CN113484694A - Fdr波峰推移测算波速电缆绝缘性能评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力电缆技术领域，本发明采用的技术方案为：FDR波峰推移测算波速电缆绝缘性能评估方法，包括以下主要步骤：S1、首先对电缆整体绝缘性能的评估原理进行分析；S2、其次验证利用频域反射技术评估电缆整体绝缘性能的有效性，并且开展仿真测试；S3、最后验证利用频域反射技术评估电缆整体绝缘性能方法的有效性。通过S1、S2、S3之间的分布配合步骤实现FDR波峰推移测算波速电缆绝缘性能评估，采用这种方法科学性较高，逻辑性较强，一改以往老旧的评估步骤，通过对电缆进行开展定期的频域反射测试并比对定期测试结果来实现电缆整体绝缘性能的无损评估。
Description
技术领域
本发明涉及电力电缆技术领域，尤其涉及FDR波峰推移测算波速电缆绝缘性能评估方法。
背景技术
FDR为频域反射法，全称Frequency Domain Reflectometry。以往对FDR波峰推移测算波速电缆绝缘性能评估的时候，损耗较大，不能实现对电缆的FDR波峰推移测算波速电缆绝缘性能进行无损评估。
发明内容
本发明的目的是为了解决背景技术中存在的缺点，而提出的FDR波峰推移测算波速电缆绝缘性能评估方法。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：FDR波峰推移测算波速电缆绝缘性能评估方法，包括以下主要步骤：
S1、首先对电缆整体绝缘性能的评估原理进行分析；
S2、其次验证利用频域反射技术评估电缆整体绝缘性能的有效性，并且开展仿真测试；
S3、最后验证利用频域反射技术评估电缆整体绝缘性能方法的有效性，并且开展实验研究。
优选的，所述步骤S1随着绝缘材料相对介电常数的增加，电缆的衰减系数会增加，波速会下降，对应到反射系数谱中，反射系数的实部的幅值会下降，频率会发生增加，由此通过分析频域反射曲线中电缆末端反射波峰的幅值和横轴位置来评估电缆绝缘的整体老化状态。
优选的，最后验证利用频域反射技术评估电缆整体绝缘性能方法的有效性，并且开展实验研究。
优选的，所述步骤S1中直接将反射系数的实部的频率值用于评估电缆整体绝缘性能，反射系数的实部的幅值可作为整体绝缘性能评估的辅助参数。
优选的，所述步骤S2中分别设置总长为100m、200m和300m的三组电缆样本。
优选的，所述步骤S2中分别三组不同长度电缆样本中绝缘材料的相对介电常数分别设置为2.3、3、3.5和4，以模拟整体绝缘老化不同程度的电缆。
优选的，所述步骤S3中将频域反射中测试频率范围设置为150kHz～900MHz，测试点数为1601。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
通过S1、S2、S3之间的分布配合步骤实现FDR波峰推移测算波速电缆绝缘性能评估，采用这种方法科学性较高，逻辑性较强，一改以往老旧的评估步骤，通过对电缆进行开展定期的频域反射测试并比对定期测试结果来实现电缆整体绝缘性能的无损评估。
附图说明
图1为本发明FDR波峰推移测算波速电缆绝缘性能评估方法的不同相对介电常数下仿真电缆模型的衰减常数图；
图2为本发明FDR波峰推移测算波速电缆绝缘性能评估方法的不同相对介电常数下仿真电缆模型的波速图；
图3为本发明FDR波峰推移测算波速电缆绝缘性能评估方法的不同相对介电常数下100m仿真电缆模型的频域反射曲线图；
图4为本发明FDR波峰推移测算波速电缆绝缘性能评估方法的不同相对介电常数下200m仿真电缆模型的频域反射曲线图；
图5为本发明FDR波峰推移测算波速电缆绝缘性能评估方法的不同相对介电常数下300m仿真电缆模型的频域反射曲线图；
