本發(fā)明涉及電纜故障檢測技術領域，尤其涉及一種基于FDR法的船用低壓電力電纜局部點故障檢測方法。

背景技術：

電纜作為電力系統(tǒng)的核心設備之一，在電能分配、傳輸以及一系列電力服務中扮演著至關重要的角色。低壓電力電纜的局部點故障的查找和發(fā)現(xiàn)，一直是困擾電力行業(yè)的難題。目前常用的方法有電橋法和時域反射法。

電橋法^[1,2]的主要原理為采用雙臂電橋測出電纜芯線的直流電阻值，再準確測量電纜實際長度，按照電纜長度與電阻的正比例關系，計算故障點位置。這種方法技術成熟，電路簡單易實現(xiàn)，成本和體積都容易控制，但是這種方法由于其自身測量原理的限制，測量時必須電纜兩端同時操作，對操作人員要求較高，測量精度受人為因素影響。

時域反射法(TDR，Time-domain reflection)的工作原理為在電纜一端加脈沖電壓，則此脈沖按一定的傳播速度沿線傳輸，當遇到阻抗不匹配的地方，如短路點、斷線點、中間接頭等，就會發(fā)生反射，記錄下發(fā)送脈沖和反射脈沖之間的傳輸時間ΔT，則可按已知的傳輸速度V來計算出故障點的距離L＝ΔT·V/2。TDR測量法的優(yōu)點在于操作方便，單端操作，測試精度較高^[3]。但是該方法過分依賴電纜障礙點阻抗的明顯變化，導致很難判斷高阻抗故障和間歇故障。

頻域反射法(FDR)的概念在20年前就已提出，F(xiàn)DR測量原理是將掃頻信號發(fā)射到待測的傳輸線/天線，并將其反射信號的測量數(shù)據(jù)經(jīng)快速傅里葉逆變換(IFFT)轉換為時域信息，根據(jù)電纜的相對傳播速度時域信息(傳播速度隨電纜的介質(zhì)材料的不同而改變)就可計算出距離。FDR技術早期主要應用在雷達測試系統(tǒng)中，近幾年，隨著電子技術應用的快速發(fā)展，也應用于通信電纜(傳輸線)的檢測，是一種新興的測量技術^[4]，目前市場上還沒有出現(xiàn)成熟的產(chǎn)品。

本發(fā)明為一種基于FDR法的船用低壓電力電纜局部故障點檢測方法，與現(xiàn)有文獻報道應用于通信電纜的FDR方法比較，不同之處在于：將FDR法應用于船用低壓電力電纜局部故障點檢測，電力電纜不具有理想的阻抗匹配特性，不同的電纜長度、電纜型號、介質(zhì)厚度皆能在傳輸線的不同位置上引起不同的反射，所有的電纜都具有唯一的特征。采用駐波反射頻域測量方法SWR(standing wave reflectometry)，通過電纜短路、斷路下的反射信號幅值和相位差異分析，確定電纜局部故障點。參考文獻如下：

[1]徐丙垠，李勝祥，陳宗軍.通信電纜線路障礙測試技術,北京郵電大學出版社.2001:76-91。

[2]彭魁.利用交流電橋測量同軸電纜斷點的研究,遼寧大學學報(自然科學版).1999,26(3):250-252。

[3]宋建輝.基于時域反射原理的電纜測長若干關鍵技術研究，哈爾濱工業(yè)大學博士學位論文，2010。

[4]柏思忠.基于SOPC和TFDR的電纜故障檢測儀設計和實現(xiàn),重慶大學碩士學位論文，2007。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的：提供一種基于FDR法的船用低壓電力電纜局部故障點檢測方法，采用駐波反射頻域測量方法SWR(standing wave reflectometry)，通過電纜短路、斷路下的反射信號幅值、相位差異分析，確定電纜局部故障點。

