一种交流电缆内部波速特性的检测方法及检测系统与流程

本发明属于电气设备技术领域，具体涉及一种基于扫频法对交流电缆内部波速特性的研究方法及测试系统。

背景技术：

随着中国经济的高速发展，城镇现代化趋势已越发明显，电力电缆作为城市配电网的重要组成部分获得了极快发展，其年平均增长达到35%。交联聚乙烯绝缘电缆(简称xlpe电缆)以其优越的电气性能和机械物理性能逐渐替代充油电缆，成为应用最为广泛的电缆类型，目前在电压等级10～220kv的电网中被大量使用。

对于交流高压电缆进行内部特性研究也越来越重要了，例如用于对高压电力电缆的局部放电检测及定位、对于系统安全稳定运行及日常检修维护需求。随着电力电缆网络的不断扩大，系统内部电力电缆设备局部故障时有发生，通过电缆内部波速特性研究快速准确实现对故障定位至关重要。

经研究发现，电缆内部局放信号传播速度为频率的函数，不同频率分量的信号波速不同，频率越高，传播速度越快（色散现象）。由于局部放电信号为从低频到高频的宽频信号，如采用传统的通过经验固定波速进行计算造成的定位误差不可忽略。因此，基于电缆频变传输特性，设计一套针对一定长度的高压电力电缆内部不同频率分量信号的波速特性研究系统，并基于试验结论进而完成电缆局部放电准确定位及故障可靠检测，具有重要的工程意义。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能有效进行交流高压电缆内部波速特性检测的方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种交流电缆内部波速特性的检测方法，包括以下步骤：

（1）根据扫频法，向待测试电缆发送扫频信号；

（2）分别采集待测试电缆首尾两端的检测信号和响应信号，依次进行滤波和放大处理，得到两路预处理信号；

（3）将两路预处理信号进行交叉傅里叶变化处理，得到两路信号相位差值，进而得到待测试电缆内部波速特性。

进一步的，本发明检测方法包括以下步骤：

（1）根据扫频法，向待测试电缆发送正弦扫频信号；正弦扫频信号为预设频率随时间在预设频率范围内反复扫描的正弦信号；预设频率范围为100k-20mhz；

（2）与步骤（1）中的不同时间发送的正弦扫频信号同步，分别采集待测试电缆首尾两端的检测信号和响应信号，依次进行滤波和放大处理，得到不同预设频率的正弦扫频信号对应的两路预处理信号；

（3）根据步骤（2）中的不同频率下的正弦扫频信号和对应的两路预处理信号，获取预设频率范围内多个预设频率分别对应的波速传输曲线；对相对应的两路预处理信号进行交叉傅里叶变化处理，得到不同预设频率下对应的频域相位差值，进而得到待测试电缆内部频变传输特性。

其中，步骤（1）中正弦扫频信号的频率变化方式为在预设频率范围内线性增加输出；不同预设频率的扫频信号的输出方式为持续性输出或间隔预设时长先后输出；预设时长大于正弦扫频信号的扫频周期。

步骤（2）中对待测试电缆首尾两端采集到的检测信号和响应信号进行滤波和放大处理时，仅提取检测信号和响应信号中与正弦扫频信号的频率对应的信号。

步骤（3）的具体过程为：根据不同频率正弦扫频信号对应的两路预处理信号：

；

其中，u1、u2代表不同频率的两路预处理信号，初始相位均为，初始相位差值为，两路预处理信号最终在数字示波器上实现时域上双踪显示，通过交叉傅里叶运算公式：

；

其中：，从而实现信号时域和频域的数字转换；计算出信号在电缆通道内传播时间差值δt，从而根据l/∆t得出传播速度，l为待测试电缆的总长度；通过对采集到的全部预设频率下的频变信号进行数学分析，可得到与不同频率信号一一对应的不同波速值；绘制出波速随频率变化特性图，即得到待测试电缆内部频变传输特性。

