CN103217612A - 一种铠装电力电缆故障在线监测与实时测距的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铠装电力电缆故障在线监测与实时测距的方法。本发明利用电缆铠装层与大地形成的回路进行电缆故障测距，由于测距***与高压电缆的芯线之间没有直接的电气连接，不仅安全可靠，而且在工作时完全不影响电缆的正常输电任务。本发明通过利用电缆的铠装层与大地形成的回路，以及小波分析技术进行电缆故障点的测距，可同时实现电缆故障的在线监测和实时测距的双重功能，简化了设备复杂度和操作复杂度，提高了故障检测和测距效率，解决了电力电缆故障普遍缺乏有效的在线监测与实时测距手段的技术难点问题，通过将故障检测和故障测距合二为一，不仅降低了设备复杂度和成本，而且也减少了操作复杂度，提高了故障检测和测距效率。

Description

一种铠装电力电缆故障在线监测与实时测距的方法

技术领域

本发明涉及电力电缆故障的检测方法，具体涉及一种铠装电力电缆故障在线监测与实时测距的方法。

背景技术

随着城市建设的发展，配网线路的敷设方式逐步由裸线架空型过渡到电缆地下暗敷设。比较架空线路和地下电缆线路，二者在故障测距方面虽有相通之处，但也存在明显的不同。尤其是地下电缆多用于中低压输电，长度相对较短，且其故障不可观测，如果故障测距结果相差数百米，那么就已失去了测距的价值；而且，地下电缆故障检修困难，如果故障测距不准确，将会造成大量的人力、物力和财力浪费。因此，地下电缆线路测距需要有更为精确的测距方法。

从技术角度来讲，目前人们采用和研究的电缆故障测距方法主要是离线测距，即在发生电缆故障以后，采取先断电再测距的方法。这样就要求电力使用部门必需同时拥有电力电缆故障的实时监测及事后测距两套独立***，从一定程度上增加了故障测距成本和复杂度。此外，从故障测距的原理方法上，目前普遍采用电缆芯线回路，即由电缆芯线构成的各种电路回路，如芯线与屏蔽层构成的电路回路及芯线间构成的电路回路等，然后借助不同的测距方法，比如电桥法或行波法等，以识别和测量电缆故障。由于电缆芯线主要担负高压输电任务，其输电电压与故障测距所要求的信号电压很难一致，因此利用芯线回路进行故障测距较难与芯线输电同时进行，不能实现在线测距。

由以上分析可知，由于目前正在使用的各种电缆故障测距主要基于电缆芯线回路，因此只能采取离线测距的方法，不能实现在线实时测距；而且，离线测距还会带来故障监测与故障测距分离，需要同时建设两套独立***的问题。因此，在电力电缆故障测距领域亟需开展能同时完成电缆故障的在线监测和实时测距的方法和技术研究。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明通过对现有电力电缆故障测距方法的优缺点以及测距原理的深入研究，提出了一种利用铠装电力电缆的铠装层与大地之间形成的回路，以及小波分析技术进行电力电缆故障在线监测和实时测距的新方法，可广泛用于电缆防盗和线路检修等领域。目前国内外尚未见到与该发明方法类似的研究和应用报道，因此本发明具有重要的理论和实际应用价值。

本发明的目的是提供一种铠装电力电缆故障在线监测与测距的方法，用于解决目前电力电缆故障缺乏有效的在线监测与实时测距的技术手段的问题。

本发明在电缆测量端的铠装层和大地之间施加和发射行波脉冲信号，行波脉冲信号在由铠装层和大地之间形成的行波传输***中沿着电缆方向传播，在电缆的另一端的铠装层和大地之间设置匹配负载，匹配负载与行波传输***的特征阻抗匹配，从而在铠装层与大地之间形成回路。

