CN115639500B - 基于变频脉冲频率调制激励的电缆检测***及识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电缆缺陷和故障检测领域，公开了一种基于变频脉冲频率调制激励的电缆检测***，包括直流‑交流变频脉冲调制单元、复合型RC波形调理单元、高频IV转换单元、MCU信号处理主控单元和上位机终端输出单元。同时公开了一种基于上述***的识别方法，首先获得伪梯形变频脉激励及首端响应电流波形数据；再通过时频域转换及阻抗谱数字重构技术获得被测电缆的完整首端输入阻抗谱；最后利用多参数融合诊断模型对实测首端输入阻抗谱、健康电缆参照阻抗谱进行计算分析，对电缆缺陷及故障进行精准模式识别。采用上述一种基于变频脉冲频率调制激励的电缆检测***及识别方法，实现了对电缆缺陷和故障的精准检测和识别。
Description
技术领域
本发明涉及电缆缺陷和故障检测技术领域，尤其是涉及一种基于变频脉冲频率调制激励的电缆检测***及识别方法。
背景技术
随着我国城市现代化的快速发展，电力电缆传输的占比快速增加，且朝着高电压、大容量、长距离方向发展。服役电缆会受到核辐射、过载导致的发热、环境中水分的渗透以及自身绝缘氧化等因素影响，极易产生绝缘缺陷绝缘的破损及老化问题，进一步造成永久故障进而引发电力事故。典型的电缆故障类型有短路故障、开路故障、高阻故障和低阻故障。此外，相比于电缆线路的***故障而言，电缆本体受潮、热老化、水树枝/电树枝老化等本体绝缘缺陷也不容忽视。
常用电缆绝陷检测的局部放电（PD）法，主要用于识别电缆附件的缺陷（如杂质、刀痕）等，难以检测电缆本体的老化、受潮、铜屏蔽层缺损与腐蚀等绝缘降低缺陷。此外，局部放电脉冲在电缆中传播时存在高频衰减特性，其检测灵敏度也极易受到现场复杂电磁环境的影响。
反射法电缆定位技术可分为时域反射(TDR)法和频域反射(FDR)法。TDR法因其注入的脉冲所含高频成分较少且受色散影响严重，很难实现对电缆本体局部微弱缺陷的识别。FDR法仅在频域下进行解析，反射信号极易被噪声干扰进而失真，仅能用于短距离电缆线路的故障定位而无法进行缺陷及故障模式识别。因此，对于长距离电缆线路的缺陷及故障的检测及模式识别就显得尤为重要。
现今长距离电缆线路的缺陷及故障检测仍存在以下问题:
(1)在宽频范围内，传统频谱测试仪器增益带宽积有限，激励电压幅值过低，信号衰减严重，抗电磁干扰水平有待进一步提高。
(2)现有仪器的输出能力有限导致长距离电缆线路测试阻抗谱严重失真。
因此，急需新的检测***及缺陷故障模式识别技术，以实现长距离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
本发明的目的是解决上述现有技术所存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于变频脉冲频率调制激励的电缆检测***，包括直流-交流变频脉冲调制单元、复合型RC波形调理单元、高频IV转换单元、MCU信号处理主控单元和上位机终端输出单元；
所述直流-交流变频脉冲调制单元的输出端与所述复合型RC波形调理单元的输入端相连接，所述复合型RC波形调理单元的输出端与被测电缆的首端金属线芯相连接，所述被测电缆的首端外铜屏蔽层与所述高频IV转换单元的输入端相连接，所述高频IV转换单元的输出端与所述MCU信号处理主控单元的输入端相连接，所述上位机终端输出单元和所述复合型RC波形调理单元均与所述MCU信号处理主控单元相连接。
优选的，所述直流-交流变频脉冲调制单元采用MOSFET作为逆变桥臂并输出100kHz-10MHz宽频带内的变频脉冲方波。
优选的，所述复合型RC波形调理单元通过固定电阻R值和切换电容C值调整充放电振荡时间，充放电振荡时间控制在3τ-4τ之内，将变频脉冲方波调理为变频伪梯形波激励。
优选的，所述高频IV转换单元用于采集流经电缆首端外铜屏蔽层处的高频绝缘微电流，并将高频绝缘微电流无相移的变换为响应输出电压。
优选的，所述 MCU信号处理主控单元同步实时采集100kHz-10MHz频段内的变频伪梯形波激励和响应输出电压的离散数据，所述 MCU信号处理主控单元通过时频域转换和阻抗谱数字重构获得100kHz-90MHz内的完整频段阻抗谱。
