CN111880057A - 一种绝缘层介电常数分布显示的电缆绝缘检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绝缘层介电常数分布显示的电缆绝缘检测方法，本发明通过层析成像技术得到电缆内部的缺陷。发明能够在现场连接电缆接头制作完成后，有效地直接评估制作缺陷，将其位置可视化。通过电容传感器对包裹电缆接头的各个电极之间电容值进行测量，利用相应算法对电缆接头内部不同介电常数介质分布的图像进行构建，从而直观且快速地识别绝缘缺陷是否存在，及其大小和具体位置。ECT技术方便快捷，可以在接头制作完成后直接对其进行成像检测，从而进行制作的质量评估。配合在线检测技术可以让用电可靠性进一步提升。

Description

一种绝缘层介电常数分布显示的电缆绝缘检测方法

技术领域

本发明涉及检测领域，特别是涉及一种电缆绝缘层介电常数分布显示技术的电缆绝缘检测方法。

背景技术

对于电缆系统的诊断，现场应用的试验方法分为两类，一类为绝缘耐压试验，另一类为绝缘特性试验。第一类试验方法包括交流谐振、直流、0.1Hz或者振荡波试验等。这类试验非常简单直接，对电缆施加高于额定值的电压并保持一段时间，如果电缆绝缘不击穿则通过试验，否则认为不通过。通过试验的电缆系统，可以认为仍保持良好的性能状态，但电缆绝缘中存在的缺陷并不是都能通过试验暴露出来。国际大电网会议第21研究委员会CIGRE SC21 WG21-09工作组报告和IEC 20A的新工作项目提案文件不推荐采用直流耐压试验作为交联聚乙烯电缆的竣工试验。运行经验也证明了这一点，很多电缆在交接试验中按GB50150 －91标准进行直流耐压试验顺利通过，但投运不久就发生绝缘击穿事故，正常运行的电缆被直流耐压试验所损坏的情况也时有发生。而且这类试验又称破坏性试验，其本身就被认为是造成电缆绝缘损伤的潜在原因。

第二类试验方法包括测量介电损耗因数、局放参数、直流漏电流等。主要有直流分量法、直流电压叠加法、交流叠加法、局部放电监测、tan δ监测和温度监测等方法。这些试验的测试电压都较低或者试验过程中不需要施加电压，一般不会对绝缘造成损伤，属于非破坏性试验。tan δ监测只能诊断电缆整体老化或整体受潮，而对于电力电缆局部的绝缘缺陷很难检测的到。温度监测法一般是运用在负荷的估算和电缆局部过热诊断中。伴随绝缘树枝化劣化过程会产生局部放电(局放)，对绝缘的不良作用有累计效应。现已研究表明：伴随着电树枝的发展，产生局部放电信号与其密切相关，在交联聚乙烯电缆运行故障的前期，局部放电就有明显的故障特征信号产生。因此，检测局部放电并进行特征分析，获取反映电缆绝缘劣化状态的放电特征信息，可有效的发现绝缘缺陷隐患，准确评估电缆绝缘的老化状态，因此，局部放电检测法是目前有效的电缆绝缘检测方法。但因电缆结构的特殊性，局部放电脉冲在电缆中传播有高频衰减、波形畸变等问题，加之电磁干扰的影响，放电脉冲信号到达检测传感器处可能很微弱，需提高检测灵敏度才能有效检测到放电脉冲信号；此外，局部放电脉冲波形沿电缆传播严重衰减畸变，影响反映绝缘老化状态的局部放电特征量，进而影响电缆绝缘老化状态诊断。抑制噪声提高检测灵敏度是推广电缆局部放电检测应用的关键之一，对检测局部放电信号进行特征分析并正确评判绝缘老化状态乃至精确定位局部放电源，则需要更多的现场检测经验和理论研究。

XLPE电缆的绝缘老化诊断法大致可分为电气试验和非电气试验两类。XLPE电缆系统的现场诊断参数通常是各类电量参数，大多都不是破坏性的。诊断时电缆若处于工作状态，称为在线法；电缆处于断电状态，则称为离线法。

电缆绝缘材料的诊断是通过对从运行现场撤换下来的电缆样品进行试验来进行的。使用的试验方法通常为非电气试验法，如水树枝观测、力学性能测试、光谱分析(IR、UV)、热分析(TGA、DSC)、氧化诱导时间(OIT)、热机械分析(TMA)、时域光谱和能谱分析(EDX)等等，主要包括对电缆微观结构检测、电气性能检测、物理状态检测、电缆稳定性检测等。当然也可考虑在实验室中对撤换的电缆选用电气试验法中的某些运行停止诊断法，如热刺激电流(TSC)、击穿电压试验等。这些方法可以用来了解电缆绝缘在老化过程中所发生的物理化学变化，有助于理解电缆绝缘在单应力或多应力下的老化机理，但电缆绝缘样品的实验室诊断结果能否直接应用于现场运行的电缆系统尚值得考虑。

