專利名稱：一種鎧裝電力電纜故障在線監(jiān)測與實時測距的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電纜故障的檢測方法，具體涉及一種鎧裝電力電纜故障在線監(jiān)測與實時測距的方法。
背景技術(shù)：
隨著城市建設(shè)的發(fā)展，配網(wǎng)線路的敷設(shè)方式逐步由裸線架空型過渡到電纜地下暗敷設(shè)。比較架空線路和地下電纜線路，二者在故障測距方面雖有相通之處，但也存在明顯的不同。尤其是地下電纜多用于中低壓輸電，長度相對較短，且其故障不可觀測，如果故障測距結(jié)果相差數(shù)百米，那么就已失去了測距的價值；而且，地下電纜故障檢修困難，如果故障測距不準(zhǔn)確，將會造成大量的人力、物力和財力浪費。因此，地下電纜線路測距需要有更為精確的測距方法。從技術(shù)角度來講，目前人們采用和研究的電纜故障測距方法主要是離線測距，即在發(fā)生電纜故障以后，采取先斷電再測距的方法。這樣就要求電力使用部門必需同時擁有電力電纜故障的實時監(jiān)測及事后測距兩套獨立系統(tǒng)，從一定程度上增加了故障測距成本和復(fù)雜度。此外，從故障測距的原理方法上，目前普遍采用電纜芯線回路，即由電纜芯線構(gòu)成的各種電路回路，如芯線與屏蔽層構(gòu)成的電路回路及芯線間構(gòu)成的電路回路等，然后借助不同的測距方法，比如電橋法或行波法等，以識別和測量電纜故障。由于電纜芯線主要擔(dān)負(fù)高壓輸電任務(wù)，其輸電電壓與故障測距所要求的信號電壓很難一致，因此利用芯線回路進(jìn)行故障測距較難與芯線輸電同時進(jìn)行，不能實現(xiàn)在線測距。由以上分析可知 ，由于目前正在使用的各種電纜故障測距主要基于電纜芯線回路，因此只能采取離線測距的方法，不能實現(xiàn)在線實時測距；而且，離線測距還會帶來故障監(jiān)測與故障測距分離，需要同時建設(shè)兩套獨立系統(tǒng)的問題。因此，在電力電纜故障測距領(lǐng)域亟需開展能同時完成電纜故障的在線監(jiān)測和實時測距的方法和技術(shù)研究。

發(fā)明內(nèi)容
針對以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明通過對現(xiàn)有電力電纜故障測距方法的優(yōu)缺點以及測距原理的深入研究，提出了一種利用鎧裝電力電纜的鎧裝層與大地之間形成的回路，以及小波分析技術(shù)進(jìn)行電力電纜故障在線監(jiān)測和實時測距的新方法，可廣泛用于電纜防盜和線路檢修等領(lǐng)域。目前國內(nèi)外尚未見到與該發(fā)明方法類似的研究和應(yīng)用報道，因此本發(fā)明具有重要的理論和實際應(yīng)用價值。本發(fā)明的目的是提供一種鎧裝電力電纜故障在線監(jiān)測與測距的方法，用于解決目前電力電纜故障缺乏有效的在線監(jiān)測與實時測距的技術(shù)手段的問題。本發(fā)明在電纜測量端的鎧裝層和大地之間施加和發(fā)射行波脈沖信號，行波脈沖信號在由鎧裝層和大地之間形成的行波傳輸系統(tǒng)中沿著電纜方向傳播，在電纜的另一端的鎧裝層和大地之間設(shè)置匹配負(fù)載，匹配負(fù)載與行波傳輸系統(tǒng)的特征阻抗匹配，從而在鎧裝層與大地之間形成回路。
本發(fā)明的一種鎧裝電力電纜故障在線監(jiān)測與測距的方法，包括以下步驟:I)在電纜的測量端的鎧裝層與大地之間施加和發(fā)射低壓的發(fā)射行波脈沖信號，并記錄發(fā)射行波脈沖信號的波形和時間；2)根據(jù)電纜的測量端收到的反射行波信號，判斷有無電纜故障，如果有故障則進(jìn)入步驟3)，如果沒有故障則返回步驟I)；3)利用小波分析技術(shù)對反射行波信號進(jìn)行消噪處理和檢測分析，獲得反射行波信號到達(dá)測量端的準(zhǔn)確時間；4)根據(jù)測量端得到的發(fā)射行波脈沖信號與反射行波信號間的時間差，以及行波傳播速度，計算故障點的準(zhǔn)確位置。本發(fā)明主要針對的電纜故障類型是電纜開路及斷路故障，這類故障在芯線和鎧裝層中同時發(fā)生，因此能夠通過檢測鎧裝層得到整個電纜的狀態(tài)。