一种基于电缆合闸过电压的振荡操作波回路参数确定方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于电缆合闸过电压的振荡操作波回路参数确定方法及系统，包括以下步骤：采集获取待测试电缆的几何参数，以及待测试电缆金属导体、绝缘介质和敷设环境的电气参数；采集获取与待测试电缆相连的母线处的三相短路电流，计算获得馈电网络等效阻抗；根据获得的待测试电缆的几何参数及电气参数，计算获得电缆阻抗与导纳参数；根据获得的馈电网络等效阻抗，以及电缆阻抗和导纳参数，计算获得电缆自然谐振频率与衰减常数；根据获得的电缆自然谐振频率及衰减常数，确定振荡波回路中元件的参数。本发明专利技术能够节约时间与人力成本；可确定试验中所需的振荡波发生器回路参数，提升试验结果的精确性。

A method and system to determine the parameters of the oscillating operation wave circuit based on the switching over-voltage of the cable

【技术实现步骤摘要】
一种基于电缆合闸过电压的振荡操作波回路参数确定方法及系统
本专利技术属于高电压与绝缘
，特别涉及一种基于电缆合闸过电压的振荡操作波回路参数确定方法及系统。
技术介绍
高压电力电缆传输、分配电能，应用于城市主干网、发电厂送出、大型工矿企业内部供电以及过江、过海的水下输电线路。在国内、外电力传输系统中，电缆所占比重均逐渐增长。高压电力电缆包括6～500kV各电压等级电缆。电缆按绝缘材料可分为油浸纸、橡塑、交联聚乙烯电缆等；按传输电流类型可分为交流、直流电缆。塑料电缆结构简单、制造方便、重量轻、敷设安装便利，不受敷设落差限制，广泛用作中低压电缆，未来将取代粘性浸渍油纸电缆，但是这类电缆的致命缺点是存在树枝化击穿现象，限制了它在更高电压等级的应用。聚氯乙烯电缆价格低、使用广，但介损大，一般用于10kV以下系统。聚乙烯电缆可用于较高电压系统，但工作温度太低(仅70℃左右)，耐电晕性能差，国际上目前已制成的聚乙烯电缆工作电压最高为285kV。交联聚乙烯电缆是将挤压的聚乙烯绝缘层经交联工艺过程，聚乙烯分子从线型分子变为网状结构分子，交联聚乙烯电缆导体最大工作温度可达90℃，电压已到500kV等级，机械强度高，目前绝大部分电力电缆是交联聚乙烯电缆。近年来，超高压电缆线路中间接头在合闸操作时，造成的电缆中间接头击穿事故时有发生，并且由此引发电缆线路及通道着火事件，这些电缆事故已造成了较大的经济损失，严重影响了高压输电网络的安全可靠运行。在北京、西安、成都、珠海、上海等地区均发生过110kV及以上电缆中间接头由于操作过电压造成的击穿事件，甚至有的线路在做完竣工试验后，在合闸的同时仍然造成中间接头击穿。超高压电缆中的暂态电压可达上千赫兹，一次暂态过程内可能包含数千次连续振荡衰减的冲击电压。电压对固体绝缘的破坏作用就像砍木头，如果拿个大刀去砍木头，即使刀很锋利，而且用很大的力气，木头也很难被砍坏，而拿个锯子，即使锯齿不那么大，也很快能把木头锯开。传统的耐压实验与暂态冲击对绝缘的破坏就像大刀和锯子的差别一样，耐压实验并不能真正反映电缆本体和附件绝缘耐操作暂态过电压的能力。一般实验室试验中，常采用标准操作冲击波对电缆附件及本体进行耐压试验。为了精确研究电缆绝缘材料在实际运行承受的操作冲击，因此应用振荡波发生装置，对电缆绝缘材料或者电缆附件施加高频振荡波，研究其绝缘耐受能力。因此，电缆线路中可能出现的暂态过电压波形特征及其对电缆绝缘的破坏作用必须研究来明确。暂态合闸操作过电压的主导频率直接受电缆线路的自然谐振频率决定，即过电压的主导频率与线路的自然谐振频率相同。在研究操作冲击对电缆绝缘的缺陷发展影响时，施加在绝缘材料中的振荡操作波需要保持频率特性和电压衰减与实际中的合闸操作电压一致。在振荡波发生装置中，产生的振荡波频率与衰减由发生回路中的电阻、电感、电容参数决定。因此，在进行试验前，首先需要确定暂态操作过电压的主导频率与电压衰减，从而确定振荡波发生装置回路中的元件参数。综上，亟需一种基于电缆合闸过电压的振荡操作波回路参数确定方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于电缆合闸过电压的振荡操作波回路参数确定方法及系统，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本专利技术能够节约时间与人力成本；可确定试验中所需的振荡波发生器回路参数，提升试验结果的精确性。