一种电力电缆接头自动检测装置及方法与流程

1.本发明涉及电力电缆自动检测技术领域，具体涉及一种电力电缆接头自动检测装置及方法。


背景技术：

2.随着社会经济的飞速发展，城市的建设与社会的发展离不开电力能源的支撑，社会发展对电网的容量、供电线路的稳定性、电力电缆的安全性等要求越来越高，而电力电缆的安全性是影响电网安全稳定运行的关键因素。在电力系统输送过程中涉及输电线路、电力设施等电力设备中涉及大量的绝缘材料以此保证输电过程中的安全与高效，除了电力电缆具有绝缘特性外，典型的绝缘设备还包括电力电缆线路绝缘子、复合套管、盆式绝缘子等。这些供配电设备或部件使用的材料大多为有机或无机的电介质绝缘材料，其中有机复合绝缘材料重量轻、成本低、电绝缘性能优异被广泛应用于电力设施中，充分保障了电力电缆的有效与安全稳定运行的角色。近几年，随着电网规模迅速扩大和电压等级的不断提高，电力运营的安全性问题日益突出。特别是高压电缆在城市电网中广泛使用，产生了新的安全问题。
3.由于受城市规划和投资的约束，常见的设计是在电缆隧道或沟道内敷设若干回路。而这种设计在获得良好的空间集约性与易维护性的同时具有明显的脆弱性，一旦某根电缆故障恶化引发明火，可能迅速殃及周围电缆和建筑结构，导致该管道内所有线路瘫痪。地下高压电缆工程造价昂贵，通常在每千米数千万元，火灾可造成重大直接财产损失，并且修复周期长。而且城市的地下环境比较复杂，不能排除电缆火灾对其他市政管线、共同沟、地铁、包括地面设施和人员安全的威胁。另外，公众和企业对共用设施的服务水平的要求迅速提升，不仅因为断电可能给企业造成巨额经济损失，还因为现代社会文明要求公共设施管理部门给予更高的服务承诺。所有这些都促使电力部门采取各种强有力的措施，来尽可能保证电网的可靠。
4.电缆运行故障的主要原因是长期局部放电、温度变化、外力破坏、电缆附件制造质量缺陷、电缆安装质量缺陷和电力电缆缓冲层含水造成烧蚀等，其中发生电缆故障的重点部位为电缆的接头处，电力电缆的接头受到接线工艺、施工水平、接线处密封不良受潮、本体老化、护套损坏等因素导致电力电缆接头处运行过程中极易发生故障。因此，亟需一种电力电缆接头自动检测装置及方法。


技术实现要素：

5.为了克服上述缺陷，本发明提出了一种电力电缆接头自动检测装置及方法。
6.第一方面，提供一种电力电缆接头自动检测装置，所述电力电缆接头自动检测装置包括：飞秒脉冲激光器1、第一色散补偿光纤2、第一可调衰减器3、第一保偏传输光纤4、偏置高压源5、太赫兹发射天线8、太赫兹接收天线9、数据采集卡10、计算机软件系统11、第二保偏传输光纤12、第二可调衰减器13、光纤光学延迟线14和第二色散补偿光纤15；
7.所述飞秒脉冲激光器1，用于发射第一飞秒激光脉冲、第二飞秒激光脉冲和红外激光测距光束；
8.所述飞秒脉冲激光器1发射第一飞秒激光脉冲的端口依次连接第一色散补偿光纤2、第一可调衰减器3、第一保偏传输光纤4、太赫兹发射天线8；
9.所述飞秒脉冲激光器1发射第二飞秒激光脉冲的端口依次连接第二色散补偿光纤15、光纤光学延迟线14、第二可调衰减器13、第二保偏传输光纤12、太赫兹接收天线9；
10.所述偏置电压源5，用于向太赫兹发射天线8提供100v的直流高压；
11.所述太赫兹发射天线8，用于向电缆接头7位置发射太赫兹脉冲；
12.所述太赫兹接收天线9，用于接收电缆接头7位置反射的带有电缆接头7的三维层析信号的太赫兹波；
13.所述数据采集卡10，用于采集所述带有电缆接头7的三维层析信号的太赫兹波；
14.所述计算机软件系统11，用于基于红外激光测距光束的反射信号判断电缆接头7位置，并基于所述带有电缆接头7的三维层析信号的太赫兹波进行太赫兹三维层析成像，得到电缆接头7的成像结果。
15.优选的，所述第一飞秒激光脉冲和第二飞秒激光脉冲的输出波长均为1550nm
±
20nm、脉冲宽度均小于100fs、重复频率均为100mhz、输出功率均为50mw。
16.优选的，所述太赫兹发射天线8为基于ingaas的光电导天线。
17.优选的，所述计算机软件系统11具体包括：太赫兹三维层析成像系统软件和激光测距系统；
