CN117289100B - 基于动态多重陷波法的电缆接头局部放电信号检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于动态多重陷波法的电缆接头局部放电信号检测方法，通过双向定位探测天线实时动态跟踪空间电磁波干扰信号频段分布情况，采用多重时变陷波策略从频域上进行快速置零滤波处理，提取出微弱的电缆中间接头局部放电产生的脉冲信号，从而检测电缆中间接头有无放电。
Description
技术领域
本发明涉及电缆接头缺陷检测技术领域，具体涉及基于动态多重陷波法的电缆接头局部放电信号检测方法。
背景技术
随着城市电网的发展，目前交联聚乙烯(XLPE)电力电缆已经成为城市电网线路输电的主干网络，与传统的架空输电线路相比，电力电缆敷设在地面以下，有利于城市美观，节省土地利用成本，不容易受到外界恶劣天气的影响，被大范围推广建设。相对比于电缆本体，电缆中间接头结构复杂，电缆中间接头为多层固体复合介质绝缘结构，现场安装过程中，对施工人员的技能水平和作业环境要求高，任何细微的缺陷均可在附件中形成薄弱点，引发绝缘击穿，严重影响电力***供电的可靠性，甚至影响整个电力***的运行。
电缆中间接头在制作时造成的金属碎屑、划痕或者毛刺都会造成内部电场畸变，引起绝缘破损的早期局部放电，伴随着局部放电的发生，会引起电缆接头内部产生一系列的物理化学反应，将进一步加剧电缆接头的绝缘劣化，如果不及早检修，最终将导致电缆接头的绝缘击穿。
针对电缆接头内部局部放电检测，现有的方法有：超声波检测法、高频脉冲电流检测法、电容耦合法、特高频检测法。其中超声波法如CN112881869A所示可以较好地通过空气耦合检测出电缆接头的局部放电，但如果电缆接头与传感器之间有固体物质阻挡时，如图1所示的地埋式电缆终端接头1和电缆中间接头2，超声波信号将急剧衰减几乎无效；高频脉冲电流检测法如CN101710166A所示属于接触式检测，即通过卡扣式传感器卡在接地线上检测电缆接头向大地泄漏的高频脉冲电流，但地线间交叉互联现场非常容易受到干扰，而且对已运行地埋式电缆中间接头也无法安装检测；电容耦合法如CN107402343A、CN209472115U所示也属于接触式检测，需要在制作电缆接头时将传感器预置到接头内部，对大量已运行地埋式电缆中间接头无法检测；特高频检测法如CN204257810U、CN205263241U所示属于非接触检测法，该方法最早应用于全封闭气体绝缘开关设备内部的局部放电检测，由于是检测金属腔体内部局部放电，外界空间电磁波被金属腔体隔离，因此基本没有噪声干扰，具有极高的灵敏度，但如果应用于电缆中间接头局部放电检测时，空间电磁波干扰信号的频率很多，且随机变化，电缆中间接头局部放电时产生的电磁波信号很微弱，传输到地面后就更加微弱了，往往干扰信号强度要远远超过局部放电产生的特高频信号，现场检测效果很差。
发明内容
为了解决背景技术中提到的现有检测方法的不足，本发明的目的在于提供一种基于动态多重陷波法的电缆接头局部放电信号检测方法，采用多重时变陷波法将微弱的特高频放电信号从随机变化的空间电磁波干扰信号中提取出来，以便准确地检测出电缆中间接头内部局部放电缺陷。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
基于动态多重陷波法的电缆接头局部放电信号检测方法，
双向定位探测天线一接收端接收空间传输过来的空间电磁波干扰信号，所述空间电磁波干扰信号不混有电缆中间接头局部放电产生的电磁脉冲信号，并将所述空间电磁波干扰信号传输给信号处理模块，信号处理模块通过公式一进行快速傅里叶变换，将接收到的空间电磁波干扰信号的时域信号变换为一号频谱信号，且信号处理模块通过多重陷波策略，按照公式二/>进行，确定一号频谱信号中的陷波频段区域，当干扰信号频谱密度Q大于预设的确定值时，即认为该频段区域为需要滤除的陷波频段区域。
