電纜局部老化及故障分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電纜測(cè)試領(lǐng)域，特別涉及一種電纜局部老化及故障分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 申請(qǐng)人于2014年申請(qǐng)了電纜老化及故障測(cè)試方法的申請(qǐng)?zhí)枮镃N201410373228和 CN201410799968的2個(gè)相關(guān)專利，專利中對(duì)基于阻抗頻譜和相位頻譜為基礎(chǔ)的老化評(píng)估方 法進(jìn)行了創(chuàng)新。
[0003] 但是，經(jīng)過持續(xù)性研宄，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，有時(shí)因現(xiàn)場(chǎng)干擾或硬件裝置的不穩(wěn)定，可能 導(dǎo)致將阻抗頻譜和相位頻譜轉(zhuǎn)換成增益-距離圖譜后，故障點(diǎn)的表現(xiàn)不明顯，如在已知某 個(gè)故障點(diǎn)存在且較嚴(yán)重的情況，實(shí)際測(cè)量和分析的結(jié)果在該位置并未展示出如期的異常性 圖譜，或者在該位置展示的圖譜幅度并未達(dá)到預(yù)期要求，甚至可能出現(xiàn)小故障點(diǎn)的增益高 于大故障點(diǎn)的增益的情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種可準(zhǔn)確找出故障點(diǎn)、并表征故障嚴(yán)重程 度的電纜局部老化及故障分析方法。
[0005] 本發(fā)明提供了一種電纜局部老化及故障分析方法，包括：
[0006] 步驟1，獲取電纜的阻抗頻譜和相位頻譜；
[0007] 步驟2,對(duì)所述阻抗頻譜和相位頻譜進(jìn)行加窗濾波和FFT逆變換，以獲得增益-距 離坐標(biāo)圖譜（這可以通過本領(lǐng)域已知的方法獲得，例如，可使用CN201410799968的權(quán)利要 求2和權(quán)利要求3中所述的方法），其中，距離坐標(biāo)取電纜長(zhǎng)度的2-5倍；
[0008] 步驟3,采用衰減補(bǔ)償方法，對(duì)以上獲得的所述距離坐標(biāo)進(jìn)行量化（這可以通過本 領(lǐng)域已知的方法獲得，例如，可使用CN201410799968的權(quán)利要求2和權(quán)利要求3中所述的 方法）；
[0009] 步驟4,對(duì)所述增益-距離坐標(biāo)中一倍電纜長(zhǎng)度中的過零點(diǎn)或小于零值一定門限 增益的異常點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得一倍電纜長(zhǎng)度的故障點(diǎn)或異常點(diǎn)的坐標(biāo)；
[0010] 步驟5,在2至5倍之間的鏡像長(zhǎng)度中找到與所述一倍電纜長(zhǎng)度的故障點(diǎn)或異常點(diǎn) 對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度位置X2 [i]至X5 [i]，并根據(jù)所述長(zhǎng)度位置確定所述一倍電纜長(zhǎng)度的故障點(diǎn)或 缺陷點(diǎn)的杠桿增益；其中，所述增益-距離坐標(biāo)中，幅度大于零、或大于一定門限值的增益 點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的距離坐標(biāo)上的數(shù)值作為所述故障點(diǎn)或異常點(diǎn)；
[0011] 步驟6,將所述杠桿增益與所述故障-距離圖譜中對(duì)應(yīng)一倍電纜長(zhǎng)度處的峰值最 高增益進(jìn)行比較，從而獲得絕對(duì)增益誤差值和增益杠桿比；
