CN110514959B - 一种考虑电缆衰减特性的电缆故障fdr定位系统的定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑电缆衰减特性的电缆故障FDR定位系统的定位方法，该系统包含信号产生模块、信号分离模块、信号处理模块和显示模块四个部分。定位方法分为以下几个步骤：确定扫频入射信号的频率带宽，确定入射信号的幅值，发射入射信号并采集反射信号，信号处理得到电缆首端的反射系数频谱，进一步数字信号处理得到电缆的位置信息并根据电缆的位置信息进行故障定位判断。本发明有益于实现长距离电缆FDR的故障定位，并且通过理论计算确定扫频入射信号的频率带宽和幅值，避免通过经验来确定信号的发射参数，从而提高故障定位的精度。
Description
技术领域
本发明涉及高电压与绝缘技术领域，具体为一种考虑电缆衰减特性的电缆故障定位方法及系统。
背景技术
随着我国经济的发展，大量电力电缆投运到城市输配电网络中，成为城市中传输电力的主导产品。电缆在运行过程中，受电-机械应力、潮气、化学、辐射、热等诸多因素的共同作用，不可避免的出现外部破坏和绝缘劣化等局部潜伏性缺陷，导致电缆及附件的绝缘性能逐步劣化，并最终形成永久性故障。在电缆发生重大故障前对局部潜伏性缺陷进行检测与定位，可以大大减小故障修复费用与停电损失，对电网的稳定运行具有重大意义。
目前用于电缆故障定位的成熟方法主要有TDR，即时域反射法，但是该方法仅对电缆开路或短路等阻抗变化很大的故障的定位效果较为理想。若电缆出现局部潜伏性缺陷尚未形成永久性故障，该处的阻抗与电缆特征阻抗的不匹配度无法使得脉冲信号在此处形成较为明显的反射波，时域反射法尚无法有效识别电缆局部潜伏性缺陷。
FDR法通过测量电缆在宽频范围内的频域响应参数，进一步通过离散傅里叶逆变换得到电缆的时域响应参数，从而实现故障定位，FDR可用于定位阻抗变化较小的故障，即其对电缆的局部潜伏性缺陷敏感。
FDR的定位精度与测试范围受频带宽度影响，发射信号的频带过窄，定位的精度会降低，但频带过宽使信号的衰减过大而无法实现长距离的定位，目前，在现场长距离电力电缆的故障定位测试中，入射信号的频带及幅值等参数主要依靠经验判断，缺乏理论指导，导致测量精度低，同时反复调节入射信号参数延长了测量时间。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种考虑电缆衰减特性的电缆故障FDR定位方法及系统，通过理论计算确定扫频入射信号的频率带宽和幅值，根据电缆的反射系数频谱，得到电缆的位置信息，并根据电缆的位置信息进行故障定位判断，实现了长距离电力电缆FDR的故障定位，同时提高了定位的精度。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种考虑电缆衰减特性的电缆故障FDR定位系统，包括依次连接的信号产生模块、信号分离模块、信号处理模块；
信号产生模块，用于发射正弦线性扫频入射信号；
信号分离模块，用于分离电缆首端的入射信号和反射信号，并将入射信号和反射信号输入至信号处理模块；
信号处理模块，用于对入射信号和反射信号进行混频处理得到反射系数频谱，再对其进行离散傅里叶逆变换分析，得到电缆的时域波形信息，最后根据电缆的时域波形信息结合信号在电缆中的传播速度得到电缆的位置波形，进而得到电缆故障点的位置信息。
优选的，所述信号产生模块包括任意波形发生器和宽频功率放大器，宽频功率放大器用于将任意波形发生器发射的正弦线性扫频信号的幅值放大。
优选的，所述信号分离模块包括功分器、宽频定向耦合器和带通滤波器；
