CN114062852B - 电缆中间接头故障诊断方法、装置、设备及可读存储介质 - Google Patents

电缆中间接头故障诊断方法、装置、设备及可读存储介质 Download PDF

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CN114062852B CN202111365010.1A CN202111365010A CN114062852B CN 114062852 B CN114062852 B CN 114062852B CN 202111365010 A CN202111365010 A CN 202111365010A CN 114062852 B CN114062852 B CN 114062852B
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Abstract

本申请公开了一种电缆中间接头故障诊断方法、装置、设备及可读存储介质。通过对反射系数实部采取离散傅里叶变换来分析并定位待检测电缆的中间接头，采用傅里叶变换对待检测电缆的首端的反射系数的实部进行处理，可有效解决傅里叶变换中产生栅栏效应的影响，以提高对原始数据分辨率，从而提高定位结果的准确性。采用加Dolph‑Chebyshev窗处理，有效解决了傅里叶分析时存在的栅栏效应及频谱泄漏问题，可更好地根据测量的结果的偏移来确定待检测电缆中的中间接头的位置信息。基于待检测电缆的中间接头的位置信息，确定待检测电缆的中间接头的信号衰减值。基于所述信号衰减值可确定待检测电缆中发生故障的中间接头的位置信息。

Description

电缆中间接头故障诊断方法、装置、设备及可读存储介质
技术领域
本申请涉及电缆的中间接头缺陷识别技术领域，更具体地说，涉及一种电缆中间接头故障诊断方法、装置、设备及可读存储介质。
背景技术
在现实生活中，由于生产或生活的需要，电缆在布线的时候会通过接头的方式将多个短的电缆连接成一整根电缆来工作。随着时间的推移，电缆的中间接头或局部发生缺陷导致电缆发生故障是常见的事情。例如电缆的铜屏蔽层腐蚀、绝缘劣化等均会造成电缆本身的物理电气参数的改变，继而改变电缆发生缺陷的部分的特性阻抗，使得电缆发生故障的部分形成一个阻抗不匹配的段。为了快速定位到电缆中的阻抗不匹配的段，人们研究了很多种测试方法。其中，时域反射法(time domain reflectometry，TDR)作为一种无损测量方法得到了广泛应用。时域反射法作为传统的行波定位方法，利用行波折反射原理对电缆局部缺陷进行定位，得到了广泛的应用与研究，但时域反射法的测试波形频率成分单一，高频含量较少，对微弱缺陷的识别度较差，仅能对严重故障和较短长度的电缆进行定位。
而频域反射法(frequency domain reflectometry，FDR)采用连续扫频信号进行处理，频率范围广，对电缆中微弱的缺陷部分的定位效果较好，因此也得到了广泛的研究。因此，在电缆缺陷识别中，可以运用频域反射法对电缆中微弱的缺陷部分进行了定位，但在对测试数据进行傅里叶变换处理时会造成一定的频谱泄漏及栅栏效应，信号频谱中各谱线之间相互影响，使测量结果偏离实际值，同时在谱线两侧其他频率点上出现一些幅值较小的假谱。导致定位识别度不佳。为此，有学者采用了Kaiser窗对数据进行处理，但Kaiser窗需对参数进行现场设置，测试过程较为繁琐，且旁瓣对定位主瓣有一定影响，导致电缆中的缺陷部分不易被识别。而电缆中间接头本身作为一个阻抗不匹配段，在接头与电缆本体连接处也会产生信号折反射现象，故难以通过单个定位图谱的结果判断其是否受损。
为此，亟需一种可以快速诊断电缆故障部分的方案，用于解决电缆故障定位中定位难的问题。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种电缆中间接头故障诊断方法、装置、设备及可读存储介质，用于解决电缆故障定位中定位难的问题。
一种电缆中间接头故障诊断的方法，包括：
利用预设的传输线模型计算待检测电缆的单位长度的电导和电容；
基于所述待检测电缆的单位电导和电容，利用预设的单接头传输模型分别计算高频条件下，所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数、特性阻抗以及所述待检测电缆中的中间接头的传播常数及特性阻抗；
基于所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数、特性阻抗，分别计算在所述待检测电缆中用户指定端点的反射系数及输入阻抗，并基于计算得到的各个端点的反射系数及输入阻抗来计算所述待检测电缆首端的反射系数；
提取所述首端的反射系数的实部数据；
对所述首端的反射系数的实部数据进行傅里叶变换后再进行加Dolph-Chebyshev窗处理，得到待检测电缆的中间接头的位置信息；
基于待检测电缆的中间接头的位置信息，确定所述待检测电缆的中间接头的信号衰减值，并基于所述信号衰减值确定待检测电缆中发生故障的中间接头的位置信息。
