СПОСОБ И СИСТЕМА КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ Российский патент 2018 года по МПК G01R31/08 G01R27/04 

Введение

В настоящем изобретении предложены основанные на резонансном анализе линии система и способ контроля установленных электрических кабелей. Контроль включает в себя, например, контроль состояния и диагностику электрических кабелей в реальном времени. В настоящем изобретении эту систему также называют LIRA (Система резонансного анализа линии). Длина кабелей составляет от нескольких метров до нескольких сотен километров, в зависимости от конструкции кабелей и затухания.

Уровень техники

LIRA (Система резонансного анализа линии) основана на теории линий передачи и является сложившейся и хорошо задокументированной теорией, являющейся основой для двух других существующих технологий обнаружения отказов кабелей, называемых «Измерение коэффициента отражения во временной области» (TDR) и «Измерение коэффициента отражения в частотной области» (FDR).

Линия передачи представляет собой часть электрической цепи, обеспечивающей связь между генератором и нагрузкой. Поведение линии передачи зависит от ее длины в сравнении с длиной волны λ электрического сигнала, распространяющегося по этой линии. Длина волны определяется следующим образом:

где ν является скоростью электрического сигнала в проводе (также называется фазовой скоростью), а - это частота сигнала.

Когда длина линии передачи гораздо меньше длины волны, что имеет место при коротком кабеле (то есть несколько метров) и частота сигнала мала (то есть несколько кГц), линия не оказывает влияния на характеристики цепи. Тогда импеданс (Z_in) цепи, если смотреть со стороны генератора, равен импедансу нагрузки в любой момент времени.

Тем не менее, если длина линии больше длины волны сигнала (L≥λ), характеристики линии играют важную роль и импеданс цепи, если смотреть со стороны генератора, не соответствует нагрузке, за исключением некоторых особых случаев.

Напряжение V и сила I тока вдоль кабеля определяются следующими дифференциальными уравнениями, известными как уравнения телеграфистов:

где ω - круговая частота сигнала, R - сопротивление проводника, L - индуктивность, С - емкость и G - проводимость изоляции, все касается единицы длины кабеля.

Эти четыре параметра полностью характеризуют кабель при прохождении по нему сигнала высокой частоты, В теории линий передачи, поведении линии обычно изучают как функцию двух комплексных параметров. Первым является функция распространения

часто записываемая следующим образом

где действительная часть α является коэффициентом затухания линии, а мнимая часть β является коэффициентом распространения, который также связан с фазовой скоростью ν, круговой частотой ω и длиной волны λ следующим образом:

Вторым параметром является характеристический импеданс

Используя (4) и (7) и решая дифференциальные уравнения (2) и (3), импеданс линии для кабеля длиной d от конца равен:

где Г_d является Обобщенным коэффициентом отражения

и Г_L является Коэффициентом отражения нагрузки

В (10) Z_L является импедансом нагрузки, соединенной с концом кабеля.

Из формул (8), (9) и (10) легко видеть, что когда нагрузка соответствует характеристическому импедансу Г_L=Г_d=0 и тогда Z_d=Z₀=Z_L для любой длины и частоты. Во всех других случаях, импеданс линии является комплексной переменной, которая определяется формулой (8) и которая имеет форму кривых с фиг. 1 (амплитуда и фаза как функция частоты).

Существующие способы, основанные на теории линий передачи, пытаются локализовать локальные повреждения кабелей (невозможно оценить общее ухудшение свойств) путем измерения V (уравнение (2)) как функции времени и путем оценивания временной задержки между падающей и отраженной волнами. Примеры таких способов можно найти в патентах США 4307267 и 4630228 и в публикациях США 2004/0039976 и 2005/0057259.

В US 7966137 В2 описаны способ и система контроля состояния электрического кабеля с помощью анализа многочастотного сигнала, примененного к кабелю. Эти описанные способ и система обнаруживают изменения импеданса вдоль кабеля. Система и способ контроля, описанные в US 7966137 В2, называются технологией LIRA (Система резонансного анализа линии). Технология LIRA обеспечивает преобразование в область импеданса линии (и амплитуда и фаза), также называемой областью t', и применяет в этой области частотный анализ. Этот процесс содержит следующие этапы:

1. по кабелю посылают сигнал расширенной полосы пропускания и измеряют отраженный сигнал;

2. оценивают импеданс линии по всей полосе пропускания, что делают на основе посланного и отраженного сигналов;

3. анализируют импеданс линии с целью получения информации о свойствах кабеля, общем состоянии кабеля, локальных точках ухудшения свойств.

LIRA (Система резонансного анализа линии) улучшает чувствительность обнаружения и точность путем анализа входного импеданса кабеля (см. формулу (8) и фиг. 1). Обнаружение и локализация локального ухудшения свойств, а также оценка общего ухудшения свойств обеспечивается посредством:

бесшумной оценки входного импеданса линии как функции частоты (полоса пропускания 0-Х MHz, где X зависит от длины кабеля) и спектрального анализа входного импеданса линии с целью обнаружения и локализации точек ухудшения свойств (см. подробное объяснение). Эти этапы подробно объяснены ниже.

Способ LIRA обеспечивает возможность обнаружения ухудшения свойств на ранней стадии, особенно для кабелей длиной более нескольких километров. В этом случае LIRA может оценить расположение сомнительной части с ошибкой оценки, находящейся в пределах 0,3% длины кабеля.

Кроме того, возможна оценка общего состояния кабеля, что важно для оценки срока службы кабеля при применении в агрессивных средах (например, при применении в ядерной и аэрокосмической областях).

Тем не менее, способ, описанный в US 7966137 В2, обладает ограничениями в плане чувствительности у окончания кабеля и в областях кабеля, где идентифицированы изменения импеданса, а также относительно степени ухудшения свойств кабеля.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения заключается в том, чтобы решить или по меньшей мере ослабить указанные выше проблемы.

В соответствии с некоторым аспектом изобретения предложен способ контроля состояния электрического кабеля, указанный способ включает в себя следующее:

- применяют волну широкополосного сигнала с частотой f к первому концу электрического кабеля, при этом волна широкополосного сигнала фазово и амплитудно модулирована по меньшей мере импедансом электрического кабеля,

- получают на первом конце кабеля фазово и амплитудно модулированную волну широкополосного сигнала, переданную и отраженную электрическим кабелем,

- вычисляют комплексный импеданс ZDUT кабеля как функцию амплитуды и фазы от частоты f для полученной отраженной волны широкополосного сигнала,

- переводят вычисленный комплексный импеданс кабеля во временную область t';

- вычисляют частоту f' во временной области t', где частота f' является основной частотой псевдопериодической функции круговой частоты w' и амплитуды А во временной области t' из-за отражения волны широкополосного сигнала на расстоянии d от конца кабеля и где частоту вычисляют путем применения формулы:

,

где ν₀ представляет собой скорость света в вакууме, а ν_r представляет собой оценку относительной фазовой скорости электрического сигнала в кабеле;

- осуществляют анализ спектра мощности как амплитуды, так и фазы комплексного импеданса кабеля во временной области t', что делают для поиска и локализации любого локального ухудшения свойств изоляции кабеля;

- идентифицируют частоты f''1, f''2, …, f''n компонентов спектра мощности во временной области t', полученных из-за отражений волны широкополосного сигнала в местах x1, х2, …, xn вдоль кабеля, отражения волны имеют место из-за разрывов электрических параметров кабеля; и

вычисляют каждое из мест xi по следующей формуле:

,

- устанавливают взаимосвязь между действительной и мнимой частями преобразования Фурье спектра фазного импеданса для спектра мощности в интервале около по меньшей мере одного из мест x₁, x₂, …, xn вдоль кабеля, и

- идентифицируют изменение импеданса по меньшей мере в одном из мест x₁, x₂, …, xn вдоль кабеля, исходя из указанных действительной и мнимой частей.

В варианте осуществления изобретения идентификация изменений импеданса включает в себя следующее: идентифицируют по меньшей мере одно из следующего: ступенчатый рост импеданса, ступенчатое падение импеданса, точка повышенного импеданса или точка пониженного импеданса. Точку повышенного импеданса идентифицируют тогда, когда мнимая часть равна нулю, а действительная часть отрицательна. Точку пониженного импеданса идентифицируют тогда, когда мнимая часть равна нулю, а действительная часть положительна. Ступенчатый рост импеданса идентифицируют тогда, когда действительная часть равна нулю, а мнимая часть отрицательна. Ступенчатое падение импеданса идентифицируют тогда, когда действительная часть равна нулю, а мнимая часть положительна.

