一种内窥镜式地下电缆故障检测系统及故障分析方法与流程

本发明涉及电缆故障检测技术领域，尤其涉及一种内窥镜式地下电缆故障检测系统及故障分析方法。

背景技术：

随着我国城市建设的迅猛发展，城市用地紧张，交通压力大，市容建设等原因，地下电缆输电方式在城市供电及城市建设中被普遍采用。地下电缆常铺设于电缆沟、隧道、管道或室内。地下电缆的管理比高空电缆复杂得多，需要地下电缆的位置、走向、深度等信息准确，便于相应的测量、敷设、检修、管理与维护。地下电力电缆在广泛应用过程中，也经常会有各种故障发生，而这些发生在地下的故障，难于被及时发现与迅速处理，这为用电安全带来严重的安全隐患。

随着城市供电方式由架空线路改为地下电缆埋设，对配电网及地下电缆供电的可靠性和供电质量的要求越来越高。地下电缆一般运行周期长，且容易受到渗水或者虫害等其他灾害影响。因此，对电缆沿线上的配电网及地下电缆内的相关设备的运行状态进行实时综合监测尤其重要。传统的在线监测技术包括电缆故障技术、电缆线芯监测技术、电气柜内火情监测与灭火技术，单纯依赖这些设备和技术，在电缆应急抢修或日常维护时，依然需要对电缆进行开挖探测、停电开柜等重复性试验、逐一排查，导致地下电缆维护工作繁重、操作复杂、难度大、风险高，电缆等地下设施管理非常困难。因此，研究一种能够快速有效的寻找电缆故障点的方式十分必要。

当前电缆故障检测使用的方法主要有声测法、声磁同步法、音频感应法、跨步电压法和局部过热法。其中，声测法：在故障电力电缆一端施加脉冲高压后，故障点在高压作用下会产生放电，并产生回波、声波、电磁波等现象，利用故障点处的声波来判断故障点的方法就叫声测法。声波在土壤中的衰减是比较快的，对于直埋电缆，往往听到的故障处放电声波会在很小的范围之内，故障点处振动的声音最大，离故障点越远，振动的声音越小，而最终定位故障点根据经验会在米的范围内。声磁同步法：当施加高电压在故障电缆上使故障点击穿时，巨大的瞬时电流会在电缆周围(全长范围内)产生磁场信号和声音信号。分别通过不同的检测探头接收电磁信号和声音信号，电磁信号传播的速度快，可认为其瞬间到达检测器，所以将声音信号从故障点到达检测器所需要的时间记为声磁延时值，根据声磁延时值可测算出故障距离，距离最小和声音最大点即为故障点。音频感应法：将左右的音频电流信号通入故障电缆，信号接收使用检测线圈，信号放大是在接收机中进行的，监听信号变化采用耳机，此时监听到的信号中断点即为电缆故障点。跨步电压法：当电缆产生保护层绝缘破损的故障时，施加高压脉冲给故障电缆，此时故障点会构成喇叭形的电位分布，依据此原理将电压表两头接在地面，电压表的指针会摆动以此来指示故障方向并找到故障点。局部过热法：长时间连续向故障电缆施加高压冲击或直流高压直到击穿故障点，击穿电流会使故障点释放大量的热，用手触摸感受热度地变化直到感受到热度最高一点即为故障点。

然而，上述几种传统的地下电缆故障检测手段，由于均不是对地下管道内部进行直接观测，仅是通过单一传感器获取检测信号来进行判断，容易造成检测结果误差较大、精确性无法保证等问题；同时，对于故障点的判断均需要人工执行判断或者计算得出，判断依据不直观同样带来了一定的误差；如果采用两种以上的方法进行检测，不仅不会大幅增加测量精度，还会使得监测成本剧增。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种内窥镜式地下电缆故障检测系统及故障分析方法，以解决现有技术中检测方法检测误差大、检测精度较低，检测成本高等问题。

