本發(fā)明涉及電磁學(xué)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于磁場(chǎng)諧波檢測(cè)的電纜老化檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)隨著城網(wǎng)和農(nóng)網(wǎng)改造的實(shí)施，且由于電力電纜運(yùn)行可靠，安裝位于地下等隱蔽處，受外力破壞小，發(fā)生故障的機(jī)會(huì)較少，供電安全，不會(huì)給人身造成危害，維護(hù)工作量小，不需頻繁的巡檢等特點(diǎn)，電力系統(tǒng)中電力電纜的敷設(shè)量越來(lái)越多。而在電力電纜運(yùn)行中磁場(chǎng)所產(chǎn)生的諧波頻率高，在電纜導(dǎo)線的集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)的影響下使諧波電阻比基波電阻大，諧波引起的附加線路電阻損耗不容忽略。對(duì)于采用電力電纜的輸電系統(tǒng)，由于絕緣介質(zhì)存在分布電容，還會(huì)產(chǎn)生附加的絕緣介質(zhì)損耗。帶有屏蔽層的電纜也會(huì)因?yàn)楦哳l諧波的存在，在屏蔽層內(nèi)引起較大的電阻損耗，包括渦流損耗，環(huán)流損耗和由流經(jīng)絕緣介質(zhì)的徑向容性電流引起的屏蔽電阻損耗。諧波除了引起附加損耗外，還可能使電壓波形出現(xiàn)尖峰，從而加速電纜絕緣的老化，引起浸漬絕緣的局部放電，也使介質(zhì)損耗加大和溫升增高，縮短電纜的使用壽命造成系統(tǒng)正弦波形畸變、產(chǎn)生高次諧波的設(shè)備和負(fù)荷，成為高次諧波源或諧波源。

(1)基于電纜在諧波條件下的集膚效應(yīng)，可以得到電纜的損耗P為：

式中，R_DC為電纜中等效直流電阻，I₁為基波電流，I_n為n次諧波有效電流值，n>1，I_m為m次諧波有效電流值，R_ACm為電纜中對(duì)應(yīng)I_m的等效交流電阻。

因?yàn)榧w效應(yīng)在電網(wǎng)頻率下影響很小而被忽略，但是大約在300Hz以上(亦即七次諧波及其以上時(shí))，集膚效應(yīng)將變得較為顯著而導(dǎo)致附加的損耗而導(dǎo)致過(guò)熱。

(2)在電纜方面主要由于電力電纜各相均存在對(duì)地電容，所以運(yùn)行時(shí)線路上的電容電流是不相等的，且線路中又存在高次諧波電流，如果電纜敷設(shè)距離較長(zhǎng)，電容電流離散性就會(huì)更大。在高頻時(shí)，電纜的電容決定電纜的傳輸效率，電容電流占到電纜載流容量的相當(dāng)一部分，而且能夠達(dá)到與導(dǎo)體電流相同的數(shù)值，使電纜的傳輸距離減小和無(wú)功損耗增大。

電纜的電容C為：

式中，G為幾何因數(shù)，n為電纜個(gè)數(shù)，ε為絕緣材料的相對(duì)介質(zhì)常數(shù)。

電容充電電流為I_C：

I_C＝2πfUC

式中，f為頻率，U為電壓。

電纜的介質(zhì)損耗為W_d：

W_d＝2πfU²Ctanδ

式中，δ為介質(zhì)損耗角。

高次諧波的電壓加至電纜兩端時(shí)，由于電纜絕緣電容承受能力有限，電纜很容易發(fā)生過(guò)負(fù)荷導(dǎo)致絕緣損壞；高次諧波引起電纜內(nèi)耗加大，電纜發(fā)熱，縮短電纜的使用壽命。

關(guān)于頻譜檢測(cè)在電力電纜諧波檢測(cè)現(xiàn)階段主要是采用快速傅里葉變換來(lái)獲得各次諧波的相關(guān)信號(hào)。但是利用該方法進(jìn)行諧波檢測(cè)依然存在以下問(wèn)題：頻譜混疊，頻譜泄漏及柵欄效應(yīng)等。這些因素導(dǎo)致檢測(cè)出的信號(hào)參數(shù)(頻率、幅值和相位)準(zhǔn)確度不高，無(wú)法滿足諧波檢測(cè)的精度要求。針對(duì)上述原因，各國(guó)專家學(xué)者提出了許多改進(jìn)方法，其主要的改進(jìn)方法如下：

