一种电缆绝缘缺陷识别及定位方法以及系统与流程
本发明涉及电网领域，尤其涉及一种电缆绝缘缺陷识别及定位方法以及系统。
背景技术：
电缆容抗频域微分分析方法较早起源于北欧，目前在北美，澳洲都有应用，但由于容抗频域微分的硬件成本较高，通常用于精密的故障识别及精确定位，目前较高精度的容抗频域微分技术已经可以用于1cm故障长度的定位，为电缆的绝缘缺陷识别垫底了基础。容抗频域微分通常需要安装反射电桥或采用双端网络进行，对于电缆的停电试验来说，反射电桥的频带受到限制，一般仅用于1mhz以上的反射，而长距离电缆可能需要数十千赫兹的输出频率，因此反射电桥的使用仅能用于100米以下电缆的检测。而双端网络可以获得较好的传输特性，根据传输特性的频谱可以分析传输阻抗突变点，并将频率转换到时域实现定位，但对于现场安装的电缆，双端测量不现实，即使采用无线网络，对于宽带频率的对时不仅要求高，还很难获得满意的精度要求。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种电缆绝缘缺陷识别及定位方法以及系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种电缆绝缘缺陷识别及定位方法，方法包括：
向待测电缆注入阶梯增加的频率信号；
从注入位置采集对应每个频率信号的电压信号和电流信号；
根据所述阶梯增加的频率信号以及每个频率信号对应的所述电压信号和电流信号，获取待测电缆的阻抗谱；
根据获取到的阻抗谱识别待测电缆是否存在绝缘缺陷以及定位缺陷位置。
在本发明所述的电缆绝缘缺陷识别及定位方法中，所述的获取待测电缆的阻抗谱包括：
根据每个频率信号对应的电压信号和电流信号，确定每个频率信号对应的阻抗信号；
根据阶梯增加的频率信号所对应的所有阻抗信号，获取反应阻抗信号与频率之间的关系的阻抗谱。
在本发明所述的电缆绝缘缺陷识别及定位方法中，所述的根据获取到的阻抗谱识别待测电缆是否存在绝缘缺陷以及定位缺陷位置包括：
将待测电缆的阻抗谱进行积分变换，获得表征电缆传播系数随电缆位置变化的待测电缆的距离状态函数；
将待测电缆的距离状态函数与参考电缆的距离状态函数进行比较得到诊断函数，若诊断函数在某个位置处的变化超过阈值，则确定该位置存在局部损伤。
在本发明所述的电缆绝缘缺陷识别及定位方法中，方法还包括再对待测电缆进行检测之前，获取参考电缆的距离状态函数；
其中，所述的获取参考电缆的距离状态函数具体包括：
向参考电缆注入阶梯增加的频率信号；
从注入位置采集对应每个频率信号的电压信号和电流信号；
根据所述阶梯增加的频率信号以及每个频率信号对应的所述电压信号和电流信号，获取参考电缆的阻抗谱；
将参考电缆的阻抗谱进行积分变换，获得表征电缆传播系数随电缆位置变化的参考电缆的距离状态函数。
在本发明所述的电缆绝缘缺陷识别及定位方法中，方法还包括再对待测电缆进行检测之前，获取参考电缆的距离状态函数；
所述的获取参考电缆的距离状态函数具体包括：基于以下算式计算的得到参考电缆的阻抗谱：
算式中，zh(w)为参考电缆的阻抗谱，zl为负载阻抗，z0为参考电缆在正常状态下的特征阻抗，γl为负载端的反射系数，γ为参考电缆的传播系数，l为电缆总长度；其中，z0和γ可根据参考电缆的电阻r(ω)、电感l(ω)、电导g(ω)、电容c(ω)计算得到：
在本发明所述的电缆绝缘缺陷识别及定位方法中，向电缆注入的频率信号是施加到电缆绝缘导体与屏蔽层之间或施加到多芯电缆导体之间，电缆为空载状态、输出短路状态或带负载状态；注入的频率信号的频率范围为0.1hz-10ghz，频率信号阶梯增加的步长范围为1hz-10mhz。
