基于時(shí)域反射技術(shù)的電纜滲水缺陷檢測(cè)方法

任志剛，趙雪騫，郭 衛(wèi)，陳 平，周松霖，方春華

（1.國(guó)網(wǎng)北京電力科學(xué)研究院，北京 100075；2.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 430002）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，電力電纜的使用量逐年增加，目前國(guó)家電網(wǎng)公司在運(yùn)10～35 kV配網(wǎng)電纜線路總長(zhǎng)度已超30 000 km。對(duì)于已經(jīng)鋪設(shè)于地下隧道或管井中的電纜，由于長(zhǎng)期處于潮濕的地下環(huán)境中，電纜護(hù)層外的液體會(huì)通過小裂隙或者擴(kuò)散效應(yīng)逐漸滲入電纜內(nèi)部引發(fā)電纜絕緣故障[1-5]。北京電力公司2005—2015年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，電纜滲水缺陷所引發(fā)的故障約為134起，占電纜故障總數(shù)的37.6%。因此，對(duì)電纜內(nèi)部滲水缺陷的及時(shí)和準(zhǔn)確檢測(cè)對(duì)提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于電纜缺陷的檢測(cè)手段主要有超低頻介損檢測(cè)和振蕩波檢測(cè)法。振蕩波檢測(cè)法對(duì)于電纜滲水缺陷的靈敏程度很低，難以在滲水缺陷相關(guān)檢測(cè)中發(fā)揮作用[6-9]。根據(jù)北京電力公司的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，超低頻介損檢測(cè)是一種對(duì)滲水缺陷比較有效的檢測(cè)方法，該方法雖然能夠有效判斷被測(cè)電纜是否含有滲水缺陷，但無法對(duì)缺陷進(jìn)行定量識(shí)別及精確定位，亟需一種能夠準(zhǔn)確定位電纜滲水缺陷的方法。

時(shí)域反射技術(shù)（time domain reflection,TDR）是在被測(cè)物中注入1個(gè)快速上升脈沖，然后對(duì)反射波進(jìn)行分析的遠(yuǎn)程測(cè)量技術(shù)。目前，TDR已從最初的軍用測(cè)繪拓展到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)和航空航天等領(lǐng)域。但在電纜滲水缺陷檢測(cè)方面，相關(guān)理論體系研究較少，對(duì)于滲水缺陷的適用頻率、有效檢測(cè)范圍及特征波形識(shí)別等均需要研究[10-15]。

為得到TDR技術(shù)對(duì)于滲水缺陷檢測(cè)的適用頻率和檢測(cè)范圍，本研究在PSCAD平臺(tái)上搭建仿真模型，模擬計(jì)算當(dāng)電纜中存在滲水缺陷時(shí)，TDR檢測(cè)的有效距離、不同頻率對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響以及滲水缺陷在TDR檢測(cè)中的特征波形辨別方法，以期為準(zhǔn)確識(shí)別滲水缺陷提供強(qiáng)有力的理論和數(shù)據(jù)支持。

1 仿真原理

TDR定位原理如圖1所示。對(duì)于被測(cè)電纜，于t1時(shí)在測(cè)量端注入脈沖，脈沖沿電纜線芯傳播，遇到阻抗不連續(xù)點(diǎn)A后產(chǎn)生反射波，測(cè)量端于t2時(shí)接收到反射信號(hào)，Δt為t1至t2經(jīng)過時(shí)間，即脈沖在測(cè)試端口與阻抗不連續(xù)點(diǎn)之間傳播一個(gè)來回距離所用時(shí)間，波速為v，缺陷位置為L(zhǎng)=Δtv/2。

圖1 TDR定位原理Fig.1 TDR positioning principle

為確定電纜中的波速v，對(duì)已知長(zhǎng)度為L(zhǎng)0的電纜，將其末端懸空，在首端接入TDR測(cè)試儀，在時(shí)間為t0時(shí)注入高頻脈沖，接受脈沖自末端產(chǎn)生的反射波，得到波形返回時(shí)的時(shí)間t，則v可通過式（1）計(jì)算得到。

仿真模型中采用以呈脈沖函數(shù)形式的高斯脈沖離散電源來作為激勵(lì)源，其時(shí)域形式為式（2）所示。

式（2）中：τ為脈沖的寬度；I0為激勵(lì)源峰值；t0為脈沖峰值出現(xiàn)的時(shí)刻。取I0=5 A、τ=10-6、t0=1.5 μs時(shí)，激勵(lì)源波形如圖2所示。

