CN113075517A - 一种基于信号传播特性的交联聚乙烯电缆绝缘评估方法 - Google Patents

一种基于信号传播特性的交联聚乙烯电缆绝缘评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于信号传播特性的交联聚乙烯电缆绝缘评估方法，属于电缆状态评估方法技术领域。本发明主要步骤包括：(1)首先获取待评估电缆的长度；(2)根据电缆长度确定注入电压信号的频率；(3)保持末端开路，从首段注入信号；(4)通过高频电压信号采集装置测量首末两端的电压信号，得到信号传播时间t和两端电压信号峰值Usm和Uem；(5)利用时间t和波峰值计算衰减常数α和相位常数β；(6)通过衰减常数α和相位常数β，计算出电缆复介电常数的实部ε′和虚部ε″；(7)最后利用ε′和ε″计算出介质损耗因数tanδ，实现电缆绝缘状态的评估。

Description

一种基于信号传播特性的交联聚乙烯电缆绝缘评估方法
技术领域
本发明涉及一种电缆状态评估方法，尤其涉及的是一种基于信号传播特性的交联聚乙烯电缆绝缘评估方法。
背景技术
目前，交联聚乙烯电缆作为重要的输电设备，其状态评估一直是人们关注的焦点。虽然交联聚乙烯电缆具有优良的绝缘性能，但电缆绝缘层通常会随着时间的推移而老化。一旦电缆严重老化，就可能会引发故障，造成停电甚至事故。因此，有必要对电缆绝缘状态进行有效监测和评估。准确有效的电缆状态评估有助于制定合理的维护方案，防止电缆故障的发生，保证电力系统的稳定运行。
电缆绝缘的状态对信号传播特性有很大的影响，也就是说，信号传播特性中的信息能够反映电缆的绝缘状况。目前，通过电缆传播特性进行状态监测的研究主要集中在定位局部放电或检测电缆缺陷上，相关研究及发明专利也并没有建立传播特性和绝缘之间的具体关系。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种基于信号传播特性的交联聚乙烯电缆绝缘评估方法，是利用衰减系数和相位角偏移常数对交联聚乙烯电缆进行绝缘评估的新方法，仅使用电压信号即可求出介质损耗因数tanδ，从而实现对电缆绝缘状态的评估。
一种基于信号传播特性的交联聚乙烯电缆绝缘评估方法，包括以下步骤：
S1、获取待评估电缆的长度；
S2、根据电缆长度确定注入电压信号的频率；
S3、保持电缆末端开路，从电缆首端注入电压信号；
S4、基于高频电压信号采集装置测量电缆首末两端电压信号，得到信号传播时间t和两端电压信号峰值Usm和Uem；
S5、利用信号传播时间t和波峰值计算衰减常数α和相位常数β；
S6、利用衰减常数和相位常数计算出电缆复介电常数的实部ε′和虚部ε″；
S7、由电缆的复介电常数计算出介质损耗因数tanδ，实现电缆状态的评估。
进一步地，所述步骤S2中，根据电缆长度确定注入电压信号的频率f，电缆的长度应大于信号的波长，但考虑到采样装置的同步误差，及所需的采样频率，注入的信号频率也不宜过高。
Figure BDA0003057544160000021
l为待评估电缆的长度,v为电压信号在电缆中的传播速度。
考虑实际中电缆长度不一，在测量电缆首末两端电压信号时，采样频率1GHz，分辨率12bit的高频电压信号采集装置即可满足实际应用需求，同时采集装置之间的同步误差应≤0.1ms。
进一步地，所述步骤S5中，利用信号传播时间t和波峰值计算衰减常数α和相位常数β；
计算衰减常数α：
Figure BDA0003057544160000022
Usm为首端电压信号峰值；Uem为末端可测的电压信号峰值。
计算相位常数β：
Figure BDA0003057544160000023
w为注入信号的角频率，l为电缆的长度；
进一步地，所述步骤S6中，利用衰减常数和相位常数计算出电缆复介电常数的实部ε′和虚部ε″；
计算复介电常数的实部ε′：
Figure BDA0003057544160000024
计算复介电常数的虚部ε″：
Figure BDA0003057544160000025
其中，
Figure BDA0003057544160000026
式中，w为注入信号的角频率；rc为电缆线芯半径；rs为金属护层半径；ε0为真空介电常数；ρ为铜缆的芯线和金属屏蔽层的电阻率；μ0为真空磁导率。
