一种电缆运行状态诊断系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电气系统领域，更具体地，涉及一种电缆运行状态诊断系统。
【背景技术】
[0002] 电缆在现代大型电气系统的电能及通讯信号传输中起着极其重要的作用。运行中 的电缆易发生永久性故障，电缆故障一旦发生，将导致大型电气系统停运甚至失控，造成严 重的经济损失和社会影响。
[0003] 城市供电系统中的电力电缆敷设在电缆沟或直接埋于地下，敷设环境与使用状态 会极大的影响电缆寿命。电力电缆长期在不同土壤、水分、潮气、温度环境下运行，绝缘易受 到腐蚀渗透而发生绝缘局部老化；地下电力电缆常会因机械外力而发生绝缘破坏，最终导 致电缆永久性故障。据调查，高压电力绝缘电缆的绝缘损坏事故约占高压电气设备事故的 40%左右。
[0004] 飞机、轨道交通、舰船等大型电气交通系统对电缆的安全运行提出了更为严格的 要求，在这些电气系统中电缆担任着电能以及控制信号传输的主导作用。1996年7月，由于 飞机电缆局部过热老化产生电火花导致油箱爆炸，使得一架波音747飞机上的230名乘客 无一生还。
[0005] 核电站内存在大量长度较短而电压等级较高的电缆，核电事故的发生往往开始于 局部的核泄漏，电缆在高剂量核辐射下其有机高分子结构将遭破坏而发生快速老化，将导 致电缆故障而使得和反应堆失去控制，最终将导致核电站重大安全事故。
[0006] 可见，实现电缆运行状态的诊断意义重大，电缆运行状态的诊断包括电缆整体运 行状态评估、电缆局部潜伏性缺陷定位以及电缆发生永久性故障后的快速定位，现有的仪 器尚不能同时实现上述功能，特别是对于电缆潜伏性缺陷的定位，尚缺少十分可靠的诊断 仪器。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术中存在的问题，本申请提供的是一种电缆运行状态诊断系统及其诊 断方法，其中通过对其关键组件电缆阻抗谱测量模块、阻抗谱数据分析处理模块的进行研 究和涉及，提供了一种可靠的诊断仪器。
[0008] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电缆运行状态诊断系统，其 特征在于，该系统包括：
[0009] 电缆初始特性参数管理模块，实现各类电缆初始特性参数数据库的管理，并通过 输入被测电缆几何参数及绝缘材料介电函数计算电缆初始特性参数；
[0010] 电缆阻抗谱测量模块，依据被试电缆长度自动选择测量频率范围，通过在被试电 缆芯线与地线之间输入低压变频正弦信号源，测量被试样品输入阻抗随频率变化的曲线， 获得电缆阻抗谱；
[0011] 阻抗谱数据分析处理模块，对所测的电缆阻抗谱数据进行数据分析，以提取电缆 电气参数相关信息；
[0012] 电缆运行状态诊断模块，利用阻抗谱数据分析处理模块的处理结果，实现电缆整 体运行状态评估、电缆局部缺陷定位以及电缆永久性故障定位的功能，给出电缆运行状态 评估意见及电缆检修建议。
[0013] 优选地，所述参数包括特征阻抗、传播系数、电缆宽频阻抗谱。
[0014] 优选地，所述阻抗谱数据分析采用智能优化搜索算法以及广义正交积分变换算 法。
[0015] 总体而言，按照本发明的上述技术构思与现有技术相比，主要具备以下的技术优 占 .
[0016] 1、提供了一种可靠的诊断仪器，同时实现了电缆整体运行状态评估、电缆局部潜 伏性缺陷定位以及电缆发生永久性故障后的快速定位；
[0017] 2、测量电缆首端在一定频率范围内的输入阻抗随频率变化的曲线（即宽频阻抗 谱），通过智能分析算法分析所测阻抗谱，实现电缆整体老化状态评估、电缆局部潜伏性缺 陷诊断以及电缆永久性故障快速定位功能。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明的主要组成部分；
[0019] 图2是本发明各模块功能框图；
[0020] 图3是本发明实施例中电缆整体老化状态评估曲线；
[0021] 图4是本发明实施例中局部缺陷诊断曲线；
[0022] 图5是本发明实施例中电缆故障定位曲线。
【具体实施方式】
[0023] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0024] 图2为本发明各模块功能框图；
[0025] (1)电缆初始特性参数管理模块
[0026] 电缆初始特性参数是电缆运行状态诊断中的关键参数，需要提前获得，该模块通 过输入被测电缆几何参数及绝缘材料介电函数计算电缆初始特性参数（特征阻抗、传播系 数），电缆几何参数通过测量获得，电缆绝缘材料介电函数则通过截取部分绝缘样品利用网 络分析仪事先测量获得并录入数据库，该模块数据库实现各类电缆绝缘材料介电参数的管 理以及各类电缆初始特性参数的管理。
[0027] (2)电缆阻抗谱测量模块
[0028] 该模块依据被试电缆长度自动选择测量频率范围，通过在被试电缆芯线与地线之 间输入低压变频正弦电压信号源，测量电流信号，计算电缆输入阻抗随频率变化的曲线，获 得电缆阻抗谱。该模块测量频率范围下限f lciw及频率上限f up通过下式确定：
[0029]
[0030] CN 105137283 A 说明书 3/4 页
[0031]
[0032] 其中r = e 2α1，α为电缆衰减系数，为传播系数的实部，传播系数则通过电缆初始 特性参数管理模块获得，1为电缆长度，通过电缆运行管理部门获得。
