一种基于阻抗谱周期特征的电缆故障定位方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于阻抗谱周期特征的电缆故障定位方法及系统，属于电缆故障定位领域，方法包括：获取待检测电缆的平均相速度，并测量待检测电缆的阻抗谱；提取阻抗谱包含的等效分频，计算各等效分频对应的周期，最小周期对应电缆末端，其余每一周期对应一电缆故障段；当周期的个数大于1时，待检测电缆中存在故障，基于最小周期之外的各周期计算对应电缆故障段的位置，任一电缆故障段距电缆首端的距离等于1/2平均相速度与任一电缆故障段对应周期的比值。将电缆上的故障位置与电缆阻抗谱的周期特征相关联，得到电缆故障的位置，且无干扰峰的影响，可实现电缆故障的精准定位，定位过程中无需施加高压、无需放电，测量电路简单，对电缆无损伤。

说明书

技术领域

本发明属于电缆故障定位领域，更具体地，涉及一种基于阻抗谱周期特征的电缆故障定位方法及系统。

背景技术

电缆局部缺陷处会出现电磁损耗增加、电场畸变、温度升高等现象。若局部缺陷不能及时发现，会进一步产生树枝老化，最终发展为贯穿性绝缘缺陷，如短路缺陷、高阻缺陷，导致供电中断和电力事故。若能采用一定的技术实现电缆局部缺陷的检测和定位，并及时排除缺陷，可避免电缆缺陷的发生。因此，电缆局部缺陷的检测和定位技术的研究意义重大，可预防电缆缺陷和停电事故，保障电气系统的安全稳定运行。

传统离线测量技术，如对电缆的绝缘电阻、介质损耗因数、耐压值、绝缘材料断裂伸长率等参数进行测试，可对电缆的整体绝缘状态进行检查，但无法实现电缆的缺陷定位。随着电缆局部缺陷检测技术的发展，一系列用于电缆局部缺陷定位的实用方法取得了突破性的研究进展，包括阻抗法、温度在线监测技术、局部放电检测技术以及阻抗谱技术。

阻抗法可以定位高阻缺陷，但受工频电场干扰和缺陷点电弧非线性的影响较大，测量误差较大。对于110kv及以上电压等级的电缆，温度在线监测技术直接将光纤接入电缆，通过监测电缆的温度和应力来定位电缆缺陷，但所需成本很大。局部放电检测技术中，由于存在信号衰减严重、噪声干扰和色散较大等问题，使得局部放电信号的识别变得非常困难。现有阻抗谱技术需要相同长度相同型号的电缆作为对比，且其得到的电缆状态诊断曲线中存在干扰峰，导致缺陷定位误差。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于阻抗谱周期特征的电缆故障定位方法及系统，其目的在于将电缆上的故障位置与电缆阻抗谱的周期特征相关联，得到电缆故障的定位曲线，实现精准的、无损的电缆故障定位。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于阻抗谱周期特征的电缆故障定位方法，包括：S1，获取待检测电缆的平均相速度，并测量所述待检测电缆的阻抗谱；S2，提取所述阻抗谱包含的等效分频，计算各所述等效分频对应的周期，最小周期对应电缆末端，其余每一周期对应一电缆故障段；S3，当所述周期的个数大于1时，所述待检测电缆中存在故障，并基于最小周期之外的各所述周期计算对应电缆故障段的位置，其中，任一电缆故障段距电缆首端的距离等于1/2所述平均相速度与所述任一电缆故障段对应周期的比值。

更进一步地，所述S1之前还包括：基于所述待检测电缆的长度确定阻抗谱测量的频率范围，使得阻抗谱测量的带宽为满足约束条件下的最大值。

更进一步地，所述约束条件为：

其中，Δf为阻抗谱测量的带宽，N为阻抗谱测量的采样点总数，n为每个周期中的采样点数目，v

更进一步地，所述S1中获取待检测电缆的平均相速度包括：在所述频率范围内分别测量无故障电缆端部开路或短路时的阻抗谱，所述无故障电缆与所述待检测电缆的类型相同；根据所述无故障电缆的阻抗谱，计算所述待检测电缆在所述频率范围内的平均相速度。