圖2 高斯脈沖源仿真波形Fig.2 Simulation waveform of Gaussian pulse source

2 滲水缺陷檢測(cè)有效范圍

有效檢測(cè)距離定義為當(dāng)環(huán)境噪音為注入脈沖幅值的0.1%時(shí)，測(cè)量信號(hào)高于環(huán)境噪音的范圍內(nèi)TDR檢測(cè)的最大距離。高頻脈沖幅值在電纜中會(huì)迅速衰減，通過在仿真模型中注入不同頻率的高頻脈沖，并測(cè)量傳播不同距離時(shí)的脈沖幅值，研究不同頻率下幅值衰減的規(guī)律以及頻率對(duì)衰減速率的影響。

通過PSCAD仿真軟件建立總長(zhǎng)度為5.0 km的電纜線路模型，其中分布5個(gè)中間接頭，每個(gè)中間接頭長(zhǎng)度為0.59 m，模型參數(shù)依據(jù)10 kV交聯(lián)聚乙烯電纜本體及預(yù)制型接頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實(shí)際尺寸設(shè)置，所選纜芯外徑為2.5 mm，電纜主絕緣層外徑為7.2 mm，金屬屏蔽外徑為7.4 mm。護(hù)層采用兩端接地的方式。對(duì)電纜線路注入的脈沖頻率為107Hz，在電纜模型中設(shè)置多個(gè)傳感器，將所有傳感器依次接收到的激勵(lì)源發(fā)射的波形繪制于圖3中，可見在波形傳播的過程中，波形逐漸展寬，幅值逐漸降低。

圖3 脈沖幅值衰減曲線Fig.3 Pulse amplitude attenuation curve

取各次波形極值占初始值之比A及對(duì)應(yīng)傳播距離L進(jìn)行函數(shù)擬合，得到頻率為107Hz時(shí)電纜模型中幅值衰減的函數(shù)如式（3）所示，圖4為擬合曲線。

圖4 脈沖極值擬合曲線Fig.4 Pulse extremum fitting curve

由式（3）可知，當(dāng)A=0.1時(shí)，即TDR測(cè)量幅值等于環(huán)境噪音時(shí)，L=9.6 km?？紤]到時(shí)域反射法需要波形在缺陷處返回，故對(duì)于所建立的電纜模型，107Hz下TDR對(duì)于滲水缺陷檢測(cè)的有效距離為4.8 km。

為研究不同測(cè)試頻率下，TDR檢測(cè)滲水缺陷的有效距離，在105～109Hz內(nèi)改變激勵(lì)源頻率，并重復(fù)上述步驟來研究脈沖頻率的影響規(guī)律。以接收幅值為原幅值0.1%時(shí)的距離為相應(yīng)頻率下TDR檢測(cè)的有效距離。因?yàn)榉抡鏀?shù)據(jù)中僅可以獲得各傳感器處離散的電壓幅值，無法精確得到幅值衰減至原幅值0.1%時(shí)對(duì)應(yīng)的距離，所以通過擬合各峰值點(diǎn)得到幅值衰減與距離的函數(shù)關(guān)系式，然后計(jì)算出當(dāng)A=0.1時(shí)的距離L，擬合曲線如圖5所示。從圖5可以看出，當(dāng)頻率為104Hz時(shí)，傳播距離為10.92 km，而頻率為109Hz時(shí)，距離縮短至4.68 km，即激勵(lì)源頻率升高使有效傳播距離縮短。在106Hz前曲線下降不明顯，平均下降幅度為2.1%，而在106Hz后曲線迅速下降，線性擬合后平均下降幅度為18.4%，即隨著測(cè)試頻率的升高，TDR對(duì)于滲水缺陷檢測(cè)的有效距離迅速縮短。

圖5 激勵(lì)源頻率對(duì)有效傳播距離影響Fig.5 Influence of excitation frequency on the effective propagation distance

脈沖波形在傳播過程中會(huì)出現(xiàn)展寬的現(xiàn)象，同時(shí)由于脈沖頻率對(duì)幅值衰減的影響較大，不同頻率下可能會(huì)在同一位置產(chǎn)生不同特征的脈沖波形，進(jìn)而導(dǎo)致滲水缺陷特征波形辨認(rèn)誤差。分別設(shè)置106、107、108Hz脈沖波作為激勵(lì)源，并取相同位置滲水缺陷的反射波形，研究脈沖頻率對(duì)波形特征的影響程度，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同輸入頻率下的波形Fig.6 Waveforms at different input frequencies

