王志輝
（上海東捷建設(shè)（集團(tuán)）有限公司，上海 200120）
0 引 言
電力電纜是電力系統(tǒng)不可或缺的組成部分之一，其可靠性直接關(guān)系到電力供應(yīng)的穩(wěn)定性和安全性。但電力電纜易受物理損傷、老化和環(huán)境等因素的影響，導(dǎo)致局部缺陷的產(chǎn)生。這些局部缺陷可能會引發(fā)嚴(yán)重的電力故障和安全事故，因此及早檢測和定位缺陷至關(guān)重要。時域反射技術(shù)作為一種非破壞性的檢測方法，在電力電纜局部缺陷檢測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
1 電力電纜局部缺陷檢測方法概述
1.1 電力電纜的重要性
電力電纜在電力輸送中扮演著重要角色。其作為能源傳輸?shù)年P(guān)鍵媒介，負(fù)責(zé)將電能從發(fā)電站傳輸?shù)礁鱾�終端用戶。但是，電力電纜的可靠性常受到局部缺陷的威脅。這些缺陷可能包括絕緣層損傷、導(dǎo)體斷裂、水分滲透等。如果不能及時對電力電纜的缺陷進(jìn)行檢測和維修，可能導(dǎo)致電纜出現(xiàn)故障，引發(fā)停電事件，造成不必要的損失。
1.2 時域反射技術(shù)的基本原理
時域反射技術(shù)是利用信號在傳輸路徑上傳輸，當(dāng)傳輸路徑中發(fā)生阻抗變化時，一部分信號會被反射，另一部分信號會繼續(xù)沿傳輸路徑傳輸。該技術(shù)是一種分析反射波的測量技術(shù)，主要用于測量傳輸線的特性阻抗。其工作原理是向傳輸路徑中發(fā)送一個脈沖信號或階躍信號，當(dāng)傳輸路徑中發(fā)生阻抗變化時，部分能量會被反射，其余能量繼續(xù)傳輸。當(dāng)知道發(fā)射波的幅度或可以測量出反射波的幅度時，可以計算出路徑中阻抗的變化情況。同時，通過測量發(fā)射波到反射波回到發(fā)射點的時間差，可以計算阻抗變化的相位[1]。
1.3 電力電纜局部缺陷檢測的需求與挑戰(zhàn)
電力電纜局部缺陷檢測在電力工程領(lǐng)域的需求和挑戰(zhàn)，制約著電纜系統(tǒng)運行的可靠性和安全性。
1.3.1 需求方面
電力電纜局部缺陷檢測的需求主要包括3 方面內(nèi)容。第一，安全性保障。電力電纜系統(tǒng)是電力供應(yīng)的基礎(chǔ)，任何局部缺陷都可能導(dǎo)致電力中斷、故障，嚴(yán)重時可能會發(fā)生火災(zāi)等重大安全事故。因此，及時檢測和維修電纜局部缺陷是確保電力系統(tǒng)運行安全性的關(guān)鍵。第二，降低維護(hù)成本。定期進(jìn)行電纜檢測和維護(hù)的費用昂貴，但局部缺陷的早期檢測可以降低后期的維修成本，能夠有效避免發(fā)生突發(fā)性故障。第三，提高系統(tǒng)可靠性。電力電纜系統(tǒng)的可靠性對電力供應(yīng)的連續(xù)性至關(guān)重要。及時檢測和修復(fù)局部缺陷有助于防止電纜發(fā)生故障，確保電力供應(yīng)的可靠性。
1.3.2 挑戰(zhàn)方面
電力電纜局部缺陷檢測的挑戰(zhàn)主要包括4 方面內(nèi)容。第一，復(fù)雜的信號處理。局部缺陷檢測通常需要處理復(fù)雜的時域反射信號，這些信號可能受到多種因素的干擾，如信號衰減、多徑傳播、反射重疊等，使信號處理和分析變得復(fù)雜且困難。第二，背景干擾。電纜系統(tǒng)通常位于復(fù)雜的電磁環(huán)境，容易受到其他電纜、設(shè)備或電磁噪聲的干擾。這些干擾信號可能會掩蓋局部缺陷的反射信號，使檢測更加困難。第三，數(shù)據(jù)量和處理時間。高分辨率的信號采集和分析需要大量的數(shù)據(jù)，因此需要采用高效的數(shù)據(jù)存儲和處理技術(shù)。此外，對于某些需要進(jìn)行實時或近實時檢測的應(yīng)用而言，需要在短時間內(nèi)完成信號處理和分析。第四，多種缺陷類型。電纜可能出現(xiàn)不同類型的局部缺陷，如絕緣層損傷、導(dǎo)體斷裂、水分滲透等。不同的缺陷可能需要不同的檢測方法和算法，增加了檢測的復(fù)雜性[2]。
2 基于時域反射技術(shù)的電力電纜局部缺陷檢測方法
2.1 時域反射測量裝置