双向定位探测天线另一接收端接收混合电磁波信号，所述混合电磁波信号包含空间电磁波干扰信号和电缆中间接头局部放电产生的电磁脉冲信号，并将所述混合的电磁波信号传输给信号处理模块，信号处理模块通过公式一进行快速傅里叶变换将接收到的混合的电磁波信号的时域波形变换为二号频谱信号，然后信号处理模块将二号频谱信号按照S1获得的需要滤除的陷波频段区域进行多重滤波，并将二号频谱信号中需要滤除频段归零，得到空间电磁波干扰信号被滤除的三号频谱信号。
信号处理模块对三号频谱信号通过公式三进行逆快速傅里叶变换，将三号频谱信号变换为时域信号。
观察信号处理模块中的脉冲信号判别模块有无接收到脉冲信号，根据脉冲信号判别模块有无接收到脉冲信号，准确检测出电缆中间接头有无局部放电。
公式一：；
其中，为频谱序列值，/>为时域采样序列值，/>为计算序列总长度，n为时域变量值，k为频域变量值，e为指数，j为复数的虚部。
公式二：；
其中，step为一定带宽，即频点n2与频点n1的差值，Q为一定带宽step内干扰信号频谱密度，为频谱序列值，k为频域变量值。
公式三：；
其中，为时域采样序列值，/>为频谱序列值，/>为计算序列总长度，n为时域变量值，k为频域变量值，e为指数，j为复数的虚部。
优选的，所述双向定位探测天线包括朝上设置的一号内置定向天线和朝下设置的二号内置定向天线，一号内置定向天线向上90°左右设置，二号内置定向天线向下90°左右设置，一号内置定向天线远离电缆接收空间电磁波干扰信号，一号内置定向天线接收的空间电磁波干扰信号不混有电缆中间接头局部放电产生的电磁脉冲信号；二号内置定向天线靠近电缆箭头接收混合的电磁波信号，混合的电磁波信号包括空间电磁波干扰信号和电缆中间接头局部放电时产生的电磁脉冲信号。
本发明具有以下有益效果：
本发明为非接触式电缆中间接头局部放电检测方法，与超声波检测法、高频脉冲电流检测法、电容耦合法这些方法相比，本方法能探测大量已经运行的地埋式电缆中间接头的绝缘状态，无需预先预置，也能在有固体物质隔离的情况下非接触探测，适用性强。
本发明是根据当前时刻空间电磁波干扰信号的频谱制定的滤波频段，而且是将多个干扰频段全部滤除，能实时动态地调整滤波频段，因此，能够准确地提取到局部放电脉冲信号。
本发明的多重时变陷波法是通过快速傅里叶变换后在频域上直接对各干扰频段进行置零处理，处理速度非常快，各干扰频段被快速完全地清除，能够在强噪声环境中还原微弱的局部放电脉冲信号。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明检测方法结构示意图；
图2是本发明检测方法原理示意图；
图3是本发明信号处理模块从双向定位探测天线接收到的两路电磁波信号时域波形图；
图4是图3中的时域信号11经过快速傅里叶变换成的频谱信号图；
图5是图3中的时域信号12经过快速傅里叶变换成的频谱信号图；
图6是本图5中的频谱信号通过多重陷波策略进行多重滤波后的频谱信号；
图7是图6中的频谱信号经过逆快速傅里叶变换成的时域波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在对电缆中间接头2局部放电检测时，由于空间电磁波干扰信号（7、8、9）的频率很多，且随机变化，电缆中间接头2局部放电时产生的电磁脉冲信号10又很微弱，传输到地面后就更加微弱了，往往空间电磁波干扰信号（7、8、9）的强度要远远超过局部放电产生的电磁脉冲信号10，现场检测效果很差。
为了解决上述问题，请参阅图1-7所示，本发明提供了一种基于动态多重陷波法的电缆接头局部放电信号检测方法，通过双向定位探测天线3实时动态跟踪空间电磁波干扰信号（7、8、9）频段分布情况，采用多重时变陷波策略从频域上进行快速置零滤波处理，从空间电磁波干扰信号（7、8、9）提取出微弱的电缆中间接头2局部放电产生的脉冲信号10，从而检测电缆中间接头2有无局部放电。
