CN109540834A - 一种电缆老化监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种电缆老化监测方法及系统，通过控制无人机进行牵引光纤至电缆所在区域的预设位置；采用无人机对电缆进行拍摄并获取图像；根据图像选取电缆的待检测区域，并将光纤的探头定位至待检测区域；采用携有光纤的探头的太赫兹时域光谱仪对待检测区域进行光谱或图像信息采集并进行分析后，给出电缆老化程度的判定结果。由此借助太赫兹时域光谱仪、无人机、光纤探头等设备，即可智能地对电缆老化进行大面积高效排查，提高了电力网络运行的可靠性，从而消除了安全隐患；同时无需电力工人进行高空作用，减少了人工成本并且降低了危险系数，解决了现有的电缆老化监测技术存在着需依靠电力工人携带检测设备进行高空作业，导致操作繁琐和危险系数高的问题。
Description
技术领域
本发明属于电缆老化监测技术领域，尤其涉及一种电缆老化监测方法及系统。
背景技术
随着城市电网的升级改造和不断增长的工业需求，耐用、可靠、工艺成熟以及运行简单的交联聚乙烯(XLPE)电缆取代了充油电缆，成为电力传输网络系统中使用最广泛的电缆，主要由导电线芯、绝缘层和保护层等几个部分组成(为方便叙述，下文中“电缆”均代表“XLPE电缆”)。其中，绝缘层的性能对是衡量电缆使用寿命长短和是否安全可靠运行的重要指标。除了加工生产过程中出现的绝缘层微孔、气泡和表面毛刺等缺陷外，电缆在运行中受到的电场、水分、化学腐蚀、机械作用以及生物侵蚀等因素也加剧了绝缘层的损伤，诱发其产生水树枝、电树枝、热老化以及硫化等老化现象，导致电缆击穿、电力系统传输中断、短路以及火灾事故的发生，给人民生命财产和社会生产安全造成严重的危害。特别是在高强度的用电需求下，使得电缆的老化速度进一步加剧。因此，定期对电缆绝缘层进行老化监测和维护，发现排查潜在风险，是极其必要的。
目前，相对成熟且得以实际应用的电缆老化监测方法包括直流分量法、直流叠加法、在线介质损耗正切法、局部放电法、交流叠加法、低频叠加法等，这些检测技术的出发点都是通过监测电缆绝缘层的空间电荷、绝缘电阻以及运行温度等参数的变化情况，从而反映出绝缘层的老化程度。目前，最常用有效的监测手段是在铺设电缆时将相应的监测设备的传感器同时与电缆连接，通过传感器等设备和后台数据处理分析，对电缆的运行情况实现在线实时监测，该方法精确度高，具有较强的可行性；但整体建设和维护费用偏高。
另外，普通城镇中早期铺设的电缆，主要架设在空中，布线相对混杂，缺乏在线检测装置。维护检查时主要依靠电力工人携带检测设备进行高空作业，操作繁琐，危险系数高，且不利于大范围的有效检查。此外，目前实际检测中主要针对电缆绝缘层的宏观变化来衡量其老化程度，很少涉及到分子层面的变化监测。而材料介电谱，FTIR分子振动光谱及X射线衍射谱等分子检测分析技术，主要应用在实验室研究上，且获取的电缆微观结构信息有限，不利于在实际应用中开展大面积的电缆检测。
THz(Terahertz，太赫兹波)指频率处于0.1-10THz(波长0.03-3mm)的电磁波，对工业绝缘材料穿透性良好，同时具有光子能量小、非接触、无损检测、且不受高温压强限制的优势。同时，据研究表明，THz可以穿透电缆绝缘层，对其内部结构进行研究；同时。其内部的高分子聚合物能够对THz波产生特征吸收，可以利用THz波揭示绝缘层老化过程中的分子结构和特性，衡量电缆的老化损伤情况。
因此，现有的电缆老化监测技术存在着需依靠电力工人携带检测设备进行高空作业，导致操作繁琐和危险系数高的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电缆老化监测方法及系统，旨在解决现有的电缆老化监测技术存在着需依靠电力工人携带检测设备进行高空作业，导致操作繁琐和危险系数高的问题。
本发明第一方面提供了一种电缆老化监测方法，所述电缆老化监测方法包括：
控制无人机进行牵引光纤至电缆所在区域的预设位置；
采用所述无人机对所述电缆进行拍摄并获取图像；
根据所述图像选取所述电缆的待检测区域，并将所述光纤的探头定位至所述待检测区域；
