CN104133155B - 一种电缆局部缺陷诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电缆局部缺陷诊断方法，包括以下步骤：(1)提取待测电缆在完好情况下的固有传播系数；(2)测量待测电缆首端的输入阻抗幅值或相位频谱；(3)构建反映待测电缆沿线传播系数变化情况的沿线特性诊断函数；(4)寻找沿线特性诊断函数的尖峰值点，该尖峰值点所处位置即为缺陷所在位置，峰值越高说明缺陷越严重。实施本发明，能够实现电缆的局部缺陷的精确定位与严重程度诊断，减少电缆安全隐患。

Description

一种电缆局部缺陷诊断方法

技术领域

本发明涉及电气技术领域，具体涉及一种电缆局部缺陷诊断方法。

背景技术

电线、电缆在现代城市电网、飞机、轨道交通、舰船、电厂等电气系统的电能及通讯信号的输送中扮演着主要角色，其运行状态直接影响大型电气系统的安全与稳定。实际运行中的电缆常因局部缺陷而出现故障，电缆局部缺陷主要包含局部绝缘老化以及局部外力破坏两个方面。

城市供电系统中的电力电缆敷设在电缆沟或直接埋于地下，敷设环境与使用状态会极大的影响电缆寿命。电力电缆长期在不同土壤、水分、潮气、温度环境下运行，绝缘易受到腐蚀渗透而发生绝缘局部老化；地下电力电缆常会因机械外力而发生绝缘破坏，最终导致电缆永久性故障。据调查，高压电力绝缘电缆的绝缘损坏事故约占高压电气设备事故的40％左右。

飞机、轨道交通、舰船等大型电气交通系统对电缆的安全运行提出了更为严格的要求，在这些电气系统中电缆担任着电能以及控制信号传输的主导作用。1996年7月，由于飞机电缆局部过热老化产生电火花导致油箱爆炸，使得一架波音747飞机上的230名乘客无一生还。

核电站内存在大量长度较短而电压等级较高的电缆，核电事故的发生往往开始于局部的核泄漏，电缆在高剂量核辐射下其有机高分子结构将遭破坏而发生快速老化，将导致电缆故障而使得和反应堆失去控制，最终将导致核电站重大安全事故。

可见，电缆局部缺陷得不到及时排除，将会造成严重的经济损失和社会影响。现有的时域反射法(TDR)能利用脉冲信号实现电缆故障定位，但尚无法完成局部缺陷的诊断。电缆的局部放电定位是探测局部缺陷的一种方法，而其存在局部放电信号衰减严重，局部放电信号分离技术要求高，多点局部放电检测难等缺点。现有的电缆的检测技术尚停留在故障定位方面，缺乏对局部缺陷快速、准确的诊断的方法，无法及时排除电缆的潜在威胁，不能防患于未然，因此开展电缆的局部缺陷诊断新技术意义重大。

发明内容

本发明提供了一种基于阻抗谱的电缆局部缺陷诊断方法，实现电缆的局部缺陷的精确定位与严重程度诊断。

一种电缆局部缺陷诊断方法，包括以下步骤：

(1)提取待测电缆在完好情况下的固有传播系数γ；

(2)测量待测电缆首端的输入阻抗幅值或相位频谱Z(f)，测试频率f满足f_min≤f≤f_max，其中，下限值上限值f_max≥100f_min，l为被测电缆长度，L和C分别为待测电缆的固有分布电感和电容；

(3)构建反映待测电缆沿线传播系数变化情况的沿线特性诊断函数e为自然对数的底，x为待测电缆沿线位置变量；

(4)寻找沿线特性诊断函数F(x)的尖峰值点，该尖峰值点所处电缆位置即为缺陷所在位置，峰值越高说明缺陷越严重。

进一步地，所述步骤(2)采用宽频阻抗分析仪测量待测电缆首端的输入阻抗幅值或相位频谱Z(f)，若待测电缆为同轴电缆，则测试电极为芯线和屏蔽层，若待测电缆为多芯分裂电缆，则以任意两芯线作为测试电极。

进一步地，所述步骤(1)取待测电缆在完好情况下的固有传播系数γ通过电缆的几何尺寸以及绝缘材料特性计算获得或通过截取相同型号电缆利用阻抗分析仪测量获得。

本发明的技术效果体现在：

本发明利用电线或电缆出现局部缺陷时，主要分布参数的变化引起首端输入阻抗宽带频谱变化的现象为检测依据，利用电缆固有传播系数构造积分变换函数，对所测的阻抗幅值或相角频谱进行积分变换，获得反映电缆特征量随电缆长度变化的诊断函数，从而实现局部缺陷的精确定位与缺陷状态的评估。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2本发明实施例中局部老化的诊断曲线图；

图3本发明实施例中局部破损诊断曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

本发明所述电缆，包括低压民用电线以及高压电缆。

参见图1，本发明电缆局部缺陷诊断方法，包括以下步骤：

(1)电缆固有传播系数基础数据的获取步骤：

电缆的完好情况下的固有传播系数可通过电缆的几何尺寸以及绝缘材料特性计算获得，也可通过截取一定长度的同型号电缆利用阻抗分析仪直接测量获得。传播系数测量方法直接且准确，具体方法为：利用阻抗分析仪测量长度为l的同型号电缆在末端开路时的首端输入阻抗Z_op，以及末端短路时的首端输入阻抗Z_sc，则该型号的电缆传播系数γ可由下式计算：

