一种基于振动信号监测的电缆外力破坏预警诊断装置的制作方法

本发明涉及一种基于振动信号监测的电缆外力破坏预警诊断装置，属于输电系统中电力电缆在线监测和故障诊断技术领域。

背景技术：

当下城市改造建设越来越多，由于城市内架空线影响城市美观，发生故障时又会对地面上的人、车辆等造成威胁，架空线换成电缆埋入地下已是配电网建设的常规化工作。相较于架空导线，电力电缆输电有着不占地面空间、同一地下电缆通道可以容纳多回线路、利于市容市貌整齐美观、受自然气象条件和周围环境的影响很小、对人身比较安全、供电可靠性高、运行维护费用较少的优势。虽然电缆敷设于地下，占地面积小，但是电缆在使用中时常受到外力破坏，电缆供电安全可靠的优势受到严重影响。目前敷设于地下的电缆受到破坏的原因主要是人为的偷盗以及盲目施工过程中重型机械的挖掘等。

目前常用到的保护电缆免受外力破坏的措施手段为光纤测振。虽然光纤测振的灵敏度高，但是存在较多误报的情况，且光纤测振针对破坏性振动与非破坏性振动的区分度不够高。光纤分布式测振系统的敷设工程量大，且后期的维护的成本极高。上述因素的限制导致光纤测振难以在大规模的电力电缆系统中做振动检测应用。

实验研究表明，电力电缆在正常运行过程中自身的振动模态与受到外力入侵时的振动模态有很大的区别。在常规运行过程中，电缆由于流通电流会产生周期性的小幅度振动；而受到外力入侵时，电缆本体振动剧烈，产生的振动信号通常有较大的幅值和一定的特征频率，因此，对电力电缆进行实时振动信号监测不但可以对其外力破坏故障做出预警，还可以根据振动信号的波形信息，分析判断相应的故障类别。目前，市面上的振动传感器发展成熟，对于机械振动的捕捉灵敏度较高，可以实现振动信号的实时采样，相比光纤测振方法，其使用寿命较长，尺寸小灵敏度高，功耗小，适合制作大规模的分布式传感系统，也便于对电力电缆进行振动情况的在线监测。

技术实现要素：

本发明针对电缆沟道内电缆受人为因素和盲目施工破坏预警等实际情况，提出了基于振动信号监测的电缆外力破坏预警诊断装置，实现对电缆沟道内电缆受到外力入侵而破坏的实时预警监测。

为达到上述目的，本发明是通过下列技术方案来实现的：

一种基于振动信号监测的电缆外力破坏预警诊断装置，包括无线振动传感器和上位机接收器；所述无线振动传感器安装在沟道内电缆本体上不同部位；所述无线振动传感器用于采集电缆运行过程中受到的外力入侵振动信号，并输出至上位机接收器；

所述上位机接收器用于接收所述无线振动传感器传输的振动信号，并进行振动模态分析，显示当前预警等级及预警模式。

进一步的，无线振动传感器安装在电缆沟道内电缆支架处及两支架之间位置，并保持等距离部署安装。

进一步的，无线振动传感器包括：

传感器模块，包含振动传感器，和信号预处理及模数采样芯片；所述振动传感器用于采集电缆运行过程中受到的外力入侵振动信号，并通过内部的压电陶瓷转化为电压信号；所述信号预处理及模数采样芯片用于将电压信号按一定采样率转化为数字信号；

中央处理模块，包括arm处理器和存储器；所述arm处理器用于控制信号预处理及模数采样芯片的采样、截取以及去噪；所述存储器用于对采样的振动信号进行保存；

无线传输模块，用于将采样的振动信号传输至上位机接收器；

电源管理模块，用于对传感器模块、中央处理模块和无线传输模块进行供电和功耗管理。

进一步的，无线振动传感器采用响应频带大于5khz，工作温度范围为-20°~120°，电压灵敏度大于100mv/g的振动传感器。

进一步的，上位机接收器进行振动模态分析，包括：

上位机接收器获取无线振动传感器的数字化振动信号波形，读取一段时间内的波形峰值a；

当a<预警阈值s时，判断为电缆正常运行情况，无线振动传感器向上位机接收器发送正常状态信息；

当a>预警阈值s时，判断为可疑信号，无线振动传感器向上位机接收器发送异常状态信息，同时发送相应时间窗内的可疑信号波形；

上位机接收器对可疑信号波形通过快速傅里叶变换算法进行频域分析，将时域波形信号转化为频率谱；

将频率谱与历史数据库对比；

若频率谱与历史数据库中的典型特征峰匹配，则判断为相应的故障类型并报警；

若历史数据库中没有与所述频率谱匹配的典型特征峰，则作为可疑异常信号报警。

进一步的，上位机接收器能够同步接收多个无线振动传感器的数字化振动信号波形。

进一步的，历史数据库中存储有典型故障的频率谱特征峰信息。

本发明所达到的有益效果为：

本发明主要针对电缆沟道内电缆受外力入侵产生的振动信号作为监测对象，实时监控电缆的振动幅度，在上位机进行模式分析和预警，具有实时性强、预警准确度高、抗干扰能力强及可确定故障类别等特点。