(1)修正理想采樣頻率法。當(dāng)采樣區(qū)間長(zhǎng)度和采樣時(shí)間間隔的比值為整數(shù)時(shí)，頻譜泄漏現(xiàn)象就不會(huì)存在。該方法正是利用這種原理所提出的。它對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行修正，得到理想采樣頻率下的采樣值。該方法對(duì)硬件要求不高，實(shí)時(shí)性好，適合在線檢測(cè)，但只能減少一半的泄漏。

(2)利用加窗插值法對(duì)FFT算法進(jìn)行修正的方法。該方法通過(guò)選擇加入不同的窗函數(shù)以減少頻譜泄漏，通過(guò)插值算法減小柵欄效應(yīng)所帶來(lái)的誤差。它可以有效的減少泄漏，抑制諧波間的相互干擾及其它因素的干擾，從而可以準(zhǔn)確檢測(cè)到各次諧波的參數(shù)值。

(3)同步采樣法。包括硬件和軟件兩種方式實(shí)現(xiàn)。軟件同步采樣法通過(guò)測(cè)量信號(hào)周期來(lái)適時(shí)調(diào)整采樣間隔，從而使得信號(hào)頻率與采樣頻率保持同步；基于硬件的同步采樣法包括利用過(guò)零比較器或者數(shù)字式鎖相器等硬件裝置實(shí)現(xiàn)同步采樣。軟件方法應(yīng)用靈活，檢測(cè)精度高，但實(shí)時(shí)性方面得不到很好的保障，硬件方法通過(guò)優(yōu)化采樣周期或每周采樣點(diǎn)數(shù)來(lái)逼近信號(hào)頻率，實(shí)時(shí)性較好，但檢測(cè)精度會(huì)受到影響。

(4)準(zhǔn)同步采樣法。該方法建立在同步采樣的基礎(chǔ)上，通過(guò)適當(dāng)增加采樣點(diǎn)及采用相應(yīng)的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。使用此方法進(jìn)行諧波檢測(cè)，可以有效地抑制諧波對(duì)測(cè)量參數(shù)的影響，同時(shí)減少未完全同步而產(chǎn)生的誤差，檢測(cè)精度較高，但是該方法需要處理的數(shù)據(jù)量很大，實(shí)時(shí)性方面不夠好，且存在較大的相位誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于磁場(chǎng)諧波檢測(cè)的電纜老化檢測(cè)方法，具有非接觸型診斷、不需停電檢測(cè)、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種基于磁場(chǎng)諧波檢測(cè)的電纜老化檢測(cè)方法包括以下步驟：

1)建立各類電纜的磁場(chǎng)特征頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)；

2)采用非接觸式傳感器采集并量化通電中被試電纜發(fā)出的磁場(chǎng)信號(hào)；

3)經(jīng)FFT分析處理，由步驟1)采集的磁場(chǎng)信號(hào)分離得到基波信號(hào)和各次諧波信號(hào)；

4)根據(jù)步驟3)得到的基波信號(hào)和各次諧波信號(hào)，獲取各次諧波信號(hào)強(qiáng)度與基波信號(hào)強(qiáng)度的比值，該比值即為被試電纜的磁場(chǎng)特征頻譜；

5)將步驟4)得到的被試電纜的磁場(chǎng)特征頻譜與各類電纜的磁場(chǎng)特征頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)中的磁場(chǎng)特征頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，獲得被試電纜的運(yùn)行狀況，用于評(píng)價(jià)電纜老化的程度。

所述非接觸式傳感器對(duì)準(zhǔn)并靠近被試電纜的首末端依次進(jìn)行測(cè)量。

所述步驟5)之后還包括步驟6)：若該被試電纜的運(yùn)行狀況為異常，根據(jù)首末端依次進(jìn)行測(cè)量的磁場(chǎng)信號(hào)判斷獲取異常點(diǎn)的位置。

