CN115469246A - 一种基于电缆首端阻抗谱的电缆末端负载分析方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于电缆首端阻抗谱的电缆末端负载分析方法和装置，包括：将阻抗分析仪的输出端口连接至测试电缆的线芯以及金属屏蔽层；测试电缆末端依次分别接纯阻性负载、多个特定阻抗角负载和实际待测负载，在各类负载情况下，利用阻抗分析仪对测试电缆入射扫频信号，采集得到测试电缆末端连接各类负载所对应的多个阻抗谱数据；计算机对多个阻抗谱数据进行绘图，得到各类负载情况下的阻抗幅值谱波形和阻抗相位谱波形；将实际待测负载的阻抗谱波形与纯阻性负载下的阻抗谱波形进行对比，根据对比结果确定实际待测负载的阻抗谱振荡峰值的偏移情况，并根据偏移情况确定实际待测负载为容性还是感性。本发明能够快速有效地判定电缆末端负载的性质。
Description
技术领域
本发明涉及电缆末端负载性质判断技术领域，具体涉及一种基于电缆首端阻抗谱的电缆末端负载分析方法和装置。
背景技术
由于配电电缆的占地面积小、电气和机械性能强，它能够保证电能传输的稳定性，在城市电能运输过程中具有重大意义。随着城市化进程的发展，电缆线路在电力的传输与配送系统中占据了越来越大的比重。到目前为止，国网公司在运配网电缆线路长度已逾55万公里，城市电缆化率已达57.1％。电缆的正常运行直接关系到社会经济的发展和供电的安全性、可靠性，因此电缆的缺陷与故障检测和末端负载情况判断变得尤为重要。
传统方法判断负载是感性、容性还是纯阻性，通常需要检测流过负载的电压、电流之间的相位差，而且最少需要1/4个信号周期才能判别出来。目前判断负载性质的方法还有基于模糊模式识别对负载电流波形数据进行分析的方法，即获取并研究负载电流波形，对波形采用傅里叶变换等数学手段进行分析，最后用模糊模式方法识别负载性质。但此种方法需采集负载端的电流波形，同时需对波形进行FFT等数学变换，较为复杂且无法得到负载阻抗角的范围。另外还有小波分析法、基于神经网络的负载识别法等，但这些方法都有其局限性：小波分析法中选取不同的小波和不同的分解层次，对识别结果会有较大的影响，但目前仍没有任何理论指明在实际问题中小波函数及分解层次的具体选法，只能通过实验完成；基于神经网络的负载识别法在技术实现上还不够成熟，有待于进一步完善、提高，以保证其使用的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于电缆首端阻抗谱的电缆末端负载分析方法和装置，能够快速有效地判定电缆末端负载性质和阻抗角范围。
为实现上述目的，本发明提出一种基于电缆首端阻抗谱的电缆末端负载分析方法，包括如下步骤：
将阻抗分析仪的输出端口连接至测试电缆的线芯以及金属屏蔽层；
测试电缆末端依次分别接纯阻性负载、多个特定阻抗角负载和实际待测负载，在各类负载情况下，利用所述阻抗分析仪对所述测试电缆入射扫频信号，采集得到所述测试电缆末端连接各类负载所对应的多个阻抗谱数据；
所述计算机对所述多个阻抗谱数据进行绘图，得到各类负载情况下的阻抗幅值谱波形和阻抗相位谱波形；
将所述实际待测负载的阻抗谱波形与所述纯阻性负载下的阻抗谱波形进行对比，根据对比结果确定所述实际待测负载的阻抗谱振荡峰值的偏移情况，并根据所述偏移情况确定所述实际待测负载为容性还是感性。
优选地，所述纯阻性负载的阻值与所述测试电缆的特征阻抗值不同。
优选地，所述多个特定阻抗角负载的特定阻抗角分别为±30°、±45°、±60°。
优选地，所述根据所述偏移情况确定所述实际待测负载为容性还是感性，包括：