В варианте осуществления изобретения способ может дополнительно включать в себя следующее: идентифицируют участок кабеля с меньшим импедансом как ступенчатое падение импеданса в начале участка кабеля, за которым следует ступенчатый рост импеданса в конце участка кабеля. В некотором варианте осуществления изобретения способ может дополнительно включать в себя следующее: идентифицируют участок кабеля с повышенным импедансом как ступенчатый рост импеданса в начале участка кабеля, за которым следует ступенчатое падение импеданса в конце участка кабеля.

В соответствии с другим аспектом изобретения предложен способ контроля состояния электрического кабеля, указанный способ включает в себя следующее:

- применяют волну широкополосного сигнала с частотой f к первому концу электрического кабеля, при этом волна широкополосного сигнала модулирована по фазе и амплитуде по меньшей мере импедансом электрического кабеля,

- получают на первом конце кабеля фазово и амплитудно модулированную волну широкополосного сигнала, переданную и отраженную электрическим кабелем,

- оценивают/вычисляют комплексный импеданс ZDUT кабеля как функцию амплитуды и фазы от частоты f для полученной отраженной волны широкополосного сигнала,

- переводят вычисленный комплексный импеданс кабеля во временную область t';

- вычисляют частоту f' во временной области t', где частота f' является основной частотой псевдопериодической функции круговой частоты w' и амплитуды А во временной области t' из-за отражения волны широкополосного сигнала на расстоянии d от конца кабеля и где частоту f' вычисляют путем применения формулы:

,

где ν₀ представляет собой скорость света в вакууме, а ν_r представляет собой оценку относительной фазовой скорости электрического сигнала в кабеле;

- осуществляют анализ спектра мощности как амплитуды, так и фазы комплексного импеданса кабеля во временной области t', что делают для поиска и локализации любого локального ухудшения свойств изоляции кабеля;

- идентифицируют частоты f''1, f''2, …, f''n компонентов спектра мощности во временной области t', полученных из-за отражений волны широкополосного сигнала в местах x1, x2, …, xn вдоль кабеля, отражения волны имеют место из-за разрывов электрических параметров кабеля; и

вычисляют каждое из мест Xi по следующей формуле:

дополнительно включает в себя следующее: устанавливают степень локального ухудшения свойств для идентифицированного дефекта в изоляции кабеля по меньшей мере в одном из мест x₁, x₂, …, x_n вдоль кабеля, что делают путем анализа отражения второго порядка широкополосного сигнала в указанном идентифицированном месте дефекта.

В одном варианте осуществления изобретения способ может включать в себя следующее: устанавливают разность высоты пика отражения первого порядка и высоты пика отражения второго порядка в спектре мощности и оценивают затухание для кабеля с целью нормализации высоты любого пика на любом расстоянии от окончания.

Далее способы, соответствующие упомянутым аспектам, могут дополнительно включать в себя следующее: устанавливают меру состояния конца кабеля путем анализа пика окончания в спектре мощности, что содержит установление взаимосвязи между разностью dy двух точек минимума на каждой стороне пика окончания и высотой dz пика окончания.

В одном варианте осуществления изобретения способ дополнительно включает в себя следующее: оценивают, с использованием анализатора, оценку относительной фазовой скорости v_r, при этом оценивание относительной фазовой скорости Vr включает в себя следующее:

- оценивают по меньшей мере две резонансные частоты комплексного импеданса ZDUT кабеля;

- идентифицируют два последовательных значения и резонансных частот комплексного импеданса ZDUT кабеля;

- вычисляют первое значение относительной фазовой скорости Vr кабеля по следующей формуле

,

где L - длина кабеля;

- вычисляют основную частоту f' кабеля во временной области t', что делают с использованием первой относительной фазовой скорости ν_r и формулы

;

- вычисляют второе значение f'' основной частоты f', что делают путем нахождения значения максимального пика во временной области t' в интервале вокруг f', который можно выбрать;

и

- вычисляют оценку относительной фазовой скорости по формуле

.

В соответствии с другим аспектом изобретения предложена система контроля состояния электрического кабеля, указанная система содержит:

анализатор для вычисления комплексного импеданса ZDUT кабеля как функции амплитуды и фазы от частоты ,

средство выработки для выработки волны широкополосного сигнала, которая будет фазово и амплитудно модулирована импедансом кабеля, при этом волну широкополосного сигнала применяют к первому концу кабеля, а частота является частотой волны широкополосного сигнала;

модуль получения для получения на первом конце кабеля волны широкополосного сигнала, фазово и амплитудно модулированной импедансом кабеля;

средство перевода для перевода комплексного импеданса ZDUT кабеля во временную область t',

анализатор для вычисления частоты во временной области t', где частота является основной частотой псевдопериодической функции круговой частоты ω' и амплитуды А во временной области t', полученной из-за отражения волны широкополосного сигнала на расстоянии d от конца кабеля и где частоту вычисляют путем применения формулы:

,

где ν_o представляет собой скорость света в вакууме, а ν_r представляет собой оценку относительной фазовой скорости электрического сигнала в кабеле,

при этом указанный анализатор осуществляет анализ спектра мощности как амплитуды, так и фазы комплексного импеданса кабеля во временной области t', что делают для поиска и локализации любого локального ухудшения свойств изоляции кабеля,

при этом указанный анализатор идентифицирует компоненты f''₁, f''₂, …, f''_n частот спектра мощности во временной области t', полученных из-за отражений волны в местах x₁, x₂, …, x_n вдоль кабеля, отражения волны имеют место из-за разрывов электрических параметров кабеля, и

при этом указанный анализатор вычисляет каждое из мест xi по следующей формуле:

,

при этом указанный анализатор дополнительно устанавливает взаимосвязь между действительной и мнимой частей преобразования Фурье спектра фазы импеданса для спектра мощности в интервале около по меньшей мере одного из мест x₁, x₂, …, x_n вдоль кабеля, и

- идентифицируют изменения импеданса в местах x₁, x₂, …, x_n вдоль кабеля из указанных действительной и мнимой частей.

Идентификация изменений импеданса может включать в себя следующее: идентифицируют по меньшей мере одно из следующего: ступенчатый рост импеданса, ступенчатое падение импеданса, точка повышенного импеданса или точка пониженного импеданса. Точку повышенного импеданса идентифицируют тогда, когда мнимая часть равна нулю, а действительная часть отрицательна. Точку пониженного импеданса идентифицируют тогда, когда мнимая часть равна нулю, а действительная часть положительна. Ступенчатый рост импеданса идентифицируют тогда, когда действительная часть равна нулю, а мнимая часть отрицательна. Ступенчатое падение импеданса идентифицируют тогда, когда действительная часть равна нулю, а мнимая часть положительна.

В некотором варианте осуществления изобретения система дополнительно может включать в себя идентификацию участка кабеля с меньшим импедансом как ступенчатое падение импеданса в начале участка кабеля, за которым следует ступенчатый рост импеданса в конце участка кабеля. Система дополнительно может включать в себя следующее: идентификацию участка кабеля с повышенным импедансом как ступенчатый рост импеданса в начале участка кабеля, за которым следует ступенчатое падение импеданса в конце участка кабеля.

Дополнительно установка степени локального ухудшения свойств для идентифицированного дефекта в изоляции кабеля по меньшей мере в одном из мест x₁, x₂, …, x_n вдоль кабеля может быть осуществлена путем анализа отражения второго порядка широкополосного сигнала в месте указанного идентифицированного дефекта. Система может дополнительно включать в себя установку разности между высотой пика отражения первого порядка и высотой пика отражения второго порядка в спектре мощности и нормализацию высоты разницы до высоты пика окончания в спектре мощности. Установка меры состояния конца кабеля может быть осуществлена системой путем анализа пика окончания в спектре мощности, что включает в себя установление взаимосвязи между разностью dy двух точек минимума на каждой стороне пика окончания и высотой dz пика окончания.

В другом варианте осуществления системы, анализатор работает так, что с помощью него:

оценивают по меньшей мере две резонансные частоты комплексного импеданса Z_DUT кабеля;

идентифицируют два последовательных значения и резонансных частот соответственно

комплексного импеданса Z_DUT кабеля;

вычисляют первое значение относительной фазовой скорости v_r кабеля по следующей формуле

,

где L - длина кабеля;

вычисляют основную частоту f' кабеля с использованием первой относительной фазовой скорости v_r и формулы

,

вычисляют второе значение основной частоты , что делают путем нахождения значения максимального пика во временной области t' в интервале вокруг f', который можно выбрать; и

вычисляют оценку относительной фазовой скорости по формуле

.