本申请提供了一种内窥镜式地下电缆故障检测系统，包括传感器集成探头，数据采集传送设备和数据处理中心；

所述传感器集成探头可移动设于地下电缆管道内部，用于获取地下电缆的故障信号；

所述传感器集成探头的一端设有成像组件；所述传感器集成探头内部设有集成传感器组件；

所述成像组件和所述传感器组件分别通过传导线与所述数据采集传送设备连接；

所述数据采集传送设备与所述数据处理中心连接，用于将所述传感器集成探头获取到的故障信号发送至数据处理中心；

所述数据处理中心用于根据故障信号得到故障分析结果。

可选的，所述传感器集成探头为圆柱状结构，包括顺次连接的探头前盖、摄像头固定端盖、探头筒壁、信号线疏导端盖以及探头后盖；其中，

所述成像组件位于所述摄像头固定端盖内部；所述成像组件包括摄像头以及沿所述摄像头周向排布的若干个led灯具；所述摄像头的中心轴与所述摄像头固定端盖的中心轴重合；

所述传感器组件包括传感器安装板以及安装在所述传感器安装板同一侧的电磁传感器、声音传感器和温湿度传感器；所述传感器安装板安装在所述探头筒壁的内部；所述探头筒壁设有使内外连通的通孔；

所述探头前盖和所述探头后盖的中心均为镂空结构；

所述信号线疏导端盖的一端从所述探头后盖中心穿出。

可选的，所述通孔设有多个，且多个所述通孔沿所述探头筒壁外圆周面均匀分布。

可选的，所述探头前盖中心嵌有玻璃片。

可选的，所述传感器安装板的表面涂覆有保护层，所述保护层分别包覆在所述电磁传感器、声音传感器和温湿度传感器的外部。

可选的，所述保护层为冰凝胶层。

可选的，所述探头前盖、摄像头固定端盖、探头筒壁、信号线疏导端盖以及探头后盖均采用pla材料或abs材料制成。

可选的，所述传感器集成探头的内外壁均采用光滑处理。

可选的，所述数据处理中心包括：

信号获取模块，用于接收所述数据采集传送设备发送的故障信号；

电磁信号分析模块，用于根据故障信号中的电磁信号，生成电磁强度波形图；

声音信号分析模块，用于根据故障信号中的声音信号，生成声音强度波形图；

温湿度信号分析模块，用于根据故障信号中的温湿度信号，生成温度和湿度波形图；

显示模块，用于将故障信号中的视频信号生成视频图像，并将生成的视频图像连同电磁强度波形图、声音强度波形图、温度和湿度波形图显示于显示屏；

数据分析模块，用于根据确定的故障点的位置生成故障分析结果。

本申请还提供了一种内窥镜式地下电缆故障检测分析方法，包括：

传感器集成探头沿地下电缆管道方向移动，同时获取地下电缆的故障信号；所述故障信号包括视频信号、电磁信号、声音信号和温湿度信号；

获取到的故障信号由数据采集传送设备发送至数据处理中心；

数据处理中心根据故障信号分别生成电磁强度波形图、声音强度波形图、温度和湿度波形图以及视频图像并集中显示；

数据处理中心分别获取电磁强度波形图、声音强度波形图以及温度和湿度波形图中的波峰位置；

将波峰位置对应的传感器集成探头所在位置确定为故障点。

本申请提供的技术方案具有下列有益效果：

一、采用内窥镜式探头结构，可以深入地下电缆管道内部，对管道内部的电缆所在环境进行直观监测，克服现有技术只能在管道外部检测的弊端；

二、采用多种传感器分别采集不同信号，并根据多种信号综合分析来判断故障点，使测量结果更为精确；

三、采用上位机执行数据处理，界面友好，观测直观，具有较佳的人机交互性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一种内窥镜式地下电缆故障检测系统的结构示意图；

图2为本申请一种内窥镜式地下电缆故障检测系统中传感器集成探头的拆解示意图；

图3为图2中摄像头固定端盖内部结构示意图；

图4为本申请一种内窥镜式地下电缆故障检测系统中集成传感器组件结构示意图；

图5为本申请一种内窥镜式地下电缆故障检测系统中数据处理中心的构成图；

图6为本申请提供的系统生成的电磁强度波形图；

图7为本申请提供的系统生成的声音强度波形图；

图8为本申请提供的系统生成的总波形图；

图9为本申请一种内窥镜式地下电缆故障检测分析方法的流程图。

其中，100-传感器集成探头，101-探头前盖，102-摄像头固定端盖，103-探头筒壁，104-信号线疏导端盖，105-探头后盖，106-通孔，107-玻璃片，110-成像组件，111-摄像头，112-led灯具，120-集成传感器组件，121-传感器安装板，122-电磁传感器，123-声音传感器，124-温湿度传感器，200-数据采集传送设备，300-数据处理中心，400-传导线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，为本申请一种内窥镜式地下电缆故障检测系统的结构示意图；

