CN117491801B - 交叉互联电缆缺陷检测系统、模型及缺陷定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于多相交叉互联电缆系统缺陷检测技术领域，具体涉及一种交叉互联电缆缺陷检测系统、模型及缺陷定位方法，一种交叉互联电缆缺陷检测系统，包括测试系统，所述测试系统包括三相高频高压协同激励单元、三相高频IV同步转换单元、高频信号采集单元和上位机终端输出单元，所述三相高频高压协同激励单元的输出端分别与被测CB电缆的三相首端金属线芯连接，所述三相高频IV同步转换单元的输入端与三相交叉互联电缆的各相首端外铜屏蔽层连接。本发明可同步有效识别三相交叉互联电缆的缺陷所在相段及类型，同时利用所设计的CB电缆传输线解耦模型和三相同步正交定位函数可对缺陷位置及交叉互联位置进行精准定位。
Description
技术领域
本发明属于多相交叉互联电缆系统缺陷检测技术领域，具体涉及一种交叉互联电缆缺陷检测系统、模型及缺陷定位方法。
背景技术
为了实现长距离及大容量的电能传输与分配需求，高绝缘等级的单芯电力电缆被广泛使用于工业及电力系统中，随着传输线路长度的增加，金属护套中也会随之产生高值感应电压，极易损坏电缆的本体主绝缘，通过采用三相交叉互联结构，可有效减小护套环流进而降低其内部感应电压，然而，护套相间的交叉互联导致三相电缆护套中的信号相互耦合，传播路径十分复杂，由此对三相交叉互联传输线系统的诊断与定位问题造成了极大的挑战与困难。
目前，电缆故障定位方法主要包括局部放电测试和反射法；然而，上述方法并不适用于三相交叉互联电缆系统的诊断定位；
首先，局部放电脉冲信号沿电缆传播时具有高频衰减特性，在长距离电缆线路中信号衰减异常严重，其检测灵敏度易受到现场复杂电磁环境影响，此外，缺陷相的局部放电信号会流入另外两相的电缆护套中，使得信号的检测及分析十分困难，难以确定放电源的位置及相序，反射法主要分为时域反射法(TDR)和频域反射法(FDR)，TDR由于注入脉冲高频分量较少且受色散影响，难以识别电缆本体的局部缺陷，FDR本质上是针对信号的暂态传输过程进行分析，需要对反射信号与参考信号的相似性进行比较，参考波受测试频率影响较大且难以检测，在长距离传输线路中的定位精度有待提高，更为重要的是，每经过一次交叉换位点，反射信号便会再次分相耦合传输，既加快了信号的衰减速率，又造成了某一相的故障反射信号混叠到其余两相，由于激励电压过低且信号互相耦合难以区分，该方法极易形成故障点误判。
近年来，宽频阻抗谱(BIS)技术由于其测试方法简单，现场抗干扰能力强，广泛应用于电缆的诊断定位研究中，BIS无法应用于三相交叉互联电缆的诊断应用的主要原因有以下两点：首先，三相交叉互联电缆由于金属护套在交叉互联箱中多次换位，从而造成BIS测试回路的几何不连续性。其次，某一相存在缺陷时，若仍利用现有阻抗分析仪测试会导致所测阻抗谱信息存在缺失，无法完整识别缺陷段所属相序及位置。传统单芯传输模型及定位方法不再适用，此外，现有阻抗分析仪输出电压过低(1V)，且只能针对实验室条件下短距离单芯电缆进行阻抗谱测试，无法适用于长距离三相交叉互联电缆系统。
综上，现有技术中的电缆缺陷定位技术无法有效的对三相交叉互联电缆的缺陷位置及交叉互联位置进行精准定位，因此，急需新的检测系统及缺陷故障模式识别技术，以实现CB电缆线路中的缺陷及故障的检测及模式识别方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种交叉互联电缆缺陷检测系统、模型及缺陷定位方法，可同步有效识别三相交叉互联电缆的缺陷所在相段及类型，同时利用所设计的CB电缆传输线解耦模型和三相同步正交定位函数可对缺陷位置及交叉互联位置进行精准定位。
