基于频域反射法的电缆缺陷时域诊断特征波形研究

张伯乐

广东电网有限责任公司河源源城供电局  广东河源517000

摘要：本文以城市输配电网为切入点，对目前我国的电缆缺陷定位与辨识技术进行了深入研究与分析，并在此基础上提出了一些应用方法。目的是为相关技术人员提供一定的参考和借鉴，在不断提高我国频域反射法的技术水平的同时，确保城市输送网络的安全。

关键词：频域反射法；电缆缺陷；时域诊断特征波形；技术研究

引言：频域反射法又被称为FDR法，它是最为常见的一种电缆缺陷检测方法，电缆缺陷的定位与辨识起到了重要作用。因此相关技术人员应在此基础之上进行深入研究，不断完善电缆缺陷定位技术，利用入射信号与数据分析算法对电缆缺陷时域诊断特征波形进行有效研究。

1电缆分布参数

电压等级与实际应用场景的不同决定了电缆材料与结构的不确定性，但就目前情况来看，电缆仍可按照结构进行分类，分别是单芯电缆和多芯电缆。单芯电缆指的是该电缆内的每根芯线都有专门的屏蔽层进行保护，而多芯电缆恰恰与其相反，电缆内的全部芯线均由一根屏蔽层进行保护。不仅如此，与多芯电缆不同的是，单芯电缆的分布参数模型不是由两根芯线构成的，而是由其内部芯线和屏蔽层的共同作用构成的，这一特征也使得单芯电缆的复杂程度较高，其分布参数也多呈现出复合性。

在实际电力系统中，电缆的直径与长度之间差了3-4的数量级，即电力系统中的电缆直径大概在几厘米到十几厘米不等，而电缆长度至少也要达到几千米的标准，技术人员基于这个性质特点将电缆看作为无限长导线。而这也影响了电缆电感、电容量与电导率的变化。因此电缆在直流电与交流电的处理中也存在着较大的不同[1]。当直流电流经电缆时，此时电缆横截面上的电流呈现出均匀分布的趋势，而当交流电流经电缆时，电缆横截面上并不会有电流的存在，此时的电流已经集中分布在相应的导体表面，不仅如此，趋肤效应也是在这个过程中显现出来的。趋肤效应简单来说就是指由于交流电的影响，电流密度在导体部分较高，随着向中心的不断推移，电流密度也在逐渐减小，因此电缆导体的趋肤深度与其频率成反比，即电流频率越高，趋肤深度反而越低；反之，电流频率越低，道义的趋肤深度也就越高。

2时域诊断波形的转换方法

为了进一步削弱区域划分中的效益影响，避免或杜绝数据截断效应的出现，还可在时域诊断波形特征分析中使用“加窗处理”。加窗处理指的是Hanning窗函数，它是升余弦窗中的一个特殊例子，能有效针对距离轴上的区域划分问题，若将Hanning窗函数简单化来看，该函数其实就是三组矩形时间窗的频谱总量。其工作原理是利用等效时间边缘信号的能量与数据截断的关系来进行时域诊断波形转化，具体来说就是通过适当削减等效时间边缘信号的能量，来实现对数据截断效应的有效抑制。

要想保证加窗处理的有效性和准确性，该操作必须在离散傅里叶反变换之前进行。此外，由于时域波形的主瓣宽度会随着加窗函数对旁瓣效应的抑制而逐渐增加，因此为了确保时域诊断波形的有效生成，技术人员在操作前还应根据实际情况选择最为匹配的加窗函数。这样才能有效削弱数据突变能量，从而达到对旁瓣效应、数据截断效应、涟漪效应的有效抑制，增强时域诊断波形的高平滑度与明显度，在提高诊断时域波形分辨率的同时对电缆进行有效定位与辨识[2]。

除此之外，还可在此基础上引入适当的频率轴上床函数，如Kaiser窗。这是一种具有较高灵活性和多变性的函数，技术人员可利用该函数实现对时域波形主瓣宽度的有效调节，该函数还能对时域波形的旁瓣效应起到积极的抑制作用，其工作原理为通过对窗参数进行调节来实现加窗处理的有效性，从而减少对电缆缺陷的定位与辨识时间，优化整个流程。根据相关实验结果显示，调节因子与时域波形主瓣宽度成正向关系，但与旁瓣效应呈负相关性，即随着调节因子的增加，时域波形的主瓣宽度会逐渐增加，但其旁瓣高度会随之降低。

