一种基于宽频阻抗谱的电缆分布参数提取方法和装置与流程

1.本发明涉及装置损耗测量技术领域，具体涉及一种基于宽频阻抗谱的电缆分布参数提取方法和装置。


背景技术：

2.在电能传输上，架空线是较早投入应用的电能传输工具，然而其占地面积大，且易遭受雷击等自然环境的影响，于是工作环境较为稳定的电缆成为主流的电能传输工具。电缆的设计寿命较长。然而早期电缆安装质量管控不足、运行通道环境恶劣、运检技术手段单一，大部分长寿命电缆线路已产生明显绝缘老化及性能劣化，电缆故障率和缺陷隐患数量长期居高不下，再加上各种外界不利因素，比如局部过热、局部破损、局部放电等等，电缆的实际使用寿命会大幅缩短，如果不及时排查并更换有缺陷的电缆段，则可能会造成大面积停电事故，对国家的各行各业造成巨大的损失，用户的用电质量也会遭受不利影响。
3.目前，配网电缆及附件设备质量考核仍以型式试验为主，离线试验以振荡波局放与超低频介损检测为主，但上述技术多以高电压激励为主，具有一定绝缘累计损伤风险，存在无法检出绝缘局部老化、无法对老化程度进行判断，从而预估风险程度的固有不足；且由于拟入网的配网电缆体量庞大，传统试验检测模式不仅难以满足配网电缆及附件入网考核需求，也难以在短时间内就电缆及附件的设备质量进行全面的考核，配网电缆设备质量检测与反馈机制亦尚未健全，无法对电缆及附件设备质量进行有效的管控，运行过程中配网电缆线路面临故障率居高不下的突出难题。
4.近年来，部分国内外学者开始利用基于频域反射法(fdr)的电缆宽频阻抗谱技术(bis)，反映电缆的特征参数在电缆绝缘存在局部缺陷时的变化。这种方法是将一个扫频信号注入到电缆，对回波信号(频域阻抗谱)利用积分变换变换为空间域函数，获取电缆特征参数随位置变化的诊断函数，实现局部缺陷的定位，并监测电缆绝缘性能的变化趋势，实现电缆老化及故障的检出和诊断。而想要准确分析电缆的缺陷位置，提高缺陷诊断的有效性和定位结果的精确性，必须分析电缆在高频下的分布参数特性。这是由于电阻和电导损耗，高频信号在电缆传播过程中存在衰减，而电容和电感的频率变化特性会引起信号的频散。而衰减和色散影响电缆故障定位和诊断结果的准确性。
5.因此，如何准确地测量电缆在高频下的分布参数特性，对于提高电缆缺陷定位准确度、及时检出电缆潜伏性缺陷位置十分重要。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提出一种基于宽频阻抗谱的电缆分布参数提取方法和装置，提升参数提取结果的精确度，从而提高电缆缺陷定位准确度、及时检出电缆潜伏性缺陷位置。
7.为实现上述目的，本发明提出一种基于宽频阻抗谱的电缆分布参数提取方法，包括如下步骤：
8.根据电缆的几何形状、芯线材料、金属护套材料求得电缆的分布电阻r和分布电感
l，并根据所述分布电阻r和分布电感l获得分布阻抗；
9.获取电缆开路情况下的输入阻抗谱z
op
和电缆短路情况下的输入阻抗谱z
sc
；
10.根据所述输入阻抗谱z
op
和所述输入阻抗谱z
sc
计算电缆的传播常数γ；
11.根据所述传播常数γ和所述分布阻抗z计算电缆的分布导纳y；
12.根据所述分布导纳y和所述分布阻抗z计算电缆的特征阻抗z0；
13.根据所述特征阻抗z0和所述传播常数γ计算电缆的分布电导g和分布电容c。
14.优选地，所述根据所述分布电阻r和分布电感l获得分布阻抗，包括：
15.根据z＝r+jωl计算分布阻抗z。
16.优选地，所述根据所述输入阻抗谱z
op
和所述输入阻抗谱z
sc
计算电缆传播常数，包括：
17.根据计算电缆的传播常数γ。
18.优选地，所述根据所述传播常数和所述分布阻抗计算电缆的分布导纳，包括：
19.定义分布导纳y为y＝g+jωc，则有其中g为分布电导，c为分布电容，w为角频率。
20.优选地，所述根据所述分布导纳和所述分布阻抗计算电缆的特征阻抗，包括：
21.根据计算特征阻抗z0。
22.优选地，所述根据所述特征阻抗和所述传播常数计算电缆的分布电导g和分布电容c，包括：
23.根据g＝re[γ/z0]、c＝im[γ/z0]/ω计算电缆的分布电导g和分布电容c。
[0024]
本发明还提出一种基于宽频阻抗谱的电缆分布参数提取装置，包括：
[0025]
分布阻抗计算模块，用于根据电缆的几何形状、芯线材料、金属护套材料求得电缆的分布电阻r和分布电感l，并根据所述分布电阻r和分布电感l获得分布阻抗；
[0026]
测量结果获取模块，用于获取电缆开路情况下的输入阻抗谱z
op
和电缆短路情况下的输入阻抗谱z
sc
；
[0027]
传播常数计算模块，用于根据所述输入阻抗谱z