从上述技术方案可以看出，本申请的电缆中间接头故障诊断方法，可以预先设置好传输线模型、单接头传输模型，以便可以用来计算待检测电缆的单位电导和电容以及高频条件下，所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数、特性阻抗以及所述待检测电缆中的中间接头的传播常数及特性阻抗。在设置好传输模型之后，可以利用传输线模型计算待检测电缆的单位电导和电容；在计算得到所述待检测电缆的单位电导和电容之后，可以基于所述待检测电缆的单位电导和电容，利用单接头传输模型分别计算高频条件下，所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数、特性阻抗以及所述待检测电缆中的中间接头的传播常数及特性阻抗；在得到所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数、特性阻抗后，可以用来分别计算在所述待检测电缆中用户指定端点的反射系数及输入阻抗。基于计算得到的各个端点的反射系数及输入阻抗来计算所述待检测电缆首端的反射系数；继而可以提取所述首端的反射系数的实部数据；电缆首端的反射系数包含了待检测电缆的中间接头的位置信息。为了更直观地得到所述待检测电缆的中间接头位置，可以对所述首端的反射系数的实部数据进行傅里叶变换后再进行加Dolph-Chebyshev窗处理，从而可以得到待检测电缆的中间接头的位置信息。通过对反射系数实部采取离散傅里叶变换来分析并定位待检测电缆的中间接头，同时对原始数据进行补零的快速傅里叶(fast Fourier transform，FFT)插值算法对所述待检测电缆的首端的反射系数的实部进行处理，可以有效解决傅里叶变换中产生栅栏效应的影响，以提高对原始数据分辨率，从而提高定位结果的准确性。此外，相比于现有技术对首端的反射系数加Kaiser窗进行处理，本申请采用加Dolph-Chebyshev窗处理，有效解决了傅里叶分析时存在的栅栏效应及频谱泄漏问题，可以更好地根据测量的结果的偏移来确定待检测电缆中的中间接头的位置信息。在得到待检测电缆的中间接头的位置信息后，可以基于待检测电缆的中间接头的位置信息，确定所述待检测电缆的中间接头的信号衰减值。一般来说，电缆的各个中间接头位置的信号衰减值随着各个中间接头相对于电缆首端的距离变化而呈现一定规律的衰减，基于所述信号衰减值可以确定待检测电缆中发生故障的中间接头的位置信息。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种实现电缆中间接头故障诊断方法的流程图；
图2为本申请实施例示例的一种对待检测电缆的反射系数的实部数据做插值算法处理后未加窗的定位结果的示意图；
图3为本申请实施例示例的一种对待检测电缆的测试数据进行加窗处理后得到的定位结果的示意图；
图4为本申请实施例示例的一种对待检测电缆在受潮处理后的极化介质损耗因素测试结果示意图；
图5为本申请实施例示例的一种对待检测电缆在受潮处理后的直流电导率的测试结果示意图；
图6为本申请实施例示例的一种待检测电缆的一个接头在正常条件和受潮条件下的加窗定位结果对比图；
图7为本申请实施例示例的一种对待检测电缆中多个接头无故障下的定位结果及幅值关系的示意图；
图8为本申请实例的一种对待检测电缆中多个接头在受潮条件下的定位结果及幅值关系的示意图；
图9为本申请实施例示例的一种对待检测电缆进行测试的系统结构示意图；
图10为本申请实施例示例的一种对待检测电缆多个接头的测试效果示意图；
图11为本申请实施例示例的一种电缆中间接头故障诊断装置结构示意图；
图12为本申请实施例公开的一种电缆中间接头故障诊断设备的硬件结构框图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在通信行业中，对电缆进行日常维护，需要对发生故障的部分进行定位，以便维护人员可以快速发现发生故障的位置，及时进行抢修，以保障正常的通信环境。一般来说，电缆的中间接头位置是比较容易受到潮湿环境的影响，维护人员在测试电缆的中间接头故障的时候，处理测试数据的时候容易发生栅栏效应的影响，从而影响了测试数据的准确度，导致不能很好地识别待检测电缆中发生故障的中间接头的具体位置信息，给电缆的维护人员带来了极大的工作挑战。虽然有人研究了通过加Kaiser窗对测试数据进行处理，但是Kaiser窗需对在现场设置参数，测试过程较为繁琐，电缆中的缺陷部分还是不易被识别。
因此，亟需一种可以快速诊断电缆的中间接头故障位置的方案，用于解决电缆中间接头故障定位难的问题。
为了解决这一问题，本申请提供了一种电缆中间接头故障诊断方法，可以用于解决电缆中间接头故障定位难的问题。
该方法可以应用于任意一种可以实现电缆中间接头故障诊断的设备中，可选的，实现电缆中间接头故障诊断的设备可以是平板电脑、手机、数字电视等具有数据处理能力的终端。
下面结合图1，介绍本申请实施例给出的电缆中间接头故障诊断方法的流程，该流程可以包括以下几个步骤：
步骤S101，利用预设的传输线模型计算待检测电缆的单位电导和电容。
具体地，在做故障诊断之前，可以利用预设的传输线模型计算待检测电缆的单位电导和电容，以便用来计算计算高频条件下，所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数、特性阻抗以及所述待检测电缆中的中间接头的传播常数及特性阻抗。
步骤S102，基于所述待检测电缆的单位电导和电容，利用预设的单接头传输模型分别计算高频条件下，所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数、特性阻抗以及所述待检测电缆中的中间接头的传播常数及特性阻抗。
具体地，在利用预设的传输线模型计算待检测电缆的单位电导和电容之后，可以利用预设的单接头传输模型分别计算高频条件下，所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数、特性阻抗以及所述待检测电缆中的中间接头的传播常数及特性阻抗。以便用来计算计算在所述待检测电缆中用户指定端点的反射系数及输入阻抗。
步骤S103，基于所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数、特性阻抗，分别计算在所述待检测电缆中用户指定端点的反射系数及输入阻抗，并基于计算得到的各个端点的反射系数及输入阻抗来计算所述待检测电缆首端的反射系数。