本发明的一种铠装电力电缆故障在线监测与测距的方法，包括以下步骤：

1)在电缆的测量端的铠装层与大地之间施加和发射低压的发射行波脉冲信号，并记录发射行波脉冲信号的波形和时间；

2)根据电缆的测量端收到的反射行波信号，判断有无电缆故障，如果有故障则进入步骤3)，如果没有故障则返回步骤1)；

3)利用小波分析技术对反射行波信号进行消噪处理和检测分析，获得反射行波信号到达测量端的准确时间；

4)根据测量端得到的发射行波脉冲信号与反射行波信号间的时间差，以及行波传播速度，计算故障点的准确位置。

本发明主要针对的电缆故障类型是电缆开路及断路故障，这类故障在芯线和铠装层中同时发生，因此能够通过检测铠装层得到整个电缆的状态。本发明基于行波法测距的基本原理，其中，在步骤1)中，在电缆的测量端的铠装层与大地之间连续不断地施加和发射低压行波脉冲信号，并记录测量端发射的行波信号波形以及发射时间；在步骤2)中，主要根据测量端是否收到反射行波信号判定是否发生电缆故障；在步骤3)中对有故障情况下测量端收到的反射行波信号利用小波分析技术进行信号处理，从而获得反射行波信号到达测量端的准确时间；在步骤4)中，先计算测量端发射的行波信号与接收到的反射行波信号间的时间差；然后与行波传播速度相乘得到距离，最后将该距离除以二即可获得故障点的准确位置。

在步骤1)中，发射脉冲的时间宽度和前后脉冲间的时间间隔主要由故障点距离来定。如果时间参数设计不合理造成反射脉冲与发射脉冲重迭，便无法区分出来，此时将不能测出故障点的距离，出现盲区；发送脉冲愈宽，测量盲区愈大。但是，设计发射脉冲的时间参数还需兼顾反射脉冲的检测难度问题。从减小盲区的角度来看，发射脉冲窄一些好，但脉冲愈窄，它所包含的高频分量愈丰富，因而线路高频损耗大，反射脉冲幅值小，畸变更严重，这将影响后续的反射信号检测效果和故障测距精度。为了解决这一问题，本发明将发射行波脉冲信号的宽度分为若干个范围，根据测量距离来选择脉冲宽度，测量距离愈远，脉冲宽度愈宽，测量距离愈短，脉冲宽度愈窄。

在步骤2)中，当测量端的发射行波脉冲信号遇到阻抗不匹配点的故障点(如电缆的短路或断路)时会发生反射，在测量端会收到相关的反射行波信号，则需要在测量端记录收到的反射行波信号，进入步骤3)。而当电缆没有发生故障时，此时由于被测电缆的另一端设置有匹配负载，处于阻抗匹配状态，所以在测量端不会收到相关的反射行波信号。因此，可以通过不断检测测量端是否收到反射行波信号来判断是否出现电缆故障，从而实现电缆故障的在线监测。

在步骤3)中，小波分析技术主要用于对测量端接收到的反射行波信号进行特征分析，从而获得反射信号的准确起始时间，以提高故障测距精度。其主要方法是：采用求解小波变换模极大值的方法检测反射行波信号中的奇异点，作为反射行波信号到达测量端的起始时刻点。

利用小波分析技术对反射行波信号进行特征分析的主要过程如下：a)对反射行波信号进行小波变换，求取各尺度下的模极大值；b)在低频高尺度下考察保留下的模极大值，寻找反射行波信号的波头最大值出现的位置T₁，该时刻为行波波头到达的大致时刻；c)在确定初始波头到达时刻的尺度下考察模极大值的分布，在初始波头到达后的范围内进行搜索，采用小波方法确定反射行波信号相应的模极大值的位置，即为反射行波信号到达测量端的准确时间，其中，l是电缆线路总长度，v是行波传播速度。

本发明利用电缆铠装层与大地形成的回路进行电缆故障测距，从而同时实现了电缆故障在线监测和实时测距的双重功能。由于测距***与高压电缆的芯线之间没有直接的电气连接，不仅安全可靠，而且在工作时完全不影响电缆的正常输电任务，因此可以在电缆输电的同时实现电缆故障的在线监测和实时测距。本发明通过将故障检测和故障测距合二为一，不仅降低了设备复杂度和成本，而且也减少了操作复杂度，提高了故障检测和测距效率。

此外，本发明利用小波分析技术分析获取反射行波脉冲信号的准确到达时间，提高故障测距精度。准确标定故障反射信号的行波波头到达时刻是保证和提高测距精度的关键。需要考虑两方面的主要因素：一是行波频散问题。行波脉冲信号中含有丰富的频率分量，且每一种频率分量的传播速度和衰减常数都不相同，因此会导致行波脉冲信号在传输过程中波形发生变形，具体表现为行波波头部分具有一定的上升时间。传统的脉冲检测方法主要是通过比较脉冲信号是否越过门槛值实现检测，其判断力和抗干扰能力差，难以精确地确定反射行波波头前沿到达的时刻。二是传输过程引入的噪声问题。传统消噪方法普遍只适用于信号平稳且具有明显区别于噪声频谱特征的情况，但由于电缆故障测距信号是含有大量高频分量的非平稳信号，因此如果采用传统的消噪方法效果将不是很理想。由于小波分析技术是一种可以自适应地从时频域同时进行信号局部化分析，并且能够聚焦到信号时域和频域任意细节的分析方法。因此，本发明利用小波分析技术，对反射行波信号在不同尺度下进行干扰分析和抑制，通过小波变换模极大值及奇异性检测原理可以检测获得反射行波信号的准确到达时间。