本發(fā)明提供了一種基于FDR法的船用低壓電力電纜局部點故障檢測方法。利用掃頻儀向被測電纜發(fā)射一段正弦掃頻信號，通過檢波器返回被測電纜始端的故障信息，并通過顯示器(7)顯示全反射電壓波形，從中獲得波形頻率差Δf，通過公式：計算得到故障點與入射點的距離L，其中，V_p為電纜的速度比，是已知量。

為了提高精度，優(yōu)選的，在讀取相鄰波腹點或波節(jié)點間的頻率間隔Δf時，讀取N+1個波峰或波谷間的頻率間隔f₂'-f₁'，則Δf＝(f₂'-f₁')/N，其中，f₂'為f₂'為第N+1個波峰或波谷處的頻率，f₁'為第1個波峰或波谷處的頻率，N為正整數(shù)，且N+1為波形圖上所顯示的波峰或波谷的總個數(shù)。

優(yōu)選的，當被測電纜無故障時，沒有反射波，顯示器上將出現(xiàn)一條直線；當被測電纜斷開或接觸不良時，反射波與入射波同相；當電纜短路或受潮進水時使絕緣降低，反射波與入射波反相。

優(yōu)選的，若被測電纜的速度比未知，取一段已知長度的與被測電纜同質(zhì)的測試電纜，長度為L₀，測試電纜末端短路、開路均可，將其接入掃頻儀測試系統(tǒng)，通過公式：計算被測電纜的速度比。

有益效果：本發(fā)明對船用低壓電纜可能會產(chǎn)生的開路、短路等點故障能進行精確定位，具有定位精度高、操作簡單，損耗少、成本低、安全性高等特點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的基于FDR法的船用低壓電力電纜局部點故障檢測方法原理圖。

圖2為駐波形成圖。

附圖標識：1、掃頻儀；2、檢波器；3、被測電纜；4、被測電纜終端；5、掃頻輸入端口；6、掃頻輸出端口；7、顯示器；8、被測電纜始端；9、波腹點；10、波節(jié)點。

具體實施方式

為使本發(fā)明解決的技術問題、采用的技術方案和達到的技術效果更加清楚，下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關的部分而非全部內(nèi)容。

一、本發(fā)明原理

本發(fā)明是利用掃頻儀1向被測電纜3發(fā)射一段特定頻帶的掃頻測試信號，假設輸入信號經(jīng)掃頻輸入端口5輸入頻率從f₀到f_n快速重復掃動的掃頻信號，若被測電纜3本身出現(xiàn)故障，故障點處會發(fā)生阻抗不匹配現(xiàn)象。測試信號將在阻抗不匹配點發(fā)生反射，由傳輸線理論可知，入射波與反射波經(jīng)檢波器2在掃頻輸出端口6輸出，由顯示器7顯示最終在被測電纜始端8疊加形成的駐波。

參照圖1，測量系統(tǒng)包括掃頻儀1、檢波器2、掃頻輸入端口5、掃頻輸出端口6、顯示器7組成。所述的掃頻儀1可根據(jù)實際條件來選用，掃頻輸入端口5待輸入信號和掃頻輸出端口6待輸出的信號均需經(jīng)檢波器2進行檢波。

若被測電纜終端4短路，被測電纜始端8輸入信號振幅為E，初始相位為φ，設v為行波沿電纜傳輸?shù)乃俾?，以被測電纜始端8為坐標軸原點，被測電纜始端8到被測電纜終端4的方向為正方向，坐標軸上任一點表示被測電纜3上任一點x，則其沿被測電纜3傳輸?shù)牟▌臃匠虨椋?/p>

