CN107576852A - 电缆附件的特征阻抗的测量方法和*** - Google Patents
电缆附件的特征阻抗的测量方法和*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种电缆附件的特征阻抗的测量方法和***。所述方法包括如下步骤：向电缆附件的待测端输入激励信号；在所述待测端采集所述电缆附件的时域电压信号和时域电流信号；其中，所述电缆附件在开路和短路状态下对所述激励信号进行响应；对所述时域电压信号和时域电流信号进行傅里叶变换，得到频域电压信号和频域电流信号；根据所述频域电压信号和频域电流信号，计算开路阻抗和短路阻抗；根据所述开路阻抗和短路阻抗，计算所述电缆附件的特征阻抗。通过该技术方案，充分考虑了可变电阻和待测电缆附件的特征阻抗的频率特性，并实现不同频率下电缆附件的特征阻抗测量，提高了电缆附件的特征阻抗的测量结果。
Description
技术领域
本发明涉及电力电缆技术领域，特别是涉及一种电缆附件特征阻抗的测量方法和***。
背景技术
电缆附件是电缆线路的一个重要组成部分，主要包括电缆中间接头与电缆终端头。电缆接头用于实现电缆长度的接续和三相线路的交叉互联，电缆终端头用于实现电缆与其它设备之间的连接。
近年来多起高压电缆接头相继在合闸送电时发生故障，引起了广泛关注。合闸过程中通常会产生操作过电压，而操作过电压一般含有丰富的频率分量。由于电缆接头的阻抗随输入信号频率的变化而变化，因此当操作过电压在电缆线路中传播时有可能在接头处发生接头与电缆阻抗明显不匹配现象，导致操作过电压在接头处出现多次波反射，产生较高的过电压，最终导致电缆接头击穿。因此，有必要测量电缆附件(含电缆)在不同频率下的特征阻抗。
在电缆附件的特征阻抗测量方面，传统技术通常采用电子电压表法测量电缆附件的特征阻抗。这种测量方法在进行特征阻抗的测量时需要接入一个可变电阻，通过调节可变电阻，使可变电阻和待测电缆附件两端的电压值相等，从而得到待测电缆附件的特征阻抗，但由于可变电阻和待测电缆附件的特征阻抗的频率特性不同，导致获取电缆附件的特征阻抗并不准确。
发明内容
基于此，有必要针对传统的电缆附件的特征阻抗的测量方法不准确的问题，提供一种能准确测量电缆附件的特征阻抗的测量方法和***。
一种电缆附件的特征阻抗的测量方法，包括如下步骤：
向电缆附件的待测端输入激励信号；
在所述待测端采集所述电缆附件的时域电压信号和时域电流信号；其中，所述电缆附件在开路和短路状态下对所述激励信号进行响应；
对所述时域电压信号和时域电流信号进行傅里叶变换，得到频域电压信号和频域电流信号；
根据所述频域电压信号和频域电流信号，计算开路阻抗和短路阻抗；
根据所述开路阻抗和短路阻抗，计算所述电缆附件的特征阻抗。
一种电缆附件的特征阻抗的测量***，包括：
信号输入模块，用于向电缆附件的待测端输入激励信号；
信号采集模块，用于在所述待测端采集所述电缆附件的时域电压信号和时域电流信号；其中，所述电缆附件在开路和短路状态下对所述激励信号进行响应；
信号变换模块，用于对所述时域电压信号和时域电流信号进行傅里叶变换，得到频域电压信号和频域电流信号；
第一计算模块，用于根据所述频域电压信号和频域电流信号，计算开路阻抗和短路阻抗；
第二计算模块，用于根据所述开路阻抗和短路阻抗，计算所述电缆附件的特征阻抗。
上述电缆附件的特征阻抗的测量方法和***，通过向电缆附件的待测端输入激励信号，在电缆附件在开路和短路状态下，在待测端获取对激励信号所响应的时域电压信号和时域电流信号，并将其转化为频域电压信号和频域电流信号，然后计算开路阻抗和短路阻抗，再利用电缆附件的特征阻抗计算电缆附件的特征阻抗。通过该技术方案，充分考虑了可变电阻和待测电缆附件的特征阻抗的频率特性，并实现不同频率下电缆附件的特征阻抗测量，提高了电缆附件的特征阻抗的测量结果。
附图说明
图1为本发明的电缆附件的特征阻抗的测量方法流程图；
图2为电缆附件的短路阻抗和开路阻抗的测量回路示意图；
图3电缆附件的特征阻抗的测量方法应用实例的流程图；
图4为本发明的电缆附件的特征阻抗的测量***的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的电缆附件的特征阻抗的测量方法和***的具体实施方式作详细描述。
