一種電纜故障檢測分析方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電纜故障檢測分析方法。該方法以電纜的阻抗頻譜和相位頻譜為基礎，通過一套分段截取的方法計算阻抗頻譜衰減趨勢曲線上的分段特性阻抗，據(jù)此建立等效阻抗的方程式，計算出電纜傳輸阻抗中的R、L、G、C參數(shù)，獲得基于RLGC參數(shù)的傳輸阻抗模型，然后通過計算傳輸阻抗模型與測試的阻抗頻譜和相位頻譜的差異比較，獲得電纜距離長度作為變量的誤差距離圖譜，最后分析誤差距離圖譜上的局部零值點，實現(xiàn)故障檢測和故障類型識別。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明基于低計算難度、高計算精度的信號相對傳輸速率計算方法，能夠實現(xiàn)故障的精確定位和多點定位，且能夠進行故障類型識別。
【專利說明】一種電纜故障檢測分析方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電纜故障檢測分析方法，特別是涉及一種基于低計算難度、高計 算精度的信號相對傳輸速率計算方法進行電纜故障檢測分析的方法。

【背景技術】
[0002] 電纜在電能輸送、通信、航空、傳播、供配電等領域均有廣泛應用，隨著對電纜故障 的統(tǒng)計與認識不斷加深，針對電纜的檢測技術也不斷提高。電纜的常見故障有護套破裂、屏 蔽層破裂、進水、導體裸露、扭傷等，這些故障均發(fā)生在導體與護套接地線之間、或導體與屏 蔽層之間、或多芯導體與導體之間。
[0003] 基于耐壓分析的方法是電纜絕緣檢測的常見手段，但隨著電壓等級的提高，耐壓 分析方法僅停留在判斷電纜好壞的程度，難以實現(xiàn)老化評估和故障性質的分析。另外進行 故障判斷的常用方法是TDR時域反射法，該方法操作和分析簡單，但因易受傳輸距離影響， 導致其分析多點故障的局限性非常明顯。
[0004] 申請人:于2014年7月31日提交了名為"一種電纜故障檢測及老化分析方法"的發(fā) 明專利申請（申請?zhí)?014103732285)，該申請采用基于電纜阻抗頻譜和相位頻譜的分析方 法進行故障及老化識別，由于測試電纜阻抗頻譜和相位頻譜完全可以通過低壓信號實現(xiàn)， 因此該申請?zhí)岢隽艘环N基于非破壞性試驗和評估的計算方法。該申請中涉及的傳輸速率計 算方法是統(tǒng)計整個阻抗頻譜曲線衰減到最小值時的帶寬進行計算，而有些時候，隨著測試 頻率的升高，電纜阻抗頻譜基本接近水平線，阻抗值沿頻率變化差異很小，且該很小的數(shù)值 跨越的頻段較大，容易導致截取頻率帶寬的誤差很大，從而使得計算傳輸速率的數(shù)值出錯。


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于低計算難度、高計算精度 的信號相對傳輸速率計算方法進行電纜故障檢測分析的電纜故障檢測分析方法，不僅能夠 實現(xiàn)故障的精確定位和多點定位，而且能夠進行故障類型識別。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：
[0007] 本發(fā)明提出了一種電纜故障檢測分析方法，以電纜的阻抗頻譜及相位頻譜為基 礎，進行故障檢測分析。本發(fā)明的分析方法分為兩大內容：一是基于電纜傳輸阻抗模型；通 過一套分段截取的方法計算阻抗頻譜衰減趨勢曲線上的分段特性阻抗，據(jù)此建立等效阻抗 的方程式，計算出電纜傳輸阻抗中的R、L、G、C參數(shù)，獲得基于RLGC參數(shù)的傳輸阻抗模型； 然后通過計算傳輸阻抗模型與測試的阻抗頻譜和相位頻譜的差異比較，獲得電纜距離長度 作為變量（最大值不超過電纜實際總長度）的誤差距離圖譜，然后分析誤差距離圖譜上的 局部零值點。二是基于阻抗頻譜和相位頻譜的直接運算；這里分為兩個方法，一個是基于單 一阻抗頻譜的分析方法，另一個是基于阻抗頻譜、相位頻譜、及阻抗頻譜和相位頻譜聯(lián)合的 分析方法。