В изобретении предложена система контроля состояния электрического кабеля, указанная система содержит средство выработки, обеспечивающее эталонный сигнал СН0; средство получения, получающее указанный эталонный сигнал СН0 и сигнал СН1, указанный сигнал СН1 представляет собой эталонный сигнал СН0 после амплитудной и фазовой модуляции импедансом Z_DUT электрического кабеля; и средство анализа, вычисляющее комплексный импеданс Z_DUT кабеля как функции частоты примененного сигнала, что делают на основе эталонного сигнала СН0 и сигнала СН1 и анализа указанного импеданса кабеля, в результате чего оценивая состояние кабеля и/или дефекта кабеля.

Указанное средство выработки может работать с целью обеспечения эталонного сигнала СН0, выбранного из группы, состоящей из опорного сигнала с полосой пропускания частот от w₁ до w₂ (обе можно выбрать).

Средство получения может быть осциллографом с цифровым запоминающим устройством.

LIRA (Система резонансного анализа линии) способна контролировать общее, прогрессирующее ухудшение свойств изоляции кабеля из-за агрессивных условий среды (например, высокая температура, влажность, радиация) и обнаруживать локальное ухудшение свойств материала изоляции из-за механических воздействий или локальных ненормальных условий среды.

Система LIRA может быть использована для обнаружения и контроля ухудшения свойств изоляции и обрывов линии для всех типов электрических кабелей (силовые и сигнальные кабели); то есть кабелей при выработке, распределении и передаче электроэнергии, кабелей в обрабатывающей промышленности, кабелей в аэрокосмической области, кабелей в прибрежных, морских и подводных установках, и для идентификации положения повреждения/дефекта. Контроль и обнаружение могут быть осуществлены удаленно в реальном времени.

Улучшенная LIRA система, соответствующая настоящему изобретению, обеспечивает улучшения, касающиеся двух следующих аспектов:

1. Оценка степени серьезности локализованного повреждения и лучшее понимание поведения электрических параметров в поврежденном месте; то есть если импеданс увеличивается или уменьшается. Оценка того, увеличивается или уменьшается импеданс. Это помогает оценить причину повреждения. Например, проникновение воды или влаги всегда приводит к уменьшению импеданса.

2. Состояние кабеля на конце, что будет подробно описано ниже.

Улучшенная LIRA система, соответствующая настоящему изобретению, позволяет контролировать состояния у окончания кабеля. Установка состояния окончания кабеля очень важна в таких средах, как, например, в нефтяной и газовой промышленности, в глубинных нефтяных скважинах, под водой, на атомных электростанциях, при передаче электроэнергии и других труднодоступных местах.

Изобретение определено в приложенной формуле изобретения.

Краткое описание чертежей

Со ссылками на приложенные чертежи будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения, на которых:

фиг. 1 - вид, графически показывающий амплитуду и фазу комплексного импеданса линии как функции частоты в соответствии с формулой (8);

фиг. 2 - вид, показывающий функциональную схему алгоритма обнаружения точки;

фиг. 3 - вид, показывающий спектр мощности фазы импеданса в области t', где ось x масштабирована расстоянием от начала кабеля (d=300 м);

фиг. 4 - вид, показывающий спектр мощности фазы импеданса в области t', где из-за изменения емкости в 20 пФ на участке кабеля в 30 см видим частотный компонент при х=200;

фиг. 5 - вид, показывающий сигнал, полученный из действительной части формулы (18) и являющийся затухающей синусоидальной волной круговой частоты ω' и амплитуды А в области t';

фиг. 6 - вид, показывающий график фазы Ζ в области t' для А=1 в уравнении (19);

фиг. 7 - вид, показывающий график полупериодической функции фазы (18);

фиг. 8 - вид, показывающий график компонентов функции f(x) в формуле (28);

фиг. 9 - вид, показывающий пример дисплея LIRA с первыми тремя гармониками из формулы (29) в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 10 - вид, схематически показывающий действие С и L на LIRA индикаторы старения в соответствии с некоторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 11 - вид, показывающий характеристику LIRA от участка кабеля с повышенным импедансом и при этом этот участок длиннее разрешения LIRA в соответствии с некоторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 12 - вид, показывающий изображение дисплея для характеристики LIRA для ступенчатого роста импеданса (-5 пФ/м, разрешение = 1,5 м), как показано на фиг. 11 от 50 м до 60 м от начала кабеля в соответствии с некоторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 13 - вид, показывающий характеристику LIRA от участка кабеля с меньшим импедансом, где этот участок длиннее разрешения LIRA в соответствии с некоторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 14 - вид, показывающий изображение дисплея для характеристики LIRA для ступенчатого падения импеданса (+5 пФ/м, разрешение = 1,5 м), как показано на фиг. 13 от 50 м до 60 м от начала кабеля в соответствии с некоторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 15 - вид, показывающий изображение дисплея для амплитуды в Вольтах спектра импеданса кабеля (действительная и мнимая части) в положении ступеньки как функции расстояния между точками для единственной ступеньки импеданса, отрицательной (SP-) и при этом спектр в позиции ступеньки импеданса является полностью мнимым и отрицательным в соответствии с некоторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 16 - вид, показывающий комплексное значение спектра фазы импеданса в месте ступеньки, показанном на фиг. 15, где комплексное значение является полностью мнимым и отрицательным для SP- в соответствии с некоторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 17 - вид, показывающий изображение дисплея для амплитуды в вольтах спектра импеданса кабеля (действительная и мнимая части) в положении ступеньки как функции расстояния между точками для единственной ступеньки импеданса, положительной (SP+) и при этом спектр в позиции ступеньки импеданса является полностью мнимым и положительным в соответствии с некоторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 18 - вид, показывающий комплексное значение спектра фазы импеданса в месте ступеньки импеданса, показанной на фиг. 17, где комплексное значение является полностью мнимым и положительным для SP+ в соответствии с некоторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 19 - вид, показывающий участок кабеля с повышенным импедансом и ниже показывающий соответствующую характеристику LIRA и при этом этот участок кабеля короче разрешения LIRA в соответствии с некоторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 20 - вид, показывающий участок кабеля с меньшим импедансом и ниже показывающий соответствующую характеристику LIRA и при этом этот участок кабеля короче разрешения LIRA в соответствии с некоторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 21 - вид, показывающий изображение дисплея для амплитуды в Вольтах спектра импеданса кабеля (действительная и мнимая части) в положении ступеньки как функции расстояния (м) между точками для точки пониженного импеданса, как показано на фиг. 20, при этом точка импеданса короче разрешения LIRA (DP-); спектр в точке является полностью действительным и отрицательным в соответствии с некоторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 22 - вид, показывающий комплексное значение спектра фазы импеданса в месте ступеньки импеданса, показанном на фиг. 20 и 21: где комплексное значение является полностью действительным и отрицательным для DP- в соответствии с некоторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 23 - вид, показывающий изображение дисплея для характеристики LIRA для точки DP- (+5 пФ/м для 1 м, разрешение = 1,5 м), как показано на фиг. 20-22 в позиции 50 м от начала кабеля в соответствии с некоторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 24 - вид, показывающий спектр (действительная и мнимая части) точки повышенного импеданса кабеля, как показано на фиг. 25, где длина точки импеданса меньше разрешения LIRA (DP+), и при этом спектр в точке является полностью действительным и положительным в соответствии с некоторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 25 - вид, показывающий комплексное значение спектра фазы импеданса с фиг. 24 в месте ступеньки импеданса; где комплексное значение является полностью действительным и положительным для DP+ в соответствии с некоторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 26 - вид, показывающий характеристику LIRA для точки DP+ (+5 пФ/м для 1 м, разрешение = 1,5 м), как показано на фиг. 19, 24, 25 для расстояния 50 м от начала кабеля в соответствии с некоторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 27 - вид, показывающий изображение дисплея, на котором проиллюстрировано как степень локального ухудшения свойств коррелирует с высотами пиков характеристики LIRA в соответствии с некоторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 28 - вид, показывающий изображение дисплея для характеристики сбалансированного окончания (BTS) на конце кабеля для кабеля в балансирующих состояниях (хороший кабель) BTS=0 в соответствии с некоторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 29 - вид, показывающий изображение дисплея для характеристики сбалансированного окончания (BTS) на конце кабеля для кабеля с окончанием большой емкости (пониженный импеданс), где (BTS>0), где BTS=ΔΥ/ΔΖ*100 в соответствии с некоторым вариантом осуществления настоящего изобретения; и

фиг. 30 - вид, показывающий изображение дисплея для характеристики сбалансированного окончания (BTS) на конце кабеля для кабеля с окончанием малой емкости (повышенный импеданс), где BTS<0, в соответствии с некоторым вариантом осуществления настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

В описании и формуле изобретения термин «контролировать» следует понимать в широком смысле и он включает, например, мониторинг общего/локального состояния, диагностику в реальном времени и обнаружение повреждений.

