CN108918986A - 一种低压电力电缆电磁屏蔽性能测试方法和系统 - Google Patents

一种低压电力电缆电磁屏蔽性能测试方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低压电力电缆电磁屏蔽性能测试方法和系统。利用交流变频电源为主回路受试电缆芯线提供激励，切换主回路与辅助回路受试电缆屏蔽层的接地状态，由信号采集装置获取辅助回路受试电缆芯线的对地电压，确定受试线缆的屏蔽系数，以便于定量、定性分析与评价电力电缆的屏蔽性能，即屏蔽系数越小，线缆的屏蔽性能越好。本发明无需考虑受试电缆匹配与杂散电磁场干扰等问题，具有测试简便、适用性强、易于搭建与实现等优点。

Description

一种低压电力电缆电磁屏蔽性能测试方法和系统
技术领域
本发明属于电磁兼容测试技术领域，特别涉及了一种低压电力电缆电磁屏蔽性能测试方法和系统。
背景技术
低压电力电缆是电力系统的重要组成部分，其主要负责电能的高效配送与传输，保障各级用户或各类负载最基本的用电需求。然而，大量非线性、不平衡负载与大功率电力电子设备的广泛应用，致使系统内与系统间因线缆耦合引起的电磁兼容问题愈发严重。为抑制该类电磁干扰，需要定量评估低压电力电缆的电磁屏蔽性能，以便于改善和优化电缆屏蔽层结构。
目前，屏蔽电力电缆的电磁屏蔽性能测试主要采用电流探头法或屏蔽系数法，利用转移阻抗或屏蔽系数等参数表征和分析电缆在工频及高次谐波条件下的屏蔽性能。电流探头法需要匹配不同型号的受试电缆。屏蔽系数法需要准确模拟电缆屏蔽层的对地阻抗，且要求在模拟地回路与屏蔽层上加载较大电流，杂散电磁场影响测试结果的准确性。显然，针对不同型号的低压电力电缆，电磁屏蔽性能测试方案仍有待于进一步改进。
发明内容
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种低压电力电缆电磁屏蔽性能测试方法和系统，解决电流探头法难以匹配受试电缆，致使测试繁琐、匹配难度大，屏蔽系数法难以准确模拟屏蔽层对地阻抗，测试结果不可靠且易受杂散电磁场干扰等问题。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种低压电力电缆电磁屏蔽性能测试方法，包括以下步骤：
(1)将3条长度相同的受试电缆平行、等高、等间距布置，位于中间位置的受试电缆的芯线与屏蔽系数测试回路串联形成辅助回路，其余两条受试电缆的芯线串联形成主回路，根据受试电缆的型号和敷设条件，配置辅助回路受试电缆屏蔽层的接地阻抗回路；
(2)使主回路受试电缆的屏蔽层和辅助回路受试电缆的屏蔽层均不接地，给予主回路受试电缆正弦激励，屏蔽系数测试回路检测此时辅助回路受试电缆芯线的对地电压U21；
(3)使主回路受试电缆的屏蔽层接地，给予主回路受试电缆正弦激励，分别检测辅助回路受试电缆的屏蔽层不接入接地阻抗回路和接入接地阻抗回路时，辅助回路受试电缆芯线的对地电压U22和U23；
(4)根据步骤(2)和(3)得到的检测数据确定受试电缆的屏蔽系数，根据屏蔽系数评估受试电缆的屏蔽性能。
进一步地，在步骤(1)中，所述接地阻抗回路为用铜线围成的矩形框。
进一步地，在步骤(1)中，所述敷设条件分为裸露在空气中和埋地两种；裸露在空气中的单位长度受试电缆的对地电感Lgs如下式：
上式中，μ0为真空磁导率，γg为大地传播常数，R为受试电缆的平均半径；
埋地的单位长度受试电缆的对地电感Lg如下式：
上式中，K1为一阶二类修正的贝塞尔函数；
则接地阻抗回路的电感值L＝L1Lgs或L＝L1Lg，根据电感值L和下式求得接地阻抗回路的尺寸：
上式中，L1为矩形框的长，W1为矩形框的宽，R0为矩形框导线的平均半径。
进一步地，在步骤(2)中，给予主回路受试电缆的正弦激励不超过受试电缆芯线的容许限值，且正弦激励的频率需要覆盖受试电缆实际使用过程中存在的高次谐波频率。
进一步地，在步骤(3)中，给予主回路受试电缆的正弦激励与步骤(2)中给予主回路受试电缆的正弦激励的频率相同。
进一步地，在步骤(3)中，主回路与受试电缆屏蔽层、辅助回路与受试电缆屏蔽层均选取同一个参考地。
进一步地，在步骤(4)中，所述屏蔽系数k1的计算公式如下：