由圖6可知，對(duì)于同一位置滲水缺陷，脈沖頻率升高時(shí)，反射波幅值逐漸下降，平均降低幅度為35%。反射波中包含的特征波形不發(fā)生改變，即在不改變激勵(lì)源幅值的情況下，不同頻率脈沖僅會(huì)改變反射波的幅值，而不會(huì)改變特征波形。

綜上，脈沖頻率的上升會(huì)使TDR對(duì)于滲水缺陷檢測(cè)的有效距離迅速縮短，且測(cè)量幅值降低，但不影響脈沖反射波形的特征。但是由于不同頻率的脈沖寬度τ不同，若反射脈沖在t=τ之前返回，則入射波會(huì)與反射波重疊產(chǎn)生測(cè)試盲區(qū)，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果失效，于是在測(cè)量頻率的選擇上需要考慮脈沖寬度對(duì)于測(cè)試結(jié)果的影響。當(dāng)測(cè)試盲區(qū)小于1 m時(shí)，此時(shí)脈沖寬度τ=1/v=0.64×108，即測(cè)試頻率需高于1/τ=1.56×108Hz，此時(shí)對(duì)應(yīng)的測(cè)量有效距離為3.76 km。

3 滲水缺陷特征波形特征

在使用TDR技術(shù)對(duì)電纜的檢測(cè)過程中，可能會(huì)針對(duì)電纜中各種阻抗不連續(xù)點(diǎn)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)特征波形，其中包括中間接頭、低阻接地點(diǎn)、開路點(diǎn)、滲水缺陷等。在對(duì)滲水缺陷定位時(shí)，需要從各反射波形中區(qū)分出滲水缺陷的特征波形。為此，在電纜模型中計(jì)算上述不同阻抗點(diǎn)在TDR檢測(cè)下的反射波形。

3.1 中間接頭反射波

中間接頭的結(jié)構(gòu)與電纜不同，對(duì)于整段電纜傳輸線而言，中間接頭也可以看做一類特殊的阻抗點(diǎn)。高頻脈沖傳播至此會(huì)產(chǎn)生一次極化-去極化的波形，仿真得到的中間接頭反射波形如圖7所示。圖中包含3次反射波和1次復(fù)反射波，分別為0.5、1.5、2.0 km處中間接頭反射波和0.5 km處中間接頭的復(fù)反射波。

圖7 中間接頭反射波Fig.7 Reflected wave of intermediate joint

根據(jù)式（3）計(jì)算可知，注入脈沖在到達(dá)0.5 km處中間接頭時(shí)其幅值為4.01 V，其反射波幅值為1.1 V，可得中間接頭反射系數(shù)為0.274，即脈沖波在經(jīng)過中間接頭時(shí)會(huì)有27.4%的反射，72.6%將繼續(xù)沿線路傳播。

3.2 低阻接地反射波

在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，電纜可能會(huì)遭受外力或人為破壞，導(dǎo)致電纜對(duì)地絕緣損傷，纜芯對(duì)地電阻大幅降低。在仿真計(jì)算中，使電纜纜芯在距首端1.0 km處通過較低的阻抗接地，反射波形示于圖8。從圖8可以看出，接收端在12.8 μs時(shí)記錄了1次負(fù)方向反射波，該反射波是高頻脈沖經(jīng)過低阻接地點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的。

圖8 低阻接地反射波Fig.8 Reflection wave of low resistance ground point

3.3 開路點(diǎn)反射波

TDR檢測(cè)時(shí)需將電纜末端懸空，當(dāng)脈沖到達(dá)電纜末端時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射波形。仿真計(jì)算中，在距電纜首端0.5 km處設(shè)置開路點(diǎn)，高頻脈沖在經(jīng)過該點(diǎn)時(shí)的反射波形如圖9所示。從圖9可以看出，接收端于6.4 μs時(shí)首次得到一次反射系數(shù)為正的反射波，并于12.8 μs時(shí)接收到其復(fù)反射波。對(duì)比傳播幅值可得，開路點(diǎn)處反射系數(shù)為1，即當(dāng)TDR檢測(cè)波形中出現(xiàn)較高幅值的脈沖波形時(shí)，判斷為電纜中的開路點(diǎn)。