由图1可知，本申请实施例提供了一种内窥镜式地下电缆故障检测系统，包括传感器集成探头100，数据采集传送设备200和数据处理中心300；

所述传感器集成探头100可移动设于地下电缆管道内部，用于获取地下电缆的故障信号；在本实施例中，所述传感器集成探头100作为直接对地下电缆实施检测的部件，需要其能够在驱动设备的带动下在地下电缆管道内部中移动，对于驱动设备的具体形式，在本实施例中不加以限制，应当认为具有在管道中沿管壁移动的机器人均可用于本申请中的驱动设备；

由于地下电缆管道内部空间狭小，要想保证传感器集成探头100能够自由移动，需要将其结构相应设计，由图2-图4可知，在一种可行性实施例中，所述传感器集成探头100可设置为圆柱状结构，方便与在狭长的圆柱形空间(电缆管道)内向前或向后移动，具体结构包括顺次连接的探头前盖101、摄像头固定端盖102、探头筒壁103、信号线疏导端盖104以及探头后盖105；其中，各个结构之间可通过卡扣、螺纹等形式组装为一个整体，使组装后整体呈现为圆柱体形状。

所述传感器集成探头100的一端设有成像组件110；所述传感器集成探头100内部设有集成传感器组件120；

所述成像组件110位于所述摄像头固定端盖102内部，摄像头固定端盖102主要用于保证成像组件110的稳定固定，也可以设置成，摄像头固定端盖102内部的空间刚好能容纳成像组件110的大小，这样当摄像头固定端盖102与探头筒壁103组装时，刚好固定住成像组件110；所述成像组件110提供图像采集的作用，主要包括摄像头111以及沿所述摄像头111周向排布的若干个led灯具112，在本实施例中的摄像头111需要根据实际需求选用对应型号、参数的现有技术产品，在有超高要求时，还可以选用特殊材质或者高精度摄像头等；led灯具112可以针对电缆管道中阴暗环境提供拍摄光源，使获得的影像清晰可辩，沿周向排布保证了光线的均匀分布，避免局部被遮挡从而影响拍摄效果；所述摄像头111的中心轴与所述摄像头固定端盖102的中心轴重合，可使得图像获取方向与探头行进方向一致；

所述传感器组件120包括传感器安装板121以及安装在所述传感器安装板121同一侧的电磁传感器122、声音传感器123和温湿度传感器124，各传感器在安装时，需要保证传感器不与探头筒壁接触，避免安装过程中相互之间产生摩擦，同时，各个传感器的信号线可在传感器安装板121的另一侧有序排布，也就是说，传感器安装板121不仅提供了结构上的固定作用，还提供了导线板的作用；需要说明的是，在本实施例中提到的三个传感器的位置并不作为限定，不过为了有效利用内部空间，通常采用的是将三个传感器沿一条直线排列，方向与探头方向相同；另外，传感器安装板121上安装相应传感器的位置，应设有大小尺寸与选用的传感器规格相匹配的安装孔；所述传感器安装板121安装在所述探头筒壁103的内部，例如可以设置两端与探头筒壁103内壁上的滑道连接，方便安装；所述探头筒壁103设有使内外连通的通孔106，通孔的作用是保证探头筒壁103内外的环境一致，即各个传感器采集的信号即为探头外部地下电缆所在环境的信号，同时，通孔也有利于探头内部热量的散发与通风，避免器件自身发热对检测信号的干扰，提高检测信号精度，进一步的，在一种较优的实施例中，所述通孔106可设有多个，且多个所述通孔106沿所述探头筒壁103外圆周面均匀分布，更有利于散热；