屏蔽系数k1的值越小，受试电缆的屏蔽性能越好。
一种低压电力电缆电磁屏蔽性能测试系统，包括交流变频电源、安全负载、电缆夹具装置、回路切换开关、信号采集装置以及控制装置；所述交流变频电源和安全负载串联在主回路中，交流变频电源用于给予主回路受试电缆正弦激励；所述电缆夹具装置用于固定主回路受试电缆和辅助回路受试电缆、构建辅助回路受试电缆屏蔽层的接地阻抗回路以及调节主回路受试电缆与辅助回路受试电缆的水平间距；所述回路切换开关分别串联在主回路受试电缆与交流变频电源之间、主回路受试电缆屏蔽层与地之间以及辅助回路受试电缆屏蔽层与接地阻抗回路之间；所述信号采集装置用于采集屏蔽系数测试回路检测到的信号并进行存储；所述控制装置控制回路切换开环的状态以及信号采集装置的采样频率。
进一步地，所述电缆夹具装置包含3根水平设置的导引杆：第一导引杆、第二导引杆和第三导引杆，还包含6根竖直设置的支撑杆：第一支撑杆、第二支撑杆、第三支撑杆、第四支撑杆、第五支撑杆和第六支撑杆；3根导引杆等高、等间距设置，其中第二导引杆位于其他两根导引杆之间；每根导引杆的两端均设有接线柱，每根支撑杆上均设有接线柱；第一支撑杆一端和第二支撑杆的一端分别连接第一导引杆，第三支撑杆的一端和第四支撑杆的一端分别连接第二导引杆，第五支撑杆的一端和第六支撑杆的一端分别连接第三导引杆；其中一条主回路受试电缆放置于第一导引杆上，该主回路受试电缆的芯线电性连接第一导引杆两端的接线柱；另一条主回路受试电缆放置于第三导引杆上，该主回路受试电缆的芯线电性连接第三导引杆两端的接线柱；辅助回路受试电缆放置于第二导引杆上，辅助回路受试电缆的芯线电性连接第二导引杆两端的接线柱；放置于第一导引杆上的主回路受试电缆的屏蔽层电性连接第一支撑杆上的接线柱，实现主回路受试电缆屏蔽层的单端接地；辅助回路受试电缆的屏蔽层分别利用平均半径R0的导线电性连接到第三支撑杆和第四支撑杆上的接线柱，使辅助回路受试电缆的屏蔽层和平均半径R0的导线构成接地阻抗回路；3根导引杆之间的间距可调，第三支撑杆和第四支撑杆上接线柱的位置可调。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明可实现工频及高次谐波条件下低压电力电缆电磁屏蔽性能的定性、定量分析与评价。通过采用平行对称的电缆夹具装置，利用交流变频电源为主回路受试电缆芯线提供激励，切换主回路与辅助回路受试电缆屏蔽层的接地状态，由信号采集装置获取辅助回路受试电缆芯线的对地电压，确定受试线缆的屏蔽系数，并以该值大小评估电力电缆的屏蔽性能，即电力电缆的屏蔽系数越小，其对应的屏蔽性能越好。本发明无需考虑受试电缆匹配与杂散电磁场干扰等问题，具有测试简便、适用性强、易于搭建与实现等优点。
附图说明
图1是低压电力电缆电磁屏蔽性能测试方法流程图；
图2是低压电力电缆电磁屏蔽性能测试系统的结构原理图；
图3是低压电力电缆电磁屏蔽性能测试系统的电缆夹具装置示意图；
图4是低压电力电缆屏蔽系数测试原理图；
图5是低压电力电缆电磁屏蔽性能测试系统的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
参阅附图1，本发明设计的低压电力电缆电磁屏蔽性能测试方法的步骤如下。步骤S101，配置受试电缆屏蔽层的接地阻抗回路。
考虑受试电缆的型号和敷设条件，暴露在空气中的单位长度受试电缆对地电感参考下式：
式(1)中，μ0为真空磁导率，γg为大地传播常数，R为受试电缆的平均半径。
埋地的单位长度受试电缆对地电感参考下式：
式(2)中，K1为一阶二类修正的贝塞尔函数。
由于配置的接地阻抗回路为L1×W1的矩形框，L1和W1的尺寸满足下式：
式(3)中，R0为矩形框导线的平均半径，L为L1×W1矩形框的电感值。
显然，由L＝L1Lgs可确定暴露在空气中受试电缆所需配置的接地阻抗回路L1和W1尺寸；由L＝L1Lg可确定埋地受试电缆所需配置的接地阻抗回路L1和W1尺寸。
步骤S102，判定主回路受试电缆是否接地，若否，则执行校准步骤S103；反之，执行步骤S104。
步骤S103，进行辅助回路受试电缆的校准试验，主回路受试电缆芯线给予不同频率的正弦激励，检测辅助测量回路受试电缆芯线对地电压U21，并保存。