op
和所述输入阻抗谱z
sc
计算电缆的传播常数γ；
[0028]
分布导纳计算模块，用于根据所述传播常数γ和所述分布阻抗z计算电缆的分布导纳y；
[0029]
特征阻抗计算模块，用于根据所述分布导纳y和所述分布阻抗z计算电缆的特征阻抗z0；
[0030]
分布参数计算模块，用于根据所述特征阻抗z0和所述传播常数γ计算电缆的分布电导g和分布电容c。
[0031]
本发明至少具有以下有益效果：
[0032]
(1)本发明相较于已有方法，利用新型算法修正了内阻和测试线的阻抗影响，改进了测试方法及计算方法，使得分布参数的测量结果更加精确；
[0033]
(2)本发明采用计算-测试相结合的方法，对于计算结果准确的参数，进行准确计
算以提高结果的准确性；对于计算结果难以保证的参数，利用测量的方法间接得到。利用几何结构计算出的分布电阻r与分布电感l，将计算结果用作已知量与测试得到的阻抗谱结果相结合，从而得到准确的分布参数结果；
[0034]
(3)本发明相较于传统方法适用的单一性，不仅适用于配电电缆，对于高压电缆、通信电缆等其他类型、结构不同的电缆也同样适用；只要传输线方程(电报方程)适用，电缆传说电力/信号的过程中可以被看作是分布参数电路，那么就可以测量其分布参数，具有较高的普适性。
[0035]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037]
图1为本发明实施例中一种基于宽频阻抗谱的电缆分布参数提取方法的流程图。
[0038]
图2为本发明实施例中所述测试系统的等效电路图。
[0039]
图3为本发明实施例与传统的分布参数提取方法结果误差分析示意图。
[0040]
图4为本发明实施例中一种基于宽频阻抗谱的电缆分布参数提取装置的结构图。
具体实施方式
[0041]
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的手段未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
[0042]
参阅图1，本发明一实施例提出一种基于宽频阻抗谱的电缆分布参数提取方法，包括如下步骤：
[0043]
步骤s1、根据电缆的几何形状、芯线材料、金属护套材料求得电缆的分布电阻r和分布电感l，并根据所述分布电阻r和分布电感l获得分布阻抗；
[0044]
进一步地，所述步骤s1，包括：
[0045]
根据z＝r+jωl计算分布阻抗z；
[0046]
步骤s2、获取电缆开路情况下的输入阻抗谱z
op
和电缆短路情况下的输入阻抗谱z
sc
；
[0047]
步骤s3、根据所述输入阻抗谱z
op
和所述输入阻抗谱z
sc
计算电缆的传播常数γ；
[0048]
进一步地，所述步骤s3，包括：
[0049]
根据计算电缆的传播常数γ；
[0050]
步骤s4、根据所述传播常数γ和所述分布阻抗z计算电缆的分布导纳y；
[0051]
进一步地，所述步骤s4，包括：
[0052]
定义分布导纳y为y＝g+jωc，则有其中g
为分布电导，c为分布电容，w为角频率；
[0053]
步骤s5、根据所述分布导纳y和所述分布阻抗z计算电缆的特征阻抗z0；
[0054]
进一步地，所述步骤s5，包括：
[0055]
根据计算特征阻抗z0；
[0056]
步骤s6、根据所述特征阻抗z0和所述传播常数γ计算电缆的分布电导g和分布电容c；
[0057]
进一步地，所述步骤s6，包括：
[0058]
根据g＝re[γ/z0]、c＝im[γ/z0]/ω计算电缆的分布电导g和分布电容c。
[0059]
具体而言，在利用宽频阻抗谱计算电缆分布参数的过程中，测试装置的内阻及测试连接线会对测量造成很大影响，可以通过分析由网络分析仪(测试设备)、测试连接线及待测电缆组成的测试系统的等效电路，通过算法抵消内阻和测试线的阻抗，来尽可能消除这种影响。如图2所示，将网络分析仪内部电源内阻等效为ri，测试连接线及接头等效为电感ls和电容cs，进一步合并为zs。z
l
为待测电缆的输入阻抗谱，ac为测试设备的电源。需要说明的是，连接处附加电感对电缆阻抗测量有很大影响，在高频时，连接处的附加电容变得相当小，几乎可以忽略；
[0060]
如果将电源内阻和测试线及接头的等效阻抗再次合并：
[0061]zs1
＝ri+zsꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0062]
这样一来，开路情况下的输入阻抗谱就可以表示为：
[0063][0064]
