CN112083237B - 一种用于大尺度电气设备宽频特性时域测量方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺度电气设备宽频特性时域测量方法及***，采用基于两端屏蔽层接地消除空间引线误差的接线方式，然后利用开路测量测试引线的首端和末端的阻抗特性，以及在不同负载下测试引线的首端和末端的阻抗特性，对测试引线进行修正，可消除长距离测量引线带来的测量误差，利用长距离高压同轴电缆屏蔽层两端接地的方法，消除测量引线空间位置对测量结果的影响，保证测量结果的一致性，提高宽频特性时域测量方法的准确性和便捷性设备轻便易携，避免了使用长距离连接线后存在误差无法消除的问题，接线方式简单，测量结果准确满足现场测试的要求，能够实现对大尺度电气设备宽频特性的准确测量。

Description

一种用于大尺度电气设备宽频特性时域测量方法及***

技术领域

本发明属于宽频特性测量领域，具体涉及一种用于大尺度电气设备宽频特性时域测量方法及***。

背景技术

电力设备在正常运行过程中，会承受来自***侵入的雷电过电压和操作过电压，其频域范围在数十赫兹到兆赫兹，因此在进行电力***过电压等电磁暂态仿真计算时，有必要建立电力设备的宽频模型。目前电力设备宽频建模的方法主要有基于电磁场计算的机理建模法和基于设备宽频特性的黑箱建模法。基于电磁场计算的机理建模法需要厂家提供电力设备内部大量的结构参数用于建立等效模型；计算得到等效模型后，需要将等效模型的宽频特性与实测宽频特性进行对比，以验证模型的准确性。基于设备宽频特性的黑箱建模法需要利用测量得到设备的宽频特性，采用矢量匹配和电路综合的方法建立模型。因此，作为宽频建模的基础，对电力设备宽频特性进行准确测量具有重要的意义。

目前对于电力设备宽频特性的测量方法主要有三种：基于阻抗分析仪的扫频法、基于网络分析仪的散射法和基于脉冲发生器的时域测量法。前两种方法已有开发成熟的设备可供使用，对于低电压、小尺度电力设备的宽频特性测量具有较高的精度，但对于高电压、大尺度的电力设备，其测量结果在中频段存在较大干扰信号，存在应用小电压信号测量高电压设备频率响应的准确性问题。考虑现场测试大尺度电气设备的试验规范要求、长距离测量引线的电感可能导致待测设备入口处电压波形高频分量降低、裸露的长测量引线容易遭受外部环境电磁干扰和时域测量方法操作的便捷性问题。采用高压同轴电缆可消除长测量引线带来的干扰，但使用较长的测量电缆，电缆本体电容、电感、电阻等因素会对测量结果造成显著影响，且频率越高、电缆长度越长，对结果的影响越大。

针对电缆补偿问题，基于传输线理论，通过计算或测量方法补偿测量电缆的影响。通过传输线模型理论推导的二端口网络传输特性方程，基于单位长度参数计算出电缆实际频率特性，但传输线模型在高频下无法准确反应电缆的传输特性。利用“开路、短路、负载校核”的校验方法，补偿电缆对测量结果的影响，但短路方法在时域测量中实施时会在电缆首端产生高幅值过电压，不仅影响设备的安全，还会加大测量瞬态电压、电流的难度，因此有必要进行进一步的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于大尺度电气设备宽频特性时域测量方法及***，以克服现有技术的不足，本发明能够实现对大尺度电气设备宽频特性的准确测量。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于大尺度电气设备宽频特性时域测量方法，包括以下步骤：

步骤1)、将测试引线首端连接至宽频高压脉冲信号发生器输出端，将测试引线的首端屏蔽层和末端屏蔽层接地，测试引线末端开路，测量电缆首端的电压和电流信号；

步骤2)、然后将测试引线的末端连接校验电阻负载，分别测量在连接校验电阻负载下测试引线首端的电压和电流信号以及测试引线末端的电压和电流信号，根据连接校验电阻负载下测试引线首端的电压和电流信号计算测试引线首端的阻抗特性，根据连接校验电阻负载下测试引线末端的电压和电流信号计算测试引线末端的阻抗特性；

步骤3)、将测试引线首端连接至宽频高压脉冲信号发生器输出端，分别测量在连接校验电容负载下测试引线首端的电压和电流信号以及测试引线末端的电压和电流信号，根据连接校验电容负载下首端的电压和电流信号计算测试引线首端的阻抗特性，根据连接校验电容负载下末端的电压和电流信号计算测试引线末端的阻抗特性；

