CN113281614A - 一种电力电缆宽频阻抗谱测试方法 - Google Patents

一种电力电缆宽频阻抗谱测试方法 Download PDF

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CN113281614A CN202110541444.6A CN202110541444A CN113281614A CN 113281614 A CN113281614 A CN 113281614A CN 202110541444 A CN202110541444 A CN 202110541444A CN 113281614 A CN113281614 A CN 113281614A
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Abstract

本发明涉及电力系统技术领域，具体公开了一种电力电缆宽频阻抗谱测试方法，其中，用于宽频阻抗谱测试系统中，所述宽频阻抗谱测试系统包括矢量网络分析仪和与所述矢量网络分析仪连接的屏蔽接线盒，所述屏蔽接线盒连接被测电力电缆的终端，所述电力电缆宽频阻抗谱测试方法包括：步骤S110、在对所述宽频阻抗谱测试系统进行校准后，获取被测电力电缆的宽频阻抗谱数据；步骤S120、根据所述被测电力电缆的宽频阻抗谱数据计算被测电力电缆的特性阻抗；步骤S130、根据所述被测电力电缆的特性阻抗计算修正后的被测电力电缆的宽频阻抗谱。本发明提供的电力电缆宽频阻抗谱测试方法能够消除现场宽频阻抗谱测试过程中分叉引线杂散参数及感应电影响。

Description

一种电力电缆宽频阻抗谱测试方法
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种电力电缆宽频阻抗谱测试方法。
背景技术
随着城市化进程的快速发展，具有优良电气绝缘性能和机械特性的交联聚乙烯(XLPE)电力电缆开始广泛地应用于电力系统输配电网络中。然而，随着运行年限的增加，电力电缆由于受到电、热、机械等多重应力及运行环境的影响，开始出现不同程度的绝缘老化问题，部分电缆达到甚至超过当初的设计使用寿命，其绝缘问题开始逐渐显现。因此，为了提高电力电缆的供电可靠性，保证电网安全，需要定期对电力电缆的绝缘状态进行检测，从而评估电力电缆的绝缘状态并实现电力电缆局部缺陷的定位。
现有的宽频阻抗谱法是实现电力电缆绝缘状态评估和缺陷定位的有效方法。申请号为201610078115.1，名称为“一种电缆运行状态诊断方法及系统”的中国发明专利，提供了一种使用电缆宽频阻抗谱评估电缆绝缘状态并实现电缆局部缺陷定位的方法和系统，但该方法需要获得完好电缆的宽频阻抗谱作为参考，并且该方法在现场应用时测试得到的宽频阻抗谱受仪器测试分叉引线杂散参数影响较大。申请号为201711154670.9，名称为“一种基于阻抗频谱分析的电缆局部缺陷评估的装置和方法”的中国发明专利，提供了一种利用电缆宽频阻抗评估电缆局部缺陷的装置和方法，该方法虽无需获得完好电缆的宽频阻抗谱作为参考，但其在现场应用时测试结果同样会受到测试仪器测试分叉引线杂散参数的影响。可见，在现场应用中开展消除分叉引线杂散参数影响的电力电缆宽频阻抗谱准确测试技术具有重大意义。除此之外，现有基于宽频阻抗法的电力电缆绝缘状态评估和缺陷定位方法并未考虑现场感应电的影响，从而在测试过程中存在着一定的安全隐患。
因此，如何能够提供一种消除现场宽频阻抗谱测试过程中分叉引线杂散参数及感应电影响的测试方法成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种电力电缆宽频阻抗谱测试方法，解决相关技术中存在的现场宽频阻抗谱测试过程中感应电影响无法消除的问题。
作为本发明的一个方面，提供一种电力电缆宽频阻抗谱测试方法，其中，用于宽频阻抗谱测试系统中，所述宽频阻抗谱测试系统包括矢量网络分析仪和与所述矢量网络分析仪连接的屏蔽接线盒，所述屏蔽接线盒连接被测电力电缆的终端，所述电力电缆宽频阻抗谱测试方法包括：
步骤S110、在对所述宽频阻抗谱测试系统进行校准后，获取被测电力电缆的宽频阻抗谱数据；
步骤S120、根据所述被测电力电缆的宽频阻抗谱数据计算被测电力电缆的特性阻抗；
