CN115128403A - 一种用于电力电缆的在线信号测量方法 - Google Patents

Abstract

一种用于电力电缆的在线信号测量方法,解决了现有电力电缆缺陷和故障检测需要在离线情况下进行的问题，属于电力电缆故障检测技术领域。本发明包括：S1、当电力电缆设有铠装，利用连接线将电缆的屏蔽层与铠装连接，在安装两个电感耦合器；当电力电缆为没有铠装结构的单芯电缆，在电缆护套外均匀敷设一条辅助导线，该辅助导线与屏蔽层构成平行双导体传输线，在电缆上安装两个电感耦合器；S2、源端通过电流注入探头与一个电感耦合器连接，注入激励信号x_i(t)，接收端通过电流检测探头与另一个电感耦合器连接，记录反射信号y_i(t)；步骤3、去除背景噪声，获取实际的回波损耗S_D；步骤4、对回波损耗S_D进行分析，实现电缆健康状态的在线监测。

Description

一种用于电力电缆的在线信号测量方法

技术领域

本发明涉及一种用于电力电缆的在线信号测量方法，属于电力电缆故障检测技术领域。

背景技术

电力电缆被广泛用于输配电网中电力的输送，特别是以交联聚乙烯绝缘电力电缆为代表的中压电力电缆是现阶段配电网的主要使用对象。随着近年来我国城镇化的快速推进，配电电缆的保有量和新增使用量都是巨大的，且在可预见的未来，随着智慧城镇的推进和社会电气化和信息化的发展，配电电缆的使用量和保有量将会进一步增加。受制于电缆本身的材料特性和工作环境等因素，在经过5年左右的使用，电缆开始会出现局部受潮、绝缘性能降低、屏蔽损坏等一系列局部缺陷。如若不能及时排出该缺陷，任由其发展将最终导致绝缘击穿，引发电缆的短路或断路，造成配电网的稳定性降低、用户设备损坏等危害，严重时甚至会危害电网的运行安全。

现有的电力电缆早期缺陷和故障检测技术基本都是离线进行的，在使用时需要将待测电网从配电网断开才能向电缆注入激励信号并进行检测。现有的离线检测技术虽然能够检测出电缆存在的早期缺陷和故障，但是使用该技术进行定期的维护与检测需要对检测片区进行断电，严重影响用户的生产生活规划。

发明内容

针对现有电力电缆缺陷和故障检测需要离线进行，影响用户生产生活规划的问题，本发明提供一种用于电力电缆的在线信号测量方法。

一种用于电力电缆的在线信号测量方法，电力电缆设有铠装，测量方法包括：

S1、利用连接线将电缆的屏蔽层与铠装连接，在屏蔽层连接点与铠装连接点之间的电缆上安装两个电感耦合器，源端通过电流注入探头与一个电感耦合器连接，接收端通过电流检测探头与另一个电感耦合器连接；

S2、源端通过电流注入探头注入激励信号x_i(t)，接收端通过电流检测探头记录反射信号y_i(t)；

S3、获取电缆的回波损耗S_M，结合基准对照组S_R，获得实际的回波损耗S_D＝S_M-S_R；基准对照组S_R是在待测电力电缆无故障时测量的回波损耗；

S4、对回波损耗S_D进行分析，实现电缆健康状态的在线监测。

本发明还提供一种用于电力电缆的在线信号测量方法，电力电缆为没有铠装结构的单芯电缆，测量方法包括：

S1、在电缆护套外均匀敷设一条辅助导线，该辅助导线与屏蔽层构成平行双导体传输线，且连接屏蔽层；在电缆上安装两个电感耦合器，源端通过电流注入探头与一个电感耦合器连接，接收端通过电流检测探头与另一个电感耦合器连接；

S2、源端通过电流注入探头注入激励信号s(t)，接收端通过电流检测探头记录反射信号x(t)；

S3、获取电缆的回波损耗Sii_M，结合基准对照组Sii_R，获得实际的回波损耗Sii_D＝Sii_M-Sii_R；基准对照组Sii_R是在待测电力电缆无故障时测量的回波损耗，i＝1,2；