本發(fā)明基于行波法測距的基本原理，其中，在步驟I)中，在電纜的測量端的鎧裝層與大地之間連續(xù)不斷地施加和發(fā)射低壓行波脈沖信號，并記錄測量端發(fā)射的行波信號波形以及發(fā)射時間；在步驟2)中，主要根據(jù)測量端是否收到反射行波信號判定是否發(fā)生電纜故障；在步驟3)中對有故障情況下測量端收到的反射行波信號利用小波分析技術(shù)進(jìn)行信號處理，從而獲得反射行波信號到達(dá)測量端的準(zhǔn)確時間；在步驟4)中，先計算測量端發(fā)射的行波信號與接收到的反射行波信號間的時間差；然后與行波傳播速度相乘得到距離，最后將該距離除以二即可獲得故障點的準(zhǔn)確位置。在步驟I)中，發(fā)射脈沖的時間寬度和前后脈沖間的時間間隔主要由故障點距離來定。如果時間參數(shù)設(shè)計不合理造成反射脈沖與發(fā)射脈沖重迭，便無法區(qū)分出來，此時將不能測出故障點的距離，出現(xiàn)盲區(qū)；發(fā)送脈沖愈寬，測量盲區(qū)愈大。但是，設(shè)計發(fā)射脈沖的時間參數(shù)還需兼顧反射脈沖的檢測難度問題。從減小盲區(qū)的角度來看，發(fā)射脈沖窄一些好，但脈沖愈窄，它所包含的高頻分 量愈豐富，因而線路高頻損耗大，反射脈沖幅值小，畸變更嚴(yán)重，這將影響后續(xù)的反射信號檢測效果和故障測距精度。為了解決這一問題，本發(fā)明將發(fā)射行波脈沖信號的寬度分為若干個范圍，根據(jù)測量距離來選擇脈沖寬度，測量距離愈遠(yuǎn)，脈沖寬度愈寬，測量距離愈短，脈沖寬度愈窄。在步驟2)中，當(dāng)測量端的發(fā)射行波脈沖信號遇到阻抗不匹配點的故障點(如電纜的短路或斷路)時會發(fā)生反射，在測量端會收到相關(guān)的反射行波信號，則需要在測量端記錄收到的反射行波信號，進(jìn)入步驟3)。而當(dāng)電纜沒有發(fā)生故障時，此時由于被測電纜的另一端設(shè)置有匹配負(fù)載，處于阻抗匹配狀態(tài)，所以在測量端不會收到相關(guān)的反射行波信號。因此，可以通過不斷檢測測量端是否收到反射行波信號來判斷是否出現(xiàn)電纜故障，從而實現(xiàn)電纜故障的在線監(jiān)測。在步驟3)中，小波分析技術(shù)主要用于對測量端接收到的反射行波信號進(jìn)行特征分析，從而獲得反射信號的準(zhǔn)確起始時間，以提高故障測距精度。其主要方法是:采用求解小波變換模極大值的方法檢測反射行波信號中的奇異點，作為反射行波信號到達(dá)測量端的起始時刻點。利用小波分析技術(shù)對反射行波信號進(jìn)行特征分析的主要過程如下:a)對反射行波信號進(jìn)行小波變換，求取各尺度下的模極大值；b)在低頻高尺度下考察保留下的模極大值，尋找反射行波信號的波頭最大值出現(xiàn)的位置T1，該時刻為行波波頭到達(dá)的大致時刻；c)在確定初始波頭到達(dá)時刻的尺度下考察模極大值的分布，在初始波頭到達(dá)后的2范圍內(nèi)進(jìn)
P
行搜索，采用小波方法確定反射行波信號相應(yīng)的模極大值的位置，即為反射行波信號到達(dá)測量端的準(zhǔn)確時間，其中，I是電纜線路總長度，V是行波傳播速度。本發(fā)明利用電纜鎧裝層與大地形成的回路進(jìn)行電纜故障測距，從而同時實現(xiàn)了電纜故障在線監(jiān)測和實時測距的雙重功能。由于測距系統(tǒng)與高壓電纜的芯線之間沒有直接的電氣連接，不僅安全可靠，而且在工作時完全不影響電纜的正常輸電任務(wù)，因此可以在電纜輸電的同時實現(xiàn)電纜故障的在線監(jiān)測和實時測距。本發(fā)明通過將故障檢測和故障測距合二為一，不僅降低了設(shè)備復(fù)雜度和成本，而且也減少了操作復(fù)雜度，提高了故障檢測和測距效率。此外，本發(fā)明利用小波分析技術(shù)分析獲取反射行波脈沖信號的準(zhǔn)確到達(dá)時間，提高故障測距精度。準(zhǔn)確標(biāo)定故障反射信號的行波波頭到達(dá)時刻是保證和提高測距精度的關(guān)鍵。需要考慮兩方面的主要因素:一是行波頻散問題。