一种高压单芯电缆的短路故障定位方法及系统与流程
本发明涉及电缆故障测量技术领域，尤其涉及一种高压单芯电缆的短路故障定位方法及系统。
背景技术：
当前的高压单芯电缆离线故障测距方法依据测量原理主要分为2种：1)阻抗法。通过测试故障电缆从测量端到故障点的线路阻抗，将被测电缆线芯和金属护层短接，根据单位长度阻抗计算出故障距离的故障测距方法或者测试出电缆故障段与全长段的电压降的比值，再和全长相乘计算出故障距离。阻抗法一般用于测试故障点绝缘电阻在10kω以内的电缆故障的距离，测量误差相对较大。2)行波脉冲法。通过高压脉冲将故障点瞬间击穿，产生一个电压行波信号，该信号在被测电缆的测量端和故障点之间往返传播，在直流高压发生器的高压端，通过线性分压器接收并换算出该电压行波信号往返一次的时间和脉冲信号的传播速度相乘而计算出故障距离。这种方法的缺点是测试时测距仪器与高压部分有直接的电气连接部分，安全性较差，且对测试设备的技术参数要求较高。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种高压单芯电缆的短路故障定位方法及系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种高压单芯电缆的短路故障定位方法，包括如下步骤：
步骤1：采集两端施加有直流电压的待测电缆首端和/或末端的泄漏电流反射波信号；
步骤2：对所述待测电缆首端和/或末端的泄漏电流反射波信号进行识别，获取待测电缆首端和/或末端的泄漏电流反射波信号的到达时间；
步骤3：根据所述待测电缆首端和/或末端的泄漏电流反射波信号的到达时间计算故障点距离待测电缆首端和/或末端的距离，确定故障点位置。
本发明的有益效果是：本发明的高压单芯电缆的短路故障定位方法，通过对待测电缆施加直流电压，并测量待测电缆的泄漏电流反射波信号，并计算泄漏电流反射波信号到达时间，进而获取故障点位置，实现了故障点的精确定位，安全性较高，且不受接地电阻的影响，对测试电缆的线路阻抗没有要求，适用范围更广。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步：所述步骤1中，采用套设在待测电缆首端和/或末端的高频电流互感器hfct采集待测电缆首端和/或末端的泄漏电流反射波信号。
上述进一步方案的有益效果是：通过所述高频电流互感器hfct可以感应待测电缆所在回路中的谐振电流，并同步检测出从待测电缆故障或缺陷出产生的泄漏电流反射波信号，便于后续根据所述泄漏电流反射波信号识别其到达时间。
进一步：所述步骤2具体包括：
步骤21：构建所述泄漏电流反射波信号的尺度函数vj和小波函数wj，并根据所述尺度函数vj和小波函数wj按照频带将所述泄漏电流反射波信号进行正交分解，得到多尺度小波分解函数dj；
步骤22：根据所述多尺度小波分解函数dj构建空间多尺度方程，并通过所述多尺度方程对所述泄漏电流反射波信号进行按频带进行分解，并根据分解后的结果对所述泄漏电流反射波信号进行重构；
步骤23：采用分段三次hermite多项式对重构的泄漏电流反射波信号进行插值，并将正反向泄漏电流反射波信号进行分离，得到泄漏电流反射波信号的极大值包络线和极小值包络线；
步骤24：根据所述泄漏电流反射波信号的极大值包络线和极小值包络线读取所述泄漏电流反射波信号的到达时间。
上述进一步方案的有益效果是：通过对所述泄漏电流反射波信号按跑频带进行正交分解，并进行重构，可以对所述泄漏电流反射波信号进行滤波处理，并对每一层中各频带进行重新分配，只包含相应频带的信号，这样信号的特征更加明显，再通过插值提取极值包络线，从而准确得到泄漏电流反射波信号的到达时间。
进一步：当仅采集待测电缆首端或末端的泄漏电流反射波信号时，所述故障点距离待测电缆首端或末端的距离计算公式为：
