NO340779B1 - System og fremgangsmåte for overvåking av elektriske kabler - Google Patents

System og fremgangsmåte for overvåking av elektriske kabler Download PDF

Info

Publication number
NO340779B1
NO340779B1 NO20082029A NO20082029A NO340779B1 NO 340779 B1 NO340779 B1 NO 340779B1 NO 20082029 A NO20082029 A NO 20082029A NO 20082029 A NO20082029 A NO 20082029A NO 340779 B1 NO340779 B1 NO 340779B1
Authority
NO
Norway
Prior art keywords
cable
frequency
impedance
signal
phase
Prior art date
Application number
NO20082029A
Other languages
English (en)
Other versions
NO20082029L (no
Inventor
Paolo Franco Fantoni
Original Assignee
Wirescan As
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=37906384&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=NO340779(B1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Wirescan As filed Critical Wirescan As
Publication of NO20082029L publication Critical patent/NO20082029L/no
Publication of NO340779B1 publication Critical patent/NO340779B1/no

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/50Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
    • G01R31/58Testing of lines, cables or conductors
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/04Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant in circuits having distributed constants, e.g. having very long conductors or involving high frequencies
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/08Locating faults in cables, transmission lines, or networks
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/08Locating faults in cables, transmission lines, or networks
    • G01R31/11Locating faults in cables, transmission lines, or networks using pulse reflection methods

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
  • Monitoring And Testing Of Transmission In General (AREA)

