基于拓展峭度的电缆缺陷高分辨率定位方法_高春林.pdf

基于拓展峭度的电缆缺陷高分辨率定位方法高春林，刘国锋，胡意茹，张安安（西南石油大学，成都；中海油研究总院有限责任公司，北京）摘要：随着电缆与电网的高度耦合，电缆故障将辐射影响整个电网及用电设备的安稳运行。传统时域反射分析法往往只能检测并定位电缆已形成的不可逆故障，不能满足检测并提前预防故障的智能检测技术发展趋势及要求。频域反射分析法能够检测到微弱的缺陷，这些缺陷随着时间将演化为不可逆故障。但该方法仍然存在诸如定位图出现误判点，两端出现频闭带，以及定位精度低等缺点。为提高电缆故障检测定位能力，文章结合频域反射分析法与峭度特征量，提出了一种基于拓展峭度的提升缺陷定位能力的方法，可以显著降定位曲线的误判点并且在较宽扫频带宽时能够提升定位精度，最终实现高精度高分辨率的电缆缺陷定位。关键词：电缆故障；频域反射分析法；故障定位；峭度：中图分类号：文献标识码：文章编号：（）o，o，（，g 5，c ，g，）：o o o，oo o o o o o o oo，o o o o oo o o o o ，o o o o o，oo o o，o，oo，o o o o o o oo，o o o oo o o o o oo ，o o ，o ：，o o，oo，o基金项目：国家重点研发计划项目（）；中海油研究总院有限责任公司科研项目 引 言随着电网的复杂化以及愈加高度的关联性，电力电缆应用日益广泛，扮演着越发关键的角色。一旦电缆发生故障将影响电网及关联用电设备的安稳运行并可能导致严重经济损失。老化是导致电缆故障发生的重要原因，而在故障初期通常表现为微弱缺陷，为能尽早发现电缆隐患，检测并掌握缺陷位置至关重要。电缆故障定位技术目前主要可分为时域反射分析法（）和频域反射分析法（）。发展较早也最为成熟，其通过向待测电缆发射脉冲信号，测量脉冲信号遇到故障产生的反射信号到达发射端的时间实现电缆故障的定位。由于需要捕捉反射信号，当电缆故障较为微弱时较低的阻抗不匹配程度和信号传输过程中的衰减将导致反射信号不够明显从而难以实现故障准确定位，故 难以定位早期微弱的故障。第 卷 第 期电测与仪表 年 月 日 ，并且信号往返时间的测量误差也会在一定程度降低定位精确性。所以 难以满足现代检测手段准确预知、监测故障的发展趋势。频域反射分析法多是通过向待测电缆发射正弦扫频信号采集电缆输入阻抗谱检测、定位电缆故障。当电缆发生缺陷时会引起电缆输入阻抗谱发生改变，通过分析电缆输入阻抗谱即可确定缺陷位置。电缆输入阻抗谱技术最早于 世纪初提出并用于核电站电缆诊断，电缆阻抗频谱包含了大量电缆运行特性，文献通过 算法实现对电缆健康状况的诊断以及缺陷定位，但其定位曲线未制作缺陷的地方有“误判点”出现，易混淆对缺陷处的判断。近几年通过傅里叶变换分析电缆阻抗频谱也实现了电缆缺陷定位，文献使用快速傅里叶变换实现了对电缆缺陷的定位，在此基础上，文献探讨了不同辐射强度、温度对实验的影响，文献研究了电缆结构对实验的影响，文献研究了绝缘材质对实验的影响。但基于输入阻抗谱得到的定位曲线两端通常有高于缺陷处幅值的“屏蔽带”出现，将会影响对缺陷处的判断，并且也存在混淆缺陷位置判断的“误判点”。在数据处理时加窗函数的方法能够在一定程度提高缺陷处峰值的幅值，但是这仍然不足以完全回避易“误判点”对定位曲线的影响。并且考虑到缺陷幅值与故障的严重程度成正比，所以对于定位、评估更加微弱的缺陷，更高缺陷处幅值是至关重要的一环。文章通过分析电缆输入阻抗谱特性及其变化的根本原因，提出一种基于拓展峭度与传输系数谱结合的高分辨率高精度缺陷定位方法，即定位曲线中故障处与非故障处有直观、明显的区别，甚至能通过肉眼观测，且定位曲线中故障位置与实际故障位置相差很小，其体现为更小的定位误差。通过对定位曲线提取峭度特征量，从峭度的角度对定位曲线进行定量分析，再将峭度特征曲线延展为拓展峭度以适配原有数据的数量，最后与原始定位曲线相乘，最终实现高精度、高分辨率缺陷定位，成功降低易误判点的干扰，与现有频域反射分析法的定位曲线相比几乎不存在误判点（误判点与缺陷处幅值最高相差 个数量级），并且在扫频信号带宽较宽的情况下能一定程度提高定位精度，拓展了频域反射分析法实现精准定位的适用范围。