CN106918743A - 中压单相电缆终端的运行电压相位定位方法 - Google Patents

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李巍巍
周凯
甘德刚
何珉
万航
朱轲
吴驰
白欢
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Abstract

本发明公开了一种基于金属贴片耦合电压传感器，在中压单相电缆终端头耦合电压并修正相位偏移量实现对运行电压相位定位的方法，从而获取中压电缆终端的运行电压相位。该方法由金属贴片耦合电压传感器和示波器完成对中压单相电缆终端电压相位的采集，通过对金属贴片耦合电压传感器和示波器电气参数的理论推导和电压实测对比，得到相位偏移，从而获得真实电压相位。本发明的优点是：方便地获取中压电缆终端的运行电压相位，从而为局部放电的检测提供较为可靠的工频电压相位信息，且具有较高的安全性和可靠性。

Description

中压单相电缆终端的运行电压相位定位方法
技术领域
本发明涉及电气设备绝缘状态监测技术，具体涉及中压单相电缆终端的运行电压相位定位方法。
背景技术
近年来，城市电力电缆线路中发生了大量的电缆终端绝缘击穿甚至爆炸事故，电缆终端的绝缘状态评估引起了电力系统运行维护单位的广泛关注和高度重视。针对实际运行的电缆终端进行局部放电的带电检测和绝缘诊断仍有许多关键问题尚未解决，比如难以获得运行电压的相位进行局部放电相位分析等问题。通过PD信号的固有特征提取真实PD信号是PD检测必须解决的重要问题，这些信号特征包括放电脉冲的时间相位信息、时频特征、持续时间等等。对于在工频电压下运行的电缆终端，PD通常发生在工频电压的第一三象限，因此，工频的相位信息成为了帮助判断信号是否为PD的重要依据，传统PD诊断分析应用的相位幅值谱图也是基于相位信息建立的。因此，获取待测设备的电压相位信息成为了现场PD检测的重要技术工作。
然而，在现场测试过时获得待测高压设备的电压相位并不容易。现在能采集获取电压相位的方法有两种。他们都有各自的不足之处：
第一，直接在运行线路的金属部分进行带电测试，需要经过严格的带电作业审查，同时测试可能给电力系统供电可靠性造成负面影响，并对低压测试设备带来安全隐患，这些困难导致直接获取高压相位并不现实。
第二，一些现有PD在线检测仪器通常采用仪器自身供电电源的上升沿过零点作为PD采集的触发信号，也就是使用低压电源的相位信号分析PD信号，这种方法虽然为PD数据的采集提供了稳定的触发信号，但低压电源的过零点并非运行电压的过零点，这是因为低压电源与待测高压设备相互隔离，而现场低压接线取电方式在多数情况下并不清楚，直接通过低压电源的相位信息对PD谱图进行相位识别，将严重影响诊断结果的可靠性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题高可靠性的间接测量中压单相电缆终端的运行电压相位，目的在于提供中压单相电缆终端的运行电压相位定位方法，解决在线高可靠性检测待测高压设备的电压相位的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
在中压单相电缆终端耦合电压，包括依次进行的以下步骤：
A、在中压单相电缆终端头外护套表面安装金属贴片耦合电压传感器，采集金属贴片耦合电压传感器耦合的电压相位；
B、建立了电缆、金属贴片耦合电压传感器与示波器构成的等效电路模型，使用RLC电桥进行测量；通过测量结果计算耦合电压与运行电压之间的相位角θ；
C、对步骤A采集的耦合电压相位往后移相θ度获得运行电压的参考相位。
所述的金属贴片耦合电压传感器包括两个平行正对的金属贴片以及夹在金属贴片之间的绝缘层构成，其中一片金属贴片接地后制成金属贴片耦合电压传感器。
所述步骤A中金属贴片耦合电压传感器的安装位置优选在内部铜屏蔽层截断位置以上，半导电层截断位置以下。
所述步骤B中计算耦合电压与运行电压之间的相位角θ的方法是所述R1为金属贴片耦合电压传感器与电缆线芯之间的绝缘电阻、R2为示波器的输入阻抗、C1为步骤C中RLC电路的电容、C2为金属贴片耦合电压传感器与大地之间的电容。
中压单相电缆终端相位定位方法的实现装置由金属贴片耦合电压传感器，示波器和RLC检测电桥构成。
金属贴片耦合电压传感器的安装位置尽量选在铜屏蔽层截断位置以上，半导电层截断位置以内的区域所对应的外护套表面。由于只需要将金属贴片耦合电压传感器装在对应的外护套表面，因此可以在线检测间接测量中压单相电缆终端的运行电压相位。
耦合电压矫正原理：
为计算耦合电压与真实电压的相位差，建立了电缆、金属贴片耦合电压传感器与示波器构成的等效电路模型。U0为电缆运行电压。对于电缆这类电容性元件，使用阻容并联模型描述Z1和Z2，令高压电极与金属电极之间的阻抗为Z1，金属电极与地电极之间的阻抗为Z2，根据等效电路模型可知金属电极上的耦合电压U1计算公式为：
Z1的计算公式为：
Z2的计算公式为：
进一步可以求出式形如U1＝AU0+j·BU0的算式，其中：
那么，耦合电压的幅值|U1|为:
U1与U0间的相位角θ为:
进而，有：
由于在实际电力系统中，R1远大于R2，其比值近似为0，进一步化简式(4)、式(5)与式(8)：
结合A和B的值，通过式(6)分析耦合电压幅值，耦合电压的幅值主要受取样电阻大小影响，取样电阻值越大时，耦合电压值越大。
进而分析耦合电压与运行电压之间的相位角θ，由于金属贴片的耦合电容C1远小于传输线电容C2，式(11)进一步化简为：