Description

INTRODUKSJON
Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et system og en fremgangsmåte for overvåking av installerte elektriske kabler basert på linjeresonansanalyse. Overvåking omfatter eksempelvis tilstandsovervåking og sanntidsdiagnose av de elektriske kabler. Gjennomgående i den foreliggende beskrivelse blir systemet også referert til som LIRA, Line Resonance Analysis System (linjeresonansanalysesystem). Kablene har lengder som varierer fra noen få meter til flere hundre kilometer, avhengig av kabelens struktur og demping.
BAKGRUNN
LIRA, Line Resonance Analysis System, (linjeresonansanalysesystem) er basert på overføringslinjeteori, en etablert og godt dokumentert teori som er basis for to andre eksisterende teknikker for detektering av kabelfeil kjent som "tidsdomenereflektometri" ("Time Domain Reflectometry", TDR) og "frekvens-domenereflektometri" ("Frequency Domain Reflectometry", FDR). Forskjeller og begrensninger ved disse to eksisterende teknikker er forklart i det følgende.
En overføringslinje er den del av en elektrisk krets som tilveiebringer en forbindelse mellom en generator og en last. Oppførselen til en overføringslinje avhenger av dens lengde sammenlignet med bølgelengden X, for det elektriske signal som beveger seg inn i den. Bølgelengden er definert som:
hvor v er hastigheten til det elektriske signal i ledningen (også kalt fasehastigheten) og f frekvensen til signalet.
Når overføringslinjens lengde er mye lavere enn bølgelengden, som tilfellet er når kabelen er kort (dvs. noen få meter) og signalfrekvensen er lav (dvs. noen få kHz), har linjen ingen innvirkning på kretsens oppførsel. Kretsimpedansen (Zinn), slik den ses fra generatorens side, er da lik lastimpedansen på ethvert tidspunkt.
Imidlertid, hvis linjelengden er høyere enn signalets bølgelengde, (L > X), får linjens karakteristika en viktig rolle og kretsens impedans sett fra generatoren samsvarer ikke med lasten, unntatt for enkelte svært spesielle tilfeller.
Spenningen V og strømmen I langs kabelen styres av de følgende differensialligninger, kjent som telefonistligningene:
hvor co er signalets radial frekvens, R er lederens motstand, L er induktansen, C kapasitansen og G isolasjonens konduktivitet, alle i forhold til en enhet av kabellengden. Disse fire parametere karakteriserer fullstendig oppførselen til en kabel når et høyfrekvenssignal passerer gjennom den. I overføringslinjeteori blir linjens oppførsel vanligvis studert som en funksjon av to komplekse parametere. Den første propageringsfunksjonen som ofte skrives som hvor den reelle del a er linjedempingskonstanten og den imaginære del p er forplantningskonstanten, som også er relatert til fasehastigheten v, radial frekvens co og bølgelengde X gjennom: Den annen parameter er den karakteristiske impedans
Ved bruk av (4) og (7) og løsing av differensialligningene (2) og (3), blir linjeimpedansen for en kabel i avstand d fra enden:
hvor Tl er den generaliserte refleksjonskoeffisient og Tl er lastrefleksjonskoeffisienten
I (10) er Zlimpedansen til lasten som er tilkoplet ved kabelenden.
Fra ligningene (8), (9) og (10), er det enkelt å se at når lasten samsvarer med den karakteristiske impedans, er vinkel Tl = Td = 0 og da er Zd = Zo = Zlfor enhver lengde og frekvens. I alle andre tilfeller er linjeimpedansen en kompleks variabel som er styrt av ligning (8), hvilken har form som kurvene på fig. 1 (amplitude og fase som en funksjon av frekvens).
Eksisterende metoder basert på overføringslinjeteori forsøker å lokalisere lokale kabelfeil (intet anslag over global forringelse er mulig) ved en måling av V (ligning (2)) som en funksjon av tid og evaluering av tidsforsinkelsen fra den inn-fallende bølge til den reflekterte bølge. Eksempler på slike metoder finnes i US-patenter 4,307,267 og 4,630,228, og i US-publikasjoner 2004/0039976 og 2005/0057259.
US-patent nr. 4,630,228 beskriver en transmisjonslinjeanalysator for auto-matisk identifisering av alvorlighetsgraden og lokasjonen til flere feiltilpasninger.
Linjedemping og omgivelsesstøy i virkelige omgivelser begrenser sensitivi-teten til slike metoder, hvilket hindrer muligheten til å detektere forringelser på et tidlig stadium. Særlig for kabler som er lengre enn noen få kilometer. I tillegg er det ikke mulig med noe anslag over global kabeltilstand, hvilket er viktig for estimering av kabelens restlevetid i anvendelser i strenge omgivelser (f.eks. kjernefysiske og luft- og romfartsanvendelser).
SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN
Hensikten med oppfinnelsen er å løse eller i det minste avhjelpe de proble-mer som er angitt ovenfor. For å redusere bakgrunnsstøy og øke sensitivitet, går oppfinnelsen gjennom en transformasjon til domenen for linjeimpedansen (både amplitude og fase) også kalt domenen for V, og anvender i denne domene frekvensanalyse. De trinn som er involvert i denne prosessen er: 1. Sende et utvidet båndbreddesignal gjennom kabelen og måle det reflekterte signal; 2. Estimere linjeimpedansen gjennom hele båndbredden på basis av de sendte og reflekterte signaler; 3. Analysere linjeimpedansen for å få informasjon om kabelens egen-skaper, global kabeltilstand, lokale forringelsessteder.
Oppfinnelsen tilveiebringer en fremgangsmåte for overvåking av en tilstand for en elektrisk kabel i henhold til krav 1. Oppfinnelsen tilveiebringer i tillegg et system for overvåking av en tilstand for en elektrisk kabel i henhold til krav 4. Ytterligere utførelsesformer av fremgangsmåten og systemet i henhold til oppfinnelsen fremgår av de uselvstendige krav.
Det beskrives en fremgangsmåte for overvåking av en tilstand for en elektrisk kabel, hvilken fremgangsmåte omfatter tilveiebringelse av et referansesignal CHO, og et signal CH1, idet signal CH1 er referansesignalet CHO etter amplitude- og fasemodulasjon med en kabelimpedans ZDUTfor den elektriske kabel; beregning av kabelimpedansen Zdut som en funksjon av den anvendte signalfrekvens basert på referansesignalet CHO og signalet CH1; og analysering av kabelimpedansen, hvilket tilveiebringer et anslag over kabelens tilstand.
I en utførelse kan referansesignalet CHO være et hvit støy-signal som har
en frekvensbåndbredde fra wi tilW2, eller et frekvenssveip fra en frekvens wi til en frekvensW2, idet wi ogW2avhenger av kabellengden. Metoden kan videre omfatte beregning av en amplitude og fase for kabelimpedansen Zdut som en funksjon av frekvensen, ved beregning av den gjennomsnittlige vindusplasserte transferfunksjon fra referansesignalet CHO til signalet CH1 ved bruk av
hvor Zi er en intern impedans for en digitaliseringsenhetens kanal for signal CH1, og Vo og Vi er de spenningsvisere som er målt ved en digitaliseringsenhetens kanal for referansesignal CHO henholdsvis en digitaliseringsenhetens kanal 1 for signal CH1. I en enda ytterligere utførelse kan fremgangsmåten omfatte evaluering av i det minste et resonansfrekvensmønsterfor kabelimpedansen Zdut, hvor det minst ene resonansfrekvensmønster tilveiebringer informasjon som vedrører kabelens forringelse.