采用携有所述光纤的探头的太赫兹时域光谱仪对所述待检测区域进行光谱或图像信息采集并进行分析后，给出所述电缆老化程度的判定结果。
本发明第二方面提供了一种电缆老化监测系统，所述电缆老化监测系统包括：
控制模块，用于控制无人机进行牵引光纤至电缆所在区域的预设位置；
图像获取模块，用于采用所述无人机对所述电缆进行拍摄并获取图像；
探头定位模块，用于根据所述图像选取所述电缆的待检测区域，并将所述光纤的探头定位至所述待检测区域；
分析及判定模块，用于采用携有所述光纤的探头的太赫兹时域光谱仪对所述待检测区域进行光谱或图像信息采集并进行分析后，给出所述电缆老化程度的判定结果。
本发明提供的一种电缆老化监测方法及系统，通过控制无人机进行牵引光纤至电缆所在区域的预设位置；采用无人机对电缆进行拍摄并获取图像；根据图像选取电缆的待检测区域，并将光纤的探头定位至待检测区域；采用携有光纤的探头的太赫兹时域光谱仪对待检测区域进行光谱或图像信息采集并进行分析后，给出电缆老化程度的判定结果。由此借助太赫兹时域光谱仪、无人机、光纤探头等设备，即可智能地对电缆老化进行大面积高效排查，提高了电力网络运行的可靠性，从而消除了安全隐患；同时无需电力工人进行高空作用，减少了人工成本并且降低了危险系数，解决了现有的电缆老化监测技术存在着需依靠电力工人携带检测设备进行高空作业，导致操作繁琐和危险系数高的问题。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的一种电缆老化监测方法的步骤流程示意图。
图2是本发明另一实施例提供的一种电缆老化监测系统的模块结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
上述的一种便携式电缆老化监测集成系统，针对普通城镇高空架空的电缆老化检测需求，结合太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)、光纤耦合探头的传输和探测技术、无人机的光纤牵引和定位技术，可以实现地面操控无人机，远距离精准定位待测区域和数据采集，从宏观层面和分子微观层面来分析评估电缆的老化程度，对提高检测效率和精确度、节约人工成本、降低作业危险性等诸多方面具有重要的实际意义。
图1示出了本发明一实施例提供的一种电缆老化监测方法的步骤流程，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
上述一种电缆老化监测方法，该电缆老化监测方法包括以下步骤：
S101.控制无人机进行牵引光纤至电缆所在区域的预设位置；
具体地，电缆所在区域包括高空或者地下，即是可以监测架设高空的电缆，也可以监测预埋地下的电缆，其应用场景较广。
S102.采用无人机对电缆进行拍摄并获取图像；
具体地，采用无人机代替电力工人，一方面减少了人力成本，另一方面降低了安全系数。无人机对电缆进行拍摄后将获取到的图像回传至电脑控制中心。
S103.根据图像选取所述电缆的待检测区域，并将光纤的探头定位至所述待检测区域；
具体地，操作人员可以在电脑上通过图像选取电缆的待检测区域，并将信号返回给无人机，并控制无人机结合图像识别功能将光纤的探头定位至待检测区域，以便光纤的探头对电缆进行光谱或图像信息采集。当然，整个检测过程均实时展示在电脑上，操作人员可随时根据实际情况进行人为地调节待检测区域。
其中，电缆的待检测区域包括电缆的上方、电缆的下方或者环绕电缆四周的预设区域。
并且，光纤的探头包括单边式反射探头、听诊器式透射探头或者手持式反射探头。当电缆架设于高空时，通常采用单边式反射探头或听诊器式透射探头进行采集图像信息；当电缆预埋于地下时，通常采用手持式反射探头进行采集图像信息。
S104.采用携有光纤的探头的太赫兹时域光谱仪对待检测区域进行光谱或图像信息采集并进行分析后，给出电缆老化程度的判定结果。
具体地，电缆老化程度通过绝缘层的介电常数、介质损耗角正切值以及分子结构所决定。
电缆的绝缘层在老化过程中，其介电常数会发生相应的变化。高压电缆绝缘材料老化程度越严重，其介电常数越小，表明其绝缘性能能越差，反之亦然。因此，通过检测高压电缆绝缘材料在THz波段的介电常数来衡量电缆老化程度，介电常数可表示为以下公式：
