一种基于频域反射法的高压电缆阻水缓冲层缺陷定位方法与流程

本发明属于高压电缆阻水缓冲层缺陷定位，具体涉及一种基于频域反射法的高压电缆阻水缓冲层缺陷定位方法。

背景技术：

1、高压电缆阻水缓冲层是高压电缆中具有纵向阻水、保持绝缘屏蔽层与皱纹铝护套电气连接以及机械缓冲作用的一层特殊结构。近年来，由缓冲层事故引起的高压电缆本体击穿事故频发，严重的影响城市地下输电系统的稳定性。由此，缓冲层致高压电缆击穿机理以及缓冲层缺陷检测成为了高压电缆本体故障领域的热点研究对象。

2、现有研究表明，缓冲层由于本身所具有的吸潮特性使得缓冲层在制造和安装过程中容易收到周遭环境的影响，发生吸潮导致其相对介电常数和体积电阻率发生明显的提升。现有文献指出，缓冲层更吸潮之后其体积电阻率将上升2-3个数量级，远高于jb/t10259.4规定值。现有文献的研究表明缓冲层受潮会导致缓冲层在运行过程中与铝护套发生电化学腐蚀，生成氧化铝、氢氧化铝等绝缘性质的白斑，使得缓冲层体积电阻率上升并在白斑处引起强烈的电场畸变。现有文献的研究表明缓冲层相对介电常数的提升会提高缓冲层发生局部放电的概率。由此可见，在缓冲层从生产制造、到吸潮、再到腐蚀以及烧蚀这一过程中存在着明显的体积电阻率以及相对介电常数的变化过程，并且这一变化也直接导致了缓冲层缺陷的产生并诱发高压电缆本体击穿。

3、另一方面，现有缓冲层缺陷检测基于缓冲层缺陷致击穿机理主要有针对缓冲层中局部放电的局部放电检测、针对缓冲层形貌变化的x射线检测法以及通过缓冲层中气体种类及浓度判断缓冲层状态的方法。但有文献指出，缓冲层缺陷只有发展到能够影响主绝缘程度才容易被检出，对于前期未发生放电的使其难以进行检测。同时，受制于x射线检测的检测原理，在对同一段电缆进行检测时，需要多次调整射线源以及接收板的角度才能对某段电缆进行较为全面的检测。对于气体法，存在的不足之处主要在于难以对缓冲层产生气体的位置进行定位，仅仅能实现缓冲层状态的分类。由此可见，现有的检测方法均存在着一定的局限性，难以对电缆中缓冲层缺陷的状态以及具体位置进行诊断。

4、对于电缆中缺陷位置的找寻，现有较为成熟的方法包括时域反射法(time domainreflectometry,tdr)、频域反射法(frequency domain reflectometry,fdr)、时频域反射法(time-frequency domain reflectometry,tfdr)以及局部放电定位方法等。相较于其他方法，频域反射法具有丰富的频谱信息，近年来在微弱缺陷定位中取得了良好的成效。但目前这些方法仅仅在中低压电缆中得到了广泛的应用，在高压电缆中的应用鲜有报道，仅有部分文献对其可行性进行了分析。并且，上述方法基本都是基于传输线网络，通过电磁波在电缆中阻抗不匹配之处的反射或折射进行定位。

技术实现思路

1、针对目前难以对高压电缆阻水缓冲层进行缺陷定位的问题，本发明旨在提供一种基于频域反射法的高压电缆阻水缓冲层缺陷定位方法，根据缓冲层形貌特征将缓冲层状态分为干燥态、受潮态、腐蚀态以及腐蚀烧蚀态，对缓冲层样本从干燥态到腐蚀烧蚀态这一缺陷发展过程中的体积电阻率和相对介电常数进行测量，基于传输线理论对高压电缆分布电容以及分布电导进行推导和计算，搭建长电缆平台验证fdr法对缓冲层缺陷定位的有效性。

