基于增強現實技術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特的優勢，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、發展與電力電纜使用率的提高，其故障也越來越受到重視。比如短時的瞬時故障與接地故障、工程施工、地質災害等，均會造成電纜各種各樣的故障出現。因此如何快速定位電纜的故障點，對減少停電時間具有較為關鍵的作用。根據目前的了解，電力電纜故障定位通常使用電磁感應裝置。但其存在抗干擾能力弱、操作復雜的問題，且無法直觀識別電纜的故障類型。本文主要分析基于增強現實技術的電力電纜故障定位。

關鍵詞：電力電纜;增強現實;故障定位;圖像編碼數據

近年來，隨著我國城市化的進程不斷加速，對于電力電纜的應用越來越多，現存的城市架空線路，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，不會影響地面的城市建設，但由于其位于地下，一旦發生故障會給電力檢修帶來較大的困難。尤其是對電力電纜故障的快速、準確定位，通常需要耗費大量的時間，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值與潛力。

一、增強現實概述

增強現實（AugmentedReality，AR）技術是屬于人工智能的產物之一，其基本原理可表述為，在真實自然環境中顯示AR設備所收集的虛擬數據、三維模型等。將不在現場的事物以可視化的形式展現出來，即AR技術可以將虛擬影像與現實相結合。而這種結合可從一定程度上打破空間的界限，給予用戶近乎真實的體驗。現階段，增強現實技術已應用于多個領域。寶馬汽車公司已開發了AR汽車維修技術，我國相關團隊也在通過增強現實技術恢復歷史文物，目前已取得了一定的進展。此外，增強現實技術在醫學、體育、教育及文娛活動等領域均有重要的應用。該文基于增強現實技術的電力電纜故障定位，采用計算機輔助系統，結合已有的電力電纜資料數據，建立與之相同的模型數據庫。然后通過增強現實技術所收集到的數據資料與數據庫相匹配，對比得出特征圖，以上步驟有利于三維注冊階段的精度與速度。在增強現實技術支持下，電力電纜可清晰地顯示在現實環境中，使得運維檢修人員可直觀、快速、準確地發現故障，判斷故障地點與故障類型，具有較強的真實度，從而實現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，如運輸過程中電纜相互擠壓導致變形;電纜敷設過程中由于操作不符合規范導致被尖角、鐵釘、臺階凸起等尖銳物劃傷或由于過度彎曲而損傷電纜;電纜敷設后電纜路徑上進行土建施工過程中造成電纜損傷。自然現象也會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;土地中酸堿物質對電纜外護套的過度腐蝕，也會引起電纜外護套出現麻點、穿孔或開裂，造成電纜損傷。傳輸電壓超負荷造成的電纜損傷。電力電纜自身所運用的材料有著相應的絕緣等級，如出現了很大的過電壓如對地短路、雷擊等事故，電纜絕緣層就可能出現被燒壞擊穿的問題;電纜制造中的工藝和設計問題。電力電纜在設計制造中，鉛（鋁）護層容易留下破口等缺陷。絕緣包裹過程中，紙絕緣也容易出現破損、褶皺和間隙重疊等缺陷。電纜的附件制造中會出現鑄鐵件砂眼，瓷件機械強度不夠和組裝密封性不嚴等缺陷。電纜中間接頭和終端的制造過程中，會出現防水和電場分布的設計缺陷，或制造工藝問題，容易導致后期運行中發生故障。絕緣老化與受潮。電纜絕緣老化的一個重要原因是電纜絕緣介質內部存在氣隙，氣隙在絕緣介質電離時會產生臭氧、硝酸等化學生成物，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，電纜運行溫度每提升8℃，電纜故障率會增加一倍。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構不密封，或安裝質量低而導致進水，電纜敷設時金屬護套被外物刺傷或運行中被腐蝕穿孔、水從小孔或裂縫浸入電纜導致受潮。

三、電纜故障定位方法

（一）阻抗法

使用阻抗法進行故障定位需要了解電路參數，測量點和故障點之間的阻抗可以測量或計算，電纜電路參數必須均勻分布。在這種情況下，可以使用特定方程式計算預設距離。電橋法是阻抗法之一，電橋法是電纜故障定位技術發展初期最常用的方法。在電氣跳線方法中找到故障時，忽略電纜回路分布參數會影響電纜處理作為一個基準參數，因此，在同一時間，電纜上任何點的電流都相同，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，然后調節電橋上的電阻，使電橋平衡，當電橋平衡時平衡電橋后，故障點與觀測點之間的距離可以通過簡單的壓力關系和已知的電纜長度來確定。低壓電橋通常用于低電阻電纜，電容電橋用于斷線電纜。電橋法測量準確，但作為測量回路需要狀態良好的非缺陷相，試驗電壓不應過高，電橋法的缺陷定位原理簡單，測量精度高，但只適用于少數幾種特殊缺陷對于高強度缺陷，電橋方法無效。由于應用電壓低，在電阻較高的情況下，電橋上的電流非常小，因此對流量計的測量精度要求很高，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的電纜參數，而這對于工程實踐來說往往是一項挑戰，而且隨著新技術的發展，電橋方法將逐漸從電纜故障排除現場消失。