参考图1所示，图1为本发明的电缆附件的特征阻抗的测量方法流程图，包括如下步骤：
步骤S100，向电缆附件的待测端输入激励信号。
在本步骤中，电缆附件是电缆线路的一个重要组成部分，电缆附件可以包括电缆中间接头和电缆终端头，电缆接头可以用于实现电缆长度的接续和三相线路的交叉互联，电缆终端头可以用于实现电缆与设备之间的连接。
作为一种实施方式，可以通过信号发生器产生激励信号，将所述激励信号加载到所述电缆附件的待测端。信号发生器是一种可以提供各种频率、波形和输出电平电信号的设备，在测量元器件的特性时，可以用作激励信号源。
具体地，电缆附件的待测端的线芯和屏蔽层可以由导线引出，所述信号发生器可以将所产生的激励信号通过导线加载在线芯和屏蔽层之间。需要说明的是，所述电缆附件可以有两个端口，可以先以所述电缆附件的其中一个端口作为待测端进行特征阻抗的测量，再对所述电缆附件的另一端口的特征阻抗进行测量。利用所述信号发生器，可以根据电缆附件的特征阻抗的测量需要，提供各种所需要的激励信号，使测量更方便灵活。
可选的，信号发生器产生的激励信号可以是方波信号。在本实施例中，所述信号发生器可以通过调节频率与上升沿时间，以产生含有多个频率分量的方波信号。因此，以方波信号为激励信号，可以通过一次测量获得在多个频率下的电缆附件的特征阻抗，使得对电缆附件的特征阻抗的测量更加准确方便。
步骤S200，在所述待测端采集所述电缆附件的时域电压信号和时域电流信号；其中，所述电缆附件在开路和短路状态下对所述激励信号进行响应。
在本步骤中，参考如图2所示，图2为电缆附件的短路阻抗和开路阻抗的测量回路示意图，其中，与所述电缆附件待测端相对的另一端的线芯和屏蔽层之间可以通过导线连接，导线断开时所述电缆附件处于开路状态，电缆附件可以在所述开路状态下对所述激励信号进行响应，可以在所述待测端采集所述电缆附件的时域电压信号和时域电流信号；导线连通时所述电缆附件处于短路状态，电缆附件可以在所述短路状态下对所述激励信号进行响应，可以在所述待测端采集所述电缆附件的时域电压信号和时域电流信号。
作为上述步骤的一个具体实施方式，可以通过数据采集卡的差分电压输入通道在所述待测端采集所述电缆附件的时域电压信号；也可以通过钳式电流互感器在所述待测端获取所述电缆附件的时域电流信号；以及通过所述数据采集卡的电流输入通道采集所述钳式电流互感器获取的所述时域电流信号。
具体地，数据采集卡可以包括差分电压输入通道和电流输入通道，所述数据采集卡可以通过选取合适的采样点数和采样周期以采集待测端的待测量信号，待测量信号可以包括时域电压信号和时域电流信号。所述数据采集卡的差分电压输入通道可以通过获取所述待测端的线芯和屏蔽层之间的差分电压以采集所述时域电压信号；通过钳式电流互感器获取所述电缆附件的待测端的时域电流信号，以及通过所述信号采集卡的电流输入通道采集所述钳式电流互感器获取的所述时域电流信号。
通过上述方式，信号采集卡可以快速准确地采集所述电缆附件的待测端对激励信号响应的时域电压信号和时域电流信号。
步骤S300，对所述时域电压信号和时域电流信号进行傅里叶变换，得到频域电压信号和频域电流信号。
在本步骤中，可以利用快速傅里叶变换(FFT)算法对所述时域电压信号和时域电流信号进行变换，得到频域电压信号和频域电流信号。利用FFT算法处理，可以实现对所述时域电压信号和时域电流信号的高效转换，快速得到频域电压信号和频域电流信号，提升了计算效率。
步骤S400，根据所述频域电压信号和频域电流信号，计算开路阻抗和短路阻抗。
作为本步骤的一个具体实施方式，可以根据所述频域电压信号和频域电流信号，并利用以下公式计算开路阻抗和短路阻抗：
式中，f为频率，Z∞[f]为开路阻抗，U∞[f]为所述频域电压信号的开路电压，I∞[f]为所述频域电流信号的开路电流，Z0[f]为短路阻抗，U0[f]为所述频域电压信号的短路电压，I0[f]为所述频域电流信号的短路电流。
具体地，所述频域电压信号包括开路电压和短路电压，所述频域电流信号包括开路电流和短路电流，可以利用该开路电压和开路电流的比值计算开路阻抗，所述开路阻抗可以是所述电缆附件在不同频率下的开路阻抗，利用短路电压和断路电流的比值可以计算短路阻抗，得进而到所述电缆附件在不同频率下的开路阻抗。
