基于声波测温的电缆故障定位方法与流程

1.本公开实施例涉及电缆检测技术领域，尤其涉及一种基于声波测温的电缆故障定位方法。


背景技术：

2.电力电缆的稳定运行关系着整个电力系统的安全可靠运行，但在电力电缆的制造、安装、运行等过程中会由于种种因素造成电缆故障事故的发生，常见的故障原因有以下三种：一是外力造成的电缆损伤。如运输过程中电缆相互挤压导致变形；电缆敷设过程中由于操作不符合规范导致被尖角、铁钉、台阶凸起等尖锐物划伤电缆；有时土地中酸碱物质对电缆外护套的过度腐蚀也会引起电缆外护套出现麻点、穿孔或开裂，造成电缆损伤。二是传输电压超负荷造成的电缆损伤。电力电缆自身所运用的材料有着相应的绝缘等级，如果出现了很大的过电压如对地短路、雷击等事故，电缆绝缘层就可能出现烧坏击穿。三是绝缘老化与受潮。电缆绝缘介质内部存在气隙，气隙在绝缘介质电离时会产生臭氧、硝酸等化学生成物，腐蚀绝缘、加速绝缘老化；中间接头盒或终端接头结构不密封或安装不良会导致进水，电缆敷设时金属护套被外物刺伤或运行中被腐蚀穿孔、水从小孔或裂缝浸入电缆导致受潮。
3.目前，对于电力电缆故障的查找方法主要从四个方面入手，分别是测距、路径查找、定点和电缆识别。测距主要应用高/低压脉冲法和高压电桥法，基于脉冲信号和murray电桥原理来设计；路径查找通过给被测电缆施加音频或冲击脉冲来判断电缆路径走向；定点目前使用最多的为声磁同步法，在故障点附近接收故障点发出的声波、电磁波及它们之间的时间差确定故障点位置，除此之外由于故障点破损接地后存在故障点前后电压方向相反的现象，还可采用跨步电压定点法来确定位置；电缆识别则主要通过音频电缆识别法和冲击脉冲电缆识别法来进行。
4.尽管关于电缆测试的技术已经存在多种方法，但由于实际中电缆发生的故障包括高阻故障、低阻故障、闪络型故障、断线故障、混合故障等多种类型，产生的故障之间的差异性使得各种方法的应用存在特定的适应性。
5.因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。
6.需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种基于声波测温的电缆故障定位方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
8.本发明提供一种基于声波测温的电缆故障定位方法，包括以下步骤：
9.在电缆夹具靠近电缆的侧面设置多个安装部，用于安装多个pvdf传感器，并将所述电缆夹具安装在待测电缆上；
10.基于电声脉冲原理，利用脉冲电源给所述待测电缆施加脉冲，所述待测电缆内部产生振动声波，利用多个所述声波传感器捕获声波信号并转换为电压信号；
11.将所述电压信号发送给信号处理电路进行处理；
12.采集存储所述信号处理电路处理后的信号；
13.移动电缆夹具每隔预设距离进行重复测量直至待测电缆末端；
14.根据所述待测电缆的内部结构搭建结构模型，计算出所述声波在所述待测电缆内部预设区域的介质声速；
15.根据所述介质声速计算所述待测电缆内部预设区域的温度，结合所述结构模型得到所述待测电缆的内部温度场；
16.从所述温度场中找出温度在正常温度范围外的异常温度，确定所述异常温度所对应的区域，所述异常温度所对应的区域即为故障发生点。
17.优选的，所述预设距离为0.5-2m。
18.优选的，所述电缆夹具上对应安装的所述声波传感器的个数为4-8个。
19.优选的，所述声波传感器为聚偏氟乙烯传感器。
20.优选的，所述脉冲电源通过阻抗匹配电路与所述待测电缆连接。
21.优选的，利用示波器接收所述信号处理电路处理后的信号。
22.优选的，所述信号处理电路为信号放大器。
23.优选的，所述介质声速与所述预设区域的温度的关系式为：
[0024][0025]
其中，v为介质声速；t为待测电缆预设区域的温度；e0为待测电缆的初始杨氏模量；η为待测电缆的杨氏模量温度系数；ρ为待测电缆的密度；σ为待测电缆的泊松比。
[0026]
优选的，通过最小二乘法或径向基函数神经网络法与插值算法对所述声速和温度进行处理，所述插值算法为克里金插值法或三次样条插值算法。
[0027]
优选的，将待测电缆内部横截面区域分成n个子区域，假设在每个子区域内介质声速是均匀分布的，用bi表示第i个子区域介质声速的倒数，用δl
jm
表示第m条声波预设路径穿过第i个子区域的长度，其中，m＝1，2，...，y，y为预设路径总数，则声波在第m条预设路径上传播的理论时间为用cm表示声波在第m条预设路径上传播时间的测量值，则tm和cm之间的误差为：令
[0028][0029]
则总误差为ε＝c-lb，根据划分的测量区域得到l，则介质声速的倒数的最小二乘解为
[0030]
本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：
[0031]
本发明中，在电缆夹具靠近电缆的侧面安装多个声波传感器，然后将其安装在待
测电缆上，基于电声脉冲原理，通过施加脉冲电压产生振动信号，多个声波传感器会对电缆内的声波进行捕获，经处理后进行采集存储，对整条电缆进行重复测量后通过构建电缆内部结构模型计算得到电缆内的介质声速。利用介质声速进行计算从而形成电缆内部的三维温度场，通过查找异常温度值点找出对应的故障点。温度测量结果清晰、准确，可以直观地发现异常的故障温度点，并且不受环境和故障类型的影响，适用范围广，故障定位精准。
[0032]
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
[0033]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]