S4、对回波损耗Sii_D进行分析，实现电缆健康状态的在线监测。

本发明的有益效果，可以在不断电的情况下向电缆注入激励信号并测量其响应，然后借助相关算法实现电缆健康状态的在线检测。相比于传统的离线测量方法，本发明所提的在线测量方法避免了检测过程中的停电，更加经济和适用。

附图说明

图1为基于电感耦合器的信号注入与测量等效电路；

图2为为带铠装结构的电缆截面图，1为铠装，2为芯线，3为主绝缘，4为屏蔽层，5为护套；

图3为无铠装并在屏蔽层外增加辅助导线的电缆截面图，6为辅助导线；

图4为有铠装的电缆在线信号耦合注入与测量示意图，7为连接线；

图5为无铠装并在屏蔽层外增加辅助线的电缆在线信号耦合注入与测量示意图，8为电感耦合器；

图6为屏蔽层-铠装作为信号耦合路径，(a)为屏蔽层故障，(b)为屏蔽层-铠装之间绝缘故障；

图7为屏蔽层-辅助线作为信号耦合路径，(a)为主绝缘故障，(b)为屏蔽层故障，(c)为护套故障。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施方式的基本原理：根据传输线可知，电缆的故障电气参数变化特性主要体现为特征阻抗的变化，由此会导致部分入射波会被反射。基于此现象，可以通过测量反射波和透射波，并进行相关的计算实现电缆健康状态的监测。

对于信号的在线测量，可以通过电感耦合器实现。图1为使用电感耦合器电缆进行信号耦合注入与测量的等效电路图。其中L₁、L₃为电感耦合器的电感，L₂为电缆的电感，Z₀为集总参数等效电阻，Z_L为电缆负载。信号源产生的激励信号通过电感耦合器1耦合到电缆上，激励信号在遇到故障时会产生故障响应，电感耦合器2可以将电缆上的信号响应采集并传输至接收机，由此便实现了在线的信号注入与测量。

但是，在实际应用过程中，在线测量时不允许对电缆的芯线进行操作，以免对现有信号造成不利影响，耦合回路不能是芯线和屏蔽层，因此本实施方式提出使用屏蔽层和铠装或者屏蔽层和辅助线构成信号耦合回路。如图2所示，部分电力电缆是存在铠装结构的，铠装为金属制的规则结构，能与屏蔽层构成类同轴结构，因此可以构成信号回路。对于图3所示的无铠装的电缆，可以在屏蔽层外增加一个结构均匀导体作为辅助线，与屏蔽层构成传输线，形成信号回路。由此可以在铠装—屏蔽、或者辅助线—屏蔽之间进行信号的耦合注入与测量，采集电缆的故障响应，而无需对电缆芯线进行操作，不会影响到芯线上的供电电流，对电缆以及配电网的正常工作状态不会有任何不利影响，因此可实现电缆健康状态数据的在线监测。

本实施方式的用于电力电缆的在线信号测量方法，测量方法包括：

步骤1、如图4所示，当电力电缆设有铠装，利用连接线将电缆的屏蔽层与铠装连接，在屏蔽层连接点与铠装连接点之间的电缆上安装两个电感耦合器；如图5所示，当电力电缆为没有铠装结构的单芯电缆，在电缆护套外均匀敷设一条辅助导线，该辅助导线与屏蔽层构成平行双导体传输线，且连接屏蔽层；在电缆上安装两个电感耦合器；

步骤2、源端通过电流注入探头与一个电感耦合器连接，接收端通过电流检测探头与另一个电感耦合器连接；根据需求以及设备的工作要求，确定好激励信号的幅值、频率、带宽以及采样点等信息。源端通过电流注入探头注入激励信号x_i(t)，接收端通过电流检测探头记录反射信号y_i(t)；

步骤3、获取电缆的回波损耗S_M，结合基准对照组S_R，基准对照组S_R是在待测电力电缆无故障时测量的回波损耗，获得实际的回波损耗S_D＝S_M-S_R，可以消除电缆注入探头、气隙、连接头等造成的背景噪声，只保留故障信息，并用于后续的健康状态监测。

步骤4、对回波损耗S_D进行分析，实现电缆健康状态的在线监测。

步骤4通过逆散射技术、时间反演-多信号分类、电磁时间反演等可基于S参数测量的故障检测算法对上述处理得到的S参数回波损耗S_D进行分析，可实现电缆健康状态的在线监测。