传输线理论在高频下，一般是电长度 大于 时，传输线通常作为分布参数电路来考虑，其等效图如图。i(x)i(x)+diR0dx L0dx C0dxG0dxv(x)v(x)+dv+-dxd图 分布参数电路 图 中、分别代表在分布参数情况下传输线的单位电阻、单位电感、单位电容、单位电导。在扫频下，可近似为文献。cc（）ccc（）单位电容 与单位电导 不直接受频率影响，主要与电缆本身特性相关，可按照静电场方式进行计算：o（c）（）o（c）（）式中 为信号发生器角频率；为真空磁导率（铜导体磁导率与真空磁导率相同）；、为电缆线芯及屏蔽层电导率；为电介质介电常数；为电介质电导率；c、分别为电缆线芯与屏蔽层内半径。在分布参数情况下，通过求解波动方程可得到输入阻抗、传输系数 如下：（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中 为电缆长度；为传输系数；为衰减系数；为相位系数。输入信号为扫频信号时，传输系数、输第 卷 第 期电测与仪表 年 月 日 ，入阻抗具有频率依附性，均会随着频率变化而变化。基于传输系数谱电缆缺陷定位方法 传输系数谱定位原理输入阻抗谱能够在一定程度上反应电缆状态变化，电缆发生缺陷时输入阻抗谱将会改变，如图 所示。0.511.522.533.54Ferquency(MHz)10850100150200Amplitude()缺陷完好3.63.653.7406080100108图 输入阻抗谱 图中无标记曲线为缺陷电缆输入阻抗谱，带“”号标记曲线为发生老化后的电缆输入阻抗谱，对比可看出，老化后输入阻抗谱发生了变化。而通过式（）可知，主要影响输入阻抗谱性质的是因子，进一步分析，其性质反应在传输系数 中。传输系数与加载在电缆上的电压无关，仅与电缆的几何尺寸、结构、材质以及信号频率有关。所以这使得利用测量传输系数进行电缆故障检测和定位成为了可能。综上可知，输入阻抗反映电缆状态的实质是由于传输系数对电缆自身特性的表征。在高频下传输系数谱将直接表征电缆状态，故直接分析电缆传输系数将对电缆运行状况有更直观的掌握。基于 参数的采集方法文献通过对反射系数谱的测量实现了对因子的提取，并实现电缆故障定位。通常情况下电缆传输系数难以测量，但将传输线视为一个二端口网络，利用 参数可以实现对传输系数的精准采集。参数即散射参数，是建立在入射波、反射波关系下的一种网络参数，适用于分布参数电路，可描述电阻在高频信号激励下的射频特性。由“三点式测量”方法可以求得电缆的传输系数与 参数的关系：（）图 为健康电缆与老化缺陷电缆的传输系数谱对比图，从图 中可看出，在完好状态和老化缺陷下的电缆传输系数谱出现了明显的差异。这种递增的差异性表明传输系数谱可以敏锐察觉电缆状态的变化。0123456Frequency(Hz)0.0060.0080.010.0120.0140.0160.0180.020.0220.024Propagationcoeffient健康电缆缺陷电缆108图 传输系数谱 oo o 数据处理方法由于传输系数谱对于电缆自身特性改变非常敏感，通过一定数据处理方法将电缆传输系数谱从“频率关系”转换为“空间关系”可以对电缆缺陷进行有效识别及定位。常见的转换函数是傅里叶变换或傅里叶逆变换，在数字信号处理中一般选择离散傅里叶变换（）或离散傅里叶逆变换（）。可将一个信号从时域变换为频域，而 可将信号从频域转变为时域。因此 或 可将包含电缆缺陷信息的传输系数谱转换“距离谱”。图 为基于拓展峭度与输入阻抗谱结合的电缆缺陷定位方法流程图。定位曲线峭度曲线拓展峭度高精度高分辨率定位IDFT传输系数谱矢量网络分析仪提取峭度待测电缆扫频信号图 基于传输系数谱定位方法流程图 o o oo o ooo o 实验结果与分析利用矢量网络分析仪，采用双端口测量方式通过 的直通件校准可测得 参数进而获得电缆传第 卷 第 期电测与仪表 年 月 日 ，输系数谱。