本发明采取的技术方案具体如下：
一种交叉互联电缆缺陷检测系统，包括测试系统，所述测试系统包括三相高频高压协同激励单元、三相高频IV同步转换单元、高频信号采集单元和上位机终端输出单元，所述三相高频高压协同激励单元的输出端分别与被测CB电缆的三相首端金属线芯连接，所述三相高频IV同步转换单元的输入端与三相交叉互联电缆的各相首端外铜屏蔽层连接，所述高频信号采集单元的输入端与三相高频IV同步转换单元的输出端连接，所述高频信号采集单元的输出端与上位机终端连接。
进一步地，所述三相高频高压协同激单元由多通道可编程式高频信号发生器、光电隔离驱动单元和三相高频高压放大器组成。
进一步地，所述光电隔离驱动单元通过驱动分布式反馈激光器将高频电信号转换为激光信号，利用集成波导光功率分配器实现同步高速光纤隔离驱动，将激光信号等比例分别为n路激光。
进一步地，所述三相高频高压协同激励单元采用级联型差分缓冲放大拓扑结构提高输出电压。
进一步地，所述三相高频IV同步转换单元通过同步精准采集流经各相电缆首端外铜屏蔽层处的高频绝缘微电流，并将其无相移的变换为响应输出电压。
进一步地，所述高频信号采集单元同步实时采集100kHz～100MHz频段内的三相差频激励及三相响应输出电压离散数据，再利用阻抗谱分频解耦算法，获得100kHz～100MHz内交叉互联电缆解耦后的各相完整频段内的首端阻抗谱。
一种交叉互联电缆缺陷定位方法，包括以下步骤：
S1：获取时域下交叉互联电缆各相首端测试数据
通过检测系统生成三相差频高压正弦激励信号，即A相正弦基频为f-Δf，B相正弦基频为f,C相正弦基频为f+Δf，其中Δf为步进扫频频率，将三相差频正弦激励信号各自同步注入到交叉互联电缆的A、B、C三相首端，并同步采集被测交叉互联电缆首端时域下的三相差频正弦激励及三相响应输出电压信号；.
S2：确定被测交叉互联电缆完整频段的输入阻抗谱ZA,B,C(f)
利用时频域转换t-f及阻抗谱分频解耦技术，对被测电缆的时域下100kHz～100MHz频段内的三相差频激励电压及响应输出电压信号进行处理，通过各对相基频分量提取分析，得到解耦后的三相电缆首端阻抗谱ZA(f)、ZB(f)、ZC(f)；
S3：建立电缆缺陷及诊断判定模型
D(f1)＝Zd(f1)-Zh(f1)；
式中，Zd(f1)为输入阻抗谱中第一个谐振频率点处的峰值，Zh(f)为完好电缆的输入阻抗谱中第一个谐振频率点处的峰值；
若三相电缆的D(f1))均恒为0，则不需要对被测CB电缆进行缺陷诊断及定位，否则进入步骤S4；
S4：对电缆缺陷类型进行诊断定位及识别
当D(f1)为正数时，为C-缺陷；当D(f1)为负数时，为C+缺陷，随后利用三相同步频域-空间域变换诊断定位方法实现三相电缆的同步诊断定位。
进一步地，所述S4中三相同步频域-空间域变换诊断定位方法为融合三相分频解耦思想和电容分布参数，基于阻抗谱的正交性构造定位核函数，核函数K(f,x)表达式如下：
利用核函数K(f,x)与解耦阻抗谱的广义正交性，可实现阻抗不连续点处的积分存在异常突变，三相同步正交定位函数FA,B,C(x)：
三相诊断函数为：
其中Fd(x)为缺陷发生后的定位诊断函数，Fh(x)为健康电缆的参考诊断函数。
进一步地，所述S3为将实测电缆的分频解耦后的各相阻抗谱与完好电缆的输入阻抗谱进行比较，若完全重合，则表示被测电缆为完好电缆，不需要进行缺陷做诊断定位；若不相同，则表示被测电缆需要进行缺陷做诊断定位及模式识别；
