CN114217166B - 一种基于fdr频域波形的变电站低压电缆局部缺陷定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FDR频域波形的变电站低压电缆局部缺陷定位方法，首先，分别对正常低压电缆和待测低压电缆进行FDR测试，获取两者的频域波形；其次，对正常低压电缆的频域波形和待测低压电缆的频域波形进行处理，获得正常低压电缆的距离诊断图谱和待测低压电缆的距离诊断图谱；最后，依据待测低压电缆的距离诊断图谱完成对缺陷定位和绝缘状态诊断。本发明关注变电站低压系统电缆局部缺陷定位和绝缘状态诊断，首次提出基于FDR频域波形特征的变电站低压系统电缆局部缺陷定位技术，可有效降低变电站内由低压电缆局部故障引起供电事故的隐患。
Description
技术领域
本发明属于电力系统诊断技术领域，涉及电缆状态诊断及缺陷定位，具体涉及基于FDR频域波形特征的变电站低压电缆局部缺陷定位技术。
背景技术
随着我国输电线路里程的不断增加，大量变电站建成并投入运行。变电站低压系统负责为站内二次设备提供电源，低压系统稳定与否直接关系到变电站运行的可靠性与稳定性。在运行过程中，变电站低压系统所用电缆会受到热应力、电应力、外力破坏等因素作用，绝缘性能逐渐下降，为变电站安全运行带来隐患。若低压电缆内部发生外护套破损或水分入侵等局部缺陷，则会导致变电站交流系统产生电弧、接地等故障，轻可造成电能损耗，重则导致站内保护系统误动作甚至火灾等事故，对电力系统造成严重威胁。如能及时精准确定低压系统电缆缺陷位置，判断电缆绝缘性能，则可有针对性对变电站低压系统进行运维与检修，进一步消灭由低压电缆故障引起的事故隐患。因此，加强变电站低压系统电缆绝缘状态监测，提高低压电缆局部缺陷定位技术对于电力系统安全运行具有重要意义。
目前已有多种方法应用于电缆缺陷定位技术，申请号为CN201710063972.9的专利提出一种具备缺陷定位功能的电缆串谐耐压装置，该装置可实现交流谐振耐压试验和振荡波局放试验，实现对电缆局放源的精准定位；专利CN201910647888.0提出一种基于回波损耗谱法的电力电缆缺陷定位及诊断方法，该方法通过向电力电缆发射扫频脉冲信号，可同时实现对电力电缆缺陷定位和缺陷严重程度的诊断；专利申请号为CN202011522260.7的专利提出一种基于切比雪夫窗的电缆多段缺陷定位方法及装置，该技术可解决现有电缆缺陷定位方法准确率低且无法同时定位电缆多段缺陷的问题。然而，目前关于电缆缺陷定位技术的研究大多围绕中高压XLPE电缆展开，对以PVC为绝缘材料的低压电缆缺陷定位的关注较少。而由于故障电流小、仪器灵敏度低等原因，常用的低压电缆绝缘保护措施如剩余电流保护装置及低压断路器难以引发保护动作，进而导致火灾等事故发生。
综上所述，目前亟需一种新的方法实现低压电缆局部缺陷的准确定位。
发明内容
本发明为解决低压电缆故障定位的问题，首次提出基于FDR频域波形的变电站低压电缆局部缺陷定位方法，基于频域反射法实现低压电缆局部缺陷的精准定位。
本发明的发明思路为：基于频域反射法(frequency domain reflectometry,FDR)因其注入高频信号丰富、有更高信噪比、能够识别微弱缺陷等特性，对待测低压电缆进行FDR测试，依据测试得到的频域波形特征，来实现对电缆局部缺陷定位。
本发明提供的基于FDR频域波形的变电站低压电缆局部缺陷定位方法，其包括以下步骤：
S1对与待测低压电缆相同型号的正常低压电缆进行FDR测试，获取正常低压电缆的频域波形；
S2对待测低压电缆进行FDR测试，获取待测电缆的频域波形；
S3对正常低压电缆的频域波形和待测低压电缆的频域波形进行处理，获得正常低压电缆的距离诊断图谱和待测低压电缆的距离诊断图谱；
S4依据待测低压电缆的距离诊断图谱，若相邻波峰幅值从首端至末端呈递减趋势，则待测低压电缆不存在缺陷，完成电缆诊断；若距离诊断图谱中存在波峰幅值均高于两侧波峰幅值的畸变位置，即为缺陷位置，完成对缺陷定位，并进入下一步；