步骤4)、将测试引线首端连接至宽频高压脉冲信号发生器输出端，测试引线的首端屏蔽层和末端屏蔽层接地，将测试引线末端连接待测电气设备，测量电缆首端的电压和电流信号；

步骤5)、根据上述得到的校验电阻负载下测试引线首端和末端的阻抗特性以及校验电容负载下测试引线首端和末端的阻抗特性，修正测量引线引入的误差，得到待测电气设备的宽频特性值。

进一步的，采用小波分析方法对测试引线首端的电压和电流信号进行时频分析，得到测试引线首端的阻抗特性。

进一步的，采用小波分析方法对连接校验电阻负载下测试引线首端的电压和电流信号进行时频分析，得到测试引线首端的阻抗特性。

进一步的，采用小波分析方法对连接校验电阻负载下测试引线末端的电压和电流信号进行时频分析，得到测试引线末端的阻抗特性。

进一步的，采用小波分析方法对连接校验电容负载下测试引线首端的电压和电流信号进行时频分析，得到测试引线首端的阻抗特性。

进一步的，采用小波分析方法对连接校验电容负载下测试引线末端的电压和电流信号进行时频分析，得到测试引线末端的阻抗特性。

进一步的，计算得到的待测电气设备的宽频特性值为：

Z_k为开路测量得到的阻抗特性值，Z_j1为在连接校验电阻负载直接测量得到的测试引线首端校验阻抗，Z_j2为在连接校验电容负载下测试引线首端校验阻抗，Z_j1m为在连接校验电阻负载直接测量得到的测试引线末端校验阻抗，Z_j2m为在连接校验电容负载下测试引线末端测量得到的校验阻抗，Z_xm为测试引线首端测量得到的阻抗特性值。

一种用于大尺度电气设备宽频特性时域测量***，包括宽频高压脉冲信号发生器、电压检测模块、电流检测模块、校验阻抗计算模块和宽频特性修正计算模块，宽频高压脉冲信号发生器用于提供宽频高压脉冲信号；电压检测模块用于检测测试引线上不同位置的电压信号，并将检测到的电压信号传输至校验阻抗计算模块，电流检测模块用于检测测试引线上不同位置的电流信号，并将检测到的电流信号传输至校验阻抗计算模块，校验阻抗计算模块根据获取的测试引线同一位置上的电压信号和电流信号计算该位置处的阻抗特性，宽频特性修正计算模块根据测试引线不同位置处的阻抗特性修正测量误差，计算得到待测电气设备的宽频特性值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种大尺度电气设备宽频特性时域测量方法，采用基于两端屏蔽层接地消除空间引线误差的接线方式，然后利用开路测量测试引线的首端和末端的阻抗特性，以及在不同负载下测试引线的首端和末端的阻抗特性，对测试引线进行修正，可消除长距离测量引线带来的测量误差，利用长距离高压同轴电缆屏蔽层两端接地的方法，消除测量引线空间位置对测量结果的影响，保证测量结果的一致性，提高宽频特性时域测量方法的准确性和便捷性设备轻便易携，避免了使用长距离连接线后存在误差无法消除的问题，接线方式简单，测量结果准确满足现场测试的要求，能够实现对大尺度电气设备宽频特性的准确测量。

本发明一种大尺度电气设备宽频特性时域测量***，结构简单，通过不同负载下测试引线的首端和末端的阻抗特性，对测试引线进行修正，可消除长距离测量引线带来的测量误差，利用长距离高压同轴电缆屏蔽层两端接地的方法，消除测量引线空间位置对测量结果的影响，保证测量结果的一致性，提高宽频特性时域测量方法的准确性和便捷性设备轻便易携。

附图说明

图1为本发明实施例中的接线示意图。

图2为本发明实施例中测量原理结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，一种用于大尺度电气设备宽频特性时域测量方法，包括以下步骤：

步骤1)、将测试引线首端连接至宽频高压脉冲信号发生器输出端，将测试引线的首端屏蔽层和末端屏蔽层接地，测试引线末端开路，测量电缆首端的电压和电流信号；

采用小波分析方法对测试引线首端的电压和电流信号进行时频分析，得到测试引线首端的阻抗特性Z_k；

根据待测电气设备的具体尺寸选择合适长度的高压同轴电缆测试引线，利用长距离高压同轴电缆屏蔽层两端接地的方法，消除测量引线空间位置对测量结果的影响，保证测量结果的一致性；