一种基于上述电缆检测***的识别方法，具体步骤如下：
步骤S1：获取时域下电缆测试数据，所述电缆测试数据包括被测电缆首端时域下的变频伪梯形波激励和响应输出电压信号；
步骤S2：确定被测电缆完整频段的输入阻抗谱Zd(f)，通过时频域转换和阻抗谱数字重构对电缆测试数据进行处理，通过离散FFT变换、频带延拓、极坐标系映射重组处理后，再次反向映射到二维坐标系从而得到100kHz-90MHz完整频段内的输入阻抗谱Zd(f)；
步骤S3:建立电缆缺陷及故障诊断判定模型；
判定公式如下：
D(f)= Zd(f) - Zh(f)
其中，Zd(f)为被测电缆的输入阻抗谱，Zh(f)为完好电缆的输入阻抗谱；
若D(f)在完整频段内恒为0，则不需要对被测电缆进行缺陷和故障的诊断和识别，否则进入步骤S4；
步骤S4：对电缆缺陷和故障类型进行识别；
所述电缆缺陷包括C+缺陷和C-缺陷，所述C+缺陷包括热老化、水树枝以及电树老化，所述C-缺陷包括铜屏蔽破损；
故障类型包括高阻故障、低阻故障、开路故障以及短路故障；
建立包含阻抗谱幅值、阻抗谱谐振周期、阻抗谱初相位、谐振峰个数变比的多维特征参数融合模式识别判据：
其中，k N为完整频段内故障电缆阻抗谱谐振峰个数与完好电缆阻抗谱谐振峰个数比值；k f为第一个谐振峰阻抗谱幅值变化程度；k t为阻抗谱谐振周期变化程度，k ψ为阻抗谱初相位的变化；
C+缺陷时，k N<1， k ψ=-90°，阻抗谱向左偏移；
C-缺陷时，k N<1， k ψ=-90°，阻抗谱向右偏移；
短路故障时，k N>1，k f>1，k t>1和k ψ=+90°；
低阻故障时, k N >1， k f <1，k t >1和k ψ=0°~+90°；
高阻故障时，k N<1,k f <1，k t =1和k ψ=-90°~0°；
开路故障时，k N>1，k f >1，k t >1和k ψ=-90°。
优选的，在步骤S2中，
以电压幅值为极坐标轴，扫频频率间隔为步进角度，
首先对频带区间进行重构，表达式如下：
式中，f min为基波扫频起始频率，f max为基波扫频终止频率。r i为极坐标中第i次谐波半径，θ[i,i+1]为极坐标中重构后的第i次谐波的扇形弧度；
其次对获得的所需频带区间进一步将完整频带内的阻抗谱数字重构，表达式如下：
式中，△f为基波扫频步进频率，数字重构后阻抗谱中的离散点n表达式为：
得到完整频带内的阻抗谱Zd(f)，包含幅值阻抗谱|Zd(f)|和相位谱Pd(f)，其中f为扫频信号的频率。
优选的，在步骤S4中，
基于数字重构后的阻抗谱Zd(f)和完好电缆的输入阻抗谱Zh(f)，提取k f、k t、k ψ以及k N多维联合特征参量，并构建多维特征诊断图表。
优选的，完好电缆输入阻抗谱Z h(f)的获取方式有如下三种：
第一种：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Z h(f)；
第二种：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Z h(f)；
第三种：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R 0、L 0、C 0、G 0，进而根据特征阻抗Z 0h和传播系数γ h得到完好状态下电缆输入阻抗谱Z h(f)。
计算完好电缆传输线模型参数包括：电缆单位长度电缆的电阻R 0、电感L 0、电容C 0、电导G 0可近似等于
完好电缆的特征阻抗Z 0h和传播常数γ h为：
电缆末端反射系数Г L为：
以电缆信号注入端为坐标原点，空载条件下长度为L的电缆上任意位置x处的输入阻抗为：
因此，本发明采用上述一种基于变频脉冲频率调制激励的电缆检测***及识别方法，具有以下有益效果：
（1）与现有的低压模拟信号宽频阻抗谱测试***相比，本发明提出了一种新的硬件拓扑结构生成伪梯形脉冲频率调制扫频激励信号。其在100kHz-10MHz的频段范围内输出电压幅值高达1200V。有效解决了高频区间内输出电压过低，针对长距离电缆测试时信号衰减较为严重的问题。
（2）代替传统的IFFT方法去分析宽频阻抗谱，本发明提出了利用阻抗谱数字重构技术扩展了阻抗谱测量的高频范围，将100kHz-10MHz原始测试数据延拓到100kHz-90MHz的完整无衰减阻抗谱。