[0008] 所述電纜故障檢測分析方法基于電纜傳輸阻抗模型進行，其具體包括以下步驟：
[0009] ( -）向被試電纜施加掃頻信號，然后采集對應每個掃頻頻率輸入信號的電壓時 域信號和流經(jīng)電纜絕緣層形成回路的電流時域信號，并計算電纜的頻域阻抗和相位，繪制 連續(xù)的阻抗頻率曲線Z(f)和相位頻率曲線Φ(f)。
[0010] (二）在步驟（一）繪制的阻抗頻率曲線z(f)上，找到任意兩個相鄰的阻抗峰值 點對應的頻率fn、f22，計算頻率差Δf=Ifn-f221，然后將頻率差Λf代入公式1= (1+ε) DX2XAfAtl，計算得到信號相對傳輸速率式中，D為電纜總長度、單位m、根據(jù)電纜實際 情況確定，ε為頻率測量和計算的總誤差、取值為0-1%，頻率差Af單位為Hz，％為光速、 取值為 300X106m/s。
[0011] 或，在步驟（一）繪制的相位頻率曲線Φ(f)上，找到任意兩個相鄰的相位零值點 對應的頻率fn、f22，計算頻率差Δf=Ifn-f221，然后將頻率差Λf代入公式(1+ε) DX2XAfAtl，計算得到信號相對傳輸速率式中，D為電纜總長度、單位m、根據(jù)電纜實際 情況確定，ε為頻率測量和計算的總誤差、取值為0-1%，頻率差Af單位為Hz，％為光速、 取值為 300X106m/s。
[0012] 或，在步驟（一）繪制的阻抗頻率曲線Z(f)上，找到任意兩個相鄰的阻抗峰值 點對應的頻率fn、f22，計算頻率差Δ?· = |fn-f22| ;在步驟（一）繪制的相位頻率曲線 φ(：0上，找到任意兩個相鄰的相位零值點對應的頻率f'n、：?' 22，計算頻率差= fn-f\2|;然后將兩個頻率差Δ?·分別代入公式V' ^ (I+S)DXZXAfyvtl，計算得 到兩個相對傳輸速率tP式中，D為電纜總長度、單位m、根據(jù)電纜實際情況確定，ε為頻 率測量和計算的總誤差、取值為0-1 %，頻率差Δf單位為Hz，Vtl為光速、取值為300X10 6m/ s;將兩個相對傳輸速率V^求平均值，得到信號相對傳輸速率Vp
[0013] (三）采用數(shù)據(jù)擬合方法，針對步驟（一）繪制的阻抗頻率曲線Z(f)擬合衰減趨 勢曲線，然后對衰減趨勢曲線進行三個頻率段的劃分，并進行分段計算：
[0014] 第一頻段，頻率小于等于阻抗衰減量為70%時的頻率，計算得到第一頻段的所有 阻抗的平均值并記作電纜第一頻段特性阻抗Z1，在衰減趨勢曲線上找到Z1對應的頻率值 ，同時描沭電纜第一頻段特件陽抗Z,
[0015]

【權利要求】
1. 一種電纜故障檢測分析方法，其特征在于：包括以下步驟： (一） 向被試電纜施加掃頻信號，然后采集對應每個掃頻頻率輸入信號的電壓時域信 號和流經(jīng)電纜絕緣層形成回路的電流時域信號，并計算電纜的頻域阻抗和相位，繪制連續(xù) 的阻抗頻率曲線Z(f)和相位頻率曲線〇 (f); (二） 在步驟（一）繪制的阻抗頻率曲線Z(f)上，找到任意兩個相鄰的阻抗峰值點 對應的頻率fn、f22，計算頻率差Af=Ifn-f221，然后將頻率差Af代入公式(1+e) DX2XAf/X，計算得到信號相對傳輸速率L式中，D為電纜總長度、單位m、根據(jù)電纜實際 情況確定，e為頻率測量和計算的總誤差、取值為0-1 %，頻率差Af單位為Hz，％為光速、 取值為 300X106m/s; 或，在步驟（一）繪制的相位頻率曲線〇 (f)上，找到任意兩個相鄰的相位零值點對 應的頻率fn、f22，計算頻率差Af= |fn-f22|，然后將頻率差Af?