基于不同时间FDR波形的低压电缆局部缺陷类型诊断方法与流程

本发明属于电力装备状态诊断，涉及低压电缆局部缺陷诊断，具体涉及基于不同时间fdr频域波形的变电站低压电缆局部缺陷类型诊断技术。

背景技术：

1、随着电网建设的不断发展，大量变电站建成并投入运行。变电站内二次设备依靠低压系统提供电源，低压系统的稳定与否直接关系到变电站的稳定运行。低压电缆是变电站低压配电系统的重要组成部分，但其在生产、敷设、运行过程中受到机械应力、温度、电场等老化因素作用，导致电缆局部外护套、铜屏蔽层、绝缘层等产生局部破损或局部缺陷，在局部破损处还可能产生水分渗入，导致绝缘进一步劣化，电缆绝缘加速老化、绝缘性能降低。在长期运行电场作用下，电缆局部缺陷将发展为故障并引发变电站及电力系统事故。而由于局部缺陷细微、仪器灵敏度低等原因，常用的低压电缆绝缘保护措施难以引发保护动作，且大大增加了电缆运维与检修的难度。若能提前探测低压电缆缺陷位置、识别缺陷类型，则能提升变电站低压电缆运维可靠性，避免由低压电缆局部缺陷造成的电缆故障及电力事故。低压电缆局部缺陷定位及诊断对变电站低压系统可靠运行至关重要。

2、目前电缆局部缺陷的检测，常用的方法有采用时域反射法(tdr)、频域反射法(fdr)等，其中fdr法因其采用扫频信号，高频成分含量较多，定位精度高，因此开始逐渐替代tdr法。申请号为cn202111307836.2的专利提出一种基于频域反射技术的中高压电缆缺陷定位方法，该方法包括对电缆反射系数谱的周期解析信号进行短时傅里叶变换，获得电缆的三维缺陷定位图谱；申请号为cn202311552741.6的专利提出一种基于护层接地回路宽频阻抗谱的高压电缆护套缺陷定位方法，该方法通过向电力电缆金属护层处采用ct注入扫频信号，可实现带电条件下对高压电缆接地回路缺陷快速准确的定位；申请号为cn202111449910.4的专利提出一种基于fdr频域波形的变电站低压电缆局部缺陷定位方法，该方法通过向低压电缆进行fdr测试，可实现对低压电缆局部缺陷的定位。

3、然而，目前关于低压电缆局部缺陷的研究大多围绕局部缺陷定位展开，尚无有关低压电缆局部缺陷类型识别的相关报道。因此，亟需一种能够实现低压电缆局部缺陷类型识别的诊断方法。

技术实现思路

1、本发明为解决低压电缆局部缺陷类型识别的问题，首次提出基于不同时间fdr波形的低压电缆局部缺陷类型诊断方法，实现低压电缆局部缺陷类型的识别。

2、本发明思路为：对待测低压电缆进行fdr测试，依据测试得到的频域波形随时间变化特征，实现对电缆局部缺陷类型识别。

3、本发明提供的基于不同时间fdr波形的低压电缆局部缺陷类型诊断方法，其包括以下步骤：

4、s1对待测低压电缆进行fdr测试，获取其频域波形；

5、s2依据待测低压电缆频域波形，判断是否存在缺陷，若存在缺陷，表明待测低压电缆属于故障低压电缆，进入步骤s3，若不存在缺陷，表明待测低压电缆属于正常低压电缆；

6、s3依据设定的时间间隔，对故障低压电缆进行fdr测试，获取故障电缆不同时间的频域波形，并提取缺陷位置；

7、s4依据不同fdr测试时间得到的故障低压电缆缺陷位置的偏移情况，对缺陷类型进行诊断：

8、当不同fdr测试时间得到的故障低压电缆缺陷位置未发生偏移，表明该缺陷属于局部机械破损缺陷类型；

9、当不同fdr测试时间得到的故障低压电缆缺陷位置偏移，表明该缺陷属于浸水缺陷类型。

10、上述步骤s1和s3中，对待测低压电缆进行fdr测试操作为：通过调频信号源向待测低压电缆的首端发射测试信号，以获取反射系数γ作为待测低压电缆或故障电缆不同时间的频域波形图谱。

11、对低压电缆样本进行fdr测试操作为：将待测低压电缆的首端(测试端)缆芯部分与调频信号源的测试线连接，铜屏蔽接地，末端开路；通过调频信号源向待测低压电缆首端发射测试信号。本发明中设置的输出频率范围为0.15mhz-200mhz，测量频率点数为3000。

12、假设测试电缆长度为d，fdr测试得到的频域反射波形幅值即电缆反射系数γ可表示为：

13、

14、式中zl为负载阻抗，γ、z0分别为电缆传播常数和特性阻抗。电缆末端开路时(zl＝∞)，γ可表示为：

15、γ＝e-2γd＝e-2αde-jβd (2)；

16、式中，α表示衰减常数，β表示相位常数。

17、利用欧拉公式将其展开得到：

18、γ＝e-2αd(cos(2βd)-jsin(2βd) (3)；

19、得到γ的实部为：

20、

21、式中，f表示调频信号频率，v表示信号传播速度。

22、上述步骤s2中，由式(4)可知，fdr频域反射波以调频信号频率f为自变量，完好电缆的反射系数实部re(γ)会出现2d/v的频率等效分量，当电缆在距首端l处出现阻抗不连续点时，例如缺陷或故障，电缆的反射系数实部会出现2l/v的频率等效分量，此分量将导致反射波幅值在对应位置处增大而产生畸变。