图6为本发明FDR波峰推移测算波速电缆绝缘性能评估方法的20m同轴通信电缆的频域反射曲线图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员想到其他显而易见的变型。
提供FDR波峰推移测算波速电缆绝缘性能评估方法，包括以下主要步骤：
S1、首先对电缆整体绝缘性能的评估原理进行分析；
S2、其次验证利用频域反射技术评估电缆整体绝缘性能的有效性，并且开展仿真测试；
S3、最后验证利用频域反射技术评估电缆整体绝缘性能方法的有效性，并且开展实验研究。
实施例一：
如图1-2所示，步骤S1随着绝缘材料相对介电常数的增加，电缆的衰减系数会增加，波速会下降，对应到反射系数谱中，反射系数的实部的幅值会下降，频率会发生增加，由此通过分析频域反射曲线中电缆末端反射波峰的幅值和横轴位置来评估电缆绝缘的整体老化状态，验证利用频域反射技术评估电缆整体绝缘性能方法的有效性，并且开展实验研究，步骤S1中直接将反射系数的实部的频率值用于评估电缆整体绝缘性能，反射系数的实部的幅值可作为整体绝缘性能评估的辅助参数。
随着电缆服役时间的增加，温度、水分和电场等多种因素会引发电缆的绝缘老化现象，该现象会导致电缆中各分布参数发生变化，从而会影响电缆的频域反射测试结果。对于整根电缆而言，当电缆末端设置为开路时，电缆末端的反射系数值为1，得到此时的反射系数实部real(Γl)为
其中，α为电缆自身的衰减常数，v为电缆中传播的波速，f为测试频率，l为电缆总长(位置信息)。
从式(1-1)中看出，此时的反射系数实部曲线特性由α、v和l三个参数决定，当l已知时，反射系数实部曲线特性仅由α和v两个参数值决定，这两个参数和电缆整体绝缘性能息息相关，所以反射系数实部曲线特性能够有效反映电缆的绝缘性能。
缆芯电流的热效应会造成电缆绝缘发生热老化，XLPE绝缘会出现物理和化学性质的转变，在140℃热老化1512小时的条件下，XLPE绝缘材料的颜色会逐渐由无色转变为暗橙色，同时相对介电常数会由2.4上升4.0。绝缘材料相对介电常数的变化会导致电缆中α和v两个参数发生变化，做出不同相对介电常数下仿真电缆模型中α和v如图1和图2所示。随着绝缘材料相对介电常数的增加，电缆的衰减系数会增加，波速会下降，对应到反射系数谱中，反射系数的实部的幅值会下降，频率会发生增加，由此通过分析频域反射曲线中电缆末端反射波峰的幅值和横轴位置来评估电缆绝缘的整体老化状态。
在现实的频域反射测试中，电缆首端和测试仪器之间存在测试夹具，该测试夹具会造成电缆首端的阻抗失配现象，进而迫使测试信号在注入和反射的过程中出现电缆首端处的回波损耗。同时在多次测试中难以保证测试夹具和电缆的连接情况一致，因此电缆首端的阻抗失配程度通常是不可控的，这就会造成在多次测试中测试信号在电缆首端的回波损耗不一致，进而影响电缆末端反射波信号能量的读取，因此本文不建议直接将反射系数的实部的幅值作为电缆整体绝缘性能评估的标准。反射系数的实部的频率值是由电缆中波速决定，该值几乎不受电缆首端处阻抗失配现象的影响，因此本文建议直接将反射系数的实部的频率值用于评估电缆整体绝缘性能，反射系数的实部的幅值可作为整体绝缘性能评估的辅助参数。
实施例二：
如图1-2所示，步骤S2中分别设置总长为100m、200m和300m的三组电缆样本，步骤S2中分别三组不同长度电缆样本中绝缘材料的相对介电常数分别设置为2.3、3、3.5和4，以模拟整体绝缘老化不同程度的电缆。
为了验证利用频域反射技术评估电缆整体绝缘性能的有效性，本节开展仿真测试，仿真模型采用第二章中模型，分别设置总长为100m、200m和300m的三组电缆样本，三组不同长度电缆样本中绝缘材料的相对介电常数分别设置为2.3、3、3.5和4，以模拟整体绝缘老化不同程度的电缆。该仿真测试中，频域反射测试的频段范围设置为150kHz～80MHz，频率间隔设置为0.05MHz。