当同时采集待测电缆首端和末端的泄漏电流反射波信号时，所述故障点距离待测电缆首端或末端的距离计算公式为：
δt＝t2-t1
其中，l表示待测电缆的长度，x表示故障点距离测试端的距离，t1表示首端或末端的泄漏电流反射波信号到达时间，t2表示末端或首端的泄漏电流反射波信号到达时间，v0表示泄漏电流反射波信号在电缆中的传播速度。
上述进一步方案的有益效果是：通过所述泄漏电流反射波信号的到达时间和待测电缆的长度，配合泄漏电流反射波信号在电缆中的传输速度，即可精确确定故障点位置位置，从而完成待测电缆的故障定位。
本发明还提供了一种高压单芯电缆的短路故障定位系统，包括信号采集模块、信号处理模块和故障定位模块；
所述信号采集模块，用于采集两端施加有直流电压的待测电缆首端和/或末端的泄漏电流反射波信号；
所述信号处理模块，用于对所述待测电缆首端和/或末端的泄漏电流反射波信号进行识别，获取待测电缆首端和/或末端的泄漏电流反射波信号的到达时间；
所述故障定位模块，用于根据所述待测电缆首端和/或末端的泄漏电流反射波信号的到达时间计算故障点距离待测电缆首端和/或末端的距离，确定故障点位置。
本发明的高压单芯电缆的短路故障定位系统，通过信号采集模块采集两端施加有直流电压的待测电缆的泄漏电流反射波信号，并由信号处理模块计算泄漏电流反射波信号到达时间，最终通过故障定位模块进而获取故障点位置，实现了故障点的精确定位，安全性较高，且不受接地电阻的影响，对测试电缆的线路阻抗没有要求，适用范围更广。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步：所述信号采集模块包括高压脉冲信号发生电路和采集电路；
所述高压脉冲信号发生电路与待测电缆电连接，用于通过施加在待测电缆两端的直流电压产生高频脉冲信号；
所述采集电路套设在待测电缆首端和/或末端，用于采集待测电缆故障点产生并传输至待测电缆的首端和/或末端的泄漏电流反射波信号。
上述进一步方案的有益效果是：通过所采集电路可以感应待测电缆所在回路中的谐振电流，并同步检测出从待测电缆故障或缺陷出产生的泄漏电流反射波信号，便于后续根据所述泄漏电流反射波信号识别其到达时间。
进一步：所述信号处理模块具体用于：
构建所述泄漏电流反射波信号的尺度函数vj和小波函数wj，并根据所述尺度函数vj和小波函数wj按照频带将所述泄漏电流反射波信号进行正交分解，得到多尺度小波分解函数dj；
根据所述多尺度小波分解函数dj构建空间多尺度方程，并通过所述多尺度方程对所述泄漏电流反射波信号进行按频带进行分解，并根据分解后的结果对所述泄漏电流反射波信号进行重构；
采用分段三次hermite多项式对重构的泄漏电流反射波信号进行插值，并将正反向泄漏电流反射波信号进行分离，得到泄漏电流反射波信号的极大值包络线和极小值包络线；
根据所述泄漏电流反射波信号的极大值包络线和极小值包络线读取所述泄漏电流反射波信号的到达时间。
上述进一步方案的有益效果是：通过对所述泄漏电流反射波信号按跑频带进行正交分解，并进行重构，可以对所述泄漏电流反射波信号进行滤波处理，并对每一层中各频带进行重新分配，只包含相应频带的信号，这样信号的特征更加明显，再通过插值提取极值包络线，从而准确得到泄漏电流反射波信号的到达时间。
进一步：当仅采集待测电缆首端或末端的泄漏电流反射波信号时，所述故障定位模块计算故障点距离待测电缆首端或末端的距离的公式为：
当同时采集待测电缆首端和末端的泄漏电流反射波信号时，所述故障定位模块计算故障点距离待测电缆首端或末端的距离公式为：
δt＝t2-t1
其中，l表示待测电缆的长度，x表示故障点距离测试端的距离，t1表示首端或末端的泄漏电流反射波信号到达时间，t2表示末端或首端的泄漏电流反射波信号到达时间，v0表示泄漏电流反射波信号在电缆中的传播速度。