Det minst ene resonansfrekvensmønster kan være en Fourier-transformasjon av impedansens fase og amplitude, idet fremgangsmåten videre omfatter identifisering av en fundamental frekvens f i Fourier-transformasjonen på grunn av en bølgerefleksjon ved en avstand d, hvor avstanden d er en kabelavslutning, identifisering av en ytterligere frekvenskomponent f i Fourier-transformasjonen på grunn av en bølgerefleksjon ved en lokalisering x, hvor bølgerefleksjonen ved lokalisering x skyldes en diskontinuitet i elektriske parametere for kabelen, og beregning av lokaliseringen x ved:
hvor d er lengden av kabelen.
Det minst ene resonansfrekvensmønster kan være en Fourier-transformasjon av impedansens fase og amplitude, og fremgangsmåten kan i en alternativ utførelse omfatte identifisering av en fundamental frekvens f i Fourier- transformasjonen på grunn av en bølgerefleksjon ved en avstand d, hvor avstanden d er en kabelavslutning, identifisering av en ytterligere frekvenskomponent f" i Fourier-transformasjonen på grunn av en bølgerefleksjon ved en lokalisering x, hvor bølgerefleksjonen ved lokalisering x skyldes en diskontinuitet i elektriske parametere for kabelen, og beregning av lokaliseringen x ved:
hvor vr er den relative fasehastighet for et elektrisk signal i kabelen, og vo er lyshastigheten i vakuum.
I en enda ytterligere utførelse av oppfinnelsen er det minst ene resonans-frekvensmønster en Fourier-transformasjon av impedansens fase og amplitude, og fremgangsmåten omfatter videre identifisering av to fortløpende resonansfrekvensverdier fk henholdsvis fk+i av kabelimpedansen Zdut; beregning av en første verdi av relativ fasehastighet vr for kabelen ved anvendelse av vr= 2l_(fk+1- fk)^/ , hvor L er lengden av kabelen og vo er lyshastigheten i vakuum; beregning av en fundamental frekvens f for kabelen ved bruk av den
2L
første relative fasehastighet vr og anvendelse av f' = , hvor L er lengden av
vrv0
kabelen og vo er lyshastigheten i vakuum; beregning av en annen verdi f" for den fundamentale frekvens f ved å finne en maksimum toppverdi i Fourier-transformasjonen i domenen for f i et valgbart intervall rundt f; og beregning av en
2L endelig relativ fasehastighet vfinalr ved anvendelse av vfinalr = —-, hvor L er
lengden av kabelen, vo er lyshastigheten i vakuum, hvor den relative fasehastighet tilveiebringer informasjon om global forringelse av kabelen.
I en enda ytterligere utførelse som tilveiebringer informasjon om global forringelse av kabelen, omfatter fremgangsmåten beregning av et kabelimpedans-faseskift, hvor referansesignalet CHO er en flertone sinusbølge ved en resonansfrekvens, og beregning av en fasedifferanse mellom CHO og CH1 i tidsdomenen.
Det beskrives i tillegg et system for tilstandsovervåking av en elektrisk kabel, hvilket system omfatter et genereringsmiddel som tilveiebringer et referansesignal CHO; et innsamlingsmiddel som samler inn referansesignalet CHO og et signal CH1, idet signalet CH1 er referansesignalet CHO etter amplitude- og fasemodulasjon med en kabelimpedans ZDirrfor den elektriske kabel; og et analyseringsmiddel som beregner den komplekse kabelimpedans Zdut som en funksjon av den anvendte signalfrekvens basert på referansesignalet CHO og signalet CH1, og analysering av kabelens impedans, hvilket tilveiebringer et anslag over kabelens tilstand og/eller kabelfeil.
Genereringsmiddelet kan være operativt for å tilveiebringe et referansesignal CHO valgt fra en gruppe bestående av et hvit støy-signal som har en frekvensbåndbredde 0 til en valgbar frekvensW2, et sveipesignal som har en frekvensbåndbredde fra wi tilW2(begge valgbare) og en flertone sinusbølge ved valgte resonansfrekvenser.
Innsamlingsmiddelet kan være et digitalt lagringsoscilloskop.
Systemet kan videre omfatte en simulator som er operativ til å forsyne analyseringsmiddelet med referansesignalet CHO og signalet CH1 basert på kabelparametere, lastparametere og overføringslinjeligninger. En modulator kan også anordnes mellom genereringsmiddelet og innsamlingsmiddelet, idet modulatoren er forbundet til den elektriske kabel, og er operativ til å mate ut referansesignalet CHO og kabelimpedansens fase- og amplitudemodulerte signal CH1.
I kravene skal uttrykket monitor forstås i bred forstand, og inkluderer eksempelvis global/lokal tilstandsovervåking, sanntids diagnose og feildeteksjon.
LIRA (Line Resonance Analysis System, linjeresonansanalysesystem) forbedrer deteksjonens sensitivitet og nøyaktighet ved analysering av kabelens inngangsimpedans (ligning (8) og fig. 1). I essens, tilveiebringes de følgende trinn:
Deteksjon og lokalisering av lokal forringelse:
a. Støyfri estimering av linjens inngangsimpedans som en funksjon av frekvens (båndbredde 0-X-MHz, hvor X avhenger av kabelens lengde). b. Bruk av en maskinvaremodul som kalles "modulator" for estimerings av linjens inngangsimpedans. c. Spektrumanalyse av linjens inngangsimpedans for å detektere og lokalisere forringelsessteder (se detaljert forklaring).
Anslag over global forringelse:
a. Samme som punkt a ovenfor
b. Samme som punkt b ovenfor
c. Spektrumanalyse av linjens inngangsimpedans for å estimere den riktige verdi av fasehastigheten (ligning (1)). Fasehastigheten brukes som en tilstandindikator for kabelens globale tilstand.
Disse trinn forklares i detalj senere i dette dokument.
LIRA (Line Resonance Analysis System, linjeresonansanalysesystem) i henhold til oppfinnelsen er i stand til å overvåke den globale, progressive forringelse av kabelisolasjonen på grunn av strenge miljøbetingelser (eksempelvis høy temperatur, fuktighet, stråling) og detektere lokal forringelse av isolasjons-materialet på grunn av mekaniske effekter eller lokale uvanlige miljøbetingelser. I dette tilfelle kan LIRA estimere lokaliseringen av den tvilsomme del med en estimeringsfeil innenfor 0,5 % av kabellengden.
LIRA-systemet kan brukes til detektering og overvåking av isolasjons-forringelse og linjebrudd i alle typer av elektriske kabler (kraftkabler og signal-kabler); dvs. kabler i kraftgenerering, fordeling og overføring, kabler i prosess-industrier, kabler i luft- og romfartsindustri, på kabler i installasjoner på land, til havs og undervann, og identifisere posisjonen til skaden/bruddet. Overvåkingen og deteksjonen kan gjennomføres fra en fjerntliggende lokalisering i sanntid.
Oppfinnelsen er definert i de vedføyde krav.
KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE
Utførelser av oppfinnelsen vil nå bli beskrevet med henvisning til de følgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser en grafisk representasjon av en kompleks linjeimpedans-amplitude og -fase som en funksjon av frekvens i henhold til ligning (8); Fig. 2 viser maskinvare- og programvaremoduler for et system i henhold til en utførelse av oppfinnelsen; Fig. 3 viser en funksjonell design av en modulator i henhold til en utførelse av den foreliggende oppfinnelse; Fig. 4 viser et funksjonelt diagram av en stedsdeteksjonsalgoritme i henhold til en utførelse av oppfinnelsen; Fig. 5 er et effektspektrum for en faseimpedans i en domene av f, hvor x-aksen har blitt skalert til avstand fra kabelstart (d = 300 m), i henhold til en utførelse av den foreliggende oppfinnelse; Fig. 6 er et effektspektrum av faseimpedans i domenen for V, hvor frekvens-komponenten ved x = 200 er synlig, på grunn av en kapasitetsforandring på 20 pF i et 30 cm kabelsegment, i henhold til en utførelse av den foreliggende oppfinnelse; og Fig. 7 illustrerer en sanntids overvåking av impedansfaseskift i et analyseringsmiddel i henhold til en utførelse av oppfinnelsen.
DETALJERT BESKRIVELSE
Fig. 2 viser en utførelse av systemet med maskinvare- og programvaremoduler. Disse moduler vil bli beskrevet nedenfor. • Generator for vilkårlige bølger. Den drives av LIRA-generatorens programvare for å forsyne systemet med et referansesignal CHO. Referansesignalet kan være:
o Et hvit støy-signal.
o Et sveipesignal, fra 0 Hz til den valgte båndbredde. Samme effekt
som for et hvit støy-signal.
o En flertone sinusbølge. Denne brukes til sanntids overvåking av impedans-faseskift. • Modulatoren. Et funksjonelt diagram for modulatoren er vist på fig. 4.
Utgangen fra denne modulen er referansesignalet (CHO), forvrengt av generatorens interne impedans Rg, og et fase- og amplitudemodulert signal (CH1), som er modulert av den frekvensavhengige impedans Cdut for kabelen som er tilveiebrakt til modulatoren gjennom en kabel-forbindelse.
Modulatorens funksjonelle diagram er vist på fig. 4, hvor DUT er forbin-delsen til kabelen under testing. Impedansen ved DUT beregnes som:
hvor Zi er digitaliseringsenhetens kanal 1 (CH1) sin interne impedans (50 ohm) og Vo og Vi er de spenningsvisere som er målt ved digitaliseringsenhetens kanal 0 (CHO) og kanal 1 (CH1).
Fra ligning (11) følger det at det ikke er noen innvirkning på Zdut fra Rb, Rg og eventuell parasittisk impedans til venstre for CHO. Zi har en kjent kapasitans (15 pF) som systemet enkelt kan ta i betraktning. Ligning (11) viser at kabelens inngangsimpedans er en enkelt funksjon av det resiproke av transferfunksjonen mellom Vo og Vi, som begge er inn-samlet ved hjelp av det digitale lagringsoscilloskop. LIRA gjennomfører en vindusplasser! transferfunksjon med en gjennomsnittsteknikk for å fjerne støy og anvender ligning (11) for å estimere linjeimpedansen i
den anvendelige båndbredde.
Det 2-kanals digitale lagringsoscilloskop. Det brukes til å samle inn
CHO og CH1. Dette er en kommersiell maskinvareenhet. LIRA-simulatoren. Denne modulen kan opereres frittstående, eller den kan forbindes til LIRA-analysatoren. I det siste tilfelle virker LIRA-simulatoren i frekvensdomenen og anvender overføringslinjeligningene (ligningene 1 til 10) og gjennomfører deretter en invers Fourier-transformasjon for å forsyne analysatoren med de to tidsdomene-signalkanaler (CHO, CH1), slik de kommer direkte fra modulatoren som er forbundet til den testede kabel. I tillegg til dette anvender den en stokastisk modell for å evaluere usikkerhetene i kabelens elektriske parametere på grunn av fremstillingstoleranser og miljøforandringer. Kabelens parametere og lastparametere for den faktiske kabel-forbindelse mates inn til LIRA-simulatoren.
Den stokastiske modell evaluerer og anvender statistiske varia-sjoner (ved bruk av en normalfordeling med brukervalgt standardavvik) i de elektriske parametere (L, C og R) langs kabelen, på grunn av fremstillingstoleranser og miljøstøy.
LIRA-analysatoren. Den kan opereres i sann modus eller simulerings-modus. I det første tilfelle tar den innmating fra det to-kanals digitale lagringsoscilloskop, i det annet tilfelle, kommer innmatingen fra LIRA-simulatormodulen. LIRA-analysatoren er kjernen i ledningsovervåkings-systemet. LIRA-analysatoren virker både i frekvens- og tidsdomenen, og gjennomfører de følgende oppgaver: o Estimerer og viser frekvensspekteret for linjeinngangs-impedansen.
o Beregner resonansfrekvensene. Resonansfrekvenser beregnes fra impedansspekteret og korresponderer til frekvensverdier hvor fasen er null.
o Estimerer kabelens karakteristiske impedans Zdut. Den beregnes også fra impedansspekteret. Den karakteristiske impedans er verdien av impedansamplituden ved ethvert lokalt maksimum (eller minimum) av impedansfasen.
o Estimerer kablelengden, hvis den ikke er kjent.
o Detekterer lokale forringelsesområder og lokaliserer den.
o Detekterer lokale forandringer.
o Måler og viser amplitudeforholdet og faseskiftet mellom de to innsamlede kanaler CHO og CH1. Dette gjøres når referansesignalet er en flertone sinusbølge og LIRA i tidsdomenen evaluerer faseskiftet mellom de to kanaler. Faseskiftet er initialt null, ved resonansbetingelser, og ethvert avvik fra dette kan korreleres til en forandring i kabelens gjennomsnittlige elektriske parametere.
Diagnose og lokalisering av lokal forringelse
LIRA implementerer to algoritmer for deteksjon av lokale isolasjonsdefekter, referert til som PRN (Pseudo Random Noise (Pseudo-tilfeldig støy)) -metoden og SWEEP-metoden. PRN-metoden er den foretrukkede for kabellengder under 200 m, mens SWEEP-metoden brukes for lengre kabler. Begge metoder følger skjemaet på fig. 4, og de er kun forskjellige i formen av det genererte referanse signal CHO. Disse metoder vil derfor i det følgende bli forklart med referanse til PRN-metoden, men forklaringen vil være like anvendbar for SWEEP-metoden.
I PRN-metoden beregnes linjeimpedansen som den gjennomsnittlige vindusplasserte transferfunksjon fra referansesignalet CHO til det modulerte impedanssignal CH1, hvilket resulterer i beregning av amplituden og fasen for linjeimpedansen Zdut som en funksjon av frekvens (se ligning 11)). Så snart linjeimpedansen er beregnet, blir kabeltilstanden analysert ved undersøkelsen av frekvensinnholdet for amplituden og fasekomponentene for den komplekse impedans. Dette vil bli forklart i det følgende.
Ligning (8) er det matematiske uttrykk for funksjonen på fig. 1. Linjeimpedansen Zd(for en kabel i avstand d fra enden av kabelen), er egentlig en kompleks parameter og fig. 1 viser både amplituden og fasen for den. Den pseudo-periodiske form av fasen skyldes periodisiteten til rd, ligning (9), som kan omskrives som:
hvor amplituden minker med d (kabellengden) på grunn av dempingen a (fasen er periodisk hvis a = 0). Perioden for rd (og da for linjeimpedansfasen) er en 1/2p, ved betraktning av det som den uavhengig variable, eller en 1/2d, ved betraktning av p som den uavhengig variable (som på fig. 1).
Ved bruk av uttrykket for forplantningskonstanten p fra ligning (6), ligning (12) omskrives som:
hvor f er frekvensen til det anvendte signal og v er fasehastigheten for det elektriske signal i kabelen.
Ved antakelse av f som den uavhengig variable og skriving av de følgende transformasjoner: hvorVr=v/vo,Vrer den relative fasehastighet for det elektriske signal i kabelen, og vo lyshastigheten i vakuum.
Ligning (14) blir:
Ligning (18) er det matematiske uttrykk for en pseudoperiodisk funksjon med radial frekvens co' og amplitude A. I det tapsfrie tilfelle (a = 0) er A = 1, i tapsbeheftede kabler i det virkelige liv er alfa en økende funksjon av signalfrekvens, slik at amplitude A er en minkende funksjon av f, hvilket resulterer i den dempede oscillasjon på fig. 1. Frekvensen for denne funksjon (i domenen av V) er:
hvor f er den fundamentale frekvens for fasefunksjonen i domenen for t' på grunn av bølgerefleksjonen ved avstand d (kabelavslutningen). Merk at uttrykket for f har dimensjonen av tid og er den tid som er medgått for en bølge for å nå avslutningen ved en avstand d og for å reflekteres tilbake. Fourier-transformasjonen (effekt spektrum) for impedansfasen, i domenen for V, ser eksempelvis ut som fig. 5, hvor
x-aksen har blitt skalert til D ved den fundamentale frekvens i ligning (19). På fig. 5, har x-aksen blitt skalert til avstand fra kabelstart (d = 300 m).
Når bølgen ved en avstand x finner en diskontinuitet i de elektriske parametere for kabelen (f.eks. en liten forandring i isolasjonens dielektrikum), vil en annen refleksjon være synlig fra avstand x, hvilket vil tilføye en ny frekvenskomponent i effektspekteret for impedansfasen, hvor frekvensen (fra ligning (19)) vil være:
Og således:
Hvis kabellengden er kjent, er kunnskapen om f og f" fra effektspekteret for impedansfasen (i domenen fort') tilstrekkelig for beregningen avx-lokaliseringen:
Hvis d ikke er kjent, kan kunnskapen om den relative fasehastighet vr (fra kabel-dataarket eller ved å måle den på en kabelprøve av den samme type) brukes til å beregne x-lokaliseringen basert på ligning (19):
Det endelige resultat er da en spiss ved en hvilken som helst posisjon hvor en forandring (selv en svært liten forandring) av elektriske parametere (hoved-sakelig en forandring i dielektrisk verdi) produserer en reflektert bølge av det anvendte referansesignal. Denne refleksjon fremstår som en frekvenskomponent i fase/amplitude-spekteret for linjeimpedansen. Frekvensen for den reflekterte bølge er en lineær funksjon av avstanden fra kabelens ende til avviket. Fig. 6 viser en Fourier-transformasjon (effektspektrum) for faseimpedans i domenen av t\ hvor en refleksjon på grunn av en forandring i elektriske parametere for kabelen ved lokalisering x = 200 m fra kabelstart er synlig som en frekvenskomponent ved x = 200. Denne spiss er i tilfellet på fig. 6, på grunn av en kapasitetsforandring på 20 pF i et 30 cm segment av kabelen som testes.
Ved tilstandsovervåking av en kabel, kan en rekke diskontinuiteter (n) i de elektriske parametere for kabelen være tilstede. Hver av disse diskontinuiteter vil fremstå i effektspekteret som distinkte frekvenskomponentspisser fn, og deres posisjoner xn identifiseres som forklart ovenfor.
For å ha god sensitivitet og digital oppløsning, er det viktig å operere med den høyest mulige båndbredde, som imidlertid er begrenset av kabelens demping. Vellykkede tester har blitt gjennomført med 30 m kabler (100 MHz båndbredde) opp til 120 km kabler (20 kHz båndbredde) på tidspunktet for styring. Lange kabler krever smale båndbredder for å overvinne den økende kabeldemping, som er en funksjon av frekvens.
Overvåking av global forringelse
LIRA gjør bruk av to forskjellige metoder for overvåking av globale forandringer i kabelens tilstand:
1. Estimering og overvåking av den relative fasehastighet.
2. Linjeimpedans-faseskiftet fra en hvilken som helst resonanstilstand.
Som for den lokale forringelse og diagnose, er den første metode for global forringelse også basert på anvendelse av et referansesignal CHO som har en frekvensbåndbredde fra wi tilW2, som deretter fase- og amplitudemoduleres av kabelimpedansen Zdut for kabelen som testes, hvilket tilveiebringer signalet CH1. Den annen metode er basert på anvendelse av en flertone sinusbølge som et referansesignal CHO. Analysen av de resulterende signaler CHO og CH1 forklares i detalj for de to metoder nedenfor.
Metode 1:
Den relative fasehastighet beregnes ved hjelp av LIRA gjennom en 2-trinns-prosess: 1. En første approksimativ verdi estimeres ved bruk av 2 fortløpende resonansfrekvensverdier i linjeimpedansen, ved anvendelse av de følgende ligninger: Ved enhver resonans er kabellengden L eksakt lik halve bølgelengden eller et hvilket som helst multiplum av denne (dette er korrekt når kabelen har åpen ende, men forskjellige lastreaktanser kan enkelt tas hånd om), eller, ved bruk av ligning (1): hvor L er kabellengden, vo er lyshastigheten i vakuum, vr er den relative fasehastighet og fk er den k-te resonanstoppfrekvens. Ved anvendelse av ligning (24) på to fortløpende resonanstopper, får vi:
Ligning (25) brukes av LIRA til å evaluere en første verdi av vr, etter estimeringen av kabelens inngangsimpedans og beregningen av resonansfrekvensene. Merk at ethvert lastreaktansskift ville bli eliminert av differanse-uttrykket i ligningen. Årsaken til at denne verdi er approksimativ er at vr er en langsom funksjon av f, men den har blitt antatt konstant i ligning (25).
2. Verdien av vr som er funnet i trinn 1 brukes til å beregne den approksi-mative verdi av den fundamentale frekvens f (domene av t\ se beskrivelse ovenfor og fig. 5), som :
LIRA søker maksimumstoppen f" i Fourier-transformasjonen (effektspektrum) i domenen av t', i et brukervalgbart intervall rundt f. Når en nøyaktig verdi av f (benevnt f") finnes fra spekteret, løses ligning (19) forvr som:
som er den endelige og nøyaktige verdi av fasehastigheten. Fasehastigheten minker med forringelsen av kabelens isolasjon.
Metode 2:
Linjeimpedansen har null fase ved enhver resonanstilstand. Ved å bruke en sinusbølge som referansesignal ved en resonansfrekvens, er de to utgangs-signaler CHO og CH1 i fase. Fasedifferansen mellom CHO og CH1 (selv i størrel-sesorden 1 grad), beregnet i tidsdomenen, brukes til å overvåke enhver liten forandring i den globale elektriske tilstand for kabelen, fordi forandringer i de elektriske parametere påvirker kabelens resonansfrekvenser. Istedenfor å overvåke frekvensforandringer direkte, overvåker LIRA impedansfasen, fordi den kan estimeres på en mer pålitelig og nøyaktig måte. Denne metode er egnet til ubeman-net, sanntids overvåking av kabelens globale tilstander.
Fig. 7 viser et eksempel på impedans-faseskiftovervåking ved bruk av LIRA, Line Resonance Analysis (linjeresonansanalyse) -systemet Lira-systemet viser i grafen midt på til venstre på fig. 7 faseskiftet mellom et referansesignal CHO og det resulterende signal CH1 som er modulert ved hjelp av kabelimpedansen som er en funksjon av tid. Faseskiftet tilveiebringer informasjon som vedrører isolasjonens forringelse.
