טכנולוגיית לוקליזציה של תקלות בכבלים בהפצת חשמל המבוססת על שיטת הספקטרל המקסימלי של אנטרופיה

Summary

פרוטוקול זה מציג שיטה מבוססת הערכה ספקטרלית באנטרופיה מקסימלית למיקום מדויק של פגמים בכבלי הפצת חשמל ארוכים באמצעות רפלקטומטריה בתחום התדר. הוא מפרט מידול כבלים בתדר גבוה, ניתוח ספקטרום מקדמי החזרה, אקסטרפולציה ספקטרלית ואימות באמצעות סימולציות וניסויים, תוך השגת דיוק גבוה יותר בהשוואה לשיטות FFT קונבנציונליות.

Abstract

ככל שמרחקי פריסת הכבלים ברשתות ההפצה העירוניות המודרניות ממשיכים להתרחב, דיוק מיקום התקלות באמצעות רפלקטומטריה בתחום התדר (FDR) פוחת משמעותית ככל שאורך. כדי לשפר את הדיוק עבור כבלים ארוכים, מחקר זה מציע שיטה מבוססת הערכה ספקטרלית עם אנטרופיה מקסימלית. מודל פרמטרים מבוזר בתדר גבוה עבור כבלי הפצה פותח כדי להעריך כמותית את השפעות הזדקנות הבידוד ונזק מכני על קיבול והשראות באורך יחידה. בהתבסס על תורת קווי השידור, נגזר הקשר בין ספקטרום מקדם ההחזרה למיקום הפגם, יחד עם קריטריון אופטימיזציה לתדר שלב לשיפור הרזולוציה הספקטרלית. כדי לצמצם דליפה ספקטרלית ורזולוציה מוגבלת בניתוח תחום תדר מבוסס טרנספורם פורייה מהיר (FFT), שיטת הספקטרום-האנטרופיה המקסימלית משמשת להערכת ספקטרום באיכות גבוהה, ובכך מעלה את דיוק מיקום מרחק התקלה. סימולציות מגלות כי, ביחס ל-FFT קונבנציונלי, השיטה המוצעת מפחיתה שגיאות מיקום פי 2–4.5 במקרים טיפוסיים של כבלים ארוכים. תוצאות ניסיוניות מאשרות שגיאה יחסית מתחת ל-0.25% בגישת האנטרופיה המקסימלית, ועוקפת את השגיאה של השיטה הקונבנציונלית מתחת ל-0.55%, ובכך מאמת את יעילותה ועליונותה בפרקטיקה הנדסית.

Introduction

עם הביקוש הגובר לאמינות ובטיחות אספקת החשמל במערכות כוח מודרניות, כבלים אומצו באופן נרחב ברשתות הפצה עירוניות. ביניהם, כבלי פוליאתילן (XLPE) מקושרים בשימוש נרחב בזכות היתרונות הבולטים של המחבר ^1,2. כבלי הפצה מותקנים בדרך כלל מתחת לאדמה, שם סביבת ההפעלה קשה. ככל שזמן השירות מתארך, בשילוב עם תנודות עומס ועומס יתר, הזדקנות הכבלים הופכת לבולטת יותר. כתוצאה מכך, פגמים מקומיים כמו עצי מים, עצים חשמליים, פריקות חלקיות ולחות בידוד עלולים להופיע בהדרגה. אם לא יטופלו בזמן, פגמים אלו עלולים להתפתח לכשלים חמורים, ולבסוף להוביל להפסקות חשמל ברשת ^3,4. לכן, זיהוי תקלות ומיקום תקלות של כבלי ההפצה הפכו לרכיבים חיוניים בהפעלה ותחזוקה של רשת החשמל.