18.所述激光测距系统，用于基于红外激光测距光束的反射信号获取所述装置与电力电缆6之间的测距数据，当该测距数据发生跳变时，判断所述装置当前测量位置为电缆接头7位置；
19.所述太赫兹三维层析成像系统软件，用于基于所述带有电缆接头7的三维层析信号的太赫兹波进行太赫兹三维层析成像，得到电缆接头7的成像结果；
20.优选的，所述第一可调衰减器3，用于对第一飞秒激光脉冲的光功率进行衰减，以适配所述太赫兹发射天线8；
21.所述第二可调衰减器13，用于对第二飞秒激光脉冲的光功率进行衰减，以适配所述太赫兹接收天线9。
22.优选的，所述光纤光学延迟线14，用于对光学路径进行延迟。
23.优选的，所述装置还包括用于搭载所述装置的自动巡检机器人17。
24.第二方面，提供一种基于所述的电力电缆接头自动检测装置的检测方法，所述方法包括：
25.控制所述飞秒脉冲激光器1发射第一飞秒激光脉冲、第二飞秒激光脉冲和红外激光测距光束；
26.将所述飞秒脉冲激光器1发射的红外激光测距光束指向电力电缆6，自动巡检机器人17沿电力电缆6前进方向进行自动巡检；
27.利用所述计算机软件系统11基于红外激光测距光束的反射信号判断电缆接头7位置，并基于所述带有电缆接头7的三维层析信号的太赫兹波进行太赫兹三维层析成像，得到电缆接头7的成像结果。
28.本发明上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：
29.本发明提供了一种电力电缆接头自动检测装置及方法，包括：所述装置包括：飞秒脉冲激光器1、第一色散补偿光纤2、第一可调衰减器3、第一保偏传输光纤4、偏置高压源5、太赫兹发射天线8、太赫兹接收天线9、数据采集卡10、计算机软件系统11、第二保偏传输光纤12、第二可调衰减器13、光纤光学延迟线14和第二色散补偿光纤15；所述飞秒脉冲激光器1，用于发射第一飞秒激光脉冲、第二飞秒激光脉冲和红外激光测距光束；所述飞秒脉冲激光器1发射第一飞秒激光脉冲的端口依次连接第一色散补偿光纤2、第一可调衰减器3、第一保偏传输光纤4、太赫兹发射天线8；所述飞秒脉冲激光器1发射第二飞秒激光脉冲的端口依次连接第二色散补偿光纤15、光纤光学延迟线14、第二可调衰减器13、第二保偏传输光纤12、太赫兹接收天线9；所述偏置电压源5，用于向太赫兹发射天线8提供100v的直流高压；所述太赫兹发射天线8，用于向电缆接头7位置发射太赫兹脉冲；所述太赫兹接收天线9，用于接收电缆接头7位置反射的带有电缆接头7的三维层析信号的太赫兹波；所述数据采集卡10，用于采集所述带有电缆接头7的三维层析信号的太赫兹波；所述计算机软件系统11，用于基于红外激光测距光束的反射信号判断电缆接头7位置，并基于所述带有电缆接头7的三维层析信号的太赫兹波进行太赫兹三维层析成像，得到电缆接头7的成像结果。本发明提供的技术方案能够实现管廊敷设电力电缆接头位置的自动巡检，节省了大量的人力资源，提高了巡检效率。结合太赫兹三维层析成像系统能够实现不间断自动巡检，减少由于人为巡检的劳动强度。进一步的，太赫兹成像精度高，能够发现水树枝等局放不能检测到的缺陷，提高缺陷发现率。
附图说明
30.图1是本发明实施例的电力电缆接头自动检测装置的主要结构框图；
31.图2是本发明实施例的基于电力电缆接头自动检测装置的检测方法示意图。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
34.目前，城市电缆敷设为获得良好的空间集约性常见的设计是在电缆隧道或沟道内敷设若干回路，导致电缆检修空间狭小，人员施工作业难度加大，一旦某根电缆故障恶化引发明火，迅速殃及周围电缆和建筑结构，导致该管道内所有线路瘫痪。电力电缆的接头受到接线工艺、施工水平、接线处密封不良受潮、本体老化、护套损坏等因素导致电力电缆接头处运行过程中极易发生故障。为解决电力电缆接头故障频发以及受限于电缆敷设环境狭小无法人为全程检测的现状，本发明专利提供了一种电力电缆接头自动巡检装置以此实现复杂工况下电缆接头的实时在线检测并最终评估检测接头的健康状态，实现提前预警的作用。利用红外激光测距仪对移动机器人经过的电缆表面进行测距，当电缆处出现接头位置时启动太赫兹三维层析成像系统并根据红外测距仪给出的距离信息实时准确调节太赫兹