（二）聲磁同步定點法

當電纜使用高沖擊電壓來固定點時，放電不僅會在出現故障時導致電纜被壓入的位置產生聲波振動，而且還會在電纜主體上產生可通過磁性天線接收到的沖擊電磁波。使用此公用功能進行的電纜故障測試是聲音磁同步的方法。

（三）時間差同步定點法

電纜故障檢測方法在電纜沖擊閃光出現時，利用電磁波與地震波之間的時間差。時差是一種物理現象，即電磁波的傳播速度是光速，而地震波的傳播速度是聲速。根據時差，可以確定電纜故障點與測試點之間的距離，以確定故障位置。

（四）平衡電橋法

平衡電橋法是根據電橋平衡時電阻與長度的比例關系計算故障距離。這種方法主要是實現被測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節最終達到電橋平衡的要求。該方法主要用于短路、低電阻接地和外護套引起的故障，但不能檢測三相電路的低電阻故障。一旦發生高電阻引起的電路故障，可以通過變換轉換成低電阻故障，然后重新測量。在改造中，可以考慮用負高壓燒穿故障點，但需要注意的是，并不是所有的故障都可以用這種方法。

（五）聲測法

聲測法是一種精確的定位方法，用于檢測電纜故障點產生的聲音，因為聲波在介質或空氣中傳播時衰減很快，因此聲音信號可以幫助確定故障點是否在檢測點附近。如果電纜埋設過淺或保護層受損，則可以在外部發出更大的排氣聲，而無需使用外部儀器;反之，如果電纜導管未燒毀，放電聲較低，則需要一個高精度的接收儀器，通過測量、轉換和放大低振動信號，使其成為可聽到的信號。聲學儀器的結構和原理簡單，價格比較低，定位精度高，缺點是容易被噪聲干擾，現場環境噪聲高時可能無法采用這種方法進行故障排除。

四、系統流程

①需要獲取增強現實顯示輸出設備的當前位置編碼數據信息，以及與之相匹配的所在環境對應的當前圖像編碼數據，為后續的數據處理與校對做資料準備。②將所述的當前圖像編碼數據與特征圖形庫中的預制數據做對比匹配分析，確定與當前圖像編碼數據匹配，生成三維注冊的數據資料，這些數據包括外形數據、視角數據和空間距離數據。③進行三維定位注冊，調整當前位置編碼與目標圖像的虛擬數據，進行三維注冊編碼。建立電纜的視頻采集數據與增強現實顯示設備的匹配坐標系，進而調整位置關系。④獲取生成所述三維注冊指令的觸發時刻，根據觸發時刻與目標圖像數據，調取虛擬電纜數據庫中對應的空間圖像數據。⑤對空間數據進行編碼，將編碼后的空間距離相關數據與其對應關系，發送至增強現實顯示設備中。將電纜的實際情況顯示至預先設定好的現實環境中，以此判斷電纜的運行狀態是否良好或處于何種故障狀態。

五、典型案例

華北區域某熱電廠在2號機停電檢修時，對GIS至變壓器間三相電纜進行絕緣電阻測試，試驗結果顯示C相電纜外護套絕緣電阻值為0.03MΩ/km，低于DL/T1253-2013《電力電纜線路運行規程》中關于絕緣電阻值的相關要求，初步懷疑外護套絕緣受損。技術人員前往現場進行故障分析。首先通過復測絕緣電阻值，排除電纜因受潮或儀器接觸不良產生的干擾，確認故障點依然存在;接著使用儀器對外護套進行直流耐壓測試，確認外護套絕緣約為700V左右且泄漏電流較大，判斷為低阻故障;之后使用儀器對故障進行定位，利用電橋法初步定位故障點位于GIS側620米左右。通過實地勘探大致確定為C相電纜中間接頭處，在其附近利用跨步電壓法進行精準定位，確定故障點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，發現由于電纜分支上的緊固螺絲對主電纜產生了擠壓，造成了主電纜鎧裝及護套的破損，由此產生了絕緣的缺陷。通過對螺絲及電纜表層分別纏繞絕緣膠布和絕緣護套等措施，重新對電纜進行絕緣電阻測試，試驗結果合格，確認缺陷已經消除。

六、結束語

增強現實技術在電力系統中的應用仍處于初步探索階段。一方面，增強現實設備較為昂貴，且對通信要求較高，維護成本會增加，初始投資較大;另一方面，增強現實技術在電力電纜方面的應用僅可通過視覺感官來判斷故障與否以及故障類型，但對于電纜內部故障無法作出準確判斷。在未來的應用中，探索多種電力電纜故障識別、定位方法的結合，具有較大的研究潛力。

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