步骤S130、根据所述被测电力电缆的特性阻抗计算修正后的被测电力电缆的宽频阻抗谱。
进一步地，所述矢量网络分析仪与所述屏蔽接线盒之间以及所述屏蔽接线盒与所述被测电力电缆之间均通过同轴电缆连接，连接所述屏蔽接线盒的同轴电缆与所述被测电力电缆之间还设置分叉引线，所述分叉引线的一端连接所述同轴电缆，另一端连接所述被测电力电缆；
所述对所述宽频阻抗谱测试系统进行校准包括：
根据所述矢量网络分析仪的开路、短路和负载校准功能对所述屏蔽接线盒及其两侧的同轴电缆在设置的扫频范围内进行校准。
进一步地，所述获取被测电力电缆的宽频阻抗谱数据，包括：
根据宽频阻抗谱计算公式计算被测电力电缆的宽频阻抗谱复数值，其中所述宽频阻抗谱计算公式为：
Zd(f)＝|Zd(f)|·exp(j·Angle(Zd(f)))，
其中，Zd(f)表示被测电力电缆的宽频阻抗谱的幅值，Angle(Zd(f))表示被测电力电缆的宽频阻抗谱的相位，f表示被测电力电缆的信号频率，j表示复数，exp(·)表示指数函数；
根据所述被测电力电缆的宽频阻抗谱复数值计算得到首端反射系数复数值，其中所述首端反射系数复数值表示为：
Figure BDA0003071718640000021
其中，Γd(f)表示首端反射系数复数值。
进一步地，所述根据所述被测电力电缆的宽频阻抗谱数据计算被测电力电缆的特性阻抗，包括：
步骤S121、根据公式y0(t)＝exp(-4·ln(2)·t2/w2)产生脉宽为w的高斯脉冲，并根据快速傅里叶变换对y0(t)进行处理得到Y0(f)＝FFT(y0(t))，根据公式Y(f)＝Y0(f)·Γd(f)计算得到反射信号y(t)的频域表达式Y(f)，其中t表示时间；
步骤S122、对Y(f)进行快速傅里叶逆变换处理得到时域反射信号y(t)＝IFFT(Y(f))，提取y(t)中表征分叉引线处反射的时域信号y1(t)，并进行快速傅里叶变换处理得到Y1(f)＝FFT(y1(t))；
步骤S123、根据公式Γ1(f)＝Y1(f)/Y0(f)计算分叉引线处的反射系数Γ1(f)，并假设被测电力电缆的特性阻抗Z0取值为10Ω；
步骤S124、计算得到交叉引线处的等效阻抗Z1(f)，
Figure BDA0003071718640000022
步骤S125、根据公式Z′d(f)＝Zd(f)-Z1(f)计算得到对应的Z′d(f)，并根据转换函数f→t′将得到的Z′d(f)相位Angle(Z′d(f))转换为t′域信号Angle(Z′d(t′))，对Angle(Z′d(t′))进行快速傅里叶变换处理得到Angle(Z′d(t′))的频谱FFT(Angle(Z′d(t′)))，保留FFT(Angle(Z′d(t′)))中除直流分量外能量最大点的信号，其他部分全部置零并进行快速傅里叶逆变换处理得到信号Angle(Z′d·max(t′))，利用转换函数t′→f将t′域信号转换为频域信号Angle(Z′d·max(f))；
步骤S126、计算Z′d(f)的相位Angle(Z′d(f))与步骤S125中计算得到的Angle(Z′d·max(f))之间的皮尔逊相关系数ρZ：
Figure BDA0003071718640000031
其中，N表示进行计算的数据长度，mean(·)表示平均值；
步骤S127、以步长0.1Ω增大假设的被测电力电缆的特性阻抗Z0：
Z0＝Z0+0.1；
步骤S128、重复步骤S124～步骤S127直至假设的被测电力电缆的特性阻抗Z0取值为100Ω；
步骤S129、获取不同假设特性阻抗下步骤S126中计算得到的皮尔逊相关系数曲线，并将曲线中ρZ最大时对应的特性阻抗作为估计得到的被测电力电缆特性阻抗Z0·E。
进一步地，所述根据所述被测电力电缆的特性阻抗计算修正后的被测电力电缆的宽频阻抗谱，包括：
计算被测电力电缆特性阻抗Z0·E下交叉引线处的等效阻抗Z1·E(f)：
Figure BDA0003071718640000032
根据公式Z′d·E(f)＝Zd(f)-Z1·E(f)计算得到Z′d·E(f)为修正后的被测电力电缆的宽频阻抗谱。
进一步地，所述高斯脉冲的脉宽w不大于所述矢量网络分析仪设置的扫频范围频率上限值的倒数，且不小于所述矢量网络分析仪设置的扫频范围频率上限值倒数的0.5倍。