具体地，在计算所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数、特性阻抗之后，可以利用所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数、特性阻抗来计算在所述待检测电缆中用户指定端点的反射系数及输入阻抗。以便可以基于计算得到的各个端点的反射系数及输入阻抗来计算所述待检测电缆首端的反射系数。待检测电缆首端的反射系数包括了待检测电缆中的中间接头的位置信息。所以可以通过计算待检测电缆的反射系数来确定待检测电缆中的中间接头的位置信息。
步骤S104，提取所述首端的反射系数的实部数据。
具体地，在计算得到所述待检测电缆的首端的反射系数后，为了更准确地获取待检测电缆的首端的反射系数包含的中间接头位置，可以提取所述首端的反射系数的实部数据，以便获取待检测电缆中中间接头的位置信息。
步骤S105，对所述首端的反射系数的实部数据进行傅里叶变换后再进行加Dolph-Chebyshev窗处理，得到待检测电缆的中间接头的位置信息。
具体地，在提取到所述待检测电缆的首端的反射系数的实部数据后，可以对所述首端的反射系数的实部数据进行傅里叶变换，通过对反射系数实部采取离散傅里叶变换来分析并定位待检测电缆的中间接头，同时对原始数据进行补零的快速傅里叶(fastFourier transform，FFT)插值算法对所述待检测电缆的首端的反射系数的实部进行处理，可以有效解决傅里叶变换中产生栅栏效应的影响，以提高对原始数据分辨率，从而提高定位结果的准确性。对所述首端的反射系数的实部数据进行傅里叶变换后再进行加Dolph-Chebyshev窗处理，有效解决了傅里叶分析时存在的栅栏效应及频谱泄漏问题，可以更好地根据测量的结果的偏移来确定待检测电缆中的中间接头的位置信息。
其中，傅里叶变换中产生的栅栏效应，是因为通过离散傅里叶变换(DiscreteFourier Transform，DFT)计算的频谱被限制在基频的整数倍而不可能将频谱视为一个连续函数而产生的。就一定意义而言，栅栏效应表现为用DFT计算整个频谱时，类似于通过一个“栅栏”来观看一个图景一样,只能在离散点的地方看到真实图景。比如，采样频率设置为间隔5Hz时，那7Hz的结果其实是看不到的，看到的是5Hz和10Hz能量泄漏的值。
步骤S106，基于待检测电缆的中间接头的位置信息，确定所述待检测电缆的中间接头的信号衰减值，并基于所述信号衰减值确定待检测电缆中发生故障的中间接头的位置信息。
具体地，在确定所述待检测电缆的中间接头的位置信息后，并不能直接确定待检测电缆中哪个中间接头出现故障。为了确认待检测电缆的中间接头是否发生故障，可以确定所述待检测电缆的中间接头的信号衰减值，并通过分析待检测电缆中的各个中间接头的信号衰减值的随着各个中间接头距离首端的距离变化来确定待检测电缆中发生故障的中间接头的位置信息。一般地，待检测电缆的各个中间接头的信号衰减值是随着各个中间接头距离待检测电缆首端的距离呈现一定的衰减规律。如果待检测电缆的某一个中间接头的信号衰减值相对于正常的信号衰减值发生异常，则说明该处的中间接头可能出现了故障。从而可以达到快速确定发生故障的中间接头位置信息。
从上述技术方案可以看出，本申请实施例通过对反射系数实部采取离散傅里叶变换来分析并定位待检测电缆的中间接头，对原始数据进行补零的快速傅里叶(fastFourier transform，FFT)插值算法对所述待检测电缆的首端的反射系数的实部进行处理，可以有效解决傅里叶变换中产生栅栏效应的影响，以提高对原始数据分辨率，从而提高定位结果的准确性。此外，相比于现有技术，对首端的反射系数加Kaiser窗进行处理，本申请采用加Dolph-Chebyshev窗处理，有效解决了傅里叶分析时存在的栅栏效应及频谱泄漏问题，可以更好地根据测量的结果的偏移来确定待检测电缆中的中间接头的位置信息。在得到待检测电缆的中间接头的位置信息后，可以基于待检测电缆的中间接头的位置信息，确定所述待检测电缆的中间接头的信号衰减值。一般来说，电缆的各个中间接头位置的信号衰减值随着各个中间接头相对于电缆首端的距离变化而呈现一定规律的衰减，基于所述信号衰减值可以确定待检测电缆中发生故障的中间接头的位置信息。
本申请实施例对所述传输线模型的创建过程进行介绍，该过程可以包括如下：
以单位长度下的电阻R，电感L，电导G和电容C作为电气参数搭建而成；
具体地，随着频率的增大，在相同条件下导体外壳中的电流逐渐明显大于其内部。由此，可以确定导体具有“电流趋向于表面分布”的特点，即所谓趋肤效应。而待检测电缆中的单位长度下的电阻R，电感L，电导G和电容C等电气参数因为集肤效应以及邻近效应的影响，单位长度的电阻R和电感L表现为随频率而改变的物理量。
因此，各参数关系式可以为：
其中，μ0为真空条件下的磁导率；
ω＝2πf为向待检测电缆注入的信号的角频率，其中，f为向待检测电缆注入的信号的频率；
ρc、ρs分别表示该电缆的缆芯以及屏蔽层的电阻率；
rs为电缆的屏蔽层内半径，rc为缆芯半径；
σ为电介质的电导率、ε为电介质的介电常数。
可以采用上述公式(3)、(4)来计算待检测电缆的单位电导和电容。
从上述技术方案可以看出，本申请实施例可以通过单位长度下的电阻R，电感L，电导G和电容C作为电气参数构建传输线模型，以便可以用来计算待检测电缆的单位长度的电导和电容。
本申请实施例对所述单接头传输模型的创建过程进行介绍，该过程可以包括如下几个步骤：
步骤S1，设待检测电缆的长度为l，v为待检测电缆中参考信号传播的波速，待检测电缆在绝缘状态下的传播常数为γ0，特性阻抗为Z0，待检测电缆中的中间接头的传播常数为γn，特性阻抗Zn。