行波脈沖信號中含有豐富的頻率分量，且每一種頻率分量的傳播速度和衰減常數(shù)都不相同，因此會導(dǎo)致行波脈沖信號在傳輸過程中波形發(fā)生變形，具體表現(xiàn)為行波波頭部分具有一定的上升時間。傳統(tǒng)的脈沖檢測方法主要是通過比較脈沖信號是否越過門檻值實現(xiàn)檢測，其判斷力和抗干擾能力差，難以精確地確定反射行波波頭前沿到達(dá)的時刻。二是傳輸過程引入的噪聲問題。傳統(tǒng)消噪方法普遍只適用于信號平穩(wěn)且具有明顯區(qū)別于噪聲頻譜特征的情況，但由于電纜故障測距信號是含有大量高頻分量的非平穩(wěn)信號，因此如果采用傳統(tǒng)的消噪方法效果將不是很理想。由于小波分析技術(shù)是一種可以自適應(yīng)地從時頻域同時進(jìn)行信號局部化分析，并且能夠聚焦到信號時域和頻域任意細(xì)節(jié)的分析方法。因此，本發(fā)明利用小波分析技術(shù)，對反射行波信號在不同尺度下進(jìn)行干擾分析和抑制，通過小波變換模極大值及奇異性檢測原理可以檢測獲得反射行波信號的準(zhǔn)確到達(dá)時間。本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明通過利用電纜的鎧裝層與大地形成的回路，以及小波分析技術(shù)進(jìn)行電纜故障點的測距，可同時實現(xiàn)電纜故障的在線監(jiān)測和實時測距的雙重功能，簡化了設(shè)備復(fù)雜度和操作復(fù)雜度，提高了故障檢測和測距效率，解決了電力電纜故障普遍缺乏有效的在線監(jiān)測與實時測距手段的技術(shù)難點問題。


圖1為本發(fā)明的鎧裝電力電纜故障在線監(jiān)測與實時測距的方法的原理示意圖；圖2為本發(fā)明的鎧裝電力電纜故障在線監(jiān)測與實時測距的方法的流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，通過實施例詳細(xì)描述本發(fā)明。如圖1所示，在電纜的測量端A的鎧裝層4和大地之間施加和發(fā)射行波脈沖信號s,行波脈沖信號在銷裝層4和大地之間形成的行波傳輸系統(tǒng)中沿著電纜的方向傳播,在電纜另一端B的鎧裝層與大地之間設(shè)置匹配負(fù)載R，匹配負(fù)載與行波傳輸系統(tǒng)的特征阻抗匹配，從而鎧裝層與大地之間形成回路。當(dāng)發(fā)射行波脈沖信號s遇到電纜的故障點P時，反射行波信號r沿反方向傳輸至測量端A。其中，電纜包括外護(hù)套1、絕緣層2、芯線3及鎧裝層4。I)在電纜測量端的鎧裝層與大地之間施加和發(fā)射低壓的發(fā)射行波脈沖信號，并記錄發(fā)射行波脈沖信號的波形和時間。由于本發(fā)明主要針對的電纜故障類型是電纜開路及斷路故障，因此在行波法中采用了比較簡單有效的低壓脈沖反射法，脈沖電壓選取典型值500V，但主要區(qū)別是由目前電纜的芯線構(gòu)成的電路回路改成由鎧裝層與大地之間構(gòu)成的回路，因此，本發(fā)明發(fā)射的行波脈沖電壓是施加在電力電纜的測量端的鎧裝層與大地之間，然后在由電纜的鎧裝層與大地之間構(gòu)成的行波傳輸系統(tǒng)中傳播。為了實現(xiàn)電纜故障的在線測距，其前提是要及時發(fā)現(xiàn)故障，因此本發(fā)明需要連續(xù)不斷地從測量端發(fā)射低壓行波脈沖信號，并記錄發(fā)射的行波信號波形以及發(fā)射時間，以便后續(xù)步驟能夠不斷地針對反射行波信號的特征進(jìn)行故障判斷，從而及時地發(fā)現(xiàn)電纜故障。設(shè)計發(fā)射脈沖的時間寬度和前后脈沖間的時間間隔需要根據(jù)故障點的距離及反射行波信號的檢測難度(或故障測距精度)來綜合決定。以故障點距離為例，假設(shè)脈沖發(fā)射寬度是0.5 μ S，電纜波速度是160m/μ S，則其測量盲區(qū)為40m，此時就要求其最近故障點距離不能小于40m。具體根據(jù)測量距離來選擇脈沖寬度，測量距離愈遠(yuǎn)，脈沖寬度愈寬。2)根據(jù)電纜測量端收到的反射行波信號，判斷有無電纜故障。首先根據(jù)電纜測量端收到的反射行波信號，判斷有無電纜故障。如果電纜沒有發(fā)生故障，則由于被測電纜的另一端處于阻抗匹配狀態(tài)，在測量端不會收到反射行波信號；但如果電纜發(fā)生故障，則在電纜中的故障點由于阻抗不匹配會產(chǎn)生反射，在測量端就會收到反射行波信號，因此可以據(jù)此判斷是否發(fā)生電纜故障。