時域反射測量裝置在電力電纜局部缺陷檢測中扮演著重要角色。檢測裝置融合了先進(jìn)的硬件和軟件技術(shù)，以實現(xiàn)高質(zhì)量的反射信號采集和分析。首先，高頻發(fā)生器是信號激勵的源頭，能夠生成具有高頻率和短脈沖寬度電磁脈沖信號。這樣的脈沖信號可以確保產(chǎn)生清晰的反射信號，并具備足夠的穿透能力，能夠克服電纜中的多種媒質(zhì)和缺陷。其次，接收器用于捕捉從電纜中反射回來的信號，需要具備高的靈敏度和快速采樣能力，以準(zhǔn)確記錄反射信號的細(xì)節(jié)。此外，接收器還需要具備廣帶寬，以捕獲寬頻譜的信號，分析不同頻率成分對局部缺陷的響應(yīng)。最后，信號處理單元作為時域反射測量裝置的核心部分，負(fù)責(zé)處理和分析采集到的信號。其采用高級的數(shù)字信號處理技術(shù)，如傅里葉變換、時域分析和濾波等，以提取信號中的局部缺陷信息；通過模式識別實現(xiàn)高效的檢測和定位；還具備實時數(shù)據(jù)處理和存儲能力，以滿足實時或近實時的檢測需求。
2.2 電力電纜缺陷特征分析
電力電纜缺陷特征分析涉及到局部缺陷的類型、尺寸和位置等信息。首先，局部缺陷包括對不同類型缺陷的識別和分類，如絕緣層損傷、導(dǎo)體斷裂、水分滲透等，以更好地理解缺陷的性質(zhì)和影響。其次，尺寸分析涉及缺陷的大小和形狀，包括缺陷的長度、寬度和深度等參數(shù)，有助于評估缺陷的嚴(yán)重程度[3]。最后，位置分析是關(guān)鍵。因為通過位置分析能夠確定缺陷在電纜中的具體位置，影響著后續(xù)的維修和修復(fù)過程。通過分析電力電纜缺陷特征，可以獲取缺陷的全面信息，從而幫助操作員進(jìn)行電纜維修。
2.3 局部缺陷檢測算法
基于時域反射技術(shù)的局部缺陷檢測算法是通過信號處理和模式識別技術(shù)，實現(xiàn)對電力電纜局部缺陷的高效檢測和定位。首先，該算法通過高頻發(fā)生器產(chǎn)生的電磁脈沖信號激勵電纜。當(dāng)信號遇到缺陷時，會發(fā)生反射并產(chǎn)生時域反射信號。接收器會捕捉這些反射信號，并將其傳送至信號處理單元[4]。其次，采用傅里葉變換、時域分析和濾波等高級數(shù)字信號處理技術(shù)，提取信號的頻譜特征、振幅和時延等信息。最后，通過模式識別算法，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等，對提取的信號特征進(jìn)行分析，以識別缺陷類型、定位缺陷位置[5]。該算法能夠準(zhǔn)確識別不同類型的缺陷，并且具備較高的定位精度，為電力電纜局部缺陷的精準(zhǔn)檢測提供了一種可靠的技術(shù)手段。
3 實驗與驗證
3.1 實驗設(shè)置與數(shù)據(jù)收集
需要進(jìn)行一系列實驗，以評估提出的基于時域反射技術(shù)的電力電纜局部缺陷檢測方法的性能，并驗證算法的準(zhǔn)確性和可靠性。采集不同條件下的電力電纜時域反射信號，建立實驗數(shù)據(jù)集。
3.1.1 實驗基本情況
實驗在電磁隔離的實驗室環(huán)境中進(jìn)行，以減少外部環(huán)境的干擾。本次實驗選用真實的電力電纜模擬器，模擬電力電纜的特性和材料，以確保實驗結(jié)果的真實性和可靠性。
實驗采用泰克AFG3102C 任意波形發(fā)生器（工作頻率范圍為1 ～2.5×10^8Hz），以提供高精度的信號激勵。其具有2個頻道，可以生成100 MHz的正弦波，具有14 位的分辨率，采樣率在2 ～16 K 時為1 GS/s；采樣率在16 ～128 K 時為250 MS/s。AFG3102C 信號發(fā)生器可以生成長達(dá)128 K 的任意波形，支持調(diào)幅（Amplitude Modulation，AM）、 調(diào)頻（Frequency Modulation，F(xiàn)M）、調(diào)相（Phase Modulation，PM）以及脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）等多種波形，并具有可變邊沿時間的脈沖波形。設(shè)備前面板上的USB 連接器方便用戶將波形存儲在設(shè)備上，同時支持通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）、通用接口總線（General-Purpose Interface Bus，GPIB）和局域網(wǎng)（Local Area Network，LAN）等多種連接方式。該設(shè)備具有高度穩(wěn)定的時基，每年只有±1×10-6的漂移。