該行波在被測電纜終端4發(fā)生全反射，被測電纜3總長度為L，則此反射波的波動方程為：

根據(jù)疊加原理，被測電纜上任一點處的波動方程為：

將ω＝2πf及帶入可得：

令x＝0，被測電纜始端8疊加形成的波形振幅為與時間無關。且有：

當時，為波節(jié)點，此時k＝0,±1,±2,…，為λ/4的奇數(shù)倍；時，為波腹點，此時k＝0,±1,±2,…，為λ/4的偶數(shù)倍。

參照圖2，相鄰波腹點9或相鄰波節(jié)點10間的間距為λ/2，由于信號在電纜中的傳播速度不變，因此，當輸入信號由單一頻率f變?yōu)閺膄₀到f_n且步長固定的掃頻信號時，相鄰波腹點9，或相鄰波節(jié)點10間的間距也固定不變，最終將在電纜上出現(xiàn)相鄰波節(jié)點10間的頻率差相同的駐波電壓分布的圖形。

設處于兩相鄰波節(jié)點10處的頻率分別為f1和f2，在該被測電纜3中兩個頻率所對應的半波長分別為λ₁/2和λ₂/2，被測電纜始端8距被測電纜終端4的距離為這兩個半波長的整數(shù)倍。當f₁＜f₂時，若L為λ₁/2的n倍時，那么它將為λ₂/2的n+1倍，即：

求解可得：

其中，n為正整數(shù)，Δf單位為MHz，V_p為電纜的速度比，即信號在電纜中傳輸?shù)乃俣扰c在自由空氣中傳輸?shù)乃俣戎?。只要測出相鄰波峰或波谷間的頻率間隔，知道電纜的速度比，便可以測出故障點與入射點的距離，即可實現(xiàn)電纜故障定位。

此公式也可以通過已知電纜長度來計算被測電纜的速度比。其中，測試電纜長度為L₀，測試電纜末端短路、開路均可，將其接入掃頻儀測試系統(tǒng)，由公式(6)可推導出電纜的速度比計算公式為：

當被測電纜3無故障時，沒有反射波，顯示器7上將出現(xiàn)一條直線；當被測電纜3斷開或接觸不良時，反射波與入射波同相；當電纜短路或受潮進水時使絕緣降低，反射波與入射波反相。而出現(xiàn)故障時，顯示屏上呈現(xiàn)出周期性波形，則可按本發(fā)明提供的方法，讀取被測電纜3在相鄰兩波節(jié)的頻率差，根據(jù)公式(7)、(8)即可判斷出故障點位置。

被測電纜3為船用電力電纜，其規(guī)格型號應符合IEC60092-353:2001《船舶電氣裝備額定電壓1kV到3kV擠包絕緣非徑向電場單芯和多芯電力電纜》和國家標準GB/T《船舶電氣裝置額定電壓1kV和3kV擠包絕緣非徑向單芯和多芯電力電纜》中的規(guī)定。

二、實施例

1、取一段已知長度為L₀的船用乙丙橡膠電纜作為被測電纜3，如說明圖1所示，電纜末端短路、開路均可，將掃頻儀1的輸出端與被測電纜始端8連接。

2、掃頻儀1，使輸出衰減為3dB，將輸入衰減置于適當位置，顯示器7波形幅度為50％左右既可。調(diào)整頻率偏移，為了使電壓波形不少于兩個周期，選擇掃頻頻段為0.1MHz～0.9MHz，在被測電纜始端8顯示器7上觀察全反射電壓波形，讀出波形頻率差Δf(MHz)，由公式(8)計算速度比。

3、為提高測量的精度，在讀取相鄰波腹點9或相鄰波節(jié)點10間的頻率間隔Δf時，可讀取N+1個波峰或波谷間的頻率間隔f₂'-f₁'，則Δf＝(f₂'-f₁')/N。

4、當被測電纜3出現(xiàn)故障時，顯示屏上呈現(xiàn)出如圖2所示的周期性波形，被測電纜3實際在距離被測電纜始端8200m處發(fā)生斷線故障，而從顯示器7上讀出的Δf為0.2MHz，帶入公式7得到故障點距離始端8的測量結果為202.5m，誤差僅為1.25％。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換，并不使相應技術方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術方案的范圍。