对上述三组不同长度的仿真电缆模型开展频域反射测试，得到仿真模型的反射系数谱测试结果，接着做出频域反射曲线如图3、图4和图5所示。从图3、图4和图5中看出，随着绝缘材料相对介电常数的增加，三组电缆样本的电缆末端反射波峰均出现向下和向右偏移的现象。
由图1中看出，当绝缘材料的相对介电常数增加时，电缆中衰减常数也会增加，结合式(1-1)，判断反射系数谱中电缆末端反射对应周期分量的幅值会下降，由此导致图3、图4和图5中电缆末端反射波峰向下偏移。由图2中看出，当绝缘材料的相对介电常数增加时，电缆中波速会下降，结合式(1-1)，判断反射系数谱中电缆末端反射对应周期分量的频率会增加，由此导致图3、图4和图5中电缆末端反射波峰向右偏移。值得说明的是，由于仿真中电缆首端测试夹具处的阻抗失配程度是可控的，所以对于三组仿真电缆样本而言，电缆末端反射波峰随着电缆绝缘材料老化程度的加深而向下偏移的趋势是清晰可见的，但现实中每次测试时电缆首端测试夹具处的阻抗不匹配程度是不可控的，因此电缆末端反射波峰向下偏移的趋势可能不存在。
对比图3、图4和图5看出，随着电缆长度的增加，同等程度的整体老化会造成电缆末端反射波峰向下和向右的偏移量更大，这是因为从式(1-1)中看出，在同样的绝缘老化程度前提下，电缆末端反射对应周期分量的幅值和频率偏移量和电缆长度相关，电缆长度越长，电缆末端反射对应周期分量的幅值减少量更大，频率增加量更大，从而导致频域反射曲线中电缆末端反射波峰向下和向右的偏移量更大。综上，当电缆的长度越长时，频域反射曲线中电缆末端反射波峰的偏移量对电缆整体绝缘状态更加敏感。
实施例三：
如图6所示，步骤S3中将频域反射中测试频率范围设置为150kHz～900MHz，测试点数为1601。
为了实际验证利用频域反射技术评估电缆整体绝缘性能方法的有效性，本节将开展实验研究。受重量和体积的影响，难以对较长的XLPE电力电缆开展整体热老化的实验，因此采用20m同轴通信电缆开展实验。同轴通信电缆和电力电缆几乎拥有同样的同轴分布结构，在传输线理论中，两者是类似的，因此频域反射测试结果几乎是通用的。将同轴通信电缆放进高温干燥箱中进行热老化，热老化温度设置为100℃，老化总时长设置为48h，每隔12h对同轴通信电缆开展频域反射测试，得到该电缆的反射系数谱数据。由于同轴通信电缆的信号传输频带较高，因此本节将频域反射中测试频率范围设置为150kHz～900MHz，测试点数为1601，得到频域反射曲线如图6所示。
从图6中看出，随着热老化时间的增加，频域反射曲线中电缆末端反射波峰逐渐向右偏移，说明电缆末端反射波对应周期分量的频率在增加，这是由于电缆中电磁波波速降低造成的，究其根本，该现象是由电缆中绝缘材料介电常数的增加引起的。分析可知电缆末端反射波峰的偏移量不仅仅和电缆的老化程度相关，而且与电缆的长度也有密不可分的关系，同样的老化程度下，电缆长度越短，偏移量越小，同轴通信电缆长度只有20m，因此电缆末端反射波峰的偏移量变化较小。将该方法用于较长的电力电缆时，同等老化程度下，电缆末端反射波峰的偏移量会大幅增加，灵敏度更高，整体绝缘的评估效果会增强。
电缆末端反射波峰的幅值会受到电缆首端测试夹具处回波损耗的影响，因此直接依据电缆末端反射波峰的幅值对电缆整体绝缘性能进行判断可能会造成评估错误。从图6中看出，随着热老化时间的增加，频域反射曲线中电缆末端反射波峰会下降，即电缆末端反射波峰的向下偏移量也能一定程度地表征电缆的整体绝缘性能，因此本文将其作为辅助参考量。
综上，实际测试说明了利用频域反射技术对电缆的整体绝缘老化状态进行评估，频域反射曲线中电缆末端反射波峰的向右偏移量越大，电缆老化越严重。频域反射曲线中电缆末端反射波峰的向下偏移量作为绝缘性能评估的辅助参量，该值越大，电缆老化越严重。
