史 俊,李 衛(wèi),楊全仁,謝照祥,李文亮,吳治軍,張 建,王天兵

（1.普洱供電局，云南普洱，665000；2.成都高斯電子技術(shù)有限公司，四川成都，610108）

0 引言

電纜故障定位技術(shù)目前主要有時(shí)域脈沖反射技術(shù)和頻域微分技術(shù)。時(shí)域脈沖反射技術(shù)發(fā)展較早，它是利用直流脈沖通過(guò)缺陷點(diǎn)的反射時(shí)差計(jì)算故障位置，由于硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，目前成為主流的電纜故障定位技術(shù)。頻域微分技術(shù)是一種基于寬頻域阻抗諧振理論的分析方法，它通過(guò)頻域收斂特性統(tǒng)計(jì)計(jì)算故障缺陷位置。由于頻域微分法原理相對(duì)復(fù)雜，計(jì)算量大，僅年來(lái)才得到應(yīng)用。但由于頻域微分法在多點(diǎn)定位領(lǐng)域具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)承擔(dān)了主流運(yùn)算載體，因此在未來(lái)有較高的應(yīng)用前景。

1 頻域微分技術(shù)原理簡(jiǎn)介

電纜的等效阻抗理論通常指輸入阻抗，如公式（1）

Z0為電纜特性阻抗，可取阻抗頻譜曲線的平均值或?yàn)橐阎獑挝沪?；ZL為電纜負(fù)載阻抗值，單位Ω；為復(fù)數(shù)形式的阻抗向量；R為等效電阻、單位Ω/m，L為等效電感、單位H/m，C為等效電容、單位F/m，G為等效電導(dǎo)、單位S/m；PI取值3.1415；f為頻率，單位Hz；d為電纜長(zhǎng)度，單位m。公式（1）（2）建立了頻率和電纜長(zhǎng)度的關(guān)系，只要滿足了頻率帶寬要求，就能獲得完整的阻抗連續(xù)特性。而在測(cè)試阻抗元素的階段并不需獲得反射波形的時(shí)差，只需獲得相位和幅度參數(shù)計(jì)算對(duì)應(yīng)頻率的特征阻抗元素，因此有效避免了信號(hào)衰減問(wèn)題。

頻域微分技術(shù)對(duì)阻抗測(cè)試的頻率分辨率有較高要求，當(dāng)滿足測(cè)試帶寬條件下，頻率間隔越小，故障定位的分辨率越高。而頻率間隔和總掃頻點(diǎn)數(shù)均會(huì)影響測(cè)試精度，因此要求在滿足頻率分辨率條件下，盡可能采取較高的頻率帶寬。

2 基于STFT時(shí)域和頻域兼顧的分析模式

STFT即短時(shí)傅里葉變換，是一種兼顧時(shí)域和頻域特征的計(jì)算方法，主要通過(guò)研究可變窄帶時(shí)窗下頻譜密度的方法來(lái)分析時(shí)域特征與頻譜密度的關(guān)系特征。

短時(shí)傅里葉變換的方程如下：

其中w(t)為窗函數(shù)，決定頻譜密度分析的窄帶時(shí)窗大小。X(t)為電纜阻抗或相位。

由于故障點(diǎn)產(chǎn)生的反射信號(hào)在一定窄帶時(shí)窗下可理解為一種諧振現(xiàn)象，而在通過(guò)寬頻域測(cè)試時(shí)，假定在滿足帶寬和頻率分辨率范圍內(nèi)，至少有一個(gè)頻率點(diǎn)滿足了故障點(diǎn)的諧振頻率要求，因此在該故障點(diǎn)對(duì)應(yīng)的反射時(shí)間差環(huán)境下，建立了一種與特征頻譜對(duì)應(yīng)關(guān)系。即：在滿足窄帶時(shí)間條件下，可獲得最高的頻譜密度。

通過(guò)STFT變換，能夠計(jì)算出在特定時(shí)窗下的最高頻譜密度，或者在統(tǒng)計(jì)的高頻譜密度范圍，最佳的對(duì)應(yīng)時(shí)窗。根據(jù)該計(jì)算方法，可以獲得最佳的頻域微分頻率間隔和帶寬，從而解決了頻域微分中頻率帶寬和頻率分辨率的矛盾關(guān)系，避免盲目采用最高帶寬和最小頻率步進(jìn)的分析方法，一定程度上減少了硬件成本。

