基于時域反射技術的電力電纜局部缺陷檢測方法

王志輝

（上海東捷建設（集團）有限公司，上海 200120）

0 引 言

電力電纜是電力系統不可或缺的組成部分之一，其可靠性直接關系到電力供應的穩定性和安全性。但電力電纜易受物理損傷、老化和環境等因素的影響，導致局部缺陷的產生。這些局部缺陷可能會引發嚴重的電力故障和安全事故，因此及早檢測和定位缺陷至關重要。時域反射技術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域具有廣泛的應用前景。

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。其作為能源傳輸的關鍵媒介，負責將電能從發電站傳輸到各個終端用戶。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、導體斷裂、水分滲透等。如果不能及時對電力電纜的缺陷進行檢測和維修，可能導致電纜出現故障，引發停電事件，造成不必要的損失。

1.2 時域反射技術的基本原理

時域反射技術是利用信號在傳輸路徑上傳輸，當傳輸路徑中發生阻抗變化時，一部分信號會被反射，另一部分信號會繼續沿傳輸路徑傳輸。該技術是一種分析反射波的測量技術，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送一個脈沖信號或階躍信號，當傳輸路徑中發生阻抗變化時，部分能量會被反射，其余能量繼續傳輸。當知道發射波的幅度或可以測量出反射波的幅度時，可以計算出路徑中阻抗的變化情況。同時，通過測量發射波到反射波回到發射點的時間差，可以計算阻抗變化的相位[1]。

1.3 電力電纜局部缺陷檢測的需求與挑戰

電力電纜局部缺陷檢測在電力工程領域的需求和挑戰，制約著電纜系統運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 方面內容。第一，安全性保障。電力電纜系統是電力供應的基礎，任何局部缺陷都可能導致電力中斷、故障，嚴重時可能會發生火災等重大安全事故。因此，及時檢測和維修電纜局部缺陷是確保電力系統運行安全性的關鍵。第二，降低維護成本。定期進行電纜檢測和維護的費用昂貴，但局部缺陷的早期檢測可以降低后期的維修成本，能夠有效避免發生突發性故障。第三，提高系統可靠性。電力電纜系統的可靠性對電力供應的連續性至關重要。及時檢測和修復局部缺陷有助于防止電纜發生故障，確保電力供應的可靠性。

1.3.2 挑戰方面

電力電纜局部缺陷檢測的挑戰主要包括4 方面內容。第一，復雜的信號處理。局部缺陷檢測通常需要處理復雜的時域反射信號，這些信號可能受到多種因素的干擾，如信號衰減、多徑傳播、反射重疊等，使信號處理和分析變得復雜且困難。第二，背景干擾。電纜系統通常位于復雜的電磁環境，容易受到其他電纜、設備或電磁噪聲的干擾。這些干擾信號可能會掩蓋局部缺陷的反射信號，使檢測更加困難。第三，數據量和處理時間。高分辨率的信號采集和分析需要大量的數據，因此需要采用高效的數據存儲和處理技術。此外，對于某些需要進行實時或近實時檢測的應用而言，需要在短時間內完成信號處理和分析。第四，多種缺陷類型。電纜可能出現不同類型的局部缺陷，如絕緣層損傷、導體斷裂、水分滲透等。不同的缺陷可能需要不同的檢測方法和算法，增加了檢測的復雜性[2]。

2 基于時域反射技術的電力電纜局部缺陷檢測方法

2.1 時域反射測量裝置

時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的硬件和軟件技術，以實現高質量的反射信號采集和分析。首先，高頻發生器是信號激勵的源頭，能夠生成具有高頻率和短脈沖寬度電磁脈沖信號。這樣的脈沖信號可以確保產生清晰的反射信號，并具備足夠的穿透能力，能夠克服電纜中的多種媒質和缺陷。其次，接收器用于捕捉從電纜中反射回來的信號，需要具備高的靈敏度和快速采樣能力，以準確記錄反射信號的細節。此外，接收器還需要具備廣帶寬，以捕獲寬頻譜的信號，分析不同頻率成分對局部缺陷的響應。最后，信號處理單元作為時域反射測量裝置的核心部分，負責處理和分析采集到的信號。其采用高級的數字信號處理技術，如傅里葉變換、時域分析和濾波等，以提取信號中的局部缺陷信息；通過模式識別實現高效的檢測和定位；還具備實時數據處理和存儲能力，以滿足實時或近實時的檢測需求。

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，局部缺陷包括對不同類型缺陷的識別和分類，如絕緣層損傷、導體斷裂、水分滲透等，以更好地理解缺陷的性質和影響。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，有助于評估缺陷的嚴重程度[3]。最后，位置分析是關鍵。因為通過位置分析能夠確定缺陷在電纜中的具體位置，影響著后續的維修和修復過程。通過分析電力電纜缺陷特征，可以獲取缺陷的全面信息，從而幫助操作員進行電纜維修。