运行经验和研究均表明：对固体绝缘中的局部放电进行监测可以很好的反映绝缘的状态，真实的反映绝缘中存在的缺陷，而电缆接头的局部放电量的改变可以定量的反映电缆接头电树枝老化程度，因此，国内外专家学者及国际电力权威机构一致推荐局部放电试验是作为XLPE电力电缆绝缘状况评价的最佳方法。局部放电在线监测技术有效的反映电缆绝缘状况，通过分析局部放电数据可以对下一步检修计划起到指导性作用。

目前，局部放电在线监测方法中，按局部放电是否采集电量信号分为电量检测和非电量检测，其中非电量检测的代表方法为超声波及红外温度测量法，而电量检测方法中，按采集信号的频率高低又可分为高频法、超高频法和甚高频法，按采集的方式可分为电磁耦合法、电容耦合法和电感耦合，而目前国内外基于电量在线监测已在实验室内研究成熟的检测方法有：差分法、方向耦合法、电磁耦合法、电容耦合法和电感耦合法。差分法简单安全，但高频信号在电缆传播时衰减严重，降低了灵敏度，且中间需要安装隔离作用的绝缘垫圈对电缆破坏性较大；方向耦合法具有很好的抗干扰能力，现场测试表明，方向耦合器的检测灵敏度较高，检测频带宽，但是结构较复杂，安装不便，适用范围较小；电磁耦合法由于采用罗果夫斯基线圈，结构简单，与主电路电路隔离，能反映局部放波形，使得宽频带电磁耦合法正在被广泛的研究和应用，但该方法受到外界电磁干扰，单纯依赖宽频带滤波器和高倍数的放大器很难排除某些类似局部放电脉冲的干扰；电容耦合法虽然灵敏度高，但是高频信号衰减比低频重得多，传感器需要内置，适用范围较小；电感耦合法检测系统测量频率可以达到很高，但是高频信号衰减严重，而且要求被测电缆金属屏蔽为螺旋带状绕制而成的，适用范围小。

Landweber算法：基于最速下降法的一种改进算法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有视觉跟踪技术的缺陷，提出了一种电缆绝缘层介电常数分布显示的电缆绝缘检测方法，本发明方便快捷，可以在接头制作完成后直接对其进行成像检测，从而进行制作的质量评估。配合在线检测技术可以让用电可靠性进一步提升。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种电缆绝缘层介电常数分布显示的电缆绝缘检测方法，包括以下步骤：

步骤一、得到电缆的灵敏度场模型：

系统的物理模型的边界条件如下式所示：

其中，Γ_i指代电极表面的位置；

表示微分算子，ε(x,y)表示管内介质的相对介电常数矩阵，x表示x轴位置，y表示y轴位置，φ(x,y) 表示电位分布，V_c表示激励电压，k表示检测电极，i表示激励电极；

系统中，介电常数分布和测量电容值之间的关系简化为线性进行初始求解，其关系式如下：

G＝S^-1C (2.4)

其中，C是归一化后的电容矩阵，G为归一化后的图像灰度值矩阵， S是灵敏度场；

灵敏度场代表介电常数的空间分布对电容数值的影响，通过下式进行计算：

其中，e表示第e个微小单元；μ(e)表示为第e个微小单元面积参数；ε_h表示介电常数高值；ε_l表示介电常数低值；

表示介电常数为ε_h的介质电容值；

表示介电常数为ε_l的介质电容值；C_i,j(e)表示e单元介电常数为ε_h，其余区域介电常数为ε_l时测得的电容值；i 表示第i个施加激励的电极，j表示第j个进行检测的电极，S_i，j(e) 表示激励电极为i，检测电极为j时的灵敏度场矩阵；

步骤二、采用具有n个电极极板的电极电容传感器测量电缆接头相应电容值，得到归一化后的电容矩阵C；

步骤三、根据电极电容传感器测得电容值反推出待电缆接头的内部介电常数的分布，进行图像重建得到重建图像；

步骤四、根据重建图像得到电缆接头内部的缺陷。

进一步的改进，所述步骤三中：首先采用线性反投影算法进行图像重建得到初值，然后将初值输入Landweber算法进行迭代，迭代至第k步迭代的图像误差e^(k)≤设定阈值时即得到重建图像。