本发明还公开了一种电缆绝缘缺陷识别及定位系统，包括：
信号注入模块，用于向电缆注入阶梯增加的频率信号；
信号采集模块，用于从注入位置采集对应每个频率信号的电压信号和电流信号；
阻抗谱获取模块，用于根据所述阶梯增加的频率信号以及每个频率信号对应的所述电压信号和电流信号，获取电缆的阻抗谱；
缺陷识别定位模块，用于根据获取到的阻抗谱识别电缆是否存在绝缘缺陷以及定位缺陷位置。
在本发明所述的电缆绝缘缺陷识别及定位系统中，所述阻抗谱获取模块包括：
阻抗信号获取单元，用于根据每个频率信号对应的电压信号和电流信号，确定每个频率信号对应的阻抗信号；
阻抗谱获取单元，用于根据阶梯增加的频率信号所对应的所有阻抗信号，获取反应阻抗信号与频率之间的关系的阻抗谱。
在本发明所述的电缆绝缘缺陷识别及定位系统中，所述缺陷识别定位模块包括：
积分变换单元，用于将电缆的阻抗谱进行积分变换，获得表征电缆传播系数随电缆位置变化的电缆的距离状态函数；
缺陷识别定位单元，用于将待测电缆的距离状态函数与参考电缆的距离状态函数进行比较得到诊断函数，若诊断函数在某个位置处的变化超过阈值，则确定该位置存在局部损伤。
优选的，系统还包括参考电缆阻抗谱计算单元，用于基于以下算式计算的得到参考电缆的阻抗谱：
算式中，zh(w)为参考电缆的阻抗谱，zl为负载阻抗，z0为参考电缆在正常状态下的特征阻抗，γl为负载端的反射系数，γ为参考电缆的传播系数，l为电缆总长度；其中，z0和γ可根据参考电缆的电阻r(ω)、电感l(ω)、电导g(ω)、电容c(ω)计算得到：
实施本发明的电缆绝缘缺陷识别及定位方法以及系统，具有以下有益效果：本发明无需破坏电缆即可进行试验，不对电缆造成二次损伤；只需在注入频率信号的位置处采集信号，不必受限于电缆长度的约束，突破长距离电缆的故障定位和老化评估的技术瓶颈，实现多段连接的电缆的一体化检测和评估；根据获取到的阻抗谱识别电缆是否存在绝缘缺陷以及定位缺陷位置，可用于精确故障定位，可实现多点精确定位，便于查找多个缺陷点，并评估不同缺陷点的严重程度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：
图1是本发明电缆绝缘缺陷识别及定位方法的流程图；
图2是电缆正常状态时的阻抗幅值谱图；
图3是电缆正常状态时的阻抗相位谱图；
图4是电缆故障状态时的阻抗幅值谱图；
图5是电缆故障状态时的阻抗相位谱图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
参考图1，本发明总的思路是：
s100、向电缆注入阶梯增加的频率信号；
s200、从注入位置采集对应每个频率信号的电压信号和电流信号；
s300、根据所述阶梯增加的频率信号以及每个频率信号对应的所述电压信号和电流信号，获取电缆的阻抗谱；
s400、根据获取到的阻抗谱识别电缆是否存在绝缘缺陷以及定位缺陷位置。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
较佳实施例提供的电缆绝缘缺陷识别及定位方法，具体包括；
s100、向电缆注入阶梯增加的频率信号；
向电缆注入的频率信号是施加到电缆绝缘导体与屏蔽层之间或施加到多芯电缆导体之间；
电缆为空载状态、输出短路状态或带负载状态；
注入的频率信号的频率范围为0.1hz-10ghz，频率信号阶梯增加的步长范围为1hz-10mhz。
s200、从注入位置采集对应每个频率信号的电压信号和电流信号；
采集的电压信号为时域数字信号，包括电压的幅值和相位，采集的电流信号为时域数字信号，包括电流的幅值和相位。