同理，短路情况下的输入阻抗谱为：
[0065][0066]
这样，就可以将每次阻抗谱测试下的电源内阻及连接线阻抗统一等效为附加系数a、b，这个系数a、b的大小和测试线的长度、测试频率、连接状态都有关系。
[0067]
倘若开路、短路测试时，测试线的长度、测试频率、连接状态基本不变，大致可以这两种情况下的附加系数a＝b，基于这样的假设，计算传播常数及特征阻抗：
[0068][0069]
说明电源内阻及测试线的附加阻抗对于传播常数的计算影响不大，而对于特征阻抗：
[0070][0071]
可以看出，电源内阻及测试线的附加阻抗对于特征阻抗的计算有影响。为了消除这种影响，采用如下步骤计算电缆的特征阻抗：
[0072]
需说明的是，电缆的分布阻抗r和电缆的分布电感l值与绝缘介质无关，可由电缆几何形状、芯线材料、金属护套材料求得，然而，c和g很难计算，r和l的计算式如下所示：
[0073][0074][0075]
公式(6)和(7)中的各个参数及其意义如下表1所示：
[0076]
表1-公式中的参数及意义
[0077][0078][0079]
基于以上分析，本发明实施例中首先根据电缆的几何形状、芯线材料、金属护套材料求得分布电阻r和分布电感l，然后可得分布阻抗：
[0080]
z＝r+jωl
ꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0081]
由上述分析可得，传播常数γ可以通过直接测量开路下的输入阻抗谱和短路阻抗谱得到；
[0082]
若将单位长度的导纳定义为：
[0083]
y＝g+jωc
ꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0084]
由传播常数γ和分布导纳y的关系可以求出分布导纳y：
[0085][0086]
最后，可以由单位长度的导纳y和分布阻抗z求出特征阻抗：
[0087][0088]
电缆的其他分布参数特征诸如g、c都可以算出来，即：
[0089]
g＝re[γ/z0]
ꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0090]
c＝im[γ/z0]/ω
ꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0091]
这样得到的分布参数特征消除了设备内阻及连接线的阻抗影响，精度大大提升。
[0092]
图3所示为利用该种改进算法与传统的分布参数提取方法结果误差分析。以分布电容和分布电导为例，从图3中可以看出，该种改进算法所计算得到的分布电导与传统方法拟合的很好，得到的分布电容在低频下与传统方法有一定的偏差。
[0093]
本发明另一实施例还提出一种基于宽频阻抗谱的电缆分布参数提取装置，用于实现上述实施例所述的基于宽频阻抗谱的电缆分布参数提取方法，如图4所示，所述装置包括：
[0094]
分布阻抗计算模块1，用于根据电缆的几何形状、芯线材料、金属护套材料求得电缆的分布电阻r和分布电感l，并根据所述分布电阻r和分布电感l获得分布阻抗；
[0095]
测量结果获取模块2，用于获取电缆开路情况下的输入阻抗谱z
op
和电缆短路情况下的输入阻抗谱z
sc
；
[0096]
传播常数计算模块3，用于根据所述输入阻抗谱z
op
和所述输入阻抗谱z
sc
计算电缆的传播常数γ；
[0097]
分布导纳计算模块4，用于根据所述传播常数γ和所述分布阻抗z计算电缆的分布导纳y；
[0098]
特征阻抗计算模块5，用于根据所述分布导纳y和所述分布阻抗z计算电缆的特征阻抗z0；
[0099]
分布参数计算模块6，用于根据所述特征阻抗z0和所述传播常数γ计算电缆的分布电导g和分布电容c。
[0100]
以上所描述的实施例的装置仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现实施例的装置的方案的目的。
[0101]
需说明的是，上述实施例的装置与上述实施例的方法对应，因此，上述实施例的装置未详述部分可以参阅上述实施例的方法的内容得到，即上述实施例的方法记载的具体步骤内容可以理解为上述实施例的装置所能够实现的功能，此处不再赘述。
[0102]
通过以上实施例的描述可知，本发明的各实施例具有以下优点：
[0103]
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨
在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。