若所述实际待测负载的阻抗谱振荡峰值相较于所述纯阻性负载有所超前，则所述实际待测负载为容性；若所述实际待测负载的阻抗谱振荡峰值相较于所述纯阻性负载有所滞后，则所述实际待测负载为感性。
优选地，所述方法还包括：
将所述实际待测负载的阻抗谱曲线与同性质下的多个特定阻抗角负载的阻抗谱曲线进行对比，根据对比结果确定所述实际待测负载的阻抗谱谐振峰的偏移程度在所述多个特定阻抗角负载的阻抗谱曲线的哪两条阻抗谱曲线之间，根据该两条阻抗谱曲线所对应的两个特定阻抗角确定实际待测负载的阻抗角范围。
本发明还提出一种基于电缆首端阻抗谱的电缆末端负载分析装置，用于实现上述的基于电缆首端阻抗谱的电缆末端负载分析方法，所述装置包括阻抗分析仪、计算机、负载性质判定模块；所述阻抗分析仪的输出端口连接至测试电缆的线芯以及金属屏蔽层；
所述阻抗分析仪，用于当测试电缆末端依次分别接纯阻性负载、多个特定阻抗角负载和实际待测负载情况下，对所述测试电缆入射扫频信号，采集得到所述测试电缆末端连接各类负载所对应的多个阻抗谱数据；
所述计算机，用于对所述多个阻抗谱数据进行绘图，得到各类负载情况下的阻抗幅值谱波形和阻抗相位谱波形；
所述负载性质判定模块，用于将所述实际待测负载的阻抗谱波形与所述纯阻性负载下的阻抗谱波形进行对比，根据对比结果确定所述实际待测负载的阻抗谱振荡峰值的偏移情况，并根据所述偏移情况确定所述实际待测负载为容性还是感性。
优选地，还包括：
阻抗角判定模块，用于将所述实际待测负载的阻抗谱曲线与同性质下的多个特定阻抗角负载的阻抗谱曲线进行对比，根据对比结果确定所述实际待测负载的阻抗谱谐振峰的偏移程度在所述多个特定阻抗角负载的阻抗谱曲线的哪两条阻抗谱曲线之间，根据该两条阻抗谱曲线所对应的两个特定阻抗角确定实际待测负载的阻抗角范围。
本发明至少具有以下有益效果：
本发明利用电缆首端输入阻抗谱来实现电缆末端负载性质的判断和负载阻抗角范围的确定。相较于其他负载性质识别方法，本发明无需获取电缆负载端的电压、电流等相关数据信息，通过测量电缆首端的阻抗谱数据即可实现负载性质的判断，且可以确定负载阻抗角的范围。本发明是对电缆首端宽频阻抗谱应用的一个扩展，方便检修运维人员在利用阻抗谱方法对电缆缺陷进行定位诊断的同时，无需添加任何设备，即可实现对检修电缆末端负载性质的判定。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中一种基于电缆首端阻抗谱的电缆末端负载分析方法的流程图。
图2为本发明实施例中一种基于电缆首端阻抗谱的电缆末端负载分析方法的具体流程图。
图3为本发明实施例中不同阻值的纯阻性负载阻抗谱对比示意图。
图4为本发明实施例中不同性质负载的阻抗谱对比示意图。
图5为本发明实施例中不同阻抗角的感性负载阻抗谱对比示意图。
图6为本发明实施例中不同阻抗角的容性负载阻抗谱对比示意图。
图7为本发明实施例中一种基于电缆首端阻抗谱的电缆末端负载分析装置的结构图。
图8为本发明实施例中一种基于电缆首端阻抗谱的电缆末端负载分析装置与电缆连接示意图。
图9为本发明实施例中一种基于电缆首端阻抗谱的电缆末端负载分析装置的具体结构图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的手段未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
参阅图1，本发明一实施例提出一种基于电缆首端阻抗谱的电缆末端负载分析方法，包括如下步骤：
步骤S1、将阻抗分析仪的输出端口连接至测试电缆的线芯以及金属屏蔽层；
具体而言，所述阻抗分析仪为一种用于分析电缆输入阻抗的仪器，其为现有设备，因此，本实施例中不对其结构进行具体阐述，本实施例中可以基于任一种型号的阻抗分析仪来实现电缆阻抗谱数据的采集；