s300、根据所述阶梯增加的频率信号以及每个频率信号对应的所述电压信号和电流信号，获取电缆的阻抗谱。具体为：根据每个频率信号对应的电压信号和电流信号，确定每个频率信号对应的阻抗信号；根据阶梯增加的频率信号所对应的所有阻抗信号，获取反应阻抗信号与频率之间的关系的阻抗谱。
需要说明的是，阻抗谱包括阻抗幅值谱和阻抗相位谱图。通过电压信号和电流信号计算得到阻抗信号，对阻抗信号进行处理可以得到阻抗幅值信号和阻抗相位信号，进而就可以得到阻抗幅值信号随频率变化的关系和阻抗相位信号随频率变化的关系，得到电缆的宽频阻抗谱数据。如图2是电缆正常状态时的阻抗幅值谱图，图3是电缆正常状态时的阻抗相位谱图，图4是电缆故障状态时的阻抗幅值谱图，图5是电缆故障状态时的阻抗相位谱图。
s400、根据获取到的阻抗谱识别电缆是否存在绝缘缺陷以及定位缺陷位置。
输入阻抗的阻抗谱出现周期性变化，主要反映了电缆本身的特性，阻抗谱的周期性是由算子
依据函数g(x)实现局部缺陷定位的积分函数为：
当x＝ld时，由于电缆局部缺陷段的传播系数γh≠γd，导致上述积分值a与b差异很大，因此，通过积分变换方法可以查找出电缆传播系数发生变化的点，从而实现局部缺陷点的定位。电缆完好状态可作为一个参考状态，其阻抗谱可在电缆投运前或对同一型号电缆进行测量获得。
因此，本发明的步骤s400具体为：
s410、将待测电缆的阻抗谱进行积分变换，获得表征电缆传播系数随电缆位置变化的待测电缆的距离状态函数zd(x)；
例如，假如待测电缆的阻抗谱为zd(ω)，则对其进行如下积分变换：
s420、将待测电缆的距离状态函数zd(x)与参考电缆的距离状态函数zh(x)进行比较得到诊断函数va(x)＝|zh(x)|/|zd(x)|，正常情况下电缆各处传播系数是相等的，不随位置发生变化，因此，若va(x)恒等于(科学意义上的误差范围)1.0时表明电缆不同位置处的传播系数相同，即电缆处于完好状态，电缆中未出现局部缺陷。若诊断函数va(x)在某个位置xd发生明显的突变，例如诊断函数va(x)的变化(例如va(x)波动幅度的变化)超过阈值，表明电缆在此位置xd处传播系数发生明显改变，则确定该位置存在局部损伤，另外根据诊断函数va(x)改变的程度，可以判断绝缘缺陷的严重程度，绝缘缺陷的严重程度与诊断函数va(x)改变的程度成正比。
此处需要说明的是，诊断函数va(x)并不限于如上所述的形式，还可以是其他比较形式的函数。参考电缆是指与待测电缆的规格参数相同的完好电缆。
其中，参考电缆的距离状态函数zh(x)需要在再对待测电缆进行检测之前获取，获取方法有两种。
第一种方法，与待测电缆的距离状态函数zd(x)的获取方法完全一样，即针对参考电缆执行步骤s100-s300获取参考电缆的阻抗谱zh(ω)，再通过步骤s410积分得到距离状态函数zh(x)，具体为：向参考电缆注入阶梯增加的频率信号，从注入位置采集对应每个频率信号的电压信号和电流信号，根据所述阶梯增加的频率信号以及每个频率信号对应的所述电压信号和电流信号，获取参考电缆的阻抗谱zh(ω)，将参考电缆的阻抗谱zh(ω)进行如下积分变换
第二种方法，与第一种方法的不同之处在于，通过计算获取参考电缆的阻抗谱zh(ω)，然后再将阻抗谱zh(ω)进行如下积分变换
其中，zh(w)为参考电缆的阻抗谱，zl为负载阻抗，z0为参考电缆在正常状态下的特征阻抗，γl为负载端的反射系数，γ为参考电缆的传播系数，l为电缆总长度；
算式中，z0和γ可根据参考电缆的电阻r(ω)、电感l(ω)、电导g(ω)、电容c(ω)计算得到：
其中，rc和rs分别为电缆芯线的导体半径以及金属屏蔽层内半径，δc和δs分别为芯线与金属屏蔽层的趋肤深度，γc和γs分别为相应的电导率，μ0为真空磁导率，εe为电缆复合绝缘等效复介电常数。上述参数均可通过电缆厂家提供的技术参数获得。
