CN116540016A - 基于反射系数离散序列的电缆缺陷诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于反射系数离散序列的新型电缆缺陷诊断方法，获取待测电缆首端处反射系数离散序列，同时得到相应的频率离散序列；基于待测电缆首端反射系数离散序列和电缆长度离散序列，构建离散形式的核函数，建立离散形式的电缆缺陷诊断函数。本发明通过该缺陷诊断函数，可以确定电缆线路中缺陷位置和缺陷类型等。
Description
技术领域
本发明属于电力电缆技术领域，涉及电缆缺陷诊断，尤其涉及基于反射系数离散序列的电缆缺陷诊断方法。
背景技术
随着城市电网建设的快速发展，交联聚乙烯(cross linked polyethylene,XLPE)电力电缆凭借着自身优良的电气及机械性能，被广泛用于输配电网络中。随着电缆服役时间的增长，在恶劣运行环境和自身质量欠佳的影响下，电缆线路的局部区域会产生缺陷，进一步发展可能会造成电缆线路的故障，严重威胁电网的稳定。因此研究电缆缺陷的诊断技术具有重要的意义。
局部缺陷会导致电缆线路中相应位置的特征参数产生变化，形成阻抗失配点，而行波会在该阻抗失配点位置产生携带缺陷信息的反射波，其中，反射波的传播长度可用于确定该阻抗失配点的位置，反射波的特征极性可用于确定该阻抗失配点的类型。因此，行波反射法被广泛用于电缆的缺陷诊断领域，其主要分为时域反射法和频域反射法。频域反射法测试获取的宽频阻抗谱(broadband impedance spectrum，BIS)或反射系数谱(reflection coefficient spectrum，RCS)是频域数据，难以直接提取数据中缺陷的信息，必须选择合适的数学方法将测试数据变换为缺陷诊断函数，实现缺陷的特征信息提取。
现有的大部分频域反射技术仅关注缺陷的定位算法，但是未对缺陷类型等特征开展定性分析。饶显杰等公开了基于频域反射法的特征时域波形恢复技术，利用快速傅里叶逆变换算法将RCS变换为缺陷的时域特征波形，实现了缺陷的定位与反射波的特征极性诊断，但是该方法需要利用插值与随机赋值方法改写RCS的测试数据，降低了缺陷诊断结果的可靠性(饶显杰等，基于频域反射法的特征时域波形恢复技术，[J].高电压技术，2021，47(4)：1420-1427)。
发明内容
本发明的目的旨在现有电缆缺陷诊断技术存在的电缆缺陷诊断精度低、可靠性差等问题，提供一种基于反射系数离散序列的电缆缺陷诊断方法。
本发明提供的基于反射系数离散序列的新型电缆缺陷诊断方法，其包括以下步骤：
S1获取待测电缆首端处反射系数离散序列ρ(n)，同时得到相应的频率离散序列f(n)，n＝1,2,…,N，N表示反射系数离散序列数据总量；
S2获取待测电缆长度的离散序列x(m)，m＝1,2,…,M，M表示待测电缆长度离散表示后的数据总量；
S3基于待测电缆首端反射系数离散序列f(n)和电缆长度离散序列，构建离散形式的核函数G(n,m)：
式中，ν表示电缆中信号传输速度；
S4建立离散形式的电缆缺陷诊断函数F(m)：
式中，real()表示取实部；
S5基于电缆缺陷诊断函数F(m)，提取函数曲线存在的极值峰F(mp)，确定极值峰对应的序列数mp，进而确定该序列数对应的x(mp)，即电缆中缺陷距离电缆首端的距离；
S6根据电缆缺陷诊断函数曲线极值峰F(mp)，对电缆缺陷类型进行诊断：当极值峰F(mp)为正极性时，距离电缆首端x(mp)位置对应的是特征阻抗增大的缺陷；当极值峰F(mp)为负极性时，距离电缆首端x(mp)位置对应的是特征阻抗减小的缺陷。
上述步骤S1中，利用RCS测试平台对待测电缆进行测试，通过离散化采样得到首端反射系数的离散序列ρ(n)，即电缆线路的首端处RCS；同时得到相应频率的离散序列f(n)。
