基于波傳導(dǎo)過程與阻抗分析的控制電纜連接狀態(tài)和壽命預(yù)估研究

中圖分類號：TM75 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945(2025)14-0118-04

DOI:10.19981/j.CN23-1581/G3.2025.14.027

（，慶526060）

Abstract:Inordertoimprovetheacuracyoftheconnectionstatusmonitoringandthereliabilityofthelifeestimationof thecontrolcable，theimpedancechangeandlifeestimationmodelofthecontrolcableunderdiferenttemperature，humidityand loadcurrent conditionsarestudied byusing themethod based onwaveconductionprocessandimpedanceanalysis.By monitoringtheimpedancechangeandwaveformreflectioncharacteristicsofthecontrolcableinrealtime，theinfluenceof environmentalfactorsontheagingandlifeofthecontrolcablewasanalyzed.Theresultsshowthattheharshenvironmental conditionsaceleratetheagingofthecontrolcable，andtheincreaseofimpedanceandwaveformatenuationareimportant indicatorsforestimatingthelifeofthecontrolcable.Thismethodprovidesascientificbasisforthemaintenanceand management of control cables and effectively extends the service life of equipment.

Keywords: wave conduction; impedance analysis;control cable status; lifeestimation; monitoring system design

控制電纜作為電力傳輸和通信系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，其連接狀態(tài)和使用壽命直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。傳統(tǒng)的控制電纜監(jiān)測方法難以實時、準確地評估控制電纜內(nèi)部的老化和故障情況。為此，基于波傳導(dǎo)過程與阻抗分析的控制電纜壽命預(yù)估技術(shù)應(yīng)運而生。該方法通過實時監(jiān)測控制電纜阻抗變化和波形反射特征，能夠?qū)刂齐娎|的健康狀態(tài)進行準確評估并提前預(yù)警，確保控制電纜在復(fù)雜環(huán)境條件下的長期穩(wěn)定運行。

1基于波傳導(dǎo)的控制電纜連接狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1.1硬件設(shè)計與傳感器選擇

在基于波傳導(dǎo)的電纜狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，硬件設(shè)計需確保系統(tǒng)的高精度與可靠性。系統(tǒng)應(yīng)配備高精度阻抗傳感器以監(jiān)測電纜阻抗的變化，保證在復(fù)雜電磁環(huán)境下的精確測量。數(shù)據(jù)采集單元與傳感器緊密協(xié)作，將信號轉(zhuǎn)化為可分析的數(shù)據(jù)，維持信號傳輸完整性。硬件應(yīng)具備良好的環(huán)境耐受性，穩(wěn)定運行于多樣場景，供電結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，外部堅固耐用。設(shè)計中強調(diào)輕量化和模塊化，便于靈活部署Ⅲ。

1.2數(shù)據(jù)采集與信號處理電路

在監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中，數(shù)據(jù)采集與信號處理電路的任務(wù)是實時采集阻抗和波導(dǎo)信號傳感器的數(shù)據(jù)，并進行高效分析。高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器將傳感器捕獲的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并傳輸至微處理器。脈沖發(fā)射電路與峰值檢測電路結(jié)合，可精準捕捉阻抗變化引起的反射波，幫助判斷故障類型與位置。信號處理采用濾波器和放大器去噪，確保數(shù)據(jù)精度。利用特征提取算法處理數(shù)據(jù)，并通過特性阻抗模型評估電纜連接質(zhì)量

1.3 波傳導(dǎo)特性分析

波傳導(dǎo)特性是控制電纜連接狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中非常重要的部分，直接影響到控制電纜連接狀態(tài)的精確評估與故障診斷。在控制電纜中傳導(dǎo)的信號可以反映其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣特性，而通過波傳導(dǎo)過程中波的反射、衰減等現(xiàn)象，可以獲得關(guān)于控制電纜連接狀態(tài)和壽命的有效信息。

在分析控制電纜波傳導(dǎo)特性時，通過傳輸線理論進一步解釋控制電纜中的信號傳輸行為。對于控制電纜中的波傳導(dǎo)過程，引入以下公式來描述信號在控制電纜中傳播時的電壓和電流關(guān)系

