CN106885970A

CN106885970A - 基于fdr法的船用低压电力电缆局部点故障检测方法

Info

Publication number: CN106885970A
Application number: CN201710088838.4A
Authority: CN
Inventors: 吴彦; 李露; 王进君; 李国锋; 王志强; 王宁会
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2017-02-20
Filing date: 2017-02-20
Publication date: 2017-06-23

Abstract

本发明公开了一种基于FDR法的船用低压电力电缆局部点故障检测方法。利用扫频仪(1)向被测电缆(3)发射一段正弦扫频信号，通过检波器(2)返回被测电缆始端(8)的故障信息，并通过显示器(7)显示全反射电压波形，从中获得波形频率差Δf，通过公式：计算得到故障点与入射点的距离L，其中，V_p为电缆的速度比，是已知量。本发明对船用低压电缆可能会产生的开路、短路等点故障能进行精确定位，具有定位精度高、操作简单，损耗少、成本低、安全性高等特点。

Description

基于FDR法的船用低压电力电缆局部点故障检测方法

技术领域

本发明涉及电缆故障检测技术领域，尤其涉及一种基于FDR法的船用低压电力电缆局部点故障检测方法。

背景技术

电缆作为电力系统的核心设备之一，在电能分配、传输以及一系列电力服务中扮演着至关重要的角色。低压电力电缆的局部点故障的查找和发现，一直是困扰电力行业的难题。目前常用的方法有电桥法和时域反射法。

电桥法^[1,2]的主要原理为采用双臂电桥测出电缆芯线的直流电阻值，再准确测量电缆实际长度，按照电缆长度与电阻的正比例关系，计算故障点位置。这种方法技术成熟，电路简单易实现，成本和体积都容易控制，但是这种方法由于其自身测量原理的限制，测量时必须电缆两端同时操作，对操作人员要求较高，测量精度受人为因素影响。

时域反射法(TDR，Time-domain reflection)的工作原理为在电缆一端加脉冲电压，则此脉冲按一定的传播速度沿线传输，当遇到阻抗不匹配的地方，如短路点、断线点、中间接头等，就会发生反射，记录下发送脉冲和反射脉冲之间的传输时间ΔT，则可按已知的传输速度V来计算出故障点的距离L＝ΔT·V/2。TDR测量法的优点在于操作方便，单端操作，测试精度较高^[3]。但是该方法过分依赖电缆障碍点阻抗的明显变化，导致很难判断高阻抗故障和间歇故障。

频域反射法(FDR)的概念在20年前就已提出，FDR测量原理是将扫频信号发射到待测的传输线/天线，并将其反射信号的测量数据经快速傅里叶逆变换(IFFT)转换为时域信息，根据电缆的相对传播速度时域信息(传播速度随电缆的介质材料的不同而改变)就可计算出距离。FDR技术早期主要应用在雷达测试系统中，近几年，随着电子技术应用的快速发展，也应用于通信电缆(传输线)的检测，是一种新兴的测量技术^[4]，目前市场上还没有出现成熟的产品。

本发明为一种基于FDR法的船用低压电力电缆局部故障点检测方法，与现有文献报道应用于通信电缆的FDR方法比较，不同之处在于：将FDR法应用于船用低压电力电缆局部故障点检测，电力电缆不具有理想的阻抗匹配特性，不同的电缆长度、电缆型号、介质厚度皆能在传输线的不同位置上引起不同的反射，所有的电缆都具有唯一的特征。采用驻波反射频域测量方法SWR(standing wave reflectometry)，通过电缆短路、断路下的反射信号幅值和相位差异分析，确定电缆局部故障点。参考文献如下：

[1]徐丙垠，李胜祥，陈宗军.通信电缆线路障碍测试技术,北京邮电大学出版社.2001:76-91。

[2]彭魁.利用交流电桥测量同轴电缆断点的研究,辽宁大学学报(自然科学版).1999,26(3):250-252。

[3]宋建辉.基于时域反射原理的电缆测长若干关键技术研究，哈尔滨工业大学博士学位论文，2010。

[4]柏思忠.基于SOPC和TFDR的电缆故障检测仪设计和实现,重庆大学硕士学位论文，2007。

发明内容

本发明的目的：提供一种基于FDR法的船用低压电力电缆局部故障点检测方法，采用驻波反射频域测量方法SWR(standing wave reflectometry)，通过电缆短路、断路下的反射信号幅值、相位差异分析，确定电缆局部故障点。