所述步驟6)中根據(jù)首末端依次進(jìn)行測(cè)量的磁場(chǎng)信號(hào)判斷獲取異常點(diǎn)的位置的方法具體為：

601：根據(jù)首末端依次進(jìn)行測(cè)量的磁場(chǎng)信號(hào)獲取首末端的磁場(chǎng)特征頻譜；

602：對(duì)比首末端的磁場(chǎng)特征頻譜的數(shù)值大小，將被試電纜的均分為兩截電纜段，選擇磁場(chǎng)特征頻譜的數(shù)值更大的一端對(duì)應(yīng)的電纜段；

603：判斷電纜段的長(zhǎng)度是否小于設(shè)定值，若是，則該電纜段為異常點(diǎn)的位置，若否，將電纜段作為新的被側(cè)對(duì)象，跳轉(zhuǎn)步驟601。

所述磁場(chǎng)特征頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)中的磁場(chǎng)特征頻譜數(shù)據(jù)分類為：正常磁場(chǎng)特征頻譜數(shù)據(jù)類和異常磁場(chǎng)特征頻譜數(shù)據(jù)類，所述異常磁場(chǎng)特征頻譜數(shù)據(jù)類分類為：保護(hù)層內(nèi)層界面缺陷子類、屏蔽層內(nèi)層界面缺陷子類、保護(hù)層含異物或損傷子類、屏蔽層損傷子類、絕緣層含氣隙子類、導(dǎo)體損傷子類。

所述被試電纜的運(yùn)行狀況根據(jù)磁場(chǎng)特征頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)分類為正常狀況和異常狀況，所述異常狀況為保護(hù)層內(nèi)層界面缺陷異常狀況、屏蔽層內(nèi)層界面缺陷異常狀況、保護(hù)層含異物或損傷異常狀況、屏蔽層損傷異常狀況、絕緣層含氣隙異常狀況、導(dǎo)體損傷異常狀況中的一種或多種。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、利用非接觸式傳感器實(shí)現(xiàn)非接觸型診斷，包括電力電纜的老化分析及損壞檢測(cè)，可以對(duì)遠(yuǎn)距離電纜、被遮擋電纜、水下電纜等進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)用性強(qiáng)。

2、以磁場(chǎng)信號(hào)作為檢測(cè)信號(hào)，不需停電檢測(cè)，可對(duì)24小時(shí)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行在線檢測(cè)，且測(cè)試不受電纜自身負(fù)荷變化影響。

3、電纜老化分析步驟操作簡(jiǎn)單，快速生成詳細(xì)報(bào)告。

4、適用于提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并預(yù)警，指導(dǎo)維修，避免突發(fā)事故。

5、利用被試電纜的首末端依次進(jìn)行測(cè)量的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)異常點(diǎn)的位置的獲取，測(cè)量次數(shù)少，數(shù)據(jù)重復(fù)利用率高，減少重復(fù)測(cè)量，數(shù)據(jù)結(jié)果獲取快且準(zhǔn)確。

6、將磁場(chǎng)特征頻譜數(shù)據(jù)細(xì)分類為多種，實(shí)現(xiàn)不同類型的電纜綜合運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)，克服單一測(cè)量結(jié)果或粗差測(cè)量結(jié)果的缺陷。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明電纜老化檢測(cè)方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明電纜老化檢測(cè)方法的應(yīng)用環(huán)境示意圖；

圖3為波形處理示意圖；

圖4為電纜內(nèi)部缺陷與磁場(chǎng)關(guān)系示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

電力電纜在理想狀態(tài)下，可以100％的將電能從一個(gè)地點(diǎn)輸送到另一地點(diǎn)，其能量的輸送能力是100％，而在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，由于受電纜運(yùn)行環(huán)境、施工質(zhì)量及外部干擾等因素的影響，并不能達(dá)到100％的輸送能力。當(dāng)電纜發(fā)生老化后，其電能在輸送過(guò)程中將發(fā)生能量損失，對(duì)于電力電纜整體而言，其有用能量的轉(zhuǎn)化、參數(shù)變化或傳輸后的能量降低；而消耗于克服各個(gè)部件能量損失的做功量增加。高次諧波的產(chǎn)生與電力電纜的老化及有用能量的損失存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。而諧波能量與設(shè)備各部件自振頻率及老化程度有關(guān)系。當(dāng)設(shè)備發(fā)生均衡老化時(shí)，體現(xiàn)為設(shè)備發(fā)熱等老化癥狀，當(dāng)某一部件發(fā)生大的能量損失時(shí)，提示該頻率所代表的部件發(fā)生故障或者故障征兆。