本实施方式可以在不断电的情况下向待测电缆注入激励信号并测量其响应，然后借助相关算法实现电缆健康状态的在线检测。相比于传统的离线测量方法，本实施方式所提的在线测量方法避免了检测过程中的停电，更加经济和适用。

本实施方式两个电感耦合器距离保持在5-10cm。

本实施方式提供两种测量方式，一种是采用矢量网络分析仪，还有一种是采用信号源和接收机；

若采用矢量网络分析仪，矢量网络分析仪的端口1作为源端，采用矢量网络分析仪的端口2作为接收端，然后设置矢量网络分析仪的测量参数；两个探头均在电缆的信号注入端，因此只能测量得到电缆的回波损耗S11，但是该测量方式得到的散射参数矩阵中的主对角元素并非实际的回波损耗，需要进行进一步处理才能导出回波损耗S11，根据回波损耗的定义是指被反射回注入端的信号与注入信号的比值，并结合散射参数矩阵各参数的定义，在本实施方式的测量结果中，实际的回波损耗S11为测量得到的插损S21_M。通过对照组与测量值作差:S11_D＝S21_M-S21_R即可获取该测量方式下电缆由于故障引起的回波损耗。所以在采用矢量网络分析仪进行测量的情况下，回波损耗S11_M或S22_M为矢量网络分析仪测量得到的插损S21_M或S12_M，基准对照组Sii_R对应为S21_R或S12_R。

若源端采用信号源，接收端采用接收机，信号源通过电流注入探头注入激励信号x_i(t)，激励信号x_i(t)为具有相同频率间隔的一系列正弦信号，其表达式如下：

其中，A为信号幅值，f_i为第i个正弦信号的频率，θ_i为第i个正弦信号的初相，TD_i为第i个正弦信号的波形持续时间，L为第i和i+1个正弦波形的起始时间差，t为时间；

如果L过小或者TD_i过大会导致前一个激励的反射信号与后一个激励重叠，不利于后续数据处理。因此需要根据电缆的长度对L和TD_i进行约束性设计：

l_min、l_max分别为第一个引起反射的阻抗不连续点(即故障点)和电缆末端的长度，v_op表示电缆中电磁波的传输速度；

上述(2)所限定的TD_i虽然避免了信号的重叠，但是会造成正弦波形的截止位置不确定，导致后续处理难度加大。因此需要对其进行处理，使波形在过零处截止，即每个连续正弦信号的持续周期数NP总是1或者1.5的整数倍。因此有：

t_step为时间步长分辨率，NP表示每个连续正弦信号的持续周期数；T_i为正弦波形的周期。只要确定第一个正弦波形的周期数NP后，便可根据式(4)和(5)计算出剩余波形的周期数。

接收端通过电流检测探头记录反射信号y_i(t)为：

其中，B_i为反射信号的幅值，反射信号与激励信号之间的时间延迟为τ；

可以表示为：

其中，l_o为信号反射点与注入点之间的距离，即故障距离。

上述为反射信号的理论表达式，但是数字示波器测量的是一系列离散点，无法直接获取反射信号的幅值B_i及与激励信号之间的时间延迟τ，因此需要对反射进行估计与处理来获取反射信号的幅值B_i及与激励信号之间的时间延迟τ。

从式(1)和(7)可知，激励信号和及其对应的反射信号同频且波形持续时间相同，二者区别在于幅值及波形起始时间点。因此反射信号的频率及持续周期数是可以根据激励信号直接得出，并构造与激励函数同频、同持续时间的估计函数：

式中，为反射B_Ei信号幅值估计值，取值[0，A]，时间常数τ_i取值范围为[0，L-TD_i]。然后对所用的正弦波形分别计算y_i(t)与y_iE(t)之间的欧式空间距离d_iE：

d_iE＝||y_i(t)-y_iE(t)|| (9)

然后d_iE的最小值对应的估计函数y_iE(t)，即为反射信号的最佳估计结果，由函数的幅值B_Ei和时间常数τ_i便可以得到反射信号的幅值B_i及与激励信号之间的时间延迟τ。