本实施例中的电磁传感器122、声音传感器123和温湿度传感器124均可采用市面上较为常见的产品，其中，电磁传感器122主要指采集磁场强度信号的霍尔传感器，声音传感器用于采集声音强度信号，温湿度传感器同时采集环境中的温度值及湿度值信号；

所述探头前盖101和所述探头后盖105的中心均为镂空结构；探头前盖101镂空是为了方便摄像头采集视频图像；探头后盖105镂空是为了使传导线400通过；

所述成像组件110和所述传感器组件120分别通过传导线400与所述数据采集传送设备200连接；具体的，传导线400位于探头的一端是采用所述信号线疏导端盖104的一端从所述探头后盖105中心穿出的形式连接；所述信号线疏导端盖104用于将前述的各个传感器、摄像头的连接线束紧后导出，束紧成一条导线导出，即传导线400；

进一步的，由图3可知，在一种可行性实施例中，所述探头前盖101中心嵌有玻璃片107，玻璃片107具有防尘作用，还可以防止摄像头遭到破坏，同时还可以保证拍摄清晰度。

进一步的，为了提高设备的使用寿命，在一种可行性实施例中，可将所述传感器安装板121的表面涂覆有保护层，所述保护层分别包覆在所述电磁传感器122、声音传感器123和温湿度传感器124的外部；需要说明的是，保护层应具有的性质包括防腐蚀性、耐酸碱、耐低温等，还应当不影响传感器获取信号，例如，可以选用冰凝胶等材料形成凝胶层作为所述保护层。

进一步的，为了使传感器集成探头100更加轻便、使用寿命更高且质量更好，对于材料的选择上，可以将所述探头前盖101、摄像头固定端盖102、探头筒壁103、信号线疏导端盖104以及探头后盖105均采用pla材料或abs材料制成，pla(聚乳酸)材料具有无污染、热稳定性好、抗溶剂性好、光泽度高、耐菌性高等特点，而abs是指丙烯腈(a)、丁二烯(b)、苯乙烯(s)三种单体的三元共聚物，具有硬度高、光泽度高、耐热、耐酸碱盐等特性；两种材料均具有成本低、质量轻且不易受地下环境腐蚀的特点。

更进一步的，为了防止精密传感器和信号线与构成探头的部件之间相互摩擦产生的磨损，可以在制造所述传感器集成探头100的各个组成部件时，对各个部件的内外壁均采用光滑处理，从而最大化降低磨损。

所述数据采集传送设备200与所述数据处理中心300连接，用于将所述传感器集成探头100获取到的故障信号发送至数据处理中心300；在本实施例中，数据采集传送设备200承担的信号收集和信号发送的作用，由于其与探头之间采用有线连接，可以保证信号接收完整，因此只要传导线400足够长，只要将数据采集传送设备设置与电缆管道的一端，就能完成各种长度的检测要求；而数据采集传送设备与远端的数据处理中心建立连接可以采用能够屏蔽外界信号的信号线连接，使处在远端的人也可获取到检测的数据，进而得到故障分析结果。对于具体的硬件，可以但不限于采用单片机开发板，结构简单、编码容易，并且易于操作，技术较为成熟。

所述数据处理中心300用于根据故障信号得到故障分析结果；在本实施例中，数据处理中心300提供数据接收、数据分析、数据处理等功能，具体的，可通过系统搭载功能性软件执行相应的功能，例如，可以搭载labview软件界面执行相关功能，labview(laboratoryvirtualinstrumentengineeringworkbench)是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。labview提供很多外观与传统仪器(如示波器、万用表)类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在labview中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。

相应的，本申请数据处理中心300在执行故障分析时，其功能的实现可以通过集成多个功能模块来实现，下面将各功能模块的功能作用进行说明：

参见图5，为本申请一种内窥镜式地下电缆故障检测系统中数据处理中心的结构示意图；

由图5可知，所述数据处理中心300包括：

信号获取模块301，用于接收所述数据采集传送设备200发送的故障信号；其中，故障信号包括电磁信号、声音信号、温湿度信号以及视频信号，因此，信号获取模块301还需要提供将各个不同信号区分的功能，为后续分析做准备；