（3）基于数字重构后的阻抗谱（幅值阻抗谱|Zd(f)|和相位谱Pd(f)）和完好电缆输入阻抗谱Z h(f)，提取出了k f、k t、k ψ、k N多维联合特征参量，并构建多维特征诊断图表，实现电缆缺陷及故障的精准模式识别。
（4）本发明在非破坏性测试方式的基础上大幅度提高了激励测试电压，具有较强的抗干扰性和极高的灵敏度，不受限于被测电缆的长度及电压等级，设备体积小，适用于现场复杂环境下的测试。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种基于变频脉冲频率调制激励的电缆检测***组成框图；
图2为本发明识别方法流程图；
图3为数字重构方法原理图；
图4为电缆绝缘缺陷及故障的类型判定图。
具体实施方式
实施例
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的实施方式作详细说明。
本实施例中，检测对象为含不同缺陷及故障的200米长YJLV 8.7/15kV XLPE电力电缆(A相：C+缺陷（热老化）、B相：C-缺陷（铜屏蔽破损）、C相：高阻、低阻、开路、短路故障)。
一种基于变频脉冲频率调制激励的电缆检测***，包括直流-交流变频脉冲调制单元、复合型RC波形调理单元、高频IV转换单元、MCU信号处理主控单元和上位机终端输出单元。
所述直流-交流变频脉冲调制单元的输出端与所述复合型RC波形调理单元的输入端相连接，所述复合型RC波形调理单元的输出端与被测电缆的首端金属线芯相连接，所述被测电缆的首端外铜屏蔽层与所述高频IV转换单元的输入端相连接，所述高频IV转换单元的输出端与所述MCU信号处理主控单元的输入端相连接，所述上位机终端输出单元和所述复合型RC波形调理单元均与所述MCU信号处理主控单元相连接。
直流-交流变频脉冲调制单元采用MOSFET作为逆变桥臂并输出100kHz-10MHz宽频带内的变频脉冲方波，保证了***输出振幅和容量不随频率增加而衰减。本实施例选取直流侧电压幅值为500伏。
复合型RC波形调理单元通过固定电阻R值和切换电容C值调整充放电振荡时间，充放电振荡时间控制在3τ-4τ之内，有效吸收SiC MOSFET的振荡尖峰，将变频脉冲方波调理为变频伪梯形波激励。有效防止过冲电压对电缆本体造成损伤。
高频IV转换单元用于采集流经电缆首端外铜屏蔽层处的高频绝缘微电流，并将高频绝缘微电流无相移的变换为响应输出电压。为后续阻抗谱数字重构技术提供精准采样数据。
MCU信号处理主控单元同步实时采集100kHz-10MHz频段内的变频伪梯形波激励和响应输出电压的离散数据，所述 MCU信号处理主控单元通过时频域转换和阻抗谱数字重构获得100kHz-90MHz内的完整频段阻抗谱，并通过上位机输入单元传入上位机终端进行缺陷和故障识别。
一种基于上述电缆检测***的识别方法，具体步骤如下：
步骤S1：获取时域下电缆测试数据，所述电缆测试数据包括被测电缆首端时域下的变频伪梯形波激励和响应输出电压信号，向YJLV8.7/15kV XLPE电缆注入伪梯形波脉冲频率调制信号（100kHz-10MHz），并采集被测电缆首端时域下的变频伪梯形波激励及响应输出电压信号。
步骤S2：确定被测电缆完整频段的输入阻抗谱Zd(f)，通过时频域转换和阻抗谱数字重构对电缆测试数据进行处理，将阻抗谱的数字重构方法以极坐标图进行表示。数字重构方法原理图如图3所示。通过离散FFT变换、频带延拓、极坐标系映射重组处理后，再次反向映射到二维坐标系从而得到100kHz~90MHz完整频段内的输入阻抗谱Zd(f)。
以电压幅值为极坐标轴，扫频频率间隔为步进角度，
首先对频带区间进行重构，表达式如下：
式中，f min为基波扫频起始频率，f max为基波扫频终止频率。r i为极坐标中第i次谐波半径，θ[i,i+1]为极坐标中重构后的第i次谐波的扇形弧度。
其次对获得的所需频带区间进一步将完整频带内的阻抗谱数字重构，表达式如下：
式中，△f为基波扫频步进频率，数字重构后阻抗谱中的离散点n表达式为：
从上述解析可知，基于阻抗谱数字重构方法用变频伪梯形波激励激励对电缆进行扫频测试时，仅利用基波的扫频信息便可以获得完整频带阻抗谱。
