CN114280411A - 一种获取电缆高频响应的试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种获取电缆高频响应的试验方法，包括在电缆首端输入一个陡上升沿的陡脉冲信号，为避免信号反射，电缆首末两端接匹配装置，同时利用高频电压测量装置对过电压进行测量，通过对输入、输出信号的比较就可以获得长距离电缆的响应特性；最终基于长距离电缆试验结果的响应特性编写ATP‑EMTP电缆线路模块，计算高压电缆线路过电压，本发明解决了高频信号在电缆传播过程中的波形畸变，提高了电缆过电压计算精度，避免投运电缆处于过电压环境，进而提高投运电缆的现场运行可靠性。

Description

一种获取电缆高频响应的试验方法
技术领域
本发明涉及一种获取电缆高频响应的试验方法，属于电缆领域。
背景技术
由于电缆接头结构复杂，需要现场安装，近年来发生的多起电缆线路故障主要是电缆接头故障。为解决这一问题现有技术中是考虑增加电缆段长，进而减少接头数量，但这会引发现有过电压仿真计算模型的参数变化。在过电压计算中，电缆计算历来是一个难题，尽管存在多种模型，但是由于缺乏实际测量，以及参数引自国外文献，其准确性和可靠性难以保障。高压电缆过电压信号高频响应特性研究，需要真型试验来修正或编写频率相关的ATP-EMTP线路模型，进而优化电缆线路绝缘配合方案，提高电缆运行可靠性。
而如何解决高频信号在电缆传播过程中的波形畸变以及过电压的精确测量是亟需解决的一个重点及难点。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种获取电缆高频响应的试验方法，通过陡波脉冲测量，获得电缆高频模型，修正ATP-EMTP线路模型，解决了高频信号在电缆传播过程中的波形畸变，提高了电缆过电压计算精度，避免投运电缆处于过电压环境，进而提高投运电缆的现场运行可靠性。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种获取电缆高频响应的试验方法，在电缆首端输入一个陡上升沿的陡脉冲信号，为避免信号反射，电缆首末两端接匹配装置，同时利用高频电压测量装置对过电压进行测量，通过对输入、输出信号的比较就可以获得长距离电缆的响应特性；最终基于长距离电缆试验结果的响应特性编写ATP-EMTP电缆线路模块，计算高压电缆线路过电压，提高模型准确性。
本发明技术方案的进一步改进在于：将高频电力电子开关作为陡脉冲信号源输出陡脉冲信号，高压侧电路为：
输入引脚与1MΩ电阻连接后与直流电压连接，输出引脚接地；输入引脚与1MΩ电阻之间连接20nF电容后接地；1MΩ电阻与直流电压之间连接信号输出端口，信号输出端口依次连接衰减探头和示波器。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述20nF电容采用两个10nF的电容并联而成，且电容耐压4kV。
本发明技术方案的进一步改进在于：输入连接4kV高压直流模块，输出微秒量级上升沿的高压陡脉冲信号。
本发明技术方案的进一步改进在于：电缆首末两端连接的匹配装置为锥形过渡段，包括从内至外依次包裹的内导体、主绝缘层和外半导电层，内导体和主绝缘层设置为端部直径逐渐缩小的锥形结构，外半导电层的内径逐渐缩小而外径不变；锥形过渡段连接BNC端子，其中电缆首端的BNC端子用于耦合高压陡脉冲信号，电缆末端的BNC端子连接高频电压测量装置；
电缆的波阻抗ZC1表达式：
Figure BDA0003362876020000021
式中，εr是电缆的相对介电常数；
D为电缆外半导电层的内径最大值，
d为内导体的外径最大值；
锥形过渡段的波阻抗ZC2表达式：
Figure BDA0003362876020000022
式中，θ1是电缆外半导电层的内径水平夹角；
θ2是内导体的外径水平夹角；
将电缆的波阻抗ZC1与锥形过渡段的波阻抗ZC2相等，就能实现高频信号的匹配，得出锥形过渡段水平夹角θ1和θ2。