根据上述估计结果，并结合S参数的工程定义，可以得到电缆的回波损耗S_M：

步骤4采用快速傅里叶逆变换对回波损耗S_D进行分析，实现电缆健康状态的在线监测：

采用TDR时域反射方法对回波损耗参数S_D进行处理，得到Z(t)：

TDR Z(t)＝Z_C×[(1+IFFT(A×S_D))/(1-IFFT(A×S_D))] (11)

式中，Z(t)表示电缆沿线阻抗随时间的分布，Z_C是电缆的特征阻抗，IFFT(·)表示快速傅里叶逆变换。

得到电缆沿线的阻抗分布Z(x)：

Z(x)＝v_op×TDR Z(t) (12)

根据阻抗分布Z(x)获取电缆故障位置及电缆故障点的特征阻抗。步骤4若采用时间反演多信号分类方法对回波损耗S_D进行分析，实现电缆健康状态的在线监测：

利用步骤1和步骤2在电缆的两端各测量一次，一端测量的反射信号，得到回波损耗参数s₁₁，另一端测量的反射信号，得到回波损耗参数s₂₂，并得到只保留相位信息的向量u_i：

式中，下标i＝1,2,…,N，N表示离散信号的采样长度；

然后，构造格林函数g_i(r)，并计算空间谱分布Φ(x)：

对所有频率下的空间谱求取空间的峭度分布K：

式中，r_i为离散信号值，

为信号均值，σ_t为采样信号的标准差；

将各频率分量的峭度分布相乘得到最终的峭度：

此时，峭度K_out的峰值所在位置即为故障位置。

其中，l_o为信号反射点与注入点之间的距离，即故障距离。

该时间反演多信号分类方法可以轻松实现超分辨率，达到mm级的故障定位，但是该时间反演多信号分类方法并无法估计故障程度，可以将其与上述IFFT方法结合，即可实现高精度的故障定位，又能评估故障的严重程度。

实验：将通过实际的案例说明本发明测量信号的可行性。在实验中，选取一根2m长的电缆，芯线通12V直流电压，然后使用本发明所提方法分别通过屏蔽层—铠装、屏蔽层—辅助线进行测量信号的耦合，然后通过两个探头测量并数据处理得到回波损耗S11_D。为了更好说明故障引起的变化，选择S11_D的相位信息作为故障信息的表达，因为在待测电缆中，回波损耗的相位取决于回波点(故障点)的位置，而不受幅值的影响，因此可以更好的表征电缆的故障。当电缆存在固定的回波点(故障点)时，S11_D的相位是呈现规律的周期性变化的，类似于三角波，因此可根据相位的形状判断是否存在回波点。在该案例中，在距离端口0.5m处预设一个故障点，使用上述方法得到的结果如图6和图7所示。

上述结果表明，在屏蔽层-铠装回路耦合信号可实现屏蔽层、铠装以及二者之间绝缘故障的信息提取；在屏蔽层-辅助线回路耦合信号可实现主绝缘、屏蔽层、护套故障信息的提取。因此本发明所提方法可以实现电缆故障信号的在线监测，可用于电缆在线故障检测。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (7)

1.一种用于电力电缆的在线信号测量方法，其特征在于，所述电力电缆设有铠装，所述方法包括：

S1、利用连接线将电缆的屏蔽层与铠装连接，在屏蔽层连接点与铠装连接点之间的电缆上安装两个电感耦合器，源端通过电流注入探头与一个电感耦合器连接，接收端通过电流检测探头与另一个电感耦合器连接；

S2、源端通过电流注入探头注入激励信号x_i(t)，接收端通过电流检测探头记录反射信号y_i(t)；

S3、获取电缆的回波损耗S_M，结合基准对照组S_R，获得实际的回波损耗S_D＝S_M-S_R；基准对照组S_R是在待测电力电缆无故障时测量的回波损耗；

S4、对回波损耗S_D进行分析，实现电缆健康状态的在线监测。

2.一种用于电力电缆的在线信号测量方法，其特征在于，所述电力电缆为没有铠装结构的单芯电缆，所述方法包括：

S1、在电缆护套外均匀敷设一条辅助导线，该辅助导线与屏蔽层构成平行双导体传输线，且连接屏蔽层；在电缆上安装两个电感耦合器，源端通过电流注入探头与一个电感耦合器连接，接收端通过电流检测探头与另一个电感耦合器连接；

