CN108828015B - 一种用于电缆局部微弱物理损伤定位的方法及装置 - Google Patents

一种用于电缆局部微弱物理损伤定位的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于电缆局部微弱物理损伤定位的方法及装置，能够提升物理缺陷对分布参数的影响效果，具有更高的空间分辨率，可以更好反映出电缆微弱物理损伤，且定位精度高，误判点大幅降低甚至是没有误判点。该方法包括：通过SMA连接器处理被测电缆终端接头；根据被测电缆长度设置扫频信号带宽，以获取被测电缆的S参数和输入阻抗谱；根据输入阻抗谱计算被测电缆传输系数；根据S参数和电缆传输系数构建改进型传递函数，并获取相应的改进型传递函数谱；对改进型传递函数谱进行积分变换，将使改进型传递函数谱横坐标由频域变为空间域；计算变化率，根据电缆局部微弱缺陷定位曲线上的畸变峰值来确定损伤处具体位置。

Description

一种用于电缆局部微弱物理损伤定位的方法及装置
技术领域
本发明涉及电缆局部微弱物理损伤定位技术领域，尤其涉及一种用于电缆局部微弱物理损伤定位的方法及装置。
背景技术
随着电缆在各类电气系统的使用量逐年上升且占据了重要位置，每年因电缆直接或间接事故造成的损失高达上千亿元。电缆的运行状态与电力系统的安稳运行有着紧密的关系。
在实际运行中，电缆常由于机械、高温、潮湿等原因产生老化、磨损等不同损伤进而引发各种微弱物理损伤，这些微弱(例如，长度小于0.1米)的损伤一旦恶化将对电力系统正常运行造成严重影响。所以及时发现电缆局部微弱物理损伤具有重要意义。
现有电缆故障定位方法多为时域反射分析法，其向电缆发射脉冲信号，通过记录往返时间进行故障定位，但是由于反射信号强弱与电缆故障阻抗不匹配度成正比，对于较为微弱的损伤时域反射分析法无法有效进行反射信号的识别和提取，同时信号往返时间的确定也会存在误差，对于较长、损伤较为微弱的电缆该方法效果不太显著。近年有学者通过输入阻抗进行故障定位，但由于低频率情况下的遮蔽效应较为严重，对于电缆首末端的故障定位效果尚未可知。故开发电缆损伤定位新方法具有重大意义。
授权公告号为CN104025467B的中国发明专利公开了一种用于对在电信线内的损伤进行定位的方法和设备，其基于在与受损的电信线相同的捆绑器内驻留的邻近的其他线之间的串扰，通过确定串扰传递函数的周期来确定可能的损伤位置。然而，该方案空间分辨率较低，尤其是当局部损伤位于电缆首末端时的定位准确率较低。
发明内容
本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种用于电缆局部微弱物理损伤定位的方法及装置，能够提升物理缺陷对分布参数的影响效果，具有更高的空间分辨率，可以更好反映出电缆微弱物理损伤，且定位精度高，误判点大幅降低甚至是没有误判点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下各方面。
一种用于电缆局部微弱物理损伤定位的方法，其包括：
通过SMA连接器处理被测电缆终端接头，使线芯与铜屏蔽层形成回路；根据被测电缆长度设置扫频信号带宽，以获取被测电缆的S参数和输入阻抗谱；
根据输入阻抗谱计算被测电缆传输系数；根据S参数和电缆传输系数构建改进型传递函数，并获取相应的改进型传递函数谱；对改进型传递函数谱进行积分变换，将使改进型传递函数谱横坐标由频域变为空间域；
将被测电缆的改进型传递函数谱积分变换后图像与被测电缆无损伤情况下积分变换后图像作差来计算变化率，得到被测电缆局部微弱缺陷定位曲线图；根据电缆局部微弱缺陷定位曲线上的畸变峰值来确定损伤处具体位置。
优选的，扫频信号的最低频率
Figure BDA0001793984190000021
其中l为被测电缆长度，c为光速。
优选的，扫频信号的最高频率设置为500MHz。
优选的，电缆传输系数γ计算模型包括：
Figure BDA0001793984190000022
Figure BDA0001793984190000023