S5依据正常低压电缆的距离诊断图谱和待测低压电缆的距离诊断图谱波峰幅值对比分析，对待测低压电缆进行绝缘状态评估。
上述基于FDR频域波形的变电站低压电缆局部缺陷定位方法，步骤S1和步骤S2中，对正常低压电缆和待测低压电缆进行FDR测试操作为：将正常低压电缆或待测低压电缆的首端(测试端)缆芯部分与调频信号源的测试线连接，铜屏蔽层接地，末端开路；通过调频信号源向正常低压电缆或待测低压电缆的首端发射调制信号Vi(f)，测量反射回来的反射信号Vr(f)，依据发射调制信号Vi(f)和反射信号Vr(f)得到反射系数f表示注入的测试信号频率，以反射系数随频率变化的频域反射系数谱作为表征低压电缆特性的频域波形。测试前，需要设置好调频信号源的电压幅值、输出频率下限、输出频率上限以及测量频率点数。调频信号源的电压幅值一般设置为0-5V，不包括端值0。受设备影响，信号源的输出频率下限一般为固定值，而输出频率上限与被测低压电缆长度有关，被测低压电缆长度越长，输出频率上限则越小；本发明中设置的输出频率范围为0.15MHz-200MHz，由于缺陷处波峰变窄，这样设置能够提供测试灵敏度。测量频率点数直接关系到FDR测量精度，测量频率点数过少，定位精度变低，并且可能存在频率混叠现象，从而造成误判；测量频率点数过多，数据处理复杂，增大计算时间；本发明中测量频率点数范围为2000-4000。
上述基于FDR频域波形的变电站低压电缆局部缺陷定位方法，步骤S3中，对正常低压电缆的频域波形和对待测低压电缆的频域波形进行处理获得相应距离诊断谱的过程相同，包括以下分步骤：
S31令f替换为t′，将频域波形图谱中反射系数随频率变化变换为随时间t′变化的时域信号，然后对变换后的波形图谱的实部Real(Г(t′))或虚部Imag(Г(t′))进行快速傅里叶变换或离散傅里叶变换，得到反射系数随基频f′变化的反射系数图谱；
S32依据将频率坐标f′转换为电缆距离坐标l，得到反射系数随距离变化的原始距离诊断谱D0，/>c表示光速，εr表示相对介电常数；
S33为了使局部缺陷识别灵敏度增大，对得到的原始距离诊断谱D0按照以下方式进行加距离窗处理：
式中，s为窗口长度，其取值不大于距离诊断图谱中的空间分辨率，D(i)为处理后得到的距离诊断图谱。
上述基于FDR频域波形的变电站低压电缆局部缺陷定位方法，步骤S5中，当判断出待测低压电缆存在缺陷时，可以进一步根据缺陷出波峰幅值的升高幅度实现对低压电缆绝缘状态的评估。具体实现方式中，记录正常低压电缆和待测低压电缆在待测低压电缆缺陷位置的波峰幅值P0与Pd，定义故障因数error：
当error≤5％时，表明待测低压电缆内部绝缘性能良好，待测低压电缆可以继续服役；当5％<error<10％时，待测低压电缆内部含较大缺陷(如外护套破损进水或绝缘接地等)，此时应对待测低压电缆进行检修，消除待测低压电缆故障；当error≥10％时，表明待测低压电缆缺陷非常严重，此时需尽快对待测低压电缆绝缘状态进行恢复，必要时应更换新的低压电缆。
上述基于FDR频域波形的变电站低压电缆局部缺陷定位方法，为了研究不同故障类型对低压电缆FDR频域波形特性的影响，可以以不同故障类型的低压电缆局部缺陷样本作为待测低压电缆。低压电缆局部缺陷样本制作方法为：在距离正常低压电缆样本首端(测试端)L0处制作缺陷，首先在距首端L0处剥除长L1的内外护套、钢铠、铜屏蔽层并露出绝缘，之后在露出绝缘部分剥除l×h的矩形绝缘层并露出缆芯形成缺陷；然后形成缺陷位置接模拟高阻故障或低阻故障的过渡电阻；过渡电阻阻值取决于正常低压电缆样本特征阻抗Z0，模拟高阻故障的过渡电阻阻值Rg≥10Z0，模拟低阻故障的过渡电阻阻值0<Rg<10Z0。经研究发现，受遮蔽效应的影响，FDR用于低压电缆局部缺陷定位时，低压电缆缺陷样本首端与末端数据会受到较强干扰，为保证测量精度，距离低压电缆样本首端制作缺陷的位置L0与低压电缆样本总长度L比值应在0.2～0.9之间。低压电缆出现低阻故障时产生的反射信号更强，因此本发明提供的变电站低压系统电缆局部缺陷定位方法适用于高阻及低阻故障，尤其是当低压电缆出现低阻故障时，其具有更高的定位精度。