步骤S2，以待检测电缆的首端为原点，指向待检测电缆的末端为正方向建立参考坐标系。
步骤S3，构建计算待检测电缆的传播常数和特性阻抗的公式。
其中，待检测电缆的传播常数和特性阻抗计算公式分别为：
γn(ω)＝α(ω)+jβ(ω) (5)；
其中，维护人员在做电缆故障分析中，通常是采用高频的条件来进行测试，而在高频条件下，待检测电缆的特性阻抗可以视为定值，因此，待检测电缆在高频条件计算公式为：
其中，R为单位长度的电阻；
L为单位长度的电感；
G为单位长度的电导；
C为单位长度的电容；
j为虚部；
α(ω)表示电缆的衰减常数；
表示电缆的相位常数。
从上述技术方案可以看出，本申请实施例可以构建单接头传输模型，所述单接头传输模型可以用来计算待检测电缆在高频条件下，待检测电缆在绝缘状态下的传播常数和特性阻抗，以及待检测电缆中的中间接头的传播常数和特性阻抗。
本申请实施例对上述步骤S103，基于所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数、特性阻抗，分别计算在所述待检测电缆中用户指定端点的反射系数及输入阻抗，并基于计算得到的各个端点的反射系数及输入阻抗来计算所述待检测电缆首端的反射系数的过程进行介绍，该过程可以包括如下：
具体地，在确定所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数、特性阻抗之后，可以根据以下公式(8)、(9)分别计算所述待检测电缆的各个端点的输入阻抗和反射系数；
其中，各个端点的反射系数和输入阻抗的计算公式为：
其中，Γa为在所述待检测电缆中用户指定的端点中距离所述待检测电缆首端的距离为la的端点的反射系数；
Zla为在所述待检测电缆中用户指定的端点中距离所述待检测电缆首端距离为la的端点的输入阻抗；
Z0为所述待检测电缆在绝缘状态下的特性阻抗；
l为所述待检测电缆的长度；
la为在待检测电缆中用户指定的距离为la的端点到待检测电缆首端的长度；
γ0为所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数；
基于此，所述基于计算得到的各个端点的反射系数及输入阻抗来计算待检测电缆首端的反射系数，包括：
结合计算得到的各个端点的反射系数，电缆首端的反射系数计算公式为：
其中，Γ(ω)表示待检测电缆的首端的反射系数；
ln，1表示用户指定的待检测电缆的第n个端点到待检测电缆的首端的距离；
γ0为所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数。
从上述技术方案可以看出，本申请实施例可以基于所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数、特性阻抗来计算在所述待检测电缆中用户指定端点的反射系数及输入阻抗，并基于计算得到的各个端点的反射系数及输入阻抗来计算所述待检测电缆首端的反射系数。
所述待检测电缆的首端的反射系数包括了待检测电缆整体的状态信息，因此，在获得所述待检测电缆的首端的反射系数后，可以提取所述首端的反射系数的实部数据，接下来对所述提取所述首端的反射系数的实部数据的过程进行介绍，该过程具体如下：
针对所述待检测电缆首端的反射系数提取实部数据，可以得到所述首端的反射系数实部数据的表达式为：
其中，Re(Γ(ω))表示所述待检测电缆首端的反射系数提取实部数据；
α(ω)表示电缆的衰减常数；
表示电缆的相位常数；
例如，在上述公式(11)中，若把频率分量f看作自变量：
当待检测电缆无任何中间接头的时候，待检测电缆的首端的反射系数实部会出现的等效分量，当距电缆首端la处出现中间接头时，反射系数实部会出现/>的等效分量；同时，在高频情况下，参考信号传播的波速v可视为定值。
从上述技术方案可以看出，本申请实施例可针对所述待检测电缆首端的反射系数提取实部数据，得到所述首端的反射系数实部数据的表达式，以便可以通过对所述待检测电缆的首端的反射系数的实部数据进行处理来确定待检测电缆中的中间接头的位置信息。
本申请实施例对上述步骤S105，对所述首端的反射系数的实部数据进行傅里叶变换后再进行加Dolph-Chebyshev窗处理，得到待检测电缆的中间接头的位置信息的过程进行介绍，该过程具体如下：
具体地，Dolph-Chebyshev窗是切比雪夫多项式在单位圆上做N点等间隔抽样的算法，其中，切比雪夫多项式在逼近理论中有重要的应用。第一类切比雪夫多项式的根(被称为切比雪夫节点)可以用于多项式插值。相应的插值多项式能在连续函数中求得最佳一致逼近值。即可以尽可能的降低逼近连续函数。
Dolph-Chebyshev窗函数的表达式为：
在上述公式(12)中，n为窗口宽度，m＝(n-1)/2，wc(n)为Dolph-Chebyshev窗函数的离散频谱函数，表达式为：
在上述公式(13)中，n为窗口的宽度；T为调整参数，ΔF为参数T决定的控制因子；可通过改变T来调整旁瓣低于主瓣的幅值大小，因此Dolph-Chebyshev窗函数的窗函数滤波效果较好，可更好地抑制旁瓣干扰，对中间接头定位效果较好。
基于此，对所述反射系数的实部数据进行傅里叶变换后再进行加Dolph-Chebyshev窗处理，得到计算待检测电缆的中间接头的位置信息的表达式如下：
在上述公式(14)中，Γ″为对待检测电缆首端的反射系数加窗处理后的首端的反射系数；
Wc(m)为Dolph-Chebyshev窗函数的离散频谱；
n为窗口的宽度，