Система контроля и анализа, соответствующая изобретению, может быть реализована в виде модулей программного обеспечения. Система контроля может быть реализована в переносной аппаратной системе. Аппаратное обеспечение содержит входной модуль для соединения с кабелем/проводом, который необходимо контролировать. Программное обеспечения контроля и анализа может реализовывать способ и автоматически предоставлять результат анализа кабеля/провода. Тем не менее, также возможно ручное вмешательство оператора системы контроля и анализа.

- Модуль моделирования LIRA. Моделирующее устройство LIRA работает в частотной области с использованием формул (1-10) для линий передачи. Помимо этого, оно использует стохастическую модель для оценки неопределенностей электрических параметров кабеля, имеющих место из-за допусков при изготовлении и изменений среды. Параметры кабеля и параметры нагрузки для фактического кабельного соединения являются входом для модуля моделирования LIRA.

Стохастическая модель вычисляет и применяет статистические изменения (с использованием нормального распределения с выбранным пользователем стандартным отклонением) электрических параметров (L, С и R) вдоль кабеля, имеющих место из-за допусков при изготовлении и шума среды.

- Модуль анализатора LIRA. Он может работать в реальном режиме или режиме моделирования. В первом случае вход он берет из модуля получения широкополосного сигнала, во втором случае вход поступает из модуля моделирования LIRA. Анализатор LIRA является ядром системы контроля состояния провода/кабеля. Анализатор LIRA работает как в частотной, так и во временной областях, выполняя следующие задачи:

- Оценивает и отображает частотный спектр входного импеданса линии.

- Вычисляет резонансные частоты. Резонансные частоты вычисляют из спектра импеданса и соотносят со значениями частот, где фаза равна нулю.

- Оценивает характеристический импеданс ZDUT кабеля. Он также вычисляется из спектра импеданса. Характеристический импеданс представляет собой значение амплитуды импеданса в любом локальном максимуме (или минимуме) фазы импеданса.

- Оценивает длину кабеля, если она не известна.

- Обнаруживает области локального ухудшения свойств и локализует их.

- Обнаруживает изменения нагрузки.

- Анализирует и отображает спектр частот с целью идентификации изменений импеданса и точек импеданса, вычисляет действительную и мнимую компоненты спектра фазы импеданса и анализирует высоты пиков.

Диагностика и локализация локального ухудшения свойств

Импеданс линии вычисляют как усредненную многооконную функцию преобразования из эталонного сигнала СН0 до модулированного импедансом сигнала СН1, что приводит к вычислению амплитуды и фазы импеданса Z_DUT линии как функции частоты (см. формулу (11)). После вычисления импеданса линии, анализируют состояние кабеля, что делают путем изучения частотного содержания амплитудного и фазового компонентов комплексного импеданса. Это будет описано далее. Zdut может быть вычислен с помощью аппаратного обеспечения и в этом случае мы не видим СН0 и СН1.

Формула (8) - это математическое выражение функции с фиг. 1. Фактически импеданс Z_d линии (для кабеля на расстоянии d от конца кабеля) является комплексным параметром и на фиг. 1 показаны как его амплитуда, так и его фаза. Псевдопериодическая форма фазы объясняется периодичностью Г_d, формулой (9), которая может быть переписана следующим образом:

где амплитуда уменьшается при увеличении d (длина кабеля) из-за затухания α (фаза является периодической, если α=0). Период Г_d (и поэтому фаза импеданса линии) равен 1/2β, при условии, что d - независимая переменная, или 1/2d, при условии, что β - независимая переменная (как на фиг. 1).

С использованием выражения для коэффициента β распространения из формулы (6), формула (12) может быть переписана следующим образом:

где - частота применяемого сигнала, который перемещается вдоль кабеля длины d, а ν - фазовая скорость электрического сигнала в кабеле.

Если f - независимая переменная, запишем следующие переходы:

где v_r=ν/ν₀, v_r - относительная фазовая скорость электрического сигнала в кабеле и ν₀ - скорость света в вакууме.

Формула (14) переписывается следующим образом:

Формула (18) представляет собой математическое выражение (в комплексном виде) псевдопериодической функции круговой частоты ω' и амплитуды А. В случае отсутствия потерь

(α=0) А=1, в реальной жизни потери а кабелей представляет собой возрастающую функцию частоты сигнала, так что амплитуда А является убывающей функцией t', что приводит к затухающим колебаниям с фиг. 1. Частота этой функции (в области t') следующая:

где является основной частотой функции фазы в области t', полученной из-за отражения волн на расстоянии d (окончание кабеля). Заметим, что выражение для имеет размерность времени и является временем, нужным для достижения волной окончания на расстоянии d и отражения назад. Преобразование Фурье (спектр мощности) фазы импеданса в области t' выглядит, например, как на фиг. 3, где ось x масштабирована величиной d при основной частоте, заданной в уравнении (19). На фиг. 3 ось x масштабирована расстоянием от начала кабеля (d=300 м).

Когда на расстоянии x волна находит разрыв в электрических параметрах кабеля (например, небольшое изменение в диэлектрике изоляции), другое отражение будет видно на расстоянии x, что добавит новый частотный компонент в спектр мощности фазы импеданса, где частота (из уравнения (19)) будет следующей:

И таким образом:

Если известна длина кабеля, то знания и из спектра мощности фазы импеданса (в области t') достаточно для вычисления расположения x:

Если d не известно, то знание относительной фазовой скорости v_r (из технического описания кабеля или путем измерения ее на образце кабеля такого же типа) может быть использовано для вычисления расположения x на основе формулы (19):

Поэтому конечный результат является пиком в любой позиции, где изменение (даже очень малое изменение) электрических параметров (в основном изменение диэлектрической постоянной) порождает отраженную волну примененного эталонного сигнала. Это отражение появляется как частотный компонент в спектре фаза/амплитуда импеданса линии. Частота отраженной волны является линейной функцией расстояния от конца кабеля до отклонения. На фиг. 4 показано преобразование Фурье (спектр мощности) фазы импеданса в области t', где отражение из-за изменения электрических параметров кабеля в расположении х=200 м от начала кабеля видно как частотный компонент при х=200. Этот пик в случае с фиг. 4 вызван изменением емкости в 20 пФ в участке 30 см тестируемого кабеля.

При контроле состояния кабеля в электрических параметрах кабеля может присутствовать некоторое количество (n) разрывов. Каждый из этих разрывов будет появляться в спектре мощности как отдельные пики fⁿ частотного компонента и их позиции xⁿ, которые идентифицируют так, как описано выше.

Для получения хорошей чувствительности и цифрового разрешения, важно работать с наибольшей возможной полосой пропускания, которая тем не менее ограничена затуханием кабеля. Типовые примеры полос пропускания - это полоса пропускания 100 МГц для кабеля в 30 м () и полоса пропускания 20 кГц для кабеля в 120 км (). Длинные кабели требуют узких полос пропускания для преодоления увеличения затухания кабеля, являющегося функцией частоты.

Контроль общего ухудшения свойств

Контроль общих изменений в состоянии кабеля обеспечивается следующим образом:

Способ 1: Оценка и контроль относительной фазовой скорости.

Способ 2: Способ СВАС (корреляция затухания центральной полосы)

Что касается локального ухудшения свойств и диагностики, способ для общего ухудшения свойств также основан на применении в кабеле эталонного сигнала СН0 с полосой частот эталонного сигнала от w₁ до w₂, далее эталонный сигнал фазово и амплитудно модулируют импедансом Z_DUT тестируемого кабеля и получают сигнал СН1.