代入公式(1+e) DX2XAf/X，計算得到信號相對傳輸速率L式中，D為電纜總長度、單位m、根據(jù)電纜實際 情況確定，e為頻率測量和計算的總誤差、取值為0-1 %，頻率差Af單位為Hz，％為光速、 取值為 300X106m/s; 或，在步驟（一）繪制的阻抗頻率曲線Z(f)上，找到任意兩個相鄰的阻抗峰值點對應 的頻率fn、f22，計算頻率差Af= |fn-f22| ;在步驟（一）繪制的相位頻率曲線O(f)上，找 到任意兩個相鄰的相位零值點對應的頻率f'n、f'm，計算頻率差Af=|f'ii_f' ^1; 然后將兩個頻率差Af分別代入公式V' (1+e)DX2XAf/八，計算得到兩個相對傳輸 速率V'p式中，D為電纜總長度、單位m、根據(jù)電纜實際情況確定，e為頻率測量和計算的 總誤差、取值為0-1%，頻率差Af單位為Hz，V。為光速、取值為300X10 6m/s;將兩個相對 傳輸速率V' ^求平均值，得到信號相對傳輸速率V^ (三） 采用數(shù)據(jù)擬合方法，針對步驟（一）繪制的阻抗頻率曲線Z(f)擬合衰減趨勢曲 線，然后對衰減趨勢曲線進行三個頻率段的劃分，并進行分段計算： 第一頻段，頻率小于等于阻抗衰減量為70%時的頻率，計算得到第一頻段的所有阻抗 的平均值并記作電纜第一頻段特性阻抗Zi，在衰減趨勢曲線上找到Zi對應的頻率值fi，同 時描述電纜第一頻段特性阻抗Zi
第二頻段，頻率大于等于阻抗衰減量為90%時的頻率，計算得到第二頻段的所有阻抗 的平均值并記作電纜第二頻段特性阻抗Z2，同時描述電纜第二頻段特性阻抗Z2
第三頻段，頻率大于阻抗衰減量為70%時的頻率、同時小于阻抗衰減量為90%時的頻 率，計算得到第三頻段的所有阻抗的平均值并記作電纜第三頻段特性阻抗Z3，在衰減趨勢 曲線上找到Z3對應的頻率值f3，同時描述電纜第三頻段特性阻抗Z3
同時，將步驟（二）中獲得的信號相對傳輸速率t描述為
上述公式1-4中，Zi為電纜第一頻段特性阻抗、單位D，Z2為電纜第二頻段特性阻抗、 單位D，Z3為電纜第三頻段特性阻抗、單位Q，f:為Zi對應的頻率值、單位Hz，f3為Z3對 應的頻率值、單位Hz，R為等效電阻、單位Q/m，L為等效電感、單位H/m，C為等效電容、單 位F/m，G為等效電導、單位S/m，PI取值3. 1415,t為信號相對傳輸速率、由步驟（二）確 定，％為光速、取值300\106111/8 ; 根據(jù)公式2和公式4計算出等效電感L和等效電容C值，然后將等效電感L和等效電 容C值代入公式1計算出等效電阻R值，接著再將等效電感L、等效電容C和等效電阻R值 代入公式3計算出等效電導G值； (四） 根據(jù)步驟（三）中確定的等效電阻R、等效電感L、等效電容C和等效電導G值， 建立電纜傳輸阻抗模型Z(f，d)
頻段特性阻抗，單位D，由步驟（三）確定；A為電纜負載阻抗值，單位D，根據(jù)檢測現(xiàn)場情 況確定；y為復數(shù)形式的阻抗向量；PI取值3. 1415 ;f為頻率，單位Hz;d為電纜長度，單位 m，取值小于等于電纜總長度D; (五） 將步驟（一）中獲得的阻抗頻率曲線Z(f)和相位頻率曲線?