华北电力大学等单位赵书静、王伟等：基于调频连续波相位敏感特性的电缆局部缺陷检测方法

灵敏的检测不同严重程度的电缆缺陷对于电缆安全运行具有重要的作用，调频连续波（FMCW）法是一种基于频域反射法的电缆缺陷检测方法。为提高现有FMCW方法诊断不同严重程度缺陷的灵敏度，新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、北京市高电压与电磁兼容重点实验室（华北电力大学）的赵书静、王伟等，在2023年第11期《电工技术学报》上撰文，提出了利用FMCW的相位敏感特性对电缆缺陷进行检测的方法，对提高现有FMCW方法缺陷检测的灵敏度具有重要意义与工程价值。

研究背景

在各种电气设备或机器中，电能、信息和控制信号大多通过聚合物绝缘同轴电缆传输，电缆在社会运转中的起着十分重要的作用。电缆中的轻微缺陷逐渐发展为严重缺陷，最终导致电缆发生故障。因此，灵敏地诊断不同严重程度的电缆缺陷，关注电缆缺陷的发展趋势对于电缆安全运行具有重要的作用。

虽然现有的调频连续波（Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW）法通过测量频率差的方式获取了较好的缺陷检测灵敏度，但依然无法满足现场测量的需求，故有必要研究提高诊断不同严重程度缺陷灵敏度的方法。

论文所解决的问题及意义

本文在现有FMCW方法的基础上，提出了利用FMCW的相位敏感特性对电缆缺陷进行检测的方法，提高了现有FMCW方法缺陷检测的灵敏度，结合FMCW相位敏感特性与电缆分布参数模型进行了电缆缺陷检测仿真；在实验室的射频同轴电缆、10 kV 交联聚乙烯（XLPE）电缆上模拟不同程度的缺陷并测试验证了所提方法的有效性；确定了缺陷处对应相位变化的取值区间可为180°；提出了以缺陷引起的相位、幅值变化量占取值区间的比例为灵敏度对比相位谱与定位谱的诊断灵敏度。

FMCW相位法与FMCW方法相比，大大提高了对于诊断不同程度缺陷的灵敏度。

论文方法及创新点

1）调频连续波的相位敏感特性

利用搭建的FMCW局部缺陷定位测试平台，探究了FMCW的相位特性，根据电缆中缺陷的严重程度不一、反射信号强弱不同、位置固定且至少有一个反射信号的特点，提出了基于FMCW相位敏感特性的电缆局部缺陷检测方法。

相位信号同时受到幅值与相位双重调制。当反射信号发生变化时，相位也会随之改变。电缆中缺陷的位置不变，缺陷严重程度引起的反射信号强弱变化会导致输出信号的相位改变，这是FMCW方法对缺陷相位敏感的基本原理。

2）相位谱、定位谱灵敏度定义

以缺陷引起的相位、幅值变化量占取值区间的比例为灵敏度对比相位谱与定位谱的诊断灵敏度，如图1（a）~（c）所示。定位谱的取值区间为该处发生开路故障时峰值的变化区间；根据仿真与试验结果，缺陷处相位谱的变化范围约为180°。

图1（a）电缆缺陷定位谱

图1（b）电缆缺陷相位谱

图1（c）阻性缺陷的相位变化范围实测

3）电缆缺陷试验

常见的电缆本体典型缺陷（受潮、老化、铜屏蔽层缺损）均将改变电缆局部单位电容C，本文通过水浴法局部加热及改变铜屏蔽破损区域尺度的方式模拟电缆局部缺陷，如图2（a）~（d）所示。

试验结果表明，对于完好电缆，相位的灵敏度一开始小于峰值，当温差大于28℃(电容改变约2%)后，相位灵敏度优于峰值灵敏度；对于铜屏蔽破损缺陷，相敏-FMCW方法的灵敏度始终优于FMCW方法。当缺陷处裹覆的铜片数量为1时，使用相敏-FMCW方法可将灵敏度由FMCW方法的6%提升至13%，灵敏度提高了7%。

图2（a）电缆模拟局部缺陷试验结果—水浴法模拟容性缺陷

图2（b）电缆模拟局部缺陷试验结果—电缆局部容性缺陷定位谱与相位谱灵敏度对比

图2（c）电缆模拟局部缺陷试验结果—模拟铜屏蔽破损缺陷

图2（d）电缆模拟局部缺陷试验结果—电缆铜屏蔽破损缺陷定位谱与相位谱灵敏度对比

结论

1）本文提出了一种基于调频连续波相位敏感特性的电缆局部缺陷检测方法，该方法可以提高FMCW方法对电缆缺陷检测的灵敏度。

2）通过仿真、试验及计算阐明了相位变化与缺陷严重程度之间的关系，解释了相位敏感-FMCW方法的原理，确定了缺陷处相位变化的范围最大为180°。

3）相敏-FMCW方法对于射频电缆及10 kV XLPE电缆上设置的缺陷均有效。以缺陷引起的相位、峰值变化量占取值区间的比例为灵敏度，可得对电缆局部异常温升造成的容性缺陷，当局部温差为37℃时，相敏-FMCW方法较传统基于峰值的FMCW方法可将灵敏度由36%提升至71%；对于电阻性、电导性（高阻故障）及铜屏蔽破损缺陷，相敏-FMCW方法的灵敏度均优于FMCW方法，本文所提方法可提升7%～62%的检测灵敏度。

相敏-FMCW方法对于高阻故障有一定的检测能力，但能否满足现场的需求还有待实际测量的考验。如果能定期对同一根电缆进行检测，可以根据其相位谱的变化趋势来判断缺陷的发展情况。本文所提的根据相位的变化来跟踪电缆缺陷的检测方法有望为目前电缆缺陷检测提供新的工具。

团队介绍

研究团队主要研究方向为电力电缆先进试验技术，隶属华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室和高电压与电磁兼容北京市重点实验室。

赵书静

博士研究生，主要从事电力设备状态的监测与故障诊断方面的研究工作。

王伟

副教授，工学博士，中国电机工程学会高电压专委会青年学组委员，主要从事高压电气设备的检测与诊断方向的研究。主持研究了包括国家自然科学基金、国家科技支撑计划及国家重点基础研究发展计划(973 计划)等多项纵向课题及企业委托课题。研究成果获得省部级一等奖 1项，二等奖 1项，三等奖 3 项。

本工作成果发表在2023年第11期《电工技术学报》，论文标题为“基于调频连续波相位敏感特性的电缆局部缺陷检测方法”。本课题得到国网山西省电力公司科技项目的支持。

引用本文

赵书静, 詹博博, 龚梁涛,王伟, 李成榕, 孟晓凯. 基于调频连续波相位敏感特性的电缆局部缺陷检测方法[J].电工技术学报, 2023, 38(11): 3009-3021. Zhao Shujing, Zhan Bobo, Gong Liangtao, Wang Wei, Li Chengrong, Meng Xiaokai. Research on Cable Local Defect Detection Method Based on Phase-Sensitive Characteristics of Frequency Modulated Continuous Wave. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(11): 3009-3021.