行准确识别和相位判断，为此，本发明技术提供一种全新、迅速、可行、安全的检测装置，可在运行过程中准确性判断任何区段位置单芯电缆的相位，从而达到对单芯电缆的有效识别。

三、发明概述

本发明提供一种专门针对高压(35kV及以上)单芯运行电缆的电缆识别和相位测量的检测方法和装置。其中特别还提供一种远距离进行待测电缆特征分析的检测装置，专门用于对待测高压(35kV及以上)单芯运行电缆进行电缆识别和相位检测，使用该装置在已知单芯电缆工作相位的位置通过非接触的采集方式进行电缆相位数据采集并进行初始化定义，形成比较基准值；其后可以在任意时间在需要检测的目标电缆位置同样通过该装置对单芯待测电缆采集工作电流、相位数据，并将所接收的信号通过A/D转换、放大、补偿、同步等处理后与基准单芯电缆的标准数据进行比较以确定其类型特征分析从而判断待测电缆的相位以及是否为目标电缆。

本发明提供一种专门针对高压(35kV及以上)单芯运行电缆的电缆识别和相位测量的检测方法及其装置，该装置也称为电缆相位分析识别仪，可以在不停电的情况下，将运行电缆的工作电流、相位进行测量，并根据其特征值，对电缆进行轨迹巡查和目标电缆的准确识别。

具体地，根据本发明的发明目的，本发明提供一种电缆相位分析识别方法，包括如下步骤：

信号采集步骤，对待测电缆进行信号采集；

授时步骤，在所采集的采样信号中加入时间信号；

信号放大步骤，对所采集的样本信号进行滤波、放大处理；

信号过零鉴相处理步骤及比较步骤，对信号进行过零鉴相处理，以使其能在实际的过零点在比较器中及时翻转；

MCU处理步骤，将翻转信号输入MCU处理器进行处理，计算出接收信号峰值相对于时间信号的时间差，换算为相位差；

判定步骤，根据所述相位差与基准相位差进行比较，判定待测电缆的类型；

显示步骤，将判定结果输出至显示装置显示。

根据本发明的又一发明目的，进一步，该方法中所述时间信号为PPS同步脉冲信号。

根据本发明的又一发明目的，进一步，该方法中所述过零鉴相处理包括单向过零鉴相处理和/或双向过零鉴相处理。

根据本发明的又一发明目的，进一步，该方法中所述显示装置为LCD显示装置。

根据本发明的又一发明目的，本发明还提供一种电缆相位分析识别装置，其中包括：

信号采集装置，用于对待测电缆进行信号采集；

授时装置，用于在所采集的采样信号中加入时间信号；

信号放大装置，用于对所采集的样本信号进行滤波、放大处理；

信号过零鉴相处理装置及比较装置，用于对信号进行过零鉴相处理，以使其能在实际的过零点在比较器中及时翻转；

MCU处理装置，用于将翻转信号输入MCU处理器进行处理，计算出接收信号峰值相对于时间信号的时间差，换算为相位差；

判定装置，用于根据所述相位差与基准相位差进行比较，判定待测电缆的类型；

显示装置，用于将判定结果输出至显示装置显示。

根据本发明的又一发明目的，进一步，该装置中所述所加入的时间信号为PPS同步脉冲信号。

根据本发明的又一发明目的，进一步，该装置中所述过零鉴相处理包括单向过零鉴相处理和/或双向过零鉴相处理。

根据本发明的又一发明目的，进一步，该装置中所述显示装置为LCD显示装置。

与现有技术比较，本发明的优点是：

现有的以非开挖形式对地下电缆进行寻踪检测的设备都是基于电磁感应原理来进行测量判断的，如果待测电缆回路电阻过大，比如接地缺损、接地不良、电缆老化、防护层破损、接头受潮等因素，都会引起信号过度衰减甚至无信号，测量结果就会出现判断不明甚至错误，而现有的检测设备不具备工况条件判断能力，检测人员单纯以最终信号作为测量依据，带有很大的不确定性，无法准确判定目标电缆。本发明采用电缆相位分析识别，可以在任意点对高压(35kV及以上)单芯目标运行电缆进行准确、快速、有效的识别，不仅克服了电缆维护、修理过程中的技术问题，降低对电力用户的停电影响，解决了电力部门多年来未能有效解决的、现有检测手段和方法也带有明显缺陷和不足的客观难题，为电力地下电缆普查、轨迹定位、故障点的快速查找判断，提供了有效、可靠的保证；大大提高了电力部门对该等级地下电缆的管理能力和效果，将产生巨大的社会效益。