从上述技术方案可以看出，本申请实施例通过对反射系数实部采取离散傅里叶变换来分析并定位待检测电缆的中间接头，对原始数据进行补零的快速傅里叶(fastFourier transform，FFT)插值算法对所述待检测电缆的首端的反射系数的实部进行处理，可以有效解决傅里叶变换中产生栅栏效应的影响，以提高对原始数据分辨率，从而提高定位结果的准确性。此外，相比于现有技术，对首端的反射系数加Kaiser窗进行处理，本申请采用加Dolph-Chebyshev窗处理，有效解决了傅里叶分析时存在的栅栏效应及频谱泄漏问题，可以更好地根据测量的结果的偏移来确定待检测电缆中的中间接头的位置信息。
本申请实施例上述步骤S106，对基于待检测电缆的中间接头的位置信息，确定所述待检测电缆的中间接头的信号衰减值，并基于所述信号衰减值确定待检测电缆中发生故障的中间接头的位置信息的过程进行介绍，该过程具体如下：
具体地，当注入待检测电缆中的信号频率较高时，信号在电缆中传播的波速度为：
其中，c0表示真空中的光速，μr和εr分别为电缆绝缘材料的相对磁导率和相对介电常数，由此可见波速大小可反映电缆的整体绝缘状态，
基于待检测电缆的中间接头的位置到待检测电缆的首端的距离，以及各个中间接头的反射系数，可以确定待检测电缆的各个中间接头的信号衰减值。
由于频域反射法通过对反射系数实部进行加窗傅里叶变换处理得到的定位图谱的纵坐标为对数坐标，结合上述反射系数表达式，当对电缆中的中间接头段的反射系数Γ取对数ln时，各个中间接头的信号衰减值的计算公式如下：
其中，Kn表示待检测电缆中第n个中间接头的信号衰减值；
ln表示待检测电缆的中间接头的位置到待检测电缆的首端的距离；
k为一常数，常数k的取值取决于待检查电缆的中间接头与电缆本体的固定参数；
γ0为所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数。
一般地，电缆的各个中间接头的信号衰减值是随着各个中间接头距离待检测电缆首端的距离呈现一定的衰减规律。如果待检测电缆的某一个中间接头的信号衰减值相对于正常的信号衰减值发生异常，则说明该处的中间接头可能出现了故障。从而可以达到快速确定发生故障的中间接头位置信息。
例如，一根200米的电缆有2个中间接头，从电缆的首端开始，按照一般信号的衰减规律，第50米的接头幅值是100db；第100米的接头的衰减幅值80db；第150米的衰减幅值为60db。假如，通过测试第100米处的接头的衰减幅值为40db，而假设待检测电缆是没有故障的情况下，第100米的接头的衰减幅值应该是80db；则说明第100米处的接头发生了故障。
从上述技术方案可以看出，本申请实施例，在得到待检测电缆的中间接头的位置信息后，可以基于待检测电缆的中间接头的位置信息，确定所述待检测电缆的中间接头的信号衰减值。一般来说，电缆的各个中间接头位置的信号衰减值随着各个中间接头相对于电缆首端的距离变化而呈现一定规律的衰减，基于所述信号衰减值可以确定待检测电缆中发生故障的中间接头的位置信息。
接下来结合图2-图10、表1、表2对本申请的电缆中间接头故障诊断方法进行介绍。
建立200米XLPE电缆仿真数学模型，在电缆100米处模拟中间接头段，接头处单位电容设置为电缆本体的0.95倍，接头长为0.1米，采用的FDR频带范围为0.15MHz到2.5MHz。
图2示例了对反射系数的实部数据插值算法处理后未加窗的定位结果。
通过对反射系数实部进行处理来获取电缆的中间接头位置信息是可行的，但对数据进行傅里叶算法分析时，对原始数据的非周期性截断，会造成频谱泄漏和栅栏效应，从而使定位识别灵敏度下降。未对测试数据进行加窗处理的结果，接头处定位幅值较低，不易识别，且存在2.4米的定位误差。为提高定位准确度，需要对测试结果进行加窗处理。
接下来，分别对原始数据采用Hamming窗，Blackman窗以及Dolph-Chebyshev窗进行算法处理。
对测试数据进行加窗处理后得到的定位结果如图3所示：
由图3所示的定位结果可知，对原始数据进行加窗处理后能够很好的提升定位效果，同时减小了旁瓣对于主瓣定位效果的影响。下表1揭示了采用不同的窗函数对未发生故障的电缆的测试数据进行处理的定位结果之间对比效果。
表1：采用不同的窗函数对未发生故障的电缆的测试数据进行处理的定位结果对比表
窗函数类型 定位结果/m 定位幅值 定位相对误差/m
不加窗 102.4 -0.623 2.4
Blackman窗 100.7 0.332 0.7
Hamming窗 100.3 0.269 0.3
Dolph-Chebysev窗 100.1 0.237 0.1
虽然加Hamming窗和Blackman窗能够有效地改善定位识别度，但这两种加窗处理仍有着较大的旁瓣干扰，若待检测电缆中存在微弱缺陷干扰且两个缺陷距离较近时不易准确识别；而加Dolph-Chebyshev窗则很好地抑制了旁瓣干扰，Dolph-Chebyshev窗函数可以更好地显示定位主瓣结果，同时将测试结果的旁瓣干扰全部抑制，对电缆中的接头处定位效果最为明显，符合现场测试需求。
同时，由表1的定位结果可知，使用Dolph-Chebyshev窗对测试数据进行处理得到的定位结果，其准确度是分别使用以上三种窗函数中最高，通过三种窗函数对比，选择Dolph-Chebyshev窗对测试数据加以处理。
接下来对待检测电缆在冷热负荷循环平台进行受潮处理后，再对电缆进行测试：
在受潮处理的测试环境中，待检测电缆总长为20m，在10m处制作冷缩中间接头。每天24h中以90℃恒温加热12小时，其余时间不作处理，正常冷却至室温，周期30天，间隔10天进行一次测试，首先通过极化去极化电流法对整根电缆0.1Hz下的极化介质损耗因素和直流电导率进行测量，得到的测量结果分别如图4、图5所示。可见该接头在水分浸泡以及冷热循环条件下，其0.1Hz下的极化介质损耗因素逐渐增大，直流电导率同样递增，同时在受潮越久后增大速率加快。测试结果表明该电缆绝缘健康状态明显下降。