שיטות מיקום התקלות לכבלי הפצה ניתנות לסיווג כללי לשני סוגים: גישה מקוונת וגישה לא מקוונת. שיטות מקוונות מיוצגות בעיקר על ידי מיקום גל נע, ניטור פריקה חלקית (PD) ושיטת זרם דליפה במצב משותף. מיקום גל נע מזהה את מיקומי השבר על ידי ניתוח גלים חולפים הנעים שנוצרים בשבר. עם זאת, הוא מתמודד עם מספר אתגרים, כולל קשיים בחילוץ מדויק של חזיתות גל, סופרפוזיציה חמורה של תכונות שבר עם התפלגות לא ליניארית, והתקנה לא נוחה. חשוב יותר, שיטה זו אינה רלוונטית לאיתור פגמים הקשורים להזדקנות⁵. ניטור מקוון מבוסס PD מזהה אותות פגמים שנוצרים בתוך הכבל ומאפשר הערכה בזמן אמת של תנאי הפעולה. עם זאת, היא עדיין נתקלת בצווארי בקבוק טכנולוגיים בזיהוי ליקויי הזדקנות ובביצוע ניטור ארוך טווח. בעיות כמו הפרעות אות, דיכוי רעש וניתוח נתונים מורכב לעיתים מובילות לשגיאות ביישומים^{מעשיים 6,7,8}. שיטת זרם הדליפה במצב משותף קובעת את מיקום וחומרת פגמי ההזדקנות על ידי מדידת שינויים בזרמי דליפה במצב משותף בטרמינלי הכבל. טכניקה זו מציעה גילוי לא פולשני ברגישות גבוהה. עם זאת, יכולת האנטי-הפרעות שלו חלשה יחסית, שכן זרמים בתדר גבוה במצב דיפרנציאלי, כמו אלו שנוצרים במהלך הפעלת ציוד בתדרים משתנים, יכולים להפחית משמעותית את דיוק המדידה. בנוסף, ניטור מקוון של כבלים מופעלים חייב לטפל בבידוד אותות בסביבות מתח גבוה, מה שמעלה את עלויות הציוד ומורכבות התחזוקה ^9,10,11.

במונחים של שיטות לא מקוונות, הוצעו מספר גישות, כולל רפלקטומטריית תחום הזמן (TDR)¹², רפלקטומטריית תחום התדר (FDR)¹³, ורפלקטומטריית תחום זמן-תדר (TFDR)¹⁴. ביניהן, TDR סובל מאנרגיה נמוכה ברכיבי התדר הגבוה של אות הפולס המוזרק, והוא רגיש מאוד להשפעות החלשת כבלים והפרעות רעש, מה שמוביל לדיוק מיקום מוגבל וליכולת נמוכה בזיהוי ליקויים מתחילים בשלבים הראשונים של תקלות כבל¹⁵. TFDR, על ידי הזרקת פולסי ציוץ גאוסיים, מפחיתה את המחסור ברכיבים בתדר גבוה לא מספקים ב-TDR¹⁶. עם זאת, TFDR דורש מעגלי מודולציה מורכבים ואלגוריתמים לחילוץ, והאותות המודולציה בתדר גבוה שלו נחלשים במהירות, מה שמקשה על זיהוי פגמים בכבלים ארוכים¹⁷. לעומת זאת, FDR מזריק אותות בתדר סוטה עם חלוקת הספק שווה. הוא מכיל את הרכיבים העשירים ביותר בתדר גבוה, משיג דיוק מיקום גבוה יותר, ומפגין רגישות גבוהה יותר בהשוואה ל-TDR, שהוביל להתפתחותו המהירה. בהתאם לסוג האות שנרכש, ניתן לסווג FDR לשיטות ספקטרום התנגדות פס רחב (BIS) ^18,19,20 ושיטות ספקטרום מקדמי החזרה (RCS) 21,22,23,24.

בשנת 2003, קבוצה אחת הציעה לראשונה שיטת לוקליזציה של תקלות מקומיות בכבלים המבוססת על ספקטרום מקדם ההחזרה של הכבלים²⁵. עם זאת, גישה זו לא לקחה בחשבון את ההשפעות התלויות בתדירות של פרמטרים מבוזרים, שעלולים להוביל לשגיאות שיפוט. מאוחר יותר, הוחל טרנספורם פורייה מהיר הפוך (IFFT) לחילוץ מידע מספקטרום מקדם ההחזרה בכניסת הכבל, מה שאפשר מיקום יעיל של פגמים מקומיים כגון הזדקנות תרמית, הזדקנות קרינה ועיוות אקסטרוזיה²⁶. נצפה גם שככל שהתדר העליון של אות הסוויפ גבוה יותר, כך הרזולוציה המרחבית של רפלקטומטריה בתחום התדר (FDR) גבוהה יותר. עם זאת, כאשר מיישמים אותו על כבלים ארוכים, התדר העליון של אות הסריקה יורד משמעותית, מה שמוביל לירידה בדיוק הלוקליזציה.

