一种三芯电缆外护套故障定位方法及装置与流程

1.本发明属于电缆故障定位技术领域，具体涉及一种三芯电缆外护套故障定位方法及装置。


背景技术：

2.随着我国的城市化建设规模的逐渐扩大，以及对城市安全要求的提高，新建架空线路已不被现代城市建设所采纳，现有的城市架空线路也将逐步被地下电缆所替代，使得电力电缆的应用更加广泛，电力电缆数量也迅速增长。随着城市电网改造的进行，电力电缆被越来越多的应用到城市电网中，因为电缆深埋地下，运行环境恶劣潮湿，易受白蚁、老鼠等生物侵害，因此地下电缆一般都会有一层金属铠装层，并外覆一层橡胶绝缘护套，虽然铠装层能够有效避免电缆本体被外界因素侵害，但是铠装层外侧的橡胶绝缘护套仍然存在被破坏的风险。虽然铠装层外护套的损坏并不会导致电缆第一时间损坏跳闸，但是仍然会出现诸如环流过高导致电缆发热、感应电压入地导致人员跨步电压触电、金属护套持续破损导致绝缘层裸露破损引发故障等问题。
3.在110kv及以上电缆线路，因为电压等级高，绝缘层厚度大，散热要求高，多采用单芯电缆型式敷设，当110kv电缆外护套破损时，电缆因为外护套的感应电压导致环流剧烈上升、通过分析环流情况，可以大致推算出电缆外护套故障所在区段，然而在35kv及以下电缆线路，因为电压等级低，对电缆绝缘与散热要求不高，多采用三芯电缆型式敷设，这时因为三相电缆线路都在绝缘铠装层内，电缆外护套感应三芯电缆的零序电流，在正常运行时，三相平衡交流系统的零序电流很小，因此电缆外护套上的感应电压接近为零，在外护套破损时无法通过环流确定电缆外护套是否故障。因此如何克服现有技术的不足是目前电缆故障定位技术领域亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种三芯电缆外护套故障定位方法及装置。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种三芯电缆外护套故障定位方法，包括如下步骤：步骤（1），沿三芯电缆敷设两芯信号电缆；步骤（2），将敷设的两芯电缆的一端悬空，另一端其中一芯电缆直接接地；另一端另外一芯电缆与信号放大电路输入端连接，信号放大电路经过隔直电容c2与跟随电路连接，跟随电路与保护电路连接，保护电路与ad芯片u2连接，信号通过ad芯片u2数字化后，再与dtu连接，发送到后台进行处理分析；步骤（3），后台接收到dtu传来的电场数值信息，然后将电场数值信息按照时间轴排列形成电场变化趋势波形图；步骤（4），使用滤波算法将电场变化趋势波形图中不属于50hz的工频分量去除；
步骤（5），使用短时傅里叶算法将经步骤（4）处理后的波形图转化为电场有效值变化趋势图；步骤（6），通过滑窗算法进行计算，当相邻窗口之间平均值之差超过预设值时，则进行下一步；步骤（7），计算后续3个窗口平均值中最大值和最小值之差是否小于3个窗口内元素的极小值的一半，若是，则进行外护套故障预警，反之则略过本次触发。
6.进一步，优选的是，步骤（1）具体为：沿三芯电缆采用分段敷设的方式两芯信号电缆，每段敷设一根。
7.进一步，优选的是，步骤（1）中，将两芯信号电缆采用捆扎方式固定在三芯电缆外壁。
8.进一步，优选的是，所述的信号放大电路包括三极管q1、电容c1、电阻r1和电阻r2；所述的跟随电路包括运算放大器u1、电阻r3、电阻r4和电容c3；所述保护电路包括二极管d1、二极管d2和电容c4；电容c1的一端分别与电阻r1、三极管q1的基极相连；三极管q1的发射极接地；三极管q1的集电极与电阻r2的一端相连；电阻r2的另一端与电阻r1的另一端相连；电阻r2的一端还通过电容c2与电阻r3的一端相连；电阻r3的另一端分别与电容c3的一端、运算放大器u1的 输入引脚相连；电容c3的另一端接地；运算放大器u1的
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输入引脚与运算放大器u1的输出端相连；运算放大器u1的输出端还与电阻r4的一端相连；电阻r4的另一端分别与二极管d1的正极、电容c4的一端、二极管d2的负极、ad芯片u2相连；电容c4的另一端与二极管d2的正极相连并接地。