在此基础上利用改进窗函数对该样本进行测试，得到的测试结果如图6所示。由实验结果可得，受潮20d及受潮30d的接头定位结果发生了偏移。即随着受潮程度改进，解决了傅里叶分析时存在的栅栏效应及频谱泄漏问题加剧，定位波峰整体向后偏移，即信号在电缆中传输的波速度下降。波速大小可反映电缆的整体绝缘状态。因此也可通过定位波峰整体的向后偏移，来判断电缆整体绝缘状态出现劣化。
为进一步证实电缆中的中间接头已完全受潮，在受潮30天后将该接头进行截取(长度为1m)，利用TH2816B型LCR数字电桥在测试频率为120kHz条件下对其电容进行测试，同时对同样长度的电缆本体和同款型号的正常接头进行测试，测试得到其电容变化情况如表2所示，
表2：不同受潮程度接头与正常电缆本体电容测试结果对比表
测试样本 受潮时间(day) 电容(pF) 电容变化率
正常电缆本体 / 251.338 /
正常接头 / 221.007 -12.07％
受潮接头 30d 391.287 +55.68％
当中间接头出现受潮现象时，电缆接头采用了不同材料，将造成贴合处为复合界面，其绝缘强度受到界面压力，杂质等的影响。复合界面可见其存在较多微观间隙，当微观间隙被水分或其他杂质侵入时，将导致复合界面绝缘性能下降，从而导致接头的绝缘降低，演变为缺陷接头。
由于水和XLPE的相对介电常数不同，ε水为约81，而εXLPE约为2.3，结合上述公式(1)中对单位电容C计算可知，当接头出现受潮时，其电容会发生相应增大，同时结合表2测试数据可见随着接头受潮，其电容会相应的增加，因此接头的电容改变可作为缺陷的一种表征。
由实验结果可得，由于正常接头的电容约为电缆本体电容的0.8倍，当接头轻度受潮时，其电容逐渐增加至趋于电缆本体，导致接头处反射幅值逐渐削弱，与实验受潮10d、20d定位幅值逐渐下降相符。而接头受潮30d后的定位幅值反而增大，结合电容测试结果，当接头受潮达到一定程度时，严重受潮接头的电容发生较大增加，远超电缆本体，从而导致接头定位幅值出现增大现象。
在对待检测电缆做了受潮处理的基础上，在上述200米电缆模型基础上，分别在40m、80m以及160m处设置正常中间接头，保证各接头参数设置一致。FDR频率测试范围为0.15MHz到9.5MHz，采用频域反射法通过上述改进窗函数处理得到的定位结果如图7所示，同时设置接头1电容C1增大为正常接头的1.2倍，模拟轻度受潮接头，定位结果如图8所示。
若每个接头段参数一致，每处的幅值衰减与距离呈等比例关系，接头1、2与接头2、3距离差分别为40m及80m，此时二者的幅值差基本满足倍数关系，而当接头1出现受潮缺陷时，其定位幅值发生衰减，导致各接头之间的幅值差不再符合线性衰减关系。因此也可通过FDR定位幅值是否符合线性衰减来判断是否存在异常接头。
为验证本申请所采用方法的有效性，对某段2800m 10kV三相XLPE多接头电力电缆进行实际测试，采用图9所示的测试系统，其中窄带接收器的设置频率与信号设置频率相同，当可调发生器产生信号时，接收器可对相应频带内的信号进行处理，很好的抑制了噪声干扰，提高了测试灵敏度。
首先将测试仪与电缆的缆芯及铜屏蔽层连接，电缆末端保持为开路。通过计算机控制频域频率可调发生器注入连续扫频信号，信号经功分器均分后得到参考信号和入射信号；窄带接收器A将参考信号滤波后送入数据采集模块，同时入射信号经过耦合器注入被测电缆，并采集通过耦合器和窄带接收器B得到的反射信号数据；通过计算反射信号以及参考信号信息获取反射系数数据，继而进行算法处理及分析。
通过计算机控制频域扫描仪注入连续扫频信号。测试频率设置为0.15MHz～1.5MHz，测试得到电力电缆的首端反射系数数据，并将数据所提改进方法进行算法处理得到最终定位结果。测试结果如图10所示。
由三相定位结果可知，中间接头定位结果与实际接头位置基本符合，C相电缆的接头3定位幅值明显低于A、B两相定位幅值，同时其幅值也低于接头2和4，不符合定位幅值衰减规律。为此根据多接头模型分析结果，判断1201米的中间接头为异常接头。同时，A、B两相末端定位幅值几乎一致，而C相末端幅值明显减小且向后偏移，据此可判断C相电缆整体绝缘性能较差，与C相电缆绝缘电阻值最低的测试结果相吻合。
将疑似出现异常的中间接头3进行处理，将该处接头剖开发现，该接头受潮严重，且C相铜屏蔽层有明显损坏现象。由此可见FDR改进测试方法对于多接头电缆定位及电缆整体绝缘性能诊断具有可行性。
下面开始介绍本申请实施例提供的电缆中间接头故障诊断装置，下文描述的电缆中间接头故障诊断装置与上文描述的电缆中间接头故障诊断方法可相互对应参照。
参见图11，图11为本申请实施例公开的一种电缆中间接头故障诊断处理装置结构示意图。
如图11所示，该电缆中间接头故障诊断装置可以包括：
第一计算单元101，用于利用预设的传输线模型计算待检测电缆的单位长度的电导和电容；
第二计算单元102，用于基于所述待检测电缆的单位电导和电容，利用预设的单接头传输模型分别计算高频条件下，所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数、特性阻抗以及所述待检测电缆中的中间接头的传播常数及特性阻抗；
第三计算单元103，用于基于所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数、特性阻抗，分别计算在所述待检测电缆中用户指定端点的反射系数及输入阻抗，并基于计算得到的各个端点的反射系数及输入阻抗来计算所述待检测电缆首端的反射系数；
实部数据提取单元104，用于提取所述首端的反射系数的实部数据；