Способ 1: Относительную фазовую скорость вычисляют с помощью LIRA в ходе двухэтапного процесса:

1. Первое приближенное значение оценивают с использованием 2 последовательных значений резонансной частоты в импедансе линии, применяя следующие формулы:

При любом резонансе длина L кабеля в точности равна половине длине волны или любому ее множителю (что справедливо в случае открытого конца кабеля, но различные могут быть легко учтены другие реактивные сопротивления нагрузки) или с использованием формулы (1):

где L - длина кабеля, v₀ - скорость света в вакууме, ν_r - относительная фазовая скорость и f_k - частота k^ого резонансного пика.

Применяя формулу (24) для двух последовательных резонансных пиков, получаем:

Формула (25) используется LIRA для оценки первого значения v_r, после оценки входного импеданса кабеля и вычисления резонансных частот. Заметим, что любой сдвиг реактивного сопротивление нагрузки будет компенсирован в формуле разностью. Причина, по которой это значение является приближенным, состоит в том, что v_r является медленной функцией f, но она считалась постоянной в формуле (25).

2. Значение v_r, найденное на этапе 1, используется для вычисления приближенного значения основной частоты f' (область t', см. описание выше и фиг. 3), как:

LIRA ищет максимальный пик f'' в преобразовании Фурье (спектр мощности) в области t' в выбранном пользователем интервале около f'. Когда точное значение f' (называемое f'') найдено из спектра, уравнение (19) решают относительно v_r следующим образом:

что является конечным и точным значением фазовой скорости. Фазовая скорость уменьшается с ухудшением свойств изоляции кабеля.

Способ 2: Способ СВАС (корреляция затухания центральной полосы)

Формула (18) является уравнением (в комплексной форме) синусоидальной волны круговой частоты ω' и амплитуды А (с учетом только действительной части комплексной функции в формуле 18) в области t'. Если затухание а не является 0, А является постоянной затухания и результирующий сигнал является затухающей синусоидальной волной, как показано на фиг. 5. На фиг. 5 показана GRC (действительная часть) как функция t'.

Записывая формулу (8) для входного импеданса Z линии с использованием формулы (18) для Г_d, получаем:

Формула (27) является комплексной функцией, представляющей амплитуду и фазу импеданса Z линии на расстоянии d от конца кабеля. Рисуя фазу импеданса Z линии в области t', когда А=1 (нулевое затухание и открытое или закороченное окончание), получаем график, изображенный на фиг. 6.

График на фиг. 6 является прямоугольной волной круговой частоты ω' (формула 16) и амплитуды π/2. Если затухание а не равно нулю (фактический случай), так что А меньше 1 и затухает до нуля с ростом t' до бесконечности, форма фазы функции (16) движется к полупериодической функции с той же частотой ω', как показано на фиг. 7.

Причина этого изменения может быть ясна, если мы разложим уравнение прямоугольной волны в ряд Тейлора:

Формула (28) представляет собой бесконечную сумму нечетных гармоник, начиная с основной синусоиды периода 2d. На фиг. 8 изображены эти компоненты и окончательный результат.

В физическом смысле в линии передачи основная синусоида периода 2d соответствует первому отражению от окончания кабеля. Гармонические компоненты благодаря отражениям большего порядка и их амплитуде (в области t') уменьшаются со скоростью члена 1/n, где n является порядковым номером гармоники. По этой причине, когда член затухания не рассматривается (как в формуле (28)), бесконечное количество отражение приводит к прямоугольной фазе импеданса, как показано на фиг. 6 или фиг. 8.

Помимо этого, член затухания приводит к прогрессирующему затуханию амплитуды гармоник, в результате чего увеличивается важность основной волны относительно гармоник более высокого порядка (фиг. 7). В результате учета члена затухания (и коэффициента отражения, если окончание не открыто или закорочено), формула (28) становится следующей:

Интегрируя по d и преобразуя в единицы dB, приходим к следующему:

Здесь ТР₁ и ТР₂ представляют собой амплитуды основной и третьей гармоник фазы импеданса и а является затуханием кабеля на единицу длины в середине полосы пропускания. Когда окончание кабеля закорочено или открыто, коэффициент отражения равен 1 (или -1), так что в формуле (30) исчезает логарифмический член.

Формула (30) показывает, что затухание в кабеле в середине полосы пропускания пропорционально разнице ТР₁ и ТР₂, которую LIRA может точно оценить. На фиг. 9 показан пример дисплея LIRA с первыми тремя гармониками. Таким образом, концевой пик против третьей гармоники является стабильным индикатором общего теплового старения кабеля.

Обширные тесты в EPRI и TECNATOM демонстрируют, что существует хорошая корреляция между состоянием теплового старения кабеля (особенно для EPR изолированных кабелей) и его затуханием в середине полосы пропускания.

Эти тесты показывают, что затухание на низкой частоте практически не изменяется, характеристический импеданс практически не изменяется (с большим стандартным отклонением), а фазовая скорость имеет тенденцию к уменьшению (с большим стандартным отклонением). Обнаружено, что во всех случаях затухание на середине полосы пропускания больше для не состарившихся кабелей.

Эти результаты, кажется, подтверждают то, что тепловое старение порождает значительное увеличение индуктивности кабеля вместе с некоторым изменением диэлектрической постоянной.

В LIRA α нормализуют по длине эталонного кабеля (по умолчанию 20 м), чтобы учесть разницу между длинными и короткими кабелями.

Затухание α находится из формулы:

Здесь R является сопротивлением провода (не изменяется при старении), С является емкостью изоляции, а L является индуктивностью кабеля.

Формула (31) показывает, что затухание α является функцией отношения емкости С изоляции и индуктивности L кабеля, которое показывает изменение со старением. Результирующая корреляция между старением и α может быть комплексной и не монотонной, хотя монотонное поведение является важным требованием для индикатора старения.

Для решения этой задачи, значение затухания корректируют с использованием характеристического импеданса и отношения фазовых скоростей, которые вычисляют с помощью LIRA.

Когда α разделено на характеристический импеданс Z0 и для квадрата относительной фазовой скорости VR, получаем:

Таким образом, СВАС является индикатором, который чувствителен только к изменению емкости изоляции.

Если вместо деления произведем умножения на квадрат VR, то получим:

Обратное к этому является CBAL, индикатором, который чувствителен только к изменению индуктивности кабеля.

На фиг. 10 показано общее представление действий емкости С изоляции и индуктивности L кабеля на индикаторы старения LIRA.

Спектральная декомпозиция изменений импеданса кабеля: Соотношение действительное-мнимое в спектре фазового импеданса для вычисления направления и размера точки (BTS подход).

Как подробно объяснено выше, система резонансного анализа линии, описанная в US 7966137 В2, обеспечивает характеристику LIRA. Пример характеристики LIRA представлен на фиг. 11. Характеристика LIRA контролирует изменения импеданса кабеля вдоль кабеля. Характеристика LIRA представляет собой спектр мощности, преобразованный в функцию расстояния от начала кабеля, к которому применяют сигнал СН0.

Как показано на фиг. 11, характеристика LIRA идентифицировала изменение в импедансе кабеля в позициях a и b на фиг. 11. Разрешение LIRA показано на фиг. 11 вертикальными линиями. Тем не менее, так как LIRA только обнаруживает изменения в импедансе кабеля, характеристика LIRA, показанная на фиг. 11, ничего не говорит о состоянии кабеля между двумя изменениями импеданса кабеля, идентифицированными в позициях a и b. Так как изменения импеданса также находятся в пределах разрешения системы LIRA, то соответствующая уровню техники система LIRA из US 7966137 В2 не может предоставить дополнительной информации о природе изменения импеданса.

Увеличение (ступенчатый рост) импеданса кабеля в результате изменения в одном или более из следующих параметров:

1) уменьшение диэлектрической постоянной;

2) увеличение самоиндукции кабеля;

3_ увеличение сопротивления проводника и/или защиты;

4) уменьшение (редко) проводимости изоляции.

Следствия от 1 и 2 более чувствительны при высокой частоте, а следствия от 3 и 4 более чувствительны при низкой частоте.

Изменения импеданса кабеля в противоположном направлении вызывают уменьшение (ступенчатое падение) импеданса.

Частыми факторами изменений импеданса являются следующие:

- увеличение (уменьшение) температуры (диэлектрическая проницаемость вверх (вниз), импеданс вниз (вверх));

- попадание воды/влаги (диэлектрическая проницаемость вверх, импеданс вниз);

- сопротивление изоляции вниз (диэлектрическая проницаемость вверх, импеданс вниз);

- механическое воздействие (любое направление);

- гамма-облучение (обычно импеданс вверх).