步骤S2、测试电缆末端依次分别接纯阻性负载、多个特定阻抗角负载和实际待测负载，在各类负载情况下，利用所述阻抗分析仪对所述测试电缆入射扫频信号，采集得到所述测试电缆末端连接各类负载所对应的多个阻抗谱数据；
具体而言，所述纯阻性负载的阻值与所述测试电缆的特征阻抗值不同；需说明的是，选取的纯阻性元件的阻值与所述测试电缆的特征阻抗值的差值越大，则越便于后续波形之间的判断比较，判断效果越明显；
步骤S3、所述计算机对所述多个阻抗谱数据进行绘图，得到各类负载情况下的阻抗幅值谱波形和阻抗相位谱波形；
优选但不限于地，所述多个特定阻抗角负载的特定阻抗角分别为±30°、±45°、±60°，即步骤S2中可以得到8个阻抗谱数据，步骤S3中可以得到8个阻抗幅值谱波形和8个阻抗相位谱波形；需说明的是，若选取进行测试的特定阻抗角越多，则测试所得到的特定阻抗角下的参照阻抗谱曲线越多，则对实际待测负载的阻抗角范围的判定会更加精确，进一步可建立各个特定阻抗角负载下的阻抗谱曲线数据库作为对照依据，以此提升精度，方便分析判断；
步骤S4、将所述实际待测负载的阻抗谱波形与所述纯阻性负载下的阻抗谱波形进行对比，根据对比结果确定所述实际待测负载的阻抗谱振荡峰值的偏移情况，并根据所述偏移情况确定所述实际待测负载为容性还是感性；
进一步地，所述根据所述偏移情况确定所述实际待测负载为容性还是感性，包括：
若所述实际待测负载的阻抗谱振荡峰值相较于所述纯阻性负载有所超前，则所述实际待测负载为容性；若所述实际待测负载的阻抗谱振荡峰值相较于所述纯阻性负载有所滞后，则所述实际待测负载为感性。
进一步地，参阅图2，所述方法还包括：
步骤S5、将所述实际待测负载的阻抗谱曲线与同性质下的多个特定阻抗角负载的阻抗谱曲线进行对比，根据对比结果确定所述实际待测负载的阻抗谱谐振峰的偏移程度在所述多个特定阻抗角负载的阻抗谱曲线的哪两条阻抗谱曲线之间，根据该两条阻抗谱曲线所对应的两个特定阻抗角确定实际待测负载的阻抗角范围；
具体而言，基于步骤S4已经确定了所述实际待测负载的性质为容性还是感性，在步骤S5中，进一步地，将所述实际待测负载的阻抗谱曲线与同性质下的多个特定阻抗角负载的阻抗谱曲线进行对比，根据对比结果来确定实际待测负载的阻抗角范围，例如，所述实际待测负载的阻抗谱谐振峰的偏移程度在所述多个特定阻抗角负载的阻抗谱曲线的45°和60°两条阻抗谱曲线之间，则实际待测负载的阻抗角范围为45°～60°；可以理解的是，如果作为对比参照的特定阻抗角下的阻抗谱曲线数量越多，对应地，实际待测负载的阻抗角范围判定也会更精确。
为了便于进一步理解本发明实施例，下面对本发明实施例的提出过程进行补充介绍：
根据电缆首端输入阻抗谱的计算公式：
其中，ΓL为负载端的反射系数，l为电缆长度，r为传播常数，V(l)为电压，I(l)为电流，ΓL的表达式为：
其中，ZL为负载阻抗，Z0为电缆的特征阻抗。由公式(1)和(2)可以看出，电缆末端负载阻抗的变化会导致反射系数变化，进而影响电缆首端阻抗谱的测量，产生不同的阻抗谱波形。
由实验验证发现，不同性质(阻性、感性、容性)的负载，或同为感(容)性但阻抗角不同的负载，接在同样的电缆末端时，其首端阻抗谱会有明显的对比特性。
下面以一根总长15m的电缆为例进行说明，电缆相关参数设置如下表1，计算得该电缆特征阻抗为34.6Ω；测量阻抗谱时频带范围为1kHz-50MHz，频点采样间隔为0.01MHz；
表1-仿真电缆的参数设置
| 仿真参数及意义 | 数值 |
| 缆芯导体半径r<sub>c</sub>(mm) | 4 |
| 屏蔽层半径r<sub>s</sub>(mm) | 9.5 |