Årsakene til at en resonansfrekvens brukes for dette formål er:
• Den fasederiverte er den høyeste ved resonans, slik at det oppnås maksimal sensitivitet ovenfor kabelforringelse. • Fasen forandres lineært rundt en resonanstilstand. Dette gjør det enklere å korrelere et faseskift med isolasjonens forringelse.
Etter å ha beskrevet foretrukkede utførelser av oppfinnelsen, vil det være åpenbart for de som har fagkunnskap innen teknikken at andre utførelser som inkorporerer konseptene kan brukes. Disse og andre eksempler på den oppfinnelse som er illustrert ovenfor, er kun ment som eksempler, og det faktiske om-fang av oppfinnelsen skal bestemmes fra de følgende krav.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for overvåking av en tilstand for en elektrisk kabel, hvilken fremgangsmåte er karakterisert vedat den omfatter de følgende trinn: - tilveiebringelse av en beregnet kompleks kabelimpedans (Zdut) som en funksjon av frekvens f som er spesifisert av en amplitude og en fase, idet nevnte frekvens er frekvensen til en multifrekvenssignalbølge som er påført på kabelen, idet multifrekvenssignalbølgen er fase- og amplitudemodulert av en kabelimpedans; - transformere den beregnede komplekse kabelimpedans (Zdut) inn i et domene V; - beregne en frekvens f i tidsdomenet f, hvor frekvensen f er den fundamentale frekvensen av en pseudo-periodisk funksjon av radial frekvens co' og amplitude A i tidsdomenet f på grunn av bølgerefleksjon av multifrekvenssignalbølgen ved en avstand d fra en ende av kabelen, og hvor frekvensen f beregnes ved anvendelse av:
hvor vo er lyshastigheten i vakuum, og vrer en estimert relativ fasehastighet for et elektrisk signal i kabelen; - gjennomføring av en effektspektrumanalyse av både amplitude og fase for den komplekse kabelimpedans (Zdut) i det transformerte domenet av t' for å finne og lokalisere enhver lokal forringelse av kabelisolasjonen; og - identifisering av frekvenskomponenter f' i, f 2, ..., f' n \ effektspektrumet for det transformerte domenet på grunn av bølgerefleksjoner av multifrekvenssignalbølgen ved lokaliseringerxi,X2, ..., xn langs kabelen, idet bølgerefleksjon-ene skyldes diskontinuiteter i elektriske parametere for kabelen, og beregning av hver av lokaliseringene Xi ved:
2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, som videre omfatter estimering av relativ fasehastighet (vr) av: - evaluering av i det minste to resonansfrekvenser av kabelimpedansen (Zdut), - identifisering av to påfølgende resonansfrekvensverdier fk og fk+ i henholdsvis, av kabelimpedansen (Zdut); - beregning av en første verdi av en relativ fasehastighet vr for kabelen ved anvendelse av
hvor L er lengden av kabelen; - beregning av en fundamental frekvens f for kabelen ved bruk av den første relative fasehastighet vr og anvendelse av - beregning av en annen og mer nøyaktig verdi f av den fundamentale frekvens f ved å finne en maksimum toppverdi i Fourier-transformasjonen i domenet for V i et valgbart intervall rundt f; og - beregning av estimatet av den relative fasehastighet v^Vved anvendelse av
3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, hvori en modulator som er forbundet til elektriske kabel mater ut et referansesignal (CHO), som er et hvit støy-signal, til kabelen og til en analysator, og mottar et reflektert signal fra kabelen og mater ut det modulerte signal (CH1) til analysatoren, idet det modulerte signal (CH1) er det signal som er fase- og amplitudemodulert av kabelimpedansen, og at analysatoren estimerer amplituden og fasen for kabelimpedansen på basis av signalene (CHO, CH1) som er mottatt fra modulatoren.
4. System for overvåking av en tilstand for en elektrisk kabel,karakterisert vedat det omfatter: - analysator for å beregne en kompleks kabelimpedans (Zdut) som en funksjon av en frekvens f angitt ved en amplitude og fase; - genereringsmidler for generering av en multifrekvenssignalbølge som skal fase- og amplitudemoduleres av en kabelimpedans, multifrekvenssignalbølgen påføres kabelen, hvor frekvensen feren frekvens av multifrekvens-signalbølgen; - transformeringsmidler for transformering av den komplekse kabelimpedans (Zdut) inn i et tidsdomene f, - nevnte analysator beregner en frekvens f i tidsdomenet V,karakterisertved at frekvensen f er den fundamentale frekvensen av en pseudo-periodisk funksjon av radial frekvens w' og amplitude A i tidsdomenet f på grunn av bølgerefleksjon av multifrekvenssignalbølgen ved en avstand d fra en ende av kabelen, og hvor frekvensen f beregnes ved anvendelse av:
hvor vo er lyshastigheten i vakuum og vr er en estimert relativ fasehastighet for et elektrisk signal i kabelen, - en analysator for gjennomføring av en effektspektrumanalyse av både amplitude og fase for den komplekse kabelimpedans (Zdut) i tidsdomenet for r for å finne og lokalisere enhver lokal forringelse av kabelens isolasjon, og for identifisering av frekvenskomponenter f'i, f' 2, ..., fn i effektspekteret for tidsdomenet f på grunn av bølgerefleksjoner av multifrekvens- signalbølgen ved lokaliseringer xi,X2, ..., xn langs kabelen, idet bølgerefleksjonene skyldes diskontinuiteter i elektriske parametere for kabelen, og for beregning av hver av lokaliseringene Xi ved:
5. System som angitt i krav 4, hvori analysatoren videre er operativ til å - evaluere i det minste to resonansfrekvenser av kabelimpedansen (Zdut), - identifisere to påfølgende resonansfrekvensverdier, henholdsvis fk og fk+ i, av kabelimpedansen (Zdut); - beregne en første verdi av en relativ fasehastighet vr for kabelen ved anvendelse av
hvor L er lengden av kabelen; - beregne en fundamental frekvens f for kabelen ved bruk av den første relative fasehastighet vr og anvendelse av - beregne en andre og mer nøyaktig verdi f av den fundamentale frekvens f ved å finne en maksimum toppverdi i tidsdomenet f i et valgbart intervall rundt f; og - beregne estimatet av den relative fasehastighet v^"3'/- ved anvendelse av
6. System som angitt i krav 4, hvori en modulator som er forbundet mellom genereringsmidlene og analysatoren, hvori modulatoren er forbundet til den elektriske kabel for utmating av et referansesignal (CHO) til denne og til analysatoren, og for mottaking av et reflektert signal (CH1) fra kabelen og utmating av et modulert signal (CH1) til analysatoren, idet det modulerte signal (CH1) er fase- og amplitudemodulert av kabelimpedansen.
NO20082029A 2005-10-03 2008-04-30 System og fremgangsmåte for overvåking av elektriske kabler NO340779B1 (no)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US72245005P 2005-10-03 2005-10-03
PCT/NO2006/000337 WO2007040406A1 (en) 2005-10-03 2006-10-03 System and method for monitoring of electrical cables