四、附图说明

以下通过附图和实施例对本发明做进一步说明：

图1为本发明的单向过零鉴相技术原理图；

图2为本发明的正负失调脉冲原理图；

图3为本发明的工作实况模拟图；

图4为本发明检测方法的工作原理及流程图；

图5为本发明的双向过零鉴相技术工作原理图；

图6为本发明的识别装置的主体结构图；

图7为本发明的内部结构图。

五、具体实施方式

参见图3，我们还提供一种高压(35kV及以上)单芯运行电缆的相位测量、电缆识别的检测装置即电缆相位分析识别仪，该仪器由电源模块、电流信号采集单元、信号整理单元、信号转换单元、同步授时单元、相位定义存储单元、中央处理及相位比较单元、输出和显示单元组成；其工作流程和原理描述如图3所示。

在实际工作中，我们通过以上方法对三相供电的高压单芯电缆可以进行准确的相位识别，工作实况模拟图见图4，其中A相电缆不同区段的仪器表示任何正向峰值采样符合0相位特征的判断为A相，任何正向峰值采样符合0相位+120度为B相，任何正向峰值采样符合0相位-120度为C相，考虑到信号采集的计算延时等因素，我们设定误差范围为-5度至+5度。经实际测量，该误差范围的设定可以保证测量的准确性。

参见图4，本发明提供的电缆相位分析识别的方法具体如下：

比较基准值的设定(也称为相位初始化定义)：我们设计的仪器把工作对象直接锁定在电力传输的工作频率，在我国，工作频率为50Hz，通过采集单元电流钳的耦合感应方式，首先将已知相位(假如A相，我们可以在变电站的出线间隔处进行测量设定)运行电缆上的工作电流波形取出来，经50HZ滤波、降噪、整理放大、模数转换，得到完整的50HZ标准正弦波波形，然后在其采集时间段内取正向波峰位置进行精确授时并计算其相位值(包括但不限于GPS定位授时技术、中国北斗星定位授时技术、RCT无线授时技术、原子钟或晶振授时)，初始定义该点相位为0(A)相位并存储记忆。根据我国电网建设技术规程，其他电缆的相位一定与该相相差±120度(2/3π)，分别为B相和C相，在已知相位的电缆段分别测定B相和C相的相位特征并进行初始定义和存储记忆；至此，完成电缆相位初始化定义并形成后续测量比较的基准值。

同步相位比较：通过上述工作程序和方法，检测人员在完成初始化定义后，可以用同一台仪器对目标电缆的任意位置在任意时间进行电缆相位测量。虽然检测人员无法精确控制测量点的信号采集时间，而且采集时间的不确定就直接导致信号缺乏可比性，无法实现相位的比较；所以我们借助精确的授时技术配合工作程序来完成。我国电网的工作频率是标准50HZ，即每隔0.02秒则完成一个标准的相位波形，由于整个电网的同步技术也是采用同步授时，根据前面所述，基准点采集为0相位(A相)，在该基准采集时间点以后0.02秒的整数n倍时间点采集取样(假如初始化定义测量时正向峰值时间为t1，则任意点测量时间t2必须满足t2＝t1+0.02S*N，N为任意数，只有符合该时间条件的相位测量值才具备可比性，我们通过预先设定的内置工作程序来保证任意点测量时其采样时间满足上述条件，这是本发明的一个关键问题)，其采样波形仍然为信号正峰值，相位也不变，还是0相位；将该参数与存储的A相特征参数进行比较，与初始化定义A相特征吻合一致的可以判断该目标电缆为A相。

依此类推，在任意段对B相和C相电缆在电缆测量也符合这一特征(此谓比较法)，与初始化时B相特征吻合的为B相；与初始化时C相特征吻合的为C相。

根据这个原理，在该电缆的任意位置取样测量，通过对规定采样时间正峰值采样就能识别该相电缆的相位，解决了单芯电缆相位识别问题；进一步判断就可以分辨出是否为目标电缆。

在实现过程中，为提高测量判断的准确性，排除我们还采用与常规单向过零鉴相有所区别的双向鉴相技术，具体说明如下：

单向过零鉴相的缺陷：单向过零鉴相的原理是两个同频正弦信号A和B，经过比较器过零比较和整形后，输出两个占空比为50％的方波脉冲P A和P B，P A和P B通过一鉴相电路得到ΦA B，我们称ΦA B为信号A和信号B的相位差，参见图1。