式中： v(x) 是位置 x 處的電壓， γ 是傳播常數(shù)。由以下公式表示

γ=α+Jβ，

式中： α 為衰減常數(shù)， δ_?β 為相位常數(shù)。用于描述控制電纜中的波形傳輸特性，分析控制電纜長時間使用中的波形衰減現(xiàn)象。

波傳導(dǎo)特性分析的基礎(chǔ)在于利用脈沖信號通過控制電纜并觀察其在不同阻抗變化點（如連接點、故障點）的反射和傳輸延遲現(xiàn)象。脈沖信號在遇到控制電纜內(nèi)部的開路、短路或其他異常阻抗時，會產(chǎn)生反射信號，這些反射信號的時間延遲和幅值可以幫助判斷故障的位置和性質(zhì)。在波傳導(dǎo)過程中，信號傳播速度 v 和特性阻抗 Z₀ 是2個關(guān)鍵參數(shù)。特性阻抗通過以下公式確定

式中： L 是單位長度控制電纜的電感， C 是單位長度的電容。根據(jù)傳播速度 v ，可以計算出控制電纜中信號傳輸?shù)臅r間延遲

式中： d 是傳輸線長度， Δt 是脈沖信號的時間延遲。

通過分析特性參數(shù)的變化，能夠檢測到控制電纜的連接狀態(tài)。正常狀態(tài)下的信號傳播應(yīng)當(dāng)呈現(xiàn)穩(wěn)定的時間延遲和阻抗變化，接頭松動、絕緣老化或物理損傷等異常會在波形中反映出來，表現(xiàn)在波形突變或衰減上，這種波傳導(dǎo)特性分析結(jié)合阻抗的實時監(jiān)控，能準確定位控制電纜內(nèi)部的故障點。為提高系統(tǒng)的精確性，采用特征提取算法對波形數(shù)據(jù)進行進一步分析，能夠提取特定頻段下的信號特征，利用這些特征來構(gòu)建控制電纜壽命預(yù)估模型，為控制電纜的日常監(jiān)控和維護提供有力支持。

1.4阻抗參數(shù)建模與分析

控制電纜的阻抗參數(shù)變化與連接松動、老化以及斷股等情況直接相關(guān)。在建模過程中，需要考慮控制電纜的電阻 R 、電感 L 、電容 c 以及電流密度 J 的影響

式中： Z(f) 為頻率 f 下的阻抗， R 為控制電纜的電阻 ，j 是虛數(shù)單位，用于表示電壓和電流之間的相位差， L 為電感， C 為電容。通過對控制電纜施加多個不同頻率的信號，采集其阻抗值，并利用傅里葉變換將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻域信息，能夠獲得控制電纜在各個頻率下的阻抗變化趨勢。這一方法可以有效捕捉控制電纜內(nèi)部的微小變化，適用于檢測連接不良、磨損以及斷股等現(xiàn)象。通過向控制電纜發(fā)送脈沖信號，監(jiān)測反射波形并分析波形的幅度和相位變化，可以實時評估控制電纜連接的質(zhì)量及其老化程度。斷股等故障會導(dǎo)致阻抗參數(shù)顯著變化，反射信號的時間延遲和衰減可幫助確定故障的具體位置和嚴重程度。阻抗的變化通過反射波形的變化直觀反映，斷股故障的信號異常特征也能被有效捕捉。為精確評估控制電纜在不同負載條件下的阻抗變化，進一步引入基于頻率和負載電流的阻抗變化模型。

為精確評估控制電纜在不同負載條件下的阻抗變化，引入基于頻率和負載電流的阻抗變化模型。阻抗公式如下

式中： Z_total(f，I) 是在頻率 f 和負載電流 I 條件下的總阻抗； Z₀ 是特性阻抗； R_c 是控制電纜接頭電阻； L 是電感； C 是電容。

阻抗參數(shù)建模中，必須對采集到的信號進行預(yù)處理，去除噪聲與環(huán)境干擾，提高數(shù)據(jù)的準確性。利用多參數(shù)回歸分析與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，可以對阻抗模型進行校準與優(yōu)化。通過對控制電纜的歷史運行數(shù)據(jù)進行分析，建立阻抗變化與控制電纜老化、故障發(fā)生的關(guān)系模型，對控制電纜壽命進行預(yù)估。