圖9 開路點(diǎn)反射波Fig.9 Reflection wave of open point

3.4 滲水缺陷反射波

滲水會(huì)導(dǎo)致電纜絕緣層外側(cè)覆蓋一層水膜。仿真設(shè)置水膜覆蓋于絕緣層外，其中0.5 km處為滲水點(diǎn)，1.5 km處為中間接頭對(duì)照。將缺陷模塊加入模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖10所示。

圖10 輕微滲水電纜反射波Fig.10 Reflection wave of cable with slight water penetration

從圖10可以看出，在6.4 μs（0.5 km）處有1次反射波，其幅值為2.5 V，高于相同位置中間接頭的反射波幅值。12.8 μs（1.0 km）處為該回波的復(fù)反射波，19.2 μs（1.5 km）處為中間接頭與滲水缺陷的復(fù)合回波，但由于滲水缺陷的復(fù)反射波已經(jīng)極其微弱，可以認(rèn)為該波形僅為中間接頭處的反射波，相比圖7中1.5 km處中間接頭反射波，該處反射波形產(chǎn)生了幅值衰減和展寬，其反射系數(shù)為0.18。同時(shí)由于滲水會(huì)改變滲水缺陷處的水膜電容，TDR的檢測(cè)波形也會(huì)產(chǎn)生改變。仿真中計(jì)算了嚴(yán)重滲水缺陷的情況，并將單位長(zhǎng)度水膜體積設(shè)置為10 mm3，仿真計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

圖11 嚴(yán)重滲水電纜反射波Fig.11 Reflection wave of cable with serious water penetration

對(duì)比圖10～11可以看出，在改變滲水缺陷的嚴(yán)重程度后幅值未發(fā)生明顯改變，輕微滲水情況下的缺陷反射波在峰值后會(huì)有少量振蕩產(chǎn)生，使其波形與嚴(yán)重滲水情況表現(xiàn)出少許差別，但不影響整體波形特征的辨別。

以上對(duì)TDR檢測(cè)中可能出現(xiàn)的中間接頭、低阻接地點(diǎn)、開路點(diǎn)、滲水缺陷特征波形進(jìn)行了分析，根據(jù)以上分析能夠在TDR測(cè)量結(jié)果中辨認(rèn)出包括滲水缺陷在內(nèi)的不同阻抗點(diǎn)，進(jìn)而進(jìn)行精確定位。

4 滲水缺陷定位方法

仿真試驗(yàn)設(shè)置的電纜模型總長(zhǎng)度為1.4 km，末端使用高阻接地，在電纜中設(shè)置了兩處中間接頭，另分別在不同位置設(shè)置了滲水缺陷和短路點(diǎn)缺陷作為對(duì)照。圖12為接收端記錄的波形圖，圖12中共包含有P1～P5共5次明顯反射波形，分別在2.6、6.4、11.5、12.8、17.9 μs時(shí)被接收端記錄。由于電纜末端高阻接地，在17.9 μs時(shí)接收的波形即為注入脈沖在到達(dá)電纜末端時(shí)產(chǎn)生的反射波。根據(jù)式（1）計(jì)算可知，該電纜中的波速v=1.56×108m/s，前4次反射波形分別來自于0.2、0.5、0.9、1.0 km處的不連續(xù)阻抗點(diǎn)，根據(jù)前文總結(jié)的阻抗點(diǎn)特征波形，可知0.2 km和0.9 km處為中間接頭反射波，0.5 km處為滲水缺陷反射波，1.0 km處為低阻點(diǎn)反射波。除上述5個(gè)明顯反射波之外，還存在少許幅值較低的波形，為反射波在經(jīng)過各阻抗點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的復(fù)反射波。

圖12 TDR仿真波形圖Fig.12 TDR simulation waveform

為驗(yàn)證阻抗點(diǎn)特征波形是否與阻抗點(diǎn)位置相關(guān)，改變滲水缺陷模型與首端的距離，自0.5 km處變更為0.2 km與0.9 km的位置，并分別進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果如圖13所示。

圖13 不同位置的滲水缺陷Fig.13 Water seepage defects at different positions

圖13中通過P1標(biāo)注了滲水缺陷的波形，可見隨著缺陷與接收端距離的增大，其波形的幅值減小，且存在小幅度的展寬，但波形特征不變，仍然能夠在TDR的檢測(cè)結(jié)果中辨認(rèn)出滲水缺陷反射波，并通過反射波到達(dá)時(shí)間進(jìn)行定位。