进一步地，所述进行计算的数据长度N不大于所述矢量网络分析仪设置的扫频点数的0.5倍。
进一步地，所述同轴电缆的特性阻抗为50Ω。
进一步地，所述屏蔽接线盒的进出线均设置射频连接器，且所述屏蔽接线盒内串联电容。
进一步地，所述屏蔽接线盒内串联电容的取值范围为1μF≤C≤10μF。
本发明实施例提供的电力电缆宽频阻抗谱测试方法与现有技术相比具有以下优势：
1、本发明采用的装有串联电容的屏蔽接线盒可以显著抑制感应的影响，保证了测试过程中测试仪器的安全性，防止仪器损坏。
2、本发明采用的装有串联电容的屏蔽接线盒由于进出线均采用了射频连接器，且盒内串联电容焊接在印制电路板上，整个测试盒内无软导线连接，因此保证了屏蔽接线盒的等效电路参数在测试过程中的稳定性。
3、本发明通过时域分析和频域分析相结合的方式，可有效提取表征测试仪器分叉引线反射部分的信号，从而进一步得到交叉引线处的等效阻抗。
4、本发明通过皮尔逊相关系数法直接实现了被测电力电缆特性阻抗的估计，相比于传统的电力电缆特性阻抗计算方法，本发明无需对电缆终端进行处理，同时也不受测试仪器分叉引线的影响。
5、本发明通过估计得到的特性阻抗结合交叉引线处的等效阻抗实现了被测电力电缆宽频阻抗谱的修正，消除了测试仪器分叉引线的影响，从而大大提高了测试数据的准确性。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明提供的宽频阻抗谱测试系统的结构示意图。
图2为本发明提供的电力电缆宽频阻抗谱测试方法的流程图。
图3为本发明提供的宽频阻抗谱测试系统校准前后的阻抗谱。
图4a为本发明提供的电力电缆宽频阻抗谱测试方法的具体实施方式流程图。
图4b为本发明提供的被测电力电缆特性阻抗计算方法流程图。
图5为本发明提供的一种实施例中测试得到的被测电缆的宽频阻抗谱幅频特性曲线和参考曲线，其中实线表示被测电缆的宽频阻抗谱幅频特性曲线，虚线表示参考曲线。
图6为本发明提供的一种实施例中测试得到的被测电缆的宽频阻抗谱相频特性曲线和参考曲线，其中实线表示被测电缆的宽频阻抗谱相频特性曲线，虚线表示参考曲线。
图7为本发明提供的一种实施例中不同假设特性阻抗下计算得到的皮尔逊相关系数曲线。
图8为本发明提供的一种实施例中修正得到的被测电缆的宽频阻抗谱幅频特性曲线和相频特性曲线，其中实线表示幅频特性曲线，虚线表示相频特性曲线。
图9为本发明提供的另一种实施例中测试得到的被测电缆的宽频阻抗幅频特性曲线和相频特性曲线，其中实线表示幅频特性曲线，虚线表示相频特性曲线。
图10为本发明提供的另一种实施例中修正得到的被测电缆的宽频阻抗谱幅频特性曲线和相频特性曲线，其中实线表示幅频特性曲线，虚线表示相频特性曲线。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本实施例中提供了一种电力电缆宽频阻抗谱测试方法，用于宽频阻抗谱测试系统中，如图1所示，所述宽频阻抗谱测试系统包括矢量网络分析仪100和与所述矢量网络分析仪100连接的屏蔽接线盒200，所述屏蔽接线盒200连接被测电力电缆500的终端510，如图2所示，为所述电力电缆宽频阻抗谱测试方法的流程图，如图2所示，所述电力电缆宽频阻抗谱测试方法包括：
步骤S110、在对所述宽频阻抗谱测试系统进行校准后，获取被测电力电缆的宽频阻抗谱数据；
在本发明实施例中，所述矢量网络分析仪100与所述屏蔽接线盒200之间以及所述屏蔽接线盒200与所述被测电力电缆500之间均通过同轴电缆300连接，连接所述屏蔽接线盒200的同轴电缆300与所述被测电力电缆500之间还设置分叉引线310，所述分叉引线310的一端连接所述同轴电缆300，另一端连接所述被测电力电缆500，在本发明实施例中，所述分叉引线310的另一端连接所述被测电力电缆500的终端510；
所述对所述宽频阻抗谱测试系统进行校准包括：
根据所述矢量网络分析仪的开路、短路和负载校准功能对所述屏蔽接线盒及其两侧的同轴电缆在设置的扫频范围内进行校准。
在本发明实施例中，所述同轴电缆的特性阻抗为50Ω。
具体地，如图1所示，所述屏蔽接线盒200的进出线均设置射频连接器400，且所述屏蔽接线盒200内串联电容。