通过上述实施例，可以同时得到在不同频率下该电缆附件的开路阻抗和短路阻抗，使得电缆附件的特征阻抗的测量更加准确。
步骤S500，根据所述开路阻抗和短路阻抗，计算所述电缆附件的特征阻抗。
作为本步骤的一个具体实施方式，可以根据所述开路阻抗和短路阻抗，并利用以下公式计算所述电缆附件的特征阻抗：
式中，f为频率，Zc[f]为所述电缆附件的特征阻抗，Z∞[f]为所述开路阻抗，Z0[f]为所述短路阻抗。
具体地，所述开路阻抗可以是所述电缆附件在不同频率下的开路阻抗，所述短路阻抗可以是所述电缆附件在不同频率下的短路阻抗，根据所述开路阻抗和短路阻抗，可以通过上述公式计算该电缆附件在不同频率下的特征阻抗。
综合上述实施方式的技术方案，可以根据电缆附件的特征阻抗的测量需要，向电缆附件的待测端输入不同类型的激励信号源，在该待测端测量所述电缆附件在开路和短路状态下，对激励信号响应的时域电压信号和时域电流信号，利用傅里叶变换将所述时域电压信号和时域电流信号转化为频域电压信号和频域电流信号，通过计算开路阻抗和短路阻抗，可以得到该电缆附件在不同频率下的特征阻抗。该方案的测量方法高效灵活，可以通过一次测量获得待测电缆附件在不同频率下的特征阻抗，使电缆附件的特征阻抗的测量更加准确和方便，提供了一种能准确测量电缆附件的特征阻抗的测量方法，进而为电力电缆线路的防护提供了重要参考。
为了更加清晰本发明的技术方案，下面阐述所述测量方法的应用实例。
参考图3所示，图3电缆附件的特征阻抗的测量方法应用实例的流程图。
步骤(1)：如果电缆中间接头被单独切割出来，可以将中间接头两端的线芯和屏蔽层引出，如果电缆中间接头连着较长的电缆，需要在电缆接头两端选取两个测量点，利用电钻在两个测量点进行打孔至钻头触碰电缆线芯，并在两个孔中放入导线，使导线有效接触高压电缆线芯，并用胶粘剂固定引出导线。
此外，在两个测量点同轴位置剥去外护套层，露出金属屏蔽层，用将两根导线分别与两测量点处金属屏蔽层焊接，并用绝缘胶带包住裸露在外的金属屏蔽层。分别将高压电缆中间接头的两端标记为A端与B端。
步骤(2)：将高压电缆中间接头B端的线芯与屏蔽层用导线短接起来，用信号发生器在电缆中间接头A端的线芯与屏蔽层导线之间加上频率为f0的方波，为了使加在电缆中间接头上的电压有更多频率分量，尽量选用产生方波的上升沿时间短的信号发生器。
步骤(3)：将电缆中间接头A端的线芯和屏蔽层加在数据采集卡的一个差分电压输入通道上，从而采集电缆附件A端的电压信号u0[n]。
在信号发生器输出端导线上加装一个钳式电流互感器，并将钳式电流互感器的输出端加在数据采集卡的电流输入通道上，从而采集电缆附件A端的电流信号i0[n]。
为了方便计算，可将数据采集卡的采样周期设为T0＝1/f0，采样点数设为N0＝2m，m为合适的正整数，且n满足0≤n<N0。
步骤(4)：将步骤(3)采集的电缆接头B端短路，A端线芯与屏蔽层之间电压信号u0[n]与电流信号i0[n]以矩阵形式输入数学软件MATLAB中，使用FFT算法，将时域离散信号u0[n]、i0[n]转换成频域离散信号U0[kf0]、I0[kf0]，其中，f0为信号发生器方波频率，也是离散傅里叶变换后的基频，且k满足0≤k<N0，N0为采样点数。
步骤(5)：计算高压电缆中间接头在B端短路的情况下，不同频率下的A端的短路阻抗其中，f0为信号发生器方波频率，k满足0≤k<N0，N0为采样点数。
步骤(6)：将高压电缆中间接头B端的线芯与屏蔽层的导线断开且保持开路，用信号发生器在电缆中间接头A端的线芯与屏蔽层导线之间加上频率为f0的方波，保证与步骤(2)输入的方波频率一致。
步骤(7)：将电缆中间接头A端的线芯和屏蔽层加在数据采集卡的一个差分电压输入通道上，从而采集电缆附件A端的电压信号u∞[n]。
在信号发生器输出端导线上加装一个钳式电流互感器，并将钳式电流互感器的输出端加在数据采集卡的电流输入通道上，从而采集电缆附件A端的电流信号i∞[n]。为了方便计算，可将数据采集卡的采样周期设为T0＝1/f0，采样点数设为N0＝2m，m为合适的正整数，且n满足0≤n<N0。
步骤(8)：将步骤6采集的电缆接头B端开路，A端线芯与屏蔽层之间电压信号u∞[n]与电流信号i∞[n]以矩阵形式输入数学软件MATLAB中，使用FFT算法，将时域离散信号u∞[n]、i∞[n]转换成频域离散信号U∞[kf0]、I∞[kf0]，其中，f0为信号发生器方波频率，也是离散傅里叶变换后的基频，且k满足0≤k<N0，N0为采样点数。