5 復(fù)反射波對(duì)定位精度的影響

由于接收元件在傳輸路徑中也屬于阻抗不連續(xù)點(diǎn)，也會(huì)產(chǎn)生一次反射波，該反射波會(huì)再次注入回路中，稱之為復(fù)反射波。復(fù)反射波具有與反射波相同規(guī)律的傳播特性，在每次經(jīng)過阻抗點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生一次折返射，通常反射波會(huì)比入射波小將近1個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在考慮多阻抗點(diǎn)影響時(shí)，由于2次復(fù)返射波會(huì)經(jīng)過至少3次反射，波形幅值極小，故僅考慮首次復(fù)反射波對(duì)于滲水缺陷反射波產(chǎn)生的干擾。

由于測(cè)量對(duì)象為接收脈沖的時(shí)間與波形，且電纜中阻抗點(diǎn)的位置隨機(jī)分布，TDR檢測(cè)結(jié)果中，反射波形通常會(huì)在時(shí)間軸上交錯(cuò)排列，相互間不會(huì)干擾。但是，若兩阻抗點(diǎn)距首端的距離接近整數(shù)倍關(guān)系時(shí)則會(huì)產(chǎn)生干擾。通過仿真得到的復(fù)反射波幅值占比與反射系數(shù)的關(guān)系如圖14所示。從圖14可知，當(dāng)反射系數(shù)超過0.32時(shí)，復(fù)反射波占比超過10%，即復(fù)反射波幅值會(huì)與反射波同數(shù)量級(jí)，此時(shí)會(huì)對(duì)TDR測(cè)量精度產(chǎn)生影響。

圖14 反射系數(shù)對(duì)復(fù)反射波的影響Fig.14 Effect of reflection coefficient on the complex reflection wave

6 特征波形試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證滲水缺陷在TDR檢測(cè)下的特征波形，對(duì)1段退運(yùn)的正常電纜按以下方法分別模擬正常電纜、輕微和嚴(yán)重滲水電纜，對(duì)這3種工況電纜進(jìn)行TDR測(cè)試，獲得相應(yīng)的波形。

試驗(yàn)電纜型號(hào)為YJV22-3×120，長(zhǎng)度為404 m，其中位于178 m處有1個(gè)中間接頭。在電纜接頭處設(shè)置輕微滲水、嚴(yán)重滲水缺陷。為模擬輕微滲水電纜缺陷，通過注射器將400 mL鹽水按10 cm間隔分別注入至防水護(hù)套內(nèi)部，使鹽水能夠通過電纜屏蔽層位于絕緣層與護(hù)套之間。進(jìn)行TDR檢測(cè)后，再次注入700 mL鹽水以模擬嚴(yán)重滲水電纜缺陷，并進(jìn)行TDR檢測(cè)。由于3次檢測(cè)波形類似，僅中間接頭處測(cè)量波形存在區(qū)別，故通過圖15展示3次測(cè)量中接頭處對(duì)應(yīng)波形。

圖15 不同滲水程度下的TDR波形Fig.15 TDR waveforms under different water penetration

圖15(a)為正常電纜中間接頭的檢測(cè)波形，波形特征表現(xiàn)為一次極化-去極化電流波形，其幅值較低；圖15(b)為輕微滲水電纜的檢測(cè)波形，其幅值相比于中間接頭高約29%，同時(shí)波尾出現(xiàn)欠阻尼振蕩，振蕩波形周期約為0.02 μs，頻率約為50 MHz；圖15(c)為嚴(yán)重滲水電纜的檢測(cè)波形，幅值比輕微滲水低43%，同時(shí)尾端振蕩波形周期約為0.04 μs，頻率約為25 MHz。對(duì)比圖14中3種波形可知，中間接頭與滲水缺陷存在不同的特征波形。當(dāng)電纜中存在滲水缺陷時(shí)，其特征波形為一次正向脈沖，且尾端有振蕩波形，隨著滲水程度的加深，波形幅值下降，振蕩頻率降低。

7 結(jié)論

（1）TDR技術(shù)能夠檢測(cè)出電纜內(nèi)部的滲水缺陷，但測(cè)試頻率需高于1.56×108Hz，有效檢測(cè)距離約為3.76 km。

（2）滲水缺陷檢測(cè)返回波形受電纜內(nèi)部缺陷反射系數(shù)的影響，當(dāng)反射系數(shù)大于0.32時(shí)會(huì)影響到特征波形識(shí)別。

（3）不同類型的缺陷在TDR檢測(cè)中會(huì)返回不同的特征波形，當(dāng)滲水程度不同時(shí)，波形幅值和波尾振蕩也會(huì)改變。