Проблема с характеристикой LIRA, описанной в US 7966137 B2, заключается в том, что пик в характеристике может быть вызван любым из следующих факторов, перечисленных ниже. Различные факторы идентифицируют названием события. Это название события будет использовано далее в описании.

Разрешение LIRA является функцией применяемой полосы пропускания и составляет примерно 1,5 м при 100 МГц. Разрешение уменьшается при сокращении полосы пропускания.

1. SP+ (один пик, положительный): Ступенчатый рост импеданса. Эта ситуация имеет место тогда, когда присутствует стабильное увеличение импеданса кабеля на расстоянии, большем фактического разрешения. Это показано на фиг. 11 и 12. На фиг. 11 показана характеристика LIRA от участка кабеля с повышенным импедансом и при этом указанный участок длиннее разрешения LIRA. В начале участка присутствует изменение импеданса (ступенчатый рост импеданса (SP+)) в пределах разрешения характеристики LIRA. Ступенчатый рост импеданса приводит к пике в характеристике LIRA, так как характеристика LIRA обнаруживает только изменения импеданса вдоль кабеля. В конце участка присутствует другое изменение импеданса, где импеданс ступенчато падает (SP-) и снова это приводит к пике в характеристике LIRA. На фиг. 12 показано изображение дисплея для характеристики LIRA для ступенчатого роста импеданса (-5 пФ/м, разрешение = 1,5 м), как показано на фиг. 11. Ступенчатый рост импеданса представлен первым пиком при 50 м и ступенчатое падение импеданса появляется при 60 м от начала кабеля.

2. SP- (один пик, отрицательный): Ступенчатое падение импеданса. Эта ситуация имеет место тогда, когда присутствует стабильное уменьшение импеданса кабеля на расстояние, большее фактического разрешения LIRA. На фиг. 13 и 14 показан пример длинного участка (по сравнению с полосой пропускания) с меньшим импедансом. Две пики на фиг. 13 представляют начало и конец участка пониженного импеданса. В начале участка присутствует изменение импеданса (ступенчатое падение импеданса (SP-)) в пределах разрешения характеристики LIRA. Ступенчатое падение импеданса приводит к пику в характеристике LIRA, так как характеристика LIRA обнаруживает только изменения импеданса вдоль кабеля. В конце участка присутствует другое изменение импеданса, где импеданс ступенчато растет (SP+) и снова это приводит к пику в характеристике LIRA. Как ясно из фигуры, характеристика LIRA на фиг. 14 идентична характеристике LIRA с фиг. 12. Как увеличение, так и уменьшение импеданса кабеля на расстоянии, большем разрешения для фактически примененной полосы пропускания сигнала СН0, примененного к кабелю, приводит к той же самой характеристике LIRA, то есть за SP- пиком следует SP+ пик.

3. DP+: Короткий участок кабеля (короче фактического разрешения) с повышенным импедансом. Его обычно называют «точкой». В этом случае импеданс кабеля один и тот же до и после этой точки, но выше на этом коротком участке кабеля. См. на фиг. 19 пример точки с повышенным импедансом и на фиг. 26 - соответствующую характеристику LIRA. Как ясно из фиг. 19, точка повышенного импеданса приводит только к одному пику в характеристике LIRA.

4. DP-: Короткий участок кабеля (короче фактического разрешения) с пониженным импедансом. В этом случае импеданс кабеля один и тот же до и после точки, но меньше на коротком участка кабеля. См. на фиг. 20 пример точки с пониженным импедансом и на фиг. 23 - соответствующую характеристику LIRA. Как ясно из фиг. 20, точка пониженного импеданса приводит только к одному пику в характеристике LIRA.

Как ясно из фиг. 11, 13, 19 и 20 описанные выше разные изменения импеданса приводят к одинаковому пику в характеристике LIRA. Подводя итоги, существует четыре типа событий, которые обычная характеристика LERA не может выделить:

- SP+: изменение импеданса, заключающееся в его ступенчатом росте. Это также содержит окончание, когда кабель обладает открыт с конца (или импеданс прикрепленной нагрузки больше характеристического импеданса кабеля).

- SP-: изменение импеданса, заключающееся в его ступенчатом падении. Это также содержит окончание, когда кабель обладает закороченным концом (или импеданс прикрепленной нагрузки меньше характеристического импеданса кабеля).

- DP+: пик повышенного импеданса;

- DP-: пик пониженного импеданса.

Подход соотношения действительное-мнимое (BTS, характеристика сбалансированного окончания) для обнаружения четырех возможных событий

Подход взаимосвязь между действительное-мнимое (BTS, характеристика сбалансированного окончания) может быть использован для обнаружения перечисленных выше четырех возможных событий (SP+, SP-, DP+, DP-). Как следует из формулы (8), импеданс Z_DUT линии является комплексной переменной. Форма кривой, которая следует из формулы (8), показана на фиг. 1 для амплитуды и фазы как функции частоты.

В настоящем изобретении предложены дополнительные виды анализа пиков, идентифицированных в конкретных позициях в преобразовании Фурье фазы импеданса, при этом указанные позиции вычислены из формулы (23) и, например, показаны на фиг. 3 и 4.

BTS подход основан на вычислении действительного и мнимого компонентов преобразования Фурье спектра фазы импеданса в позиции события.

События ступенчатого роста и падения (SP+ и SP-) характеризуются полностью мнимым значением преобразования в позиции события, как описано на фиг. 15-18. Когда действительный компонент равен 0 (Re=0), мнимый компонент (Im=+90) положителен для события SP+ и отрицателен (Im=-90) для события SP-.

Пики повышенного и пониженного импеданса характеризуются близким объединением двух SP событий противоположного знака; за SP+ следует SP- или за SP- следует SP+. Это приводит к тому, что мнимые компоненты (+90 + -90, -90 + +90) взаимно уничтожаются. В результате присутствует полностью действительное значение преобразования спектра в позиции события с положительным действительным компонентом для DP+ (фиг. 25) и отрицательным действительным компонентом для DP- (фиг. 25).

Преобразование Фурье спектра фазы импеданса для события DP- показано на фиг. 21. Спектр в точке является полностью действительным и отрицательным. Преобразование Фурье спектра фазы импеданса для события DP+ показано на фиг. 24. Спектр в точке является полностью действительным и положительным.

Эти вычисления могут быть осуществлены автоматически системой LIRA в соответствии с изобретением. Как показано на изображениях дисплея на фиг. 12, 14, 23 и 26, пики импеданса в характеристиках LIRA присутствуют в таблице на изображении дисплея, определяющей каждый пик как один из SP+, SP-, DP+, DP-.

Точность определения местоположения для событий SP и DP.

Тем не менее, существуют различия в процессе локализации двух событий ступенек SP (SP+, SP-) и двух событий пиков DP (DP+, DP-).

Обнаруженное расположение события SP+ (ступенчатый рост) представляет собой позицию кабеля, где изменение одного или нескольких электрических параметров приводит к увеличению импеданса кабеля. Аналогично, расположение события SP- представляет собой позицию на кабеле, где локальный импеданс уменьшается.

Событие DP+ (DP-) представляет собой наложение события SP+ (SP-), за которым следует событие SP- (SP+), на расстоянии, меньшем текущего разрешения, полученное в результате использованной полосы пропускания сигнала СН1, примененного в кабеле. По этой причине обнаруженное расположение события находится в середине короткого участка, где происходит изменение.

Степень локального ухудшения свойств (алгоритм DNORM)

Степень локального ухудшения свойств в изоляции кабеля коррелирует с высотами пик в характеристике LIRA. Тем не менее, высота пик для одинаковых повреждений изоляции также зависит от позиции этого ухудшения свойств (повреждения изоляции) вдоль кабеля. Высота этого пика в характеристике LIRA уменьшается с увеличением расстояние от начала кабеля до места ухудшения свойств кабеля, к которому был применен сигнал СНО. Это означает, что при движении дефекта к концу кабеля высота пиков уменьшается. Этот эффект также автоматически компенсируется анализом, осуществленным в системе LIRA, описанной в US 7966137 В2, с помощью нормализации диаграммы.