S2、源端通过电流注入探头注入激励信号s(t)，接收端通过电流检测探头记录反射信号x(t)；

S3、获取电缆的回波损耗Sii_M，结合基准对照组Sii_R，获得实际的回波损耗Sii_D＝Sii_M-Sii_R；基准对照组Sii_R是在待测电力电缆无故障时测量的回波损耗，i＝1,2；

S4、对回波损耗Sii_D进行分析，实现电缆健康状态的在线监测。

3.根据权利要求1或2所述的用于电力电缆的在线信号测量方法，其特征在于，两个电感耦合器距离保持在5-10cm。

4.根据权利要求3所述的用于电力电缆的在线信号测量方法，其特征在于，采用矢量网络分析仪的端口1作为源端，采用矢量网络分析仪的端口2作为接收端，然后设置矢量网络分析仪的测量参数；此种连接方式下回波损耗S11_M或S22_M为矢量网络分析仪测量得到的插损S21_M或S12_M，基准对照组Sii_R对应为S21_R或S12_R。

5.根据权利要求3所述的用于电力电缆的在线信号测量方法，其特征在于，所述源端采用信号源，所述接收端采用接收机；

S2中，信号源通过电流注入探头注入激励信号x_i(t)

其中，A为信号幅值，f_i为第i个正弦信号的频率，θ_i为第i个正弦信号的初相，TD_i为第i个正弦信号的波形持续时间，L为第i和i+1个正弦波形的起始时间差，t为时间，

l_min、l_max分别为第一个引起反射的阻抗不连续点和电缆末端的长度，v_op表示电缆中电磁波的传输速度，t_step为时间步长分辨率，NP表示每个连续正弦信号的持续周期数；T_i为正弦波形的周期；

接收端通过电流检测探头记录反射信号y_i(t)为：

其中，B_i为反射信号的幅值，反射信号与激励信号之间的时间延迟为τ；

S3中，获取电缆的回波损耗S_M：

构造与激励信号x_i(t)同频、同持续时间的估计函数y_iE(t)：

式中，B_Ei为反射信号幅值的估计值，取值[0，A]，时间常数τ_i取值范围为[0，L-TD_i]；

然后，对计算y_i(t)与y_iE(t)之间的欧式空间距离d_iE：

d_iE＝||y_i(t)-y_iE(t)||

d_iE的最小值对应的估计函数y_iE(t)中的幅值B_Ei和时间常数τ_i的值分别与反射信号的幅值B_i及时间延迟τ相等；

电缆的回波损耗参数S_M：

6.根据权利要求4或5所述的用于电力电缆的在线信号测量方法，其特征在于，S4中，对回波损耗S_D进行分析，实现电缆健康状态的在线监测：

采用TDR时域反射方法对回波损耗参数S_D进行处理，得到Z(t)：

TDR Z(t)＝Z_C×[(1+IFFT(A×S_D))/(1-IFFT(A×S_D))]

式中，Z(t)表示电缆沿线阻抗随时间的分布，Z_C是电缆的特征阻抗，IFFT(·)表示快速傅里叶逆变换。

得到电缆沿线的阻抗分布Z(x)：

Z(x)＝v_op×TDR Z(t)

根据阻抗分布Z(x)获取电缆故障位置及电缆故障点的特征阻抗。

7.根据权利要求4或5所述的用于电力电缆的在线信号测量方法，其特征在于，S4中，对回波损耗S_D进行分析，实现电缆健康状态的在线监测：

利用S1和S2在电缆的两端各测量一次，一端测量的反射信号，得到回波损耗参数s₁₁，另一端测量的反射信号，得到回波损耗参数s₂₂，并得到只保留相位信息的向量u_i：

式中，下标i＝1,2,…,N，N表示离散信号的采样长度；

然后，构造格林函数g_i(r)，并计算空间谱分布Φ(x)：

对所有频率下的空间谱求取空间的峭度分布K：

式中，r_i为离散信号值，

为信号均值，σ_t为采样信号的标准差；

将各频率分量的峭度分布相乘得到最终的峭度：

此时，峭度K_out的峰值所在位置即为故障位置。

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