9.进一步，优选的是，步骤（6）中，预设值为设备初始挂网后波形稳定时的设备测量电场数值的50%。
10.本发明同时提供一种三芯电缆外护套故障定位装置，包括两芯信号电缆、数据采集装置和后台；所述的数据采集装置包括信号放大电路、跟随电路、保护电路、ad芯片u2和dtu；沿三芯电缆敷设两芯信号电缆；将敷设的两芯电缆的一端悬空，另一端其中一芯电缆直接接地；另一端另外一芯电缆与信号放大电路输入端连接，信号放大电路经过隔直电容c2与跟随电路连接，跟随电路与保护电路连接，保护电路与ad芯片u2连接，信号通过ad芯片u2数字化后，再与dtu连接，dtu与后台相连。
11.进一步，优选的是，所述的信号放大电路包括三极管q1、电容c1、电阻r1和电阻r2；所述的跟随电路包括运算放大器u1、电阻r3、电阻r4和电容c3；所述保护电路包括二极管d1、二极管d2和电容c4；电容c1的一端分别与电阻r1、三极管q1的基极相连；三极管q1的发射极接地；三极管q1的集电极与电阻r2的一端相连；电阻r2的另一端与电阻r1的另一端相连；
电阻r2的一端还通过电容c2与电阻r3的一端相连；电阻r3的另一端分别与电容c3的一端、运算放大器u1的 输入引脚相连；电容c3的另一端接地；运算放大器u1的
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输入引脚与运算放大器u1的输出端相连；运算放大器u1的输出端还与电阻r4的一端相连；电阻r4的另一端分别与二极管d1的正极、电容c4的一端、二极管d2的负极、ad芯片u2相连；电容c4的另一端与二极管d2的正极相连并接地。
12.进一步，优选的是，所述的后台包括：电场变化趋势波形图构建模块，用于接收到dtu传来的电场数值信息，然后将电场数值信息按照时间轴排列形成电场变化趋势波形图；滤波模块，用于使用滤波算法将电场变化趋势波形图中不属于50hz的工频分量去除；短时傅里叶转化模块，用于使用短时傅里叶算法将经滤波模块处理后的波形图转化为电场有效值变化趋势图；滑窗模块，用于通过滑窗算法进行计算，当相邻窗口之间平均值之差超过预设值时，则进行下一步；预警模块，用于计算后续3个窗口之间平均值之差是否小于3个窗口内元素的极小值的一半，若是，则进行外护套故障预警，反之则略过本次触发。
13.本发明中预设值设置根据现场环境值不同而不同，原则上为设备初始挂网后波形稳定时的设备测量电场数值的50%。
14.本发明与现有技术相比，其有益效果为：本发明通过测量三芯电缆外护套破损时的泄露电场，发现电缆外护套故障，同时可以通过分段监测来确定电缆外护套故障所在区域，解决了三芯电缆外护套破损及定位的盲区，有效提高35kv及以下电缆线路的运行可靠性。
15.在现行的技术体系中，3芯电缆因为电压等级低，系统投资小，因此电缆的运行状态监测一直不受重视，同时，因为3芯电缆与高压电缆的结构差别，在高压电缆的外护套故障检测的运行经验也无法在3芯较低电压等级电缆上应用，其他常规检测手段诸如跨步电压法、行波注入法等都属于离线检测范畴，处于运行安全的考虑，在检测时必须将线路退运，然而这类电缆线路往往都处于直接对接生产负荷的最后一级，负载压力大，线路备用少，停电检修机会很少，因此发展简便快捷的在线监测方案，是这类电缆的迫切需求，然而因为3芯电缆外护套两端直接接地，因此它在有效屏蔽电缆内部电场磁场的同时，也造成3芯电缆外护套可以应用的信号极其有限，本发明通过反向思维，在3芯电缆外护套本体无监测信号可用的情况下，通过监测3芯电缆外护套物理损伤后电缆内芯泄露的电场信号，来反映3芯电缆外护套故障。
附图说明
16.图1为两芯信号电缆的安装示意图；图2为数据采集装置的结构示意图；
图3为后台分析处理的流程图；图4为两芯信号电缆分段敷设的示意图；图5为后台的结构示意图。
具体实施方式
17.下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
18.本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