完好电缆输入阻抗谱Zh(f)的获取方式为S301、S302和S303中的任意一种；
S301为在新电缆投运前进行测试，得到完好状态下电缆输入阻抗谱Zh(f)；
S302为对同种型号电缆进行测试，得到完好状态下电缆输入阻抗谱Zh(f)；
S303为参考电缆结构尺寸或厂家提供的参数规格，计算出这些电缆单位长度的R0、L0、C0、G0，进而根据特征阻抗Z0h和传播系数γh，得到完好状态下电缆输入阻抗谱Zh(f)。
一种交叉互联电缆缺陷检测模型：
设A相首端激励电压为Vf-Δf(x)，末端负载阻抗为ZL；x0为电缆首端入口，x1和x2为交叉互联接头位置，x3为电缆终端负载侧，单相电缆长度为L；以x0为坐标原点，由此可得CB电缆距首端距离为x的电压和电流表达式为：
其中V+为首端注入正弦电压，ГL和γ分别为负载反射系数和传播系数，Z0为CB电缆特征阻抗，表达式如下：
其中，α为衰减常数，β为相位常数。由此可得到完好的CB电缆任意一相输入阻抗谱可表示为：
本发明取得的技术效果为：
(1)本发明的交叉互联电缆缺陷检测系统可同步有效识别三相交叉互联电缆的缺陷所在相段及类型，同时利用所设计的CB电缆传输线解耦模型和三相同步正交定位函数可对缺陷位置及交叉互联位置进行精准定位。
(2)本发明通过差分型级联放大器拓扑结构，构建了多相高频高压协同测试系统，打破了传统增益带宽积限制，实现了高频区间下高电压等级输出，在级联单元n＝8条件下，系统在100kHz-100 MHz测试带宽内最大激励电压可达到128Vpp，随级联单元数量增加输出电压等级也随之提升，可进一步提高长距离CB电缆现场测试时的抗干扰能力。
(3)本发明提出的阻抗谱分频解耦技术及三相同步诊断定位函数可以有效定位交叉互联位置及本体缺陷位置，定位误差率小于0.127％，为多相CB电缆的缺陷诊断定位提供了重要解决方案。
附图说明
图1是本发明交叉互联电缆阻抗谱分频解耦缺陷定位方法图；
图2是本发明的高频高压级联拓扑结构图；
图3是本发明的多相协同激励测试系统框图；
图4是本发明的三相差频激励电压与响应输出图；
图5是本发明C+缺陷(B相热老化)的幅度谱与相位谱图；
图6是本发明C-缺陷(C相铜屏蔽)的幅度谱与相位谱图；
图7是本发明的三相CB电缆诊断定位图；
图8是本发明的三相CB电缆诊断定位结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
实施例1：
如图1-8所示，本实施例中公开一种交叉互联电缆缺陷检测系统，并一个检测对象进行举例，检测对象为三段各150m长的YJLV8.7/15kV XLPE电力电缆构建三相电缆传输线，同时在x＝50m和x＝100m位置处进行交叉互联换位。
(1)A相电缆为完好电缆，作为参考对照组。
(2)在B相电缆x4＝25米处设置C+缺陷(热老化缺陷)，通过加热带对Δld＝10cm区域进行连续7天的加速热老化。
(3)在C相电缆x5＝125米处设置C-缺陷(铜屏蔽缺陷)，铜屏蔽破损长度Δld＝5cm。
其中，一种交叉互联电缆缺陷检测系统，包括测试系统，其特征在于，所述测试系统包括三相高频高压协同激励单元、三相高频IV同步转换单元、高频信号采集单元和上位机终端输出单元，所述三相高频高压协同激励单元的输出端分别与被测CB电缆的三相首端金属线芯连接，所述三相高频IV同步转换单元的输入端与三相交叉互联电缆的各相首端外铜屏蔽层连接，所述高频信号采集单元的输入端与三相高频IV同步转换单元的输出端连接，所述高频信号采集单元的输出端与上位机终端连接。