更进一步地，所述平均相速度为：

v

γ＝α+iβ

其中，v

更进一步地，所述待检测电缆的阻抗谱由如下推导得到：

其中，Z

更进一步地，所述待检测电缆为多芯电缆，所述S1中测量所述待检测电缆的阻抗谱包括：基于所述多芯电缆中的两相芯线构成回路，连接所述回路的两端以测量所述回路的阻抗谱。

更进一步地，所述待检测电缆为单芯同轴电缆，所述S1中测量所述待检测电缆的阻抗谱包括：基于所述单芯同轴电缆中的电缆芯线和金属屏蔽层构成回路，连接所述回路的两端以测量所述回路的阻抗谱。

更进一步地，当所述周期的个数为1时，所述待检测电缆中不存在故障。

按照本发明的另一个方面，提供了一种基于阻抗谱周期特征的电缆故障定位系统，包括：获取及测量模块，用于获取待检测电缆的平均相速度，并测量所述待检测电缆的阻抗谱；计算模块，用于提取所述阻抗谱包含的等效分频，计算各所述等效分频对应的周期，最小周期对应电缆末端，其余每一周期对应一电缆故障段；故障定位模块，用于在所述周期的个数大于1时，判定所述待检测电缆中存在故障，并基于最小周期之外的各所述周期计算对应电缆故障段的位置，其中，任一电缆故障段距电缆首端的距离等于1/2所述平均相速度与所述任一电缆故障段对应周期的比值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)通过迭代方法计算局部故障段末端到电缆末端的阻抗、局部故障段首端到电缆末端的阻抗来得到故障电缆阻抗谱模型，分析发现阻抗谱计算模型中包含局部故障处的反射系数，反射系数中包含周期因子，周期因子的周期与局部故障段位置有关，基于此发现，将电缆上的故障位置与电缆阻抗谱的周期特征相关联，通过提取电缆阻抗谱的周期特征，生成电缆故障的定位曲线，且无干扰峰的影响，从而实现电缆故障的精准定位；此外，该定位方法无需施加高压，无需放电，测量电路简单，对电缆无损伤，还可预防电缆缺陷和停电事故，保障电气系统的安全稳定运行；

(2)根据待检测电缆的长度对阻抗谱测量的频率范围进行设置，使得阻抗谱测量的带宽为满足约束条件下的最大值，电缆测量的位置盲区与带宽成反比，带宽越大，电缆测量的位置盲区越小，从而进一步提高电缆局部故障定位的精度和准确度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于阻抗谱周期特征的电缆故障定位方法的流程图；

图2A为本发明实施例提供的多芯电缆阻抗谱测量回路的示意图；

图2B为本发明实施例提供的单芯同轴电缆阻抗谱测量回路的示意图；

图3A为本发明实施例提供的多芯故障电缆的模型示意图；

图3B为本发明实施例提供的单芯同轴故障电缆的模型示意图；

图4A为本发明实施例提供的实验电缆的阻抗幅值谱；

图4B为本发明实施例提供的实验电缆的阻抗相位谱；

图5为本发明实施例提供的电缆故障定位曲线；

图6为本发明实施例提供的基于阻抗谱周期特征的电缆故障定位系统的框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

图1为本发明实施例提供的基于阻抗谱周期特征的电缆故障定位方法的流程图。参阅图1，结合图2A-图5，对本实施例中基于阻抗谱周期特征的电缆故障定位方法(以下简称为电缆故障定位方法)进行详细说明。参阅图1，电缆故障定位方法包括操作S1-操作S3。

操作S1，获取待检测电缆的平均相速度，并测量待检测电缆的阻抗谱。

根据本发明实施例，在执行操作S1之前还包括：基于待检测电缆的长度确定阻抗谱测量的频率范围，使得阻抗谱测量的带宽为满足约束条件下的最大值。

通过大量的仿真和实验研究发现，对于本实施例中的电缆故障定位方法，如果要获得较好的电缆局部故障定位效果，每个周期中至少8个采样点才可以得到较为平滑的图形。实验过程中，每个周期中的采样点通常为16、32、64个。

阻抗谱的周期为T

其中，Δf为阻抗谱测量的带宽，Δf＝f

同时，需要一个完整的周期来定位故障位置。故障越靠近测量点，阻抗谱的周期越长。假设x

操作S1中，获取待检测电缆的平均相速度包括：在上述确定的频率范围内分别测量无故障电缆端部开路或短路时的阻抗谱，其中无故障电缆与待检测电缆的类型相同；根据无故障电缆的阻抗谱，计算待检测电缆在上述确定的频率范围内的平均相速度。该无故障电缆的长度为任意长度。