本发明的有益效果：

本发明通过利用电缆的铠装层与大地形成的回路，以及小波分析技术进行电缆故障点的测距，可同时实现电缆故障的在线监测和实时测距的双重功能，简化了设备复杂度和操作复杂度，提高了故障检测和测距效率，解决了电力电缆故障普遍缺乏有效的在线监测与实时测距手段的技术难点问题。

附图说明

图1为本发明的铠装电力电缆故障在线监测与实时测距的方法的原理示意图；

图2为本发明的铠装电力电缆故障在线监测与实时测距的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例详细描述本发明。

如图1所示，在电缆的测量端A的铠装层4和大地之间施加和发射行波脉冲信号s，行波脉冲信号在铠装层4和大地之间形成的行波传输***中沿着电缆的方向传播，在电缆另一端B的铠装层与大地之间设置匹配负载R，匹配负载与行波传输***的特征阻抗匹配，从而铠装层与大地之间形成回路。当发射行波脉冲信号s遇到电缆的故障点P时，反射行波信号r沿反方向传输至测量端A。其中，电缆包括外护套1、绝缘层2、芯线3及铠装层4。

1)在电缆测量端的铠装层与大地之间施加和发射低压的发射行波脉冲信号，并记录发射行波脉冲信号的波形和时间。

由于本发明主要针对的电缆故障类型是电缆开路及断路故障，因此在行波法中采用了比较简单有效的低压脉冲反射法，脉冲电压选取典型值500V，但主要区别是由目前电缆的芯线构成的电路回路改成由铠装层与大地之间构成的回路，因此，本发明发射的行波脉冲电压是施加在电力电缆的测量端的铠装层与大地之间，然后在由电缆的铠装层与大地之间构成的行波传输***中传播。

为了实现电缆故障的在线测距，其前提是要及时发现故障，因此本发明需要连续不断地从测量端发射低压行波脉冲信号，并记录发射的行波信号波形以及发射时间，以便后续步骤能够不断地针对反射行波信号的特征进行故障判断，从而及时地发现电缆故障。

设计发射脉冲的时间宽度和前后脉冲间的时间间隔需要根据故障点的距离及反射行波信号的检测难度(或故障测距精度)来综合决定。以故障点距离为例，假设脉冲发射宽度是0.5μs，电缆波速度是160m/μs，则其测量盲区为40m，此时就要求其最近故障点距离不能小于40m。具体根据测量距离来选择脉冲宽度，测量距离愈远，脉冲宽度愈宽。

2)根据电缆测量端收到的反射行波信号，判断有无电缆故障。

首先根据电缆测量端收到的反射行波信号，判断有无电缆故障。如果电缆没有发生故障，则由于被测电缆的另一端处于阻抗匹配状态，在测量端不会收到反射行波信号；但如果电缆发生故障，则在电缆中的故障点由于阻抗不匹配会产生反射，在测量端就会收到反射行波信号，因此可以据此判断是否发生电缆故障。

3)在判断存在电缆故障的情况下，针对测量端收到的反射行波信号，利用小波分析技术进行信号特征分析，从而获得故障反射行波信号到达测量端的准确时间。本发明选择小波分析技术来检测电缆故障，主要是利用了反射行波信号的起始点存在奇异性(信号的奇异点即对应于故障发生时刻)，以及小波变换模极大值的奇异性检测原理(小波变换的模极大值点即为信号的奇异点)。

