CN112782539A - 一种电缆绝缘缺陷检测方法及检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电缆绝缘缺陷检测方法及检测系统，检测方法包括：向待测电缆首端发射设定频段的发射信号；接收并检测所述待测电缆首端反射的反射信号；根据所述发射信号和所述反射信号计算得到所述待测电缆首端的反射系数谱；对所述反射系数谱进行反傅里叶变换，根据反傅里叶变换后的数据绘制横轴为空间距离的定位图，根据所述定位图获得电缆绝缘缺陷段的位置。本发明通过向待测电缆首端发射设定频段的发射信号测量相应的反射系数谱，并通过反傅里叶变换绘制横轴为空间距离的定位图，获得电缆绝缘缺陷段的位置。解决了传统的时域反射法只能判断电缆是否存在绝缘缺陷无法对缺陷进行准确定位的问题。
Description
技术领域
本发明属于电网电缆维护技术领域，具体涉及一种电缆绝缘缺陷检测方法及检测系统。
背景技术
电缆的故障主要包括外力破坏，绝缘老化、过压和过流故障，其中，老化绝缘水平下降，可能威胁到电力系统的安全运行。树枝状老化是电缆绝缘老化的重要原因，主要包括水树老化和电树老化。水树在过电压作用下，局部放电，形成电树，导致最终电缆的绝缘击穿，因此，有必要对电缆进行局部绝缘缺陷检测，以便及时做出处理。
目前主要是采用时域反射法进行检测，该方法虽然能够检测出电缆的局部绝缘缺陷，但是不能够对绝缘缺陷位置进行精确定位，特别是当发生多处绝缘缺陷时，激发的脉冲会在电缆两端多次反射，从而给脉冲匹配造成很大的干扰。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，解决传统的时域反射法只能判断电缆是否存在绝缘缺陷无法对缺陷进行准确定位的问题。为解决上述技术问题，本发明提供了一种电缆绝缘缺陷检测方法，包括：
步骤S1，向待测电缆首端发射设定频段的发射信号；
步骤S2，接收并检测所述待测电缆首端反射的反射信号；
步骤S3，根据所述发射信号和所述反射信号计算得到所述待测电缆首端的反射系数谱；
步骤S4，对所述反射系数谱进行反傅里叶变换，根据反傅里叶变换后的数据绘制横轴为空间距离的定位图，根据所述定位图获得电缆绝缘缺陷段的位置。
进一步地，所述步骤S3中，长度为l距离所述待测电缆首端x处存在绝缘缺陷的待测电缆的反射系数计算公式为：
其中，ZL为待测电缆末端负载阻抗，Z0为待测电缆特征阻抗，γ为传播常数。
进一步地，沿所述待测电缆的首端至末端方向，当包括多个缺陷位置时，将前一级的输入阻抗当做后一级的负载阻抗，进行计算所述待测电缆首端的反射系数。
进一步地，所述步骤S4中，所述用反傅里叶变换后的数据绘制横轴为空间距离的定位图具体包括：
用反傅里叶变换后的数据减去绝缘完好时对应的背景数据，然后绘制横轴为空间距离的定位图；其中，所述背景数据为上一次的检测数据。
进一步地，所述发射信号的频带为1kHz-50MHz。
一种电缆绝缘缺陷检测系统，包括：
调频信号发射器，用于发送设定频段的发射信号；
功分器，用于将所述发射信号等分为第一发射信号和第二发射信号；
耦合器，用于隔离所述第一发射信号和第二发射信号，将所述第一发射信号输入至信号采集器，将所述第二发射信号输入至待测电缆首端并接受待测电缆首端的反射信号，再将所述反射信号耦合至所述信号采集器；
信号采集器，用于接受所述第一发射信号和所述反射信号，并输入至计算模块；
计算模块，用于根据所述第一发射信号和所述反射信号计算得到所述待测电缆首端的反射系数谱；并对所述反射系数谱进行反傅里叶变换，根据反傅里叶变换后的数据绘制横轴为空间距离的定位图，根据所述定位图获得电缆绝缘缺陷段的位置。
进一步地，长度为l距离所述待测电缆首端x处存在绝缘缺陷的待测电缆的反射系数计算公式为：
其中，ZL为待测电缆末端负载阻抗，Z0为待测电缆特征阻抗，γ为传播常数。
进一步地，沿所述待测电缆的首端至末端方向，当包括多个缺陷位置时，将前一级的输入阻抗当做后一级的负载阻抗，进行计算所述待测电缆首端的反射系数。
进一步地，所述用反傅里叶变换后的数据绘制横轴为空间距离的定位图具体包括：
用反傅里叶变换后的数据减去绝缘完好时对应的背景数据，然后绘制横轴为空间距离的定位图；其中，所述背景数据为上一次的检测数据。