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术的一种基于电缆合闸过电压的振荡操作波回路参数确定方法，包括以下步骤：步骤1，采集获取待测试电缆的几何参数，以及待测试电缆金属导体、绝缘介质和敷设环境的电气参数；步骤2，采集获取与待测试电缆相连的母线处的三相短路电流，计算获得馈电网络等效阻抗；步骤3，根据步骤1获得的待测试电缆的几何参数及电气参数，计算获得电缆阻抗与导纳参数；步骤4，根据步骤2获得的馈电网络等效阻抗，以及步骤3获得的电缆阻抗和导纳参数，计算获得电缆自然谐振频率与衰减常数；步骤5、根据步骤4获得的电缆自然谐振频率及衰减常数，确定振荡波回路中元件的参数；步骤2中，馈电网络等效阻抗计算公式为：式中，ZS为馈电网络等效阻抗；UN为母线额定电压；Ik为采集获取的三相短路电流；ω为角频率；LS为系统的等效电感参数。本专利技术的一种基于电缆合闸过电压的振荡操作波回路参数确定系统，包括：电缆几何及电气参数采集模块，用于采集获取待测试电缆的几何参数，以及待测试电缆金属导体、绝缘介质和敷设环境的电气参数；系统等效阻抗计算模块，用于采集获取与待测试电缆相连的母线处的三相短路电流，计算获得馈电网络等效阻抗；电缆分布线路参数计算模块，用于根据电缆几何及电气参数采集模块获得的待测试电缆的几何参数及电气参数，计算获得电缆阻抗与导纳参数；电缆自然谐振频率计算模块，用于根据系统等效阻抗计算模块获得的馈电网络等效阻抗，以及电缆分布线路参数计算模块获得的电缆阻抗和导纳参数，计算获得电缆自然谐振频率与衰减常数；振荡操作波发生装置回路参数计算模块，用于根据电缆自然谐振频率计算模块获得的电缆自然谐振频率及衰减常数，确定振荡波回路中元件的参数；系统等效阻抗计算模块中，馈电网络等效阻抗计算公式为：式中，ZS为馈电网络等效阻抗；UN为母线额定电压；Ik为采集获取的三相短路电流；ω为角频率；LS为系统的等效电感参数。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术的振荡操作波回路参数确定方法，将电缆线路在合闸过程中实际的暂态电压频率和衰减作为基础，可以极其精确地确定振荡波回路的元件参数，从而产生与实际暂态过电压特性一致的试验波形。本专利技术在确定暂态合闸过电压的频率与衰减参数时，仅通过采集电缆线路自身几何电气参数与母线的短路电流，极大程度优化了过电压频率的计算步骤，并且提高了过电压主导频率与衰减常数计算的精确性。本专利技术中振荡操作回路产生的振荡试验波形，可以有效研究电缆运行过程中的暂态过电压冲击对绝缘材料的损伤效应。本专利技术的系统，可仅通过理论计算获得电缆线路暂态合闸过电压的主导频率，而不需要进行现场试验测量和计算机仿真，能够节约时间与人力成本；通过计算获得暂态过电压的主导频率与被测试电缆的电压衰减，可确定试验中所需的振荡波发生器回路参数，提升试验结果的精确性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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是本专利技术实施例的一种基于电缆合闸过电压的振荡操作波回路参数的确定方法的流程示意框图；图2是本专利技术实施例的一种基于电缆合闸过电压的振荡操作波回路参数的确定方法中，电缆阻抗回路示意图；图3是本专利技术实施例的一种基于电缆合闸过电压的振荡操作波回路参数的确定方法中，单相单芯电缆模域本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电缆合闸过电压的振荡操作波回路参数确定方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，采集获取待测试电缆的几何参数，以及待测试电缆金属导体、绝缘介质和敷设环境的电气参数；/n步骤2，采集获取与待测试电缆相连的母线处的三相短路电流，计算获得馈电网络等效阻抗；/n步骤3，根据步骤1获得的待测试电缆的几何参数及电气参数，计算获得电缆阻抗与导纳参数；/n步骤4，根据步骤2获得的馈电网络等效阻抗，以及步骤3获得的电缆阻抗和导纳参数，计算获得电缆自然谐振频率与衰减常数；/n步骤5、根据步骤4获得的电缆自然谐振频率及衰减常数，确定振荡波回路中元件的参数；/n步骤2中，馈电网络等效阻抗计算公式为：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于电缆合闸过电压的振荡操作波回路参数确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，采集获取待测试电缆的几何参数，以及待测试电缆金属导体、绝缘介质和敷设环境的电气参数；
步骤2，采集获取与待测试电缆相连的母线处的三相短路电流，计算获得馈电网络等效阻抗；
步骤3，根据步骤1获得的待测试电缆的几何参数及电气参数，计算获得电缆阻抗与导纳参数；
步骤4，根据步骤2获得的馈电网络等效阻抗，以及步骤3获得的电缆阻抗和导纳参数，计算获得电缆自然谐振频率与衰减常数；
步骤5、根据步骤4获得的电缆自然谐振频率及衰减常数，确定振荡波回路中元件的参数；
步骤2中，馈电网络等效阻抗计算公式为：