优选地，所述屏蔽接线盒200内串联电容的取值范围为1μF≤C≤10μF。
在进行校准时，将装有串联电容的屏蔽接线盒200利用特性阻抗为50Ω的同轴电缆连接至矢量网络分析仪100，然后利用矢量网络分析仪100的开路、短路和负载校准功能对分叉引线310及电容屏蔽接线盒在设置的扫频范围内进行校准，从而将测试平面A校准至同轴电缆300的末端。
将分叉引线310的同轴端连接至测试平面A，并将另一端连接至被测电力电缆500，然后对被测电力电缆500的宽频阻抗谱的幅值Zd(f)和相位Angle(Zd(f))进行测试，其中f为信号频率。
在本发明实施例中，屏蔽接线盒200内串联电容焊接在印制电路板上，整个测试盒内不通过软导线连接，其主要目的是保证屏蔽接线盒的等效电路参数在测试过程中保持稳定。串联电容的目的主要是将工频感应电压限制在串联电容上，从而使降落在网络分析仪内阻上的工频感应电压尽可能小。
还需要说明的是，当现场测试过程中不存在感应电影响时，可不安装装有串联电容的屏蔽接线盒。
矢量网络分析仪(如安捷伦E5061B)的校准方法可参见现有技术中已经披露的处理方法，如Joel P D.Handbook of Microwave Component Measurements with AdvancedVNA Techniques[M].United Kingdom：John Wiley&Sons，2012，其主要目的是消除同轴电缆和装有电容的屏蔽接线盒对测试结果的影响。
具体地，所述获取被测电力电缆的宽频阻抗谱数据，包括：
根据宽频阻抗谱计算公式计算被测电力电缆的宽频阻抗谱复数值，其中所述宽频阻抗谱计算公式为：
Zd(f)＝|Zd(f)|·exp(j·Angle(Zd(f)))，
其中，Zd(f)表示被测电力电缆的宽频阻抗谱的幅值，Angle(Zd(f))表示被测电力电缆的宽频阻抗谱的相位，f表示被测电力电缆的信号频率，j表示复数，exp(·)表示指数函数；
根据所述被测电力电缆的宽频阻抗谱复数值计算得到首端反射系数复数值，其中所述首端反射系数复数值表示为：
Figure BDA0003071718640000061
其中，Γd(f)表示首端反射系数复数值。
步骤S120、根据所述被测电力电缆的宽频阻抗谱数据计算被测电力电缆的特性阻抗；
具体包括如下步骤：
步骤S121、根据公式y0(t)＝exp(-4·ln(2)·t2/w2)产生脉宽为w的高斯脉冲，并根据快速傅里叶变换对y0(t)进行处理得到Y0(f)＝FFT(y0(t))，根据公式Y(f)＝Y0(f)·Γd(f)计算得到反射信号y(t)的频域表达式Y(f)，其中t表示时间；
步骤S122、对Y(f)进行快速傅里叶逆变换处理得到时域反射信号y(t)＝IFFT(Y(f))，提取y(t)中表征分叉引线处反射的时域信号y1(t)，并进行快速傅里叶变换处理得到Y1(f)＝FFT(y1(t))；
步骤S123、根据公式Γ1(f)＝Y1(f)/Y0(f)计算分叉引线处的反射系数Γ1(f)，并假设被测电力电缆的特性阻抗Z0取值为10Ω；
步骤S124、计算得到交叉引线处的等效阻抗Z1(f)，
Figure BDA0003071718640000062
步骤S125、根据公式Z′d(f)＝Zd(f)-Z1(f)计算得到对应的Z′d(f)，并根据转换函数f→t′将得到的Z′d(f)相位Angle(Z′d(f))转换为t′域信号Angle(Z′d(t′))，对Angle(Z′d(t′))进行快速傅里叶变换处理得到Angle(Z′d(t′))的频谱FFT(Angle(Z′d(t′)))，保留FFT(Angle(Z′d(t′)))中除直流分量外能量最大点的信号，其他部分全部置零并进行快速傅里叶逆变换处理得到信号Angle(Z′d·max(t′))，利用转换函数t′→f将t′域信号转换为频域信号Angle(Z′d·max(f))；
步骤S126、计算Z′d(f)的相位Angle(Z′d(f))与步骤S125中计算得到的Angle(Z′d·max(f))之间的皮尔逊相关系数ρZ：
Figure BDA0003071718640000071
其中，N表示进行计算的数据长度，mean(·)表示平均值；
步骤S127、以步长0.1Ω增大假设的被测电力电缆的特性阻抗Z0：
