Performance analysis of time reversal-MUSIC for soft fault location in power cables

Nowadays transfer of energy and information is constantly growing due to the devel- opment of new electrical and electronic technologies. The role of electrical cables thus becomes essential to ensure good performances of the whole system and their state of health shall be periodically checked. Suddenly, deterioration occurs eventually causing wiring faults, classified into two main categories: hard faults, as short and open circuits, characterized by the fact that they prevent any signal from going further away, and soft faults, as insulation damage, cracks etc., which are often difficult to detect due to its weak reflectiveness and represent a preliminary step towards the occurrence of hard faults. For this purpose, the availability of techniques able of detecting faults is necessary in order to guarantee a better cable reliability. In the last few decades the reflectometry-based techniques, in particular the one in time-domain (TDR), has been the most common in industrial applications for fault detection but, despite their optimal results, some limita- tions occur above all in presence of soft faults and when losses are introduced. In order to overcome these problems, the development of new fault location tech- niques is increasingly studied. Accordingly, in the last years time reversal based methods have shown great advantages in this field, in particular two of its methodologies: Dé- composition de l’Opérateur de Retournement Temporel (DORT) and Time Reversal - MUltiple SIgnal Classification (TR-MUSIC). In this work TR-MUSIC is presented and analyzed in its performances. A fine metrological study of this technique is carried out, and its precision and accuracy are investigated on medium voltage power cables. The most striking feature of TR-MUSIC is that it ensures a super resolution while working at single frequencies, based on Green function phase patterns analysis, and also shows good noise robustness even for low SNR values. Firstly, theoretical background on electrical cables and the operational way of TDR are presented whereas in the second chapter a study of the MV power cable adopted in our work is introduced. In the third section, background, theory and an overview of time reversal is shown. Then, in the last three chapters, the results of simulations and experiments carried out in the work are presented and a performances comparison between TR-MUSIC and TDR for single soft fault made. In particular, in chapter 4 precision and accuracy of both methods are investigated and compared in a single lossless line; in chapter 5 losses are introduced and in chapter 6 their performances are studied in a Y-branched network. Port MUSIC shows the same accuracy estimation and a much higher resolution in precision with respect to TDR in absence of losses, making it very interesting as fault location method. Operating on phase pattens only, in presence of losses attenuation does not affect its performances, thus not causing a resolution deterioration; besides, very soft faults can be easily detected. Interesting results are also obtained in presence of three branches, where the same precision is performed and the undesired effect of the junc- tion is avoided by means of the so-called baselining system. To conclude, TR-MUSIC performs good results with single as well as Y-branched networks in lossless and lossy conditions. However, an extended study could be continued in order to still improve the method’s performances. Some of these perspectives are illustrated, as the study of more complex line topologies or the analysis in presence of multiple faults. Experiments and measurements took place in Centrale Supélec’s (Gif-sur-Yvette, France) facilities.

Oggigiorno il trasferimento di energia e informazioni è costantemente in aumento dato dallo sviluppo delle nuove tecnologie nel campo elettrico ed elettronico. Il ruolo dei cavi elettrici diventa dunque essenziale per assicurare buone prestazioni e il loro stato di salute deve essere periodicamente monitorato. Tuttavia, improvvisamente guasti si originano dal deterioramento, classificati in due categorie principali: guasti gravi, come corto-circuiti e circuiti aperti, e guasti lievi, come danni di isolamento, crepe, ecc., che sono spesso difficili da rilevare a causa della loro bassa riflettività e rappresentano un passo preliminare verso guasti gravi. A tale scopo è necessaria la disponibilità di tecniche in grado di rilevare i guasti al fine di garantire una migliore affidabilità del cavo. Negli ultimi decenni le tecniche basate sulla riflettometria, in particolare quella nel dominio del tempo (TDR), sono state le più comuni nelle applicazioni industriali per la localizzazione dei guasti ma, nonostante i loro risultati ottimali, presentano alcune limitazioni in presenza di gusti lievi e soprattutto quando si introducono perdite, il che si traduce in un deterioramento della stima di precisione. Per superare questi problemi, lo sviluppo di nuove tecniche per la localizzazione dei guasti è sempre più studiato. In particolare, negli ultimi anni i metodi basati sull’inversione temporale (time reversal) hanno mostrato grandi vantaggi in questo campo, in particolare due delle sue metodologie: Décomposition de l’Opérateur de Retourne- ment Temporel (DORT) e Time Reversal-MUltiple SIgnal Classification (TR-MUSIC). In questo lavoro TR-MUSIC è presentato e analizzato nelle sue prestazioni. Viene eseguito un accurato studio metrologico di questa tecnica, in cui precisione e accuratezza sono sono studiate sui cavi di potenza. La caratteristica più sorprendente di TR-MUSIC è che garantisce una super risoluzione mentre lavora a frequenze singole, basata sull’analisi della funzione di Green, e mostra anche una buona robustezza del rumore anche per valori di SNR relativamente bassi. In primo luogo, vengono presentate le basi teoriche sui cavi elettrici e il metodo operativo di TDR, mentre nel secondo capitolo viene presentato uno studio sul cavo adottato nel nostro lavoro. Nella terza sezione viene mostrata la teoria e una panoramica sui metodi a inversione temporale. Infine, negli ultimi tre capitoli, vengono presentati i risultati delle simulazioni e degli esperimenti effettuati nel lavoro e viene eseguito un confronto delle prestazioni tra TR-MUSIC e TDR quando un singolo guasto è presente. In particolare, nel capitolo 4 la precisione e l’accuratezza di entrambi i metodi sono studiate e confrontate in una singola linea senza perdite; nel capitolo 5 vengono introdotte le perdite e nel capitolo 6 le loro prestazioni sono studiate in una rete ramificata a Y. MUSIC mostra la stessa stima di accuratezza e una risoluzione molto più elevata in precisione rispetto a TDR in assenza di perdite, il che lo rende molto interessante come metodo di localizzazione dei guasti. Operando solo su pattern di fase, in presenza di perdite l’attenuazione non influisce sulle prestazioni, non provocando quindi un deteri- oramento della risoluzione; inoltre, anche guasti molto lievi possono essere facilmente rilevati. Risultati interessanti si ottengono anche in presenza di rete ramificata, in cui si ottiene un’ottima precisione e si evita l’effetto indesiderato della giunzione mediante il cosiddetto sistema di baselining. Per concludere, TR-MUSIC ottiene buoni risultati con reti singole e ramificate, con e senza perdite. Tuttavia, uno studio più esteso per miglio- rare le prestazioni del metodo può essere condotto in futuro. Alcune di queste prospettive sono illustrate, come lo studio di topologie di linea più complesse o l’analisi in presenza di guasti multipli. Esperimenti e misure hanno avuto luogo presso le strutture di Centrale Supélec (Gif-sur-Yvette, Francia).