式中，ZS为馈电网络等效阻抗；UN为母线额定电压；Ik为采集获取的三相短路电流；ω为角频率；LS为系统的等效电感参数。


2.根据权利要求1所述的一种基于电缆合闸过电压的振荡操作波回路参数确定方法，其特征在于，步骤1中，
采集获取待测试电缆的几何参数包括：电缆金属线芯半径、主绝缘外半径、金属护层外半径、外绝缘外半径和电缆敷设深度；
采集获取待测试电缆金属导体、绝缘介质和敷设环境的电气参数包括：金属导体的电阻率、磁导率；绝缘介质的介电常数、磁导率；敷设环境的电阻率。


3.根据权利要求1所述的一种基于电缆合闸过电压的振荡操作波回路参数确定方法，其特征在于，步骤3中，电缆阻抗计算具体步骤包括：
步骤3.1，计算各个金属导体的内表面阻抗与外表面阻抗；
步骤3.2，计算绝缘介质的绝缘等效阻抗；
步骤3.3，计算敷设土壤的等效阻抗；
步骤3.4，基于内表面阻抗、外表面阻抗、绝缘阻抗与土壤阻抗，计算获得电缆等效阻抗。


4.根据权利要求3所述的一种基于电缆合闸过电压的振荡操作波回路参数确定方法，其特征在于，
步骤3.1中，电缆线芯导体的外表面阻抗ZCouter计算公式为：



式中，ρc为线芯导体的电阻率；R1为电缆线芯的半径；I0与I1分别为0阶与1阶第一类贝塞尔函数；mc为线芯透入深度的倒数，其计算公式为：



式中，μc为线芯导体的磁导率；
金属护层的内表面阻抗与外表面阻抗的计算公式为：






式中，ρs为线芯导体的电阻率；R2为主绝缘的外半径；R3为金属护层的外半径；K0与K1分别为0阶与1阶第二类贝塞尔函数；ms为金属护层透入深度的倒数，其计算公式为：



式中，μs为金属护层的磁导率；
金属护层的内外表面之间的互阻抗计算公式为：



绝缘介质的绝缘阻抗计算公式为：






式中，ZCSinsul为线芯与金属护层之间主绝缘的绝缘阻抗；ZSGinsul为金属护层外围的外绝缘等效阻抗；R4为外绝缘的外半径；μins为主绝缘的磁导率；μins2为外绝缘的磁导率；
步骤3.3中，敷设环境中土壤的计算公式为：



式中，Z0为敷设土壤的等效阻抗；ρe为土壤电阻率；R4为外绝缘的外半径；ha为电缆的敷设深度；me为土壤透入深度的倒数，其计算公式为：



式中，μe为敷设土壤的磁导率；
步骤3.4中，单相电力电缆的阻抗矩阵包含电缆线芯导体自阻抗、金属护层导体的自阻抗以及线芯导体与金属之间的互阻抗；
其中，线芯导体自阻抗Z11的计算公式为：
Z11＝ZCouter+ZCSinsul+ZSinner+ZSouter+ZSGinsul+Z0-2ZSmutual；
金属护层自阻抗Z22的计算公式为：
Z22＝ZSouter+ZSGinsul+Z0；
线芯导体与金属之间的互阻抗Z12的计算公式为：
Z12＝ZSouter+ZSGinsul+Z0-ZSmutual；
获得阻抗矩阵中的各个分量后，电缆阻抗[Zcable]的计算公式为：





5.根据权利要求1所述的一种基于电缆合闸过电压的振荡操作波回路参数确定方法，其特征在于，步骤3中，导纳参数的计算以计算电位系数为前提；单相电力电缆的电位系数矩阵为：



式中，[Pcable]为电缆的电位系数矩阵；P11为线芯导体的电位系数；P22为金属护层的电位系数；P12为线芯与金属护层间的互电位系数；
电位系数P11的计算公式为：



式中，ε0表示真空介电常数；ε1为电缆主绝缘的介电常数；ε2为外绝缘的介电常数；
电位系数P22的计算公式为：



导纳参数矩阵的计算公式为：
[Ycable]＝jω·[Pcable]-1，
式中，[Ycable]表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵学风，林涛，段玮，孙浩飞，蒲路，琚泽立，候喆，王辰曦，李嘉明，邓军波，
申请(专利权)人：国网陕西省电力公司电力科学研究院，西安交通大学，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61