[0012] 步驟7,采用高頻頻率點(diǎn)或低頻頻率點(diǎn)置零的循環(huán)FFT逆運(yùn)算的方式，分析被置零 后帶寬壓縮后的增益-距離圖譜，并重復(fù)以上步驟4-6以通過循環(huán)方式分析步驟4步獲得 的所述過零點(diǎn)的穩(wěn)定性，將其中最穩(wěn)定的過零點(diǎn)視為確定的故障缺陷點(diǎn)。特別地，通過循環(huán) 方式可以有效降低因頻率帶寬和被測(cè)電纜的特性不匹配的問題，有助于尋找最佳的頻率帶 寬。在循環(huán)條件下，通過改變頻率點(diǎn)置零的個(gè)數(shù)，分析步驟4獲得的過零點(diǎn)的穩(wěn)定性，其中 最穩(wěn)定的過零點(diǎn)視為確定的故障缺陷點(diǎn)。優(yōu)選地，當(dāng)選定最佳頻帶后，可從步驟1-6重新進(jìn) 行測(cè)試分析。
[0013] 本發(fā)明提出了基于逆FFT鏡像分析的故障距離圖譜分析模式，將FFT逆變換獲取 的時(shí)間段截取到脈沖沿電纜等效傳輸單位時(shí)間的1-5倍作為分析軸，相比只在電纜單位傳 輸時(shí)間一倍的分析軸的模式，本專利更能直觀發(fā)現(xiàn)一些典型的故障點(diǎn)。
[0014] 優(yōu)選地，阻抗頻譜和相位頻譜的起始頻率滿足以下要求：
[0016] 其中，v為傳輸速率估計(jì)值（優(yōu)選地，默認(rèn)為光速的50%，范圍為0.5-1倍光速）， L為電纜長(zhǎng)度，K為鏡像分析倍數(shù)，fmin為頻率最小值。例如，鏡像分析倍數(shù)為5倍，則K =
[0017] 優(yōu)選地，所述步驟2中的門限為-0. ldB至-20dB。
[0018] 優(yōu)選地，所述長(zhǎng)度位置X2[i]至X5[i]根據(jù)下式計(jì)算得到：
[0019] X2[i] = x[i]+L ；
[0020] X3[i] = x[i]+2*L ;
[0021] X4[i] = x[i]+3*L ;
[0022] X5[i] = x[i]+4*L ;
[0023] 其中，i為對(duì)應(yīng)的故障點(diǎn)或異常點(diǎn)的個(gè)數(shù)。
[0024] 優(yōu)選地，根據(jù)所述長(zhǎng)度位置確定所述一倍電纜長(zhǎng)度的故障點(diǎn)或缺陷點(diǎn)的杠桿增益 包括：以對(duì)應(yīng)的X[i]和X2[i]兩點(diǎn)取直線M，從而獲得直線M與增益-距離圖譜中對(duì)應(yīng)一 倍電纜長(zhǎng)度附近的峰值處（不一定準(zhǔn)確為一倍電纜長(zhǎng)度處對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，但應(yīng)該是附件很小的 范圍）的增益的交叉點(diǎn)，其中X[i]為一倍電纜長(zhǎng)度的故障點(diǎn)或異常點(diǎn)對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度位置；將 該交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)一倍電纜長(zhǎng)度處的峰值距離點(diǎn)的縱坐標(biāo)位置的增益記做DM，DM則為一倍電 纜長(zhǎng)度的故障點(diǎn)或缺陷點(diǎn)的杠桿增益。
[0025] 優(yōu)選地，所述絕對(duì)增益誤差值和增益杠桿比分別根據(jù)下式計(jì)算得到：ADM = Dmax-DM，其中A DM為絕對(duì)增益誤差值，Dmax為對(duì)應(yīng)一倍電纜長(zhǎng)度的處附近的最高峰值增 益，DMR為增益杠桿比，且：
，可將增益絕對(duì)誤差值或增益杠桿比作 為衡量故障點(diǎn)嚴(yán)重程度的參值。