其中，功分器的输入端与宽频功率放大器连接，功分器的输出分为两路，一路与宽频定向耦合器连接，宽频定向耦合器与带通滤波器连接，带通滤波器和功分器的另一路输出均与信号处理模块连接。
优选的，信号处理模块包括混频器和IDFT数字信号处理单元；
混频器的输入端与带通滤波器和功分器连接，混频器的另一端与IDFT数字信号处理单元连接。
本发明还提供了上述考虑电缆衰减特性的电缆故障FDR定位系统的定位方法，包括以下步骤；
S1、根据现场测试的电缆分辨率要求，确定FDR扫频入射信号的频带宽度fspan；
S2、根据步骤S1得到的入射信号的频带宽度fspan结合待测电缆的衰减特性，确定入射信号的幅值Vin；
S3、根据步骤S1和步骤S2得到的频带宽度fspan和幅值Vin，对待检测电缆发射正弦线性扫频入射信号，并采集电缆的反射信号；
S4、对步骤S3得到的入射信号与反射信号进行混频处理，得到电缆的反射系数频谱；
S5、采用离散傅里叶逆变换对电缆的反射系数频谱进行分析，得到电缆的时域波形信息，再根据电缆的时域波形信息得到电缆的位置波形，进而得到电缆故障点的位置信息。
优选的，步骤S1中频带宽度fspan的确定方法具体为：
其中，c为光速，εr为待测电缆绝缘材料的相对介电常数，ΔL为现场测试要求的电缆定位分辨率。
优选的，步骤S2中入射扫频信号幅值Vin的确定方法具体为：
其中，l为待测电缆的长度，Zfmax和Yfmax分别为待测电缆在入射信号的终止频率fmax时，单位长度等效分布阻抗和分布导纳，Vz为待测电缆现场测试干扰噪声的极限值。
优选的，所述入射信号的起始频率为1MHz，终止频率fmax时为(fspan+1)MHz。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种考虑电缆衰减特性的电缆故障FDR定位系统的定位方法，该系统包含信号产生模块、信号分离模块、信号处理模块和显示模块，通过信号产生模块发射正弦线性扫频入射信号，信号分离模块将入射信号分为两路，一路作为入射信号的参考信号输入信号处理模块，一路输入电缆，同时采集电缆的反射信号并将其输入至信号处理模块，信号处理模块根据入射信号和反射信号得到电缆的位置波形，通过显示模块观测电缆的位置波形中存在的尖峰，则表明尖峰所在位置电缆存在局部故障，且尖峰的幅值越大，电缆的故障越严重。
本发明提供的定位方法，首先确定扫频入射信号的频率带宽和入射信号的幅值，然后根据频率带宽和入射信号幅值对电缆发射入射信号，同时采集电缆的反射信号，再根据入射信号和反射信号得到电缆首端的反射系数频谱，最后根据反射系数频谱得到电缆的位置信息并根据电缆的位置信息进行故障定位判断。进而实现长距离电缆FDR的故障定位，并且通过理论计算确定扫频入射信号的频率带宽和幅值，避免通过经验来确定信号的发射参数，从而提高定位的精度。
附图说明
图1为本发明电缆故障FDR定位系统结构框图；
图2为本发明电缆故障FDR定位方法的流程图；
图3为本发明实施例中局部破损电缆的位置信息图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参阅图1所示，一种考虑电缆衰减特性的电缆故障FDR定位系统，包括依次连接的信号产生模块、信号分离模块、信号处理模块和显示模块，待测电缆与信号分离模块连接。
信号产生模块，用于发射正弦线性扫频入射信号。
信号分离模块，用于分离电缆首端的入射信号和反射信号，并将输入信号和反射信号输入至信号处理模块。
信号处理模块，用于对入射信号和反射信号进行混频处理得到反射系数频谱再对其进行离散傅里叶逆变换分析，得到电缆的时域波形信息，最后根据电缆的时域波形信息结合信号在电缆中的传播速度，得到电缆的位置波形，进而得到电缆故障点的位置信息。