ε＝〖(n+ik)〗^2＝n^2-k^2+i2nk (1)
同时，介质损耗角正切值(tanδ)，是衡量绝缘材料老化特性的重要指标之一。根据相关的实验检测结果显示，对于热老化而言，温度是其主要决定因素，温度越高其老化程度越严重，因此其tanδ也就越大，反之亦然。通过以下公式可计算出材料的tanδ。
tanδ＝2nk/(n^2-k^2) (2)
根据电缆绝缘层内部的高分子聚合物与THz波产生特异性作用和变化，揭示绝缘层老化过程中的分子结构和特性，从微观层面解析电缆的老化机制。
图2示出了本发明另一实施例提供的一种电缆老化监测系统的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
本发明还提供了一种电缆老化监测系统，该电缆老化监测系统包括：
控制模块100，用于控制无人机进行牵引光纤至电缆所在区域的预设位置；
图像获取模块200，用于采用无人机对电缆进行拍摄并获取图像；
探头定位模块300，用于根据图像选取电缆的待检测区域，并将光纤的探头定位至待检测区域；
分析及判定模块400，用于采用携有光纤的探头的太赫兹时域光谱仪对待检测区域进行光谱或图像信息采集并进行分析后，给出电缆老化程度的判定结果。
作为本发明另一实施例，上述控制模块100中，电缆所在区域包括高空或者地下，即是可以监测架设高空的电缆，也可以监测预埋地下的电缆，其应用场景较广。
作为本发明另一实施例，上述图像获取模块200中，采用无人机代替电力工人，一方面减少了人力成本，另一方面降低了安全系数。无人机对电缆进行拍摄后将获取到的图像回传至电脑控制中心。
作为本发明另一实施例，上述探头定位模块300中，操作人员可以在电脑上通过图像选取电缆的待检测区域，并将信号返回给无人机，并控制无人机结合图像识别功能将光纤的探头定位至待检测区域，以便光纤的探头对电缆进行光谱或图像信息采集。当然，整个检测过程均实时展示在电脑上，操作人员可随时根据实际情况进行人为地调节待检测区域。
其中，电缆的待检测区域包括电缆的上方、电缆的下方或者环绕电缆四周的预设区域。
并且，光纤的探头包括单边式反射探头、听诊器式透射探头或者手持式反射探头。当电缆架设于高空时，通常采用单边式反射探头或听诊器式透射探头进行采集图像信息；当电缆预埋于地下时，通常采用手持式反射探头进行采集图像信息。
作为本发明另一实施例，上述分析及判定模块400中，电缆老化程度通过绝缘层的介电常数、介质损耗角正切值以及分子结构所决定。
电缆的绝缘层在老化过程中，其介电常数会发生相应的变化。高压电缆绝缘材料老化程度越严重，其介电常数越小，表明其绝缘性能能越差，反之亦然。因此，通过检测高压电缆绝缘材料在THz波段的介电常数来衡量电缆老化程度，介电常数可表示为以下公式：
ε＝〖(n+ik)〗^2＝n^2-k^2+i2nk (1)
同时，介质损耗角正切值(tanδ)，是衡量绝缘材料老化特性的重要指标之一。根据相关的实验检测结果显示，对于热老化而言，温度是其主要决定因素，温度越高其老化程度越严重，因此其tanδ也就越大，反之亦然。通过以下公式可计算出材料的tanδ。
tanδ＝2nk/(n^2-k^2) (2)
根据电缆绝缘层内部的高分子聚合物与THz波产生特异性作用和变化，揭示绝缘层老化过程中的分子结构和特性，从微观层面解析电缆的老化机制。
上述一种电缆老化监测方法及系统结合太赫兹时域光谱仪、无人机、光纤探头、图像识别等多种设备和算法，实现精密装配和高度集成，开发出一套可实现地面操控、远距离监测高空电缆老化的便携式系统。其基于太赫兹时域光谱仪的仪器结构和参数设置，将太赫兹波的辐射源和探测器，即光谱/成像采集探头耦合在光纤端口处，并根据光纤的性能参数在太赫兹时域光谱仪内部添加色散补偿模块，实现太赫兹波在光纤中的高效耦合和传输。通过光纤的探头，对待检物质进行透射式或反射式太赫兹波检测，采集和传输光谱/成像数据，并在操作控制中心进行分析，从而达到评估和鉴定的目的。
因此，上述一种电缆老化监测方法及系统可实现高空电缆和地面(下)电缆的老化监测功能，其作用体现在：