步骤(9)：计算高压电缆中间接头在B端开路的情况下，不同频率下的A端开路阻抗其中，f0为信号发生器方波频率，k满足0≤k<N0，N0为采样点数。
步骤(10)：计算高压电缆中间接头不同频率下的A端的特征阻抗：其中，f0为信号发生器方波频率，k满足0≤k<N0，N0为采样点数。
步骤(11)：对于高压电缆中间接头而言，对称度较大，A端的特征阻抗与B端的特征阻抗近似相等，对于电缆终端头等其他电缆附件，只要将A端与B端对换，重复步骤(2)-(10)，即可得到电缆附件B端特征阻抗。
与现有技术相比，本发明可以选择合适的信号发生器，调节合适的频率与上升沿时间，可以使加在高压电缆附件一侧的电压含有多个频率分量，同理电流也含有多个频率分量，一次测量工作能获得多个频率时高压电缆附件的特征阻抗，简单可行，易于操作，辅助于MATLAB等数学工具，可以方便准确地实现高压电缆附件不同频率下的特征阻抗的测量及计算。
参考图4所示，图4为本发明的电缆附件的特征阻抗的测量***的结构示意图，包括：
信号输入模块100，用于向电缆附件的待测端输入激励信号；
信号采集模块200，用于信号采集模块，用于在所述待测端采集所述电缆附件的时域电压信号和时域电流信号；其中，所述电缆附件在开路和短路状态下对所述激励信号进行响应；
信号变换模块300，用于对所述时域电压信号和时域电流信号进行傅里叶变换，得到频域电压信号和频域电流信号；
第一计算模块400，用于根据所述频域电压信号和频域电流信号，计算开路阻抗和短路阻抗；
第二计算模块500，用于根据所述开路阻抗和短路阻抗，计算所述电缆附件的特征阻抗。
在其中一个实施方式中，所述信号输入模块可以包括：
信号产生单元，用于通过信号发生器产生所述激励信号，将所述激励信号加载到所述电缆附件的待测端；其中，所述信号发生器调节所述激励信号的频率和上升沿时间。
在另外一个实施方式中，所述信号采集模块可以包括：
电压采集单元，用于通过数据采集卡的差分电压输入通道在所述待测端采集所述电缆附件的时域电压信号；
电流采集单元，用于通过钳式电流互感器在所述待测端获取所述电缆附件的时域电流信号；通过所述数据采集卡的电流输入通道采集所述钳式电流互感器获取的所述时域电流信号。
在其中一个实施例中，所述第一计算模块可以包括：
第一计算单元，用于根据所述频域电压信号和频域电流信号，可以利用以下公式计算开路阻抗和短路阻抗：
式中，f为频率，Z∞[f]为开路阻抗，U∞[f]为所述频域电压信号的开路电压，I∞[f]为所述频域电流信号的开路电流，Z0[f]为短路阻抗，U0[f]为所述频域电压信号的短路电压，I0[f]为所述频域电流信号的短路电流。
在另外一个实施例中，所述第二计算模块可以包括：
第二计算单元，用于根据所述开路阻抗和短路阻抗，可以利用以下公式计算所述电缆附件的特征阻抗：
式中，f为频率，Zc[f]为所述电缆附件的特征阻抗，Z∞[f]为所述开路阻抗，Z0[f]为所述短路阻抗。
本发明的电缆附件的特征阻抗的测量***与本发明的电缆附件的特征阻抗的测量方法一一对应，在上述电缆附件的特征阻抗的测量方法的实施例阐述的技术特征及其有益效果均适用于电缆附件的特征阻抗的测量***的实施例中，特此声明。
基于如上所述的示例，在一个实施例中还提供一种计算机设备，该计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，处理器执行所述程序时实现如上述各实施例中的任意一种睡眠辅助方法。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性的计算机可读取存储介质中，如本发明实施例中，该程序可存储于计算机***的存储介质中，并被该计算机***中的至少一个处理器执行，以实现包括如上述各电缆附件的特征阻抗的测量方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-OnlyMemory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。