显示模块用以用于显示电缆位置信息。
所述信号产生模块包括任意波形发生器和宽频功率放大器，宽频功率放大器用于将任意波形发生器发射的正弦线性扫频信号的幅值放大。
宽频功率放大器的放大倍数根据需要进行调整。
所述信号分离模块包括功分器、宽频定向耦合器和带通滤波器，带通滤波器的频带与FDR扫频入射信号的频带一致。
其中，功分器的输入端与宽频功率放大器连接，功分器的输出分为两路，一路与宽频定向耦合器连接，宽频定向耦合器与带通滤波器连接，带通滤波器与下述的混频器连接，另一路直接与混频器连接。
功分器将一路信号作为入射信号的参考信号输入混频器，一路信号通过宽频定向耦合器进入待测电缆。
信号处理模块包括混频器和IDFT数字信号处理单元，混频器用于将入射信号与反射信号进行混频处理，得到入射信号与反射信号比值的频谱，即反射系数频谱，IDFT数字信号处理单元根据反射系数频谱得到电缆的位置波形。
本发明公开了一种考虑电缆衰减特性的电缆故障FDR定位方法与系统，该系统包含信号产生模块、信号分离模块、信号处理模块和显示模块，通过信号产生模块发射正弦线性扫频入射信号，信号分离模块将入射信号分为两路，分别输入电缆和信号处理模块，同时再将电缆的反射信号也输入至信号处理模块，信号处理模块根据入射信号和反射信号得到电缆的位置波形，通过显示模块观测电缆的位置波形中存在的尖峰，则表明尖峰所在位置电缆存在局部故障，且尖峰的幅值越大，电缆的故障越严重。
参阅图2，一种考虑电缆衰减特性的电缆故障FDR定位方法，包括以下步骤:
S1、根据现场测试的电缆分辨率要求，确定FDR扫频入射信号的频带宽度fspan，具体如下；
首先，确定电缆现场测试要求的定位分辨率ΔL，入射信号的频带宽度fspan，当频带宽度fspan越宽，则定位的分辨率越高，二者之间满足以下关系：
其中，v为信号在电缆中的传播速度，且v满足以下关系：
其中，c为光速，εr为待测电缆绝缘材料的相对介电常数。
因此，扫频入射信号的频带宽度fspan可由下式计算：
S2、根据待测电缆的衰减特性及入射信号的频带宽度fspan，确定入射信号的幅值Vin。
高频信号在电缆中传播时，不可避免的出现衰减，并且信号幅值Vin的衰减随着频率的升高而增大，电缆的衰减特性主要受以下几个因素的影响：信号的频率，以及电缆单位长度的分布阻抗和分布导纳，电缆的衰减系数α可由下式计算：
其中，Zf和Yf分别为待测电缆在频率为f时的单位长度等效分布阻抗和分布导纳。
电缆单位长度的等效分布阻抗Zf和分布导纳Yf可通过电缆的几何尺寸以及绝缘材料的特性计算获得，电缆单位长度的等效分布阻抗可由下式计算：
其中，a1和a2分别为电缆内导体的外径和电缆外导体的内径，σ1和σ2分别为内导体和外导体的电导率，μ0为真空磁导率，μ0＝4.26×10-6，ω＝2πf。
电缆单位长度的等效分布导纳Yf可由下式计算：
Yf＝gf+jωCf
其中，ε0为真空介电常数，ε0＝8.85×10-12，ε′为绝缘材料的相对介电常数，ε"为绝缘材料的损耗因数，ri和ro分别为绝缘材料的内半径和外半径。
待测电缆首端输入信号与输出信号的幅值关系为：
其中，Vout为输出信号的幅值，Vin为输入信号的幅值，l为电缆的长度。
FDR扫频入射信号的起始频率为1MHz，则终止频率为fmax＝fspan+1。因此FDR扫频入射信号的幅值可由下式计算：
其中，
和
分别为待测电缆的扫频入射信号终止频率为fmax时的单位长度等效分布阻抗和分布导纳，Vz为待测电缆现场测试干扰噪声的极限值。
S3、发射正弦线性扫频入射信号，并采集电缆阻抗不连续点的反射信号。