上述步骤S2中，根据待测电缆长度，可以将其表示为如下的离散数据序列：
x(m)＝xmin+(m-1)Δx
式中，x(m)表示距离电缆首端位置；Δx表示缺陷的距离分辨率，可根据测试效果设定；m表示x(m)的序列数，m＝1,2,……,M，M表示x(m)的数据总量，定义为：
式中，Floor()表示数据向下取整；xmax表示分析距离的最大值，为保证缺陷分析结果的准确性，通常可取l～1.5l；xmin表示分析距离的最小值，为减少测试夹具的遮蔽效应影响，通常可取0～0.2l。需要说明的是，xmax与xmin也可以根据测试效果进行修正。
上述步骤S6中，缺陷对应极值峰的绝对值与缺陷的严重程度相关，当缺陷的严重程度更高时，极值峰对应的绝对值会更大。
与现有的技术相比，本发明提供的基于反射系数离散序列的新型电缆缺陷诊断方法具有以下有益效果：
1、本发明提供的基于反射系数离散序列的新型电缆缺陷诊断方法，首先建立电缆的反射系数离散模型，然后构建离散形式核函数，进一步设计出基于反射系数的新型缺陷诊断函数；通过该缺陷诊断函数，可以确定电缆线路中缺陷位置和缺陷类型等。
2、本发明基于反射系数离散序列构建电缆缺陷诊断函数，避免了传统方法中快速傅里叶变换算法的距离分辨率受测试点数限制的问题，可获得更高的缺陷定位精准度。同时，该方法的缺陷诊断函数在缺陷处仅存在一个极值峰，不存在传统方法中时频脉冲特征波形的侧峰干扰，因此可以获得更准确的缺陷类型诊断结果。
附图说明
图1为本发明基于反射系数离散序列的新型电缆缺陷诊断方法流程示意图。
图2为RCS测试平台原理示意图。
图3为本发明实施例1#-3#真实电缆样本的缺陷诊断函数曲线。
图4为本发明实施例4#真实电缆样本的缺陷诊断函数曲线。
具体实施方式
结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1
本实施例提供的基于反射系数离散序列的新型电缆缺陷诊断方法，如图1所示，其包括以下步骤：
S1获取待测电缆首端处反射系数离散序列ρ(n)，同时得到相应的频率离散序列f(n)，n＝1,2,…,N，N表示反射系数离散序列数据总量。
本实施例利用RCS测试平台对待测电缆进行测试，获取电缆线路的首端处RCS。由测试平台测量首端反射信号U1和入射信号U0，则两者比值即为电缆首端反射系数。利用RCS测试平台对待测电缆通过离散化采样(测试点数为N)得到首端反射系数的离散序列为ρ(n)，同时得到对应频率的离散序列为f(n)。
S2获取待测电缆长度的离散序列x(m)，m＝1,2,…,M，M表示待测电缆长度离散表示后的数据总量。
根据待测电缆长度，可以将其表示为如下的离散数据序列：
x(m)＝xmin+(m-1)Δx
式中，x(m)表示距离电缆首端位置；Δx表示缺陷的距离分辨率；m表示x(m)的序列数，m＝1,2,……,M，M表示x(m)的数据总量，定义为：
式中，Floor()表示数据向下取整；xmax表示分析距离的最大值，为保证缺陷分析结果的准确性，本实施例取1.1l；xmin表示分析距离的最小值，为减少测试夹具的遮蔽效应影响，本实施例取0.1l。需要说明的是，xmax与xmin也可以根据测试效果进行修正。
S3基于待测电缆首端反射系数离散序列f(n)和电缆长度离散序列，构建离散形式的核函数G(n,m)：
式中，ν表示电缆中信号传输速度。
S4建立离散形式的电缆缺陷诊断函数F(m)：
式中，real()表示取实部。
S5基于电缆缺陷诊断函数F(m)，提取函数曲线存在的极值峰F(mp)，确定极值峰对应的序列数mp，进而确定该序列数对应的x(mp)，即电缆中缺陷距离电缆首端的距离。