需要说明的是，检测过程中使用到的双向定位探测天线3包括朝上设置的一号内置定向天线4和朝下设置的二号内置定向天线5，一号内置定向天线4向上90°左右设置，二号内置定向天线5向下90°左右设置，一号内置定向天线4远离电缆接收空间电磁波干扰信号7，确保一号内置定向天线4接收的空间电磁波干扰信号7不混有电缆中间接头2局部放电产生的电磁脉冲信号10；二号内置定向天线5靠近电缆中间接头2接收混合的电磁波信号，混合的电磁波信号包括空间电磁波干扰信号（8、9）和电缆中间接头2局部放电时产生的电磁脉冲信号10。
利用此结构设计的双向定位探测天线3，能实时动态地探测出两路信号：一路为空间电磁波干扰信号7，另一路为同时刻的含电缆中间接头2局部放电产生的电磁脉冲信号10的空间电磁波干扰信号（8、9），为后续通过多重时变陷波处理进行电缆中间接头2局部放电产生的电磁脉冲信号10的提取做准备。
具体实施检测时，如图1所示，一号内置定向天线4接收空间电磁波干扰信号7，二号内置定向天线5接收包括空间电磁波干扰信号（8、9）和电磁脉冲信号10的混合电磁波信号；如图2所示，信号处理模块6接收到来自双向定位探测天线3的两路电磁波信号，如图3所示，从内置定向天线4接收到的时域波形11和内置定向天线5接收到的时域波形12在时域上很难分辨出它们的区别，因为此时电缆中间接头2局部放电时产生的电磁脉冲信号10非常微弱，完全淹没在空间电磁波干扰信号（8、9）中了，因此需要信号处理模块6从实时变化的空间电磁波干扰信号（8、9）中提取微弱的电磁脉冲信号10，具体实施步骤如下：
第一步，如图2所示，信号处理模块6将内置定向天线4接收到的空间电磁波干扰信号7通过公式1进行快速傅里叶变换13（FFT），获得空间电磁波干扰信号7的一号频谱信号19，如图4所示，一号频谱信号19分布在不同频段内，强度不同，而且干扰信号频段会随时发生变化的。
公式1：
；
其中：为频谱序列值，/>为时域采样序列值，/>为计算序列总长度，n为时域变量值，k为频域变量值，e为指数，j为复数的虚部。
第二步:通过多重陷波策略14，按照公式2 进行，确定一号频谱信号19中需要滤除的陷波频段区域20（a、b、c、d、e）。
公式2：
；
其中：step为一定带宽，即频点n2与频点n1的差值，Q为一定带宽step内干扰信号频谱密度，为频谱序列值，k为频域变量值，当干扰信号频谱密度Q大于预设的确定值时，即认为该频段区域为需要滤除的陷波频段区域20。
依据内置定向天线4探测到的空间电磁波干扰信号7计算出实时变化的多重陷波频段，因此，通过多重陷波策略所获得的各需要滤除的陷波频段区域20是根据空间电磁波干扰信号7时刻动态变化的，能做到将现场实时变化的空间电磁波干扰信号7准确滤除。
第三步:信号处理模块6将内置定向天线5接收到的混合电磁波信号通过公式1进行快速傅里叶变换（FFT），获得如图5所示二号频谱信号图，二号频谱信号里面包含了空间电磁波干扰信号（8、9）的一号频谱信号19和电缆中间接头2局部放电时产生的电磁脉冲信号10的频谱信号21。
第四步:将图5的二号频谱信号按第二步通过多重陷波策略14获得的需要滤除的陷波频段区域20（a、b、c、d、e）进行多重滤波，直接将需滤除频段归零，即可得图6的三号频谱信号图，在图6中，空间电磁波干扰信号（8、9）的一号频谱信号19被滤除，同时频谱信号21局部被滤除形成新的频谱信号22，由于电磁脉冲信号10是超宽带频谱信号，虽然部分频段被滤除，信号某些分量有缺失，但不影响电磁脉冲信号10的主体轮廓。
第五步:对如图6所示的经过多重陷波处理后的频谱信号22，按公式3进行逆快速傅里叶变换17（IFFT），将频谱信号22变换为时域信号24，如图7所示，该时域信号24即为经过多重陷波处理后提取出的电磁脉冲信号10，虽然与原始的电磁脉冲信号10得到的时域信号23相比，幅值、斜率等特征量有所变化，但整体轮廓依然能清晰识别出为电磁脉冲信号10。
公式3：
；