进一步地，所述发射信号的频带为1kHz-50MHz。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明通过向待测电缆首端发射设定频段的发射信号测量相应的反射系数谱，并通过反傅里叶变换绘制横轴为空间距离的定位图，获得电缆绝缘缺陷段的位置。解决了传统的时域反射法只能判断电缆是否存在绝缘缺陷无法对缺陷进行准确定位的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一一种电缆绝缘缺陷检测方法的流程示意图。
图2为本发明实施例的计算模型。
图3为本发明实施例中电缆首端反射系数随着频率的变化图。
图4为本发明实施例电缆在40m处存在局部缺陷时定位结果，发射信号频带为1KHz-10MHz。
图5为本发明实施例电缆在40m处存在局部缺陷时定位结果，发射信号频带为1KHz-50MHz。
图6为本发明实施例二提供的一种电缆绝缘缺陷检测系统。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。
如图1所示，本发明实施例一提供了一种电缆绝缘缺陷检测方法，包括：
步骤S1，向待测电缆首端发射设定频段的发射信号；
步骤S2，接收并检测所述待测电缆首端反射的反射信号；
步骤S3，根据所述发射信号和所述反射信号计算得到所述待测电缆首端的反射系数谱；
步骤S4，对所述反射系数谱进行反傅里叶变换，根据反傅里叶变换后的数据绘制横轴为空间距离的定位图，根据所述定位图获得电缆绝缘缺陷段的位置。
具体地，图2为本发明实施例的计算模型，长度为l的电缆首端为x＝0，末端为x＝l，末端负载阻抗为Zl，la到lb为局部绝缘缺陷，绝缘状态完好段的传播系数和特征阻抗分别为γ0和Z0，绝缘存在缺陷的电缆段的传播系数和特征阻抗为γd和Zd。
从电缆首端发射调频信号，根据反射信号计算电缆首端的反射系数，推导如下。
la处的反射系数Γ(la)为：
坐标la处的输入阻抗Zla为：
将la处的输入阻抗Zla当作lb到la段的负载阻抗，就可以得到lb处的反射系数谱。以此类推，将前一级的输入阻抗当做后一级的负载阻抗就可以推算得到电缆首端反射系数谱
从坐标lb处看向坐标la处的反射系数Γ(lb)为：
此时坐标lb处的输入阻抗Zlb为：
将lb处的输入阻抗当作l到lb段的负载，得到电缆首端的反射系数Γ(l)为：
改变发射信号的频率，并计算相应的反射系数，得到待测电缆首端的反射系数谱，在一个实施例中，反射系数谱如图3所示，电缆首端反射系数随着频率变化规律较为复杂，但仍然具有较为明显的周期性和振荡性。
当绝缘材料的绝缘性能下降后，其分布参数将会发生变化从而导致缺陷段的特征阻抗发生改变。在电缆上传播的电磁波将在缺陷段发生折反射，因此电缆首端反射系数谱变为含有电缆绝缘缺陷位置、特征阻抗和传播系数的函数。
电缆首端反射系数谱虽然包含电缆局部缺陷的信息，但是不能够直接表达出局部缺陷的位置，需要对首端反射系数谱进行反傅里叶变换将频域数据转换为空间域，获得局部缺陷的定位。具体是用反傅里叶变换后的数据绘制横轴为空间距离的定位图，获得电缆绝缘缺陷段的位置，实现绝缘缺陷的定位。
反傅里叶变换，本质是F(ω)和e-jωt做内积(ω为信号的角频率)，F(ω)只有t时刻的分量内积才会有结果，其余时间分量的内积结果为0，积分值是频率从负无穷到正无穷的积分，相当于信号的每个频率在t时刻上的分量的叠加，叠加的结果就是f(t)在t时刻的值，其中t0＝2l/v和td＝2lb/v(v为信号在电缆中行进的速度)正好分别为信号从电缆首端经末端反射回来的时间和信号从首端经缺陷处反射回来的时间，在反傅里叶变换的结果中，其他时域范围内的值为0，只有t0和td处在变换的结果中会凸显出来，根据反傅里叶变换后的数据绘制横轴为空间距离的定位图，可以以此定位图实现对电缆局部绝缘缺陷的定位。
当电缆末端负载为高阻时，缺陷处的突变峰幅值可以比末端的幅值低2个数量级，导致包含绝缘背景的定位图中局部缺陷处不能看到有突变峰的存在；减去绝缘完好时的背景后，则可以准确的定位到局部缺陷。因此减掉绝缘完好时的背景有利于电缆局部缺陷定位。实际工程应用中，可以定期对电缆进行诊断，将上一次的诊断数据作为背景。
此外，对照图4和图5，同一根电缆存在相同的局部缺陷，当加宽激励信号频带时，其定位结果变的更加精确，因此，本发明实施例优选的频带为1kHz-50MHz。