中间接头位置确定单元105，用于对所述首端的反射系数的实部数据进行傅里叶变换后再进行加Dolph-Chebyshev窗处理，得到待检测电缆的中间接头的位置信息；
故障接头确定单元106，用于基于待检测电缆的中间接头的位置信息，确定所述待检测电缆的中间接头的信号衰减值，并基于所述信号衰减值确定待检测电缆中发生故障的中间接头的位置信息。
本申请实施例的装置可以通过对反射系数实部采取离散傅里叶变换来分析并定位待检测电缆的中间接头，对原始数据进行补零的快速傅里叶(fast Fourier transform，FFT)插值算法对所述待检测电缆的首端的反射系数的实部进行处理，可以有效解决傅里叶变换中产生栅栏效应的影响，以提高对原始数据分辨率，从而提高定位结果的准确性。此外，相比于现有技术，对首端的反射系数加Kaiser窗进行处理，本申请采用加Dolph-Chebyshev窗处理，有效解决了傅里叶分析时存在的栅栏效应及频谱泄漏问题，可以更好地根据测量的结果的偏移来确定待检测电缆中的中间接头的位置信息。在得到待检测电缆的中间接头的位置信息后，可以基于待检测电缆的中间接头的位置信息，确定所述待检测电缆的中间接头的信号衰减值。一般来说，电缆的各个中间接头位置的信号衰减值随着各个中间接头相对于电缆首端的距离变化而呈现一定规律的衰减，基于所述信号衰减值可以确定待检测电缆中发生故障的中间接头的位置信息。
其中，上述电缆中间接头故障诊断装置所包含的各个单元的具体处理流程，可以参照前文方法部分相关介绍，此处不再赘述。
本申请实施例提供的电缆中间接头故障诊断装置可应用于电缆中间接头故障诊断设备，如终端：手机、电脑等。可选的，图12示出了电缆中间接头故障诊断设备的硬件结构框图，参照图12，电缆中间接头故障诊断设备的硬件结构可以包括：至少一个处理器1，至少一个通信接口2，至少一个存储器3和至少一个通信总线4。
在本申请实施例中，处理器1、通信接口2、存储器3、通信总线4的数量为至少一个，且处理器1、通信接口2、存储器3通过通信总线4完成相互间的通信。
处理器1可能是一个中央处理器CPU，或者是特定集成电路ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit)，或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路等；
存储器3可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatilememory)等，例如至少一个磁盘存储器；
其中，存储器存储有程序，处理器可调用存储器存储的程序，所述程序用于：实现前述终端电缆中间接头故障诊断方案中的各个处理流程。
本申请实施例还提供一种可读存储介质，该存储介质可存储有适于处理器执行的程序，所述程序用于：实现前述终端在电缆中间接头故障诊断方案中的各个处理流程。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。各个实施例之间可以相互组合。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种电缆中间接头故障诊断的方法，其特征在于，包括：
利用预设的传输线模型计算待检测电缆的单位长度的电导和电容；
基于所述待检测电缆的单位电导和电容，利用预设的单接头传输模型分别计算高频条件下，所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数、特性阻抗以及所述待检测电缆中的中间接头的传播常数及特性阻抗；
基于所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数、特性阻抗，分别计算在所述待检测电缆中用户指定端点的反射系数及输入阻抗，并基于计算得到的各个端点的反射系数及输入阻抗来计算所述待检测电缆首端的反射系数；
提取所述首端的反射系数的实部数据；
对所述首端的反射系数的实部数据进行傅里叶变换后再进行加Dolph-Chebyshev窗处理，得到待检测电缆的中间接头的位置信息；
基于待检测电缆的中间接头的位置到待检测电缆的首端的距离，以及各个中间接头的反射系数，确定待检测电缆的各个中间接头的信号衰减值，其中，各个中间接头的信号衰减值的计算公式如下：
其中，Kn表示待检测电缆中第n个中间接头的信号衰减值；ln表示待检测电缆的中间接头的位置到待检测电缆的首端的距离；k为一常数，常数k的取值取决于待检查电缆的中间接头与电缆本体的固定参数；γ0为所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数；Γn表示接头处反射系数；
基于所述信号衰减值确定待检测电缆中发生故障的中间接头的位置信息。
2.根据权利要求1所述的电缆中间接头故障诊断方法，其特征在于，所述传输线模型的创建过程，包括：
以单位长度下的电阻R，电感L，电导G和电容C作为电气参数搭建而成；
其中，各参数关系式为：
其中，μ0为真空条件下的磁导率；
ω＝2πf为向待检测电缆注入的信号的角频率，其中，f为向待检测电缆注入的信号的频率；
ρc、ρs分别表示该电缆的缆芯以及屏蔽层的电阻率；
rs为电缆的屏蔽层内半径，rc为缆芯半径；
σ为电介质的电导率、ε为电介质的介电常数。
3.根据权利要求1所述的电缆中间接头故障诊断方法，其特征在于，所述单接头传输模型的创建过程，包括：
设待检测电缆的长度为l，v为待检测电缆中参考信号传播的波速,待检测电缆在绝缘状态下的传播常数为γ0，特性阻抗为Z0，待检测电缆中的中间接头的传播常数为γn，特性阻抗Zn；
以待检测电缆的首端为原点，指向待检测电缆的末端为正方向建立参考坐标系；
其中，待检测电缆的传播常数和特性阻抗计算公式分别为：