如圖2所示，本方法采用非接觸式傳感器采集并量化電纜發(fā)出的高次諧波的電磁波，經(jīng)過(guò)FFT分析后，利用專家系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)比同一段電纜兩端的諧波頻譜特征變化來(lái)分析該段電纜的狀態(tài)信息，圖2中A為帶檢測(cè)設(shè)備，B為帶非接觸式傳感器的數(shù)據(jù)采集裝置，C為帶有專家系統(tǒng)的上位機(jī)，D為采集的電磁波。能夠直觀地反應(yīng)電纜老化以及潛在故障，且能夠做到此類設(shè)備的早期故障診斷與分析。由于此方法得到的特征量是各次諧波與基波的比值關(guān)系，因此不需要在相同負(fù)載率下同時(shí)測(cè)量，極大方便了現(xiàn)場(chǎng)使用?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的諧波頻譜特征將與數(shù)據(jù)庫(kù)中的各類電纜頻譜特征數(shù)據(jù)(包括實(shí)驗(yàn)室理想環(huán)境下的檢測(cè)數(shù)據(jù)或過(guò)去現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的歷史數(shù)據(jù))進(jìn)行對(duì)比，最終推斷出所測(cè)電纜的實(shí)際狀況。

檢測(cè)過(guò)程中原始檢測(cè)物理量為能量(焦耳)，與取樣時(shí)間計(jì)算后得到功率(瓦特)，并通過(guò)軟件處理得到功率對(duì)比度，其單位是百分比(％)，即高次諧波分量與基波分量的比值。該方法的數(shù)據(jù)采集范圍通常包括2-40次諧波。再利用諧波頻譜將時(shí)域信號(hào)變換至頻域加以分。頻譜分析的目的是把復(fù)雜的時(shí)間歷程波形，經(jīng)過(guò)傅里葉變換分解為若干單一的諧波分量來(lái)研究，以獲得信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)以及各諧波和相位信息。如求得動(dòng)態(tài)信號(hào)中的各個(gè)頻率成分和頻率分布范圍，求出各個(gè)頻率成分的幅值分布和能量分布，從而得到主要幅度和能量分布的頻率值。

對(duì)一函數(shù)f(t)，如果其絕對(duì)可積，即只有第一類間斷點(diǎn)，只有有限個(gè)極值，并且滿足狄里克萊條件，則就可對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換。如果一個(gè)波形可以分解成多個(gè)不同頻率的正弦波之和，而且這些不同頻率的正弦波線性組合可以恢復(fù)出原信號(hào)，那么這個(gè)波形的傅里葉變換就可以確定了。這就是本方法中，利用FFT進(jìn)行諧波檢測(cè)的基礎(chǔ)。在數(shù)學(xué)上，傅里葉變換(FFT)可表示為：

上式的f(t)是給定的，認(rèn)為其是可以被分解成多個(gè)正弦函數(shù)之和的波形。稱為f(t)的傅里葉變換，通常記為式中的F被稱為傅里葉算子。如果把λ看成頻率變量，t看成時(shí)間變量，就被稱為譜函數(shù)，它的模稱為頻譜，頻譜函數(shù)表示了各頻率波形所占的份量。因此，通過(guò)FFT運(yùn)算可以得到各波形的頻譜，根據(jù)波形的頻譜，就可以確定信號(hào)中含有的頻率成分。

處理方式如圖3所示。

則一種基于磁場(chǎng)諧波檢測(cè)的電纜老化檢測(cè)方法包括以下步驟：

1)建立各類電纜的磁場(chǎng)特征頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)；

2)采用非接觸式傳感器采集并量化通電中被試電纜發(fā)出的磁場(chǎng)信號(hào)，具體地非接觸式傳感器對(duì)準(zhǔn)并靠近被試電纜的首末端依次進(jìn)行測(cè)量；

3)經(jīng)FFT分析處理，由步驟1)采集的磁場(chǎng)信號(hào)分離得到基波信號(hào)和各次諧波信號(hào)；

4)根據(jù)步驟3)得到的基波信號(hào)和各次諧波信號(hào)，獲取各次諧波信號(hào)強(qiáng)度與基波信號(hào)強(qiáng)度的比值，該比值即為被試電纜的磁場(chǎng)特征頻譜；