三维层析成像系统的聚焦光斑位置，通过机械臂准确调节与扫描成像实时分析电缆的健康状态并将状态信息上传到主机系统。本发明提供的自动巡检装置能够在无人值守条件下方便对电缆接头进行自动巡检，起到预防故障发生的目的。
35.参阅附图1，图1是本发明的一个实施例的电力电缆接头自动检测装置的主要结构示意图。如图1所示，本发明实施例中的电力电缆接头自动检测装置主要包括：飞秒脉冲激光器1、第一色散补偿光纤2、第一可调衰减器3、第一保偏传输光纤4、偏置高压源5、太赫兹发射天线8、太赫兹接收天线9、数据采集卡10、计算机软件系统11、第二保偏传输光纤12、第二可调衰减器13、光纤光学延迟线14和第二色散补偿光纤15；
36.所述飞秒脉冲激光器1，用于发射第一飞秒激光脉冲、第二飞秒激光脉冲和红外激光测距光束；
37.所述飞秒脉冲激光器1发射第一飞秒激光脉冲的端口依次连接第一色散补偿光纤2、第一可调衰减器3、第一保偏传输光纤4、太赫兹发射天线8；
38.所述飞秒脉冲激光器1发射第二飞秒激光脉冲的端口依次连接第二色散补偿光纤15、光纤光学延迟线14、第二可调衰减器13、第二保偏传输光纤12、太赫兹接收天线9；
39.所述偏置电压源5，用于向太赫兹发射天线8提供100v的直流高压；
40.所述太赫兹发射天线8，用于向电缆接头7位置发射太赫兹脉冲；
41.所述太赫兹接收天线9，用于接收电缆接头7位置反射的带有电缆接头7的三维层析信号的太赫兹波；
42.所述数据采集卡10，用于采集所述带有电缆接头7的三维层析信号的太赫兹波；
43.所述计算机软件系统11，用于基于红外激光测距光束的反射信号判断电缆接头7位置，并基于所述带有电缆接头7的三维层析信号的太赫兹波进行太赫兹三维层析成像，得到电缆接头7的成像结果。
44.其中，所述第一飞秒激光脉冲和第二飞秒激光脉冲的输出波长均为1550nm
±
20nm、脉冲宽度均小于100fs、重复频率均为100mhz、输出功率均为50mw。所述太赫兹发射天线8为基于ingaas的光电导天线。
45.本实施例中，所述计算机软件系统11具体包括：太赫兹三维层析成像系统软件和激光测距系统；
46.所述激光测距系统，用于基于红外激光测距光束的反射信号获取所述装置与电力电缆6之间的测距数据，当该测距数据发生跳变时，判断所述装置当前测量位置为电缆接头7位置；
47.所述太赫兹三维层析成像系统软件，用于基于所述带有电缆接头7的三维层析信号的太赫兹波进行太赫兹三维层析成像，得到电缆接头7的成像结果；
48.具体的，本发明设计利用激光测距仪中的可见光指示太赫兹时域光谱系统聚焦光斑位置并且在改变太赫兹反射光路夹角时通过自动化控制系统实现电动平台自动调节高度的装置与调节方法，该装置通过激光测距仪的实时位置信息反馈在线对自动巡检电力电缆接头的位置进行实时调节，保证太赫兹三维层析成像系统的信噪比，实现成像的优化。
49.太赫兹技术是近十几年来新兴的热门研究领域，典型的太赫兹波是指频率在0.1-10thz(对应波长30μm-3mm)之间的电磁波，介于微波与红外线之间的一段电磁波谱，由于非极性大分子之间/内的弱作用力(氢键、范德华力)、骨架振动和偶极子旋转等正好处于thz
频谱范围内，并且太赫兹脉冲信号具有良好的时间分辨率，使得太赫兹时域光谱技术和太赫兹三维层析成像技术近年来在多个领域迅速展开应用。基于太赫兹时域光谱技术的技术优势，太赫兹三维层析成像技术能够快速对待测物质的光谱特性信息以及物质穿透信息进行测量，在半导体材料、超温超导材料的性质研究、断层扫描成像技术、基因检查、化学和生物检查、宽带通信等领域具有广泛的应用，是一种物质厚度检测、物质成分分析、物质分层信息测量、太赫兹三维层析成像等方面有效测量手段。
50.基于光电导天线的太赫兹时域光谱系统是当前最为有效的太赫兹光谱成像产品。其基本原理为：光纤飞秒激光器发出两束飞秒激光，一束作为泵浦光，经光纤传输到光电导发射天线上，在偏置电压的作用下产生宽带太赫兹波，该太赫兹波经反射方式携带测试样品的三维层析信号进入太赫兹探测天线；探测光经过快速光学延迟线，将携带有样品信息的太赫兹波谱信息通过波谱分析技术对样品进行三维层析成像。