但实际的情况并非如此理想，由于受失调和温漂的影响，将使比较器不能在实际的过零点及时翻转。正失调时，比较器输出脉冲的占空比小于50％，负失调时，比较器输出脉冲的占空比大于50％。由此，不管我们是用正向过零鉴相还是负向过零鉴相，都将给相位测量带来误差，影响判断的准确性。除非两个比较通道具有相同的失调极性和相同的失调量，而这又是一种不现实的理想状况，参见图2。

关于双向过零鉴相的原理与实现，其基本工作原理如图5所示。既然误差是由过零脉冲偏离了50％的占空比而引起的，那么我们可以将两个失调方波脉冲修正成理想方波后再进行鉴相，或者用测量两个方波脉冲中心点的时间差来得出相位差。最简单的方法是对正向过零鉴相的结果和负向过零鉴相的结果取均值，把这个均值作为所期望的鉴相结果。这是运用了计量学中的系统误差正反向抵消法，将有效提高测量判断的准确性；我们称之为双向过零鉴相技术。这里采用了测量两个方波脉冲中心点的时间差。

本发明提供的电缆相位分析识别仪的主要组成如图6所示，其内部结构及原理图如图7所示。

通过上述技术和设备的使用，我们可以在任意点对高压(35kV及以上)单芯目标运行电缆进行准确、快速、有效的识别，不仅克服了电缆维护、修理过程中的技术问题，降低对电力用户的停电影响，解决了电力部门多年来未能有效解决的、现有检测手段和方法也带有明显缺陷和不足的客观难题，为电力地下电缆普查、轨迹定位、故障点的快速查找判断，提供了有效、可靠的保证；大大提高了电力部门对该等级地下电缆的管理能力和效果，将产生巨大的社会效益。

本发明并非仅限于在此明确描述的实施例。虽然先前的描述和附图描述了本实用新型的优选实施例，但是可以理解：在不脱离本发明的精神的情况下，在此可以产生各种附加、修改和替换。本领域普通技术人员很清楚：在不脱离本发明的精神或本质特性的情况下，可以以其他特殊形式、结构、布置、比例、以及利用其他元件、材料和部件来实现本发明。本领域的技术人员将意识到：本发明可以使用发明实际中使用的结构、布置、比例、材料以及部件和其他的许多修改，这些修改在不脱离本发明的原理的情况下而特别适应于特殊环境和操作需求。因此，当前公开的实施例在所有方面应被理解为说明性的而非对其请求保护的范围的限制。

Claims (8)

1.一种电缆相位分析识别方法，包括如下步骤：

信号采集步骤，对待测电缆进行信号采集；

授时步骤，在所采集的采样信号中加入时间信号；

信号放大步骤，对所采集的样本信号进行滤波、放大处理；

信号过零鉴相处理步骤及比较步骤，对信号进行过零鉴相处理，以使其能在实际的过零点在比较器中及时翻转；

MCU处理步骤，将翻转信号输入MCU处理器进行处理，计算出接收信号峰值相对于时间信号的时间差，换算为相位差；

判定步骤，根据所述相位差与基准相位差进行比较，判定待测电缆的类型；

显示步骤，将判定结果输出至显示装置显示。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述时间信号为PPS同步脉冲信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述过零鉴相处理包括单向过零鉴相处理和/或双向过零鉴相处理。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述显示装置为LCD显示装置。

5.一种电缆相位分析识别装置，其中包括：

信号采集装置，用于对待测电缆进行信号采集；

授时装置，用于在所采集的采样信号中加入时间信号；

信号放大装置，用于对所采集的样本信号进行滤波、放大处理；

信号过零鉴相处理装置及比较装置，用于对信号进行过零鉴相处理，以使其能在实际的过零点在比较器中及时翻转；

MCU处理装置，用于将翻转信号输入MCU处理器进行处理，计算出接收信号峰值相对于时间信号的时间差，换算为相位差；

判定装置，用于根据所述相位差与基准相位差进行比较，判定待测电缆的类型；

显示装置，用于将判定结果输出至显示装置显示。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述所加入的时间信号为PPS同步脉冲信号。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述过零鉴相处理包括单向过零鉴相处理和/或双向过零鉴相处理。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述显示装置为LCD显示装置。

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