上述进一步方案的有益效果是：通过所述泄漏电流反射波信号的到达时间和待测电缆的长度，配合泄漏电流反射波信号在电缆中的传输速度，即可精确确定故障点位置位置，从而完成待测电缆的故障定位。
本发明还提供了一种高压单芯电缆的短路故障定位设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的高压单芯电缆的短路故障定位方法的步骤。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现所述的高压单芯电缆的短路故障定位方法。
附图说明
图1为本发明的高压单芯电缆的短路故障定位方法流程示意图；
图2为本发明的高压单芯电缆的短路故障定位系统结构示意图；
图3为本发明的高压脉冲信号发生电路示意图；
图4为本发明一实施例的高频电流互感器hfct采集泄漏电流反射波信号的示意图；
图5为本发明另一实施例的高频电流互感器hfct采集泄漏电流反射波信号的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种高压单芯电缆的短路故障定位方法，包括如下步骤：
步骤1：采集两端施加有直流电压的待测电缆首端和/或末端的泄漏电流反射波信号；
步骤2：对所述待测电缆首端和/或末端的泄漏电流反射波信号进行识别，获取待测电缆首端和/或末端的泄漏电流反射波信号的到达时间；
步骤3：根据所述待测电缆首端和/或末端的泄漏电流反射波信号的到达时间计算故障点距离待测电缆首端和/或末端的距离，确定故障点位置。
本发明的高压单芯电缆的短路故障定位方法，通过对待测电缆施加直流电压，并测量待测电缆的泄漏电流反射波信号，并计算泄漏电流反射波信号到达时间，进而获取故障点位置，实现了故障点的精确定位，安全性较高，且不受接地电阻的影响，对测试电缆的线路阻抗没有要求，适用范围更广。
本发明提供的实施例中，所述步骤1中，采用套设在待测电缆首端和/或末端的高频电流互感器hfct采集待测电缆首端和/或末端的泄漏电流反射波信号。通过所述高频电流互感器hfct可以感应待测电缆所在回路中的谐振电流，并同步检测出从待测电缆故障或缺陷出产生的泄漏电流反射波信号，便于后续根据所述泄漏电流反射波信号识别其到达时间。如图4和图5所示，图3为在待测电缆首端或末端设置高频电流互感器hfct来采集待测电缆首端或末端的泄漏电流反射波信号；图4为在待测电缆首端何末端分别设置高频电流互感器hfct来采集待测电缆首端或末端的泄漏电流反射波信号。
本发明提供的实施例中，所述步骤2具体包括：
步骤21：构建所述泄漏电流反射波信号的尺度函数vj和小波函数wj，并根据所述尺度函数vj和小波函数wj按照频带将所述泄漏电流反射波信号进行正交分解，得到多尺度小波分解函数dj：
步骤22：根据所述多尺度小波分解函数dj构建空间多尺度方程，并通过所述多尺度方程对所述泄漏电流反射波信号进行按频带进行分解，并根据分解后的结果对所述泄漏电流反射波信号进行重构；
空间多尺度方程为：
式中，h(k)为小波包的高通滤波器组，g(k)为小波包的低通滤波器组。小波包多尺度分析将整个信号按频带分解，每一层分为2j(j＝1,2,3,…)个频带。其中，每一层的子频带都包含信号的所有信息，只是每层信号的分辨率不同。随着尺度增大，分解频带个数越多，分辨率越高，各频带包含的频率越细致，滤波效果越好。如果尺度过大，故障信号中的有用信号也有可能被剔除。小波包多尺度分解重构的过程就是将故障信号进行滤波的过程，每一层中各频带信号进行重新分配，只包含相应频带中的信号。多尺度分解重构使信号的特征提取出来，特征更加明显。当小波基固定时，随着尺度的增大，小波包分解重构后的初始行波波头宽度随着尺度的增大而变大。但以db1小波基为基底的小波包分解重构信号，其初始行波波头宽度在不同尺度下是不变的。本发明的实施例中就是以db1小波基为基底的小波包进行分解重构信号。