5)將步驟4)得到的被試電纜的磁場(chǎng)特征頻譜與各類電纜的磁場(chǎng)特征頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)中的磁場(chǎng)特征頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，獲得被試電纜的運(yùn)行狀況。

6)若該被試電纜的運(yùn)行狀況為異常，根據(jù)首末端依次進(jìn)行測(cè)量的磁場(chǎng)信號(hào)判斷獲取異常點(diǎn)的位置。

步驟6)中根據(jù)首末端依次進(jìn)行測(cè)量的磁場(chǎng)信號(hào)判斷獲取異常點(diǎn)的位置的方法具體為：

601：根據(jù)首末端依次進(jìn)行測(cè)量的磁場(chǎng)信號(hào)獲取首末端的磁場(chǎng)特征頻譜；

602：對(duì)比首末端的磁場(chǎng)特征頻譜的數(shù)值大小，將被試電纜的均分為兩截電纜段，選擇磁場(chǎng)特征頻譜的數(shù)值更大的一端對(duì)應(yīng)的電纜段；

603：判斷電纜段的長(zhǎng)度是否小于設(shè)定值，若是，則該電纜段為異常點(diǎn)的位置，若否，將電纜段作為新的被側(cè)對(duì)象，跳轉(zhuǎn)步驟601。

磁場(chǎng)特征頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)中的磁場(chǎng)特征頻譜數(shù)據(jù)分類為：正常磁場(chǎng)特征頻譜數(shù)據(jù)類和異常磁場(chǎng)特征頻譜數(shù)據(jù)類，異常磁場(chǎng)特征頻譜數(shù)據(jù)類分類為：保護(hù)層內(nèi)層界面缺陷子類、屏蔽層內(nèi)層界面缺陷子類、保護(hù)層含異物或損傷子類、屏蔽層損傷子類、絕緣層含氣隙子類、導(dǎo)體損傷子類。

被試電纜的運(yùn)行狀況根據(jù)磁場(chǎng)特征頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)分類為正常狀況和異常狀況，異常狀況為保護(hù)層內(nèi)層界面缺陷異常狀況、屏蔽層內(nèi)層界面缺陷異常狀況、保護(hù)層含異物或損傷異常狀況、屏蔽層損傷異常狀況、絕緣層含氣隙異常狀況、導(dǎo)體損傷異常狀況中的一種或多種。

如圖4所示，電力電纜由內(nèi)至外依次包括導(dǎo)體、絕緣層、屏蔽層和保護(hù)層，在電力電纜通過(guò)電流I時(shí)，因不同異常狀態(tài)，可產(chǎn)生不同的磁通以及對(duì)應(yīng)的電流，本發(fā)明方法則利用這個(gè)原理獲取磁場(chǎng)特征頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)，用以判斷電纜的運(yùn)行狀態(tài)，具體地，保護(hù)層內(nèi)層界面缺陷異常狀況對(duì)應(yīng)的等效磁通Φ_f，等效磁通Φ_f位于保護(hù)層內(nèi)層的輪廓上，并具有因缺陷過(guò)熱而產(chǎn)生的等效磁通Φ_t和等效電流It1，屏蔽層內(nèi)層界面缺陷異常狀況對(duì)應(yīng)的等效磁通Φ_e，等效磁通Φ_e位于屏蔽層內(nèi)層的輪廓上，保護(hù)層含異物或損傷異常狀況對(duì)應(yīng)的等效磁通Φ_d，等效磁通Φ_d位于保護(hù)層內(nèi)外層之間的輪廓上，屏蔽層損傷異常狀況對(duì)應(yīng)的等效磁通Φ_c，等效磁通Φ_c位于屏蔽層內(nèi)外層之間的輪廓上，并因損傷產(chǎn)生等效電流Ic1、Ic2，絕緣層含氣隙異常狀況對(duì)應(yīng)的等效磁通Φ_b，等效磁通Φ_b位于絕緣層內(nèi)外層之間的輪廓上，導(dǎo)體損傷異常狀況對(duì)應(yīng)的等效磁通Φ_a，等效磁通Φ_a位于屏蔽層內(nèi)外層之間的輪廓上，并因損傷產(chǎn)生等效電流Ia1、Ia2。