据此，在一个实施例中还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现如上述各实施例中的任意一种电缆附件的特征阻抗的测量方法。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种电缆附件的特征阻抗的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
向电缆附件的待测端输入激励信号；
在所述待测端采集所述电缆附件的时域电压信号和时域电流信号；其中，所述电缆附件在开路和短路状态下对所述激励信号进行响应；
对所述时域电压信号和时域电流信号进行傅里叶变换，得到频域电压信号和频域电流信号；
根据所述频域电压信号和频域电流信号，计算开路阻抗和短路阻抗；
根据所述开路阻抗和短路阻抗，计算所述电缆附件的特征阻抗。
2.根据权利要求1所述的电缆附件的特征阻抗的测量方法，其特征在于，向电缆附件的待测端输入激励信号的步骤包括：
通过信号发生器产生所述激励信号，将所述激励信号加载到所述电缆附件的待测端；其中，所述信号发生器调节所述激励信号的频率和上升沿时间。
3.根据权利要求1所述的电缆附件的特征阻抗的测量方法，其特征在于，在所述待测端采集所述电缆附件的时域电压信号的步骤包括：
通过数据采集卡的差分电压输入通道在所述待测端采集所述电缆附件的时域电压信号。
4.根据权利要求1所述的电缆附件的特征阻抗的测量方法，其特征在于，在所述待测端采集所述电缆附件的时域电流信号的步骤包括：
通过钳式电流互感器在所述待测端获取所述电缆附件的时域电流信号；通过所述数据采集卡的电流输入通道采集所述钳式电流互感器获取的所述时域电流信号。
5.根据权利要求3或4所述的电缆附件的特征阻抗的测量方法，其特征在于，还包括：
设置所述数据采集卡的采样周期和采样点数；
所述数据采集卡根据所述采样周期和采样点数采集所述电缆附件的时域电压信号。
6.根据权利要求1所述的电缆附件的特征阻抗的测量方法，其特征在于，对所述时域电压信号和时域电流信号进行傅里叶变换，得到频域电压信号和频域电流信号的步骤包括：
利用FFT算法将所述时域电压信号和时域电流信号转换成所述频域电压信号和频域电流信号。
7.根据权利要求1所述的电缆附件的特征阻抗的测量方法，其特征在于，根据所述频域电压信号和频域电流信号，计算开路阻抗和短路阻抗的步骤包括：
利用以下公式计算开路阻抗和短路阻抗：
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</mrow>
</mfrac>
</mrow>
式中，f为频率，Z∞[f]为开路阻抗，U∞[f]为所述频域电压信号的开路电压，I∞[f]为所述频域电流信号的开路电流，Z0[f]为短路阻抗，U0[f]为所述频域电压信号的短路电压，I0[f]为所述频域电流信号的短路电流。
8.根据权利要求1所述的电缆附件的特征阻抗的测量方法，其特征在于，根据所述开路阻抗和短路阻抗，计算所述电缆附件的特征阻抗的步骤包括：
利用以下公式计算所述电缆附件的特征阻抗：
<mrow>
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</msqrt>
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式中，f为频率，Zc[f]为所述电缆附件的特征阻抗，Z∞[f]为所述开路阻抗，Z0[f]为所述短路阻抗。
9.根据权利要求1或2所述的电缆附件的特征阻抗的测量方法，其特征在于，所述激励信号为方波信号。
10.一种电缆附件的特征阻抗的测量***，其特征在于，包括：
信号输入模块，用于向电缆附件的待测端输入激励信号；
信号采集模块，用于在所述待测端采集所述电缆附件的时域电压信号和时域电流信号；其中，所述电缆附件在开路和短路状态下对所述激励信号进行响应；
信号变换模块，用于对所述时域电压信号和时域电流信号进行傅里叶变换，得到频域电压信号和频域电流信号；
第一计算模块，用于根据所述频域电压信号和频域电流信号，计算开路阻抗和短路阻抗；
第二计算模块，用于根据所述开路阻抗和短路阻抗，计算所述电缆附件的特征阻抗。
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