הליבה של שיטת FDR טמונה בביצוע ה-FFT על אותות ההחזרה שנרכשו. עם זאת, בשל בעיית הדליפה הספקטרלית הטבועה ב-FFT, חוקרים הציעו מספר שיפורים. מחקר הציג שימוש בחלון מרחק בשילוב עם פונקציית חלון קייזר בטרנספורם פורייה הדיסקרטי (DFT) כדי להוציא את רכיבי הפגם מהחלק האמיתי של ספקטרום מקדם ההחזרה, ובכך לאפשר מיקום ליקויים משוחררים של מיגון נחושת בכבלים²⁷. DFT²⁸ מבוסס חלון קייזר הוחל על החלק הממשי של ספקטרום מקדם ההחזרה של הקלט, והשיג זיהוי סוגי תקלה בתנאי מעגל פתוח, קצר, התנגדות גבוהה והתנגדות נמוכה. מחקר הציע ליישם DFT מבוסס חלונות Blackman על החלק המדומה של אימפדנס כניסת הכבל לזיהוי ומיקום לחות במפרקים ביניים²⁹. אלגוריתם אינטרפולציה המשתמש בחלון הקונבולוציה העצמית של הנינג ב-DFT הוצג כדי להעריך את התדירות והפאזה של רכיבים מחזוריים בחלק הממשי של ספקטרום מקדם ההחזרה³⁰, מה שאפשר לקבוע קוטביות של אנומליות אימפדנס כבל. בהמשך, השיפורים הושגו על ידי שילוב חלונות Nuttall, חלונות Nuttall מסדר רביעי עם שלושה מונחים, חלונות קונבולוציה עצמיים מסדר שני של Nuttall, ואלגוריתמים של DFT אינטרפולציה תלת-נקודתית³¹. בסך הכול, מחקרים קיימים התמקדו בעיקר בעיצוב פונקציית חלון או שיפור אלגוריתמים של אינטרפולציה, אשר שיפרו את דיוק מיקום הפגמים במידה מסוימת.

מנקודת מבט של עקרון FFT, ברפלקטומטריה בתחום התדר (FDR), ככל שתדר האות המוזרק גבוה יותר, כך דיוק המדידה גבוה יותר. בתיאוריה, אם תדירות ההזרקה מתקרבת לאינסוף, ניתן לאתר את פגם הכבל בדיוק מושלם. עם זאת, שידור אותות בתדר גבוה במיוחד לאורך כבלים חווה החלשה חמורה, מה שהופך אותם לבלתי מתאימים לכבלים באורך בינוני^{וארוך 32,33}. לכן, קיימת פשרה מובנית בין תדירות ההזרקה המקסימלית ב-FDR לבין דיוק מיקום הפגמים שניתן להשגה. כדי להתמודד עם סוגיה זו, מאמר זה מציע טכניקת לוקליזציה של תקלות בכבל המבוססת על שיטת הספקטרום-אנטרופיה המקסימלי. השיטה חוזה את החלק בתדר גבוה של ספקטרום מקדם ההחזרה מתוך נתוני התדר הנמוך הנמדדים לפי קריטריון האנטרופיה המקסימלי, ולאחר מכן מחשבת את ספקטרום האנטרופיה המקסימלי (MES) של מקדם ההחזרה כדי לקבוע את מיקום הפגם. בהשוואה לשיטות FDR מבוססות FFT קונבנציונליות, המוגבלות על ידי דליפה ספקטרלית ומגבלות רזולוציה, במיוחד ביישומי כבלים למרחקים ארוכים, השיטה הספקטרלית המקסימלית האנטרופית המוצעת מספקת רזולוציה ספקטרלית גבוהה יותר על ידי הסקת מידע בתדר גבוה מנתונים נמדדים מוגבלים. בניגוד לשיפורים מבוססי פונקציית חלון שמדכאים בעיקר את האונות הצדדיות מבלי לשפר את הרזולוציה באופן יסודי, גישת MES משפרת הן את חדות השיא והן את דיוק הלוקליזציה. בנוסף, בהשוואה לשיטות הערכה ספקטרליות מבוססות אינטרפולציה או פרמטריות, שיטת MES מציעה איזון טוב יותר בין רזולוציה לעמידות, מה שהופך אותה למתאימה במיוחד לזיהוי ליקויים מתקדמים בכבלי הפצה ארוכים. גישה זו משפרת את דיוק הלוקליזציה, מפחיתה את השגיאה היחסית מ-0.55% בשיטות קונבנציונליות ל-0.25%, תוך יצירת עקומות לוקליזציה חלקות יותר שמאפשרות זיהוי פסגות פגם.

Protocol

הערה: בצע את כל המדידות על כבל הבדיקה במצב לא מקוון (מנותק). השתמש במנתח רשת וקטורית (VNA) או במכשיר רפלקטומטריה דומיין תדר שווה היכולת להזרקת אות בתדר סוטה ורכישת מקדם החזרה. ודא שהכבל פתוח בקצה הרחוק אלא אם צוין אחרת. מזעור החזרות חיבור באמצעות חיבורים קואקסיאליים קצרים וישרים וסרט מוליך למגע מאובטח. עיין בטבלת החומרים לציוד ותוכנה מומלצים.