S6根据电缆缺陷诊断函数曲线极值峰F(mp)，对电缆缺陷类型进行诊断：当极值峰F(mp)为正极性时，距离电缆首端x(mp)位置对应的是特征阻抗增大的缺陷；当极值峰F(mp)为负极性时，距离电缆首端x(mp)位置对应的是特征阻抗减小的缺陷。
为了验证本实施例提供的基于反射系数离散序列的新型电缆缺陷诊断方法的有效性。本实施例采用40m的SYV50-5-1通信同轴电缆与105m的10kV XLPE电力电缆制作样本，利用上述基于反射系数离散序列的新型电缆缺陷诊断方法对各样本缺陷及缺陷类型进行测试。1#-4#真实电缆样本中信号传输速度为170m/μs。
利用同轴电缆制作含缺陷的1#-3#真实电缆样本(缺陷的距离分辨率Δx＝0.01)，缺陷的位置均是距首端20m。对于1#真实电缆样本而言，缺陷位置处屏蔽层串联20Ω的缺陷电阻。对于2#、3#真实电缆样本而言，缺陷位置处缆芯与屏蔽层之间分别并联20Ω和82Ω的缺陷电阻。
在10kV XLPE电力电缆(缺陷的距离分辨率Δx＝0.1)上，利用饱和食盐水对局部区域的铜屏蔽层进行浸泡，腐蚀该区域的铜屏蔽层并生成铜绿，增大了该局部区域中铜屏蔽层的电阻，缺陷位置是距首端43m，从而得到4#真实电缆样本。由于4#真实电缆样本的缺陷情况是电缆的屏蔽层产生缺陷，所以4#真实电缆样本与含缺陷的1#一致。
本实施例使用图2给出的RCS测试平台，对电缆样本进行测试得到电缆首端反射系数。RCS测试平台包括主控计算机、信号发生模块、功分器、耦合器和数据采集器；信号发生模块用于发出扫频信号，其与功分器信号输入端连接，功分器包括两个输出端，其中一个与耦合器第一端口连接，另外一个与数据收集模块连接；耦合器第二端口经测试端口与电缆首端连接，第三端口与数据收集模块连接，电缆末端开路。主控计算机根据设定的测试频率区段与测试点数，控制信号发生模块生成特定参数的扫频信号。生成的扫频信号通过功分器后被平分为两部分信号，一部分信号被数据收集模块记录作为参考信号，另一部分信号经由耦合器进入测试电缆样本作为入射信号。入射信号在测试电缆样本中缺陷处产生反射信号，反射信号则经由耦合器被数据收集模块记录。数据收集模块通过分析反射信号U1与参考信号U0，可以确定测试电缆样本首端反射系数，并将其上传至主控计算机，实现电缆样本的RCS测试。
考虑同轴电缆中高频信号的衰减效应更弱，因此这里令1#-3#真实电缆样本对应RCS的测试频率区段为5Hz-500MHz，测试点数为1601；同时令4#真实电缆样本对应RCS的测试频率区段为0.15MHz-40MHz，测试点数为500。按照前面步骤S1-S6利用本文方法对测试获取的反射系数进行处理，分别得到1#-4#真实电缆样本的缺陷诊断函数如图3和图4所示。利用该缺陷诊断函数的极值峰，可以推断出1#-4#真实电缆样本的缺陷位置与类型如表1所示。
从表1中可以看出，对于同轴电缆对应的1#-3#真实电缆样本而言，在缺陷定位结果方面，缺陷定位结果的最大误差为0.14m(0.7％)；在缺陷类型辨识结果方面，准确判断出1#真实电缆样本存在特征阻抗增大类型的缺陷，同时推断出2#、3#真实电缆样本存在特征阻抗减小类型的缺陷，该缺陷类型诊断结果与实际情况一致，说明本发明可以准确检测电缆缺陷的位置与类型。
表1真实电缆样本的缺陷分析结果
2#、3#真实电缆样本均属于特征阻抗减小类型的缺陷类型，对比2#真实电缆样本与3#真实电缆样本的极值峰坐标可以看出，2#真实电缆样本的极值峰F(mp)绝对值242.0大于3#真实电缆样本的极值峰F(mp)绝对值132.2，该结果说明2#真实电缆样本中缺陷的严重程度更高，与2#真实电缆样本中缺陷电阻值更小的真实情况一致，说明本发明可对真实电缆中缺陷的严重程度进行判断。