利用小波技术分析反射行波信号的主要过程如下：a)对反射行波信号进行小波变换，求取各尺度下的模极大值。观察模极大值在不同尺度下的变化情况，对于随尺度增大，模极大值增大的则保留；随尺度增大，模极大值减小的予以去除，不再考虑。即滤除所有不能向下一尺度传播、和不是由上一尺度传递来的模极大值。b)在低频高尺度下考察保留下的模极大值，寻找反射行波信号的波头最大值出现的位置T₁，该时刻为行波波头到达的大致时刻。在高频低尺度下，T₁时刻附近领域内查找行波信号突变点，最靠近T₁时刻的突变点是初始行波波头的突变信号。c)在确定初始波头到达时刻的尺度下考察模极大值的分布，在初始波头到达后的

范围内进行搜索(l是电缆线路总长度，v是行波传播速度)，采用小波方法确定反射行波信号相应的模极大值的位置，即为反射行波信号到达测量端的准确时间。

在具体应用小波分析技术时，考虑到噪声影响，因此需要预先设定一个合理的阀值，当反射行波信号的小波变换的模极大值大于阀值时，认为电缆有故障；当反射行波信号的小波变换的模极大值小于阀值时，则认为低于阀值的模极大值是由噪声或随机干扰产生的，不属于电缆故障。

4)根据测量端得到的发射行波脉冲信号与反射行波信号间的时间差，将测得的发射行波脉冲信号与反射行波信号间的时间差与行波传播速度相乘，除以二即可获得故障点的准确位置。

其中，如何准确获得由铠装层与大地构成的行波传输***的行波传播速度是本发明的另外一个关键环节，其结果将直接影响最终测距精度。但是，本发明的行波传输***与目前所普遍采用的有较大不同。由于行波是在由圆柱形空心的铠装层和大地构成的行波传输***中传输，其传输介质相对比较复杂，既包含有电缆最外层的塑胶材料，还包含由敷设方式决定的各种地下环境，这些都会影响行波传播速度，从而影响到测距的准确性。为此，本发明根据铠装层的构造，外护套的材料，以及地下环境，通过电磁仿真分析手段，如商业电磁仿真工具HFSS、ANSYS等，对行波传输***进行建模分析，从而获得准确的行波传播速度等特性参数。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种铠装电力电缆故障在线监测与实时测距的方法，其特征在于，所述方法，包括以下步骤：

1)在电缆的测量端的铠装层与大地之间施加和发射低压的发射行波脉冲信号，并记录发射行波脉冲信号的波形和时间；

2)根据电缆的测量端收到的反射行波信号，判断有无电缆故障，如果有故障则进入步骤3)，如果没有故障则返回步骤1)；

3)利用小波分析技术对反射行波信号进行消噪处理和检测分析，获得反射行波信号到达测量端的准确时间；

4)根据测量端得到的发射行波脉冲信号与反射行波信号间的时间差，以及行波传播速度，计算故障点的准确位置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1)中，所述发射行波脉冲信号的宽度分为若干个范围，根据测量距离来选择脉冲宽度，测量距离愈远，脉冲宽度愈宽，测量距离愈短，脉冲宽度愈窄。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2)中，当测量端的发射行波脉冲信号遇到阻抗不匹配点的故障点时会发生反射，在测量端会收到相关的反射行波信号；而当电缆没有发生故障时，此时由于被测电缆的另一端设置有匹配负载，处于阻抗匹配状态，在测量端不会收到相关的反射行波信号。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤3)中，利用小波分析技术对反射行波信号进行特征分析的主要过程如下：a)对反射行波信号进行小波变换，求取各尺度下的模极大值；b)在低频高尺度下考察保留下的模极大值，寻找反射行波信号的波头最大值出现的位置T₁，该时刻为行波波头到达的大致时刻；c)在确定初始波头到达时刻的尺度下考察模极大值的分布，在初始波头到达后的范围内进行搜索，采用小波方法确定反射行波信号相应的模极大值的位置，即为反射行波信号到达测量端的准确时间，其中，l是电缆线路总长度，v是行波传播速度。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤4)中，先计算测量端发射的行波信号与接收到的反射行波信号间的时间差；然后与行波传播速度相乘得到距离，最后将该距离除以二即可获得故障点的准确位置。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，考虑到噪声影响，需要预先设定一个合理的阀值，当反射行波信号的小波变换的模极大值大于阀值时，认为电缆有故障；当反射行波信号的小波变换的模极大值小于阀值时，则认为低于阀值的模极大值是由噪声或随机干扰产生的，不属于电缆故障。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，根据铠装层的构造，外护套的材料，以及地下环境，通过电磁仿真分析手段，对行波传输***进行建模分析，从而获得准确的行波传播速度等特性参数。

Images