基于异频电压注入的高压电缆护层接地系统阻抗在线测量方法与流程

本发明高压电缆护层检测领域，更具体地，涉及一种基于异频电压注入的高压电缆护层接地系统阻抗在线测量方法。

背景技术：

1、随着城市电网的发展，110kv及以上电压等级的单芯高压电缆通常采用金属护层交叉互联的两端接地方式，以抑制护层感应电压并减少环流损耗。然而，电缆运行环境恶劣，护层接地系统常因外力破坏、腐蚀、安装工艺不当等原因引发缺陷（如接地箱进水、连接点松动、护层多点接地等）目前，针对护层接地系统的监测方法主要存在以下缺陷:传统的护层环流监测法受电缆线芯负荷电流（工频电流）影响极大。负荷波动时，感应环流随之波动，难以区分是“阻抗变化”引起的环流异常，还是“负荷变化”引起的正常波动。此外，在低负荷运行时，由于感应电压低，故障特征极不明显，存在监测盲区。常规的在线电阻测试仪在带电运行的高压电缆旁，工频电磁干扰极强，常规仪器读数跳动剧烈，无法准确测量微欧级的电阻变化。因此，亟需一种能够主动探测、抗工频干扰能力强、且适用于复杂交叉互联回路的在线阻抗测量方法。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术中受负荷电流干扰大、极端负荷下无法监测护层接地阻抗的问题，提出一种基于异频电压注入的高压电缆护层接地系统阻抗在线测量方法。该方法通过向护层回路注入特定频率（非工频及其谐波）的微弱电压信号，利用数字信号处理技术提取该频率下的响应电流，从而计算出护层回路的复阻抗。该方法不受电缆负荷电流大小影响，无需停电，能精确诊断接触不良、开路及多点接地故障。

2、为实现上述目的，本技术提供如下技术方案：

3、本技术实施例提供一种基于异频电压注入的高压电缆护层接地系统阻抗在线测量方法，包括以下步骤：

4、步骤1：在高压电缆护层接地系统中选取待测护层接地回路，在该回路的接地引下线上布设异频电压注入装置以及电压采集装置和电流采集装置，由信号发生单元产生预设频率finj的正弦异频电压信号uinj(t)，其表达式为：

5、（1）

6、其中，um为注入电压信号的幅值，finj为注入信号频率，所述预设频率 finj满足finj≠n×50hz，n为正整数，即避开工频50hz及其整数倍谐波频率，以确保注入信号与电力系统工频信号在频域上完全分离，通过所述异频电压注入装置将该异频电压信号耦合注入至所述护层接地回路中，在该异频电压信号的驱动下，护层接地回路中产生同频率的异频响应电流；

7、在注入异频电压信号的同时，通过电压采集装置同步采集注入端的异频电压信号us(t)，通过电流采集装置同步采集护层接地回路中的总电流信号i(t)所述总电流信号i(t)包含工频环流分量、异频响应电流分量和噪声分量，其表达式为：

8、（2）

9、其中，is为异频响应电流的幅值，φs为异频响应电流的相位，in为第n次工频谐波电流的幅值，φn为对应相位，ε(t)为随机噪声；

10、步骤2：对采集到的响应电流信号进行滤波、放大和模数转换，得到离散数字信号；构造与所述预设频率对应的参考正弦信号和参考余弦信号，并将所述响应电流信号分别与参考正弦信号和参考余弦信号相乘进行正交混频，对所述电流采集装置采集到的总电流信号i(t)依次进行抗混叠低通滤波和信号放大处理后，经模数转换器以采样频率fsam进行等间隔采样，得到离散数字信号i[k]，其中k为采样序号，所述采样频率fsam满足fsam≥2fmax，fmax为信号中最高频率分量的频率；对所述注入端电压信号us(t)进行同步采样，得到离散电压信号us[k]；根据所述预设频率finj和采样频率fsam，构造两路正交的数字参考信号：

11、

12、其中，ri[k]为参考正弦信号，rq[k]为参考余弦信号，二者频率相同、相位相差90°，将所述离散电流信号i[k]分别与两路参考信号逐点相乘，进行正交混频处理，得到同相混频分量vi[k]和正交混频分量vq[k]：

13、

14、根据积化和差公式，所述异频响应电流分量与同相参考信号相乘后展开为：

15、

16、其中第一项为直流分量，第二项为二倍频交流分量，而所述工频谐波分量与参考信号相乘后仅产生非零频率的交流分量，不含直流项；所述噪声分量与参考信号相乘后统计均值趋近于零；