其中l为被测电缆长度，Zshort为短路情况下电缆输入阻抗，Zopen为开路情况下电缆输入阻抗，zl为电缆输入阻抗，z0为电缆特征阻抗，α为衰减常数，β为相位常数，ρ为反射系数，R、L、C、G分别为电缆分布参数情况下的单位电阻、单位电感、单位电容、单位电导。
优选的，改进型传递函数H'cable的计算模型包括：
Figure BDA0001793984190000031
其中Γo，Γs，Γm分别为电缆终端开路、短路、匹配情况下的反射系数，分别为Γo＝S11-open＝e-2lγ，Γs＝S11-short＝-e-2lγ，Γm＝S11-match＝0，γ为电缆传输系数，l为电缆长度，k为制约系数。
优选的，电缆局部微弱缺陷定位曲线图的计算模型包括：
Figure BDA0001793984190000032
Figure BDA0001793984190000033
其中fup和flow分别为上限频率和下限频率，lhealthy和lfault为被测电缆无损伤部分和有损伤部分长度，γhealthy和γfault为对应的传输系数；H(x)为变换函数，通过计算发生损伤后变换函数的变化率F(x)可以得到电缆微弱物理缺陷定位曲线。
优选的，扫频信号的扫频点数设置为小于或等于3201。
优选的，所述扫频点数为401点。
优选的，确定损伤处具体位置的定位误差不大于0.5％。
一种用于电缆局部微弱物理损伤定位的装置，其包括SMA连接器、矢量网络分析仪、以及电子设备；
其中，所述电子设备包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行任一项所述的方法；所述矢量网络分析仪通过SMA连接器与被测电缆连接，并通过输入输出接口与处理器连接以接收和/或发送数据信号。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：
通过改进型传递函数可以提升物理缺陷对分布参数的影响效果，即改进型传递函数可以更好反映出电缆微弱物理损伤，进而实现缺陷定位。并且由于定位方法采用积分变换可以改善“遮蔽区域”对于局部损伤位于电缆首末端时的定位效果的影响，同时由于“畸变峰值”数值较高，拥有较高的空间分辨率，能够准确找到故障所在，不易出现误判。
附图说明
图1是根据本发明示例性实施例的用于电缆局部微弱物理损伤定位的方法的应用原理示意图。
图2是根据本发明示例性实施例的S参数测试图。
图3是根据本发明示例性实施例的定位曲线和输入阻抗谱在图。
图4是根据本发明示例性实施例的用于电缆局部微弱物理损伤定位的装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了根据本发明示例性实施例的用于电缆局部微弱物理损伤定位的方法的应用原理示意图。该实施例的方法主要包括以下步骤：
步骤101：通过SMA(Sub-Miniature-A，超小A型)连接器处理被测电缆终端接头，使线芯与铜屏蔽层形成回路
具体地，通过SMA连接器将被测电缆的线芯与SMA连接器座芯焊接，同时将电缆屏蔽层与SMA连接器外层连接，基于SMA连接器使电缆本身构成测试回路，SMA连接器的使用可减少测试时接头处的误差。
步骤102：根据被测电缆长度设置扫频信号带宽，以获取被测电缆的S参数和输入阻抗谱
在各种实施方式中，为保证电缆处于分布参数情况，且为降低遮蔽区域的影响，最低频率
Figure BDA0001793984190000051
其中l为电缆长度，c为光速。上限频率过高将导致测试参数出现不必要抖动(如图2右侧所示)，为保证足够的带宽，同时降低测量误差，最高频率设置为500MHz。扫频点数理论上越高越好，但是考虑到扫频点数越多测试时间越长，根据本发明优选的实施例，扫频点数设置为小于或等于3201。将通过SMA连接器处理后的电缆接头后与矢量网络分析仪相连接，从而在扫频信号的激励下获取S参数，并可以通过平衡电桥法测量电缆的输入阻抗谱。
步骤103：根据输入阻抗谱计算被测电缆传输系数
具体地，电缆传输系数γ计算模型包括：
Figure BDA0001793984190000052
Figure BDA0001793984190000053