3局部缺陷的影响分析

由于电力系统的运作复杂性，绝缘能力下降的情况无法完全避免，电缆故障问题也由此发生。性能稳定的非磁性金属材料是单芯电缆的主要构成材料，而单芯电缆之所以会出现局部绝缘能力的下降，主要是因为外部环境的影响，如光照、磁场等。不仅如此，由于电力通道的还并未进行严格规范，因此大多数电缆易受到强电场的作用，这种情况也会导致非磁性金属材料等绝缘材料的性能下降。

交联聚乙烯（XLPE）作为电缆中的主要绝缘材料，它的各方面性能都远超与其他绝缘材料，比如耐热性较高、使用寿命较长、稳定性与安全性较高等，但尽管如此，外界因素也能使其中的大分子链断裂，从而降低整个交联聚乙烯的各方面性能，电缆缺陷情况也较为明显。比如，若绝缘材料本身存在气泡，那么在电缆进行运转时，这些气泡就会与单芯电缆的大分子链发生剧烈反应，不仅会造成电缆内部的局部温度升高，还会加快大分子链的断裂速度，从而导致电缆缺陷的出现。另外，由于绝缘材料中含有一定的水分，因此这些水分和水蒸气会在强电场的作用下发生反应，从而降低绝缘材料的性能，打乱聚合物分子的原有结构。

除此之外，由于内芯和屏蔽层能决定电缆内电阻的分布，因此当电缆出现局部缺陷时，相应的屏蔽层横截面积会逐渐缩小，而这一状况又会在一定程度上提高局部破损处的分布电阻值。不仅如此，电缆局部缺陷还会对屏蔽层自感、电容效应、屏蔽层半径以及电导率产生消极影响，因此相关技术人员应适当减少电缆局部破损状况的出现，尽最大可能减少或避免电缆故障。

4反射信号的能量分析

根据相关实验数据可知，不同阻抗失配点会在同一电缆中呈现出反射信号叠加的趋势。这样一来，反射信号的能量大小极大程度上受频率的影响，具体来说就是反射信号的能量大小与频率成反比关系，即频率越小，相应的衰减系数值也就会越小，从而导致反射信号能量的增强[3]。因此要想对反射信号的能量进行有效分析，就必须选择恰当的测试频率范围，这样不仅能确保反射信号能量分析的有效性和准确性，还能有效减少或避免无效数据信息对整个实验和分析过程的干扰。

除此之外，受阻抗失配点的类型不同，反射信号的能量大小也有所不同。根据实际情况判断，就目前情况来看，为了确保反射信号能量峰值的一致性，尽最大可能削弱阻抗失配位置与程度之间的矛盾，技术人员在定位电缆缺陷时，必须合理利用FDR测试技术，并在此基础之上对反射信号能量分布的不同情况进行单独判断与分析，这样才能将反射信号的能量分析与电缆缺点定位工作落到实处，从而提高整个工作的准确性和可靠性。

不仅如此，技术人员还可以利用反射信号的能量分布情况对结果进行区域划分，从而再一步精确分析结果。不同位置的区域划分分析会产生不同的结果，若在频率轴上进行区域划分分析，技术人员就可根据具体分布情况在适当频率内展开分析，这样不仅能有效保证反射信号能量的储存，还能避免无用数据的使用，从而提高整个分析的科学性和稳定度。若在距离轴上进行区域划分分析，就可对每个阻抗式配电的反射信号进行独立分析，这样能有效削减阻抗失配位置与首段距离之间的矛盾。

结束语：综上所述，技术人员在使用频域反射法时，应对反射信号能量进行区域划分，并以此来构建相应的时域诊断波形。这样不仅能对反射信号的能量进行有效保留，还能准确定位、辨识出电缆缺陷与阻抗减小的状态，从而为我国输送电网的正常运转提供保障。

参考文献：

[1]梁钟颖,孟鹏飞,王昱皓等.基于频域反射系数谱的电缆故障定位与故障类型识别方法研究[J].电工电能新技术,2022,41(08):79-88.

[2]饶显杰,徐忠林,董海疆等.基于频域反射的电缆缺陷定位优化方法[J].电网技术,2022,46(09):3681-3689.

[3]汪先进,梁钟颖,龚薇等.基于改进时频域反射法的电力电缆局部缺陷定位[J].中国电机工程学报,2021,41(07):2584-2594.