进一步地，所述步骤S7中，由电缆的复介电常数计算出介质损耗因数tanδ；
计算介质损耗因数tanδ：
Figure BDA0003057544160000031
附图说明
下面根据附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是基于信号传播特性的交联聚乙烯电缆绝缘评估方法流程示意图；
图2是Г型单元等效电路；
图3是Г型单元等效电路级联图；
图4是电缆末端开路时信号传播示意图；
图5是不同长度、不同绝缘性能电缆的tanδ测试结果；
其中：图2中的参数表示如下：
R0为阻抗矢量拟合的直流电阻
L0为阻抗矢量拟合的0阶电感
R1为阻抗矢量拟合的1阶电阻
L1为阻抗矢量拟合的1阶电感
R2为阻抗矢量拟合的2阶电阻
L2为阻抗矢量拟合的2阶电感
Rn为阻抗矢量拟合的n阶电阻
Ln为阻抗矢量拟合的n阶电感
G0为导纳矢量拟合的直流电导
C0为导纳矢量拟合的0阶电容
G1为导纳矢量拟合的1阶电导
C1为导纳矢量拟合的1阶电容
G2为导纳矢量拟合的2阶电导
C2为导纳矢量拟合的2阶电容
Gn为导纳矢量拟合的n阶电导
Cn为导纳矢量拟合的n阶电容
图3中的参数表示如下：
Г1为级联电路中第一个Г型单元等效电路
Г2为级联电路中第二个Г型单元等效电路
ГN为级联电路中第N个Г型单元等效电路
图4中的参数表示如下：
US为从首端注入电缆的电压信号；
Ue为从电缆末端测得的电压信号。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有开展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。
实施例中提供了一种基于信号传播特性的交联聚乙烯电缆绝缘评估方法，该方法主要包括以下步骤：
S1、获取待评估电缆的长度；
S2、根据电缆长度确定注入电压信号的频率；
S3、保持电缆末端开路，从电缆首端注入电压信号；
S4、通过高频电压信号采集装置测量电缆首末两端电压信号，得到信号传播时间t和两端电压信号峰值Usm和Uem；
S5、利用信号传播时间t和波峰值计算衰减常数α和相位常数β；
S6、通过衰减常数和相位常数计算出电缆复介电常数的实部ε′和虚部ε″；
S7、由ε′和ε″计算出介质损耗因数tanδ，实现电缆绝缘状态的评估。
如图1-图5所示的具体实施例为：
S1、获取待评估电缆的长度，根据电缆长度确定注入电压信号的频率；
为了进行仿真分析，有必要建立相应的电缆模型。电缆的阻抗和导纳是对频率的响应，因此通过有理数函数逼近的矢量拟合对阻抗和导纳完成拟合。有理函数近似表示如下：
Figure BDA0003057544160000051
在阻抗拟合过程中，令d＝R0，为直流电阻；令h＝L0，ci＝Ri，
Figure BDA0003057544160000052
类似的，在导纳拟合过程中，令d＝G0，代表直流电导。最后，令h＝C0，ci＝Gi，
Figure BDA0003057544160000053
最终得到Γ型等效电路如图2所示。
当电缆的长度小于信号波长的1/30时，电缆分布参数的影响可以忽略不计，可以直接使用集总等效电路。因此，电缆的分布参数效应可以通过电路级联近似得到，电路级联的等效电路应满足以下条件：
Figure BDA0003057544160000054
式中，N为等效电路的个数，l为电缆长度，fmax为信号的最高频率，v为信号的传播速度。使用Γ型等效电路来实现电路的级联，级联电路如图3所示。
基于级联电路完成110kV短电缆和长电缆的建模，其中短电缆长度为100m，长电缆长度为3000m。电缆的参数如表1所示。电缆绝缘良好和老化条件下的复介电常数的拟合参数A、B、P如表2所示。3000m电缆选用频率为65kHz的信号，100m电缆选用频率为6.2MHz的信号。100m-6.2MHz级联数目为43个，3000m-60kHz数目为13个。
表1. 110kV交联聚乙烯电缆参数
符号 描述 值
r<sub>c</sub> 缆芯半径 17mm
r<sub>in</sub> 绝缘半径 35.2mm
r<sub>s</sub> 护层半径 36.2mm
ρ 电阻率 1.75*10<sup>-8</sup>Ω·m
表2.不同电缆绝缘状况电缆的复介电常数拟合参数
