基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電力電纜故障定位

趙三虎

摘要：電力電纜線路與架空線路相比具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，包括占地面積小、供電可靠性高、電壓降較小、故障率低以及防雷擊等。近年來，隨著城市的建設(shè)、發(fā)展與電力電纜使用率的提高，其故障也越來越受到重視。比如短時(shí)的瞬時(shí)故障與接地故障、工程施工、地質(zhì)災(zāi)害等，均會(huì)造成電纜各種各樣的故障出現(xiàn)。因此如何快速定位電纜的故障點(diǎn)，對(duì)減少停電時(shí)間具有較為關(guān)鍵的作用。根據(jù)目前的了解，電力電纜故障定位通常使用電磁感應(yīng)裝置。但其存在抗干擾能力弱、操作復(fù)雜的問題，且無法直觀識(shí)別電纜的故障類型。本文主要分析基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電力電纜故障定位。

關(guān)鍵詞：電力電纜;增強(qiáng)現(xiàn)實(shí);故障定位;圖像編碼數(shù)據(jù)

近年來，隨著我國(guó)城市化的進(jìn)程不斷加速，對(duì)于電力電纜的應(yīng)用越來越多，現(xiàn)存的城市架空線路，需要改為地下電纜的電力傳輸形式。電力電纜雖然較為美觀，不會(huì)影響地面的城市建設(shè)，但由于其位于地下，一旦發(fā)生故障會(huì)給電力檢修帶來較大的困難。尤其是對(duì)電力電纜故障的快速、準(zhǔn)確定位，通常需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，不利于供電可靠性的提升。因此，開展電力電纜故障定位的研究具有較大的價(jià)值與潛力。

一、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)概述

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AugmentedReality，AR）技術(shù)是屬于人工智能的產(chǎn)物之一，其基本原理可表述為，在真實(shí)自然環(huán)境中顯示AR設(shè)備所收集的虛擬數(shù)據(jù)、三維模型等。將不在現(xiàn)場(chǎng)的事物以可視化的形式展現(xiàn)出來，即AR技術(shù)可以將虛擬影像與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合。而這種結(jié)合可從一定程度上打破空間的界限，給予用戶近乎真實(shí)的體驗(yàn)?，F(xiàn)階段，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)已應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。寶馬汽車公司已開發(fā)了AR汽車維修技術(shù)，我國(guó)相關(guān)團(tuán)隊(duì)也在通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)恢復(fù)歷史文物，目前已取得了一定的進(jìn)展。此外，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)、體育、教育及文娛活動(dòng)等領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用。該文基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電力電纜故障定位，采用計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，結(jié)合已有的電力電纜資料數(shù)據(jù)，建立與之相同的模型數(shù)據(jù)庫。然后通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)所收集到的數(shù)據(jù)資料與數(shù)據(jù)庫相匹配，對(duì)比得出特征圖，以上步驟有利于三維注冊(cè)階段的精度與速度。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持下，電力電纜可清晰地顯示在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，使得運(yùn)維檢修人員可直觀、快速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障，判斷故障地點(diǎn)與故障類型，具有較強(qiáng)的真實(shí)度，從而實(shí)現(xiàn)電纜故障的快速定位。

二、電纜常見故障分析

外力造成的電纜損傷。電力電纜損壞往往是在外力作用下形成的，如運(yùn)輸過程中電纜相互擠壓導(dǎo)致變形;電纜敷設(shè)過程中由于操作不符合規(guī)范導(dǎo)致被尖角、鐵釘、臺(tái)階凸起等尖銳物劃傷或由于過度彎曲而損傷電纜;電纜敷設(shè)后電纜路徑上進(jìn)行土建施工過程中造成電纜損傷。自然現(xiàn)象也會(huì)造成電纜受到外力損傷，如土地沉降使電纜受到過大拉力，造成中間接頭斷裂;土地中酸堿物質(zhì)對(duì)電纜外護(hù)套的過度腐蝕，也會(huì)引起電纜外護(hù)套出現(xiàn)麻點(diǎn)、穿孔或開裂，造成電纜損傷。傳輸電壓超負(fù)荷造成的電纜損傷。電力電纜自身所運(yùn)用的材料有著相應(yīng)的絕緣等級(jí)，如出現(xiàn)了很大的過電壓如對(duì)地短路、雷擊等事故，電纜絕緣層就可能出現(xiàn)被燒壞擊穿的問題;電纜制造中的工藝和設(shè)計(jì)問題。電力電纜在設(shè)計(jì)制造中，鉛（鋁）護(hù)層容易留下破口等缺陷。絕緣包裹過程中，紙絕緣也容易出現(xiàn)破損、褶皺和間隙重疊等缺陷。電纜的附件制造中會(huì)出現(xiàn)鑄鐵件砂眼，瓷件機(jī)械強(qiáng)度不夠和組裝密封性不嚴(yán)等缺陷。電纜中間接頭和終端的制造過程中，會(huì)出現(xiàn)防水和電場(chǎng)分布的設(shè)計(jì)缺陷，或制造工藝問題，容易導(dǎo)致后期運(yùn)行中發(fā)生故障。絕緣老化與受潮。電纜絕緣老化的一個(gè)重要原因是電纜絕緣介質(zhì)內(nèi)部存在氣隙，氣隙在絕緣介質(zhì)電離時(shí)會(huì)產(chǎn)生臭氧、硝酸等化學(xué)生成物，腐蝕絕緣、加速絕緣老化。電纜絕緣異常老化另一主因是過熱，電纜運(yùn)行溫度每提升8℃，電纜故障率會(huì)增加一倍。絕緣受潮也是電纜故障的一大誘因，造成電纜受潮的主要原因有：中間接頭盒或終端接頭結(jié)構(gòu)不密封，或安裝質(zhì)量低而導(dǎo)致進(jìn)水，電纜敷設(shè)時(shí)金屬護(hù)套被外物刺傷或運(yùn)行中被腐蝕穿孔、水從小孔或裂縫浸入電纜導(dǎo)致受潮。