3)在判斷存在電纜故障的情況下，針對測量端收到的反射行波信號，利用小波分析技術(shù)進(jìn)行信號特征分析，從而獲得故障反射行波信號到達(dá)測量端的準(zhǔn)確時間。本發(fā)明選擇小波分析技術(shù)來檢測電纜故障，主要是利用了反射行波信號的起始點存在奇異性(信號的奇異點即對應(yīng)于故障發(fā)生時刻)，以及小波變換模極大值的奇異性檢測原理(小波變換的模極大值點即為信號的奇異點)。利用小波技術(shù)分析反射行波信號的主要過程如下:a)對反射行波信號進(jìn)行小波變換，求取各尺度下的模極大值。觀察模極大值在不同尺度下的變化情況，對于隨尺度增大，模極大值增大的則保留；隨尺度增大，模極大值減小的予以去除，不再考慮。即濾除所有不能向下一尺度傳播、和不是由上一尺度傳遞來的模極大值。b)在低頻高尺度下考察保留下的模極大值，尋找反射行波信號的波頭最大值出現(xiàn)的位置T1，該時刻為行波波頭到達(dá)的大致時刻。在高頻低尺度下，T1時刻附近領(lǐng)域內(nèi)查找行波信號突變點，最靠近T1時刻的突變點是初始行波波頭的突變信號。C)在確定初始波頭到達(dá)時刻的尺度下考察模極大值的分
布，在初始波頭到達(dá)后的￥范圍內(nèi)進(jìn)行搜索(I是電纜線路總長度，V是行波傳播速度)，采
用小波方法確定反射行波信號相應(yīng)的模極大值的位置，即為反射行波信號到達(dá)測量端的準(zhǔn)確時間。在具體應(yīng)用小波分析技術(shù)時，考慮到噪聲影響，因此需要預(yù)先設(shè)定一個合理的閥值，當(dāng)反射行波信號的小波變換的模極大值大于閥值時，認(rèn)為電纜有故障；當(dāng)反射行波信號的小波變換的模極大值小于閥值時， 則認(rèn)為低于閥值的模極大值是由噪聲或隨機(jī)干擾產(chǎn)生的，不屬于電纜故障。4)根據(jù)測量端得到的發(fā)射行波脈沖信號與反射行波信號間的時間差，將測得的發(fā)射行波脈沖信號與反射行波信號間的時間差與行波傳播速度相乘，除以二即可獲得故障點的準(zhǔn)確位置。其中，如何準(zhǔn)確獲得由鎧裝層與大地構(gòu)成的行波傳輸系統(tǒng)的行波傳播速度是本發(fā)明的另外一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其結(jié)果將直接影響最終測距精度。但是，本發(fā)明的行波傳輸系統(tǒng)與目前所普遍采用的有較大不同。由于行波是在由圓柱形空心的鎧裝層和大地構(gòu)成的行波傳輸系統(tǒng)中傳輸，其傳輸介質(zhì)相對比較復(fù)雜，既包含有電纜最外層的塑膠材料，還包含由敷設(shè)方式?jīng)Q定的各種地下環(huán)境，這些都會影響行波傳播速度，從而影響到測距的準(zhǔn)確性。為此，本發(fā)明根據(jù)鎧裝層的構(gòu)造，外護(hù)套的材料，以及地下環(huán)境，通過電磁仿真分析手段，如商業(yè)電磁仿真工具HFSS、ANSYS等，對行波傳輸系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，從而獲得準(zhǔn)確的行波傳播速度等特性參數(shù)。最后需要注意的是，公布實施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍 為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種鎧裝電力電纜故障在線監(jiān)測與實時測距的方法，其特征在于，所述方法，包括以下步驟: 1)在電纜的測量端的鎧裝層與大地之間施加和發(fā)射低壓的發(fā)射行波脈沖信號，并記錄發(fā)射行波脈沖信號的波形和時間； 2)根據(jù)電纜的測量端收到的反射行波信號，判斷有無電纜故障，如果有故障則進(jìn)入步驟3)，如果沒有故障則返回步驟I)； 3)利用小波分析技術(shù)對反射行波信號進(jìn)行消噪處理和檢測分析，獲得反射行波信號到達(dá)測量端的準(zhǔn)確時間； 4)根據(jù)測量端得到的發(fā)射行波脈沖信號與反射行波信號間的時間差，以及行波傳播速度，計算故障點的準(zhǔn)確位置。