$\mathrm{\γ}=\frac{1}{l}{\tanh }^{-1}\sqrt{\frac{Z_{\mathrm{sc}}}{Z_{\mathrm{op}}}}---\left(1\right)$

在获取了大量不同型号的电缆的传播系数后，可建立基础数据库，便于现场诊断工作的及时开展。

(2)被测电缆首端输入阻抗频谱的测量步骤：

如附图1所示，利用宽频阻抗分析仪测量电缆首端的输入阻抗幅值或相位频谱Z(f)，对于同轴电缆测试电极为芯线和屏蔽层，对于多芯分裂电缆则以任意两芯线作为测试电极。电缆末端可为开路、短路或连接具体负载。测试频率f的下限f_min需满足以下关系：

$f_{\min }\≥\frac{1}{l\sqrt{\mathrm{LC}}}---\left(2\right)$

其中L，C分别为电缆固有分布电感和电容。

测试频率上限值f_max需满足以下关系：

f_max≥100f_min (2)

(3)电缆的沿线传播系数变化情况诊断函数构建步骤:

利用电缆固有传播系数构造积分变换函数，对所测的阻抗幅值或相角频谱进行积分变换，获得反映电缆特征量随电缆长度变化的诊断函数。具体来说，利用电缆传播系数γ以及电缆沿线位置变量x构造核函数e^-2γx,对所测幅值或相位频谱进行积分变换：

$F\left(x\right)={\∫}_{f_{\min }}^{f_{\max }}Z\left(f\right)e^{-2\mathrm{\γx}}\mathrm{df}---\left(3\right)$

其中，f_min,，f_max分别为频率范围上下限，Z(f)为被测电缆阻抗幅值或相角频谱，e为自然对数的底，函数F(x)为可反映电缆的沿线传播系数变化情况的诊断函数。

(4)诊断函数峰值点寻找步骤：

对积分变换后的电缆的沿线特性F(x)绘制沿线特性诊断函数图像，若图像中出现尖峰则说明电缆存在局部缺陷，尖峰所在处为缺陷所在位置，尖峰值越大，则说明对应缺陷的越严重。若图像中无明显尖峰则说明电缆运行状态良好。

实施例

为使本发明的内容更为清晰直观，分别对四根长度为50m的30kV交联聚乙烯电力电缆在局部老化和局部破损两种缺陷情况下进行了诊断试验。试验样品为典型同轴结构，其芯线半径r_c为6.3mm,绝缘厚度a为9.6mm,外导体半径r_s为15.8mm。

完好情况下，利用直接测试方法获取电缆的固有传播系数。然后，样品A与样品B用高浓度盐水(沸点110℃左右)在20m到20.5m处分别连续加热120小时和240小时，形成局部老化缺陷。样品C和D分别在20m处人为刮去长度为0.05m及0.1m绝缘结构，形成局部破损缺陷。利用阻抗分析仪测试两样品在频率范围在1M到100M下的阻抗幅值和相位谱，利用积分变换算法对相位谱进行分析，形成诊断曲线如图2和图3所示。

由图2可见，在20m附近诊断曲线出现明显的尖峰，因此局部老化缺陷能被精确定位，且样品老化时间越长，尖峰值越大。由图3可见，20m处尖峰有效的定位了该处的局部破损缺陷，且破损长度越大尖峰值越大。对比诊断结果可知，尖峰能定位老化和破损局部两种缺陷，同时表征缺陷严重性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的一个实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电缆局部缺陷诊断方法，包括以下步骤：

(1)提取待测电缆在完好情况下的固有传播系数γ；

(2)测量待测电缆首端的输入阻抗幅值或相位频谱Z(f)，测试频率f满足f_min≤f≤f_max，其中，下限值上限值f_max≥100f_min，l为被测电缆长度，L和C分别为待测电缆的固有分布电感和电容；

(3)构建反映待测电缆沿线传播系数变化情况的沿线特性诊断函数e为自然对数的底，x为待测电缆沿线位置变量；

(4)寻找沿线特性诊断函数F(x)的尖峰值点，该尖峰值点所处电缆位置即为缺陷所在位置，峰值越高说明缺陷越严重。

2.根据权利要求1所述的一种电缆局部缺陷诊断方法，其特征在于，所述步骤(2)采用宽频阻抗分析仪测量待测电缆首端的输入阻抗幅值或相位频谱Z(f)，若待测电缆为同轴电缆，则测试电极为芯线和屏蔽层，若待测电缆为多芯分裂电缆，则以任意两芯线作为测试电极。

3.根据权利要求1所述的一种电缆局部缺陷诊断方法，其特征在于，所述步骤(1)提取待测电缆在完好情况下的固有传播系数γ通过电缆的几何尺寸以及绝缘材料特性计算获得或通过截取相同型号电缆利用阻抗分析仪测量获得。