待测试电缆的总长度为100m-500m。

本发明还提供了一种交流电缆内部波速特性的检测系统，包括：

扫频信号发生器，输出扫频信号至待测试电缆；

信号采集装置，通过双屏蔽同轴信号传输线采集待测试电缆的首尾两端的两路信号；

信号调整装置，接收信号采集装置的两路信号后进行滤波和放大处理；

信号处理装置，对信号调整装置处理后的信号进行交叉傅里叶变换，获得两路信号频域相位差值，进而得到待测试电缆内部波速特性。

其中，信号调整装置包括rl滤波器和信号放大器；信号采集装置依次通过rl滤波器、信号放大器和信号处理装置相连；信号采集装置包括工控机和采集卡；待测试电缆的首尾两端分别通过双屏蔽同轴信号传输线与采集卡相连；采集卡分别与工控机、扫频信号发生器相连；工控机与rl滤波器相连。

检测系统还包括两个试验信号匹配阻抗；待测试电缆的首尾两端分别连接对应的试验信号匹配阻抗一端；试验信号匹配阻抗的另一端接地。

信号处理装置包括数字示波器和信号傅里叶变换系统；信号放大器通过数字示波器与信号傅里叶变换系统相连。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明基于扫频法，通过从电缆首尾两端采集的信号，反映出电缆对间隔注入的正弦扫描信号的不同响应，进而分析得到测试电缆内部频变传输特性。本发明可以实现针对一定长度的高压电力电缆内部信号传输速度随频率变化特性研究，方案简单可行，抗干扰性强且灵敏度高。

附图说明

图1为本发明基于扫频法（脉冲响应法）对交流电缆内部波速特性检测系统的结构框图；

图2为采用本发明交流电缆内部波速特性检测方法时在一组特定频率下的双踪扫频信号观测结果；

图3为采用本发明交流电缆内部波速特性检测方法得到的特定频变传输特性图。

图中，1-扫频信号发生器、2-高压电力电缆、3-试验信号匹配阻抗、4-信号传输线、5-信号采集装置、6-信号调整装置、7-rl滤波器、8-信号放大器、9-信号处理装置。

图2中，信号1为第一预处理信号，信号2为第二预处理信号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明一种基于扫频法对交流电缆内部波速特性测试系统，包括扫频信号发生器1、实验信号匹配阻抗3、信号传输线4、信号采集装置5、信号调整装置6和信号处理装置9。信号传输线4采用双屏蔽同轴信号传输线。信号调整装置6包括rl滤波器7和信号放大器8。扫频信号发生器1向高压电力电缆2首端注入不同电压频率的扫频信号，经由一定长度的高压电力电缆2进行信号传输；高压电力电缆2首尾两端分别并联两个试验信号匹配阻抗3；双屏蔽同轴信号传输线4同时采集两路扫频信号，并由信号采集装置5进行存储；两路扫频信号通过rl滤波器7及信号放大器8进行滤波放大，得到两路预处理信号；信号处理装置9对经由信号调整装置6的两路预处理信号进行交叉傅里叶变换，得到频域下的电压相位差∆φ(ω)，进而得到电力电缆内部波速特性。

扫频信号发生器1预设频率范围可以根据实际情况具体设置，例如，本实施例中，预设频率范围为100k-20m赫兹。正弦扫频信号指频率随时间在一定范围内反复扫描的信号。本实施例中，正弦扫频信号为频率随时间在100k-20m赫兹范围内反复扫描的正弦信号。扫频信号可由扫频信号发生器1线性增加输出。

高压电力电缆2为同轴测试电缆，基于扫频信号频带限制，测试电缆长度范围以100-500m效果最佳，本发明附图中对应测试电缆长度为450m。

高压电力电缆2两端并接有两个试验信号匹配阻抗3，试验信号匹配阻抗3另一端与大地保持等电位，本系统中，通过试验信号匹配阻抗可减少测试信号发生衰减和畸变。

信号采集装置由工控机、采集卡共同组成，试验过程中需同时采集并保存两路扫频信号。

信号调整装置由rl滤波电路和前置放大器共同完成检测信号的滤波和放大。试验要求经滤波放大后的预处理信号需要同时满足较高的分辨率及灵敏性，以保证试验结论准确可靠。

信号处理装置由数字滤波器和傅里叶变换系统先后实现双踪电压扫频信号的波形时域显示和交叉傅里叶变换。在频域范围内根据双踪信号相位差推导电缆内部频变速度特性。

向高压电力电缆2首端注入所述正弦扫频信号，可以是持续性注入相同的正弦扫频信号，也可以是以预设时长为间隔先后注入正弦扫频信号，例如第一次注入正弦扫频信号一段时间后，再次注入同样的正弦扫频信号。其中，预设时长需大于正弦扫频信号的扫频周期。