对于XLPE电力电缆对应的4#真实电缆样本而言，在缺陷定位结果方面，本发明的缺陷定位误差为0.3(0.7％)，说明本发明可有效定位真实电力电缆中缺陷，并且缺陷的定位精度较高；在缺陷类型辨识结果方面，本发明判断4#真实电缆样本存在特征阻抗增大类型的缺陷，该缺陷与屏蔽层受损的实际缺陷情况一致，说明本发明可有效检测真实电力电缆的缺陷类型。
通过对真实电缆样本的缺陷诊断，证明了本发明提供的基于反射系数离散序列的电缆缺陷诊断方法的有效性，具体如下：
1)该方法中缺陷诊断函数的极值峰可用于推断电缆中缺陷的位置与类型，其中极值峰的横坐标x(mp)是电缆中缺陷距首端的距离，纵坐标F(mp)的符号决定缺陷的类型，当F(mp)为正时，确定该缺陷类型为特征阻抗增大；当F(mp)为负时，确定该缺陷类型为特征阻抗减小。
2)缆芯或屏蔽层的受损缺陷会导致该位置处电缆的特征阻抗值大于电缆的本体特征阻抗，电缆缺陷诊断函数会在该位置处形成正极性的极值峰；绝缘层的受损缺陷会导致该位置处电缆的特征阻抗值小于电缆的本体特征阻抗，则电缆缺陷诊断函数会在该位置处形成负极性的极值峰。
3)实测结果表明，本发明不仅能准确定位电缆中缺陷，而且能对电缆缺陷的类型、严重程度等特征进行识别；缺陷对应极值峰的绝对值与缺陷的严重程度相关，当缺陷的严重程度更高时，极值峰对应的绝对值会更大。
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 (3)
1.一种基于反射系数离散序列的新型电缆缺陷诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1获取待测电缆首端处反射系数离散序列ρ(n)，同时得到相应的频率离散序列f(n)，n＝1,2,…,N，N表示反射系数离散序列数据总量；
S2获取待测电缆长度的离散序列x(m)，m＝1,2,…,M，M表示待测电缆长度离散表示后的数据总量；
S3基于待测电缆首端反射系数离散序列f(n)和电缆长度离散序列，构建离散形式的核函数G(n,m)：
式中，ν表示电缆中信号传输速度；
S4建立离散形式的电缆缺陷诊断函数F(m)：
式中，real()表示取实部；
S5基于电缆缺陷诊断函数F(m)，提取函数曲线存在的极值峰F(mp)，确定极值峰对应的序列数mp，进而确定该序列数对应的x(mp)，即电缆中缺陷距离电缆首端的距离；
S6根据电缆缺陷诊断函数曲线极值峰F(mp)，对电缆缺陷类型进行诊断：当极值峰F(mp)为正极性时，距离电缆首端x(mp)位置对应的是特征阻抗增大的缺陷；当极值峰F(mp)为负极性时，距离电缆首端x(mp)位置对应的是特征阻抗减小的缺陷。
2.根据权利要求1所述的基于反射系数离散序列的新型电缆缺陷诊断方法，其特征在于，步骤S1中，对待测电缆进行测试，通过离散化采样得到首端反射系数的离散序列ρ(n)，同时得到相应的频率离散序列f(n)。
3.根据权利要求1所述的基于反射系数离散序列的新型电缆缺陷诊断方法，其特征在于，步骤S2中，根据待测电缆长度，将其表示为如下的离散数据序列：
x(m)＝xmin+(m-1)Δx
式中，x(m)表示距离电缆首端位置；Δx表示缺陷的距离分辨率；m表示x(m)的序列数，m＝1,2,……,M，M表示x(m)的数据总量，定义为：
式中，Floor()表示数据向下取整；xmax表示分析距离的最大值，取l～1.5l；xmin表示分析距离的最小值，取0～0.2l。
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| CN117310393B (zh) * | 2023-11-29 | 2024-03-08 | 广东电网有限责任公司 | 一种电缆局部缺陷检测方法、装置及存储介质 |
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