所述三相高频高压协同激单元由多通道可编程式高频信号发生器、光电隔离驱动单元和三相高频高压放大器组成，采用等比例激光分裂实现控制端和高压输出端的电气隔离，使其能输出100kHz-100MHz的三相隔离型高压正弦信号，实现100千赫兹-100兆赫兹宽频带内的电-光-电隔离转换，保证了级联拓扑结构中每一级雪崩光电二极管均能接收相同方向和能量的激光信号，保证了系统输出振幅和容量不随频率增加而衰减。
其中，所述光电隔离驱动单元通过驱动分布式反馈激光器将高频电信号转换为激光信号，利用集成波导光功率分配器实现同步高速光纤隔离驱动，将激光信号等比例分别为n路激光，从而有效地在输入端和放大器单元之间建立电气隔离。
其中，所述三相高频高压协同激励单元采用级联型差分缓冲放大拓扑结构提高输出电压，即采用高速运算放大器和高速缓冲器进行差分级联输出，通过调节信号发生器输出电压幅值，从而改变DFB激光器所发射的激光能量，进而改变级联放大器输出电压幅值。本案例中级联单元数量n＝8，系统在100kHz-100 MHz测试带宽内最大激励正弦电压可达到128Vpp；
由于n路激光的能量与方向均保持一致，则每一级中的雪崩型APD探测器所产生的光电流均相同，经过高速运算放大器产生轨-轨输出电压VR-R，再次经过缓冲放大器差分放大后，单级单元输出电压最高可达2VR-R。因此，n级单元差分级联后输出电压最高可达2nVR-R
所述三相高频IV同步转换单元通过同步精准采集流经各相电缆首端外铜屏蔽层处的高频绝缘微电流，并将其无相移的变换为响应输出电压。为后续阻抗谱差频解耦提供精准采样数据。
所述高频信号采集单元同步实时采集100kHz～100MHz频段内的三相差频激励及三相响应输出电压离散数据，再利用阻抗谱分频解耦算法，便可以完整获得100kHz～100MHz内交叉互联电缆解耦后的各相完整频段内的首端阻抗谱。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上公开一种对A、B、C三相交叉互联电缆进行缺陷和故障检测及模式识别方法，如图2所示包括以下步骤：
S1：获取时域下交叉互联电缆各相首端测试数据
运用本文搭建的基于多相协同激励的交叉互联电缆缺陷检测系统生成三相差频高压正弦激励信号，即A相正弦基频为f-Δf，B相正弦基频为f,C相正弦基频为f+Δf，其中Δf为步进扫频频率，将三相差频正弦激励信号各自同步注入到交叉互联电缆的A、B、C三相首端，并同步采集被测交叉互联电缆首端时域下的三相差频正弦激励及三相响应输出电压信号；本案例中Δf选取为500Hz.
S2：确定被测交叉互联电缆完整频段的输入阻抗谱ZA,B,C(f)
利用时频域转换t-f及阻抗谱分频解耦技术，对被测电缆的时域下100kHz～100MHz频段内的三相差频激励电压及响应输出电压信号进行处理，通过各对相基频分量提取分析，从而可得到解耦后的三相电缆首端阻抗谱ZA(f)、ZB(f)、ZC(f)；
S3：建立电缆缺陷及诊断判定模型
D(f1)＝Zd(f1)-Zh(f1)；
式中，Zd(f1)为输入阻抗谱中第一个谐振频率点处的峰值，Zh(f)为完好电缆的输入阻抗谱中第一个谐振频率点处的峰值；
若三相电缆的D(f1))均恒为0，则不需要对被测CB电缆进行缺陷诊断及定位，否则进入步骤S4；
S4：对电缆缺陷类型进行诊断定位及识别
本发明定义两大类本体绝缘缺陷：分别为C+缺陷(热老化、水树枝、电树老化)、C-缺陷(铜屏蔽腐蚀、破损)；
当D(f1)为正数时，为C-缺陷；当D(f1)为负数时，为C+缺陷，随后利用三相同步频域-空间域变换诊断定位方法实现三相电缆的同步诊断定位。