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明中压单相电缆终端的运行电压相位定位方法，可以方便的采集单相电缆终端的电压相位为局放判断提供较为可靠的依据，而且具有安全性高，简单易操作，可靠性能好等优点；
2、本发明中压单相电缆终端的运行电压相位定位方法，不需要在运行线路的一次侧进行直接带电测试，免去了严格的带电作业审查，相对而言更加安全和方便；
3、本发明中压单相电缆终端的运行电压相位定位方法，经过移相后的耦合电压，能够较为准确的判断运行电压的真实相位，为局部放电的诊断提供可靠的依据。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为金属贴片耦合电压传感器装置结构示意图
1、绝缘层，2、金属贴片，3、同轴电缆。
图2为电缆本体与金属贴片耦合电压传感器及示波器构成的分压等效电路原理图
9、高压电极，10、金属电极，11、接地电极，12、等效阻抗Z1，13等效阻抗Z2。
图3为高压端运行电压相位与耦合电压相位对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
如图1至图3所示，本发明在中压单相电缆终端耦合电压，包括依次进行的以下步骤：
A、在中压单相电缆终端头外护套表面安装金属贴片耦合电压传感器，采集金属贴片耦合电压传感器耦合的电压相位；
B、建立了电缆、金属贴片耦合电压传感器与示波器构成的等效电路模型，等效电路模型包括高压电极(9)、金属电极(10)和接地电极(11)以及连接在高压电极(9)和金属电极(10)之间的等效阻抗Z1(12)、连接在金属电极(10)和接地电极(11)之间的等效阻抗Z2(13)使用RLC电桥进行测量；通过测量结果计算耦合电压与运行电压之间的相位角θ；
C、对步骤A采集的耦合电压相位往后移相θ度获得运行电压的参考相位。
所述的金属贴片耦合电压传感器包括两个平行正对的金属贴片(2)以及夹在金属贴片(2)之间的绝缘层(1)构成，其中一片金属贴片(2)接地后制成金属贴片耦合电压传感器。
所述步骤A中金属贴片耦合电压传感器的安装位置优选在内部铜屏蔽层截断位置以上，半导电层截断位置以下。
所述步骤B中计算耦合电压与运行电压之间的相位角θ的方法是所述R1为金属贴片耦合电压传感器与电缆线芯之间的绝缘电阻、R2为示波器的输入阻抗、C1为步骤C中RLC电路的电容、C2为金属贴片耦合电压传感器与大地之间的电容。
在以下参数下进行测量：
1、R1为金属贴片耦合电压传感器与电缆线芯之间的绝缘电阻，可认为无穷大，实验使用数字式兆欧表进行测试，在5kV的测试电压下超过1000GΩ；
2、R2为示波器的输入阻抗，1MΩ档位；
3、使用TH2816B型RLC电桥进行测试，在50Hz下C1约1pF；
4、C2为金属贴片耦合电压传感器与检测系统接地之间的电容，主要为同轴电缆(3)信号传输线的电容，使用TH2816B型RLC电桥对10米长同轴电缆(3)进行测量，在50Hz下测得C2约为850pF。
通过带入C1＝1pF，C2＝850pF，R1＝∞，R2＝1MΩ，计算得出θ＝75.1°。即通过理论计算得出耦合的电压超前电缆运行电压75.1°。
实测在定位35kV电缆终端头运行电压的相位时，将金属贴片耦合电压传感器安装在半导电层截断位置以下区域，耦合的三相电压相对于电缆本体电压相移角度平均为73°，基于这个相位角规律可以对PD带电测量时的运行电压相位进行估算。
综上所述，在单相电缆终端头表面通过金属贴片耦合电压传感器获取耦合电压时，为了减少空间电场的相互干扰，需要采用双层式金属贴片耦合电压的方式。针对单相电缆终端取耦合电压时，应尽量在铜屏蔽层截断位置以上，半导电层截断位置以内的区域安装金属贴片耦合电压传感器。单相电缆实测角度相移度数与理论值相比误差较小，可将计算值75.1°作为判断运行电压的参考量，即将测得的耦合电压滞后75.1°后作为运行电压的参考相位。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.中压单相电缆终端的运行电压相位定位方法，在中压单相电缆终端耦合电压，其特征在于，包括依次进行的以下步骤：
A、在中压单相电缆终端头外护套表面安装金属贴片耦合电压传感器，采集金属贴片耦合电压传感器耦合的电压相位；
B、建立了电缆、金属贴片耦合电压传感器与示波器构成的等效电路模型，使用RLC电桥进行测量；通过测量结果计算耦合电压与运行电压之间的相位角θ；
C、对步骤A采集的耦合电压相位往后移相θ度获得运行电压的参考相位。
2.根据权利要求1所述的中压单相电缆终端的运行电压相位定位方法，其特征在于，所述的金属贴片耦合电压传感器包括两个平行正对的金属贴片以及夹在金属贴片之间的绝缘层构成，其中一片金属贴片接地后制成金属贴片耦合电压传感器。
3.根据权利要求1所述的中压单相电缆终端的运行电压相位定位方法，其特征在于，所述步骤A中金属贴片耦合电压传感器的安装位置优选在内部铜屏蔽层截断位置以上，半导电层截断位置以下。
4.根据权利要求1所述的中压单相电缆终端的运行电压相位定位方法，其特征在于，所述步骤B中计算耦合电压与运行电压之间的相位角θ的方法是所述R1为金属贴片耦合电压传感器与电缆线芯之间的绝缘电阻、R2为示波器的输入阻抗、C1为步骤C中RLC电路的电容、C2为金属贴片耦合电压传感器与大地之间的电容。
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