19.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”到另一元件时，它可以直接连接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”可以包括无线连接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
20.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“内”、“上”、“下”等指示的方位或状态关系为基于附图所示的方位或状态关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
21.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
22.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
23.如图1、3
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4所示，一种三芯电缆外护套故障定位方法，包括如下步骤：步骤（1），沿三芯电缆敷设两芯信号电缆；步骤（2），将敷设的两芯电缆的一端悬空，另一端其中一芯电缆直接接地；另一端另外一芯电缆与信号放大电路输入端连接，信号放大电路经过隔直电容c2与跟随电路连接，跟随电路与保护电路连接，保护电路与ad芯片u2连接，信号通过ad芯片u2数字化后，再与dtu连接，发送到后台进行处理分析；步骤（3），后台接收到dtu传来的电场数值信息，然后将电场数值信息按照时间轴排列形成电场变化趋势波形图；步骤（4），使用滤波算法将电场变化趋势波形图中不属于50hz的工频分量去除；步骤（5），使用短时傅里叶算法将经步骤（4）处理后的波形图转化为电场有效值变
化趋势图；步骤（6），通过滑窗算法进行计算，当相邻窗口之间平均值之差超过预设值时，则进行下一步；步骤（7），计算后续3个窗口平均值中最大值和最小值之差是否小于3个窗口内元素的极小值的一半，若是，则进行外护套故障预警，反之则略过本次触发。
24.优选，步骤（1）具体为：沿三芯电缆采用分段敷设的方式两芯信号电缆，每段敷设一根。
25.优选，步骤（1）中，将两芯信号电缆采用捆扎方式固定在三芯电缆外壁。
26.优选，如图2所示，所述的信号放大电路包括三极管q1、电容c1、电阻r1和电阻r2；所述的跟随电路包括运算放大器u1、电阻r3、电阻r4和电容c3；所述保护电路包括二极管d1、二极管d2和电容c4；电容c1的一端分别与电阻r1、三极管q1的基极相连；三极管q1的发射极接地；三极管q1的集电极与电阻r2的一端相连；电阻r2的另一端与电阻r1的另一端相连；电阻r2的一端还通过电容c2与电阻r3的一端相连；电阻r3的另一端分别与电容c3的一端、运算放大器u1的 输入引脚相连；电容c3的另一端接地；运算放大器u1的
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输入引脚与运算放大器u1的输出端相连；运算放大器u1的输出端还与电阻r4的一端相连；电阻r4的另一端分别与二极管d1的正极、电容c4的一端、二极管d2的负极、ad芯片u2相连；电容c4的另一端与二极管d2的正极相连并接地。
27.优选，步骤（6）中，预设值为设备初始挂网后波形稳定时的设备测量电场数值的50%。
28.如图2所示，一种三芯电缆外护套故障定位装置，包括两芯信号电缆、数据采集装置和后台；所述的数据采集装置包括信号放大电路、跟随电路、保护电路、ad芯片u2和dtu；沿三芯电缆敷设两芯信号电缆；将敷设的两芯电缆的一端悬空，另一端其中一芯电缆直接接地；另一端另外一芯电缆与信号放大电路输入端连接，信号放大电路经过隔直电容c2与跟随电路连接，跟随电路与保护电路连接，保护电路与ad芯片u2连接，信号通过ad芯片u2数字化后，再与dtu连接，dtu与后台相连。