其中：为时域采样序列值，/>为频谱序列值，/>为计算序列总长度，n为时域变量值，k为频域变量值，e为指数，j为复数的虚部。
第六步：观察信号处理模块中的脉冲信号判别模块18有无接收到脉冲信号，根据脉冲信号判别模块有无接收到脉冲信号，准确检测出电缆中间接头有无局部放电，检测时，若脉冲信号判别模块18在步骤五后接收到提取的电磁脉冲信号10，则说明检测的电缆中间接头2存在局部放电，若没有接收到电磁脉冲信号10，则说明检测的电缆中间接头2不存在局部放电。
以上对本发明的较佳实施例进行了详细说明，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (5)
1.基于动态多重陷波法的电缆接头局部放电信号检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，双向定位探测天线一接收端接收空间传输过来的空间电磁波干扰信号，所述空间电磁波干扰信号不混有电缆中间接头局部放电产生的电磁脉冲信号，并将所述空间电磁波干扰信号传输给信号处理模块，信号处理模块通过快速傅里叶变换将接收到的空间电磁波干扰信号的时域信号变换为一号频谱信号，且信号处理模块通过多重陷波策略确定一号频谱信号中的陷波频段区域，以确定需要滤除频段区域；具体通过以下公式进行多重陷波策略计算：
；
其中，step为一定带宽，即频点n2与频点n1的差值，Q为一定带宽step内干扰信号频谱密度，为频谱序列值，k为频域变量值；当干扰信号频谱密度Q大于预设的确定值时，即认为一号频谱信号中该频段区域为需要滤除的陷波频段区域；
S2，双向定位探测天线另一接收端接收混合电磁波信号，所述混合电磁波信号包含空间电磁波干扰信号和电缆中间接头局部放电产生的电磁脉冲信号，并将所述混合电磁波信号传输给信号处理模块，信号处理模块通过快速傅里叶变换将接收到的混合电磁波信号的时域波形变换为二号频谱信号，然后信号处理模块将二号频谱信号按照S1获得的需要滤除陷波频段区域进行多重滤波，并将二号频谱信号中需要滤除频段归零，得到滤除了空间电磁波干扰信号的三号频谱信号；
S3，信号处理模块对三号频谱信号进行逆快速傅里叶变换，将三号频谱信号变换为时域信号；
S4，观察信号处理模块中的脉冲信号判别模块有无接收到脉冲信号，根据脉冲信号判别模块有无接收到脉冲信号，准确检测出电缆中间接头有无局部放电。
2.根据权利要求1所述的基于动态多重陷波法的电缆接头局部放电信号检测方法,其特征在于：在步骤S1和S2中，通过以下公式进行快速傅里叶变换：
；
其中，为频谱序列值，/>为时域采样序列值，/>为计算序列总长度，n为时域变量值，k为频域变量值，e为指数，j为复数的虚部。
3.根据权利要求2所述的基于动态多重陷波法的电缆接头局部放电信号检测方法,其特征在于：在步骤S3中，通过以下公式进行逆快速傅里叶变换：
；
其中，为时域采样序列值，/>为频谱序列值，/>为计算序列总长度，n为时域变量值，k为频域变量值，e为指数，j为复数的虚部。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于动态多重陷波法的电缆接头局部放电信号检测方法,其特征在于：所述双向定位探测天线包括朝上设置的一号内置定向天线和朝下设置的二号内置定向天线，一号内置定向天线远离电缆接收空间电磁波干扰信号，所述空间电磁波干扰信号不混有电缆中间接头局部放电产生的电磁脉冲信号；二号内置定向天线靠近电缆箭头接收混合电磁波信号，所述混合电磁波信号包括空间电磁波干扰信号和电缆中间接头局部放电时产生的电磁脉冲信号。
5.根据权利要求4所述的基于动态多重陷波法的电缆接头局部放电信号检测方法,其特征在于：所述一号内置定向天线垂直向上90°设置，所述二号内置定向天线垂直向下90°设置。
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