[0026] 優(yōu)選地，所述步驟7中，高頻頻率點(diǎn)置零的方法如下：設(shè)原帶寬為BW0 = 100MHz， 共有10000個(gè)頻率點(diǎn)組成，設(shè)從最高頻率點(diǎn)向下置零10%，即從最高頻率點(diǎn)向下依次置 零1000個(gè)頻率點(diǎn)，則最后的頻帶為90MHz，將該90MHz帶寬信號(hào)進(jìn)行FFT逆預(yù)算并獲得增 益-距離圖譜。
[0027] 優(yōu)選地，所述步驟7中，低頻頻率點(diǎn)置零的方法如下：設(shè)原帶寬為BW0 = 100MHz， 共有10000個(gè)頻率點(diǎn)組成，設(shè)從最低頻率點(diǎn)向上置零10%，即從最低頻率點(diǎn)向下依次置 零1000個(gè)頻率點(diǎn)，則最后的頻帶為90MHz，將該90MHz帶寬信號(hào)進(jìn)行FFT逆預(yù)算并獲得增 益-距離圖譜。
[0028] 在本發(fā)明申請(qǐng)的發(fā)明人之前的兩個(gè)專利中，均只分析了一倍電纜長(zhǎng)路的增益圖 譜，而超出一倍電纜長(zhǎng)度的增益圖譜，則認(rèn)為是數(shù)學(xué)上的反射信息，將其忽略。但經(jīng)研宄發(fā) 現(xiàn)，增益距離圖譜中大于一倍長(zhǎng)度的范圍包含了豐富的信息，可以折射到一倍單位長(zhǎng)度范 圍，提高故障或缺陷點(diǎn)的清晰度。因此，本專利與發(fā)明人以前的專利申請(qǐng)相比，其創(chuàng)新之處 在于：采用鏡像長(zhǎng)度分析法，將FFT逆變換后折算成距離軸后，從一倍單位長(zhǎng)度擴(kuò)展到五倍 單位長(zhǎng)度；分析每個(gè)單位長(zhǎng)度范圍內(nèi)的異常點(diǎn)相似性，獲得最佳故障點(diǎn)，從而有效減少了對(duì) 故障或缺陷產(chǎn)生誤判斷或判斷模糊的情況。
[0029] 本專利基于鏡像杠桿分析法，在步驟1的基礎(chǔ)上獲得了故障點(diǎn)后，通過對(duì)單位長(zhǎng) 度一倍范圍內(nèi)和單位長(zhǎng)度2、3、4、5中任意一個(gè)長(zhǎng)度范圍內(nèi)的對(duì)應(yīng)故障距離的增益值進(jìn)行 占比分析，從而獲得該故障位置的故障嚴(yán)重程度的指標(biāo)。相比直接通過一倍單位長(zhǎng)度對(duì)電 纜故障點(diǎn)進(jìn)行量化后的嚴(yán)重程度相比，本方法能顯著提高故障嚴(yán)重程度識(shí)別能力。
[0030] 經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，本發(fā)明在多芯電纜中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更加明顯，可顯著減少為獲取電纜 故障狀態(tài)所需的阻抗頻譜和相位頻譜的測(cè)試頻率點(diǎn)數(shù)，從而減少硬件成本，提高測(cè)試效率， 提高了普遍應(yīng)用的價(jià)值。
【附圖說明】
[0031 ] 圖1是一倍增益-距離圖譜；
[0032] 圖2是二倍增益-距離圖譜（含一倍增益和2倍鏡像增益；
[0033] 圖3是一倍杠桿增益-距離圖譜；
[0034] 圖4是三倍增益-距離圖譜（含一倍增益，2倍鏡像，3倍鏡像）；
[0035] 圖5是無補(bǔ)零操作前的增益-距離圖譜；
[0036] 圖6是補(bǔ)零法調(diào)整帶寬的邏輯關(guān)系圖；
[0037] 圖7是補(bǔ)零法進(jìn)行帶寬優(yōu)化后的增益-距離圖譜。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 實(shí)施例一：
[0039] 假設(shè)已經(jīng)獲得了電纜的阻抗頻譜和相位頻譜，并通過發(fā)明人以前的兩項(xiàng)發(fā)明中任 意一項(xiàng)中的FFT逆變換后獲得了增益-時(shí)間圖譜，并獲得了傳輸速率V，計(jì)算出了增益-距 離圖譜，基于1倍電纜長(zhǎng)度的增益-距離圖譜，設(shè)電纜長(zhǎng)度為10公里。