本发明实施例二还提供一种电缆绝缘缺陷检测系统，如图6所示。检测系统包括：调频信号发射器、功分器、耦合器、信号采集器以及计算模块。具体地，调频信号发射器发送设定频段的发射信号S0，功分器将发射信号S0等分为第一发射信号S1和第二发射信号S2；第一发射信号S1直接进入信号采集器，第二发射信号S2进入耦合器，然后输入至待测电缆首端，耦合器还同时接受待测电缆首端的反射信号S3，并将反射信号S3耦合至信号采集器；信号采集器将第一发射信号S1和反射信号S3输入至计算机进行计算，得到待测电缆首端的反射系数谱；并对反射系数谱进行反傅里叶变换，根据反傅里叶变换后的数据绘制横轴为空间距离的定位图，根据所述定位图获得电缆绝缘缺陷段的位置。具体可以将定位图直观地显示在调频信号发射器显示屏上。
有关本实施例电缆绝缘缺陷检测系统的工作原理和过程，参见前述本发明实施例一的说明，此处不再赘述。
通过上述说明可知，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明通过向待测电缆首端发射设定频段的发射信号测量相应的反射系数谱，并通过反傅里叶变换绘制横轴为空间距离的定位图，获得电缆绝缘缺陷段的位置。解决了传统的时域反射法只能判断电缆是否存在绝缘缺陷无法对缺陷进行准确定位的问题。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种电缆绝缘缺陷检测方法，其特征在于，包括：
步骤S1，向待测电缆首端发射设定频段的发射信号；
步骤S2，接收并检测所述待测电缆首端反射的反射信号；
步骤S3，根据所述发射信号和所述反射信号计算得到所述待测电缆首端的反射系数谱；
步骤S4，对所述反射系数谱进行反傅里叶变换，根据反傅里叶变换后的数据绘制横轴为空间距离的定位图，根据所述定位图获得电缆绝缘缺陷段的位置。
2.根据权利要求1所述的电缆绝缘缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，长度为l距离所述待测电缆首端x处存在绝缘缺陷的待测电缆的反射系数计算公式为：
其中，ZL为待测电缆末端负载阻抗，Z0为待测电缆特征阻抗，γ为传播常数。
3.根据权利要求2所述的电缆绝缘缺陷检测方法，其特征在于，沿所述待测电缆的首端至末端方向，当包括多个缺陷位置时，将前一级的输入阻抗当做后一级的负载阻抗，进行计算所述待测电缆首端的反射系数。
4.根据权利要求1所述的电缆绝缘缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述用反傅里叶变换后的数据绘制横轴为空间距离的定位图具体包括：
用反傅里叶变换后的数据减去绝缘完好时对应的背景数据，然后绘制横轴为空间距离的定位图；其中，所述背景数据为上一次的检测数据。
5.根据权利要求1所述的电缆绝缘缺陷检测方法，其特征在于，所述发射信号的频带为1kHz-50MHz。
6.一种电缆绝缘缺陷检测系统，其特征在于，包括：
调频信号发射器，用于发送设定频段的发射信号；
功分器，用于将所述发射信号等分为第一发射信号和第二发射信号；
耦合器，用于隔离所述第一发射信号和第二发射信号，将所述第一发射信号输入至信号采集器，将所述第二发射信号输入至待测电缆首端并接受待测电缆首端的反射信号，再将所述反射信号耦合至所述信号采集器；
信号采集器，用于接受所述第一发射信号和所述反射信号，并输入至计算模块；
计算模块，用于根据所述第一发射信号和所述反射信号计算得到所述待测电缆首端的反射系数谱；并对所述反射系数谱进行反傅里叶变换，根据反傅里叶变换后的数据绘制横轴为空间距离的定位图，根据所述定位图获得电缆绝缘缺陷段的位置。
7.根据权利要求6所述的电缆绝缘缺陷检测系统，其特征在于，长度为l距离所述待测电缆首端x处存在绝缘缺陷的待测电缆的反射系数计算公式为：
其中，ZL为待测电缆末端负载阻抗，Z0为待测电缆特征阻抗，γ为传播常数。
8.根据权利要求7所述的电缆绝缘缺陷检测系统，其特征在于，沿所述待测电缆的首端至末端方向，当包括多个缺陷位置时，将前一级的输入阻抗当做后一级的负载阻抗，进行计算所述待测电缆首端的反射系数。
9.根据权利要求6所述的电缆绝缘缺陷检测系统，其特征在于，所述用反傅里叶变换后的数据绘制横轴为空间距离的定位图具体包括：
用反傅里叶变换后的数据减去绝缘完好时对应的背景数据，然后绘制横轴为空间距离的定位图；其中，所述背景数据为上一次的检测数据。
10.根据权利要求6所述的电缆绝缘缺陷检测系统，其特征在于，所述发射信号的频带为1kHz-50MHz。
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