图1示出本公开示例性实施例中基于声波测温的电缆故障定位方法的流程图；
[0035]
图2示出本公开示例性实施例中基于声波测温的电缆故障定位系统的连接结构示意图。
具体实施方式
[0036]
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
[0037]
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
[0038]
本示例实施方式中提供了一种基于声波测温的电缆故障定位方法，如图1-2所示，包括以下步骤：
[0039]
步骤s101，如图2所示，在电缆夹具靠近电缆的侧面设置多个安装部，用于安装多个pvdf传感器，并将所述电缆夹具安装在待测电缆上。例如，可以在电缆夹具靠近电缆的一侧掏空多个区域安装多个声波传感器，并将其安装在待测电缆上。在一些实施例中，例如可以每隔0.5m、0.8m、1.0m、1.5m等移动设置所述电缆夹具，用来对预设距离的电缆进行检测。另外，在所述电缆夹具上对应安装的所述声波传感器的个数为4-8个，但也不限于此。多个所述声波传感器可以是均匀排布的。当设置8个声波传感器时，在一个径向截面可以得到8组电声脉冲波形。
[0040]
步骤s102，基于电声脉冲原理，利用脉冲电源给所述待测电缆施加脉冲，所述待测电缆内部产生振动声波，利用多个所述声波传感器捕获声波信号并转换为电压信号。所述脉冲电源的电压幅值例如可以是5kv，脉宽可以是50
±
5ns，重复频率最高3khz。
[0041]
步骤s103，将所述电压信号发送给信号处理电路进行处理。在一些实施例中，所述信号处理电路为信号放大器，对接收的信号进行放大，使其稳定在一定幅度范围，以便进行数据处理。
[0042]
步骤s104，采集存储所述信号处理电路处理后的信号。例如，可以利用示波器接收所述信号处理电路处理后的信号，并进行采样和存储。
[0043]
步骤s105，移动电缆夹具每隔预设距离进行重复测量直至待测电缆末端。
[0044]
步骤s106，根据所述待测电缆的内部结构搭建结构模型，计算所述声波在所述待测电缆内部预设区域的介质声速。
[0045]
步骤s107，根据所述介质声速计算所述待测电缆内部预设区域的温度，结合所述结构模型得到所述待测电缆的内部温度场。
[0046]
步骤s108，从所述温度场中找出温度在正常温度范围外的异常温度，确定所述异常温度所对应的区域，所述异常温度所对应的区域即为故障发生点。
[0047]
本实施例中，在电缆夹具靠近电缆的一侧安装多个声波传感器后将其安装在待测电缆上，基于电声脉冲原理，通过施加脉冲电压产生振动信号，多个声波传感器会对电缆内的声波进行捕获，经处理后进行采集存储，对整条电缆进行重复测量后通过构建电缆内部结构模型计算得到电缆内的介质声速。利用介质声速进行计算从而形成电缆内部的三维温度场，通过查找异常温度值点找出对应的故障点。温度测量结果清晰、准确，可以直观地发现异常的故障温度点，并且不受环境和故障类型的影响，适用范围广，故障定位精准。
[0048]
在一个实施例中，可选的，所述声波传感器为聚偏氟乙烯传感器，用来对所述声波进行感应接收，以便于后续数据处理。
[0049]
在一个实施例中，可选的，所述脉冲电源通过阻抗匹配电路与所述待测电缆连接。当脉冲电源负载电阻和传输线波阻抗相同时，负载阻抗上将形成矩形脉冲波，此时为理性匹配状态。所以需要在脉冲电源输出接口前设计阻抗匹配电路。
[0050]
在一个实施例中，可选的，通过最小二乘法或径向基函数神经网络法与插值算法对所述声速和温度进行处理，所述插值算法为克里金插值法或三次样条插值算法。
[0051]
在一个实施例中，可选的，将待测电缆内部横截面区域分成n个子区域，假设在每个子区域内介质声速是均匀分布的，用bi表示第i个子区域介质声速的倒数，用δl
im
表示第m条声波预设路径穿过第i个子区域的长度，其中，m＝1，2，...，y，y为预设路径总数，则声波在第m条预设路径上传播的理论时间为用cm表示声波在第m条预设路径上传播时间的测量值，则tm和cm之间的误差为：
[0052]
令
[0053][0054]
则总误差为ε＝c-lb，根据划分的测量区域得到l，则介质声速的倒数的最小二乘解为
[0055]
经上述处理得到每个小区域求出一个声速的倒数，再利用声速与温度的关系求出
对应的温度值其中：v为介质声速；t为温度；e0为初始杨氏模量；η为杨氏模量温度系数；ρ为密度；σ为泊松比。
[0056]
利用matlab软件中的插值算法来进行温度场的重建，采用克里金(kriging)插值工具箱的dacefit和predictor函数实现插值运算。克里金插值公式：其中是待测电缆内部点(x0，y0)处的估计值，λi为权重系数，它是空间上所有已知点的数据加权求和来估计未知点的值，其未能够满足点(x0，y0)处的估计值和真实值z0的差最小的一套最优系数，即同时满足无偏估计的条件计算出缺失点的值从而得到被测电缆内部的三维温度场分布。
[0057]
电缆在长期服役过程中，正常运行温度一般为65℃左右，但发生故障时，材料内部局部温度可高达250℃。所以我们根据以上步骤测出的整条电缆内部温度场分布可以直观的找出异常的温度点范围(预设距离内)，在此范围内可以根据上述步骤进行详细测量得到异常的温度点，而此点即为此段电缆的故障发生点。
[0058]
需要说明的是，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。另外，也易于理解的是，这些步骤可以是例如在多个模块/进程/线程中同步或异步执行。
[0059]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。