| 缆芯电阻率ρ<sub>c</sub>(Ω/m) | 1.75*10<sup>-8</sup> |
| 屏蔽层电阻率ρ<sub>s</sub>(Ω/m) | 1.75*10<sup>-8</sup> |
| XLPE介电常数ε(F/m) | 2.04*10<sup>-11</sup> |
| XLPE电导率σ(S/m) | 1*10<sup>-16</sup> |
| 真空磁导率μ<sub>0</sub>(H/m) | 4π*10<sup>-7</sup> |
设置电缆末端负载为纯阻性，阻值分别设置为阻抗匹配、35Ω、50Ω，测得的阻抗谱波形对比如图3所示；由图3可见，当末端负载为一个与特征阻抗不相同的纯阻性电阻时，电缆首端幅值谱与相位谱均出现周期性波动。且负载电阻与特征阻抗的差值越大，则振荡幅度越大，而相位保持不变。
电缆末端负载为纯阻性(50Ω)、感性(50√2∠45°)、容性(50√2∠-45°)时的阻抗谱对比如图4所示；由图4可见，与纯阻性负载的阻抗谱相比，容性负载的阻抗谱波形的振荡峰值(谐振点)均超前，感性负载的阻抗谱波形的振荡峰值(谐振点)均滞后，幅值谱与相位谱均有此特点。
电缆末端负载性质相同，但阻抗角不同时的阻抗谱对比如图5、图6所示，保持负载阻抗幅值为50Ω不变，分别在感性、容性状态下改变负载阻抗角为30°、60°。由图5可见，以纯阻性负载的阻抗谱为基准，随着感性负载的阻抗角逐渐增大，其阻抗谱谐振峰的滞后偏移越严重，振荡幅度越大；由图6可见，以纯阻性负载的阻抗谱为基准，当容性负载的阻抗角逐渐增大时，其阻抗谱谐振峰的超前偏移越严重，振荡幅度也越大。幅值谱与相位谱均有此特点。
由以上三点性质，即可得出本发明实施例判断电缆末端负载性质及阻抗角范围的具体方法。
本发明另一实施例还提出一种基于电缆首端阻抗谱的电缆末端负载分析装置，用于实现上述实施例所述的基于电缆首端阻抗谱的电缆末端负载分析方法，如图7-8所示，所述装置包括阻抗分析仪1、计算机2、负载性质判定模块3；所述阻抗分析仪1的输出端口连接至测试电缆的线芯以及金属屏蔽层；
所述阻抗分析仪1，用于当测试电缆末端依次分别接纯阻性负载、多个特定阻抗角负载和实际待测负载情况下，对所述测试电缆入射扫频信号，采集得到所述测试电缆末端连接各类负载所对应的多个阻抗谱数据；
所述计算机2，用于对所述多个阻抗谱数据进行绘图，得到各类负载情况下的阻抗幅值谱波形和阻抗相位谱波形；
所述负载性质判定模块3，用于将所述实际待测负载的阻抗谱波形与所述纯阻性负载下的阻抗谱波形进行对比，根据对比结果确定所述实际待测负载的阻抗谱振荡峰值的偏移情况，并根据所述偏移情况确定所述实际待测负载为容性还是感性。
参阅图9，本实施例的装置还包括：
阻抗角判定模块4，用于将所述实际待测负载的阻抗谱曲线与同性质下的多个特定阻抗角负载的阻抗谱曲线进行对比，根据对比结果确定所述实际待测负载的阻抗谱谐振峰的偏移程度在所述多个特定阻抗角负载的阻抗谱曲线的哪两条阻抗谱曲线之间，根据该两条阻抗谱曲线所对应的两个特定阻抗角确定实际待测负载的阻抗角范围。
需说明的是，上述实施例的装置与上述实施例的方法对应，因此，上述实施例的装置未详述部分可以参阅上述实施例的方法的内容得到，即上述实施例的方法记载的具体步骤内容可以理解为上述实施例的装置所能够实现的功能，此处不再赘述。
通过以上实施例的描述可知，本发明的各实施例具有以下优点：
本发明利用电缆首端输入阻抗谱来实现电缆末端负载性质的判断和负载阻抗角范围的确定。相较于其他负载性质识别方法，本发明无需获取电缆负载端的电压、电流等相关数据信息，通过测量电缆首端的阻抗谱数据即可实现负载性质的判断，且可以确定负载阻抗角的范围。本发明是对电缆首端宽频阻抗谱应用的一个扩展，方便检修运维人员在利用阻抗谱方法对电缆缺陷进行定位诊断的同时，无需添加任何设备，即可实现对检修电缆末端负载性质的判定。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (7)