步骤S4中，三相同步频域-空间域变换诊断定位方法融合了三相分频解耦思想和电容分布参数，基于阻抗谱的正交性构造定位核函数，核函数K(f,x)表达式如下：
利用核函数K(f,x)与解耦阻抗谱的广义正交性，可实现阻抗不连续点处的积分存在异常突变。三相同步正交定位函数FA,B,C(x)：
因此，三相诊断函数可表示为：
其中Fd(x)为缺陷发生后的定位诊断函数，Fh(x)为健康电缆的参考诊断函数。
实施例3：
本实施例在上述实施例的基础上对步骤S3进行进一步的介绍，其具体为步骤S3的目的在于判定电缆是否存在绝缘缺陷及故障，本发明中是通过将实测电缆的分频解耦后的各相阻抗谱与完好电缆的输入阻抗谱进行比较，若完全重合，则表示被测电缆为完好电缆，不需要进行缺陷做诊断定位；若不相同，则表示被测电缆需要进行缺陷做诊断定位及模式识别；
完好电缆输入阻抗谱Zh(f)的获取方式有三种：
(Ⅰ)在新电缆投运前进行测试，从而得到完好状态下电缆输入阻抗谱Zh(f)；
(Ⅱ)通过对同种型号电缆进行测试，从而得到完好状态下电缆输入阻抗谱Zh(f)；
(Ⅲ)参考电缆结构尺寸或厂家提供的参数规格，计算出这些电缆单位长度的R0、L0、C0、G0，进而根据特征阻抗Z0h和传播系数γh得到完好状态下电缆输入阻抗谱Zh(f)。
方式(Ⅱ)(III)中计算完好电缆传输线模型参数包括：
R1、L1、G1、C1分别代表CB电缆中单位长度下的电阻、电感、电导和电容分布参数。R2、L2、G2、C2分别代表交叉互联系统中MV电缆单位长度下的电阻、电感、电导和电容分布参数，将MV电缆的传输阻抗等效为阻抗Zm，如图所示；
交叉互联电缆缺陷检测模型如下：
假设A相首端激励电压为Vf-Δf(x)，末端负载阻抗为ZL；x0为电缆首端入口，x1和x2为交叉互联接头位置，x3为电缆终端负载侧，单相电缆长度为L；以x0为坐标原点，由此可得CB电缆距首端距离为x的电压和电流表达式为：
其中V+为首端注入正弦电压，ГL和γ分别为负载反射系数和传播系数，Z0为CB电缆特征阻抗，表达式如下：
其中，α为衰减常数，β为相位常数。由此可得到完好的CB电缆任意一相输入阻抗谱可表示为：
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。
Claims (7)
1.一种交叉互联电缆缺陷定位方法，采用交叉互联电缆缺陷检测系统进行定位，其特征在于，所述检测系统包括三相高频高压协同激励单元、三相高频IV同步转换单元、高频信号采集单元和上位机终端输出单元，所述三相高频高压协同激励单元的输出端分别与三相交叉互联电缆的三相首端金属线芯连接，所述三相高频IV同步转换单元的输入端与三相交叉互联电缆的各相首端外铜屏蔽层连接，所述高频信号采集单元的输入端与三相高频IV同步转换单元的输出端连接，所述高频信号采集单元的输出端与上位机终端连接；
所述三相高频高压协同激单元由多通道可编程式高频信号发生器、光电隔离驱动单元和三相高频高压放大器组成，采用等比例激光分裂实现控制端和高压输出端的电气隔离，输出100kHz-100MHz的三相隔离型高压正弦信号；
所述方法包括以下步骤：
S1：获取时域下交叉互联电缆各相首端测试数据
通过检测系统生成三相差频高压正弦激励信号，即A相正弦基频为f-Δf，B相正弦基频为f,C相正弦基频为f+Δf，其中Δf为步进扫频频率，将三相差频正弦激励信号各自同步注入到交叉互联电缆的A、B、C三相首端，并同步采集被测交叉互联电缆首端时域下的三相差频正弦激励及三相响应输出电压信号；