γn(ω)＝α(ω)+jβ(ω)；
其中，在高频条件下，待检测电缆的特性阻抗视为定值，计算公式为：
其中，R为单位长度的电阻；
L为单位长度的电感；
G为单位长度的电导；
C为单位长度的电容；
j为虚部；
α(ω)表示电缆的衰减常数；
表示电缆的相位常数，其中，f为向待检测电缆注入的信号的频率；v为待检测电缆中参考信号传播的波速。
4.根据权利要求1所述的电缆中间接头故障诊断方法，其特征在于，所述基于所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数、特性阻抗，分别计算在所述待检测电缆中用户指定端点的反射系数及输入阻抗，包括：
根据以下公式分别计算所述待检测电缆的各个端点的反射系数和输入阻抗；
其中，各个端点的反射系数和输入阻抗的计算公式为：
其中，Γa为在所述待检测电缆中用户指定的端点中距离所述待检测电缆首端的距离为la的端点的反射系数；
zla为在所述待检测电缆中用户指定的端点中距离所述待检测电缆首端距离为la的端点的输入阻抗；
Z0为所述待检测电缆在绝缘状态下的特性阻抗；
l为所述待检测电缆的长度；
la为在待检测电缆中用户指定的距离为la的端点到待检测电缆首端的长度；
γ0为待检测电缆在绝缘状态下的传播常数；
e表示自然底数，其中，e的取值为2.718281828459；
基于此，所述基于计算得到的各个端点的反射系数及输入阻抗来计算待检测电缆首端的反射系数，包括：
结合计算得到的各个端点的反射系数，电缆首端的反射系数计算公式为：
其中，Γ(ω)表示待检测电缆的首端的反射系数；
ln，1表示用户指定的待检测电缆的第n个端点到待检测电缆的首端的距离；
γ0为所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数；
e表示自然底数，其中，e的取值为2.718281828459；
Γ2n+1表示含2n+1个端点的首端反射系数。
5.根据权利要求1所述的电缆中间接头故障诊断方法，其特征在于，所述提取所述首端的反射系数的实部数据，包括：
针对所述待检测电缆首端的反射系数提取实部数据，得到所述首端的反射系数实部数据的表达式为：
其中，Re(Γ(ω))表示所述待检测电缆首端的反射系数提取实部数据；
α(ω)表示电缆的衰减常数；
表示电缆的相位常数；
e表示自然底数，其中，e的取值为2.718281828459；
l为所述待检测电缆的长度；
f为向待检测电缆注入的信号的频率；
v为待检测电缆中参考信号传播的波速。
6.根据权利要求1所述的电缆中间接头故障诊断方法，其特征在于，所述对所述首端的反射系数的实部数据进行傅里叶变换后再进行加Dolph-Chebyshev窗处理，得到待检测电缆的中间接头的位置信息，包括：
对所述反射系数的实部数据进行傅里叶变换后再进行加Dolph-Chebyshev窗处理，得到计算待检测电缆的中间接头的位置信息的表达式如下：
其中，Γ″为对待检测电缆首端的反射系数加窗处理后的首端的反射系数；
Wc(m)为Dolph-Chebyshev窗函数的离散频谱；
n为窗口的宽度，其中，m表示窗函数经过傅里叶变化后在频谱上的点数；
l为所述待检测电缆的长度；
f为向待检测电缆注入的信号的频率；
v为待检测电缆中参考信号传播的波速；
e表示自然底数，其中，e的取值为2.718281828459；
N表示窗函数在时域上的点数；
M表示窗函数经过傅里叶变化后在频谱上的点数。
7.一种电缆中间接头故障诊断装置，其特征在于，该装置包括：
第一计算单元，用于利用预设的传输线模型计算待检测电缆的单位长度的电导和电容；
第二计算单元，用于基于所述待检测电缆的单位电导和电容，利用预设的单接头传输模型分别计算高频条件下，所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数、特性阻抗以及所述待检测电缆中的中间接头的传播常数及特性阻抗；
第三计算单元，用于基于所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数、特性阻抗，分别计算在所述待检测电缆中用户指定端点的反射系数及输入阻抗，并基于计算得到的各个端点的反射系数及输入阻抗来计算所述待检测电缆首端的反射系数；
实部数据提取单元，用于提取所述首端的反射系数的实部数据；
中间接头位置确定单元，用于对所述首端的反射系数的实部数据进行傅里叶变换后再进行加Dolph-Chebyshev窗处理，得到待检测电缆的中间接头的位置信息；
信号衰减值确定单元，用于基于待检测电缆的中间接头的位置到待检测电缆的首端的距离，以及各个中间接头的反射系数，确定待检测电缆的各个中间接头的信号衰减值，其中，各个中间接头的信号衰减值的计算公式如下：
其中，Kn表示待检测电缆中第n个中间接头的信号衰减值；ln表示待检测电缆的中间接头的位置到待检测电缆的首端的距离；k为一常数，常数k的取值取决于待检查电缆的中间接头与电缆本体的固定参数；γ0为所述待检测电缆在绝缘状态下的传播常数；Γn表示接头处反射系数；
故障接头确定单元，用于基于所述信号衰减值确定待检测电缆中发生故障的中间接头的位置信息。
8.一种电缆中间接头故障诊断设备，其特征在于，包括存储器和处理器；
所述存储器，用于存储程序；
所述处理器，用于执行所述程序，实现如权利要求1-6中任一项的电缆中间接头故障诊断方法的各个步骤。
9.一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-6中任一项的电缆中间接头故障诊断方法的各个步骤。
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