1.一种基于电缆首端阻抗谱的电缆末端负载分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
将阻抗分析仪的输出端口连接至测试电缆的线芯以及金属屏蔽层；
测试电缆末端依次分别接纯阻性负载、多个特定阻抗角负载和实际待测负载，在各类负载情况下，利用所述阻抗分析仪对所述测试电缆入射扫频信号，采集得到所述测试电缆末端连接各类负载所对应的多个阻抗谱数据；
所述计算机对所述多个阻抗谱数据进行绘图，得到各类负载情况下的阻抗幅值谱波形和阻抗相位谱波形；
将所述实际待测负载的阻抗谱波形与所述纯阻性负载下的阻抗谱波形进行对比，根据对比结果确定所述实际待测负载的阻抗谱振荡峰值的偏移情况，并根据所述偏移情况确定所述实际待测负载为容性还是感性。
2.根据权利要求1所述的基于电缆首端阻抗谱的电缆末端负载分析方法，其特征在于，所述纯阻性负载的阻值与所述测试电缆的特征阻抗值不同。
3.根据权利要求1所述的基于电缆首端阻抗谱的电缆末端负载分析方法，其特征在于，所述多个特定阻抗角负载的特定阻抗角分别为±30°、±45°、±60°。
4.根据权利要求1所述的基于电缆首端阻抗谱的电缆末端负载分析方法，其特征在于，所述根据所述偏移情况确定所述实际待测负载为容性还是感性，包括：
若所述实际待测负载的阻抗谱振荡峰值相较于所述纯阻性负载有所超前，则所述实际待测负载为容性；若所述实际待测负载的阻抗谱振荡峰值相较于所述纯阻性负载有所滞后，则所述实际待测负载为感性。
5.根据权利要求1所述的基于电缆首端阻抗谱的电缆末端负载分析方法，其特征在于，所述方法还包括：
将所述实际待测负载的阻抗谱曲线与同性质下的多个特定阻抗角负载的阻抗谱曲线进行对比，根据对比结果确定所述实际待测负载的阻抗谱谐振峰的偏移程度在所述多个特定阻抗角负载的阻抗谱曲线的哪两条阻抗谱曲线之间，根据该两条阻抗谱曲线所对应的两个特定阻抗角确定实际待测负载的阻抗角范围。
6.一种基于电缆首端阻抗谱的电缆末端负载分析装置，其特征在于，用于实现权利要求1-4中任一项所述的基于电缆首端阻抗谱的电缆末端负载分析方法，所述装置包括阻抗分析仪、计算机、负载性质判定模块；所述阻抗分析仪的输出端口连接至测试电缆的线芯以及金属屏蔽层；
所述阻抗分析仪，用于当测试电缆末端依次分别接纯阻性负载、多个特定阻抗角负载和实际待测负载情况下，对所述测试电缆入射扫频信号，采集得到所述测试电缆末端连接各类负载所对应的多个阻抗谱数据；
所述计算机，用于对所述多个阻抗谱数据进行绘图，得到各类负载情况下的阻抗幅值谱波形和阻抗相位谱波形；
所述负载性质判定模块，用于将所述实际待测负载的阻抗谱波形与所述纯阻性负载下的阻抗谱波形进行对比，根据对比结果确定所述实际待测负载的阻抗谱振荡峰值的偏移情况，并根据所述偏移情况确定所述实际待测负载为容性还是感性。
7.根据权利要求6所述的基于电缆首端阻抗谱的电缆末端负载分析装置，其特征在于，还包括：
阻抗角判定模块，用于将所述实际待测负载的阻抗谱曲线与同性质下的多个特定阻抗角负载的阻抗谱曲线进行对比，根据对比结果确定所述实际待测负载的阻抗谱谐振峰的偏移程度在所述多个特定阻抗角负载的阻抗谱曲线的哪两条阻抗谱曲线之间，根据该两条阻抗谱曲线所对应的两个特定阻抗角确定实际待测负载的阻抗角范围。
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