(f)相加，得到 Z' (f) =Z(f)XCos (0 (f)) +jXZ(f)XSin (0 (f))，然后計算步驟（四）中獲得的電纜傳 輸阻抗模型Z(f，d)與Z' (f)的絕對誤差E=Z(f，d)-Z' (f)，得到誤差距離圖譜；如果 誤差距離圖譜上的所有絕對誤差值均大于零或均小于零，則被試電纜無故障，檢測結束；否 貝1J，誤差距離圖譜上的零值對應的電纜長度d'就是故障點，然后繼續(xù)步驟（六）進行故障 類型識別； (六） 將步驟（五）中獲得的故障點對應的電纜長度d'代入公式f' =VrXVQ/2d'， 計算得到故障點對應的特征諧振頻率f'、單位Hz，式中，t為信號相對傳輸速率、由步驟 (二）確定，％為光速、取值300X10 6m/s;然后將故障點對應的電纜長度d'和特征諧振頻 率f'分別代入步驟（四）獲得的電纜傳輸阻抗模型Z(f，d)，計算得到復數(shù)阻抗，并計算復 數(shù)阻抗的相位；如果相位為零，則該故障點為純阻性故障，如果相位大于零，則該故障點為 高阻性故障，如果相位小于零，則該故障點為低阻性故障。
2. -種電纜故障檢測分析方法，其特征在于：包括以下步驟： (一） 向被試電纜施加掃頻信號，然后采集對應每個掃頻頻率輸入信號的電壓時域信 號和流經(jīng)電纜絕緣層形成回路的電流時域信號，并計算電纜的頻域阻抗和相位，繪制連續(xù) 的阻抗頻率曲線和相位頻率曲線； (二） 在步驟（一）繪制的阻抗頻率曲線上，找到任意兩個相鄰的阻抗峰值點對應的頻 率fn、f22，計算頻率差Af= |fn-f22|，然后將頻率差Af?代入公式(l+e)DX2XAf/ %，計算得到信號相對傳輸速率Vy式中，D為電纜總長度、單位m、根據(jù)電纜實際情況確定，e為頻率測量和計算的總誤差、取值為0-1%，頻率差Af單位為Hz，％為光速、取值為 300X106m/s； 或，在步驟（一）繪制的相位頻率曲線上，找到任意兩個相鄰的相位零值點對應的頻率fn、f22，計算頻率差Af= |fn-f22|，然后將頻率差Af?代入公式(l+e)DX2XAf/ %，計算得到信號相對傳輸速率I，式中，D為電纜總長度、單位m、根據(jù)電纜實際情況確定， e為頻率測量和計算的總誤差、取值為0-1%，頻率差Af單位為Hz，％為光速、取值為 300X106m/s； 或，在步驟（一）繪制的阻抗頻率曲線上，找到任意兩個相鄰的阻抗峰值點對應的頻率fn、f^，計算頻率差=Ifn-fzl;在步驟（一）繪制的相位頻率曲線上，找到任意兩個相 鄰的相位零值點對應的頻率f'n、f' 22，計算頻率差Af=|f'n-f' 22|;然后將兩個頻 率差八€分別代入公式￥/^=(1+￡)0\2\八^ (|，計算得到兩個相對傳輸速率￥/^，式 中，D為電纜總長度、單位m、根據(jù)電纜實際情況確定，e為頻率測量和計算的總誤差、取值 為0-1 %，頻率差Af單位為為光速、取值為300X10 6m/s;將兩個相對傳輸速率V', 求平均值，得到信號相對傳輸速率I; (三） 對步驟（一）繪制的阻抗頻率曲線和相位頻率曲線分別進行開窗濾波，然后進行 傅里葉逆變換或小波逆變換，得到阻抗頻率曲線對應的阻抗時域圖譜Z(t)和相位頻率曲 線對應的相位時域圖譜P(t)，并計算得到阻抗時域圖譜Z(t)和相位時域圖譜P(t)的算術 和卩2(〇=2(〇+?(〇;然后分別對2(〇、？(〇、？2(〇的時間軸利用公式父=^7 (^"2 進行距離量化，式中，X為距離、單位m，t為信號相對傳輸速率、由步驟（二）確定，V^為光 速、取值300X106m/s，t為時間、單位s，最終得到三種增益-距離圖譜Z(X)、P(X)、PZ⑴； (四） 采用數(shù)據(jù)擬合方法，針對步驟（三）中獲得的增益-距離圖譜Z(X)進行擬合， 得到Z(X)的衰減趨勢直線Y=k(X-心) +DC，式中，k為斜率，\為衰減趨勢直線與橫坐標X 的交叉點的橫坐標數(shù)值，DC為補償量、取值為-100-100 ; (五） 根據(jù)步驟（四）獲得的衰減趨勢直線，對步驟（三）獲得的三種增 益-距離圖譜Z(X)、P(X)、PZ⑴分別進行補償，得到補償后的三種增益-距離圖譜 Zr (X) =Z(X)X(l-k(X-Xo)-DC),Pr (X) =P(X)X(l-k(X-Xo)-DC),PZr (X)= PZ⑴X(l-k(X-XQ)-DC);在f(X)、(X)、PZ< (X)中分別尋找局部最大值點；如果 Z' (X)、P' (X)、PZ' (X)中找到的局部最大值點近乎重合、且大于零，則為故障點，故障點 對應的X值即為故障位置；否則，被試電纜無故障； 所述近乎重合為增益縱坐標上的重合誤差小于等于5 %XMaxdB，距離橫坐標上的重 合誤差小于等于〇.5%XD;其中，MaxdB為t(X)、P< (X)、PZ< (X)中的最高增益點值， D為電纜總長度、根據(jù)電纜實際情況確定。
3. -種電纜故障檢測分析方法，其特征在于：包括以下步驟： (一） 向被試電纜施加掃頻信號，然后采集對應每個掃頻頻率輸入信號的電壓時域信 號和流經(jīng)電纜絕緣層形成回路的電流時域信號，并計算電纜的頻域阻抗，繪制連續(xù)的阻抗 頻率曲線； (二） 在步驟（一）繪制的阻抗頻率曲線上，找到任意兩個相鄰的阻抗峰值點對應的頻 率fn、f22，計算頻率差Af= |fn-f22|，然后將頻率差Af?代入公式(l+e)DX2XAf/ %，計算得到信號相對傳輸速率Vy式中，D為電纜總長度、單位m、根據(jù)電纜實際情況確定，e為頻率測量和計算的總誤差、取值為0-1%，頻率差Af單位為Hz，％為光速、取值為 300X106m/s； (三） 對步驟（一）繪制的阻抗頻率曲線進行開窗濾波，然后進行傅里葉逆變換或小 波逆變換，得到阻抗頻率曲線對應的阻抗時域圖譜Z(t);對Z(t)的時間軸利用公式X= tXV^Xt/2進行距離量化，式中，X為距離、單位m，t為信號相對傳輸速率、由步驟（二） 確定，％為光速、取值300X10 6m/s，t為時間、單位s，最終得到增益-距離圖譜Z(X); (四） 采用數(shù)據(jù)擬合方法，針對步驟（三）中獲得的增益-距離圖譜Z(X)進行擬合， 得到Z(X)的衰減趨勢直線Y=k(X-心) +DC，式中，k為斜率，\為衰減趨勢直線與橫坐標X 的交叉點的橫坐標數(shù)值，DC為補償量、取值為-100-100 ; (五） 根據(jù)步驟（四）獲得的衰減趨勢直線，對步驟（三）獲得的增益-距離圖譜Z(X) 進行補償，得到補償后的增益-距離圖譜Z' (X)=Z(X)X(l-k(X-XQ)-DC);在Z' (X)中 尋找局部最大值點；如果Z' (X)中找到的局部最大值點大于零，則為故障點，故障點對應 的X值即為故障位置；否則，被試電纜無故障。
4. 根據(jù)權利要求2或3所述的電纜故障檢測分析方法，其特征在于：所述開窗濾波為 高斯窗、或Hanning窗、或Hamming窗、或blackman窗、或flattop窗、或black-harries 窗、或kaiser窗。
5. 根據(jù)權利要求2或3所述的電纜故障檢測分析方法，其特征在于：所述增益-距離 圖譜中的增益是對傅立葉逆變換或小波逆變換后的直接數(shù)據(jù)取的對數(shù)值。
【文檔編號】G01R31/08GK104483598SQ201410799968
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月19日 優(yōu)先權日:2014年12月19日
【發(fā)明者】張建, 張方榮, 尹娟, 高興瓊, 王蘇 申請人:成都高斯電子技術有限公司