2控制電纜壽命預(yù)估算法的實現(xiàn)

2.1控制電纜壽命預(yù)估模型設(shè)計

為準確預(yù)測電纜壽命，預(yù)估模型采集阻抗變化數(shù)據(jù)并基于其與故障狀態(tài)的關(guān)聯(lián)進行監(jiān)測和建模。模型結(jié)構(gòu)包括參數(shù)采集層、數(shù)據(jù)處理層和壽命預(yù)估層。

采集層實時獲取電纜健康狀態(tài)；處理層通過時域和頻域分析，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為預(yù)測指標；預(yù)估層基于阻抗變化率和歷史數(shù)據(jù)進行動態(tài)預(yù)測。模型結(jié)合多變量回歸和機器學(xué)習(xí)算法，優(yōu)化阻抗數(shù)據(jù)的分析與識別，并在高負載下調(diào)整參數(shù)以確保精度。通過歷史與實時數(shù)據(jù)的結(jié)合，模型在多變環(huán)境下保持高精度和自適應(yīng)性。

2.2 阻抗分析與波形數(shù)據(jù)處理

為進一步提高控制電纜壽命預(yù)測模型的精確度，考慮環(huán)境因素對控制電纜老化的影響，引入以下公式來表達阻抗的溫度依賴性

Z(T)=Z₀(1+α(T-T₀)，

式中： Z(T) 是在溫度 T 下的阻抗； Z₀ 是參考溫度 T₀ 下的初始阻抗； α 是阻抗的溫度系數(shù)。

阻抗分析通過測量控制電纜的傳輸阻抗變化，判斷控制電纜的連接狀態(tài)及其健康狀況。通過向控制電纜發(fā)送脈沖信號，測量不同位置的阻抗值，結(jié)合阻抗的頻域和時域特性，可以準確評估控制電纜內(nèi)部的老化情況及故障點。

波形數(shù)據(jù)的處理涉及對脈沖信號的反射和衰減進行分析。當(dāng)脈沖信號遇到控制電纜中的阻抗異常點時會產(chǎn)生反射波，反射波的幅度和時間延遲可以用于定位故障點(圖1)。在硬件層面，脈沖信號發(fā)射電路和接收電路的集成，保證了高效、精準的信號采集。為提高數(shù)據(jù)處理的效率，采用小波變換和傅里葉變換技術(shù)對采集的波形數(shù)據(jù)進行特征提取。通過分析信號的頻率成分與時間特性，系統(tǒng)能夠識別出信號中的異常模式，診斷出控制電纜的損傷或老化程度。

2.3數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的編程實現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集模塊通過傳感器獲取控制電纜的實時阻抗和信號特性。編程實現(xiàn)時，系統(tǒng)采用高效信號采集接口，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并以高速率捕獲脈沖反射數(shù)據(jù)。編寫的軟件算法將這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化，確保在復(fù)雜電磁環(huán)境下依然能夠精確采集。數(shù)據(jù)分析部分使用特征提取算法對獲取的波形和阻抗數(shù)據(jù)進行處理。通過對波形的實時分析，系統(tǒng)能夠準確識別出控制電纜連接異常的模式，并通過自適應(yīng)濾波器消除噪聲干擾。存儲模塊使用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理歷史數(shù)據(jù)，支持后續(xù)的趨勢分析與壽命預(yù)測模型的持續(xù)優(yōu)化。

