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(huì)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(shí)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�(gè)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(shí)對(duì)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(shí)域反射技術(shù)的基本原理
時(shí)域反射技術(shù)是利用信號(hào)在傳輸路徑上傳輸，當(dāng)傳輸路徑中發(fā)生阻抗變化時(shí)，一部分信號(hào)會(huì)被反射，另一部分信號(hào)會(huì)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(gè)脈沖信號(hào)或階躍信號(hào)，當(dāng)傳輸路徑中發(fā)生阻抗變化時(shí)，部分能量會(huì)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(shí)，可以計(jì)算出路徑中阻抗的變化情況。同時(shí)，通過測量發(fā)射波到反射波回到發(fā)射點(diǎn)的時(shí)間差，可以計(jì)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(yùn)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(shí)可能會(huì)發(fā)生火災(zāi)等重大安全事故。因此，及時(shí)檢測和維修電纜局部缺陷是確保電力系統(tǒng)運(yùn)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(fèi)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(duì)電力供應(yīng)的連續(xù)性至關(guān)重要。及時(shí)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(hào)處理。局部缺陷檢測通常需要處理復(fù)雜的時(shí)域反射信號(hào)，這些信號(hào)可能受到多種因素的干擾，如信號(hào)衰減、多徑傳播、反射重疊等，使信號(hào)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(hào)可能會(huì)掩蓋局部缺陷的反射信號(hào)，使檢測更加困難。第三，數(shù)據(jù)量和處理時(shí)間。高分辨率的信號(hào)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(chǔ)和處理技術(shù)。此外，對(duì)于某些需要進(jìn)行實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)檢測的應(yīng)用而言，需要在短時(shí)間內(nèi)完成信號(hào)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(shí)域反射技術(shù)的電力電纜局部缺陷檢測方法
2.1 時(shí)域反射測量裝置
時(shí)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(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的反射信號(hào)采集和分析。首先，高頻發(fā)生器是信號(hào)激勵(lì)的源頭，能夠生成具有高頻率和短脈沖寬度電磁脈沖信號(hào)。這樣的脈沖信號(hào)可以確保產(chǎn)生清晰的反射信號(hào)，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(hào)，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(hào)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(hào)，分析不同頻率成分對(duì)局部缺陷的響應(yīng)。最后，信號(hào)處理單元作為時(shí)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(hào)。其采用高級(jí)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，如傅里葉變換、時(shí)域分析和濾波等，以提取信號(hào)中的局部缺陷信息；通過模式識(shí)別實(shí)現(xiàn)高效的檢測和定位；還具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)能力，以滿足實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)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(duì)不同類型缺陷的識(shí)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(píng)估缺陷的嚴(yán)重程度[3]。最后，位置分析是關(guān)鍵。因?yàn)橥ㄟ^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(shí)域反射技術(shù)的局部缺陷檢測算法是通過信號(hào)處理和模式識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)激勵(lì)電纜。當(dāng)信號(hào)遇到缺陷時(shí)，會(huì)發(fā)生反射并產(chǎn)生時(shí)域反射信號(hào)。接收器會(huì)捕捉這些反射信號(hào)，并將其傳送至信號(hào)處理單元[4]。其次，采用傅里葉變換、時(shí)域分析和濾波等高級(jí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，提取信號(hào)的頻譜特征、振幅和時(shí)延等信息。最后，通過模式識(shí)別算法，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等，對(duì)提取的信號(hào)特征進(jìn)行分析，以識(shí)別缺陷類型、定位缺陷位置[5]。該算法能夠準(zhǔn)確識(shí)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(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證
3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置與數(shù)據(jù)收集
需要進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)，以評(píng)估提出的基于時(shí)域反射技術(shù)的電力電纜局部缺陷檢測方法的性能，并驗(yàn)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(shí)域反射信號(hào)，建立實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集。
3.1.1 實(shí)驗(yàn)基本情況
實(shí)驗(yàn)在電磁隔離的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行，以減少外部環(huán)境的干擾。本次實(shí)驗(yàn)選用真實(shí)的電力電纜模擬器，模擬電力電纜的特性和材料，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性和可靠性。
實(shí)驗(yàn)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(hào)激勵(lì)。其具有2個(gè)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(shí)為1 GS/s；采樣率在16 ～128 K 時(shí)為250 MS/s。AFG3102C 信號(hào)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(shí)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(chǔ)在設(shè)備上，同時(shí)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(shí)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(hào)。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(shí)，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(shí)驗(yàn)中的信號(hào)處理單元為一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)。該計(jì)算機(jī)配備了定制的信號(hào)處理軟件，用于信號(hào)預(yù)處理、特征提取和模式識(shí)別。
3.1.2 實(shí)驗(yàn)過程
實(shí)驗(yàn)室設(shè)置了一個(gè)電纜測試臺(tái)，用于檢驗(yàn)電纜的線性和穩(wěn)定性，避免外部干擾的影響。同時(shí)，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(shí)際工作條件。
首先，高頻發(fā)生器將電磁脈沖信號(hào)（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(shí)際工作條件。其次，接收器捕捉電纜中反射回來的信號(hào)，并將其傳送給信號(hào)處理單元進(jìn)行分析。再次，在信號(hào)處理單元中對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，包括去噪、濾波和信號(hào)增強(qiáng)，以提高信號(hào)質(zhì)量。同時(shí)，提取信號(hào)特征，如信號(hào)的幅度、時(shí)延、頻率成分以及波形形狀，用于后續(xù)的模式識(shí)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(shí)驗(yàn)，以建立完整的數(shù)據(jù)集，驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的基于時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。
表1 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的基于時(shí)域反射技術(shù)的電力電纜局部缺陷檢測方法在實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)較精確的定位。
3.3.2 局限性
實(shí)際電力系統(tǒng)通常比實(shí)驗(yàn)環(huán)境更復(fù)雜，因此需要進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法在實(shí)際場景中的應(yīng)用性能。根據(jù)電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況，需要擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)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(huì)受到背景噪聲和信號(hào)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(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀蕴岣唠娏ο到y(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。
4 結(jié) 論
文章提出了一種基于時(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)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(shí)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(hào)的能力有限。未來的研究重點(diǎn)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(shí)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。