23、依据低压电缆fdr频域波形诊断低压电缆局部缺陷类型的原理为：

24、局部缺陷会导致缺陷处电缆特性阻抗将发生变化。非缺陷处即低压电缆本体的特性阻抗z0可表示为：

25、z0＝r0+jx0 (5)；

26、式中，r0和x0分别表示低压电缆本体的电阻和电抗；

27、假设缺陷在距首端l m处，缺陷处的特性阻抗z1可表示为：

28、z1＝r1+jx1 (6)；

29、式中，r1和x1分别表示低压电缆缺陷处的电阻和电抗；

30、若z1≠z0，即局部缺陷处特性阻抗与本体不匹配(不相等)时，将导致局部缺陷处频域波形幅值发生畸变，畸变程度为re(γ1)。

31、因此，依据频域波形，判断是否存在畸变位置，若不存在畸变位置，表明待测低压电缆不存在缺陷，属于正常低压电缆；若存在畸变位置，表明待测低压电缆存在缺陷，属于故障低压电缆；且畸变位置即为缺陷位置。具体的，畸变位置判断方法为：当一反射波峰幅值高于或等于相邻两侧反射波峰幅值时，该反射波峰幅值对应的位置即为畸变位置。

32、上述步骤s3中，对判断为存在缺陷的故障低压电缆按照设定的时间间隔对其进行fdr测试，一般隔3-6天。

33、上述步骤s4中，电缆绝缘局部缺陷导致的fdr波形畸变主要是由绝缘电容变化所导致的。对于浸水及未浸水老化电缆，由于水分渗透，导致两种老化缺陷附近绝缘的电容变化呈现不同特点，对应不同的波形畸变特征。

34、上述基于不同时间fdr波形的低压电缆局部缺陷类型诊断方法，还包括：

35、s5依据不同fdr测试时间得到的缺陷位置反射波幅值随测试时间变化的位移来判断低压电缆浸水程度。

36、以低压电缆局部缺陷样本作为待测低压电缆，对缺陷类型诊断进行研究。低压电缆局部缺陷样本制作方法为：首先在距x相首端l0、l1处剥除长l2的内外护套、钢铠、铜屏蔽层并露出绝缘，之后在露出绝缘部分剥除l×w×h的矩形绝缘层并露出缆芯形成d1、d2缺陷，l表示缺陷长度，w表示缺陷宽度，h表示缺陷深度。样本缺陷浸泡在nacl溶液中，在低压电缆样本包含缺陷的相上施加一定幅值的工频交流电压进行不同时间的加速老化，得到浸水缺陷老化样本。

37、对不同老化时间的非浸水缺陷老化样本和浸水缺陷老化样本进行fdr测试，获取其频域波形，并确定其缺陷位置。

38、对于未进行浸水老化的刀痕缺陷，缺陷处电容及特性阻抗不随老化时间变化(或随时间变化很小)，缺陷附近的绝缘电容及特性阻抗也不随时间变化，缺陷处阻抗不匹配点位置不变，因此其fdr波形畸变位置亦不发生位移。而对于浸水老化缺陷，随着老化时间增加，水分将沿着缺陷进入绝缘并向缺陷两侧绝缘层扩散，导致缺陷两侧绝缘电容增大，阻抗不匹配点向左右两侧扩展。在fdr检测中，检测波从电缆首端向末端传播，其最先遇到靠近首端的阻抗不匹配点并在此处发生反射，导致波形畸变位置向首端移动。依据不同老化时间电缆样本d1、d2缺陷波形畸变位置位移特征可实现对低压电缆缺陷类型的识别：对于畸变位置未发生位移的可判断为局部机械破损缺陷类型，而对于畸变位置向待测低压电缆信号输入端偏移的可判断为浸水缺陷类型。

39、对浸水缺陷类型的故障电缆，根据研究其浸水程度的诊断方法为：故障低压电缆缺陷位置偏移0.05m/天以上以上属于严重浸水，偏移0.005m/天-0.05m/天属于中度浸水，偏移0.005m/天以下属于轻度浸水。

40、与现有技术相比，本发明提供的基于不同时间fdr频域波形的低压电缆局部缺陷类型诊断方法具有以下有益效果：

41、(1)本发明涉及变电站低压系统电缆局部缺陷类型识别，首次提出基于不同时间fdr频域波形畸变位置位移特征的低压电缆局部缺陷类型诊断技术，可定位并诊断局部缺陷类型，提升变电站运维水平及运行稳定性，降低变电站事故；

42、(2)本发明通过对低压电缆频域波形畸变位置随时间变化特征对电缆进行诊断，能够对电缆不同运行时期的绝缘状况进行诊断，通过比较不同时间fdr波形特征，可对局部缺陷严重程度进行分析；

43、(3)本发明能在局部缺陷发生早期对缺陷类型诊断，可提前采用措施避免局部缺陷进一步发展，避免电力系统故障；

44、(4)本发明能自动识别和诊断电缆缺陷，可减少人工巡检的需要，降低维护成本并提高效率；

45、(5)本发明进行fdr测试时施加在被测低压电缆两端电压幅值较低(5v)，不会对电缆绝缘造成损伤；

46、(6)本发明采用高频测量方式，测试设备具有容量小，体积小等优点，同时高频测量模式下测试所需时间短，适用于工程现场；

47、(7)本发明提供的识别技术不受低压电缆绝缘材料、敷设方式的限制，可实现多种型号电缆的局部缺陷类型诊断。