Z0＝Z0+0.1；
步骤S128、重复步骤S124～步骤S127直至假设的被测电力电缆的特性阻抗Z0取值为100Ω；
步骤S129、获取不同假设特性阻抗下步骤S126中计算得到的皮尔逊相关系数曲线，并将曲线中ρZ最大时对应的特性阻抗作为估计得到的被测电力电缆特性阻抗Z0·E。
步骤S130、根据所述被测电力电缆的特性阻抗计算修正后的被测电力电缆的宽频阻抗谱。
具体地，计算被测电力电缆特性阻抗Z0·E下交叉引线处的等效阻抗Z1·E(f)：
Figure BDA0003071718640000072
根据公式Z′d·E(f)＝Zd(f)-Z1·E(f)计算得到Z′d·E(f)为修正后的被测电力电缆的宽频阻抗谱。
综上，本发明实施例提供的电力电缆宽频阻抗谱测试方法与现有技术相比具有以下优势：
1、本发明采用的装有串联电容的屏蔽接线盒可以显著抑制感应的影响，保证了测试过程中测试仪器的安全性，防止仪器损坏。
2、本发明采用的装有串联电容的屏蔽接线盒由于进出线均采用了射频连接器，且盒内串联电容焊接在印制电路板上，整个测试盒内无软导线连接，因此保证了屏蔽接线盒的等效电路参数在测试过程中的稳定性。
3、本发明通过时域分析和频域分析相结合的方式，可有效提取表征测试仪器分叉引线反射部分的信号，从而进一步得到交叉引线处的等效阻抗。
4、本发明通过皮尔逊相关系数法直接实现了被测电力电缆特性阻抗的估计，相比于传统的电力电缆特性阻抗计算方法，本发明无需对电缆终端进行处理，同时也不受测试仪器分叉引线的影响。
5、本发明通过估计得到的特性阻抗结合交叉引线处的等效阻抗实现了被测电力电缆宽频阻抗谱的修正，消除了测试仪器分叉引线的影响，从而大大提高了测试数据的准确性。
下面对本发明提供的电力电缆宽频阻抗谱测试方法进行具体说明。
作为一种具体地实施例，本实施例针对的被测电力电缆是508m ZR-YJLV02 8.7/15 3*25mm2电力电缆，且在100m位置和250m位置各存在一个中间接头。
本实施例采用安捷伦E5061B矢量网络分析仪对被测电力电缆进行宽频阻抗谱测试。
本实施例提供的电力电缆宽频阻抗谱准确测试方法，如图4a和图4b所示，包括以下步骤：
S1、测试系统接线及校准
将装有1μF串联电容的屏蔽接线盒利用特性阻抗为50Ω的同轴电缆连接至安捷伦矢量网络分析仪E5061B。设置扫频范围为100kHz～7MHz，扫频点数为700，然后利用E5061B的开路、短路和负载校准功能对测试引线及电容屏蔽接线盒在设置的扫频范围内进行校准，将测试平面校准至同轴电缆的末端，校准前后测试系统的阻抗谱相位曲线如图3所示。
S2、电力电缆宽频阻抗谱测试
将分叉引线的同轴端连接至测试平面，并将另一端连接至被测电缆，测试系统接线原理图如图4所示，然后对电缆的宽频阻抗谱的幅值和相位进行测试，其中f为信号频率，测试得到的宽频阻抗谱幅频特性曲线、相频特性曲线分别如图5、图6中实线所示。为便于对比，图5、图6中亦给出了与被测电力电缆同型号、同批次且不含中间接头的电缆利用现有技术(参见Papazyan R,Pettersson P,Edin H,et al.Extraction of high frequencypower cable characteristics from S-parameter measurements[J].IEEETransactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2004,11(3):461-470)在实验室的测试结果等效值(等效为508m)，如图中虚线所示。
由图5、图6结果可知，相比于实验室测量得到的参考曲线，受分叉引线的影响，测量得到的曲线存在着明显的位移现象。
S3、宽频阻抗谱数据预处理
利用公式Zd(f)＝|Zd(f)|·exp(j·Angle(Zd(f)))计算得到被测电缆的宽频阻抗谱复数值，其中j为复数，exp(·)为指数函数。然后根据被测电缆宽频阻抗谱复数值计算得到的首端反射系数复数值Γd(f)：
Figure BDA0003071718640000081
S4、计算被测电力电缆的特性阻抗