三、電纜故障定位方法

（一）阻抗法

使用阻抗法進(jìn)行故障定位需要了解電路參數(shù)，測(cè)量點(diǎn)和故障點(diǎn)之間的阻抗可以測(cè)量或計(jì)算，電纜電路參數(shù)必須均勻分布。在這種情況下，可以使用特定方程式計(jì)算預(yù)設(shè)距離。電橋法是阻抗法之一，電橋法是電纜故障定位技術(shù)發(fā)展初期最常用的方法。在電氣跳線方法中找到故障時(shí)，忽略電纜回路分布參數(shù)會(huì)影響電纜處理作為一個(gè)基準(zhǔn)參數(shù)，因此，在同一時(shí)間，電纜上任何點(diǎn)的電流都相同，且沒有相位偏差，電纜體的電阻與在定位故障前，必須將故障階段的一端連接到另一端，電橋的兩條臂分別連接到故障階段和非故障階段的另一端，然后調(diào)節(jié)電橋上的電阻，使電橋平衡，當(dāng)電橋平衡時(shí)平衡電橋后，故障點(diǎn)與觀測(cè)點(diǎn)之間的距離可以通過簡(jiǎn)單的壓力關(guān)系和已知的電纜長(zhǎng)度來確定。低壓電橋通常用于低電阻電纜，電容電橋用于斷線電纜。電橋法測(cè)量準(zhǔn)確，但作為測(cè)量回路需要狀態(tài)良好的非缺陷相，試驗(yàn)電壓不應(yīng)過高，電橋法的缺陷定位原理簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，但只適用于少數(shù)幾種特殊缺陷對(duì)于高強(qiáng)度缺陷，電橋方法無效。由于應(yīng)用電壓低，在電阻較高的情況下，電橋上的電流非常小，因此對(duì)流量計(jì)的測(cè)量精度要求很高，如果精度不夠，容易引起定位誤差。此外，使用電橋方法需要事先了解詳細(xì)的電纜參數(shù)，而這對(duì)于工程實(shí)踐來說往往是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，而且隨著新技術(shù)的發(fā)展，電橋方法將逐漸從電纜故障排除現(xiàn)場(chǎng)消失。

（二）聲磁同步定點(diǎn)法

當(dāng)電纜使用高沖擊電壓來固定點(diǎn)時(shí)，放電不僅會(huì)在出現(xiàn)故障時(shí)導(dǎo)致電纜被壓入的位置產(chǎn)生聲波振動(dòng)，而且還會(huì)在電纜主體上產(chǎn)生可通過磁性天線接收到的沖擊電磁波。使用此公用功能進(jìn)行的電纜故障測(cè)試是聲音磁同步的方法。

（三）時(shí)間差同步定點(diǎn)法

電纜故障檢測(cè)方法在電纜沖擊閃光出現(xiàn)時(shí)，利用電磁波與地震波之間的時(shí)間差。時(shí)差是一種物理現(xiàn)象，即電磁波的傳播速度是光速，而地震波的傳播速度是聲速。根據(jù)時(shí)差，可以確定電纜故障點(diǎn)與測(cè)試點(diǎn)之間的距離，以確定故障位置。

（四）平衡電橋法

平衡電橋法是根據(jù)電橋平衡時(shí)電阻與長(zhǎng)度的比例關(guān)系計(jì)算故障距離。這種方法主要是實(shí)現(xiàn)被測(cè)電纜的非故障相和故障相之間的短路。電橋的兩臂分別連接到非故障相和故障相，通過電阻變換器的調(diào)節(jié)最終達(dá)到電橋平衡的要求。該方法主要用于短路、低電阻接地和外護(hù)套引起的故障，但不能檢測(cè)三相電路的低電阻故障。一旦發(fā)生高電阻引起的電路故障，可以通過變換轉(zhuǎn)換成低電阻故障，然后重新測(cè)量。在改造中，可以考慮用負(fù)高壓燒穿故障點(diǎn)，但需要注意的是，并不是所有的故障都可以用這種方法。