步骤S104，判定辅助回路受试电缆是否接入接地阻抗回路，若否，则执行校准步骤S105；反之，执行步骤S106。
步骤S105，主回路受试电缆芯线正弦激励频率与步骤S103相同，辅助回路受试电缆不接入接地阻抗回路，检测辅助回路受试电缆芯线对地电压U22，并保存。
步骤S106，主回路受试电缆芯线正弦激励频率与步骤S103相同，辅助回路受试电缆接入接地阻抗回路，检测辅助回路受试电缆芯线对地电压U23，并保存。
步骤S107，确定受试电缆的屏蔽系数k1，且屏蔽系数k1越小，受试电缆的屏蔽性能越好。
具体地，为抑制杂散电磁场干扰对屏蔽系数的影响，屏蔽系数k1计算参考下式：
参阅附图2，为本发明设计的低压电力电缆电磁屏蔽性能测试系统的结构原理图。xy平面内，交流变频电源401、安全负载402、主回路受试电缆101的芯线102、受试电缆301的芯线302构成主回路501；辅助回路受试电缆201的芯线202和屏蔽系数测试回路204构成辅助回路502，且受试电缆201置于主回路平面内，与受试电缆101和301平行、等距，受试电缆101与201、301与201的间距均为W2。yz平面族内，辅助回路502的受试电缆201的芯线202、屏蔽层203分别接入屏蔽系数测试回路204，铜线205、206和207组成接地阻抗回路503，该回路组成的矩形框尺寸也为L1×W1。
结合附图3和附图2，分析受试电缆和接地阻抗回路503的布置原理：主回路501的受试电缆101放置于导引杆610上，芯线102与接线柱601、604连接，受试电缆301放置于导引杆612上，芯线302与接线柱603、606连接，辅助回路502的受试电缆201放置于导引杆611上，芯线202与接线柱602、605连接；受试电缆101的屏蔽层103与接线柱609连接，实现受试电缆101的单端接地连接；受试电缆201的屏蔽层203与接线柱607、608连接，通过支撑杆613、614导引构成L1×W1的矩形框，即形成接地阻抗回路503。
进一步地，试验装置有效测试长度为接线柱607与608之间的y向长度，即尺寸L1；支撑杆613、614可沿z向调整尺寸，方便调节接线柱607与导引杆611之间的z向长度，即尺寸W1；导引柱610～612可沿x向调整受试电缆的平行间距，即尺寸W2。
结合附图4和附图2，分析受试电缆屏蔽系数测试原理：开关S2和S3打开、S1闭合，线缆101的屏蔽层103、201的屏蔽层203均不接地，交流变频电源401为主回路501提供正弦激励，屏蔽系数测试回路204测量受试电缆201的芯线202对地电压U21；开关S2闭合，线缆101的屏蔽层103接地，接地阻抗回路503不接通，屏蔽系数测试回路204测量受试电缆201的芯线202对地电压U22；开关S2和S3闭合，线缆101的屏蔽层103接地，接地阻抗回路503接通，屏蔽系数测试回路204测量受试电缆201的芯线202对地电压U23；再利用式(4)确定屏蔽系数k1。
参阅附图5，为本发明设计的低压电力电缆电磁屏蔽性能测试系统的结构示意图。利用电缆夹具装置403构成主回路501、辅助回路502和接地阻抗回路503；利用信号采集装置405和屏蔽系数测试回路204实现受试电缆屏蔽系数试验相关参数检测；利用控制装置404控制开关S1～S3的状态，控制信号采集装置405的采样与存储。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低压电力电缆电磁屏蔽性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将3条长度相同的受试电缆平行、等高、等间距布置，位于中间位置的受试电缆的芯线与屏蔽系数测试回路串联形成辅助回路，其余两条受试电缆的芯线串联形成主回路，根据受试电缆的型号和敷设条件，配置辅助回路受试电缆屏蔽层的接地阻抗回路；
(2)使主回路受试电缆的屏蔽层和辅助回路受试电缆的屏蔽层均不接地，给予主回路受试电缆正弦激励，屏蔽系数测试回路检测此时辅助回路受试电缆芯线的对地电压U21；
(3)使主回路受试电缆的屏蔽层接地，给予主回路受试电缆正弦激励，分别检测辅助回路受试电缆的屏蔽层不接入接地阻抗回路和接入接地阻抗回路时，辅助回路受试电缆芯线的对地电压U22和U23；