29.优选，所述的信号放大电路包括三极管q1、电容c1、电阻r1和电阻r2；所述的跟随电路包括运算放大器u1、电阻r3、电阻r4和电容c3；所述保护电路包括二极管d1、二极管d2和电容c4；电容c1的一端分别与电阻r1、三极管q1的基极相连；三极管q1的发射极接地；三极管q1的集电极与电阻r2的一端相连；电阻r2的另一端与电阻r1的另一端相连；电阻r2的一端还通过电容c2与电阻r3的一端相连；电阻r3的另一端分别与电容c3的一端、运算放大器u1的 输入引脚相连；
电容c3的另一端接地；运算放大器u1的
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输入引脚与运算放大器u1的输出端相连；运算放大器u1的输出端还与电阻r4的一端相连；电阻r4的另一端分别与二极管d1的正极、电容c4的一端、二极管d2的负极、ad芯片u2相连；电容c4的另一端与二极管d2的正极相连并接地。
30.优选，如图5所示，所述的后台包括：电场变化趋势波形图构建模块101，用于接收到dtu传来的电场数值信息，然后将电场数值信息按照时间轴排列形成电场变化趋势波形图；滤波模块102，用于使用滤波算法将电场变化趋势波形图中不属于50hz的工频分量去除；短时傅里叶转化模块103，用于使用短时傅里叶算法将经滤波模块处理后的波形图转化为电场有效值变化趋势图；滑窗模块104，用于通过滑窗算法进行计算，当相邻窗口之间平均值之差超过预设值时，则进行下一步；预警模块105，用于计算后续3个窗口之间平均值之差是否小于3个窗口内元素的极小值的一半，若是，则进行外护套故障预警，反之则略过本次触发。
31.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
32.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
33.本发明提供了一种三芯电缆外护套故障定位方法，方法的主要原理为：当三芯电缆外护套破损时，因为电缆内部电场会通过外护套的缝隙泄露到电缆外部，此时通过敷设在电缆外壁的两芯电缆测量电缆外护套的泄露电场，详细测量方法如下：系统结构如图1和图2所示：首先沿电缆敷设一根两芯信号电缆，两芯电缆的一端悬空，另一端其中一芯电缆直接接地，信号放大电路输入端与电缆另一芯电缆连接，所述放大电路由(三极管q1，电容c1，电阻r1、r2)构成。信号放大电路经过隔直电容c2与跟随电路连接，所述跟随电路由（运放u1，r3，c3，r4）构成。跟随电路与保护电路连接，所述保护电路由（二极管d1，d2，c4）构成。保护电路与ad芯片u2连接，信号通过ad芯片u2数字化后，再与dtu连接。发送到后台进行处理分析。
34.后台数据处理与分析过程如图3所示：将电场数值信息按照时间轴排列形成电场变化趋势波形图，然后使用滤波算法将电场波形中不属于50hz的工频分量去除，接着使用
短时傅里叶算法将波形图转化为电场有效值变化趋势图，再通过滑窗计算出电场突变超过一定值的窗口（预设值设置根据现场环境值不同而不同，原则上为设备初始挂网后波形稳定时的设备测量电场数值的50%），计算后续3个窗口平均值中最大值和最小值之差是否小于3个窗口内元素的极小值的一半，若是，则进行外护套故障预警，反之则略过本次触发。
35.本发明提供了一种三芯电缆外护套故障定位方法，在实际实施时，两芯信号电缆采用捆扎方式固定在三芯电缆外壁，采集装置安装在信号电缆的一端与信号电缆连接并良好接地，当电缆线路过长时，可以将信号电缆断开，采用分段敷设的方式将电缆划分为多个区段分别监测，如图4所示。
36.试验电缆采用10kv三芯电缆连接组成，总长238米，4段试验电缆的型号及长度见表1。为验证电缆外护套故障定位装置的效果，发明人将电缆外护套故障定位装置分别安装于在a、b、c、d四段上，其中a、c段外护套已破损，b、d段外护套未破损，并加压运行；表1 试验电缆型号与长度在实际运行过程中安装于a、c段外护套已破损线路上的本发明能够有效监测电缆的外护套破损情况，进行外护套故障预警；安装于b、d段电缆外护套未破损的线路，则无告警信息，与实际情况一致。
37.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。