Publications (2)

Publication Number Publication Date
NO20082029L NO20082029L (no) 2008-05-05
NO340779B1 true NO340779B1 (no) 2017-06-19

Family

ID=37906384

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
NO20082029A NO340779B1 (no) 2005-10-03 2008-04-30 System og fremgangsmåte for overvåking av elektriske kabler

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7966137B2 (no)
EP (1) EP1932006B1 (no)
CA (1) CA2626186C (no)
NO (1) NO340779B1 (no)
WO (1) WO2007040406A1 (no)

Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6742593B2 (en) 2000-04-24 2004-06-01 Shell Oil Company In situ thermal processing of a hydrocarbon containing formation using heat transfer from a heat transfer fluid to heat the formation
AU2006239988B2 (en) 2005-04-22 2010-07-01 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Reduction of heat loads applied to frozen barriers and freeze wells in subsurface formations
WO2010045097A1 (en) 2008-10-13 2010-04-22 Shell Oil Company Circulated heated transfer fluid heating of subsurface hydrocarbon formations
US20100258291A1 (en) 2009-04-10 2010-10-14 Everett De St Remey Edward Heated liners for treating subsurface hydrocarbon containing formations
US8875788B2 (en) 2010-04-09 2014-11-04 Shell Oil Company Low temperature inductive heating of subsurface formations
US8739874B2 (en) 2010-04-09 2014-06-03 Shell Oil Company Methods for heating with slots in hydrocarbon formations
US8631866B2 (en) 2010-04-09 2014-01-21 Shell Oil Company Leak detection in circulated fluid systems for heating subsurface formations
US8571830B2 (en) 2010-06-28 2013-10-29 General Electric Company Method and system for detection of collector flashover
US9016370B2 (en) 2011-04-08 2015-04-28 Shell Oil Company Partial solution mining of hydrocarbon containing layers prior to in situ heat treatment
FR2981752B1 (fr) * 2011-10-20 2013-11-08 Commissariat Energie Atomique Procede de reflectometrie pour la detection de defauts non francs dans un cable electrique et systeme mettant en oeuvre le procede
US9563254B2 (en) * 2011-12-22 2017-02-07 Intel Corporation System, method and apparatus for energy efficiency and energy conservation by configuring power management parameters during run time
US9360909B2 (en) 2012-04-19 2016-06-07 Intel Corporation System, method and apparatus for energy efficiency and energy conservation by configuring power management parameters during run time
NO341197B1 (no) * 2012-10-24 2017-09-11 Wirescan As Fremgangsmåte og system for overvåkning av tilstanden til elektriske kabler
SE536747C2 (sv) * 2012-10-25 2014-07-08 Zoliex Ab Förfarande och anordning för bestämning av längd hos ledare
US10316644B2 (en) 2013-04-04 2019-06-11 Shell Oil Company Temperature assessment using dielectric properties of an insulated conductor heater with selected electrical insulation
FR3006769B1 (fr) * 2013-06-11 2016-12-02 Commissariat Energie Atomique Procede de reflectometrie pour l'identification de defauts non francs impactant un cable
DE102014005698A1 (de) 2014-04-11 2015-10-15 Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Verfahren sowie Vorrichtung zur ortsaufgelösten Diagnose
NO20161993A1 (en) * 2016-12-15 2018-04-09 Wirescan As Method for measuring an impedance of an electric cable, a coupler arrangement and uses thereof
US10555768B2 (en) 2017-02-14 2020-02-11 Medtronic, Inc. Method of confirming safe delivery pathway to patient prior to energy delivery
DE102017213931A1 (de) * 2017-08-10 2019-02-14 Leoni Kabel Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs entlang eines elektrischen Leiters
DE102017215517B3 (de) * 2017-09-05 2018-10-11 Leoni Kabel Gmbh Verfahren zur Überwachung einer Leitung auf veränderte Umgebungsbedingungen sowie Messanordnung zur Überwachung einer Leitung auf veränderte Umgebungsbedingungen
CN107942198A (zh) * 2017-11-20 2018-04-20 广东核电合营有限公司 一种基于阻抗频谱分析的电缆局部缺陷评估的装置和方法
CN108548961B (zh) * 2018-06-22 2020-07-10 湖北泰和电气有限公司 一种高效的电缆绝缘检测仪
CN111157793B (zh) * 2020-01-13 2021-09-14 珠海格力电器股份有限公司 电器及其高频阻抗的测试方法、装置
CN113253046B (zh) * 2021-04-14 2022-07-26 国网江苏省电力有限公司淮安供电分公司 一种基于阻抗谱技术的电缆水树枝故障定位方法
CN113420398A (zh) * 2021-06-22 2021-09-21 杭州和昶电子科技有限公司 一种变频电机长线驱动系统中电缆的综合高频建模方法
US11656264B2 (en) * 2021-07-13 2023-05-23 Dell Products L.P. High-speed signal subsystem testing system