步骤23：采用分段三次hermite多项式对重构的泄漏电流反射波信号进行插值，并将正反向泄漏电流反射波信号进行分离，得到泄漏电流反射波信号的极大值包络线和极小值包络线；
设
式中，hj(j＝1,…,4)为hermite基函数。将重构后的信号进行正反向波的分离，利用分段三次hermite多项式插值拟合正反向行波得到极大值包络线和极小值包络线。
步骤24：根据所述泄漏电流反射波信号的极大值包络线和极小值包络线读取所述泄漏电流反射波信号的到达时间。
通过对所述泄漏电流反射波信号按跑频带进行正交分解，并进行重构，可以对所述泄漏电流反射波信号进行滤波处理，并对每一层中各频带进行重新分配，只包含相应频带的信号，这样信号的特征更加明显，再通过插值提取极值包络线，从而准确得到泄漏电流反射波信号的到达时间。
本发明提供的实施例中，当仅采集待测电缆首端或末端的泄漏电流反射波信号时，所述故障点距离待测电缆首端或末端的距离计算公式为：
当同时采集待测电缆首端和末端的泄漏电流反射波信号时，所述故障点距离待测电缆首端或末端的距离计算公式为：
δt＝t2-t1
其中，l表示待测电缆的长度，x表示故障点距离测试端的距离，t1表示首端或末端的泄漏电流反射波信号到达时间，t2表示末端或首端的泄漏电流反射波信号到达时间，v0表示泄漏电流反射波信号在电缆中的传播速度。
通过所述泄漏电流反射波信号的到达时间和待测电缆的长度，配合泄漏电流反射波信号在电缆中的传输速度，即可精确确定故障点位置位置，从而完成待测电缆的故障定位。
如图2所示，本发明还提供了一种高压单芯电缆的短路故障定位系统，包括信号采集模块、信号处理模块和故障定位模块；
所述信号采集模块，用于采集两端施加有直流电压的待测电缆首端和/或末端的泄漏电流反射波信号；
所述信号处理模块，用于对所述待测电缆首端和/或末端的泄漏电流反射波信号进行识别，获取待测电缆首端和/或末端的泄漏电流反射波信号的到达时间；
所述故障定位模块，用于根据所述待测电缆首端和/或末端的泄漏电流反射波信号的到达时间计算故障点距离待测电缆首端和/或末端的距离，确定故障点位置。
本发明的高压单芯电缆的短路故障定位系统，通过信号采集模块采集两端施加有直流电压的待测电缆的泄漏电流反射波信号，并由信号处理模块计算泄漏电流反射波信号到达时间，最终通过故障定位模块进而获取故障点位置，实现了故障点的精确定位，安全性较高，且不受接地电阻的影响，对测试电缆的线路阻抗没有要求，适用范围更广。
本发明提供的实施例中，所述信号采集模块包括高压脉冲信号发生电路和采集电路；
所述高压脉冲信号发生电路与待测电缆电连接，用于通过施加在待测电缆两端的直流电压产生高频脉冲信号；
所述采集电路套设在待测电缆首端和/或末端，用于采集待测电缆故障点产生并传输至待测电缆的首端和/或末端的泄漏电流反射波信号。
通过所采集电路可以感应待测电缆所在回路中的谐振电流，并同步检测出从待测电缆故障或缺陷出产生的泄漏电流反射波信号，便于后续根据所述泄漏电流反射波信号识别其到达时间。
如图3所示，具体地，所述高压脉冲信号发生电路由电容c1-c8、限流电阻r1、谐振电感lx和开关s1等组成，待测电缆的等效电容记为cx，待测电缆电容cx和谐振电感lx共同组成了串联谐振电路，所述采集电路采用高频电流互感器hfct，高频电流互感器hfct套设在待测电缆的首端和/或尾端。开始阶段开关k1断开，直流电源直接作用在待测电缆两端，对电容充电，充电电压为振荡波的初始振荡峰值；充电完成后开关闭合，直流电源通过限流电阻r1接地，待测电缆与谐振电感lx构成串联谐振回路，待测电缆两端承受阻尼振荡电压。其振荡频率f由谐振电感lx和待测电缆电容cx共同决定。反复切换开关k1的开闭状态，可以在待测线缆所在回路中形成高压脉冲信号，从而通过高频电流互感器hfct感应回路中的泄漏电流反射波信号。