2.4控制電纜壽命預(yù)估的優(yōu)化策略

為優(yōu)化電纜壽命預(yù)估模型，融合溫度、濕度和負載電流等實時數(shù)據(jù)，引入機器學(xué)習(xí)算法進行分類和權(quán)重設(shè)定，以提升預(yù)測精度。在極端環(huán)境下，多維數(shù)據(jù)融合捕捉早期劣化信號。動態(tài)反饋機制將實時阻抗監(jiān)測結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)比對，自動調(diào)整模型參數(shù)，確保預(yù)測的適應(yīng)性。采用特征提取技術(shù)從阻抗數(shù)據(jù)中高效提取關(guān)鍵特征，分類故障類型，進一步提高故障檢測精度和壽命預(yù)測的準確性。

3系統(tǒng)測試與實驗驗證

3.1 測試平臺與實驗設(shè)計

測試平臺包含高精度阻抗測量儀，用于實時監(jiān)測電纜阻抗變化，環(huán)境控制系統(tǒng)模擬溫度、濕度、負載電流及電磁干擾，確保實驗條件接近實際工況。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)實時記錄電纜運行數(shù)據(jù)并進行分析。實驗通過調(diào)節(jié)溫濕度設(shè)備和電磁干擾模擬器，驗證環(huán)境變化及電磁干擾對電纜性能的影響。待測電纜連接至平臺，設(shè)定目標工況后啟動系統(tǒng)采集阻抗和反射波形數(shù)據(jù)，實時反饋電纜在不同條件下的變化，調(diào)整實驗以確保數(shù)據(jù)有效性，并評估電磁干擾對電纜性能的影響。

3.2系統(tǒng)測試結(jié)果分析

當(dāng)環(huán)境溫度升至 60^°C ，濕度達到 80% 時，控制電纜的阻抗值從常溫下的 50.0Ω 上升至 52.5Ω^[4] 。在實驗中引入4級工頻電磁場干擾，按照IEC61000-4-8標準執(zhí)行，對控制電纜屏蔽層施加2A的交流電流作為干擾。結(jié)果顯示在施加電磁干擾的情況下，阻抗變化幅度進一步增大，表明電磁干擾對控制電纜的老化和阻抗變化具有加速作用。

隨著溫度上升和環(huán)境惡化，波形反射信號的衰減和延遲現(xiàn)象更加明顯。在電磁干擾和高溫條件下，反射波的幅度減少，延遲時間略有增加，表明控制電纜內(nèi)部導(dǎo)電性能逐漸下降。當(dāng)屏蔽層施加2A的交流電流干擾時，反射波的異常特征更加明顯，進一步揭示了屏蔽層電流對阻抗變化和控制電纜壽命的影響，具體見表1。

3.3控制電纜連接狀態(tài)與壽命預(yù)測結(jié)果

除溫度、濕度和負載電流外，引入電磁干擾和屏蔽層電流干擾以全面評估其影響。實驗條件包括對控制電纜施加4級工頻電磁場干擾（依據(jù)IEC61000-4-8標準）以及對控制電纜屏蔽層施加2A的交流電流作為干擾。

控制電纜在高溫高濕和電磁干擾條件下，阻抗值從常規(guī)工況的 50.0Ω 增至 53.5Ω 甚至更高表明老化加速。波形反射特征顯示干擾下的反射信號幅度減少、延遲時間增加，揭示了控制電纜導(dǎo)電性能的下降趨勢。在標準工作條件下( 25‰ 濕度，1A負載電流），控制電纜壽命可達 30a 。在高溫高濕及電磁干擾條件下( 濕度，5A負載電流，屏蔽層電流2A)，壽命縮短至約 20a 當(dāng)出現(xiàn)連接不良或斷股等故障時，壽命預(yù)測模型根據(jù)阻抗的突變特征進一步調(diào)整，以確保預(yù)測結(jié)果的準確性和可靠性。具體見表2。

4結(jié)論

通過系統(tǒng)測試與實驗驗證，在不同溫度、濕度及負載電流條件下，控制電纜的阻抗變化與波形反射特征明顯反映出控制電纜的老化程度和連接狀態(tài)。實驗結(jié)果表明，惡劣的環(huán)境因素顯著加速了控制電纜的老化，且阻抗的增加與波形反射的衰減為預(yù)估控制電纜壽命提供了關(guān)鍵依據(jù)。

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