S2：确定被测交叉互联电缆完整频段的输入阻抗谱ZA(f)、ZB(f)、ZC(f)
利用时频域转换t-f及阻抗谱分频解耦技术，对被测电缆的时域下100kHz～100MHz频段内的三相差频激励电压及响应输出电压信号进行处理，通过各对相基频分量提取分析，得到解耦后的三相电缆首端阻抗谱ZA(f)、ZB(f)、ZC(f)；
S3：建立电缆缺陷及诊断判定模型
D(f1)＝Zd(f1)-Zh(f1)；
式中，Zd(f1)为输入阻抗谱中第一个谐振频率点处的峰值，Zh(f1)为完好电缆的输入阻抗谱中第一个谐振频率点处的峰值，D(f1)为输入阻抗谱第一个谐振频率点处的峰值和完好电缆的输入阻抗谱中第一个谐振频率点处的峰值之间的差值；
若三相电缆的D(f1)均恒为0，则不需要对三相交叉互联电缆进行缺陷诊断及定位，否则进入步骤S4；
S4：对电缆缺陷类型进行诊断定位及识别
当D(f1)为正数时，为C-缺陷；当D(f1)为负数时，为C+缺陷；随后利用三相同步频域-空间域变换诊断定位方法实现三相电缆的同步诊断定位；
C+缺陷为水树枝、电树老化或热老化，C-缺陷为铜屏蔽腐蚀或破损。
2.根据权利要求1所述的交叉互联电缆缺陷定位方法，其特征在于：所述光电隔离驱动单元通过驱动分布式反馈激光器将高频电信号转换为激光信号，利用集成波导光功率分配器实现同步高速光纤隔离驱动，将激光信号等比例分别为n路激光。
3.根据权利要求1所述的交叉互联电缆缺陷定位方法，其特征在于：所述三相高频高压协同激励单元采用级联型差分缓冲放大拓扑结构提高输出电压。
4.根据权利要求1所述的交叉互联电缆缺陷定位方法，其特征在于：所述三相高频IV同步转换单元通过同步精准采集流经各相电缆首端外铜屏蔽层处的高频绝缘微电流，并将其无相移的变换为响应输出电压。
5.根据权利要求1所述的交叉互联电缆缺陷定位方法，其特征在于：所述高频信号采集单元同步实时采集100kHz～100MHz频段内的三相差频激励及三相响应输出电压离散数据，再利用阻抗谱分频解耦算法，获得100kHz～100MHz内交叉互联电缆解耦后的各相完整频段内的首端阻抗谱。
6.根据权利要求1所述的交叉互联电缆缺陷定位方法，其特征在于：所述S4中三相同步频域-空间域变换诊断定位方法为融合三相分频解耦思想和电容分布参数，基于阻抗谱的正交性构造定位核函数，核函数K(f,x)表达式如下：
利用核函数K(f,x)与解耦阻抗谱的广义正交性，可实现阻抗不连续点处的积分存在异常突变，三相同步正交定位函数FA,B,C(x)：
三相诊断函数为：
其中Fd(x)为缺陷发生后的定位诊断函数，Fh(x)为健康电缆的参考诊断函数。
7.根据权利要求1所述的交叉互联电缆缺陷定位方法，其特征在于：所述S3为将实测电缆的分频解耦后的各相阻抗谱与完好电缆的输入阻抗谱进行比较，若完全重合，则表示被测电缆为完好电缆，不需要进行缺陷做诊断定位；若不相同，则表示被测电缆需要进行缺陷做诊断定位及模式识别；
完好电缆输入阻抗谱Zh(f)的获取方式为S301、S302和S303中的任意一种；
S301为在新电缆投运前进行测试，得到完好状态下电缆输入阻抗谱Zh(f)；
S302为对同种型号电缆进行测试，得到完好状态下电缆输入阻抗谱Zh(f)；
S303为参考电缆结构尺寸或厂家提供的参数规格，计算出这些电缆单位长度的R0、L0、C0、G0，进而根据特征阻抗Z0h和传播系数γh，得到完好状态下电缆输入阻抗谱Zh(f)。
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