[发明专利]一种电缆故障检测分析方法

摘要

本发明公开了一种电缆故障检测分析方法。该方法以电缆的阻抗频谱和相位频谱为基础，通过一套分段截取的方法计算阻抗频谱衰减趋势曲线上的分段特性阻抗，据此建立等效阻抗的方程式，计算出电缆传输阻抗中的R、L、G、C参数，获得基于RLGC参数的传输阻抗模型，然后通过计算传输阻抗模型与测试的阻抗频谱和相位频谱的差异比较，获得电缆距离长度作为变量的误差距离图谱，最后分析误差距离图谱上的局部零值点，实现故障检测和故障类型识别。与现有技术相比，本发明基于低计算难度、高计算精度的信号相对传输速率计算方法，能够实现故障的精确定位和多点定位，且能够进行故障类型识别。

主权项

一种电缆故障检测分析方法，其特征在于：包括以下步骤：(一)向被试电缆施加扫频信号，然后采集对应每个扫频频率输入信号的电压时域信号和流经电缆绝缘层形成回路的电流时域信号，并计算电缆的频域阻抗和相位，绘制连续的阻抗频率曲线Z(f)和相位频率曲线Φ(f)；(二)在步骤(一)绘制的阻抗频率曲线Z(f)上，找到任意两个相邻的阻抗峰值点对应的频率f₁₁、f₂₂，计算频率差Δf＝|f₁₁‑f₂₂|，然后将频率差Δf代入公式V_r＝(1+ε)D×2×Δf/V₀，计算得到信号相对传输速率V_r，式中，D为电缆总长度、单位m、根据电缆实际情况确定，ε为频率测量和计算的总误差、取值为0‑1％，频率差Δf单位为Hz，V₀为光速、取值为300×10⁶m/s；或，在步骤(一)绘制的相位频率曲线Φ(f)上，找到任意两个相邻的相位零值点对应的频率f₁₁、f₂₂，计算频率差Δf＝|f₁₁‑f₂₂|，然后将频率差Δf代入公式V_r＝(1+ε)D×2×Δf/V₀，计算得到信号相对传输速率V_r，式中，D为电缆总长度、单位m、根据电缆实际情况确定，ε为频率测量和计算的总误差、取值为0‑1％，频率差Δf单位为Hz，V₀为光速、取值为300×10⁶m/s；或，在步骤(一)绘制的阻抗频率曲线Z(f)上，找到任意两个相邻的阻抗峰值点对应的频率f₁₁、f₂₂，计算频率差Δf＝|f₁₁‑f₂₂|；在步骤(一)绘制的相位频率曲线Φ(f)上，找到任意两个相邻的相位零值点对应的频率f′₁₁、f′₂₂，计算频率差Δf＝|f′₁₁‑f′₂₂|；然后将两个频率差Δf分别代入公式V′_r＝(1+ε)D×2×Δf/V₀，计算得到两个相对传输速率V′_r，式中，D为电缆总长度、单位m、根据电缆实际情况确定，ε为频率测量和计算的总误差、取值为0‑1％，频率差Δf单位为Hz，V₀为光速、取值为300×10⁶m/s；将两个相对传输速率V′_r求平均值，得到信号相对传输速率V_r；(三)采用数据拟合方法，针对步骤(一)绘制的阻抗频率曲线Z(f)拟合衰减趋势曲线，然后对衰减趋势曲线进行三个频率段的划分，并进行分段计算：第一频段，频率小于等于阻抗衰减量为70％时的频率，计算得到第一频段的所有阻抗的平均值并记作电缆第一频段特性阻抗Z₁，在衰减趋势曲线上找到Z₁对应的频率值f₁，同时描述电缆第一频段特性阻抗Z₁$Z_1=\sqrt{\frac{R+j\×L\×(2\×\mathrm{PI}\×f_1)}{j\×C\×(2\×\mathrm{PI}\×f_1)}}$      公式1；第二频段，频率大于等于阻抗衰减量为90％时的频率，计算得到第二频段的所有阻抗的平均值并记作电缆第二频段特性阻抗Z₂，同时描述电缆第二频段特性阻抗Z₂$Z_2=\sqrt{L/C}$     