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟I)中，所述發(fā)射行波脈沖信號的寬度分為若干個范圍，根據(jù)測量距離來選擇脈沖寬度，測量距離愈遠(yuǎn)，脈沖寬度愈寬，測量距離愈短，脈沖寬度愈窄。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟2)中，當(dāng)測量端的發(fā)射行波脈沖信號遇到阻抗不匹配點的故障點時會發(fā)生反射，在測量端會收到相關(guān)的反射行波信號；而當(dāng)電纜沒有發(fā)生故障時，此時由于被測電纜的另一端設(shè)置有匹配負(fù)載，處于阻抗匹配狀態(tài)，在測量端不會收到相關(guān)的反射行波信號。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在步驟3)中，利用小波分析技術(shù)對反射行波信號進(jìn)行特征分析的主要過程如下:a)對反射行波信號進(jìn)行小波變換，求取各尺度下的模極大值山)在低頻高尺度下考察保留下的模極大值，尋找反射行波信號的波頭最大值出現(xiàn)的位置T1，該時刻為行波波頭到達(dá)的大致時刻；c)在確定初始波頭到達(dá)時刻的尺度下考察 模極大值的分布，在初始波頭到達(dá)后的f范圍內(nèi)進(jìn)行搜索，采用小波方法確定反射行波信 V號相應(yīng)的模極大值的位置，即為反射行波信號到達(dá)測量端的準(zhǔn)確時間，其中，I是電纜線路總長度，V是行波傳播速度。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟4)中，先計算測量端發(fā)射的行波信號與接收到的反射行波信號間的時間差；然后與行波傳播速度相乘得到距離，最后將該距離除以二即可獲得故障點的準(zhǔn)確位置。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，考慮到噪聲影響，需要預(yù)先設(shè)定一個合理的閥值，當(dāng)反射行波信號的小波變換的模極大值大于閥值時，認(rèn)為電纜有故障；當(dāng)反射行波信號的小波變換的模極大值小于閥值時，則認(rèn)為低于閥值的模極大值是由噪聲或隨機(jī)干擾產(chǎn)生的，不屬于電纜故障。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，根據(jù)鎧裝層的構(gòu)造，外護(hù)套的材料，以及地下環(huán)境，通過電磁仿真分析手段，對行波傳輸系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，從而獲得準(zhǔn)確的行波傳播速度等特性參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鎧裝電力電纜故障在線監(jiān)測與實時測距的方法。本發(fā)明利用電纜鎧裝層與大地形成的回路進(jìn)行電纜故障測距，由于測距系統(tǒng)與高壓電纜的芯線之間沒有直接的電氣連接，不僅安全可靠，而且在工作時完全不影響電纜的正常輸電任務(wù)。本發(fā)明通過利用電纜的鎧裝層與大地形成的回路，以及小波分析技術(shù)進(jìn)行電纜故障點的測距，可同時實現(xiàn)電纜故障的在線監(jiān)測和實時測距的雙重功能，簡化了設(shè)備復(fù)雜度和操作復(fù)雜度，提高了故障檢測和測距效率，解決了電力電纜故障普遍缺乏有效的在線監(jiān)測與實時測距手段的技術(shù)難點問題，通過將故障檢測和故障測距合二為一，不僅降低了設(shè)備復(fù)雜度和成本，而且也減少了操作復(fù)雜度，提高了故障檢測和測距效率。
文檔編號G01S13/08GK103217612SQ20131009341
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月22日
發(fā)明者譚云華, 閆淑輝 申請人:北京大學(xué)