从高压电力电缆2首尾两端各采集得到第一检测信号和第二检测信号，并分别对第一检测信号和第二检测信号进行滤波放大处理，得到第一预处理信号和第二预处理信号。

其中，第一检测信号和第二检测信号的采集与不同时间注入的正弦扫频信号同步。具体为，从高压电力电缆2首端同步采集对应第一个正弦扫频信号的检测信号，得到第一检测信号，然后再同步采集高压电力电缆2尾端的响应信号，得到第二检测信号。

扫频正弦信号从高压电力电缆2首端注入经过一定长度的电缆本体传输的时间不同，从电缆末端采集的响应信号可能不同。因此，采集的第一检测信号和第二检测信号可以反映出高压电缆对间隔注入的正弦扫频信号的不同响应。

通过对第一检测信号和第二检测信号进行滤波放大处理，可以只提取第一检测信号和第二检测信号中与正弦扫频信号的频率对应的信号，可提高信噪比和信号的抗干扰性。

根据正弦扫频信号和第一预处理信号，获取预设频率范围内的多个预设频率分别对应波速传输曲线。通过所述数字示波器双踪通道进行显示，可得具有不同幅值和相位的正弦波信号传输曲线（如图2所示）。对时域下具有一定相位差值的信号进行交叉傅里叶变换，得到不同频率下的频域相位差值，通过数学计算最终可得到测试电缆内部信号频变传输特性。

本发明交流电缆内部波速特性检测方法的具体步骤为：

步骤1：信号产生：根据扫频法要求，扫频信号频变范围控制在100k-20mhz，试验过程中对预设频带范围内输出的扫频信号进行线性增加。

扫频信号发生器1生成的多个预设频率可以组成预设频率序列，预设频率的取值和个数可以根据实际情况具体设置。例如，在本实施例中，预设频率从100k-20mhz之间取值的等差序列，第一个预设频率为100k赫兹，最后一个预设频率20m赫兹，相邻预设频率之间的差值均为100k，即，f=100k，200k，300k…20m，预设频率总个数为200。

步骤2：信号采集：试验人员通过采用同轴双屏蔽信号传输线4将高压电力电缆2首尾两端进行可靠连接，此过程需注意接头间需可靠连接，防止信号发生衰减损失。高压电力电缆2首尾两端并接有两个试验信号匹配阻抗3，试验信号匹配阻抗3另一端有效接地。由于电缆为有损传输线，传输信号在电缆传播过程中会发生衰减现象，造成波形信号畸变，因此匹配阻抗可减轻波形畸变，同时保护试验系统。经过电缆内部传输，由工控机和采集卡采集并保存的检测信号具有不同的幅值和相位。本测试方法特别关注于相位差值参数。

步骤3：信号调整：将上述两路检测信号根据系统最佳分辨率和灵敏度要求，经过rl滤波电路进行有效滤波，同时采用前置放大器对其进一步有效放大处理，得到两路预处理信号，并将其传递至后续信号处理装置。此过程旨在对两路检测信号进行修正，以便更好地实现后续数学处理和计算。

步骤4：信号处理：将上述经有效滤波放大处理的两路预处理信号通过数字滤波器双踪通道进行显示，双踪电压信号在时域上相位延时设为∆φ(ω)，表达式如下：

；

其中，u1、u2代表不同频率的两路预处理信号，初始相位均为，初始相位差值为，两路预处理信号最终在数字示波器上实现时域上双踪显示，通过交叉傅里叶运算公式：

；

其中：，从而实现信号时域和频域的数字转换；计算出信号在电缆通道内传播时间差值δt，从而根据l/∆t得出传播速度，l为待测试电缆的总长度；

通过对采集到的全部频变信号进行数学分析，可得到与不同频率信号一一对应的200个不同频率下的波速值。通过绘图软件在同一个平面内绘制速度对频率变化的采样离散点图（如图3所示），通过对各采样点进行拟合，可得到精确的波速特性结论。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“首端”“尾端”“一路”“二路”等指示的方位或标号关系为基于附图所示的各个主要装置相对摆放位置，仅是为了便于描述本发明，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，因此不可理解为对本发明的限制。

以上所述实施例仅表达了本发明的某种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以基于电路拓扑结构或测试手段做出若干变化和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。