1. הכנת דגימת הכבל והגדרת המדידה

1. בחר את כבל חלוקת החשמל לבדיקה (למשל, כבל YJLV22-8.7/10 kV-3×70 XLPE או שווה ערך).
2. למדוד ולרשום את אורך הכבל הכולל ואת מיקומי הפגמים הידועים (אם הוכנסו באופן מלאכותי).
3. מדוד את מהירות התפשטות הגל האלקטרומגנטי בכבל.
   1. חבר את הכבל לכלי בקצה אחד והשאר את הקצה הרחוק פתוח.
   2. רכוש את ספקטרום מקדם ההחזרה על פני תחום תדרים מתאים.
   3. זהה את תקופת התנודה המתאימה לאורך הכבל המלא (הלוך ושוב).
   4. חשב מהירות כ- (1)
4. הכין את חיבור ראש הכבל.
   1. להסיר את קצה הכבל כדי לחשוף את הליבה והמגן.
   2. השתמש בסרט נחושת מוליך דו-צדדי כדי לחבר היטב את חוטי הכלי לליבה ולמגן.
   3. מזער את אורך הענפים כדי להפחית השתקפויות בקצה הראש.

2. הגדר את פרמטרי סריקת התדרים

1. קבעו את שלב התדר (Δf) באמצעות קריטריון הבחירה.
   1. השתמש בתקופת התנודה בקצה הכבל (2)
   2. הגדר להבטיח לפחות 200 נקודות דגימה בכל מחזור.
   3. שלב התדר Δf קובע את טווח המרחק המקסימלי שניתן לצפות: (3)
   4. כדי להבטיח שאורך הכבל המלא L ניתן לפתור ללא עמימות:
      (4)
   5. במחקר זה אומצה תנאי מחמיר יותר לשיפור הרזולוציה: (5)
2. הגדר את תחום התדרים.
   1. הגדר את הגבול התחתון ל-100 kHz (או מינימום במכשיר).
   2. הגדר את הגבול העליון למקסימום האפשרי ללא החלשה מופרזת (בדרך כלל 30–50 מגה-הרץ לכבלים <200 מ'; הפחת לכבלים ארוכים יותר).
   3. גבול התדר העליון f_{מקסימום} משפיע ישירות על הרזולוציה המרחבית: (6)
   4. _{מקסימום} f גבוה יותר מוביל לרזולוציה עדינה יותר, אך מוגבל על ידי החלשת כבל.
3. חשב את מספר נקודות הדגימה הנדרש (7)
4. הגדר את המכשיר עם תחום התדר המחושב, השלב והנקודות (למשל, 100 kHz–50 MHz, ~5,000 נקודות לרזולוציה גבוהה).

3. רכישת ספקטרום מקדם ההחזרה

1. כיייל את המכשיר (כיול פתוח-קצר מומלץ ל-VNA).
2. חבר את ראש הכבל המוכן ליציאת המכשירים.
3. הזרקת אותות סינוסואידליים בתדר סוטה ומדידת מקדם ההחזרה Γ(ω) בכל נקודת תדר בדידה.
   1. מקדם ההחזרה הנמדד ניתן לביטוי כך: (8)
   2. כאשר: Γ_d: מקדם ההחזרה בפגם, : קבוע פאזה, d: מרחק פגם.
   3. קשר זה מראה כי פאזה של מקדם ההחזרה משתנה באופן ליניארי עם התדר, ויוצר את הבסיס להערכת מרחק.
4. רשמו את ספקטרום מקדמי ההחזרה המרוכבים (גודל ופאזה, או חלקים ממשיים ומדומים).
5. שמור את הנתונים כמקדם תדירות לעומת מקדם השתקפות אמיתי/מדומה.

4. לעבד את הנתונים בשיטת FFT הקונבנציונלית (להשוואה)

1. חלץ את החלק המדומה של ספקטרום מקדם ההחזרה.
2. הפעילו פונקציית חלון (למשל, חלון בלקמן) כדי להפחית דליפת האונה הצדדית.
3. בצע טרנספורם פורייה מהיר הפוך (IFFT) על החלק המדומה עם החלון.
   1. טרנספורמציית פורייה ההפוכה מוצגת כך: (9)
4. מרחק הפגם מחושב כך:
   (10)
   1. כאשר t הוא הזמן המתאים למיקום השיא לאחר ההפוך, טרנספורם פורייה.
5. זיהוי שיאי פגמים (למעט החזרות ראש-ראש וטרמינל) בספקטרום מקדם ההחזרה.