S41、利用公式y0(t)＝exp(-4·ln(2)·t2/w2)产生脉宽为100ns的高斯脉冲，并利用FFT对y0(t)进行处理得到Y0(f)＝FFT(y0(t))，然后利用公式Y(f)＝Y0(f)·Γd(f)计算得到反射信号y(t)的频域表达式Y(f)。其中t为时间。
S42、对Y(f)进行IFFT处理得到时域反射信号y(t)＝IFFT(Y(f))，然后提取y(t)中表征分叉引线处反射的时域信号y1(t)，并进行FFT处理得到Y1(f)＝FFT(y1(t))。
S43、利用公式Γ1(f)＝Y1(f)/Y0(f)计算分叉引线处的反射系数Γ1(f)，并假设被测电力电缆特性阻抗Z0取值为10Ω。
S44、计算得到交叉引线处的等效阻抗Z1(f)：
Figure BDA0003071718640000091
S45、利用公式Z′d(f)＝Zd(f)-Z1(f)计算得到对应的Z′d(f)，然后利用转换函数f→t′将得到的Z′d(f)相位Angle(Z′d(f))转换为t′域信号Angle(Z′d(t′))，并对Angle(Z′d(t′))进行快速FFT处理，得到Angle(Z′d(t′))的频谱FFT(Angle(Z′d(t′)))。保留FFT(Angle(Z′d(t′)))中除直流分量外能量最大点的信号，其他部分全部置零并进行IFFT处理得到信号Angle(Z′d·max(t′))，然后利用转换函数t′→f将t′域信号转换为频域信号Angle(Z′d·max(f))。
S46、计算Z′d(f)的相位Angle(Z′d(f))与S45中计算得到的Angle(Z′d·max(f))的皮尔逊相关系数ρZ：
Figure BDA0003071718640000092
其中，N为进行计算的数据长度，取值为200；mean(·)为平均值。
S47、以步长0.1Ω增大假设的电力电缆特性阻抗Z0：
Z0＝Z0+0.1；
S48、重复步骤S44～S47直至假设的电力电缆特性阻抗Z0取值为100Ω。
S49、计算不同假设特性阻抗下的皮尔逊相关系数曲线如图7所示，获取皮尔逊相关系数曲线中最大值对应的特性阻抗，并将此特性阻抗作为估计得到的电力电缆特性阻抗Z0·E。由皮尔逊相关系数曲线可知被测电力电缆的特性阻抗为37Ω。
S5、计算修正得到的宽频阻抗谱
计算特性阻抗Z0·E下交叉引线处的等效阻抗Z1·E(f)：
Figure BDA0003071718640000093
利用公式Z′d·E(f)＝Zd(f)-Z1·E(f)计算得到Z′d·E(f)即为修正得到的宽频阻抗谱，修正后得到的宽频阻抗谱的幅频特性曲线、相频特性曲线如图8所示。由图8结果可知，修正后的宽频阻抗谱可有效解决原始数据存在的位移现象。
作为一种具体地实施例，本实施例针对的被测电力电缆是1km ZR-YJV228.7/153*400mm2电力电缆，且在243m位置和628m位置分别存在一个中间接头。
本实施例采用安捷伦E5061B矢量网络分析仪对被测电力电缆进行宽频阻抗谱测试。
本实施例提供的电力电缆宽频阻抗谱准确测试方法，如图4a和图4b所示，包括以下步骤：
S1、测试系统接线及校准
将装有1μF串联电容的屏蔽接线盒利用特性阻抗为50Ω的同轴电缆连接至安捷伦矢量网络分析仪E5061B。设置扫频范围为50kHz～5MHz，扫频点数为1000，然后利用E5061B的开路、短路和负载校准功能对测试引线及电容屏蔽接线盒在设置的扫频范围内进行校准，将测试平面校准至同轴电缆的末端。
S2、电力电缆宽频阻抗谱测试
将分叉引线的同轴端连接至测试平面，并将另一端连接至被测电缆，然后对电缆的宽频阻抗谱的幅值Zd(f)|和相位Angle(Zd(f))进行测试，其中f为信号频率，测试得到的宽频阻抗谱幅频特性曲线、相频特性曲线分别如图9中实线、虚线所示。由图9结果可知，受分叉引线的影响，测量得到的曲线存在着明显的位移现象。
S3、宽频阻抗谱数据预处理
利用公式Zd(f)＝|Zd(f)|·exp(j·Angle(Zd(f)))计算得到被测电缆的宽频阻抗谱复数值，其中j为复数，exp(·)为为指数函数。然后根据被测电缆宽频阻抗谱复数值计算得到的首端反射系数复数值Γ1(f)：
Figure BDA0003071718640000101
S4、计算被测电力电缆的特性阻抗