(4)根据步骤(2)和(3)得到的检测数据确定受试电缆的屏蔽系数，根据屏蔽系数评估受试电缆的屏蔽性能。
2.根据权利要求1所述低压电力电缆电磁屏蔽性能测试方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述接地阻抗回路为用铜线围成的矩形框。
3.根据权利要求2所述低压电力电缆电磁屏蔽性能测试方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述敷设条件分为裸露在空气中和埋地两种；裸露在空气中的单位长度受试电缆的对地电感Lgs如下式：
上式中，μ0为真空磁导率，γg为大地传播常数，R为受试电缆的平均半径；
埋地的单位长度受试电缆的对地电感Lg如下式：
上式中，K1为一阶二类修正的贝塞尔函数；
则接地阻抗回路的电感值L＝L1Lgs或L＝L1Lg，根据电感值L和下式求得接地阻抗回路的尺寸：
上式中，L1为矩形框的长，W1为矩形框的宽，R0为矩形框导线的平均半径。
4.根据权利要求1所述低压电力电缆电磁屏蔽性能测试方法，其特征在于：在步骤(2)中，给予主回路受试电缆的正弦激励不超过受试电缆芯线的容许限值，且正弦激励的频率需要覆盖受试电缆实际使用过程中存在的高次谐波频率。
5.根据权利要求1所述低压电力电缆电磁屏蔽性能测试方法，其特征在于：在步骤(3)中，给予主回路受试电缆的正弦激励与步骤(2)中给予主回路受试电缆的正弦激励的频率相同。
6.根据权利要求1所述低压电力电缆电磁屏蔽性能测试方法，其特征在于：在步骤(3)中，主回路与受试电缆屏蔽层、辅助回路与受试电缆屏蔽层均选取同一个参考地。
7.根据权利要求1所述低压电力电缆电磁屏蔽性能测试方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述屏蔽系数k1的计算公式如下：
屏蔽系数k1的值越小，受试电缆的屏蔽性能越好。
8.一种低压电力电缆电磁屏蔽性能测试系统，其特征在于：包括交流变频电源、安全负载、电缆夹具装置、回路切换开关、信号采集装置以及控制装置；所述交流变频电源和安全负载串联在主回路中，交流变频电源用于给予主回路受试电缆正弦激励；所述电缆夹具装置用于固定主回路受试电缆和辅助回路受试电缆、构建辅助回路受试电缆屏蔽层的接地阻抗回路以及调节主回路受试电缆与辅助回路受试电缆的水平间距；所述回路切换开关分别串联在主回路受试电缆与交流变频电源之间、主回路受试电缆屏蔽层与地之间以及辅助回路受试电缆屏蔽层与接地阻抗回路之间；所述信号采集装置用于采集屏蔽系数测试回路检测到的信号并进行存储；所述控制装置控制回路切换开环的状态以及信号采集装置的采样频率。
9.根据权利要求8所述低压电力电缆电磁屏蔽性能测试系统，其特征在于：所述电缆夹具装置包含3根水平设置的导引杆：第一导引杆、第二导引杆和第三导引杆，还包含6根竖直设置的支撑杆：第一支撑杆、第二支撑杆、第三支撑杆、第四支撑杆、第五支撑杆和第六支撑杆；3根导引杆等高、等间距设置，其中第二导引杆位于其他两根导引杆之间；每根导引杆的两端均设有接线柱，每根支撑杆上均设有接线柱；第一支撑杆一端和第二支撑杆的一端分别连接第一导引杆，第三支撑杆的一端和第四支撑杆的一端分别连接第二导引杆，第五支撑杆的一端和第六支撑杆的一端分别连接第三导引杆；其中一条主回路受试电缆放置于第一导引杆上，该主回路受试电缆的芯线电性连接第一导引杆两端的接线柱；另一条主回路受试电缆放置于第三导引杆上，该主回路受试电缆的芯线电性连接第三导引杆两端的接线柱；辅助回路受试电缆放置于第二导引杆上，辅助回路受试电缆的芯线电性连接第二导引杆两端的接线柱；放置于第一导引杆上的主回路受试电缆的屏蔽层电性连接第一支撑杆上的接线柱，实现主回路受试电缆屏蔽层的单端接地；辅助回路受试电缆的屏蔽层分别利用平均半径R0的导线电性连接到第三支撑杆和第四支撑杆上的接线柱，再用一根平均半径R0的导线电性连接第三支撑杆和第四支撑杆上的接线柱，使辅助回路受试电缆的屏蔽层和平均半径R0的导线构成接地阻抗回路；3根导引杆之间的间距可调，第三支撑杆和第四支撑杆上接线柱的位置可调。
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