Figure BDA0003057544160000055
Figure BDA0003057544160000061
S2、保持电缆末端开路，从电缆首端注入电压信号；
保持级联电路的接收端开路，高频正弦波从电缆首端注入电缆，65KHz信号注入3000m电缆，6.2MHz信号注入100m电缆。考虑到频率和长度的不同，仿真中采用了不同的采样率，对于3000m电缆采样率设置为100MHz，对于100m电缆，采样率设置为1GHz。
S3、通过高频电压信号采集装置测量电缆首末两端电压信号，得到信号传播时间t和波峰值；
考虑实际中电缆长度不一，以采样频率1GHz，分辨率12bit的高频电压信号采集装置即可满足实际应用需求，同时采集装置之间的同步误差应≤0.1ms。
S4、利用信号传播时间t和波峰值计算衰减常数α和相位常数β；
图4为电缆一侧开路时信号的传播图，在长为l的电缆中，任意位置x处的电压信号相量可表示为：
U(x)＝Uieγ(l-x)+Ure-γ(l-x) (3)
任意位置x的反射系数定义为：
Figure BDA0003057544160000062
式中Ur为负载侧反射波，Ui为负载侧入射波，ZL为负载阻抗。
当电缆末端开路，反射系数为：
Γ(l∞)＝1 (5)
此时电缆末端发生全反射，末端测得的电压信号为入射波信号幅值的2倍，因此可求得电压入射波为
Figure BDA0003057544160000063
Ue为末端可测的电压信号，即由首端电压信号Us经衰减传播至末端时的电压信号为
Figure BDA0003057544160000064
Usm为首端电压信号Us的峰值，Uem为末端电压信号的峰值，则衰减常数α可求解为：
Figure BDA0003057544160000065
相位常数β可以表示为：
Figure BDA0003057544160000071
S5、利用衰减常数和相位常数计算出电缆复介电常数的实部ε′和虚部ε″；
单相电缆分布参数等效模型可由串联阻抗和并联导纳构成：
Z(w)＝R+jwL (8)
Y(w)＝G+jwC (9)
高频信号下，电缆阻抗与导纳可由电缆尺寸参数、信号频率等求解如下：
Figure BDA0003057544160000072
Figure BDA0003057544160000073
电缆复介电常数如下表达：
ε*＝ε′-jε″ (12)
电缆传播常数可由单位阻抗与导纳表示，α为衰减常数，β为相位常数。
Figure BDA0003057544160000074
对(13)式两边平方，得：
ZY＝(α+jβ)2＝α2+2αβj-β2 (14)
对于铜芯电缆和铜屏蔽层，可以认为电阻率ρ是一致的，则将(10)和(11)带入式(14)得到:
Figure BDA0003057544160000075
(15)式化简得：
Figure BDA0003057544160000076
Figure BDA0003057544160000077
式中，w为注入信号的角频率；rc为电缆线芯半径；rs为金属护层半径；ε0为真空介电常数；ρ为铜缆的芯线和金属屏蔽层的电阻率；μ0为真空磁导率。令
Figure BDA0003057544160000078
Figure BDA0003057544160000081
则式(16)和(17)可改写为：
α2-β2＝A1ε″-A2ε′ (18)
2αβ＝A1ε′+A2ε″ (19)
进而求得：
Figure BDA0003057544160000082
S6、由电缆的复介电常数计算出介质损耗因数tanδ，实现电缆绝缘状态的评估。
电缆得介质损耗因数可以表示为：
Figure BDA0003057544160000083
图5展示了仿真的结果，结果表明，不同绝缘程度电缆的tanδ存在明显差异，这与实际相符，因而此方法可以实现对电缆绝缘状态的评估。
以上所述仅为本发明的示例性实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于信号传播特性的交联聚乙烯电缆绝缘评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取待评估电缆的长度；
S2、根据电缆长度确定注入电压信号的频率；
S3、保持电缆末端开路，从电缆首端注入电压信号；