S41、利用公式y0(t)＝exp(-4·ln(2)·t2/w2)产生脉宽为100ns的高斯脉冲，并利用FFT对y0(t)进行处理得到Y0(f)＝FFT(y0(t))，然后利用公式Y(f)＝Y0(f)·Γd(f)计算得到反射信号y(t)的频域表达式Y(f)。其中t为时间。
S42、对Y(f)进行IFFT处理得到时域反射信号y(t)＝IFFT(Y(f))，然后提取y(t)中表征分叉引线处反射的时域信号y1(t)，并进行FFT处理得到Y1(f)＝FFT(y1(t))。
S43、利用公式Γ1(f)＝Y1(f)/Y0(f)计算分叉引线处的反射系数Γ1(f)，并假设被测电力电缆特性阻抗Z0取值为10Ω。
S44、计算得到交叉引线处的等效阻抗Z1(f)：
Figure BDA0003071718640000102
S45、利用公式Z′d(f)＝Zd(f)-Z1(f)计算得到对应的Z′d(f)，然后利用转换函数f→t′将得到的Z′d(f)相位Angle(Z′d(f))转换为t′域信号Angle(Z′d(t′))，并对Angle(Z′d(t′))进行快速FFT处理，得到Angle(Z′d(t′))的频谱FFT(Angle(Z′d(t′)))。保留FFT(Angle(Z′d(t′)))中除直流分量外能量最大点的信号，其他部分全部置零并进行IFFT处理得到信号Angle(Z′d·max(t′))，然后利用转换函数t′→f将t′域信号转换为频域信号Angle(Z′d·max(f))。
S46、计算Z′d(f)的相位Angle(Z′d(f))与S45中计算得到的Angle(Z′d·max(f))的皮尔逊相关系数ρZ：
Figure BDA0003071718640000111
其中，N为进行计算的数据长度，取值为200；mean(·)为平均值。
S47、以步长0.1Ω增大假设的电力电缆特性阻抗Z0：
Z0＝Z0+0.1；
S48、重复步骤S44～S47直至假设的电力电缆特性阻抗Z0取值为100Ω。
S49、计算得到不同假设特性阻抗下的皮尔逊相关系数曲线，然后获取皮尔逊相关系数曲线中最大值对应的特性阻抗，并将此特性阻抗作为估计得到的电力电缆特性阻抗Z0·E。由皮尔逊相关系数曲线可知被测电力电缆的特性阻抗为48.3Ω。
S5、计算修正得到的宽频阻抗谱
计算特性阻抗Z0·E下交叉引线处的等效阻抗Z1·E(f)：
Figure BDA0003071718640000112
利用公式Z′d·E(f)＝Zd(f)-Z1·E(f)计算得到Z′d·E(f)即为修正得到的宽频阻抗谱，修正后得到的宽频阻抗谱的幅频特性曲线、相频特性曲线如图10所示。由图10结果可知，修正后的宽频阻抗谱可有效解决原始数据存在的位移现象。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电力电缆宽频阻抗谱测试方法，其特征在于，用于宽频阻抗谱测试系统中，所述宽频阻抗谱测试系统包括矢量网络分析仪和与所述矢量网络分析仪连接的屏蔽接线盒，所述屏蔽接线盒连接被测电力电缆的终端，所述电力电缆宽频阻抗谱测试方法包括：
步骤S110、在对所述宽频阻抗谱测试系统进行校准后，获取被测电力电缆的宽频阻抗谱数据；
步骤S120、根据所述被测电力电缆的宽频阻抗谱数据计算被测电力电缆的特性阻抗；
步骤S130、根据所述被测电力电缆的特性阻抗计算修正后的被测电力电缆的宽频阻抗谱。
2.根据权利要求1所述的电力电缆宽频阻抗谱测试方法，其特征在于，所述矢量网络分析仪与所述屏蔽接线盒之间以及所述屏蔽接线盒与所述被测电力电缆之间均通过同轴电缆连接，连接所述屏蔽接线盒的同轴电缆与所述被测电力电缆之间还设置分叉引线，所述分叉引线的一端连接所述同轴电缆，另一端连接所述被测电力电缆；
所述对所述宽频阻抗谱测试系统进行校准包括：
根据所述矢量网络分析仪的开路、短路和负载校准功能对所述屏蔽接线盒及其两侧的同轴电缆在设置的扫频范围内进行校准。
3.根据权利要求2所述的电力电缆宽频阻抗谱测试方法，其特征在于，所述获取被测电力电缆的宽频阻抗谱数据，包括：
根据宽频阻抗谱计算公式计算被测电力电缆的宽频阻抗谱复数值，其中所述宽频阻抗谱计算公式为：
Zd(f)＝|Zd(f)|·exp(j·Angle(Zd(f)))，