[0040] 需要補(bǔ)充說明的是，如果獲得的增益-距離圖譜出現(xiàn)了一倍電纜長(zhǎng)度小于電纜實(shí) 際長(zhǎng)度的情況，并已經(jīng)確認(rèn)電纜長(zhǎng)度參數(shù)正確的情況，那么該增益-距離圖譜的一倍電纜 長(zhǎng)度的位置就是短路或開路點(diǎn)的位置，至于是否是開路和短路，直接通過阻抗頻譜或相位 頻譜的特征進(jìn)行判別，如阻抗頻譜低頻端的幅值是從0值起步，或接近0值附近的低阻抗值 起步的，那么該故障點(diǎn)為短路點(diǎn)；反之，如阻抗頻譜是從一個(gè)峰值起步，或一個(gè)峰值附近的 高阻抗值起步，那么該故障點(diǎn)為開路點(diǎn)。同樣，也可根據(jù)相位來判別故障性質(zhì)，如相位測(cè)量 值從最低頻率起步是從 _90度附近起步的，那么該故障點(diǎn)為短路故障，反之，相位從-90度 附近起步，那么該故障點(diǎn)為開路點(diǎn)。由于開路和短路故障時(shí)本發(fā)明分析方法中一種最簡(jiǎn)單， 最直接的方式，實(shí)際上作為一種特殊情況包括在本分析方法以內(nèi)，這里特別說明，有時(shí)僅需 要進(jìn)行短路和斷路故障進(jìn)行定位分析時(shí)，可直接得出結(jié)論，如需再進(jìn)行相對(duì)復(fù)雜的后續(xù)分 析。
[0041] 如果擔(dān)心在一倍電纜長(zhǎng)度找到的末端峰值點(diǎn)即便小于電纜實(shí)際長(zhǎng)度或末端峰值 點(diǎn)接近電纜實(shí)際長(zhǎng)度，也可能不是開路或短路故障點(diǎn)，為防止發(fā)生誤判，可將增益-距離圖 譜拓展到3倍或5倍電纜長(zhǎng)度范圍進(jìn)行觀察。由于電纜的3倍或5倍電纜長(zhǎng)度的增益-距 離坐標(biāo)中包含了 3-5個(gè)周期性的圖譜，具備高度的周期性，因此在1倍長(zhǎng)度范圍內(nèi)找到了峰 值點(diǎn)，在2倍長(zhǎng)度的位置會(huì)對(duì)應(yīng)找到峰值點(diǎn)，依次類推，因此，本發(fā)明所述的判別開路和短 路故障的方法也具備了對(duì)故障性質(zhì)進(jìn)行核對(duì)的功能。
[0042] 綜上所述，采用本發(fā)明的特殊形式進(jìn)行短路或開路故障的識(shí)別和定位，相比傳統(tǒng) 的TDR時(shí)域發(fā)射方法有明顯優(yōu)勢(shì)。原因如下：本方法可用于數(shù)百公里電纜的故障查找，而 TDR僅用于數(shù)公里以下；另外，本方法經(jīng)驗(yàn)證有高度的可重復(fù)性，即使在干擾較大的場(chǎng)合 下，由于采用了 FFT對(duì)頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行變換的方式，對(duì)電纜一倍單位長(zhǎng)度的末端檢測(cè)的收斂 特征非常明顯，因此即使在個(gè)別頻率點(diǎn)測(cè)試的阻抗值和相位值出現(xiàn)干擾測(cè)量不準(zhǔn)的情況， 也不影響FFT變換后最終得出的實(shí)際故障點(diǎn)的查找。
[0043] 也可以這樣認(rèn)為，在電纜出現(xiàn)了短路或開路情況，電纜的特性長(zhǎng)度已經(jīng)縮短了， 獲得的一倍電纜長(zhǎng)度坐標(biāo)自然發(fā)生了縮短。當(dāng)然在3倍增益-距離圖譜上，3個(gè)周期的增 益-距離圖譜也相應(yīng)發(fā)生了壓縮。
[0044] 如圖1所示，在4. 5km和8km兩個(gè)位置為增益大于零的位置，按照發(fā)明人以前的方 法，增益過零點(diǎn)為故障點(diǎn)或缺陷點(diǎn)。但僅通過兩個(gè)故障點(diǎn)并不能簡(jiǎn)單得出其嚴(yán)重程度的差 異，且在5. 5km處已經(jīng)接近零增益，是可疑