由于射頻波譜法主要采用了頻域微分技術(shù),通過(guò)頻域微分將頻域范圍的收斂峰值進(jìn)行了距離量化。而STFT為頻域微分技術(shù)提供了最佳的測(cè)試環(huán)境，獲得較高的信噪比和測(cè)試精度，該方面工作主要涉及計(jì)算機(jī)處理，這里不做深入分析。

3 STFT用于電纜故障定位分析

3.1 試驗(yàn)環(huán)境說(shuō)明

通過(guò)對(duì)三條電纜進(jìn)行了測(cè)試，被試品在常規(guī)絕緣高壓表測(cè)試環(huán)境下均為正常。如表1：

表1

3.2 試驗(yàn)1

由圖1三相比對(duì)分析可知，在43M處，BC相均存在較高的增益值，而A相不具備，因此可認(rèn)為在BC相的43M處存在老化現(xiàn)象。另外， B相增益最高，可認(rèn)為B相的端口有明顯老化現(xiàn)象。

3.3 試驗(yàn)2

無(wú)STFT模式下獲得的射頻波譜及故障距離圖譜如下，獲得距離故障圖譜噪音較大。

獲得的缺陷點(diǎn)（非連續(xù)點(diǎn)）信息為：

表2：故障增益圖譜

圖1 60M 三芯電纜的射頻波譜增益

圖2 無(wú)STFT模式200M 射頻波譜阻抗及其故障距離圖譜

通過(guò)STFT計(jì)算獲得的頻率帶寬為20MHz的76%，即15.52MHz,結(jié)果如圖3示：

圖3：STFT帶寬調(diào)整與故障定位圖譜

通過(guò)驗(yàn)證，在150M,170附近有多個(gè)劃傷及孔洞。

4 討論

STFT分析方法一定程度上優(yōu)化了頻域微分技術(shù)的應(yīng)用，其典型優(yōu)勢(shì)在于：傳統(tǒng)頻譜分析方法丟失了時(shí)間信息，僅保留了頻率特征，而STFT方法兼顧了時(shí)間和頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。STFT分析數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的時(shí)間信息可用于電纜的故障定位，而傳統(tǒng)的頻譜分析盡管可實(shí)現(xiàn)定位但存在的噪音較大，測(cè)試輸出頻率有一定盲目性。

通過(guò)試驗(yàn)，還獲得如下建議：針對(duì)單芯局部老化點(diǎn)的檢測(cè)，由于老化的發(fā)展有一定周期，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際情況多次測(cè)量監(jiān)測(cè)比對(duì)，跟蹤其變化趨勢(shì)，這樣可跟蹤不同位置的老化情況，從而起到更好的效果。針對(duì)三芯電纜局部老化，可直接進(jìn)行評(píng)估分析。

5 結(jié)論

采用射頻波譜及STFT原理實(shí)現(xiàn)局部老化和整體老化定位分析的技術(shù)路線是成功的，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和針對(duì)長(zhǎng)度和波速的調(diào)整，獲得了較好的局部缺陷定位精度和老化識(shí)別能力。并且針對(duì)老化特征的STFT方法，通過(guò)距離量化圖譜展示了有故障和無(wú)故障的典型特征圖譜，為評(píng)估電纜健康狀態(tài)提供了全新的分析方法。

[1]Abdelsalam Mohamed Elhaffar,POWER TRANSMISSION LINE FAULT LOCATION BASED ON CURRENT TRAVELING WAVES,Doctoral Dissertation,TKK Dissertations 107,Helsinki University of Technology

[2]Qinghai Shi,Wire Fault Location in Coaxial Cables by Impedance Spectroscopy, IEEE SENSORS JOURNAL,VOL.13,NO.11,NOVEMBER 2013

[3]張建;張方榮;尹娟;高興瓊;王蘇，[發(fā)明專(zhuān)利]一種電纜故障檢測(cè)分析方法，CN201410799968，成都高斯電子技術(shù)有限公司