其中，Zd(f)表示被测电力电缆的宽频阻抗谱的幅值，Angle(Zd(f))表示被测电力电缆的宽频阻抗谱的相位，f表示被测电力电缆的信号频率，j表示复数，exp(·)表示指数函数；
根据所述被测电力电缆的宽频阻抗谱复数值计算得到首端反射系数复数值，其中所述首端反射系数复数值表示为：
Figure FDA0003071718630000011
其中，Γd(f)表示首端反射系数复数值。
4.根据权利要求3所述的电力电缆宽频阻抗谱测试方法，其特征在于，所述根据所述被测电力电缆的宽频阻抗谱数据计算被测电力电缆的特性阻抗，包括：
步骤S121、根据公式y0(t)＝exp(-4·ln(2)·t2/w2)产生脉宽为w的高斯脉冲，并根据快速傅里叶变换对y0(t)进行处理得到Y0(f)＝FFT(y0(t))，根据公式Y(f)＝Y0(f)·Γd(f)计算得到反射信号y(t)的频域表达式Y(f)，其中t表示时间；
步骤S122、对Y(f)进行快速傅里叶逆变换处理得到时域反射信号y(t)＝IFFT(Y(f))，提取y(t)中表征分叉引线处反射的时域信号y1(t)，并进行快速傅里叶变换处理得到Y1(f)＝FFT(y1(t))；
步骤S123、根据公式Γ1(f)＝Y1(f)/Y0(f)计算分叉引线处的反射系数Γ1(f)，并假设被测电力电缆的特性阻抗Z0取值为10Ω；
步骤S124、计算得到交叉引线处的等效阻抗Z1(f)，
Figure FDA0003071718630000021
步骤S125、根据公式Z′d(f)＝Zd(f)-Z1(f)计算得到对应的Z′d(f)，并根据转换函数f→t′将得到的Z′d(f)相位Angle(Z′d(f))转换为t′域信号Angle(Z′d(t′))，对Angle(Z′d(t′))进行快速傅里叶变换处理得到Angle(Z′d(t′))的频谱FFT(Angle(Z′d(t′)))，保留FFT(Angle(Z′d(t′)))中除直流分量外能量最大点的信号，其他部分全部置零并进行快速傅里叶逆变换处理得到信号Angle(Z′d·max(t′))，利用转换函数t′→f将t′域信号转换为频域信号Angle(Z′d·max(f))；
步骤S126、计算Z′d(f)的相位Angle(Z′d(f))与步骤S125中计算得到的Angle(Z′d·max(f))之间的皮尔逊相关系数ρZ：
Figure FDA0003071718630000022
其中，N表示进行计算的数据长度，mean(·)表示平均值；
步骤S127、以步长0.1Ω增大假设的被测电力电缆的特性阻抗Z0：
Z0＝Z0+0.1；
步骤S128、重复步骤S124～步骤S127直至假设的被测电力电缆的特性阻抗Z0取值为100Ω；
步骤S129、获取不同假设特性阻抗下步骤S126中计算得到的皮尔逊相关系数曲线，并将曲线中ρZ最大时对应的特性阻抗作为估计得到的被测电力电缆特性阻抗Z0·E。
5.根据权利要求4所述的电力电缆宽频阻抗谱测试方法，其特征在于，所述根据所述被测电力电缆的特性阻抗计算修正后的被测电力电缆的宽频阻抗谱，包括：
计算被测电力电缆特性阻抗Z0·E下交叉引线处的等效阻抗Z1·E(f)：
Figure FDA0003071718630000023
根据公式Z′d·E(f)＝Zd(f)-Z1·E(f)计算得到Z′d·E(f)为修正后的被测电力电缆的宽频阻抗谱。
6.根据权利要求4所述的电力电缆宽频阻抗谱测试方法，其特征在于，所述高斯脉冲的脉宽w不大于所述矢量网络分析仪设置的扫频范围频率上限值的倒数，且不小于所述矢量网络分析仪设置的扫频范围频率上限值倒数的0.5倍。
7.根据权利要求4所述的电力电缆宽频阻抗谱测试方法，其特征在于，所述进行计算的数据长度N不大于所述矢量网络分析仪设置的扫频点数的0.5倍。
8.根据权利要求2所述的电力电缆宽频阻抗谱测试方法，其特征在于，所述同轴电缆的特性阻抗为50Ω。
9.根据权利要求1所述的电力电缆宽频阻抗谱测试方法，其特征在于，所述屏蔽接线盒的进出线均设置射频连接器，且所述屏蔽接线盒内串联电容。
10.根据权利要求9所述的电力电缆宽频阻抗谱测试方法，其特征在于，所述屏蔽接线盒内串联电容的取值范围为1μF≤C≤10μF。
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