17、

18、由此，经正交混频处理后，仅异频响应电流分量在混频结果中贡献直流项，工频干扰及噪声 均表现为交流分量或零均值信号；

19、步骤3：将所述同相混频分量vi[k]和正交混频分量vq[k]分别通过截止频率为fc的数字低通滤波器，所述截止频率fc满足fc≪∣finj-50∣，以滤除正交混频处理后产生的所有交流分量，仅保留直流分量；经低通滤波后得到同相直流分量x和正交直流分量y：

20、

21、（10）

22、其中，is为异频响应电流的幅值，φs为异频响应电流相对于参考信号的相位差；对所述注入端电压信号us[k]采用相同的正交混频和低通滤波处理，得到电压侧的同相直流分量xu和正交直流分量yu；

23、步骤4：信号重构与阻抗计算。根据x，y计算出纯净的异频电流幅值isys和相位φsys：

24、

25、同理，根据电压侧直流分量xu和yu，重构注入电压的幅值usys和相位φu

26、

27、根据欧姆定律得到频率finj下的复阻抗：

28、

29、其中，rs为护层接地回路在频率finj下的等效电阻，xs为等效电抗。

30、步骤5：频率归算，由于信号频率与工频50hz不同，受导体集肤效应影响，在频率finj下测得的等效电阻rs与工频下的实际电阻存在偏差；将所述复阻抗zinj的实部和虚部分别进行频率归算，折算为工频50hz下的等效阻抗：

31、

32、其中，r50为工频下的等效电阻，电阻归算系数基于集肤效应下电阻与频率平方根成正比的关系得出。x50为工频下的等效电抗，电抗归算系数基于感抗与频率成正比的关系得出，将首次测量得到的工频等效阻抗z50记录为基准阻抗，在后续每次测量中，计算当前测量阻抗与基准阻抗的偏差，根据偏差特征判断护层接地系统的运行状态。

33、步骤1具体为：在高压电缆护层接地系统中选取待测护层接地回路，布设异频电压注入装置、电压采集装置和电流采集装置；由信号发生单元向所述护层接地回路注入预设频率的异频电压信号，所述预设频率避开工频及其整数倍谐波频率；在注入异频电压信号的同时，同步采集所述护层接地回路中的注入电压信号和响应电流信号。

34、步骤2具体为：对步骤1采集得到的响应电流信号进行滤波、放大和模数转换，得到离散数字信号；构造与所述预设频率对应的参考正弦信号和参考余弦信号，并将所述响应电流信号分别与参考正弦信号和参考余弦信号相乘进行正交混频，得到两路混频信号。

35、根据偏差特征判断护层接地系统的运行状态包括，

36、接触不良诊断：若测得的等效阻抗实部显著高于正常运行状态下的基准阻抗实部，且阻抗模值呈上升趋势，则判定为护层接地系统存在连接点松动、氧化腐蚀或接触不良故障特征；

37、开路故障诊断：若测得的等效阻抗模值显著高于预设阈值，且响应电流幅值明显减小，则判定为护层接地回路存在局部开路、断线或连接脱落故障；

38、多点接地诊断：若测得的等效阻抗幅值和相位相对于基准状态均发生异常偏移，且阻抗虚部变化超过预设范围，则判定为护层接地系统存在多点接地或回路拓扑异常。

39、与现有技术相比，本发明具有显著的有益效果，

40、本发明通过主动注入异频电压信号，实现了高压电缆护层接地系统阻抗的精准在线测量，彻底解决了传统环流监测法受负荷波动干扰大、极端负荷下存在监测盲区的问题。首先构建了三相护层回路阻抗矩阵方程，使得测量阻抗具备全局缺陷感知能力，可通过注入回路的阻抗变化映射交叉互联系统全局的变化。滤波部分采用用数字正交锁相放大技术，能够从强工频电磁干扰中精准提取出微弱的异频响应电流，即使在极低信噪比的环境下也能确保测量读数稳定，有效捕捉微欧级的护层接地阻抗变化，紧接着通过对测量阻抗实部与虚部（或模值）的定量分析，能精准诊断接触不良、开路及多点接地等多种缺陷类型。此外，系统采用感应耦合非接触式注入，确保在不影响一次设备运行安全的前提下，实现安全电压范围内的智能化主动探测。