Такая нормализации является хорошим признаком для легкого обнаружения существенных пиков, но не является надежной как компенсация расстояния, так как дефект (ухудшение свойств изоляции) перемещается к концу кабеля. В настоящем изобретении предложен алгоритм DNORM, который может быть описан следующим образом:

Любая локальная точка (изменение импеданса кабеля) порождает зеркальное изображение на другой стороне пика окончания (см. фиг. 27). Это объясняется отражением второго порядка для поврежденного участка. Пик второго порядка в спектре мощности аналогичен новой точке той же степени на расстоянии 2L - SL, где L - длина кабеля, а SL - расположение точки на кабеле.

Так как расстояние между двумя точками (локальная точка и ее зеркальное изображение) известно (после локализации точки), возможно нарисовать и вычислить линию тренда (прямая линия между точками на фиг. 27), которая представляет, как размер пика изменяется с расстоянием из-за затухания в кабеле. В DNORM разницу между значением линии тренда и пиком в окончании (дельта пика) нормализуют к позиции окончания (TP), независимо от того, где расположена фактическая точка. Эта разность (DNORM) представляет некоторую меру степени локального ухудшения свойств для конкретной точки.

Окончание кабеля

Широкополосный сигнал СН0, подаваемый в кабель, отражается на конце кабеля. Сигнал от окончания обеспечивает пик в характеристике точки на расстоянии от начала кабеля, равном длине кабеля. Таким образом, любое изменение импеданса, происходящее на конце кабеля, расположено в тени этого пика/скачка окончания. Настоящее изобретение, с использованием описанного выше подхода BTS и DNORM, обеспечивает возможность установить, находится ли окончание участка кабеля в хорошем или плохом состоянии. Окончание кабеля предоставляет точку (DP+ или DP-). У окончания кабеля связь между разностью dy дельта двух сторон пика окончания и высотой dz пика; BTS=dy/dz*100, является мерой состояния изоляции окончания кабеля.

На фиг. 28 показано изображение дисплея для характеристики сбалансированного окончания (BTS) на конце кабеля для кабеля в балансирующих состояниях (хороший кабель), когда BTS=0. На фиг. 29 показано изображение дисплея для характеристики сбалансированного окончания (BTS) на конце кабеля для кабеля с окончанием большой емкости (пониженный импеданс), когда (BTS>0). На фиг. 30 показано изображение дисплея для характеристики сбалансированного окончания (BTS) на конце кабеля для кабеля с окончанием малой емкости (повышенный импеданс), когда BTS<0.

Определение состояния окончания кабеля очень важно в таких средах, как, например, в нефтяной и газовой промышленности, в глубинных нефтяных скважинах, под водой, на атомных электростанциях, при передаче электроэнергии и других труднодоступных местах.

После описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения специалисту в рассматриваемой области ясно, что могут быть использованы другие варианты осуществления изобретения, включающие в себя описанные идеи. Эти и другие примеры изобретения, проиллюстрированные выше, являются только примерами, и фактический объем изобретения определен в приведенной ниже формуле изобретения.

Заявлены способ и система контроля состояния электрического кабеля. Способ характеризуется тем, что подают волну широкополосного сигнала с частотой f на первый конец электрического кабеля, при этом волна широкополосного сигнала модулирована по фазе и амплитуде по меньшей мере импедансом электрического кабеля, и получают модулированную по фазе и амплитуде волну широкополосного сигнала, переданного и отраженного электрическим кабелем. Для полученной модулированной по фазе и амплитуды волны широкополосного сигнала выполняют анализ сигнала. Анализ сигнала приводит к установлению взаимосвязи между действительной и мнимой частями преобразования Фурье спектра фазы импеданса для спектра мощности в интервале около по меньшей мере одного из мест x₁, x₂, …, x_n вдоль кабеля, из-за разрывов в этих местах, и идентификации изменения импеданса в этих местах x₁, x₂, …, x_n вдоль кабеля исходя из указанных действительной и мнимой частей. Анализ отражения второго порядка широкополосного сигнала в указанном идентифицированном месте повреждения может установить степень локального ухудшения свойств для идентифицированного повреждения изоляции кабеля по меньшей мере в одном из мест x₁, x₂, …, x_n вдоль кабеля. Техническим результатам, наблюдаемым при реализации заявленной группы технических решений, выступает повышение чувствительности контроля состояния кабеля у окончания кабеля и в области, где идентифицированы изменения импеданса. 3 и 23 з.п ф-лы, 30 ил.

1. Способ контроля состояния электрического кабеля, характеризующийся тем, что

подают волну широкополосного сигнала на первом конце электрического кабеля, при этом волна широкополосного сигнала модулирована по фазе и амплитуде по меньшей мере импедансом электрического кабеля,

получают на первом конце кабеля указанную модулированную по фазе и амплитуде волну широкополосного сигнала, переданную и отраженную электрическим кабелем,

вычисляют комплексный импеданс Z_DUT кабеля в виде функции частоты , определяемый амплитудой и фазой, для полученной отраженной волны широкополосного сигнала,

переводят вычисленный комплексный импеданс кабеля во временную область t';

вычисляют частоту f' во временной области t', где частота f' является основной частотой псевдопериодической функции круговой частоты w' и амплитуды A во временной области t', обусловленную отражением указанной волны широкополосного сигнала на расстоянии d от конца кабеля, при этом частоту f' вычисляют по формуле:

,

где ν₀ - скорость света в вакууме, a ν_r - оцененная относительная фазовая скорость электрического сигнала в кабеле;

выполняют анализ спектра мощности амплитуды и фазы указанного комплексного импеданса кабеля во временной области t', с тем чтобы обнаружить и локализовать локальное ухудшение свойства изоляции кабеля;

идентифицируют частотные компоненты в указанном спектре мощности во временной области t', обусловленные отражениями указанной волны широкополосного сигнала в местах x₁, x₂, …, x_n вдоль кабеля, причем указанные отражения волны вызваны нарушением непрерывности электрических параметров кабеля; и

вычисляют каждое из мест x_i по формуле:

,

устанавливают соотношение между действительной и мнимой частями преобразования Фурье спектра фазы импеданса для указанного спектра мощности в интервале около по меньшей мере одного из указанных мест x₁, x₂, …, x_n вдоль кабеля, и

идентифицируют изменение импеданса по меньшей мере в одном из мест x₁, x₂, …, x_n вдоль кабеля исходя из указанных действительной и мнимой частей.

2. Способ по п. 1, в котором при идентификации изменений импеданса идентифицируют по меньшей мере одно из следующих изменений: ступенчатое повышение импеданса, ступенчатое понижение импеданса, точка повышенного импеданса и точка пониженного импеданса.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором точку повышенного импеданса идентифицируют, когда мнимая часть равна нулю, а действительная часть положительная.

4. Способ по п. 1 или 2, в котором точку пониженного импеданса идентифицируют, когда мнимая часть равна нулю, а действительная часть отрицательная.

5. Способ по п. 1 или 2, в котором ступенчатое повышение импеданса идентифицируют, когда действительная часть равна нулю, а мнимая часть положительная.

6. Способ по п. 1 или 2, в котором ступенчатое понижение импеданса идентифицируют, когда действительная часть равна нулю, а мнимая часть отрицательная.

7. Способ по п. 1, в котором дополнительно идентифицируют участок кабеля с пониженным импедансом, когда за ступенчатым понижением импеданса в начале указанного участка кабеля следует ступенчатое повышение импеданса в конце указанного участка кабеля.

8. Способ по п. 1, в котором дополнительно идентифицируют участок кабеля с повышенным импедансом, когда за ступенчатым повышением импеданса в начале указанного участка кабеля следует ступенчатое понижение импеданса в конце указанного участка кабеля.

9. Способ по п. 1, в котором дополнительно устанавливают меру состояния указанного конца кабеля путем анализа конечного пика в указанном спектре мощности, при этом устанавливают соотношение между разностью dy для двух точек минимума с каждой стороны от указанного конечного пика и высотой dz указанного конечного пика.

10. Способ по п. 9, в котором дополнительно с использованием анализатора оценивают указанную оцененную относительную фазовую скорость v_r, при этом

оценивают по меньшей мере две резонансные частоты указанного комплексного импеданса Z_DUT кабеля;

идентифицируют два последовательных значения и соответственно резонансных частот указанного комплексного импеданса Z_DUT кабеля;

вычисляют первое значение относительной фазовой скорости v_r кабеля по формуле

,

где L - длина кабеля;

вычисляют указанную основную частоту f' кабеля во временной области t' с использованием указанной первой относительной фазовой скорости v_r по формуле

;

вычисляют второе значение указанной основной частоты путем нахождения максимального пикового значения во временной области t' в выбираемом интервале вокруг f',

и

вычисляют указанную оценку относительной фазовой скорости по формуле

.