典型的高压单芯电缆结构至少包含线芯、内半导电屏蔽层、主绝缘、外半导电屏蔽层、金属护层和外护套这几部分，其中至少包含线芯和金属护层两层金属。线芯通负荷电流，金属护层接地起均匀电场的作用。泄漏电流在正常运行的情况下由线芯经主绝缘等效电容和电阻流进金属护层，并经过接地点入地；在短路故障发生后故障点位置碳化通道贯穿线芯和金属护层，导致故障后泄漏电流增大，且故障点位置是线路上的一个阻抗不匹配点，故障发生后在线芯加高压脉冲电压信号，可在金属护层接地点测到泄漏电流反射波信号。
hfct在小电流信号测量中应用广泛，为了方便测试，一般将hfct套接在电缆金属护层接地线上，如图4和图5所示。当hfct套接在地线回路中，回路中的谐振电流(泄漏电流反射波信号)将被感应出来，同时地线中存在较大的噪声干扰，以至测试出来的信号信噪比不高。图4为在待测电缆首端或末端设置高频电流互感器hfct来采集待测电缆首端或末端的泄漏电流反射波信号；图5为在待测电缆首端何末端分别设置高频电流互感器hfct来采集待测电缆首端或末端的泄漏电流反射波信号。
本发明提供的实施例中，为了滤除泄漏电流反射波信号中的噪声干扰，需要对泄漏电流反射波信号进行滤波处理。所述信号处理模块具体用于：
构建所述泄漏电流反射波信号的尺度函数vj和小波函数wj，并根据所述尺度函数vj和小波函数wj按照频带将所述泄漏电流反射波信号进行正交分解，得到多尺度小波分解函数dj；
根据所述多尺度小波分解函数dj构建空间多尺度方程，并通过所述多尺度方程对所述泄漏电流反射波信号进行按频带进行分解，并根据分解后的结果对所述泄漏电流反射波信号进行重构；
采用分段三次hermite多项式对重构的泄漏电流反射波信号进行插值，并将正反向泄漏电流反射波信号进行分离，得到泄漏电流反射波信号的极大值包络线和极小值包络线；
根据所述泄漏电流反射波信号的极大值包络线和极小值包络线读取所述泄漏电流反射波信号的到达时间。
通过对所述泄漏电流反射波信号按跑频带进行正交分解，并进行重构，可以对所述泄漏电流反射波信号进行滤波处理，并对每一层中各频带进行重新分配，只包含相应频带的信号，这样信号的特征更加明显，再通过插值提取极值包络线，从而准确得到泄漏电流反射波信号的到达时间。
本发明提供的实施例中，当仅采集待测电缆首端或末端的泄漏电流反射波信号时，所述故障定位模块计算故障点距离待测电缆首端或末端的距离的公式为：
当同时采集待测电缆首端和末端的泄漏电流反射波信号时，所述故障定位模块计算故障点距离待测电缆首端或末端的距离公式为：
δt＝t2-t1
其中，l表示待测电缆的长度，x表示故障点距离测试端的距离，t1表示首端或末端的泄漏电流反射波信号到达时间，t2表示末端或首端的泄漏电流反射波信号到达时间，v0表示泄漏电流反射波信号在电缆中的传播速度。
通过所述泄漏电流反射波信号的到达时间和待测电缆的长度，配合泄漏电流反射波信号在电缆中的传输速度，即可精确确定故障点位置位置，从而完成待测电缆的故障定位。
本发明还提供了一种高压单芯电缆的短路故障定位设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的高压单芯电缆的短路故障定位方法的步骤。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现所述的高压单芯电缆的短路故障定位方法。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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