附图说明

图1为本发明中无线振动传感器原理；

图2为本发明中无线振动传感器的结构原理图；

图3为本发明中无线振动传感器的实物图；

图4为本发明中无线振动传感器在电缆沟道内的部署位置；

图5为本发明中上位机接收器振动模态分析预警判断逻辑；

图6为本发明实施中实测振动波形及频谱分析结果，图6（a）为实测振动波形，图6（b）为频域波形。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提供一种基于振动信号监测的电缆外力破坏预警诊断装置，采用非电接触、非电量的机械信号探测手段，实现对电缆沟道内电缆受到外力入侵而破坏的实时预警监测。具体为，在沟道内电缆本体上不同部位按一定间距安装分布式无线振动传感器，无线振动传感器实时监控当前电缆的振动情况，定时记录振动幅度，频率谱等振动状态信息。

无线振动传感器上设有无线传输模块，无线传输模块用于将振动状态信息上传到上位机接收器；上位机接收器用于对接收到的无线振动传感器当前数据和历史数据进行模态分析，并显示当前预警等级及预警模式或报警。

参见图1，本发明中采用响应频带宽（大于5khz）、工作温度范围大（-20°~120°）、电压灵敏度高（大于100mv/g）的无线振动传感器采集电缆的振动信号，输出与振动信号成比例的电压信号。

无线振动传感器的安装方式为：在电缆沟道内电缆支架处及两支架之间部分选择合适位置等距离部署安装，对电缆易收破坏部位进行监测。以110kv电缆为例，无线振动传感器具体部署位置如图4所示，无线振动传感器6安装位置为两电缆支架7中间部位，实际应用中可选择更多无线振动传感器安装部署在包括支架处等位置。

参见图2和图3，本发明的无线振动传感器6由传感器模块1，中央处理模块2，无线传输模块3和电源管理模块4四个模块单元构成。图2中，还包含外壳5。

其中，传感器模块中包含振动传感器，和信号预处理及模数采样芯片，振动传感器用于采集电缆运行过程中受到的外力入侵振动信号并通过其内部的压电陶瓷转化为电压信号；信号预处理及模数采样芯片用于将电压信号按一定采样率转化为数字信号。

中央处理模块包括arm处理器和存储器，arm处理器用于控制信号预处理及模数采样芯片，通过编程实现电压信号的采样、截取以及去噪；存储器用于对采样数据进行保存。

无线传输模块用于将arm处理器获取的电缆振动采样信号传输至上位机接收器。

电源管理模块用于对传感器模块、中央处理模块和无线传输模块进行供电和功耗管理。

本发明中上位机接收器能够同步接收多个无线振动传感器的实时数据，并具有振动模态分析及状态预警功能，其振动模态分析的判断逻辑参见图5，具体为：上位机接收器获取当前各个无线振动传感器的数字化振动信号波形，对每一个无线振动传感器读取其一段时间内的波形峰值a，当a<预警阈值s时，判断为正常运行情况，无线振动传感器向上位机接收器发送正常状态信息；当a>预警阈值s时，判断为可疑信号，无线振动传感器向上位机接收器发送异常状态信息，同时发送相应时间窗内的可疑信号波形，上位机接收器对可疑信号波形通过快速傅里叶变换算法进行频域分析，将时域波形信号转化为频率谱，即得到不同频率分量的幅值，将频率谱与历史数据库对比，若典型特征峰匹配，则判断为相应的故障类型并报警；若历史数据库中没有与所述频率谱匹配的典型特征峰，则作为可疑异常信号报警。数据库信息可以不断更新，加强识别准确度。历史数据库中储存有典型故障的频率谱特征峰信息。

参见图6，为无线振动传感器实测得到的切割机切割电缆支架时的振动信号波形图6（a）和经过变换得到的频域波形图6（b）。该无线振动传感器采得的波形信息完整，其频谱中有明显的特征峰，可以作为该类故障的判据加入历史数据库。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。