2、为达到上述目的，本发明提供了一种基于频域反射法的高压电缆阻水缓冲层缺陷定位方法，包括以下步骤：

3、s1、根据高压电缆阻水缓冲层的形貌特征对缓冲层状态进行划分，并对缓冲层在不同状态下的体积电阻率和相对介电常数进行测量；

4、s2、建立高压电缆的分布参数网络模型，根据测量的体积电阻率和相对介电常数确定高压电缆任意位置的电压和电流；

5、s3、建立信号在含阻抗不连续的高压电缆传播模型，确定高压电缆末端反射系数；

6、s4、根据高压电缆任意位置的电压和电流以及高压电缆末端反射系数确定高压电缆首端输入阻抗谱虚部；

7、s5、采用离散傅里叶变换方法对高压电缆首端输入阻抗谱虚部提取特征频率，并根据特征频率确定高压电缆阻水缓冲层缺陷位置。

8、进一步地，步骤s1具体包括：

9、根据高压电缆阻水缓冲层的形貌特征将缓冲层状态划分为干燥态、受潮态、腐蚀态以及腐蚀烧蚀态；

10、对缓冲层从干燥态到腐蚀烧蚀态的缺陷发展过程中的体积电阻率和相对介电常数进行测量。

11、进一步地，步骤s2具体包括：

12、s21、建立高压电缆的分布参数网络模型；

13、s22、根据测量的体积电阻率和相对介电常数确定高压电缆的分布电容和分布电导；

14、s23、根据高压电缆的分布电容和分布电导确定高压电缆任意位置的电压和电流。

15、进一步地，所述高压电缆的分布电容和分布电导具体为：

16、

17、

18、其中，c为高压电缆的分布电容，εp为导体屏蔽层、绝缘屏蔽层的相对介电常数，r1为导体屏蔽层外径，rc为缆芯半径，εx为xlpe绝缘的相对介电常数，r2为xlpe绝缘层外径，r3为绝缘屏蔽层的外径，εb为缓冲层的相对介电常数，rs为金属屏蔽层的内半径，g为高压电缆的分布电导，σp为导体屏蔽层、绝缘屏蔽层的电导率，σx为xlpe绝缘的电导率，σb为缓冲层的电导率。

19、进一步地，所述高压电缆任意位置的电压和电流具体为：

20、u(z)＝ui2eγ(l-z)+ur2e-γ(l-z)

21、

22、其中，u(z)为高压电缆z处的电压，i(z)为高压电缆z处的电流，ui2为负载侧的入射电压波，ur2为负载侧的反射电压波，γ为高压电缆的传播系数，l为高压电缆的长度，z0为高压电缆的特性阻抗；

23、传播系数γ与特性阻抗z0的表达式如下式所示：

24、

25、

26、其中，r0为单位长度电阻，j为虚部符号，ω为角频率，l0为单位长度电感，g0为单位长度电导，c0为单位长度电容。

27、进一步地，步骤s3中高压电缆末端反射系数具体为：

28、

29、其中，γl为高压电缆末端反射系数，ui2为负载侧的入射电压波，ur2为负载侧的反射电压波，zl为负载阻抗，z0为高压电缆的特性阻抗。

30、进一步地，步骤s4具体包括：

31、s41、根据高压电缆任意位置的电压和电流与高压电缆末端反射系数的关系，确定高压电缆的首端输入阻抗；

32、s42、对高压电缆的首端输入阻抗进行欧拉展开，确定高压电缆首端输入阻抗谱虚部。

33、进一步地，所述高压电缆任意位置的电压和电流与高压电缆末端反射系数的关系具体为：

34、u(z)＝ui2eγ(l-z)(1+γle-2γ(l-z))

35、

36、其中，u(z)为高压电缆z处的电压，i(z)为高压电缆z处的电流，ui2为负载侧的入射电压波，γ为高压电缆的传播系数，l为高压电缆的长度，z0为高压电缆的特性阻抗，γl为高压电缆末端反射系数。

37、进一步地，所述高压电缆的首端输入阻抗具体为：

38、

39、其中，z(0)为高压电缆的首端输入阻抗，z0为高压电缆的特性阻抗，γl为高压电缆末端反射系数，γ为高压电缆的传播系数，l为高压电缆的长度。

40、进一步地，所述高压电缆首端输入阻抗谱虚部具体为：

41、

42、其中，z*(0)为高压电缆首端输入阻抗谱虚部，l为高压电缆的长度，f为信号频率，v为高压电缆波数。

43、本发明具有以下有益效果：

44、本发明先根据高压电缆阻水缓冲层的形貌特征对缓冲层状态进行划分，然后确定高压电缆任意位置的电压和电流，最后确定高压电缆首端输入阻抗谱虚部，通过提取特征频率，确定高压电缆阻水缓冲层缺陷位置，实现了高压电缆阻水缓冲层缺陷的准确定位。