本发明针对变电站低压系统电缆局部缺陷定位技术进行研究，基于FDR频域波形特性实现对低压电缆局部缺陷的定位，对不同缺陷电缆波峰幅值进行比较分析，可以实现低压电缆绝缘状态的诊断。
与现有技术相比，本发明提供的基于FDR频域波形的变电站低压电缆局部缺陷定位方法具有以下有益效果：
1、本发明关注变电站低压系统电缆局部缺陷定位，首次提出基于FDR频域波形特征的变电站低压系统电缆局部缺陷定位技术，可有效降低变电站内由低压电缆局部故障引起供电事故的隐患。
2、本发明通过实验研究验证了FDR局部缺陷定位技术在低压PVC电缆上的可行性，该方法具有测试简便、灵敏度高等特点。
3、本发明通过对低压电缆频域波形特征对电缆进行诊断，通过频域波形峰值异常点位置可实现电压电缆局部缺陷定位，通过缺陷处波形峰值大小可进一步判断其绝缘状态。
4、本发明进行FDR测试时施加在被测低压电缆两端电压幅值较低，不会对电缆绝缘造成损伤，可实现对低压电缆的多次测量。
5、本发明采用高频测量方式，测试设备具有容量小，体积小等优点，同时高频测量模式下测试所需时间短，适用于工程现场。
6、本发明提供测试技术不受电缆绝缘材料、电缆敷设方式的限制，可实现多种型号电缆的局部缺陷定位诊断。
附图说明
图1为基于FDR频域波形的变电站低压电缆局部缺陷定位方法流程图。
图2为含缺陷电缆样本示意图。
图3为含局部缺陷电缆样本FDR检测示意图。
图4为含局部缺陷电缆样本的距离诊断谱；其中(a)对应正常低压电缆A相对应的距离诊断谱，(b)对应接20kΩ的过渡电阻(模拟高阻故障)时A相样本的距离诊断谱，(c)对应接20Ω的过渡电阻(模拟低阻故障)时A相样本的距离诊断谱，图中横轴为距测试端距离，纵轴为反射波幅值。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明实施例的技术方案进行清晰、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明。
实施例
本实施例参照变电站低压系统所用电缆型号，选用正常低压电缆型号为ZR-KVVP2-224×4型(220/380V)，绝缘厚度为0.75mm。测试用电缆样本长度L为14.1m。该低压电缆特征阻抗约为50Ω。
本实施例以制作的低压电缆缺陷样本作为待测低压电缆，具体制作方式为：取与上述正常低压电缆同型号同长度的电缆样本制作局部缺陷，在距离样本A相首端(测试端)8.7m处制作D1缺陷(首端剥出一小段缆芯作为FDR测试接线)。在距首端8.7m处剥除L1＝10cm的内外护套、钢铠、铜屏蔽层并露出绝缘，之后在露出绝缘部分A相上剥除l(20mm)×h(2mm)的矩形绝缘层并露出缆芯形成D1缺陷，电缆样本缺陷如图2所示。
D1缺陷制作完成后，如图3所示，可以在D1缺陷处进一步接20Ω或20kΩ两不同阻值过渡电阻Rg(过渡电阻一端与D1处缺陷连接，另一端接地)，分别模拟电缆低阻及高阻故障。
本实施例对基于FDR频域波形特征的变电站低压系统电缆局部缺陷定位方法进行补充说明。如图1所示，该基于FDR频域波形特征的变电站低压系统电缆局部缺陷定位方法具体步骤包括：
S1对与待测低压电缆相同型号的正常低压电缆进行FDR测试，获取正常低压电缆的频域波形，以与有故障电缆FDR测试结果进行对比分析。
本实施例使用的测试设备为矢量网络分析仪(vector network analyzer，VNA)，并以该设备作为调制信号源向被测低压电缆施加调频电压；设置信号源的输出电压幅值为5V，输出频率为0.15-200MHz，测量频率点数为3000。
对正常低压电缆进行FDR测试前，将正常低压电缆样本首端(测试端)缆芯部分与调频信号源的测试线连接，样本铜屏蔽层接地，样本末端开路；然后由计算机(PC)控制调频信号源的输出频率(0.15-200MHz)，通过调制信号源向正常低压电缆施加调频电压，进行FDR测试，通过矢量网络分析仪接收反射信号。