其中l为电缆长度，Zshort为短路情况下电缆输入阻抗，Zopen为开路情况下电缆输入阻抗，zl为电缆输入阻抗，z0为电缆特征阻抗，α为衰减常数，β为相位常数，ρ为反射系数，R、L、C、G分别为电缆分布参数情况下的单位电阻、单位电感、单位电容、单位电导。
步骤104：根据S参数和电缆传输系数构建改进型传递函数，并获取相应的改进型传递函数谱
改进型传递函数H'cable的计算模型包括：
Figure BDA0001793984190000061
Figure BDA0001793984190000062
其中Γo，Γs，Γm分别为电缆终端开路、短路、匹配情况下的反射系数，分别为Γo＝S11-open＝e-2lγ，Γs＝S11-short＝-e-2lγ，Γm＝S11-match＝0，γ为电缆传输系数，l为电缆长度，k为制约系数。
步骤105：对改进型传递函数谱进行积分变换，将使改进型传递函数谱横坐标由频域变为空间域
通过对改进型传递函数谱进行积分变换，将横坐标转换为“距离轴”，使得电缆改进型传递函数谱体现的“幅度-频率”关系转换为“幅值-距离”关系。
步骤106：将被测电缆的改进型传递函数谱积分变换后图像与被测电缆无损伤情况下积分变换后图像作差来计算变化率，得到被测电缆局部微弱缺陷定位曲线图
具体地，电缆局部微弱缺陷定位曲线图的计算模型包括：
Figure BDA0001793984190000063
Figure BDA0001793984190000064
其中fup和flow分别为上限频率和下限频率，lhealthy和lfault为电缆无损伤部分和有损伤部分长度，γhealthy和γfault为对应的传输系数；H(x)为变换函数，通过计算发生损伤后变换函数的变化率F(x)可以得到电缆微弱物理缺陷定位曲线。定位曲线中，对于无损伤处其幅值应在0附近，而有损伤处其幅值将远大于零值，产生一个或一段“畸变峰值”(视缺陷大小、长度等而定)，具有较高空间分辨率。
步骤107：根据电缆局部微弱缺陷定位曲线上的畸变峰值来确定损伤处具体位置
由于电缆传播系数与电缆分布参数(R、L、C、G)有关，当电缆出现局部损伤时，其电缆分布参数改变进而导致电缆传输系数随之变化，而改进型传递函数对于电缆微弱物理损伤更加敏感，对改进型传递函数谱进行“空间域”变换，并计算变化率，通过其幅值最大值点或区间即可找到损伤处具体位置。
在应用根据本发明典型实施例的方法进行电缆微弱物理损伤进行定位的一个具体应用中，被测电缆为同轴结构，长度为28.68m。使用SMA连接器处理好电缆接头后与矢量网络分析仪相连接，通过矢量网络分析仪进行直通校准后在上限频率为500MHz，扫频点数为401点的情况下进行S参数的测量，进而构建电缆在无损伤的正常情况下的改进型传递函数。使用小刀切割，在距离SMA连接器约19.6m处形成长度约0.04m微弱物理损伤，在此情况下再次进行S参数的测量。对所测两组数据进行积分变换并计算变化率，形成定位曲线，同时对该电缆通过输入阻抗谱进行定位，对比结果如附图3所示。
定位曲线和输入阻抗谱在图3中具有幅度上数量级的差别，其中幅值整体较大的为定位曲线，其在19.43m处出现了明显的“畸变峰值”，定位误差仅为0.5％，这个“畸变峰值”处即为电缆微弱物理缺陷所在，图中可以看出通过输入阻抗(内侧曲线)我们难以实现对微弱物理损伤的有效定位，具体表现为缺陷处的畸变峰值非常低，难以在定位图中与无损伤部分区分开来，而通过改进型传递函数(外侧曲线)可增加缺陷对分布参数的影响进而是缺陷处的峰值变高，最终精确定位电缆微弱物理损伤。
图4示出了根据本发明示例性实施例的用于电缆局部微弱物理损伤定位的装置结构示意图，其包括SMA连接器、矢量网络分析仪、以及电子设备410(例如具备程序执行功能的计算机、计算终端、服务器等)，电子设备410包括至少一个处理器411，电源414，以及与所述至少一个处理器411通信连接的存储器412和输入输出接口413；所述存储器412存储有可被所述至少一个处理器411执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器411执行，以使所述至少一个处理器411能够执行前述任一实施例所公开的方法；所述矢量网络分析仪通过SMA连接器与被测电缆连接，并通过输入输出接口413与处理器411连接以接收和/或发送数据信号；所述输入输出接口413可以包括显示器、键盘、鼠标、以及USB接口，用于输入输出数据；电源414用于为电子设备410提供电能。