进一步的改进，所述Landweber算法的处理方法如下：

G⁽⁰⁾＝S^TC (2·6)

其中，S表示归一化的灵敏度场矩阵，G⁽⁰⁾表示灰度矩阵初值；G^(k)表示第k步迭代的灰度矩阵；e表示图像误差，e^(k)表示第k步迭代的图像误差；α表示步长，T表示转置，k表示迭代步数。

进一步的改进，用于图像重建的可测得的独立电容数M由下式求出：

M＝n(n-1)/2

其中，n为ECT系统的电极数量。

进一步的改进，所述电缆接头内部的缺陷包括缺陷的大小、种类和具体位置。

本发明的有益效果在于：

发明能够在现场连接电缆接头制作完成后，有效地直接评估制作缺陷，将其位置可视化。通过电容传感器对包裹电缆接头的各个电极之间电容值进行测量，利用相应算法对电缆接头内部不同介电常数介质分布的图像进行构建，从而直观且快速地识别绝缘缺陷是否存在，及其大小和具体位置。ECT技术方便快捷，可以在接头制作完成后直接对其进行成像检测，从而进行制作的质量评估。配合在线检测技术可以让用电可靠性进一步提升。

附图说明

利用附图对本发明做进一步说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1为本发明的流程示意图。

图2为本发明测量的绝缘缺陷示意图。

图3为本发明测量的绝缘缺陷为气隙的初步成像效果。

图4为本发明测量的绝缘缺陷为金属尖端时的初步成像效果。

具体实施方式

为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实例，对本发明进行进一步的详细说明。

本发明的一个目的是提供一种通过绝缘层介电常数分布显示进行XLPE电力电缆(交联聚乙烯电缆)接头绝缘检测方法，以克服目前现场连接电缆接头制作完成后，缺乏有效地直接评估缺陷的方法的情况。由于XLPE电力电缆内部缺陷或老化时介电常数分布会发生变化，而介电常数变化会影响电容大小，所以选用ECT技术对其绝缘进行检测。

本发明的系统主要由三个部分组成，分别是电容传感器单元、电容数据传输单元和图像重建单元。

电容传感器单元用于测量电缆接头相应电容值用于对接头内部介电常数分布进行投影，电容数据传输单元负责将电容传感器所测电容值传输至图像重建单元，图像重建单元根据相应的算法对介电常数分布图像进行构建。电容传感器部分是一个具有n个电极极板的ECT传感器，举例为8个。基于电容的边缘效应，各个极板之间不同的组合可以得到不同的电容值。

对于本例采用的8电极ECT系统，电容值的获取方法如下：

首先将电极编号，从1到8；选择电极1作为激励电极，施加一定的激励电压；将除电极1以外的2到8电极作为测量电极，测量电极1 加激励时与2到8电极之间的电容值；之后将2到8分别作为激励电极，测量测量电极与激励电极之间的电容值。值得一提的是，由于电极1作激励电极、电极2作检测电极和电极2作激励电极、电极1作检测电极时电容值是相等的，因此这两种情况只对第一种进行测量即可。通过上述过程，8电极可获得M＝28个电容值用于图像重建，M可由下式求出：

其中，M为可测得的独立电容数，n为ECT系统的电极数量。

正问题是根据待测物内部介电常数的分布，获得测得相应的电容值，并获取内部物质介电常数变化对测得电容数值的影响。

ECT系统的物理模型的边界条件如下式所示：

其中，Γ_i指代电极所处的位置。

ECT系统中，介电常数分布和测量电容值之间的关系常常被简化为线性进行初始求解，其关系式如下：

G＝S^-1C (2.4)

其中，C是归一化后的电容，G为归一化后的图像灰度值，S是灵敏度场。

灵敏度场代表介电常数的空间分布对电容数值的影响，可以通过下式进行计算：

其中，e表示第e 个微小单元；μ(e)表示为第e个微小单元面积参数；ε_h表示介电常数高值；ε_l表示介电常数低值；

表示介电常数为ε_h的介质电容值；

表示介电常数为ε_l的介质电容值；C_i,j(e)表示e单元介电常数为ε_h，其余区域介电常数为ε_l时测得的电容值。

逆问题是根据正问题的求解结果，通过测得的电容值反推出待测物内部介电常数的分布，也就是图像重建的过程。

由于在实际中，ECT正问题所利用的介电常数分布等条件难以确定，因此逆问题的研究是ECT图像重建的关键所在。求解ECT的逆问题主要有以下3个难点：首先，敏感度场存在“软场特性”，即灵敏度的分布受到介质分布的影响，存在非线性；其次，测得的电容值有限，远远少于所需要求解的介质分布数据，因此存在不定解的问题；最后，ECT逆问题的求解是一个病态问题，所测量电容值的微小扰动就会对最终成像造成比较大的影响。