由传输线理论可知，无故障电缆(即健康电缆)末端的开路阻抗和短路阻抗为：

其中，Z

实际应用中，只需测试任意抑制长度的无故障电缆末端的开路阻抗Z

操作S2，提取阻抗谱包含的等效分频，计算各等效分频对应的周期，最小周期对应电缆末端，其余每一周期对应一电缆故障段。

采用精密阻抗分析仪测量电缆阻抗谱，在测量电缆阻抗谱时，利用一定长度的导线将电缆测量端与阻抗分析仪端口进行连接，控制电缆的另一端开路、短路或接负载。

具体地，当待检测电缆为多芯电缆时，基于多芯电缆中的两相芯线构成回路，连接两相电缆构成的回路的两端以测量电缆的阻抗谱，如图2A所示。当待检测电缆为单芯同轴电缆时，基于单芯同轴电缆中的电缆芯线和金属屏蔽层构成回路，连接电缆芯线和金属屏蔽层构成的回路的两端以测量电缆的阻抗谱，如图2B所示。

参阅图3A中示出的多芯故障电缆模型和图3B中示出的单芯同轴故障电缆模型，操作S2中提取阻抗谱周期特征的原理如下：基于传输线的链型等效电路原理以及基于迭代法的同轴电缆输入阻抗的计算思路，可推导出含局部缺陷的电缆输入阻抗计算公式。

分别计算故障段末端到电缆末端的阻抗Z

其中，Z

结合以上缺陷电缆输入阻抗计算模型可知，缺陷电缆阻抗计算模型中包含故障处的反射系数

周期因子

操作S2中，可以利用快速傅里叶变换提取阻抗谱包含的等效分频，并求出阻抗谱的频率的周期T

操作S3，当周期的个数大于1时，待检测电缆中存在故障，并基于最小周期之外的各周期计算对应电缆故障段的位置，其中，任一电缆故障段距电缆首端的距离等于1/2平均相速度与任一电缆故障段对应周期的比值。

基于阻抗谱周期T

首先根据阻抗谱中所含等效分频的个数判断待检测电缆中是否存在故障，若等效分频的数量为1，待检测电缆中不存在故障。若等效分频的数量大于1，待检测电缆中存在故障，且故障段的个数为比值的数量与1之差，其次计算每个分频对应的周期，其中最小周期与待检测电缆末端的位置对应，其余周期与故障段的位置一一对应。

为了验证本发明实施例中电缆故障定位方法的有效性，以型号为VLV-0.6/1kV 3*10的低压电缆为研究对象，对电缆上的绝缘破损缺陷进行定位实验。实验电缆全长20m，绝缘破损缺陷位于7.5m处，缺陷长度为0.1m。

选取实验阻抗谱测量频率区间为[6MHz，120MHz]，采样数目为1600个，采用等间隔采样，测量时控制电缆末端短路，测得电缆的阻抗幅值谱如图4A所示，测得电缆的阻抗相位谱如图4B所示。测量同型号健康电缆的末端开路短路阻抗谱，求得VLV-0.6/1kV3*10电缆在[6MHz,120MHz]的平均相速度为2.2×108m/s。通过对阻抗相位谱的处理，得到缺陷位置，如图5所示。从图5中可以看出，定位函数F(x)的最大值对应于7.62m的空间位置，实际缺陷截面的中心位置为7.50m，误差为0.12m。实验结果表明，该电缆故障定位方法可以有效地定位电缆故障位置，实现精准的、无损的电缆故障定位

图6为本发明实施例提出的基于阻抗谱周期特征的电缆故障定位系统的结构框图。参阅图6，该基于阻抗谱周期特征的电缆故障定位系统600包括获取及测量模块610、计算模块620及故障定位模块630。

获取及测量模块610例如执行操作S1，用于获取待检测电缆的平均相速度，并测量待检测电缆的阻抗谱。

计算模块620例如执行操作S2，用于提取阻抗谱包含的等效分频，计算各等效分频对应的周期，最小周期对应电缆末端，其余每一周期对应一电缆故障段。

故障定位模块630例如执行操作S3，用于当周期的个数大于1时，判定待检测电缆中存在故障，并基于最小周期之外的各周期计算对应电缆故障段的位置，其中，任一电缆故障段距电缆首端的距离等于1/2平均相速度与该任一电缆故障段对应周期的比值。

基于阻抗谱周期特征的电缆故障定位系统600用于执行上述图1-图5所示实施例中的基于阻抗谱周期特征的电缆故障定位方法。本实施例未尽之细节，请参阅前述图1-图5所示实施例中的基于阻抗谱周期特征的电缆故障定位方法，此处不再赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。