最后得出，对于同一根电缆而言，当电缆的绝缘材料出现老化时，电缆中电磁波波速会减小，进而导致频域反射曲线中电缆末端反射波峰向右偏移，并且随着老化程度的增加，频域反射曲线中电缆末端反射波峰的向右偏移量会增加。因此对电缆开展定期频域反射测试，通过分析频域反射曲线中电缆末端反射波峰的向右偏移量来评估电缆的整体绝缘性能，向右偏移量越大，电缆的整体绝缘性能越差。随着电缆长度的增加，同样老化程度带来的向右偏移量会更大，说明该方法对长电缆绝缘性能评估的灵敏度更高。由于电缆末端反射信号在电缆首端测试夹具处会出现回波损耗，该回波损耗会影响电缆末端反射信号的能量幅值，同时该回波损耗的程度通常是不可控的，因此频域反射曲线中电缆末端反射波峰的向下偏移量仅能作为电缆绝缘性能评估的辅助参量，该值越大，能一定程度地说明电缆老化越严重
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (8)
1.FDR波峰推移测算波速电缆绝缘性能评估方法，其特征在于：包括以下主要步骤：
S1、首先对电缆整体绝缘性能的评估原理进行分析；
S2、其次验证利用频域反射技术评估电缆整体绝缘性能的有效性，并且开展仿真测试；
S3、最后验证利用频域反射技术评估电缆整体绝缘性能方法的有效性，并且开展实验研究。
2.根据权利要求1所述的FDR波峰推移测算波速电缆绝缘性能评估方法，其特征在于：所述S1随着绝缘材料相对介电常数的增加，电缆的衰减系数会增加，波速会下降，对应到反射系数谱中，反射系数的实部的幅值会下降，频率会发生增加。
3.根据权利要求1所述的FDR波峰推移测算波速电缆绝缘性能评估方法，其特征在于：所述S1通过分析频域反射曲线中电缆末端反射波峰的幅值和横轴位置来评估电缆绝缘的整体老化状态。
4.根据权利要求1所述的FDR波峰推移测算波速电缆绝缘性能评估方法，其特征在于：所述S1中直接将反射系数的实部的频率值用于评估电缆整体绝缘性能，反射系数的实部的幅值可作为整体绝缘性能评估的辅助参数。
5.根据权利要求1所述的FDR波峰推移测算波速电缆绝缘性能评估方法，其特征在于：所述S2中分别设置总长为100m、200m和300m的三组电缆样本。
6.根据权利要求1所述的FDR波峰推移测算波速电缆绝缘性能评估方法，其特征在于：所述S2中分别三组不同长度电缆样本中绝缘材料的相对介电常数分别设置为2.3、3、3.5和4，以模拟整体绝缘老化不同程度的电缆。
7.根据权利要求1所述的FDR波峰推移测算波速电缆绝缘性能评估方法，其特征在于：所述S3中将同轴通信电缆放进的高温干燥箱中进行热老化，热老化温度设置为100℃，老化总时长设置为48h，每隔12h对同轴通信电缆开展频域反射测试，得到该电缆的反射系数谱数。
8.根据权利要求1所述的FDR波峰推移测算波速电缆绝缘性能评估方法，其特征在于：所述S3中将频域反射中测试频率范围设置为150kHz～900MHz，测试点数为1601。
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| CN114062866B (zh) * | 2021-11-12 | 2023-10-20 | 广东电网有限责任公司广州供电局 | 一种评估电缆绝缘性能的方法及装置 |
| CN114414947A (zh) * | 2022-01-05 | 2022-04-29 | 四川大学 | 适用于fdr测试的首端阻抗匹配方法及电缆阻抗不匹配位置反射状态评估方法 |
| CN114414947B (zh) * | 2022-01-05 | 2023-05-09 | 四川大学 | 适用于fdr测试的首端阻抗匹配方法及电缆阻抗不匹配位置反射状态评估方法 |
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| PB01 | Publication | ||
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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