采用任意波形发生器输出频带为1～fspan+1的正弦线性扫频信号，扫频点数为1601，通过宽频功率放大器将信号幅值放大至2Vin；
扫频信号经过功分器均分为两路信号，幅值均为Vin，一路信号进入信号采集模块作为入射信号的参考信号，一路信号进入待测电缆；
信号在电缆阻抗不连续的位置发生反射，反射信号经由电缆首端的定向耦合器输入至带通滤波器，带通滤波器滤除扫频信号带宽外的噪声干扰，经过滤波的反射信号输入至信号处理模块。
S4、根据步骤S3得到的入射信号与反射信号进行混频处理，得到入射信号与反射信号比值的频谱，即反射系数频谱。
S5、反射系数频谱的信号处理及故障诊断步骤：
采用离散傅里叶逆变换对电缆的反射系数频谱进行分析，得到电缆的时域波形信息，时域波形的横轴乘以信号在电缆中的传播速度，得到电缆的位置波形，若电缆的位置波形中存在尖峰，则表明尖峰所在位置电缆存在局部故障，且尖峰的幅值越大，电缆的故障越严重。
本发明提供的定位方法，首先根据电缆现场测试要求，选定FDR发射扫频信号的频带宽度fspan，所述的现场测试要求，主要指电缆的故障定位分辨率ΔL；然后结合FDR入射信号的频带宽度及待测电缆的特性，选定FDR发射扫频信号的幅值Vin，所述待测电缆的特性主要指电缆的衰减特性，主要受以下几个因素的影响：信号的频率，电缆的长度，电缆单位长度的分布阻抗、分布电导和分布电容；在信号产生模块，任意波形发生器输出频带宽度为fspan的正弦扫频信号，信号的起始频率保持为1MHz，终止频率fmax＝fspan+1，通过可调宽频功率放大器将扫频信号的幅值放大至2Vin，然后经由宽频功率分配器，将入射信号均分为两路，幅值均为Vin，一路信号输入信号处理模块作为参考信号，另一路信号输入待测电缆，在电缆阻抗不连续的点发生反射，安置在电缆测试端的信号分离装置，将反射信号从入射信号中分离出来，然后输入信号处理模块；信号处理模块处理得到电缆的反射系数频谱，最后通过数字信号处理算法得到电缆的时域波形信息，结合信号在电缆中的传播速度，即可鉴别出电缆故障点的位置信息。进而实现长距离电缆FDR的故障定位，并且通过理论计算确定扫频入射信号的频率带宽和幅值，避免通过经验来确定信号的发射参数，从而提高定位的精度。
实施例
为使本发明的内容更为直观清晰，对一根长度为500m的110kV单芯交联聚乙烯电力电缆在局部破损缺陷的情况下进行定位实验。在样品300m处人为刮去长度为5cm，深度为5mm的绝缘结构，形成局部破损缺陷。实验样品内导体线芯半径为15mm，绝缘层厚度为20.11mm,外导体内径为35.11mm，内导体电导率为5.9×107S/m，外导体电导率为3.2×107S/m，绝缘层的相对介电常数为2.60，损耗因数为4.7×10-4。
当现场测试要求的分辨率ΔL为20cm时，所需入射信号的带宽为465MHz时，样品的衰减系数为4.1×10-3N/m，当待测电缆现场测试干扰噪声的极限值Vout为0.5V时，此时入射信号的幅值为
信号产生模块反射频带为1MHz～466MHz，幅值为30V的正弦线性扫频入射信号，测试分析得到电缆的反射系数频谱，利用离散傅里叶变换算法对反射系数频谱进行分析，得到电缆的位置信息曲线如图3所示。
由图3可以看出，电缆的位置信息曲线在300m处有明显的尖峰，实现了电缆局部破损缺陷的精确定位。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种考虑电缆衰减特性的电缆故障FDR定位系统的定位方法，其特征在于，定位系统包括依次连接的信号产生模块、信号分离模块、信号处理模块；
信号产生模块，用于发射正弦线性扫频入射信号；