为了解决这三大难题，除了需要设计良好的测量电路和屏蔽减少外界干扰外，最主要的是需要采用合适的图像处理算法。目前常用的图像处理算法包括直接算法和迭代算法两大类。

直接算法中，线性反投影算法(LBP)是结构最简单、计算量最少的一种。LBP算法的原理是将ECT问题中的非线性关系看作线性化，将灵敏度矩阵的伴随矩阵近似看做其逆矩阵来进行计算。由于其假设并不符合求解实际，其求得的解精度较低，但可用作迭代算法的初值使用。

Landweber算法是迭代算法的代表，它是基于最速下降法的一种改进算法，其数学描述如下：

G⁽⁰⁾＝S^TC (2.6)

G^(k+1)＝G^(k)+Δ^(k)S^Te^(k)＝G^(k)+Δ^(k)S^T(C-SG^(k))，

(k＝0，1，2…)

(2.7)

一般常把LBP算法的结果用作Landweber算法的初值进行迭代。

逆问题的过程在采集到电容值后均可以在计算机上完成。

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当了解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.一种电缆绝缘层介电常数分布显示技术，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、得到电缆的灵敏度场模型：

系统的物理模型的边界条件如下式所示：

其中，Γ_i指代电极表面的位置；

表示微分算子，ε(x,y)表示管内介质的相对介电常数矩阵，x表示x轴位置，y表示y轴位置，φ(x,y)表示电位分布，V_c表示激励电压，k表示检测电极，i表示激励电极；

系统中，介电常数分布和测量电容值之间的关系简化为线性进行初始求解，其关系式如下：

G＝S^-1C (2.4)

其中，C是归一化后的电容矩阵，G为归一化后的图像灰度值矩阵，S是灵敏度场；

灵敏度场代表介电常数的空间分布对电容数值的影响，通过下式进行计算：

其中，e表示第e个微小单元；μ(e)表示为第e个微小单元面积参数；ε_h表示介电常数高值；ε_l表示介电常数低值；

表示介电常数为ε_h的介质电容值；

表示介电常数为ε_l的介质电容值；C_i,j(e)表示e单元介电常数为ε_h，其余区域介电常数为ε_l时测得的电容值；i表示第i个施加激励的电极，j表示第j个进行检测的电极，S_i，j(e)表示激励电极为i，检测电极为j时的灵敏度场矩阵；

步骤二、采用具有n个电极极板的电极电容传感器测量电缆接头相应电容值，得到归一化后的电容矩阵C；

步骤三、根据电极电容传感器测得电容值反推出待电缆接头的内部介电常数的分布，进行图像重建得到重建图像；

步骤四、根据重建图像得到电缆接头内部的缺陷。

2.根据权利要求1所述的一种绝缘层介电常数分布显示的电缆绝缘检测方法，其特征在于，所述步骤三中：首先采用线性反投影算法进行图像重建得到初值，然后将初值输入Landweber算法进行迭代，迭代至第k步迭代的图像误差e^(k)≤设定阈值时即得到重建图像。

3.根据权利要求2所述的一种绝缘层介电常数分布显示的电缆绝缘检测方法，其特征在于，所述Landweber算法的处理方法如下：

G⁽⁰⁾＝S^TC (2.6)

G^(k+1)＝G^(k)+α^(k)S^Te^(k)＝G^(k)+α^(k)S^T(C-SG^(k))， (2.7)

(k＝0，1，2…)

其中，S表示归一化的灵敏度场矩阵，G⁽⁰⁾表示灰度矩阵初值；G^(k)表示第k步迭代的灰度矩阵；e表示图像误差，e^(k)表示第k步迭代的图像误差；α表示步长，T表示转置，k表示迭代步数。

4.根据权利要求1所述的一种绝缘层介电常数分布显示的电缆绝缘检测方法，其特征在于，用于图像重建的可测得的独立电容数M由下式求出：

M＝n(n-1)/2

其中，n为ECT系统的电极数量。

5.根据权利要求1所述的一种绝缘层介电常数分布显示的电缆绝缘检测方法，其特征在于，所述电缆接头内部的缺陷包括缺陷的大小、种类和具体位置。

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