步骤2)、第一负载校正测试：将测试引线首端连接至宽频高压脉冲信号发生器输出端，将测试引线的首端屏蔽层和末端屏蔽层接地，测试引线末端连接校验电阻负载R，分别测量测试引线首端和末端的电压和电流信号，根据测量得到的测试引线首端和末端的电压和电流信号分别计算测试引线首端和末端的阻抗特性；即将测试引线的末端连接校验电阻负载，分别测量在连接校验电阻负载下测试引线首端的电压和电流信号以及测试引线末端的电压和电流信号，根据连接校验电阻负载下测试引线首端的电压和电流信号计算测试引线首端的阻抗特性，根据连接校验电阻负载下测试引线末端的电压和电流信号计算测试引线末端的阻抗特性；

具体的，采用小波分析方法对连接校验电阻负载R下测试引线首端的电压和电流信号进行时频分析，得到测试引线首端的阻抗特性Z_j1；采用小波分析方法对连接校验电阻负载R下测试引线末端的电压和电流信号进行时频分析，得到测试引线末端的阻抗特性Z_j1m。

步骤3)、第二负载校正测试：将测试引线首端连接至宽频高压脉冲信号发生器输出端，分别测量在连接校验电容负载C下测试引线首端的电压和电流信号以及测试引线末端的电压和电流信号，根据连接校验电容负载C下首端的电压和电流信号计算测试引线首端的阻抗特性，根据连接校验电容负载C下末端的电压和电流信号计算测试引线末端的阻抗特性；

采用小波分析方法对连接校验电容负载C下测试引线首端的电压和电流信号进行时频分析，得到测试引线首端的阻抗特性Z_j2；采用小波分析方法对连接校验电容负载C下测试引线末端的电压和电流信号进行时频分析，得到测试引线末端的阻抗特性Z_j2m。

步骤4)、电气设备测量：将测试引线首端连接至宽频高压脉冲信号发生器输出端，测试引线的首端屏蔽层和末端屏蔽层接地，将测试引线末端连接待测电气设备，测量电缆首端的电压和电流信号；

采用小波分析方法对连接待测电气设备下测试引线首端的电压和电流信号进行时频分析，得到测试引线首端的阻抗特性Z_xm；

步骤5)、根据上述得到的校验电阻负载R下测试引线首端和末端的阻抗特性以及校验电容负载C下测试引线首端和末端的阻抗特性，修正测量引线引入的误差，得到待测电气设备的宽频特性Z_x。

图1中，DCPower为外接高压直流源，为宽频脉冲发生器提供高压输入、HVLine为高压充电线、PluseGenerator为宽频脉冲发生器、CoaxialCable为高压同轴电缆引线、X_A为时域法电压，电流测量点、Z_x为待测电力设备。

如图2所示，将同轴电缆测量的测试引线回路视为二端口网络，根据上述得到的校验电阻负载下测试引线首端和末端的阻抗特性以及校验电容负载下测试引线首端和末端的阻抗特性，修正测量引线引入的误差；其中测试引线首端电压、电流分别为U₁、I₁，测试引线末端电压、电流分别为U₂、I₂，列写回路网络方程如下：

通过测量测试引线首端测量得到的阻抗特性为：

测量测试引线末端真实待测设备阻抗特性为：

联立上述公式(1)至(3)，求得待测设备真实阻抗为：

利用测量得到的开路阻抗特性(I₂＝0)可得：

通过在连接校验电阻负载R直接测量得到的测试引线首端校验阻抗Z_j1、在连接校验电容负载C下测试引线首端校验阻抗Z_j2、在连接校验电阻负载R直接测量得到的测试引线末端校验阻抗Z_j1m和在连接校验电容负载C下测试引线末端测量得到的校验阻抗Z_j2m。将校验电阻负载R、校验电容负载C测量得到的首、末端阻抗将分别代入方程(4)，得到校验方程组，利用校验方程组和方程(5)联立求解，得到电缆两端口网络的阻抗参数表达式，最终可以得出待测设备真实阻抗和直接测量阻抗的校验公式为：

一种用于大尺度电气设备宽频特性时域测量***，包括宽频高压脉冲信号发生器、电压检测模块、电流检测模块、校验阻抗计算模块和宽频特性修正计算模块，宽频高压脉冲信号发生器用于提供宽频高压脉冲信号；电压检测模块用于检测测试引线上不同位置的电压信号，并将检测到的电压信号传输至校验阻抗计算模块，电流检测模块用于检测测试引线上不同位置的电流信号，并将检测到的电流信号传输至校验阻抗计算模块，校验阻抗计算模块根据获取的测试引线同一位置上的电压信号和电流信号计算该位置处的阻抗特性，宽频特性修正计算模块根据测试引线不同位置处的阻抗特性修正测量误差，计算得到待测电气设备的宽频特性值。

