基于增强现实技术的电力电缆故障定位

赵三虎

摘要：电力电缆线路与架空线路相比具有独特的优势，包括占地面积小、供电可靠性高、电压降较小、故障率低以及防雷击等。近年来，随着城市的建设、发展与电力电缆使用率的提高，其故障也越来越受到重视。比如短时的瞬时故障与接地故障、工程施工、地质灾害等，均会造成电缆各种各样的故障出现。因此如何快速定位电缆的故障点，对减少停电时间具有较为关键的作用。根据目前的了解，电力电缆故障定位通常使用电磁感应装置。但其存在抗干扰能力弱、操作复杂的问题，且无法直观识别电缆的故障类型。本文主要分析基于增强现实技术的电力电缆故障定位。

关键词：电力电缆;增强现实;故障定位;图像编码数据

近年来，随着我国城市化的进程不断加速，对于电力电缆的应用越来越多，现存的城市架空线路，需要改为地下电缆的电力传输形式。电力电缆虽然较为美观，不會影响地面的城市建设，但由于其位于地下，一旦发生故障会给电力检修带来较大的困难。尤其是对电力电缆故障的快速、准确定位，通常需要耗费大量的时间，不利于供电可靠性的提升。因此，开展电力电缆故障定位的研究具有较大的价值与潜力。

一、增强现实概述

增强现实（AugmentedReality，AR）技术是属于人工智能的产物之一，其基本原理可表述为，在真实自然环境中显示AR设备所收集的虚拟数据、三维模型等。将不在现场的事物以可视化的形式展现出来，即AR技术可以将虚拟影像与现实相结合。而这种结合可从一定程度上打破空间的界限，给予用户近乎真实的体验。现阶段，增强现实技术已应用于多个领域。宝马汽车公司已开发了AR汽车维修技术，我国相关团队也在通过增强现实技术恢复历史文物，目前已取得了一定的进展。此外，增强现实技术在医学、体育、教育及文娱活动等领域均有重要的应用。该文基于增强现实技术的电力电缆故障定位，采用计算机辅助系统，结合已有的电力电缆资料数据，建立与之相同的模型数据库。然后通过增强现实技术所收集到的数据资料与数据库相匹配，对比得出特征图，以上步骤有利于三维注册阶段的精度与速度。在增强现实技术支持下，电力电缆可清晰地显示在现实环境中，使得运维检修人员可直观、快速、准确地发现故障，判断故障地点与故障类型，具有较强的真实度，从而实现电缆故障的快速定位。

二、电缆常见故障分析

外力造成的电缆损伤。电力电缆损坏往往是在外力作用下形成的，如运输过程中电缆相互挤压导致变形;电缆敷设过程中由于操作不符合规范导致被尖角、铁钉、台阶凸起等尖锐物划伤或由于过度弯曲而损伤电缆;电缆敷设后电缆路径上进行土建施工过程中造成电缆损伤。自然现象也会造成电缆受到外力损伤，如土地沉降使电缆受到过大拉力，造成中间接头断裂;土地中酸碱物质对电缆外护套的过度腐蚀，也会引起电缆外护套出现麻点、穿孔或开裂，造成电缆损伤。传输电压超负荷造成的电缆损伤。电力电缆自身所运用的材料有着相应的绝缘等级，如出现了很大的过电压如对地短路、雷击等事故，电缆绝缘层就可能出现被烧坏击穿的问题;电缆制造中的工艺和设计问题。电力电缆在设计制造中，铅（铝）护层容易留下破口等缺陷。绝缘包裹过程中，纸绝缘也容易出现破损、褶皱和间隙重叠等缺陷。电缆的附件制造中会出现铸铁件砂眼，瓷件机械强度不够和组装密封性不严等缺陷。电缆中间接头和终端的制造过程中，会出现防水和电场分布的设计缺陷，或制造工艺问题，容易导致后期运行中发生故障。绝缘老化与受潮。电缆绝缘老化的一个重要原因是电缆绝缘介质内部存在气隙，气隙在绝缘介质电离时会产生臭氧、硝酸等化学生成物，腐蚀绝缘、加速绝缘老化。电缆绝缘异常老化另一主因是过热，电缆运行温度每提升8℃，电缆故障率会增加一倍。绝缘受潮也是电缆故障的一大诱因，造成电缆受潮的主要原因有：中间接头盒或终端接头结构不密封，或安装质量低而导致进水，电缆敷设时金属护套被外物刺伤或运行中被腐蚀穿孔、水从小孔或裂缝浸入电缆导致受潮。

三、电缆故障定位方法

（一）阻抗法

使用阻抗法进行故障定位需要了解电路参数，测量点和故障点之间的阻抗可以测量或计算，电缆电路参数必须均匀分布。在这种情况下，可以使用特定方程式计算预设距离。电桥法是阻抗法之一，电桥法是电缆故障定位技术发展初期最常用的方法。在电气跳线方法中找到故障时，忽略电缆回路分布参数会影响电缆处理作为一个基准参数，因此，在同一时间，电缆上任何点的电流都相同，且没有相位偏差，电缆体的电阻与在定位故障前，必须将故障阶段的一端连接到另一端，电桥的两条臂分别连接到故障阶段和非故障阶段的另一端，然后调节电桥上的电阻，使电桥平衡，当电桥平衡时平衡电桥后，故障点与观测点之间的距离可以通过简单的压力关系和已知的电缆长度来确定。低压电桥通常用于低电阻电缆，电容电桥用于断线电缆。电桥法测量准确，但作为测量回路需要状态良好的非缺陷相，试验电压不应过高，电桥法的缺陷定位原理简单，测量精度高，但只适用于少数几种特殊缺陷对于高强度缺陷，电桥方法无效。由于应用电压低，在电阻较高的情况下，电桥上的电流非常小，因此对流量计的测量精度要求很高，如果精度不够，容易引起定位误差。此外，使用电桥方法需要事先了解详细的电缆参数，而这对于工程实践来说往往是一项挑战，而且随着新技术的发展，电桥方法将逐渐从电缆故障排除现场消失。