1、利用THz无损检测技术获取电缆绝缘层的光学参数并进行研究分析，可以从宏观层面评估衡量电缆的老化程度和从微观分子上分析电缆的老化机制，从而为电力公司在电缆寿命预测、维护周期以及电缆制造上提供有价值的指导信息；
2、利用无人机牵引光纤，以图像识别进行精准定位作业，实现高空架设电缆的远程监测，而无需电力工人高空作业，解决电力工人高空作业的危险系数高和效率较低的问题；
3、同时兼顾地面(下)的电缆检测，适用于不同的应用场景，功能性强。
综上，本发明实施例提供的一种电缆老化监测方法及系统，通过控制无人机进行牵引光纤至电缆所在区域的预设位置；采用无人机对电缆进行拍摄并获取图像；根据图像选取电缆的待检测区域，并将光纤的探头定位至待检测区域；采用携有光纤的探头的太赫兹时域光谱仪对待检测区域进行光谱或图像信息采集并进行分析后，给出电缆老化程度的判定结果。由此借助太赫兹时域光谱仪、无人机、光纤探头等设备，即可智能地对电缆老化进行大面积高效排查，提高了电力网络运行的可靠性，从而消除了安全隐患；同时无需电力工人进行高空作用，减少了人工成本并且降低了危险系数，解决了现有的电缆老化监测技术存在着需依靠电力工人携带检测设备进行高空作业，导致操作繁琐和危险系数高的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (8)
1.一种电缆老化监测方法，其特征在于，所述电缆老化监测方法包括：
控制无人机进行牵引光纤至电缆所在区域的预设位置；
采用所述无人机对所述电缆进行拍摄并获取图像；
根据所述图像选取所述电缆的待检测区域，并将所述光纤的探头定位至所述待检测区域；
采用携有所述光纤的探头的太赫兹时域光谱仪对所述待检测区域进行光谱或图像信息采集并进行分析后，给出所述电缆老化程度的判定结果。
2.如权利要求1所述的电缆老化监测方法，其特征在于，所述电缆所在区域包括高空或者地下。
3.如权利要求1所述的电缆老化监测方法，其特征在于，所述光纤的探头包括单边式反射探头、听诊器式透射探头或者手持式反射探头。
4.如权利要求1所述的电缆老化监测方法，其特征在于，所述电缆老化程度通过绝缘层的介电常数、介质损耗角正切值以及分子结构所决定。
5.一种电缆老化监测系统，其特征在于，所述电缆老化监测系统包括：
控制模块，用于控制无人机进行牵引光纤至电缆所在区域的预设位置；
图像获取模块，用于采用所述无人机对所述电缆进行拍摄并获取图像；
探头定位模块，用于根据所述图像选取所述电缆的待检测区域，并将所述光纤的探头定位至所述待检测区域；
分析及判定模块，采用携有所述光纤的探头的太赫兹时域光谱仪对所述待检测区域进行光谱或图像信息采集并进行分析后，给出所述电缆老化程度的判定结果。
6.如权利要求5所述的电缆老化监测系统，其特征在于，所述电缆所在区域包括高空或者地下。
7.如权利要求5所述的电缆老化监测系统，其特征在于，所述光纤的探头包括单边式反射探头、听诊器式透射探头或者手持式反射探头。
8.如权利要求5所述的电缆老化监测系统，其特征在于，所述电缆老化程度通过绝缘层的介电常数、介质损耗角正切值以及分子结构所决定。
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Application publication date: 20190329 Assignee: Jiangmen Huaxun ark Technology Co.,Ltd. Assignor: Shenzhen Huaxun ark Photoelectric Technology Co.,Ltd. Contract record no.: X2021980016897 Denomination of invention: Cable aging monitoring method and system License type: Common License Record date: 20211229 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190329 |