2.3 局部缺陷檢測算法

基于時域反射技術的局部缺陷檢測算法是通過信號處理和模式識別技術，實現對電力電纜局部缺陷的高效檢測和定位。首先，該算法通過高頻發生器產生的電磁脈沖信號激勵電纜。當信號遇到缺陷時，會發生反射并產生時域反射信號。接收器會捕捉這些反射信號，并將其傳送至信號處理單元[4]。其次，采用傅里葉變換、時域分析和濾波等高級數字信號處理技術，提取信號的頻譜特征、振幅和時延等信息。最后，通過模式識別算法，如人工神經網絡、支持向量機等，對提取的信號特征進行分析，以識別缺陷類型、定位缺陷位置[5]。該算法能夠準確識別不同類型的缺陷，并且具備較高的定位精度，為電力電纜局部缺陷的精準檢測提供了一種可靠的技術手段。

3 實驗與驗證

3.1 實驗設置與數據收集

需要進行一系列實驗，以評估提出的基于時域反射技術的電力電纜局部缺陷檢測方法的性能，并驗證算法的準確性和可靠性。采集不同條件下的電力電纜時域反射信號，建立實驗數據集。

3.1.1 實驗基本情況

實驗在電磁隔離的實驗室環境中進行，以減少外部環境的干擾。本次實驗選用真實的電力電纜模擬器，模擬電力電纜的特性和材料，以確保實驗結果的真實性和可靠性。

實驗采用泰克AFG3102C 任意波形發生器（工作頻率范圍為1 ～2.5×10^8Hz），以提供高精度的信號激勵。其具有2個頻道，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 時為1 GS/s；采樣率在16 ～128 K 時為250 MS/s。AFG3102C 信號發生器可以生成長達128 K 的任意波形，支持調幅（Amplitude Modulation，AM）、 調頻（Frequency Modulation，FM）、調相（Phase Modulation，PM）以及脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）等多種波形，并具有可變邊沿時間的脈沖波形。設備前面板上的USB 連接器方便用戶將波形存儲在設備上，同時支持通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）、通用接口總線（General-Purpose Interface Bus，GPIB）和局域網（Local Area Network，LAN）等多種連接方式。該設備具有高度穩定的時基，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。該設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開發、生產、安裝以及服務的用戶。同時，支持數字調制分析，具有高達160 MHz 的分析帶寬，適用于測量組件、芯片組和基站，可以測量符合標準的頻譜發射模板、雜散發射、鄰道泄漏比（Adjacent Channel Leakage ratio，ACLR）。

實驗中的信號處理單元為一臺高性能計算機。該計算機配備了定制的信號處理軟件，用于信號預處理、特征提取和模式識別。

3.1.2 實驗過程

實驗室設置了一個電纜測試臺，用于檢驗電纜的線性和穩定性，避免外部干擾的影響。同時，模擬了絕緣層損傷和導體斷裂缺陷，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際工作條件。

首先，高頻發生器將電磁脈沖信號（具有高頻率和短脈沖寬度的特性）發送至電纜，以更好地模擬實際工作條件。其次，接收器捕捉電纜中反射回來的信號，并將其傳送給信號處理單元進行分析。再次，在信號處理單元中對信號進行預處理，包括去噪、濾波和信號增強，以提高信號質量。同時，提取信號特征，如信號的幅度、時延、頻率成分以及波形形狀，用于后續的模式識別。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。通過改變缺陷的類型、位置和深度，重復進行多次實驗，以建立完整的數據集，驗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 結果與分析

實驗結果表明，提出的基于時域反射技術的電力電纜局部缺陷檢測方法在檢測準確性和定位精度方面表現出良好的性能。實驗結果如表1 所示。

表1 實驗結果

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，檢測結果準確，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

實驗結果表明，提出的基于時域反射技術的電力電纜局部缺陷檢測方法在實驗環境中具有良好的可行性，可以成功檢測電纜的部分缺陷，并實現較精確的定位。

3.3.2 局限性

實際電力系統通常比實驗環境更復雜，因此需要進一步驗證所提方法在實際場景中的應用性能。根據電力系統的運行情況，需要擴展實驗數據以增強所提方法的健壯性。此外，缺陷檢測方法的性能會受到背景噪聲和信號衰減等因素的影響，需要進一步考慮如何降低這些干擾對信號傳輸的影響，以提高電力系統運行的穩定性和安全性。

4 結 論

文章提出了一種基于時域反射技術的電力電纜局部缺陷檢測方法，并進行了理論探討和實驗驗證，證實該方法具有強大的潛力和可行性。利用該方法不僅能及時發現電纜存在的局部缺陷，還能準確定位缺陷位置、判斷缺陷類別，為電力系統的維護和安全提供了有力支持。但是，該方法存在一定的局限性，如處理復雜信號的能力有限。未來的研究重點是提高電力電纜局部缺陷檢測方法的精度和健壯性，并應用于實際電力系統，以更好地滿足電力領域的需求，提高電力供應的可靠性和安全性。