（二）声磁同步定点法

当电缆使用高冲击电压来固定点时，放电不仅会在出现故障时导致电缆被压入的位置产生声波振动，而且还会在电缆主体上产生可通过磁性天线接收到的冲击电磁波。使用此公用功能进行的电缆故障测试是声音磁同步的方法。

（三）时间差同步定点法

电缆故障检测方法在电缆冲击闪光出现时，利用电磁波与地震波之间的时间差。时差是一种物理现象，即电磁波的传播速度是光速，而地震波的传播速度是声速。根据时差，可以确定电缆故障点与测试点之间的距离，以确定故障位置。

（四）平衡电桥法

平衡电桥法是根据电桥平衡时电阻与长度的比例关系计算故障距离。这种方法主要是实现被测电缆的非故障相和故障相之间的短路。电桥的两臂分别连接到非故障相和故障相，通过电阻变换器的调节最终达到电桥平衡的要求。该方法主要用于短路、低电阻接地和外护套引起的故障，但不能检测三相电路的低电阻故障。一旦发生高电阻引起的电路故障，可以通过变换转换成低电阻故障，然后重新测量。在改造中，可以考虑用负高压烧穿故障点，但需要注意的是，并不是所有的故障都可以用这种方法。

（五）声测法

声测法是一种精确的定位方法，用于检测电缆故障点产生的声音，因为声波在介質或空气中传播时衰减很快，因此声音信号可以帮助确定故障点是否在检测点附近。如果电缆埋设过浅或保护层受损，则可以在外部发出更大的排气声，而无需使用外部仪器;反之，如果电缆导管未烧毁，放电声较低，则需要一个高精度的接收仪器，通过测量、转换和放大低振动信号，使其成为可听到的信号。声学仪器的结构和原理简单，价格比较低，定位精度高，缺点是容易被噪声干扰，现场环境噪声高时可能无法采用这种方法进行故障排除。

四、系统流程

①需要获取增强现实显示输出设备的当前位置编码数据信息，以及与之相匹配的所在环境对应的当前图像编码数据，为后续的数据处理与校对做资料准备。②将所述的当前图像编码数据与特征图形库中的预制数据做对比匹配分析，确定与当前图像编码数据匹配，生成三维注册的数据资料，这些数据包括外形数据、视角数据和空间距离数据。③进行三维定位注册，调整当前位置编码与目标图像的虚拟数据，进行三维注册编码。建立电缆的视频采集数据与增强现实显示设备的匹配坐标系，进而调整位置关系。④获取生成所述三维注册指令的触发时刻，根据触发时刻与目标图像数据，调取虚拟电缆数据库中对应的空间图像数据。⑤对空间数据进行编码，将编码后的空间距离相关数据与其对应关系，发送至增强现实显示设备中。将电缆的实际情况显示至预先设定好的现实环境中，以此判断电缆的运行状态是否良好或处于何种故障状态。

五、典型案例

华北区域某热电厂在2号机停电检修时，对GIS至变压器间三相电缆进行绝缘电阻测试，试验结果显示C相电缆外护套绝缘电阻值为0.03MΩ/km，低于DL/T1253-2013《电力电缆线路运行规程》中关于绝缘电阻值的相关要求，初步怀疑外护套绝缘受损。技术人员前往现场进行故障分析。首先通过复测绝缘电阻值，排除电缆因受潮或仪器接触不良产生的干扰，确认故障点依然存在;接着使用仪器对外护套进行直流耐压测试，确认外护套绝缘约为700V左右且泄漏电流较大，判断为低阻故障;之后使用仪器对故障进行定位，利用电桥法初步定位故障点位于GIS侧620米左右。通过实地勘探大致确定为C相电缆中间接头处，在其附近利用跨步电压法进行精准定位，确定故障点为电缆接头防爆房中;最终在C相电缆中间接头的表面上方，发现由于电缆分支上的紧固螺丝对主电缆产生了挤压，造成了主电缆铠装及护套的破损，由此产生了绝缘的缺陷。通过对螺丝及电缆表层分别缠绕绝缘胶布和绝缘护套等措施，重新对电缆进行绝缘电阻测试，试验结果合格，确认缺陷已经消除。

六、结束语

增强现实技术在电力系统中的应用仍处于初步探索阶段。一方面，增强现实设备较为昂贵，且对通信要求较高，维护成本会增加，初始投资较大;另一方面，增强现实技术在电力电缆方面的应用仅可通过视觉感官来判断故障与否以及故障类型，但对于电缆内部故障无法作出准确判断。在未来的应用中，探索多种电力电缆故障识别、定位方法的结合，具有较大的研究潜力。

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