过调频信号源向正常低压电缆首端发射调制信号Vi(f)，由矢量网络分析仪测量反射回来的反射信号Vr(f)，依据发射调制信号Vi(f)和反射信号Vr(f)得到反射系数f表示测试信号频率。以获取的反射系数Г(f)作为正常低压电缆的频域波形图谱。
S2对待测低压电缆进行FDR测试，获取待测电缆的频域波形。
同正常低压电缆测试方法相同，对待测低压电缆(这里指的是低压电缆缺陷样本，包括D1处接20Ω过渡电阻、D1处接20kΩ过渡电阻两种情况)分别进行FDR测试。如图3所示，测试前，进行将低压电缆缺陷样本首端(测试端)缆芯部分与调频信号源的测试线连接，样本铜屏蔽层接地，样本末端开路；然后由计算机(PC)控制调频信号源的输出频率(0.15-200MHz)，通过调制信号源向低压电缆缺陷样本施加调频电压，进行FDR测试，通过矢量网络分析仪接收反射信号。
过调频信号源向低压电缆缺陷样本首端发射调制信号Vi(f)，由矢量网络分析仪测量反射回来的反射信号V′r(f)，依据发射调制信号Vi(f)和反射信号V′r(f)得到反射系数f表示测试信号频率。以获取的反射系数Г′(f)作为低压电缆缺陷样本的频域波形图谱。
S3对正常低压电缆的频域波形和待测低压电缆的频域波形进行处理，获得正常低压电缆的距离诊断图谱和待测低压电缆的距离诊断图谱。
对正常低压电缆的频域波形和对待测低压电缆的频域波形进行处理获得相应距离诊断谱的过程相同，包括以下分步骤：
S31令f替换为t′，将频域波形图谱中反射系数随频率变化变换为随时间t′变化的时域信号，然后对变换后的波形图谱的实部Real(Г(t′))进行快速傅里叶变换，得到反射系数随基频f′变化的反射系数图谱；
S32依据将频率坐标f′转换为电缆距离坐标l，得到反射系数随距离变化的原始距离诊断谱D0，/>c表示光速，εr表示相对介电常数；本实施例中，c＝3×108m/s，εr＝3，因此，vp＝1.73×108m/s；
S33对得到的原始距离诊断谱D0按照以下方式进行加距离窗处理：
式中，s为窗口长度，其取值不大于距离诊断图谱中的空间分辨率，D(i)为处理后得到的距离诊断图谱。
根据上述步骤S1-S3获取的A相样本接高低阻值不同类型电阻及正常低压电缆A相的距离诊断图谱如图4所示，图中横轴为距离坐标(低压电缆测试端位于0.9m处)，纵轴为反射系数幅值。
S4依据待测低压电缆的距离诊断图谱，若相邻波峰幅值从首端至末端呈递减趋势，则待测低压电缆不存在缺陷，完成电缆诊断；若距离诊断图谱中存在波峰幅值均高于两侧波峰幅值的畸变位置，即为缺陷位置，完成对缺陷定位，并进入下一步。
因在测试时调频信号首先经过长0.9m的信号线，之后进入电缆，因此电缆首端波形位于0.9m处，末端波形位于15m处，如图4(a)所示。
由图4可知，正常低压电缆A相在首端及末端存在两个明显高于其余位置的波峰。因调频信号在传播过程中将逐渐衰减，因而在电缆首端形成一个波峰。此外，在FDR测试中电缆末端开路，其等效阻抗高于电缆本体，因而在末端反射波增强而形成波峰。本实施例主要分析首端及末端之间波形的变化，其反映了电缆本体的故障信息。
由图4可知，正常低压电缆电缆本体频域相邻波峰幅值从首端至末端呈递减趋势。而低压电缆缺陷样本D1处接不同阻值电阻时，波峰幅值在D1处均先增大后减小，即缺陷处波峰幅值高于两侧波峰，D1处存在波形畸变，由此可实现低压电缆局部缺陷定位。
S5依据正常低压电缆的距离诊断图谱和待测低压电缆的距离诊断图谱波峰幅值对比分析，对待测低压电缆进行绝缘状态评估。
由图4可知，正常低压电缆与低压电缆缺陷样本D1相应位置的波峰幅值P0＝-88dB。接20kΩ电阻时D1处波幅Pdh＝-82dB，而接20Ω电阻时D1处波幅Pdl＝-72dB，亦即低阻故障时D1处波峰幅值增加更为明显。