进一步的，信号获取模块301还具有的一个功能是：对各种信号进行降噪处理，例如labview的滤波器控件，这样可以在分析处理前滤除噪声信号，提高检测质量。

电磁信号分析模块302，用于根据故障信号中的电磁信号，生成电磁强度波形图；

声音信号分析模块303，用于根据故障信号中的声音信号，生成声音强度波形图；

温湿度信号分析模块304，用于根据故障信号中的温湿度信号，生成温度和湿度波形图；

显示模块305，用于将故障信号中的视频信号生成视频图像，并将生成的视频图像连同电磁强度波形图、声音强度波形图、温度和湿度波形图显示于显示屏；其中，视频图像应能够反映探头在管道内移动时前进方向上的管道内部及其电缆表面情况，还可能包括因为故障而产生在电缆表面的电火花放电现象。

上述生成的波形图可由图6-图8举例示出，图中，纵坐标为强度值，横坐标为时间。随着探头在电缆管道中移动，探头距离故障点由远到近或由近到远的移动，都会导致采集的信号强度产生变化，当位于故障点时，所采集的强度达到峰值，因此可以通过在波形图上寻找波峰来确定故障发生的位置，由图8还可以同时比较各个波形之间的关系，显示更加直观。

数据分析模块306，用于根据确定的故障点的位置生成故障分析结果；在本实施例中，由于采用了多个传感器获取信号，与现有技术不同的是，在对故障信息进行分析时，需要同时考虑多个因素的综合结果，当探头接近缺陷位置前后时，在波形图中将产生波动，理论上当某一个传感器获取的波形图到达波峰时，其它传感器获取的波形图也应在同一位置达到波峰，即判定该点为故障点；然而，对于有些电缆的故障，其并不是持续释放信号，例如声音信号，有可能在探头为到达故障点前声音就消失了，此时采用单一声音传感器将无法得到准确的故障检测结果，而本申请中虽然此时声音传感器无法获取到波形图的波峰，但可以通过其他传感器波形图均到达波峰来判定该点为故障点，从而有效地避免了漏判定情况的发生；因此本申请的系统可在某些应用场景下，设置为只要有一个传感器反馈的信号具备判断故障点的条件即将此位置确定为故障点，从而减少漏判率。

此外，数据处理中心300不限于还可包括支持信息查询、信息下载等功能，应当认为，为执行上述功能的硬件结构及软件构成均可应用于本申请中。

由上述技术方案可知，本申请提供了一种内窥镜式地下电缆故障检测系统，包括传感器集成探头，数据采集传送设备和数据处理中心；所述传感器集成探头可移动设于地下电缆管道内部，用于获取地下电缆的故障信号；所述传感器集成探头的一端设有成像组件；所述传感器集成探头内部设有集成传感器组件；所述成像组件和所述传感器组件分别通过传导线与所述数据采集传送设备连接；所述数据采集传送设备与所述数据处理中心连接，用于将所述传感器集成探头获取到的故障信号发送至数据处理中心；所述数据处理中心用于根据故障信号得到故障分析结果。本申请提供的系统具有结构简单、操作方便以及易于推广的优点，并且可以实现内外结合，采用多信息综合检测电缆故障，检测结果更加精确。

参见图9，为本申请一种内窥镜式地下电缆故障检测分析方法的流程图；

本申请还提供了一种内窥镜式地下电缆故障检测分析方法，该方法对应于上述提供的任意一种内窥镜式地下电缆故障检测系统的应用场景，所述方法包括：

s10：传感器集成探头沿地下电缆管道方向移动，同时获取地下电缆的故障信号；所述故障信号包括视频信号、电磁信号、声音信号和温湿度信号；

s20：获取到的故障信号由数据采集传送设备发送至数据处理中心；

s30：数据处理中心根据故障信号分别生成电磁强度波形图、声音强度波形图、温度和湿度波形图以及视频图像并集中显示；

s40：数据处理中心分别获取电磁强度波形图、声音强度波形图以及温度和湿度波形图中的波峰位置；

s50：将波峰位置对应的传感器集成探头所在位置确定为故障点。

在本实施例提供的方法中，各执行主体的功能作用与系统中的相同，具体可参见前述说明，在此不再赘述。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。