本发明提供了一种基于FDR法的船用低压电力电缆局部点故障检测方法。利用扫频仪向被测电缆发射一段正弦扫频信号，通过检波器返回被测电缆始端的故障信息，并通过显示器(7)显示全反射电压波形，从中获得波形频率差Δf，通过公式：计算得到故障点与入射点的距离L，其中，V_p为电缆的速度比，是已知量。

为了提高精度，优选的，在读取相邻波腹点或波节点间的频率间隔Δf时，读取N+1个波峰或波谷间的频率间隔f₂'-f₁'，则Δf＝(f₂'-f₁')/N，其中，f₂'为f₂'为第N+1个波峰或波谷处的频率，f₁'为第1个波峰或波谷处的频率，N为正整数，且N+1为波形图上所显示的波峰或波谷的总个数。

优选的，当被测电缆无故障时，没有反射波，显示器上将出现一条直线；当被测电缆断开或接触不良时，反射波与入射波同相；当电缆短路或受潮进水时使绝缘降低，反射波与入射波反相。

优选的，若被测电缆的速度比未知，取一段已知长度的与被测电缆同质的测试电缆，长度为L₀，测试电缆末端短路、开路均可，将其接入扫频仪测试系统，通过公式：计算被测电缆的速度比。

有益效果：本发明对船用低压电缆可能会产生的开路、短路等点故障能进行精确定位，具有定位精度高、操作简单，损耗少、成本低、安全性高等特点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于FDR法的船用低压电力电缆局部点故障检测方法原理图。

图2为驻波形成图。

附图标识：1、扫频仪；2、检波器；3、被测电缆；4、被测电缆终端；5、扫频输入端口；6、扫频输出端口；7、显示器；8、被测电缆始端；9、波腹点；10、波节点。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

一、本发明原理

本发明是利用扫频仪1向被测电缆3发射一段特定频带的扫频测试信号，假设输入信号经扫频输入端口5输入频率从f₀到f_n快速重复扫动的扫频信号，若被测电缆3本身出现故障，故障点处会发生阻抗不匹配现象。测试信号将在阻抗不匹配点发生反射，由传输线理论可知，入射波与反射波经检波器2在扫频输出端口6输出，由显示器7显示最终在被测电缆始端8叠加形成的驻波。

参照图1，测量系统包括扫频仪1、检波器2、扫频输入端口5、扫频输出端口6、显示器7组成。所述的扫频仪1可根据实际条件来选用，扫频输入端口5待输入信号和扫频输出端口6待输出的信号均需经检波器2进行检波。

若被测电缆终端4短路，被测电缆始端8输入信号振幅为E，初始相位为φ，设v为行波沿电缆传输的速率，以被测电缆始端8为坐标轴原点，被测电缆始端8到被测电缆终端4的方向为正方向，坐标轴上任一点表示被测电缆3上任一点x，则其沿被测电缆3传输的波动方程为：

该行波在被测电缆终端4发生全反射，被测电缆3总长度为L，则此反射波的波动方程为：

根据叠加原理，被测电缆上任一点处的波动方程为：

将ω＝2πf及带入可得：

令x＝0，被测电缆始端8叠加形成的波形振幅为与时间无关。且有：

当时，为波节点，此时k＝0,±1,±2,…，为λ/4的奇数倍；时，为波腹点，此时k＝0,±1,±2,…，为λ/4的偶数倍。

参照图2，相邻波腹点9或相邻波节点10间的间距为λ/2，由于信号在电缆中的传播速度不变，因此，当输入信号由单一频率f变为从f₀到f_n且步长固定的扫频信号时，相邻波腹点9，或相邻波节点10间的间距也固定不变，最终将在电缆上出现相邻波节点10间的频率差相同的驻波电压分布的图形。

设处于两相邻波节点10处的频率分别为f1和f2，在该被测电缆3中两个频率所对应的半波长分别为λ₁/2和λ₂/2，被测电缆始端8距被测电缆终端4的距离为这两个半波长的整数倍。当f₁＜f₂时，若L为λ₁/2的n倍时，那么它将为λ₂/2的n+1倍，即：