（五）聲測(cè)法

聲測(cè)法是一種精確的定位方法，用于檢測(cè)電纜故障點(diǎn)產(chǎn)生的聲音，因?yàn)槁暡ㄔ诮橘|(zhì)或空氣中傳播時(shí)衰減很快，因此聲音信號(hào)可以幫助確定故障點(diǎn)是否在檢測(cè)點(diǎn)附近。如果電纜埋設(shè)過淺或保護(hù)層受損，則可以在外部發(fā)出更大的排氣聲，而無需使用外部?jī)x器;反之，如果電纜導(dǎo)管未燒毀，放電聲較低，則需要一個(gè)高精度的接收儀器，通過測(cè)量、轉(zhuǎn)換和放大低振動(dòng)信號(hào)，使其成為可聽到的信號(hào)。聲學(xué)儀器的結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，價(jià)格比較低，定位精度高，缺點(diǎn)是容易被噪聲干擾，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境噪聲高時(shí)可能無法采用這種方法進(jìn)行故障排除。

四、系統(tǒng)流程

①需要獲取增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示輸出設(shè)備的當(dāng)前位置編碼數(shù)據(jù)信息，以及與之相匹配的所在環(huán)境對(duì)應(yīng)的當(dāng)前圖像編碼數(shù)據(jù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理與校對(duì)做資料準(zhǔn)備。②將所述的當(dāng)前圖像編碼數(shù)據(jù)與特征圖形庫中的預(yù)制數(shù)據(jù)做對(duì)比匹配分析，確定與當(dāng)前圖像編碼數(shù)據(jù)匹配，生成三維注冊(cè)的數(shù)據(jù)資料，這些數(shù)據(jù)包括外形數(shù)據(jù)、視角數(shù)據(jù)和空間距離數(shù)據(jù)。③進(jìn)行三維定位注冊(cè)，調(diào)整當(dāng)前位置編碼與目標(biāo)圖像的虛擬數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維注冊(cè)編碼。建立電纜的視頻采集數(shù)據(jù)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的匹配坐標(biāo)系，進(jìn)而調(diào)整位置關(guān)系。④獲取生成所述三維注冊(cè)指令的觸發(fā)時(shí)刻，根據(jù)觸發(fā)時(shí)刻與目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)，調(diào)取虛擬電纜數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)的空間圖像數(shù)據(jù)。⑤對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，將編碼后的空間距離相關(guān)數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)關(guān)系，發(fā)送至增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備中。將電纜的實(shí)際情況顯示至預(yù)先設(shè)定好的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，以此判斷電纜的運(yùn)行狀態(tài)是否良好或處于何種故障狀態(tài)。

五、典型案例

華北區(qū)域某熱電廠在2號(hào)機(jī)停電檢修時(shí)，對(duì)GIS至變壓器間三相電纜進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果顯示C相電纜外護(hù)套絕緣電阻值為0.03MΩ/km，低于DL/T1253-2013《電力電纜線路運(yùn)行規(guī)程》中關(guān)于絕緣電阻值的相關(guān)要求，初步懷疑外護(hù)套絕緣受損。技術(shù)人員前往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行故障分析。首先通過復(fù)測(cè)絕緣電阻值，排除電纜因受潮或儀器接觸不良產(chǎn)生的干擾，確認(rèn)故障點(diǎn)依然存在;接著使用儀器對(duì)外護(hù)套進(jìn)行直流耐壓測(cè)試，確認(rèn)外護(hù)套絕緣約為700V左右且泄漏電流較大，判斷為低阻故障;之后使用儀器對(duì)故障進(jìn)行定位，利用電橋法初步定位故障點(diǎn)位于GIS側(cè)620米左右。通過實(shí)地勘探大致確定為C相電纜中間接頭處，在其附近利用跨步電壓法進(jìn)行精準(zhǔn)定位，確定故障點(diǎn)為電纜接頭防爆房中;最終在C相電纜中間接頭的表面上方，發(fā)現(xiàn)由于電纜分支上的緊固螺絲對(duì)主電纜產(chǎn)生了擠壓，造成了主電纜鎧裝及護(hù)套的破損，由此產(chǎn)生了絕緣的缺陷。通過對(duì)螺絲及電纜表層分別纏繞絕緣膠布和絕緣護(hù)套等措施，重新對(duì)電纜進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果合格，確認(rèn)缺陷已經(jīng)消除。

六、結(jié)束語

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用仍處于初步探索階段。一方面，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備較為昂貴，且對(duì)通信要求較高，維護(hù)成本會(huì)增加，初始投資較大;另一方面，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電力電纜方面的應(yīng)用僅可通過視覺感官來判斷故障與否以及故障類型，但對(duì)于電纜內(nèi)部故障無法作出準(zhǔn)確判斷。在未來的應(yīng)用中，探索多種電力電纜故障識(shí)別、定位方法的結(jié)合，具有較大的研究潛力。

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