为了验证文章所提出方法，在 电缆上进行试验，通过隔离水浴法以 、的恒温恒时方式在 处模拟电缆局部老化缺陷，缺陷长 。为探究带宽对最终定位结果的影响，对起始频率为 ，带宽分别为 、的传输系数谱进行实验。通过 将传输系数谱从“频域”转换到“空间域”，得到电缆老化缺陷定位曲线如图（），同时我们将图（）按频率沿 轴展开，得到图（）。050010001500Distance(cm)00.10.20.30.40.50.60.70.80.9300 MHz500 MHz800 MHz1 GHz1100115000.20.40.60.8易误判点(a)100080000Frequency(MHz)600500Distance(cm)400100020015000.5Normalised AmplitudeNormalised Amplitude1300 MHz500 MHz800 MHz1 GHz(b)图 电缆老化缺陷定位曲线 oo o 图 （）中分别是带宽 、时的定位曲线，四种带宽下的“畸变峰值点”均位于 处附近，且均未出现“屏蔽带”。对比不同带宽下缺陷位置可发现，带宽时的缺陷定位曲线“畸变峰值点”位于 处，定位误差通过式 约为，同时可观察到此时曲线“毛刺”较少，带宽缺陷定位图“畸变峰值点”位于 处，定位误差约为 ，当带宽达到 时，“畸变峰值点”位于 附近，其定位误差约 ，达到 带宽时，“畸变峰值点”位于 附近，与实际故障点位置已有较为明显的偏差，定位误差高达 。c （）式中 为定位误差；c为定位图谱中缺陷处位置；为实际制作缺陷位置；为电缆长度。频率对测试及定位的影响为说明定位曲线中缺陷处幅值“畸变”程度，对得到的定位曲线进行峭度分析。将长为 的定位曲线（，）均分为 等分的小窗，每个小窗长，任一段曲线（，）峭度数学表达式为：（，）（，）（）（）式中 为峭度值；为曲线均值；为曲线方差。峭度能够给描述曲线中的“冲激成分”，可应用于电缆局放信号的识别。零峭度定义为峭度 时的分布曲线，当其分散程度减小，峭度值将增加，即曲线分布越“陡峭”其峭度值越大。基于此，通过峭度曲线（，）的幅值大小分析定位曲线的分辨率以及“易误判点”的数量和幅值并确定上限频率阈值。提取峭度特征的图形如图 所示，从图中可知，随着带宽从 上升到 ，“畸变峰值点”处的峭度值随之增加，即定位曲线分辨率提高。但当到带宽达到 时，“畸变峰值点”的峭度值降低至 左右，将不利于我们对缺陷点的准确判断。对比四种带宽下的“易误判点”可看出，随着带宽增加，“易误判点”的幅值以及数量都呈现上升趋势，当带宽到达 时，“易误判点”的幅值与“畸变峰值点”的幅值已相当接近达到了同一数量级内，将会影响我们对缺陷点的判断，故有必要设定测试信号上限频率阈值进行限制。为比较带宽对定位结果的影响，我们将定位曲线信息以及峭度图以表格形式汇总，如表。通过表 和定位曲线图（）可知，随着带宽从 增加至，缺陷定位结果的精度随之提高，定位误差从 下降到 ，而当带宽继续增加，由于接头处的影响以及噪声的影响导致定位误差开始上升。同时结合表 与图（）可看出，当带宽从 增加至 缺陷处峭度值随着带宽增加而增加（增加至），但将更容易出现“易误判点”体现为非缺陷处的尖峰值增加。当然这些“易误判点”不会直接影响定位精度，但其幅值较高时易混淆对缺陷位置的准确判断。第 卷 第 期电测与仪表 年 月 日 ，05101520253035404550number012345amplitude300 MHz(a)05101520253035404550number024amplitude104500 MHz(b)05101520253035404550number024amplitude800 MHz(c)05101520253035404550number024amplitude1 GHz(d)104104104图 定位曲线峭度对比图