求解可得：

其中，n为正整数，Δf单位为MHz，V_p为电缆的速度比，即信号在电缆中传输的速度与在自由空气中传输的速度之比。只要测出相邻波峰或波谷间的频率间隔，知道电缆的速度比，便可以测出故障点与入射点的距离，即可实现电缆故障定位。

此公式也可以通过已知电缆长度来计算被测电缆的速度比。其中，测试电缆长度为L₀，测试电缆末端短路、开路均可，将其接入扫频仪测试系统，由公式(6)可推导出电缆的速度比计算公式为：

当被测电缆3无故障时，没有反射波，显示器7上将出现一条直线；当被测电缆3断开或接触不良时，反射波与入射波同相；当电缆短路或受潮进水时使绝缘降低，反射波与入射波反相。而出现故障时，显示屏上呈现出周期性波形，则可按本发明提供的方法，读取被测电缆3在相邻两波节的频率差，根据公式(7)、(8)即可判断出故障点位置。

被测电缆3为船用电力电缆，其规格型号应符合IEC60092-353:2001《船舶电气装备额定电压1kV到3kV挤包绝缘非径向电场单芯和多芯电力电缆》和国家标准GB/T《船舶电气装置额定电压1kV和3kV挤包绝缘非径向单芯和多芯电力电缆》中的规定。

二、实施例

1、取一段已知长度为L₀的船用乙丙橡胶电缆作为被测电缆3，如说明图1所示，电缆末端短路、开路均可，将扫频仪1的输出端与被测电缆始端8连接。

2、扫频仪1，使输出衰减为3dB，将输入衰减置于适当位置，显示器7波形幅度为50％左右既可。调整频率偏移，为了使电压波形不少于两个周期，选择扫频频段为0.1MHz～0.9MHz，在被测电缆始端8显示器7上观察全反射电压波形，读出波形频率差Δf(MHz)，由公式(8)计算速度比。

3、为提高测量的精度，在读取相邻波腹点9或相邻波节点10间的频率间隔Δf时，可读取N+1个波峰或波谷间的频率间隔f₂'-f₁'，则Δf＝(f₂'-f₁')/N。

4、当被测电缆3出现故障时，显示屏上呈现出如图2所示的周期性波形，被测电缆3实际在距离被测电缆始端8200m处发生断线故障，而从显示器7上读出的Δf为0.2MHz，带入公式7得到故障点距离始端8的测量结果为202.5m，误差仅为1.25％。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种基于FDR法的船用低压电力电缆局部点故障检测方法，其特征在于，利用扫频仪(1)向被测电缆(3)发射一段正弦扫频信号，通过检波器(2)返回被测电缆始端(8)的故障信息，并通过显示器(7)显示全反射电压波形，从中获得波形频率差Δf，通过公式：计算得到故障点与入射点的距离L，其中，V_p为电缆的速度比，是已知量。

2.根据权利要求1所述的基于FDR法的船用低压电力电缆局部点故障检测方法，其特征在于，在读取相邻波腹点(9)或相邻波节点(10)间的频率间隔Δf时，读取N+1个波峰或波谷间的频率间隔f₂'-f₁'，则Δf＝(f₂'-f₁')/N，其中，f₂'为第N+1个波峰或波谷处的频率，f₁'为第1个波峰或波谷处的频率，N为正整数，且N+1为波形图上所显示的波峰或波谷的总个数。

3.根据权利要求1或2所述的基于FDR法的船用低压电力电缆局部点故障检测方法，其特征在于，当被测电缆(3)无故障时，没有反射波，显示器(7)上将出现一条直线；当被测电缆(3)断开或接触不良时，反射波与入射波同相；当电缆短路或受潮进水时使绝缘降低，反射波与入射波反相。

4.根据权利要求1或2所述的基于FDR法的船用低压电力电缆局部点故障检测方法，其特征在于，若被测电缆(3)的速度比未知，取一段已知长度的与被测电缆(3)同质的测试电缆，长度为L₀，测试电缆末端短路、开路均可，将其接入扫频仪测试系统，通过公式：计算被测电缆(3)的速度比。