11. Способ контроля состояния электрического кабеля, характеризующийся тем, что

подают волну широкополосного сигнала на первом конце электрического кабеля, при этом волна широкополосного сигнала модулирована по фазе и амплитуде по меньшей мере импедансом электрического кабеля,

получают на первом конце кабеля указанную модулированную по фазе и амплитуде волну широкополосного сигнала, переданную и отраженную электрическим кабелем,

оценивают/вычисляют комплексный импеданс Z_DUT кабеля в виде функции частоты , определяемый амплитудой и фазой, для полученной отраженной волны широкополосного сигнала,

переводят вычисленный комплексный импеданс кабеля во временную область t';

вычисляют частоту f' во временной области t', где частота f' является основной частотой псевдопериодической функции круговой частоты w' и амплитуды A во временной области t', обусловленную отражением указанной волны широкополосного сигнала на расстоянии d от конца кабеля, при этом частоту f' вычисляют по формуле:

,

где ν₀ - скорость света в вакууме, а ν_r - оцененная относительная фазовая скорость электрического сигнала в кабеле;

выполняют анализ спектра мощности амплитуды и фазы указанного комплексного импеданса кабеля во временной области t', с тем чтобы обнаружить и локализовать локальное ухудшение свойства изоляции кабеля;

идентифицируют частотные компоненты в указанном спектре мощности во временной области t', обусловленные отражениями указанной волны широкополосного сигнала в местах x₁, x₂, …, x_n вдоль кабеля, причем указанные отражения волны вызваны нарушением непрерывности электрических параметров кабеля; и

вычисляют каждое из мест x_i по формуле:

,

устанавливают локальную степень ухудшения свойств для идентифицированного повреждения изоляции кабеля по меньшей мере в одном из указанных мест x₁, x₂, …, x_n вдоль кабеля путем анализа отражения второго порядка широкополосного сигнала в указанном идентифицированном месте повреждения.

12. Способ по п. 11, в котором дополнительно устанавливают разность между высотой пика отражения первого порядка и высотой пика отражения второго порядка в указанном спектре мощности и оценивают рассеяние в кабеле, с тем чтобы нормализовать высоту любого пика на любом расстоянии от выхода.

13. Способ по п. 11, в котором дополнительно устанавливают меру состояния указанного конца кабеля путем анализа конечного пика в указанном спектре мощности, при этом устанавливают соотношение между разностью dy для двух точек минимума с каждой стороны от указанного конечного пика и высотой dz указанного конечного пика.

14. Способ по п. 13, в котором дополнительно с использованием анализатора оценивают указанную оцененную относительную фазовую скорость v_r, при этом

оценивают по меньшей мере две резонансные частоты указанного комплексного импеданса Z_DUT кабеля;

идентифицируют два последовательных значения и соответственно резонансных частот указанного комплексного импеданса Z_DUT кабеля;

вычисляют первое значение относительной фазовой скорости v_r кабеля по формуле

,

где L - длина кабеля;

вычисляют указанную основную частоту f' кабеля во временной области t' с использованием указанной первой относительной фазовой скорости v_r по формуле

;

вычисляют второе значение указанной основной частоты путем нахождения максимального пикового значения во временной области t' в выбираемом интервале вокруг f',

и

вычисляют указанную оценку относительной фазовой скорости по формуле

.

15. Система контроля состояния электрического кабеля, содержащая

анализатор для вычисления комплексного импеданса Z_DUT кабеля, определяемого амплитудой и фазой, в виде функции частоты ;

средство генерации, предназначенное для генерации волны широкополосного сигнала, которая является модулированной по фазе и амплитуде импедансом кабеля, причем указанная волна широкополосного сигнала предназначена для подачи на первый конец кабеля;

модуль получения, предназначенный для получения на указанном первом конце кабеля указанной волны широкополосного сигнала, модулированной кабелем по фазе и амплитуде;

средство перевода, предназначенное для перевода указанного комплексного импеданса Z_DUT кабеля во временную область t',

анализатор, предназначенный для вычисления частоты во временной области t', причем частота является основной частотой псевдопериодической функции круговой частоты ω' и амплитуды A во временной области t', обусловленной отражением указанной волны широкополосного сигнала на расстоянии d от конца кабеля, при этом частота вычисляется по формуле:

,

где v₀ - скорость света в вакууме, a v_r - оцененная относительная фазовая скорость электрического сигнала в кабеле,

при этом указанный анализатор выполнен с возможностью выполнять анализ спектра мощности амплитуды и фазы указанного комплексного импеданса кабеля во временной области t', с тем чтобы обнаружить и локализовать любое локальное ухудшение свойства изоляции кабеля,

указанный анализатор также выполнен с возможностью идентифицировать частотные компоненты в указанном спектре мощности во временной области t', обусловленные отражениями волны в местах x₁, x₂, …, x_n вдоль кабеля, причем указанные отражения волны вызваны нарушением непрерывности электрических параметров кабеля, и

указанный анализатор выполнен с возможностью вычислять каждое из указанных мест x_i по формуле:

,

причем указанный анализатор дополнительно выполнен с возможностью устанавливать соотношение между действительной и мнимой частями преобразования Фурье спектра фазы импеданса для указанного спектра мощности в интервале около по меньшей мере одного из указанных мест x₁, x₂, …, x_n вдоль кабеля, и

идентифицировать изменение импеданса по меньшей мере в одном из мест x₁, x₂, …, x_n вдоль кабеля исходя из указанных действительной и мнимой частей.

16. Система по п. 15, в которой идентификация изменений импеданса включает идентификацию по меньшей мере одно из следующих изменений: ступенчатое повышение импеданса, ступенчатое понижение импеданса, точка повышенного импеданса и точка пониженного импеданса.

17. Система по п. 15 или 16, в которой точка повышенного импеданса идентифицируется, когда мнимая часть равна нулю, а действительная часть положительная.

18. Система по п. 15 или 16, в которой точка пониженного импеданса идентифицируется, когда мнимая часть равна нулю, а действительная часть отрицательная.

19. Система по п. 15 или 16, в которой ступенчатое повышение импеданса идентифицируется, когда действительная часть равна нулю, а мнимая часть положительная.

20. Система по п. 15 или 16, в которой ступенчатое понижение импеданса идентифицируется, когда действительная часть равна нулю, а мнимая часть отрицательная.

21. Система по п. 15, в которой участок кабеля идентифицируется с пониженным импедансом, когда за ступенчатым понижением импеданса в начале указанного участка кабеля следует ступенчатое повышение импеданса в конце указанного участка кабеля.

22. Система по п. 15, в которой участок кабеля идентифицируется с повышенным импедансом, когда за ступенчатым повышением импеданса в начале указанного участка кабеля следует ступенчатое понижение импеданса в конце указанного участка кабеля.

23. Система по п. 15, в которой устанавливается локальная степень ухудшения свойств для идентифицированного повреждения изоляции кабеля по меньшей мере в одном из указанных мест x₁, x₂, …, x_n вдоль кабеля путем анализа отражения второго порядка указанного широкополосного сигнала в указанном идентифицированном месте повреждения.

24. Система по п. 23, в которой устанавливается разность между высотой пика отражения первого порядка и высотой пика отражения второго порядка в указанном спектре мощности и оценивается рассеяние в кабеле, с тем чтобы нормализовать высоту любого пика на любом расстоянии от выхода.

25. Система по п. 15, в которой устанавливается мера состояния указанного конца кабеля путем анализа конечного пика в указанном спектре мощности, при этом устанавливается взаимосвязь между разностью dy для двух точек минимума с каждой стороны от указанного конечного пика и высотой dz указанного конечного пика.

26. Система по п. 15, в которой указанный анализатор дополнительно выполнен с возможностью

оценивать по меньшей мере две резонансные частоты указанного комплексного импеданса Z_DUT кабеля;

идентифицировать два последовательных значения и соответственно резонансных частот указанного комплексного импеданса Z_DUT кабеля;

вычислять первое значение относительной фазовой скорости v_r кабеля по формуле

,

где L - длина кабеля;

вычислять указанную основную частоту f' кабеля с использованием указанной первой относительной фазовой скорости v_r по формуле

;

вычислять второе значение указанной основной частоты путем нахождения максимального пикового значения во временной области t' в выбираемом интервале вокруг f',

и

вычислять указанную оценку относительной фазовой скорости по формуле

.