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4630228A (en) * 1982-06-28 1986-12-16 Systron-Donner Corporation Transmission line analyzer for automatically identifying the severities and locations of multiple mismatches

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BE793428A (fr) * 1971-12-29 1973-04-16 Western Electric Co Dispositif de localisation de defauts sur une
US3904839A (en) * 1974-07-18 1975-09-09 Bell Telephone Labor Inc Loop fault locater
US4077023A (en) * 1976-11-26 1978-02-28 Bell Telephone Laboratories, Incorporated Elastic waveguide
US4229626A (en) * 1979-08-01 1980-10-21 Bell Telephone Laboratories, Incorporated Loop fault sectionalization
US4307267A (en) 1980-06-16 1981-12-22 Bell Telephone Laboratories, Incorporated Testing loaded transmission lines
US7069163B2 (en) 2002-04-23 2006-06-27 Utah State University Digital spread spectrum methods and apparatus for testing aircraft wiring
US7005995B2 (en) 2003-09-16 2006-02-28 The Boeing Company System and method for remotely detecting and locating damaged conductors in a power system

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4630228A (en) * 1982-06-28 1986-12-16 Systron-Donner Corporation Transmission line analyzer for automatically identifying the severities and locations of multiple mismatches

Also Published As

Publication number Publication date
EP1932006A1 (en) 2008-06-18
US20090228222A1 (en) 2009-09-10
WO2007040406A1 (en) 2007-04-12
CA2626186A1 (en) 2007-04-12
US7966137B2 (en) 2011-06-21
EP1932006A4 (en) 2012-03-14
EP1932006B1 (en) 2014-04-23
CA2626186C (en) 2014-09-09
NO20082029L (no) 2008-05-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
NO340779B1 (no) System og fremgangsmåte for overvåking av elektriske kabler
RU2650717C2 (ru) Способ и система контроля состояния электрических кабелей
EP3014778B1 (en) A test device and a method for determining communication characteristics of a metal cable
KR101570506B1 (ko) 선형 첩 반사파 계측법을 이용한 케이블 고장점 추정 및 임피던스 추정 장치 및 방법
US11340185B2 (en) Reflectometry devices and methods for detecting pipe defects
EP3491400B1 (fr) Procédé et système de localisation de défauts sur un câble électrique
US9207192B1 (en) Monitoring dielectric fill in a cased pipeline
Cataldo et al. Experimental validation of a TDR-based system for measuring leak distances in buried metal pipes
KR20180124570A (ko) 케이블 고장점 탐지 신뢰도 측정 시스템 및 방법
KR101579896B1 (ko) 다중 대역 신호를 이용한 케이블 상태 분석 시스템 및 방법
KR20130031106A (ko) 누설 전류 진단 장치 및 그 방법
Cataldo et al. Performance evaluation of a TDR-based system for detection of leaks in buried pipes
Poluektov et al. Diagnostics of Low-Voltage Power Cables by Frequency-Response Analysis of Power-Line Communication Channel
CN118209821A (zh) 基于时域电压法定位电力电缆缺陷的时域诊断方法及装置
WO2024033044A1 (fr) Méthode de détermination d'une impédance minimale d'un défaut détectable au moyen d'une analyse d'un câble par réflectométrie
Manet et al. LIRA Technology Cable Condition Assessment and Monitoring
FR3136859A1 (fr) Méthode de détection et localisation de défauts francs ou de terminaison pour un câble composé de plusieurs tronçons de câbles inhomogènes
Neus et al. Fault detection on critical instrumentation loops of gas turbines with reflectometry
BR102018010275A2 (pt) equipamento e metodo para detectar fissuras em linhas de transmissão

Legal Events

Date Code Title Description
CHAD Change of the owner's name or address (par. 44 patent law, par. patentforskriften)

Owner name: WIRESCAN AS, NO