本发明技术方案的进一步改进在于：电缆末端对过电压进行测量的高频电压测量装置为陡波测量传感器，包括与待测电缆PTL相连的电阻分压器，电阻分压器的另一端连接测量示波器OSC，电阻分压器包括并联连接的电阻R2和R3，R2与R3的电阻之和与电缆波阻抗ZC1相同，电阻R2和R3并联连接后与电阻R4连接，R3与R4的电阻之和为测量电缆波阻抗。
本发明技术方案的进一步改进在于：电阻分压器采用耐压高、体积小、精度高、电阻温度特性好、阻值稳定、高频性能好的金属膜电阻，通过电阻并联尽量减小引线电感的影响，所研制高频电压测量装置频率应用于1MHz。
本发明技术方案的进一步改进在于：进行多次电缆陡脉冲试验，获得过电压高频信号高电压等级电缆响应特性，编写ATP-EMTP电缆线路模块，计算陡波输入情况下的电缆末端波形，通过仿真结果与试验结果的对比，迭代改进修正ATP-EMTP电缆线路模型，计算高压电缆线路过电压，增加高压电缆分段长度，提高模型准确性。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明将高频电力电子开关作为陡脉冲源，代替传统信号发生器，输出微秒量级上升沿的高压陡脉冲信号，将入射电压提高100倍以上；发明了陡脉冲发生器与工程电压等级电缆的高频接口，避免了接口处信号的折返射与波形畸变；发明了电缆末端陡波测量传感器，测量频带优于1MHz，满足电缆高频测量的要求；最终基于长距离电缆试验结果的响应特性成果编写ATP-EMTP电缆线路模块，计算高压电缆线路过电压，提高模型准确性。避免投运电缆处于过电压环境，进而提高投运电缆的现场运行可靠性
附图说明
图1是本发明高频电力电子开关高压侧电路图；
图2是本发明电缆首末两端连接的匹配装置的剖视图；
图3是本发明高频电压测量装置图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
一种获取电缆高频响应的试验方法，在电缆首端输入一个陡上升沿的陡脉冲信号，为避免信号反射，电缆首末两端接匹配装置，同时利用高频电压测量装置对过电压进行测量，通过对输入、输出信号的比较就可以获得长距离电缆的响应特性；最终基于长距离电缆试验结果的响应特性编写ATP-EMTP电缆线路模块，计算高压电缆线路过电压，提高模型准确性。
1)陡脉冲源设计
基于高频电力电子开关构成陡脉冲源，拟采用的高压电路设计如图1所示：
其中，高频电力电子开关的输入引脚到直流电压输入端之间接入一个1MΩ的电阻；此外，在高压输入端与地之间接入20nF的电容，该电容采用了两个10nF的电容并联而成，该电容耐压为4kV。高频电力电子开关输入引脚与信号输出端口相连；此外，高频电力电子开关的输出引脚接地。
输入连接4kV高压直流模块，通过高频电力电子开关输出微秒量级上升沿的高压陡脉冲信号。
2)电缆两端匹配装置的设计
为了避免信号从陡脉冲源到电缆及电缆末端的折返射引发的波形畸变，需要设计匹配装置。
匹配装置为锥形过渡段，剖视图如图2所示，包括从内至外依次包裹的内导体、主绝缘层和外半导电层，内导体和主绝缘层均设置为端部直径逐渐缩小的锥形结构，外半导电层的内径逐渐缩小而外径不变；D为电缆外半导电层的内径最大值，d为内导体的外径最大值，θ1是电缆外半导电层的内径水平夹角，θ2是内导体的外径水平夹角。锥形过渡段连接BNC端子，电缆首端的BNC端子用于耦合高压陡脉冲信号，电缆末端的BNC端子连接匹配电阻及高压测量传感器。
电缆的波阻抗ZC1表达式：
Figure BDA0003362876020000051
式中，εr是电缆的相对介电常数；
D为电缆外半导电层的内径最大值，
d为内导体的外径最大值；
锥形过渡段的波阻抗ZC2表达式：
Figure BDA0003362876020000052
式中，θ1是电缆外半导电层的内径水平夹角；
θ2是内导体的外径水平夹角；
因此，通过将电缆的波阻抗ZC1与锥形过渡段的波阻抗ZC2相等，就能实现高频信号的匹配，得出锥形过渡段水平夹角θ1和θ2。
3)电缆末端高频电压测量装置设计
采用电阻分压原理研制陡波测量传感器进行高频高压信号的测量，图3中高压电阻分压器包括并联连接的R2与R3，同时R2与R3电阻之和与电缆波阻抗相同，作为末端匹配电阻。电阻R2和R3并联连接后与电阻R4连接，R3与R4之和为测量电缆波阻抗50欧，避免测量结果传输到示波器时的波形不匹配，OSC为测量示波器，PTL为待测电缆。