此外，随谐波次数提高，其响应幅值会随之减小。在激励电压U dc=1200V条件下，次数最高的九次谐波幅值仍可达到120V以上。解决了现有阻抗分析仪的激励电压幅值过低、输出容量不足的缺点，同时提高了输出信噪比。将极坐标系下数字重构后阻抗谱信息再次反向映射到二维坐标系从而得到100kHz~90MHz完整频段内的输入阻抗谱Zd(f)；包含幅值阻抗谱|Z d(f)|、相位谱P d(f)，其中f为扫频信号的频率。
步骤S3:建立电缆缺陷及故障诊断判定模型；
判定公式如下：
D(f)= Zd(f) - Zh(f)
其中，Zd(f)为被测电缆的输入阻抗谱，Zh(f)为完好电缆的输入阻抗谱。
完好电缆输入阻抗谱Z h(f)的获取方式有如下三种：
第一种：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Z h(f)；
第二种：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Z h(f)；
第三种：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R 0、L 0、C 0、G 0，进而根据特征阻抗Z 0h和传播系数γ h得到完好状态下电缆输入阻抗谱Z h(f)。
若D(f)在完整频段内恒为0，则不需要对被测电缆进行缺陷和故障的诊断和识别，否则进入步骤S4。
本实施例中选取仿真计算方法获取A、B、C三相电缆完好状态下电缆输入阻抗谱Z h(f); 电缆单位长度电缆的电阻R 0、电感L 0、电容C 0、电导G 0可近似等于
完好电缆的特征阻抗Z 0h和传播常数γ h为：
电缆末端反射系数Г L为：
以电缆信号注入端为坐标原点，空载条件下长度为L的电缆上任意位置x处的输入阻抗为：
对于本实施例中，计算得到的A相电缆的DA(x)、B相电缆的DB(x)、C相电缆的DC(x)均恒不为0，因此需要对A、B、C三相电缆进行缺陷及故障类型的模式识别。
步骤S4：对电缆缺陷和故障类型进行识别。
所述电缆缺陷包括C+缺陷和C-缺陷，所述C+缺陷包括热老化、水树枝以及电树老化，所述C-缺陷包括铜屏蔽破损；
故障类型包括高阻故障、低阻故障、开路故障以及短路故障；
建立包含阻抗谱幅值、阻抗谱谐振周期、阻抗谱初相位、谐振峰个数变比的多维特征参数融合模式识别判据：
其中，k N为完整频段内故障电缆阻抗谱谐振峰个数与完好电缆阻抗谱谐振峰个数比值；k f为第一个谐振峰阻抗谱幅值变化程度；k t为阻抗谱谐振周期变化程度，k ψ为阻抗谱初相位的变化；
C+缺陷时，k N<1， k ψ=-90°，阻抗谱向左偏移；
C-缺陷时，k N<1， k ψ=-90°，阻抗谱向右偏移；
短路故障时，k N>1，k f>1，k t>1和k ψ=+90°；
低阻故障时, k N >1， k f <1，k t >1和k ψ=0°-+90°；
高阻故障时，k N<1,k f <1，k t =1和k ψ=-90°-0°；
开路故障时，k N>1，k f >1，k t >1和k ψ=-90°。
基于数字重构后的阻抗谱Zd(f)和完好电缆的输入阻抗谱Zh(f)，提取k f、k t、k ψ以及k N多维联合特征参量，并构建多维特征诊断图表。
A、B、C三相电缆的缺陷和模式识别综合判定表如表1所示，
表1 不同故障类型阻抗谱变化规律
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种基于变频脉冲频率调制激励的电缆检测***，其特征在于：包括直流-交流变频脉冲调制单元、复合型RC波形调理单元、高频IV转换单元、MCU信号处理主控单元和上位机终端输出单元；
所述直流-交流变频脉冲调制单元的输出端与所述复合型RC波形调理单元的输入端相连接，所述复合型RC波形调理单元的输出端与被测电缆的首端金属线芯相连接，所述被测电缆的首端外铜屏蔽层与所述高频IV转换单元的输入端相连接，所述高频IV转换单元的输出端与所述MCU信号处理主控单元的输入端相连接，所述上位机终端输出单元和所述复合型RC波形调理单元均与所述MCU信号处理主控单元相连接；
基于变频脉冲频率调制激励的电缆检测***的识别方法，具体步骤如下：
步骤S1：获取时域下电缆测试数据，所述电缆测试数据包括被测电缆首端时域下的变频伪梯形波激励和响应输出电压信号；