本领域技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
当本发明上述集成的单元以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于电缆局部微弱物理损伤定位的方法，其特征在于，所述方法包括：
通过SMA连接器处理被测电缆终端接头，使线芯与铜屏蔽层形成回路；根据被测电缆长度设置扫频信号带宽，以获取被测电缆的S参数和输入阻抗谱；
根据输入阻抗谱计算被测电缆传输系数；根据S参数和电缆传输系数构建改进型传递函数，并获取相应的改进型传递函数谱；对改进型传递函数谱进行积分变换，将使改进型传递函数谱横坐标由频域变为空间域；改进型传递函数H'cable的计算模型包括：
Figure FDA0002936190240000011
Figure FDA0002936190240000012
其中Γo，Γs，Γm分别为电缆终端开路、短路、匹配情况下的反射系数，分别为Γo＝S11-open＝e-2lγ，Γs＝S11-short＝-e-2lγ，Γm＝S11-match＝0，γ为电缆传输系数，l为电缆长度，k为制约系数；
将被测电缆的改进型传递函数谱积分变换后图像与被测电缆无损伤情况下积分变换后图像作差来计算变化率，得到被测电缆局部微弱损伤定位曲线图；电缆局部微弱损伤定位曲线图的计算模型包括：
Figure FDA0002936190240000013
Figure FDA0002936190240000014
其中fup和flow分别为上限频率和下限频率，lhealthy和lfault为被测电缆无损伤部分和有损伤部分长度，γhealthy和γfault为对应的传输系数；H(x)为变换函数，通过计算发生损伤后变换函数的变化率F(x)可以得到电缆局部微弱损伤定位曲线；
根据电缆局部微弱损伤定位曲线上的畸变峰值来确定损伤处具体位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，扫频信号的最低频率
Figure FDA0002936190240000021
其中l为被测电缆长度，c为光速。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，扫频信号的最高频率设置为500MHz。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，电缆传输系数γ计算模型包括：
Figure FDA0002936190240000022
Figure FDA0002936190240000023
其中l为被测电缆长度，Zshort为短路情况下电缆输入阻抗，Zopen为开路情况下电缆输入阻抗，zl为电缆输入阻抗，z0为电缆特征阻抗，α为衰减常数，β为相位常数，ρ为反射系数，R、L、C、G分别为电缆分布参数情况下的单位电阻、单位电感、单位电容、单位电导。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，扫频信号的扫频点数设置为小于或等于3201。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述扫频点数为401点。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定损伤处具体位置的定位误差不大于0.5％。
8.一种用于电缆局部微弱物理损伤定位的装置，其特征在于，所述装置包括SMA连接器、矢量网络分析仪、以及电子设备；
其中，所述电子设备包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1至7中任一项所述的方法；所述矢量网络分析仪通过SMA连接器与被测电缆连接，并通过输入输出接口与处理器连接以接收和/或发送数据信号。
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