51.在一个实施方式中，所述激光测距系统可以是激光测距仪，激光测距仪是利用脉冲激光的时间延迟对待测目标的距离进行准确测定的仪器，激光测距仪不仅具有测量距离准确、聚焦光斑尺寸小、单色性高等优点，通过激光测距仪的距离测量功能能够有效的测量电缆与机器人之间的距离进行指示，当巡检机器人沿电缆行进方向进行巡检时，激光测距仪的距离测量数据发生跳变时判断为电力电缆的接头位置，此时通过调节太赫兹三维层析成像系统的聚焦光斑位置，结合太赫兹反射信号的角度信息与激光测距仪的测距信息可以有效的实现对电缆接头位置最佳成像位置的自动化调节，最终将太赫兹探头的光斑位置调节到最佳，实现系统对电力电缆接头进行高信噪比的成像。
52.本实施例中，由于太赫兹发射天线8与太赫兹接收天线9的输入光功率对功率有一定要求，因此在连接太赫兹发射天线和与太赫兹接收天线9前需要对通过所述第一可调衰减器3和第二可调衰减器13对光功率进行衰减以适配以上器件的输入功率要求；
53.在一个实施方式中所述第一可调衰减器3，用于对第一飞秒激光脉冲的光功率进行衰减，以适配所述太赫兹发射天线8；
54.所述第二可调衰减器13，用于对第二飞秒激光脉冲的光功率进行衰减，以适配所述太赫兹接收天线9。
55.本实施例中，所述光纤光学延迟线14，用于对光学路径进行延迟。
56.本实施例中，所述装置还包括用于搭载所述装置的自动巡检机器人17。
57.基于上述装置，本发明还提供一种基于所述的电力电缆接头自动检测装置的检测方法，如图2所示，所述方法包括：
58.控制所述飞秒脉冲激光器1发射第一飞秒激光脉冲、第二飞秒激光脉冲和红外激光测距光束；
59.将所述飞秒脉冲激光器1发射的红外激光测距光束指向电力电缆6，自动巡检机器人17沿电力电缆6前进方向进行自动巡检；
60.利用所述计算机软件系统11基于红外激光测距光束的反射信号判断电缆接头7位置，并基于所述带有电缆接头7的三维层析信号的太赫兹波进行太赫兹三维层析成像，得到电缆接头7的成像结果。
61.在一个最优的实施方式中，电力电缆接头自动巡检方法如下：自动巡检机器人装载太赫兹三维层析成像系统沿电力电缆前进方向进行自动巡检，装置内部集成的激光测距
仪作为机器人自动巡检路径的指引，由于电力电缆在管廊中沿直线铺设，因此机器人沿直线行进时激光测距仪显示与电力电缆的距离不变，当自动巡检机器人巡检路径上遇到电缆接头时激光测距仪的距离会发生由小到大随即由大到小的过程，判断该位置为电力电缆接头位置。当判断为电力电缆接头位置时，激光测距仪将判断结果上发至计算机，计算机通过自动控制系统激活太赫兹三维层析成像系统，此时太赫兹三维层析成像系统打开光纤飞秒激光器，产生的飞秒激光内部光分路器的分光作用下分两路前进，激光脉冲在激发光路系统的通路中通过色散补偿光纤2和可调衰减器3以及长度为4m的保偏光纤4并送入太赫兹发射天线8；太赫兹发射天线发出太赫兹脉冲并聚焦到待测电力电缆上，太赫兹脉冲携带有待测电力电缆的成像与缺陷信息后被太赫兹接收天线9接收并进行成像。系统联动巡检机器人带动机械臂对接头位置进行360
°
旋转层析成像，软件系统对成像结果进行分析并输出电力电缆的健康状态。
62.太赫兹三维层析成像系统集成于自动巡检机器人上，自动巡检机器人根据管廊内自动设定的循迹路线前进，激光测距系统对电力电缆的形貌及距离进行扫描，因电力电缆在没有接头的情况下直径保持一致，电力电缆接头处的直径远大于正常电缆的直径，当红外测距系统判断到位于电缆接头位置时，开启太赫兹三维层析成像系统，并主动将电缆表面距离太赫兹镜头的位置主动报告给太赫兹三维层析成像系统软件，通过系统软件反馈机械臂实时调节太赫兹镜头距离电缆接头的相对位置，确保太赫兹聚焦光斑位置聚焦到电缆接头位置，保证高信噪比成像。
63.本发明提供的电力电缆接头自动检测装置及方法将太赫兹三维层析成像系统结合了红外测距系统，能够有效的反馈并自动调节太赫兹镜头距离待测样品的相对位置，保证系统成像精度，以上系统搭载自动巡检机器人上实现自动巡检。
64.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。