由式(1)，低压电缆存在高阻故障与低阻故障时故障因数分别为errordh＝6.82％，errordl＝18.18％，由此可知，低阻故障对电缆绝缘性能的影响更大，出现低阻故障时应立即对低压电缆绝缘状态进行恢复。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于FDR频域波形的变电站低压电缆局部缺陷定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1对与待测低压电缆相同型号的正常低压电缆进行FDR测试，获取正常低压电缆的频域波形；
S2对待测低压电缆进行FDR测试，获取待测电缆的频域波形；
S3对正常低压电缆的频域波形和待测低压电缆的频域波形进行处理，获得正常低压电缆的距离诊断图谱和待测低压电缆的距离诊断图谱；
S4依据待测低压电缆的距离诊断图谱，若相邻波峰幅值从首端至末端呈递减趋势，则待测低压电缆不存在缺陷，完成电缆诊断；若距离诊断图谱中存在波峰幅值均高于两侧波峰幅值的畸变位置，即为缺陷位置，完成对缺陷定位，并进入下一步；
S5依据正常低压电缆的距离诊断图谱和待测低压电缆的距离诊断图谱波峰幅值对比分析，对待测低压电缆进行绝缘状态评估；
对正常低压电缆和待测低压电缆进行FDR测试操作为：将正常低压电缆或待测低压电缆的首端缆芯部分与调频信号源的测试线连接，铜屏蔽层接地，末端开路；通过调频信号源向正常低压电缆或待测低压电缆的首端发射调制信号Vi(f)，测量反射回来的反射信号Vr(f)，依据发射调制信号Vi(f)和反射信号Vr(f)得到反射系数f表示注入的测试信号频率；调频信号源的电压幅值为0-5V，输出频率范围为0.15MHz-200MHz，测量频率点数范围为2000-4000。
2.根据权利要求1所述的基于FDR频域波形的变电站低压电缆局部缺陷定位方法，其特征在于，步骤S3中，对正常低压电缆的频域波形和对待测低压电缆的频域波形进行处理获得相应距离诊断谱的过程相同，包括以下分步骤：
S31令f替换为t′，将频域波形图谱中反射系数随频率变化变换为随时间t′变化的时域信号，然后对变换后的波形图谱的实部Real(Г(t′))或虚部Imag(Г(t′))进行快速傅里叶变换或离散傅里叶变换，得到反射系数随基频f′变化的反射系数图谱；
S32依据将频率坐标f′转换为电缆距离坐标l，得到反射系数随距离变化的原始距离诊断谱D0；/>c表示光速，εr表示相对介电常数；
S33对得到的原始距离诊断谱D0按照以下方式进行加距离窗处理：
式中，s为窗口长度，其取值不大于距离诊断图谱中的空间分辨率，D(i)为处理后得到的距离诊断图谱。
3.根据权利要求1或2所述的基于FDR频域波形的变电站低压电缆局部缺陷定位方法，其特征在于，步骤S5中，记录正常低压电缆和待测低压电缆在待测低压电缆缺陷位置的波峰幅值P0与Pd，定义故障因数error：
当error≤5％时，表明待测低压电缆内部绝缘性能良好，待测低压电缆继续服役；当5％<error<10％时，待测低压电缆内部含较大缺陷，此时应对待测低压电缆进行检修，消除待测低压电缆故障；当error≥10％时，表明待测低压电缆缺陷非常严重，此时需尽快对待测低压电缆绝缘状态进行恢复，必要时应更换新的低压电缆。
4.根据权利要求3所述的基于FDR频域波形的变电站低压电缆局部缺陷定位方法，其特征在于，当以低压电缆局部缺陷样本作为待测低压电缆时，低压电缆局部缺陷样本制作方法为：首先在距首端L0处剥除长L1的内外护套、钢铠、铜屏蔽层并露出绝缘，之后在露出绝缘部分剥除l×h的矩形绝缘层并露出缆芯形成缺陷；然后形成缺陷位置接模拟高阻故障或低阻故障的过渡电阻。
5.根据权利要求4所述的基于FDR频域波形的变电站低压电缆局部缺陷定位方法，其特征在于，模拟高阻故障的过渡电阻阻值Rg≥10Z0，模拟低阻故障的过渡电阻阻值0<Rg<10Z0，Z0表示正常低压电缆样本特征阻抗Z0。
6.根据权利要求4所述的基于FDR频域波形的变电站低压电缆局部缺陷定位方法，其特征在于，距离低压电缆样本首端制作缺陷的位置L0与低压电缆样本总长度L比值在0.2～0.9之间。
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