本发明一种大尺度电气设备宽频特性时域测量方法，采用基于两端屏蔽层接地消除空间引线误差的接线方式，然后利用开路测量测试引线的首端和末端的阻抗特性，以及在不同负载下测试引线的首端和末端的阻抗特性，对测试引线进行修正，可消除长距离测量引线带来的测量误差，利用长距离高压同轴电缆屏蔽层两端接地的方法，消除测量引线空间位置对测量结果的影响，保证测量结果的一致性，提高宽频特性时域测量方法的准确性和便捷性设备轻便易携，避免了使用长距离连接线后存在误差无法消除的问题，接线方式简单，测量结果准确满足现场测试的要求，能够实现对大尺度电气设备宽频特性的准确测量。

Claims (7)

1.一种用于大尺度电气设备宽频特性时域测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)、将测试引线首端连接至宽频高压脉冲信号发生器输出端，将测试引线的首端屏蔽层和末端屏蔽层接地，测试引线末端开路，测量电缆首端的电压和电流信号；

步骤2)、然后将测试引线的末端连接校验电阻负载，分别测量在连接校验电阻负载下测试引线首端的电压和电流信号以及测试引线末端的电压和电流信号，根据连接校验电阻负载下测试引线首端的电压和电流信号计算测试引线首端的阻抗特性，根据连接校验电阻负载下测试引线末端的电压和电流信号计算测试引线末端的阻抗特性；

步骤3)、将测试引线首端连接至宽频高压脉冲信号发生器输出端，分别测量在连接校验电容负载下测试引线首端的电压和电流信号以及测试引线末端的电压和电流信号，根据连接校验电容负载下首端的电压和电流信号计算测试引线首端的阻抗特性，根据连接校验电容负载下末端的电压和电流信号计算测试引线末端的阻抗特性；

步骤4)、将测试引线首端连接至宽频高压脉冲信号发生器输出端，测试引线的首端屏蔽层和末端屏蔽层接地，将测试引线末端连接待测电气设备，测量电缆首端的电压和电流信号；

步骤5)、根据上述得到的校验电阻负载下测试引线首端和末端的阻抗特性以及校验电容负载下测试引线首端和末端的阻抗特性，修正测量引线引入的误差，得到待测电气设备的宽频特性值，计算得到的待测电气设备的宽频特性值为：

Z_k为开路测量得到的阻抗特性值，Z_j1为在连接校验电阻负载直接测量得到的测试引线首端校验阻抗，Z_j2为在连接校验电容负载下测试引线首端校验阻抗，Z_j1m为在连接校验电阻负载直接测量得到的测试引线末端校验阻抗，Z_j2m为在连接校验电容负载下测试引线末端测量得到的校验阻抗，Z_xm为测试引线首端测量得到的阻抗特性值。

2.根据权利要求1所述一种用于大尺度电气设备宽频特性时域测量方法，其特征在于，采用小波分析方法对测试引线首端的电压和电流信号进行时频分析，得到测试引线首端的阻抗特性。

3.根据权利要求1所述一种用于大尺度电气设备宽频特性时域测量方法，其特征在于，采用小波分析方法对连接校验电阻负载下测试引线首端的电压和电流信号进行时频分析，得到测试引线首端的阻抗特性。

4.根据权利要求1所述一种用于大尺度电气设备宽频特性时域测量方法，其特征在于，采用小波分析方法对连接校验电阻负载下测试引线末端的电压和电流信号进行时频分析，得到测试引线末端的阻抗特性。

5.根据权利要求1所述一种用于大尺度电气设备宽频特性时域测量方法，其特征在于，采用小波分析方法对连接校验电容负载下测试引线首端的电压和电流信号进行时频分析，得到测试引线首端的阻抗特性。

6.根据权利要求1所述一种用于大尺度电气设备宽频特性时域测量方法，其特征在于，采用小波分析方法对连接校验电容负载下测试引线末端的电压和电流信号进行时频分析，得到测试引线末端的阻抗特性。

7.一种用于大尺度电气设备宽频特性时域测量***，其特征在于，包括宽频高压脉冲信号发生器、电压检测模块、电流检测模块、校验阻抗计算模块和宽频特性修正计算模块，宽频高压脉冲信号发生器用于提供宽频高压脉冲信号；电压检测模块用于检测测试引线上首端位置的电压信号和测试引线上末端的电压信号，并将检测到的电压信号传输至校验阻抗计算模块，电流检测模块用于检测测试引线上首端位置的电流信号和测试引线上末端的电流信号，并将检测到的电流信号传输至校验阻抗计算模块，校验阻抗计算模块根据获取的测试引线同一位置上的电压信号和电流信号计算该位置处的阻抗特性，宽频特性修正计算模块根据测试引线上首端位置处的阻抗特性和测试引线上末端位置处的阻抗特性修正测量误差，计算得到待测电气设备的宽频特性值。

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