公式2；第三频段，频率大于阻抗衰减量为70％时的频率、同时小于阻抗衰减量为90％时的频率，计算得到第三频段的所有阻抗的平均值并记作电缆第三频段特性阻抗Z₃，在衰减趋势曲线上找到Z₃对应的频率值f₃，同时描述电缆第三频段特性阻抗Z₃$Z_3=\sqrt{\frac{R+j\×L\×(2\×\mathrm{PI}\×f_3)}{G+j\×C\×(2\×\mathrm{PI}\×f_3)}}$     公式3；同时，将步骤(二)中获得的信号相对传输速率V_r描述为$V_r\×V_0=1/\sqrt{\mathrm{LC}}$     公式4；上述公式1‑4中，Z₁为电缆第一频段特性阻抗、单位Ω，Z₂为电缆第二频段特性阻抗、单位Ω，Z₃为电缆第三频段特性阻抗、单位Ω，f₁为Z₁对应的频率值、单位Hz，f₃为Z₃对应的频率值、单位Hz，R为等效电阻、单位Ω/m，L为等效电感、单位H/m，C为等效电容、单位F/m，G为等效电导、单位S/m，PI取值3.1415，V_r为信号相对传输速率、由步骤(二)确定，V₀为光速、取值300×10⁶m/s；根据公式2和公式4计算出等效电感L和等效电容C值，然后将等效电感L和等效电容C值代入公式1计算出等效电阻R值，接着再将等效电感L、等效电容C和等效电阻R值代入公式3计算出等效电导G值；(四)根据步骤(三)中确定的等效电阻R、等效电感L、等效电容C和等效电导G值，建立电缆传输阻抗模型Z(f，d)$Z(f,d)=\frac{Z_0\×(Z_L+Z_0\×\tanh (\mathrm{\γ}\×d))}{Z_0+Z_L\×\tanh (\mathrm{\γ}\×d)}$$\mathrm{\γ}=\frac{1}{2}(\frac{R}{Z_0}+{\mathrm{GZ}}_0)+j(2\×\mathrm{PI}\×f)\sqrt{\mathrm{LC}}$式中，Z₀为电缆特性阻抗，单位Ω；Z₁、Z₂、Z₃分别为电缆第一、二、三频段特性阻抗，单位Ω，由步骤(三)确定；Z_L为电缆负载阻抗值，单位Ω，根据检测现场情况确定；γ为复数形式的阻抗向量；PI取值3.1415；f为频率，单位Hz；d为电缆长度，单位m，取值小于等于电缆总长度D；(五)将步骤(一)中获得的阻抗频率曲线Z(f)和相位频率曲线Φ(f)相加，得到Z′(f)＝Z(f)×Cos(Φ(f))+j×Z(f)×Sin(Φ(f))，然后计算步骤(四)中获得的电缆传输阻抗模型Z(f，d)与Z′(f)的绝对误差∑＝Z(f，d)‑Z′(f)，得到误差距离图谱；如果误差距离图谱上的所有绝对误差值均大于零或均小于零，则被试电缆无故障，检测结束；否则，误差距离图谱上的零值对应的电缆长度d′就是故障点，然后继续步骤(六)进行故障类型识别；(六)将步骤(五)中获得的故障点对应的电缆长度d′代入公式f′＝V_r×V₀/2d′，计算得到故障点对应的特征谐振频率f′、单位Hz，式中，V_r为信号相对传输速率、由步骤(二)确定，V₀为光速、取值300×10⁶m/s；然后将故障点对应的电缆长度d′和特征谐振频率f′分别代入步骤(四)获得的电缆传输阻抗模型Z(f，d)，计算得到复数阻抗，并计算复数阻抗的相位；如果相位为零，则该故障点为纯阻性故障，如果相位大于零，则该故障点为高阻性故障，如果相位小于零，则该故障点为低阻性故障。