5. יישום שיטת הספקטרום המקסימלית של אנטרופיה למיקום פגמים

1. טען את נתוני ספקטרום מקדם ההחזרה שנרכשו.
2. הסט ומרכז את רצף החלקים הדמיוני.
3. בחר את סדר המודל האוטוררגרסיבי
   (11)
   1. כאשר N הוא מספר נקודות הנתונים.
4. מימוש אלגוריתם הרקורסיה של בורג.
   1. אתחול שגיאות חיזוי קדימה ואחורה.
   2. מחשבים רקורסיבית מקדמי החזרה ופרמטרים אוטורגרסיביים תוך מזעור עוצמת השגיאות קדימה ואחורה.
   3. הסקת רצף האוטוקורלציה על בסיס קריטריון האנטרופיה המקסימלי.
5. חשב את ספקטרום ההספק מתוך הרצף המשוער.
6. זהה שיאים בספקטרום האנטרופיה המרבית.
7. המרו מיקומי שיא למרחקי פגמים באמצעות (12)
8. השווה את הבהירות השיא ושגיאת המיקום עם תוצאות ה-FFT הקונבנציונליות.

6. לפרש את התוצאות

1. להבחין בין שיאים חיוביים (זיהוי מוצלח של פגמים) לבין שיאים שגויים או עקבות תת-אופטימליות.
2. חשב שגיאת מיקום יחסית כ-(13)
3. אשר הצלחה באמצעות שגיאה יחסית <0.25% ושיא ברור וחלק ללא אונות צד משמעותיות.

Results

תוצאות ספקטרום מקדם ההחזרה ומיקום הפגמים התקבלו הן מסימולציות והן מניסויים בשיטת הספקטרלית המקסימלית של אנטרופיה והושוו לגישות המבוססות על FFT קונבנציונליות. מיקום תקלות מוצלח מאופיין בספקטרום הספק חלק עם שיא חד ובולט בדיוק במיקום הפגם, שיאים שגויים מינימליים (פסאודופיקים הנגרמים על ידי אונות צד או דליפה), ושגיאה יחסית נמוכה (בדרך כלל <0.3%). לעומת זאת, תוצאות לא אופטימליות בשיטות FFT קונבנציונליות מציגות לעיתים פיקים שגויים רבים, פסגות פגמים רחבות יותר עקב רזולוציה מוגבלת ודליפה ספקטרלי...

Discussion

במחקר זה, המחברים מציגים פרוטוקול מפורט לאיתור ליקויים בכבלי חלוקת חשמל באמצעות רפלקטומטריית תדר-תדר (FDR) המוגברת בשיטת הספקטרלית המקסימלית של אנטרופיה (MES). מחקרים קודמים הסתמכו לעיתים קרובות על ניתוח מבוסס טרנספורם פורייה מהיר (FFT) קונבנציונלי, המתמודד עם דליפה ספקטרלית, רזולוציה מוגבלת בכבלים ארוכים ופסגות שגויות שמסבכות את זיהוי פגמים³⁴. בנוסף, חוקרים ללא מומחיות מתקדמת בעיבוד אותות עלולים להתמודד עם אתגרים באופטימיזציה של פרמטרי סריקת תדרים, הסקת נתונים בת...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
סרט נחושת מוליך, דו-צדדי	לא צוין	לא זמין	משמש לחיבור חוטי בדיקה לליבת הכבל ולמגן כדי למזער הפרעות החזרה בקצה הראש https://www.shcenxin.com/metaltape/93.html
YJLV22-8.7/10 kV-3&; כבל 70 במתח בינוני	לא צוין	YJLV22-8.7/10 kV-3&; 70	כבל כוח מפוליאתילן (XLPE) מפוליאתילן (XLPE) עם ליבת פלדה משוריין עם סרט PVC ממוגן; אורך כולל 171 מטר; משמש כאובייקט בדיקה עם פגום חיצוני http://www.xmdl518.com/jspn01-Products-6234877/
מכשיר לוקליזציה של תקלות בכבל 10 קילווולט	לא צוין	לא צוין	מכשיר רפלקטומטריה בתחום התדר; תחום תדרים 100 kHz– 50 מגה-הרץ; מוגדרת עם 5,001 נקודות דגימה לרכישת ספקטרום מקדם החזרה https://www.163.com/dy/article/K6OHFJOO0552X57P.html