S4、基于高频电压信号采集装置测量电缆首末两端电压信号，得到信号传播时间t和两端电压信号峰值Usm和Uem；
S5、利用信号传播时间t和波峰值计算衰减常数α和相位常数β；
S6、利用衰减常数和相位常数计算出电缆复介电常数的实部ε′和虚部ε″；
S7、由电缆的复介电常数计算出介质损耗因数tanδ，实现电缆状态的评估。
2.根据权利要求1所述的一种基于信号传播特性的交联聚乙烯电缆绝缘评估方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据电缆长度确定注入电压信号的频率f，电缆的长度应大于信号的波长，
Figure FDA0003057544150000011
l为待评估电缆的长度,v为电压信号在电缆中的传播速度。
3.根据权利要求2所述的一种基于信号传播特性的交联聚乙烯电缆绝缘评估方法，其特征在于，在测量电缆首末两端电压信号时，使用采样频率1GHz、分辨率12bit的高频电压信号采集装置，同时采集装置之间的同步误差应≤0.1ms。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于信号传播特性的交联聚乙烯电缆绝缘评估方法，其特征在于，所述步骤S5中，利用信号传播时间t和波峰值计算衰减常数α和相位常数β；
计算衰减常数α：
Figure FDA0003057544150000012
Usm为首端电压信号峰值；Uem为末端可测的电压信号峰值；
计算相位常数β：
Figure FDA0003057544150000013
w为注入信号的角频率，l为电缆的长度。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于信号传播特性的交联聚乙烯电缆绝缘评估方法，其特征在于，所述步骤S6中，利用衰减常数和相位常数计算出电缆复介电常数的实部ε′和虚部ε″；
计算复介电常数的实部ε′：
Figure FDA0003057544150000021
计算复介电常数的虚部ε″：
Figure FDA0003057544150000022
其中，
Figure FDA0003057544150000023
式中，w为注入信号的角频率；rc为电缆线芯半径；rs为金属护层半径；ε0为真空介电常数；ρ为铜缆的芯线和金属屏蔽层的电阻率；μ0为真空磁导率。
6.根据权利要求4所述的一种基于信号传播特性的交联聚乙烯电缆绝缘评估方法，其特征在于，所述步骤S6中，利用衰减常数和相位常数计算出电缆复介电常数的实部ε′和虚部ε″；
计算复介电常数的实部ε′：
Figure FDA0003057544150000024
计算复介电常数的虚部ε″：
Figure FDA0003057544150000025
其中，
Figure FDA0003057544150000026
式中，w为注入信号的角频率；rc为电缆线芯半径；rs为金属护层半径；ε0为真空介电常数；ρ为铜缆的芯线和金属屏蔽层的电阻率；μ0为真空磁导率。
7.根据权利要求1或2所述的一种基于信号传播特性的交联聚乙烯电缆绝缘评估方法，其特征在于，所述步骤S7中，由电缆的复介电常数计算出介质损耗因数tanδ；
计算介质损耗因数tanδ：
Figure FDA0003057544150000031
8.根据权利要求4所述的一种基于信号传播特性的交联聚乙烯电缆绝缘评估方法，其特征在于，所述步骤S7中，由电缆的复介电常数计算出介质损耗因数tanδ；
计算介质损耗因数tanδ：
Figure FDA0003057544150000032
9.根据权利要求5所述的一种基于信号传播特性的交联聚乙烯电缆绝缘评估方法，其特征在于，所述步骤S7中，由电缆的复介电常数计算出介质损耗因数tanδ；
计算介质损耗因数tanδ：
Figure FDA0003057544150000033
10.根据权利要求6所述的一种基于信号传播特性的交联聚乙烯电缆绝缘评估方法，其特征在于，所述步骤S7中，由电缆的复介电常数计算出介质损耗因数tanδ；
计算介质损耗因数tanδ：
Figure FDA0003057544150000034
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