接收器采用Rohde & Schwarz FSV30 頻譜分析儀，用于捕捉反射信號。該設(shè)備具有出色的靈敏度和頻譜分析能力，工作頻率范圍為10 ～3×10^9Hz，是一款高性能的頻譜分析儀，適用于從事射頻系統(tǒng)開發(fā)、生產(chǎn)、安裝以及服務(wù)的用戶。同時，支持?jǐn)?shù)字調(diào)制分析，具有高達(dá)160 MHz 的分析帶寬，適用于測量組件、芯片組和基站，可以測量符合標(biāo)準(zhǔn)的頻譜發(fā)射模板、雜散發(fā)射、鄰道泄漏比（Adjacent Channel Leakage ratio，ACLR）。
實驗中的信號處理單元為一臺高性能計算機(jī)。該計算機(jī)配備了定制的信號處理軟件，用于信號預(yù)處理、特征提取和模式識別。
3.1.2 實驗過程
實驗室設(shè)置了一個電纜測試臺，用于檢驗電纜的線性和穩(wěn)定性，避免外部干擾的影響。同時，模擬了絕緣層損傷和導(dǎo)體斷裂缺陷，并將這些缺陷分布在電纜的不同位置和深度，以模擬電力電纜的實際工作條件。
首先，高頻發(fā)生器將電磁脈沖信號（具有高頻率和短脈沖寬度的特性）發(fā)送至電纜，以更好地模擬實際工作條件。其次，接收器捕捉電纜中反射回來的信號，并將其傳送給信號處理單元進(jìn)行分析。再次，在信號處理單元中對信號進(jìn)行預(yù)處理，包括去噪、濾波和信號增強(qiáng)，以提高信號質(zhì)量。同時，提取信號特征，如信號的幅度、時延、頻率成分以及波形形狀，用于后續(xù)的模式識別。最后，使用文章提出的算法檢測并定位局部缺陷，判定缺陷類別。通過改變?nèi)毕莸念愋�、位置和深度，重�?fù)進(jìn)行多次實驗，以建立完整的數(shù)據(jù)集，驗證所提出的電力電纜局部缺陷檢測方法的有效性和健壯性。
3.2 結(jié)果與分析
實驗結(jié)果表明，提出的基于時域反射技術(shù)的電力電纜局部缺陷檢測方法在檢測準(zhǔn)確性和定位精度方面表現(xiàn)出良好的性能。實驗結(jié)果如表1 所示。
表1 實驗結(jié)果
由表1 可知，提出的故障檢測方法成功檢測到了不同類型、不同位置的缺陷，檢測結(jié)果準(zhǔn)確，定位誤差較小，平均在5 ～10 mm。
3.3 方法的可行性與局限性
3.3.1 可行性
實驗結(jié)果表明，提出的基于時域反射技術(shù)的電力電纜局部缺陷檢測方法在實驗環(huán)境中具有良好的可行性，可以成功檢測電纜的部分缺陷，并實現(xiàn)較精確的定位。
3.3.2 局限性
實際電力系統(tǒng)通常比實驗環(huán)境更復(fù)雜，因此需要進(jìn)一步驗證所提方法在實際場景中的應(yīng)用性能。根據(jù)電力系統(tǒng)的運行情況，需要擴(kuò)展實驗數(shù)據(jù)以增強(qiáng)所提方法的健壯性。此外，缺陷檢測方法的性能會受到背景噪聲和信號衰減等因素的影響，需要進(jìn)一步考慮如何降低這些干擾對信號傳輸?shù)挠绊�，以提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性。
4 結(jié) 論
文章提出了一種基于時域反射技術(shù)的電力電纜局部缺陷檢測方法，并進(jìn)行了理論探討和實驗驗證，證實該方法具有強(qiáng)大的潛力和可行性。利用該方法不僅能及時發(fā)現(xiàn)電纜存在的局部缺陷，還能準(zhǔn)確定位缺陷位置、判斷缺陷類別，為電力系統(tǒng)的維護(hù)和安全提供了有力支持。但是，該方法存在一定的局限性，如處理復(fù)雜信號的能力有限。未來的研究重點是提高電力電纜局部缺陷檢測方法的精度和健壯性，并應(yīng)用于實際電力系統(tǒng)，以更好地滿足電力領(lǐng)域的需求，提高電力供應(yīng)的可靠性和安全性。