本发明中由于需要绘制阻抗频率曲线和相位频率曲线，产生频率信号的试验电源输出有一定频率带宽，而电缆绝缘层呈容性状态，在低频时呈阻性，高频时呈现容性或感性，因此针对不同的试验电压频率，流过绝缘层的电流也不同，当电缆发生绝缘故障时，不论故障发生在屏蔽层、或护套、或电缆中心导体内部、或电缆导体与屏蔽层之间、或电缆多芯导体之间，也不论电缆远端是否短路、开路、或连接有负载，均可进行测试，并且绘制的阻抗频率曲线和相位频率曲线既包括了电缆固有特性阻抗的频率特性，也包括了绝缘层故障或缺陷的阻抗频率特性，还包括了负载特性(开路、短路或输出连接的负载)。
另外，需要说明的是，本发明不对被试电缆的终端连接方式进行限制，也不限制单芯电缆或多芯电缆，也不限制注入电压频率响应试验输出的电压(不同额定工作电压不同，绝缘强度不同)，但是由于电缆的绝缘层总体是呈容性的，且随着电缆长度的增加，电容量增大，即同一频率下试验输出的电流也随着电缆长度增大而增大，因此检测试验输出的电流可能会覆盖几个ma(如几米)到数安培(a)(数公里长度)，只需要注入电流频率响应试验输出提供较低电压(几伏到数十伏)即可测量电缆的阻抗频率曲线和相位频率曲线。
基于同一发明构思，本发明还公开了一种电缆绝缘缺陷识别及定位系统，系统包括：
信号注入模块，用于向电缆注入阶梯增加的频率信号；
信号采集模块，用于从注入位置采集对应每个频率信号的电压信号和电流信号；
阻抗谱获取模块，用于根据所述阶梯增加的频率信号以及每个频率信号对应的所述电压信号和电流信号，获取电缆的阻抗谱；
缺陷识别定位模块，用于根据获取到的阻抗谱识别电缆是否存在绝缘缺陷以及定位缺陷位置。
具体的，所述阻抗谱获取模块包括：
阻抗信号获取单元，用于根据每个频率信号对应的电压信号和电流信号，确定每个频率信号对应的阻抗信号；
阻抗谱获取单元，用于根据阶梯增加的频率信号所对应的所有阻抗信号，获取反应阻抗信号与频率之间的关系的阻抗谱。
具体的，所述缺陷识别定位模块包括：
积分变换单元，用于将电缆的阻抗谱进行积分变换，获得表征电缆传播系数随电缆位置变化的电缆的距离状态函数；
缺陷识别定位单元，用于将待测电缆的距离状态函数与参考电缆的距离状态函数进行比较得到诊断函数，若诊断函数在某个位置处的变化超过阈值，则确定该位置存在局部损伤。
系统的其他具体实现参考上述关于方法的阐述，此处不再赘述。相应的，参考电缆的阻抗谱zh(ω)如果采用计算获取，则系统还包括参考电缆阻抗谱计算单元，用于基于以下算式计算的得到参考电缆的阻抗谱：
算式中，zh(w)为参考电缆的阻抗谱，zl为负载阻抗，z0为参考电缆在正常状态下的特征阻抗，γl为负载端的反射系数，γ为参考电缆的传播系数，l为电缆总长度；其中，z0和γ可根据参考电缆的电阻r(ω)、电感l(ω)、电导g(ω)、电容c(ω)计算得到：
综上所述，实施本发明的电缆绝缘缺陷识别及定位方法以及系统，具有以下有益效果：本发明无需破坏电缆即可进行试验，不对电缆造成二次损伤；只需在注入频率信号的位置处采集信号，不必受限于电缆长度的约束，突破长距离电缆的故障定位和老化评估的技术瓶颈，实现多段连接的电缆的一体化检测和评估；根据获取到的阻抗谱识别电缆是否存在绝缘缺陷以及定位缺陷位置，可用于精确故障定位，可实现多点精确定位，便于查找多个缺陷点，并评估不同缺陷点的严重程度。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
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