[0033] (3)阻抗谱数据分析处理模块
[0034] 该模块对所测的电缆阻抗谱数据进行数据分析，提取电缆电气参数相关信息，算 法主要包括智能优化搜索算法以及广义正交积分变换算法。
[0035] 智能优化搜索算法的基本原理为：在一定频率范围内，阻抗谱是电缆特性参数 (特征阻抗Ζ。、传播系数γ)的函数，电缆运行状态发生变化时，导致特性参数发生改变，从 而使阻抗谱发生变化。智能优化搜索算法通过从所测阻抗谱中反解出电缆特性参数，进一 步利用特性参数可计算表征电缆绝缘状态的介电损耗tan δ，从而评估电缆整体运行状态。 电缆介电损耗与特性参数的关系式为：
[0036]
[0037] 广义正交积分变换算法的基本原理为：对所测阻抗谱进行广义正交积分变换，使 得积分变换值在局部缺陷或故障处于完好处出现显著差异，实现电缆局部潜伏性缺陷或故 障的定位。本发明中广义正交积分变换算法用下式描述：
[0038]
(3)
[0039] 其中，F(X)为积分变换函数，Z(f)为电缆阻抗谱测量模块所测阻抗谱，γ为电缆 初始特性参数管理模块获得的电缆传播系数，I d为电缆局部缺陷或故障位置。当X= Id时， 与X辛Id时上述乘积积分值a与b差异很大。将电缆发生局部缺陷后的阻抗谱积分变换 函数与完好状态下的积分变换函数进行对比可进一步凸显缺陷段与完好部分的差异，定义 函数VA(X)为：
[0040]
(4)
[0041] 其中，Fd(X)为发生局部缺陷后的电缆阻抗谱积分变换函数，Fh(X)为完好电缆在 同一负载下的阻抗谱积分变换函数，称VA(X)为积分变换诊断函数，其表征电缆传播系数 随位置变化的情况。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I. 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 出现局部缺陷或故障。
[0042] (4)电缆运行状态诊断模块
[0043] 该模块利用阻抗谱数据分析处理模块处理结果，绘制电缆整体介电损耗曲线，评 估电缆整体老化状态。绘制诊断函数VA(X)图像，实现电缆局部缺陷定位或电缆永久性故 障定位，给出电缆运行状态评估意见及电缆检修建议。
[0044] 实施例
[0045] 为使本发明的内容更为清晰直观，分别对三根交联聚乙烯电缆（分别编号为A、B、 C)分别实施了整体老化状态评估、局部缺陷定位以及永久性故障定位试验。试验样品为典 型同轴结构，其芯线半径r。为6. 3mm,绝缘厚度a为9. 6mm,外导体半径r 3为15. 8mm。
[0046] 电缆A长度为20m，整体通过电热老化箱在135°C下老化240h。电缆B长度为50m， 分别在20m与35m处局部在135°C下加热240小时，各形成Icm长局部老化段。电缆C长度 为60m，在30m处设置短路故障。
[0047] 图3所示为本发明实施例中获得的电缆A整体介电损耗频谱，正常交联聚乙烯电 缆绝缘介电损耗在10 3数量级，通过135°C下加热240小时加速老化后介电损耗变为10 2数 量级，属于轻度老化状态。
[0048] 图4为本发明实施例中获得的电缆B局部缺陷定位曲线，曲线在20m和35处出现 两个振荡峰值，表明该处电气参数发生变化。因此，诊断曲线能可靠定位电缆B的两处局部 缺陷。
[0049] 图5为本发明实施例中获得的电缆C故障定位曲线，曲线在30m处出现显著峰值， 定位了该处的故障点。
[0050] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种电缆运行状态诊断系统，其特征在于，该系统包括： 电缆初始特性参数管理模块，实现各类电缆初始特性参数数据库的管理，并通过输入 被测电缆几何参数及绝缘材料介电函数计算电缆初始特性参数； 电缆阻抗谱测量模块，依据被试电缆长度自动选择测量频率范围，通过在被试电缆芯 线与地线之间输入低压变频正弦信号源，测量被试样品输入阻抗随频率变化的曲线，获得 电缆阻抗谱； 阻抗谱数据分析处理模块，对所测的电缆阻抗谱数据进行数据分析，以提取电缆电气 参数相关信息； 电缆运行状态诊断模块，利用阻抗谱数据分析处理模块的处理结果，实现电缆整体运 行状态评估、电缆局部缺陷定位以及电缆永久性故障定位的功能，给出电缆运行状态评估 意见及电缆检修建议。2. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述参数包括特征阻抗、传播系数、电缆宽 频阻抗谱。3. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述阻抗谱数据分析方法采用智能优化搜 索算法以及广义正交积分变换算法。
【专利摘要】本发明公开了一种电缆运行状态诊断系统，属于电气系统技术领域，现有的诊断仪器不能同时实现电缆整体运行状态评估、电缆局部潜伏性缺陷定位以及电缆发生永久性故障后的快速定位，本发明提供的诊断系统，包括：电缆初始特性参数管理模块、电缆阻抗谱测量模块、阻抗谱数据分析处理模块、电缆运行状态诊断模块，同时实现了上述功能，提供了一种可靠的诊断仪器。
【IPC分类】G01R27/16, G01R31/08
【公开号】CN105137283
【申请号】CN201510519072
【发明人】张丹丹, 周志强, 李猛虎, 何俊佳, 刘亚青
【申请人】华中科技大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年8月21日