电阻分压器应采用耐压高、体积小、精度高、电阻温度特性好、阻值稳定、高频性能好的金属膜电阻，通过电阻并联尽量减小引线电感的影响，所研制高频电压测量装置频率应用于1MHz。
4)施工现场电缆陡脉冲试验
施工现场电缆陡脉冲试验，通过多次试验，获得过电压高频信号高电压等级电缆响应特性。
5)电缆过电压计算模块改进研究
编写ATP-EMTP电缆线路模块，计算陡波输入情况下的电缆末端波形。对施工现场电缆陡脉冲试验结果进行综合整理，通过仿真结果与试验结果的对比，迭代改进修正ATP-EMTP电缆线路模型。之后根据实际工程，计算高压电缆线路过电压，增加高压电缆分段长度，优化配置护层保护器参数、绝缘配合方案与接地方式。

Claims (8)

1.一种获取电缆高频响应的试验方法，其特征在于：在电缆首端输入一个陡上升沿的陡脉冲信号，为避免信号反射，电缆首末两端接匹配装置，同时利用高频电压测量装置对过电压进行测量，通过对输入、输出信号的比较就可以获得长距离电缆的响应特性；最终基于长距离电缆试验结果的响应特性编写ATP-EMTP电缆线路模块，计算高压电缆线路过电压，提高模型准确性。
2.根据权利要求1所述的一种获取电缆高频响应的试验方法，其特征在于：将高频电力电子开关作为陡脉冲信号源输出陡脉冲信号，高压侧电路为：
输入引脚与1MΩ电阻连接后与直流电压连接，输出引脚接地；输入引脚与1MΩ电阻之间连接20nF电容后接地；1MΩ电阻与直流电压之间连接信号输出端口，信号输出端口依次连接衰减探头和示波器。
3.根据权利要求2所述的一种获取电缆高频响应的试验方法，其特征在于：所述20nF电容采用两个10nF的电容并联而成，且电容耐压4kV。
4.根据权利要求2所述的一种获取电缆高频响应的试验方法，其特征在于：输入连接4kV高压直流模块，输出微秒量级上升沿的高压陡脉冲信号。
5.根据权利要求1所述的一种获取电缆高频响应的试验方法，其特征在于：电缆首末两端连接的匹配装置为锥形过渡段，包括从内至外依次包裹的内导体、主绝缘层和外半导电层，内导体和主绝缘层设置为端部直径逐渐缩小的锥形结构，外半导电层的内径逐渐缩小而外径不变；锥形过渡段连接BNC端子，其中电缆首端的BNC端子用于耦合高压陡脉冲信号，电缆末端的BNC端子连接高频电压测量装置；
电缆的波阻抗ZC1表达式：
Figure FDA0003362876010000011
式中，εr是电缆的相对介电常数；
D为电缆外半导电层的内径最大值，
d为内导体的外径最大值；
锥形过渡段的波阻抗ZC2表达式：
Figure FDA0003362876010000021
式中，θ1是电缆外半导电层的内径水平夹角；
θ2是内导体的外径水平夹角；
将电缆的波阻抗ZC1与锥形过渡段的波阻抗ZC2相等，就能实现高频信号的匹配，得出锥形过渡段水平夹角θ1和θ2。
6.根据权利要求1所述的一种获取电缆高频响应的试验方法，其特征在于：电缆末端对过电压进行测量的高频电压测量装置为陡波测量传感器，包括与待测电缆PTL相连的电阻分压器，电阻分压器的另一端连接测量示波器OSC，电阻分压器包括并联连接的电阻R2和R3，R2与R3的电阻之和与电缆波阻抗ZC1相同，电阻R2和R3并联连接后与电阻R4连接，R3与R4的电阻之和为测量电缆波阻抗。
7.根据权利要求6所述的一种获取电缆高频响应的试验方法，其特征在于：电阻分压器采用耐压高、体积小、精度高、电阻温度特性好、阻值稳定、高频性能好的金属膜电阻，通过电阻并联尽量减小引线电感的影响，所研制高频电压测量装置频率应用于1MHz。
8.根据权利要求1所述的一种获取电缆高频响应的试验方法，其特征在于：进行多次电缆陡脉冲试验，获得过电压高频信号高电压等级电缆响应特性，编写ATP-EMTP电缆线路模块，计算陡波输入情况下的电缆末端波形，通过仿真结果与试验结果的对比，迭代改进修正ATP-EMTP电缆线路模型，计算高压电缆线路过电压，增加高压电缆分段长度，提高模型准确性。
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