步骤S2：确定被测电缆完整频段的输入阻抗谱Zd(f)，通过时频域转换和阻抗谱数字重构对电缆测试数据进行处理，通过离散FFT变换、频带延拓、极坐标系映射重组处理后，再次反向映射到二维坐标系从而得到100kHz-90MHz完整频段内的输入阻抗谱Zd(f)；
步骤S3:建立电缆缺陷及故障诊断判定模型；
判定公式如下：
D(f)＝Zd(f)-Zh(f)
其中，Zd(f)为被测电缆的输入阻抗谱，Zh(f)为完好电缆的输入阻抗谱；
若D(f)在完整频段内恒为0，则不需要对被测电缆进行缺陷和故障的诊断和识别，否则进入步骤S4；
步骤S4：对电缆缺陷和故障类型进行识别；
所述电缆缺陷包括C+缺陷和C-缺陷，所述C+缺陷包括热老化、水树枝以及电树老化，所述C-缺陷包括铜屏蔽破损；
故障类型包括高阻故障、低阻故障、开路故障以及短路故障；
建立包含阻抗谱幅值、阻抗谱谐振周期、阻抗谱初相位、谐振峰个数变比的多维特征参数融合模式识别判据：
其中，kN为完整频段内故障电缆阻抗谱谐振峰个数与完好电缆阻抗谱谐振峰个数比值；kf为第一个谐振峰阻抗谱幅值变化程度；kt为阻抗谱谐振周期变化程度，kψ为阻抗谱初相位的变化；
C+缺陷时，kN<1，kψ＝-90°，阻抗谱向左偏移；
C-缺陷时，kN<1，kψ＝-90°，阻抗谱向右偏移；
短路故障时，kN>1，kf>1，kt>1和kψ＝+90°；
低阻故障时,kN>1，kf<1，kt>1和kψ＝0°～+90°；
高阻故障时，kN<1,kf<1，kt＝1和kψ＝-90°～0°；
开路故障时，kN>1，kf>1，kt>1和kψ＝-90°；
在步骤S2中，
以电压幅值为极坐标轴，扫频频率间隔为步进角度，
首先对频带区间进行重构，表达式如下：
式中，fmin为基波扫频起始频率，fmax为基波扫频终止频率,ri为极坐标中第i次谐波半径，θ[i,i+1]为极坐标中重构后的第i次谐波的扇形弧度；
其次对获得的所需频带区间进一步将完整频带内的阻抗谱数字重构，表达式如下：
式中，△f为基波扫频步进频率，数字重构后阻抗谱中的离散点n表达式为：
得到完整频带内的阻抗谱Zd(f)，包含幅值阻抗谱|Zd(f)|和相位谱Pd(f)，其中f为扫频信号的频率；
基于数字重构后的阻抗谱Zd(f)和完好电缆的输入阻抗谱Zh(f)，提取kf、kt、kψ以及kN多维联合特征参量，并构建多维特征诊断图表。
2.根据权利要求1所述的一种基于变频脉冲频率调制激励的电缆检测***，其特征在于：所述直流-交流变频脉冲调制单元采用MOSFET作为逆变桥臂并输出100kHz-10MHz宽频带内的变频脉冲方波。
3.根据权利要求2所述的一种基于变频脉冲频率调制激励的电缆检测***，其特征在于：所述复合型RC波形调理单元通过固定电阻R值和切换电容C值调整充放电振荡时间，充放电振荡时间控制在3τ-4τ之内，将变频脉冲方波调理为变频伪梯形波激励。
4.根据权利要求3所述的一种基于变频脉冲频率调制激励的电缆检测***，其特征在于：所述高频IV转换单元用于采集流经电缆首端外铜屏蔽层处的高频绝缘微电流，并将高频绝缘微电流无相移的变换为响应输出电压。
5.根据权利要求4所述的一种基于变频脉冲频率调制激励的电缆检测***，其特征在于：所述MCU信号处理主控单元同步实时采集100kHz-10MHz频段内的变频伪梯形波激励和响应输出电压的离散数据，所述MCU信号处理主控单元通过时频域转换和阻抗谱数字重构获得100kHz-90MHz内的完整频段阻抗谱。
6.根据权利要求5所述的一种基于变频脉冲频率调制激励的电缆检测***，其特征在于：
完好电缆输入阻抗谱Zh(f)的获取方式有如下三种：
第一种：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)；
第二种：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)；
第三种：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电阻R0、电感L0、电容C0、电导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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