信号分离模块，用于分离电缆首端的入射信号和反射信号，并将入射信号和反射信号输入至信号处理模块；
信号处理模块，用于对入射信号和反射信号进行混频处理得到反射系数频谱，再对其进行离散傅里叶逆变换分析，得到电缆的时域波形信息，最后根据电缆的时域波形信息结合信号在电缆中的传播速度得到电缆的位置波形，进而得到电缆故障点的位置信息；
定位方法包括以下步骤；
S1、根据现场测试的电缆分辨率要求，确定FDR扫频入射信号的频带宽度fspan；
S2、根据步骤S1得到的入射信号的频带宽度fspan结合待测电缆的衰减特性，确定入射信号的幅值Vin；
电缆的衰减特性主要受以下几个因素的影响：信号的频率，以及电缆单位长度的分布阻抗和分布导纳，电缆的衰减系数α可由下式计算：
其中，Zf和Yf分别为待测电缆在频率为f时的单位长度等效分布阻抗和分布导纳；
电缆单位长度的等效分布阻抗Zf和分布导纳Yf可通过电缆的几何尺寸以及绝缘材料的特性计算获得，电缆单位长度的等效分布阻抗可由下式计算：
其中，a1和a2分别为电缆内导体的外径和电缆外导体的内径，σ1和σ2分别为内导体和外导体的电导率，μ0为真空磁导率；
电缆单位长度的等效分布导纳Yf可由下式计算：
Yf＝gf+jωCf
其中，ε0为真空介电常数，ε0＝8.85×10-12，ε′为绝缘材料的相对介电常数，ε″为绝缘材料的损耗因数，ri和ro分别为绝缘材料的内半径和外半径；
待测电缆首端输入信号与输出信号的幅值关系为：
其中，Vout为输出信号的幅值，Vin为输入信号的幅值，l为电缆的长度；
FDR扫频入射信号的幅值可由下式计算：
其中，Zfmax和Yfmax分别为待测电缆的扫频入射信号终止频率为fmax时的单位长度等效分布阻抗和分布导纳，l为待测电缆的长度，Vz为待测电缆现场测试干扰噪声的极限值；
S3、根据步骤S1和步骤S2得到的频带宽度fspan和幅值Vin，对待检测电缆发射正弦线性扫频入射信号，并采集电缆的反射信号；
S4、对步骤S3得到的入射信号与反射信号进行混频处理，得到电缆的反射系数频谱；
S5、采用离散傅里叶逆变换对电缆的反射系数频谱进行分析，得到电缆的时域波形信息，再根据电缆的时域波形信息得到电缆的位置波形，进而得到电缆故障点的位置信息。
2.根据权利要求1所述考虑电缆衰减特性的电缆故障FDR定位系统的定位方法，其特征在于，所述信号产生模块包括任意波形发生器和宽频功率放大器，宽频功率放大器用于将任意波形发生器发射的正弦线性扫频信号的幅值放大。
3.根据权利要求2所述考虑电缆衰减特性的电缆故障FDR定位系统的定位方法，其特征在于，所述信号分离模块包括功分器、宽频定向耦合器和带通滤波器；
其中，功分器的输入端与宽频功率放大器连接，功分器的输出分为两路，一路与宽频定向耦合器连接，宽频定向耦合器与带通滤波器连接，带通滤波器和功分器的另一路输出均与信号处理模块连接。
4.根据权利要求3所述考虑电缆衰减特性的电缆故障FDR定位系统的定位方法，其特征在于，信号处理模块包括混频器和IDFT数字信号处理单元；
混频器的输入端与带通滤波器和功分器连接，混频器的另一端与IDFT数字信号处理单元连接。
5.根据权利要求1所述考虑电缆衰减特性的电缆故障FDR定位系统的定位方法，其特征在于，步骤S1中频带宽度fspan的确定方法具体为：
其中，c为光速，εr为待测电缆绝缘材料的相对介电常数，ΔL为现场测试要求的电缆定位分辨率。
6.根据权利要求1所述考虑电缆衰减特性的电缆故障FDR定位系统的定位方法，其特征在于，所述入射信号的起始频率为1MHz，终止频率fmax时为(fspan+1)MHz。
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