一种电缆构造隔离电容及电缆宽频阻抗测量使用电路的制作方法

1.本发明涉及电缆在线监测技术领域，具体涉及一种电缆构造隔离电容及电缆宽频阻抗测量使用电路。


背景技术：

2.在线监测对于保障电缆安全运行具有重要意义。高压隔离电容可将高电压与地电位隔离，保护高电压环境下在线监测设备免受高电压破坏，是实现电力电缆宽频阻抗和局部放电信号等在线监测的关键器件。本技术的发明人经过研究发现，现有电缆测量用高压隔离电容均采用外部串联附加独立电容的方案实现，虽然附加独立电容具有施工便捷和使用方便的优势，但是也存在寿命短、安全性差、体积大等问题，仅适合临时现场测量使用，而无法满足长期高电压安全隔离要求。


技术实现要素：

3.针对现有电缆测量用高压隔离电容均采用外部串联附加独立电容的方案实现，而附加独立电容存在寿命短、安全性差、体积大，仅适合临时现场测量使用，而无法满足长期高电压安全隔离要求的技术问题，本发明提供一种电缆构造隔离电容及电缆宽频阻抗测量使用电路。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
5.一方面，本发明提供了一种电缆构造隔离电容，包括主绝缘套管，所述主绝缘套管的外侧融合有由预制半导电材料层构成的低压电极，所述低压电极上设置有用于将低压电极与外部设备连接的低压引线，所述主绝缘套管的内侧融合有由预制半导电材料层构成的高压电极，所述高压电极的内侧包紧连接有由半导电材料构成的半导电应力锥，所述半导电应力锥的中间预留有容许电缆缆芯穿过的轴向通孔。
6.进一步，所述电缆构造隔离电容的串联等效电容cs大于500pf，所述串联等效电容cs采用以下公式计算：
[0007][0008]
其中，lg为高压电极长度，π为圆周率，ε为主绝缘套管材料介电常数，ln(x)为自然对数函数，ro为主绝缘套管外半径，ri为主绝缘套管内半径。
[0009]
进一步，所述主绝缘套管采用具有高介电常数的绝缘材料制成。
[0010]
进一步，所述电缆的额定电压为220v时主绝缘套管的厚度为0.5～1mm；所述电缆的额定电压为10kv时主绝缘套管的厚度为3～5mm；所述电缆的额定电压为35kv时主绝缘套管的厚度为7～12mm。
[0011]
进一步，所述低压电极、高压电极和半导电应力锥均采用半导电硅橡胶材料制成。
[0012]
进一步，所述低压电极长度大于高压电极长度，且所述高压电极长度大于半导电应力锥长度。
[0013]
另一方面，本发明提供了一种电缆宽频阻抗测量使用电路，包括构造电容串联等效电容、构造电容交叉耦合电容、串联隔离第一开关、串联隔离第二开关、并联隔离开关和并联放电电阻，所述构造电容串联等效电容的一端适于与测量电缆缆芯连接，所述构造电容串联等效电容的另一端与构造电容交叉耦合电容、串联隔离第一开关、并联隔离开关和并联放电电阻的一端连接，所述串联隔离第一开关的另一端适于与宽频阻抗测量设备侧第一接线端连接，所述串联隔离第二开关的另一端适于与宽频阻抗测量设备侧第二接线端连接，所述串联隔离第二开关的一端和并联隔离开关、并联放电电阻、构造电容交叉耦合电容的另一端均接地，所述构造电容串联等效电容和构造电容交叉耦合电容中的构造电容为前述的电缆构造隔离电容。
[0014]
进一步，所述电缆宽频阻抗采用以下公式计算：
[0015][0016]
其中，ω为测量频率范围；zc(ω)为电缆宽频阻抗；zin(ω)为串联隔离第一开关和串联隔离第二开关另一端输入的宽频阻抗，由在线监测装置实时测量获得；rp为并联放电电阻的阻值；j为虚数；cp(ω)为构造电容交叉耦合电容容值，该值为频变参数采用lcr表提前测量获得；cs(ω)为构造电容串联等效电容容值，该值为频变参数采用lcr表提前测量获得。
[0017]
与现有技术相比，本发明提供的电缆构造隔离电容和电缆宽频阻抗测量使用电路，通过电缆构造隔离电容中主绝缘套管利用高性能绝缘材料，直接在电线本体上构造高压隔离电容，构造电容的实现无需改动现有电缆附件，对现有电缆附件和电缆本体影响小，具有较强通用性的同时避免使用附加独立电容，进而规避了现有附加独立电容存在的问题，能够满足长期高电压安全隔离要求，即实现了无需采用外部串联附加独立电容就可实现高电压隔离，该构造电容除了可用于电缆终端接头，还可用于电缆中间接头；通过采用本电缆宽频阻抗测量使用电路，能有效消除构造电容对电缆宽频阻抗等测量的影响，进而可准确测量到电缆宽频阻抗等其他电气测量量。
附图说明
[0018]
图1是本发明提供的电缆构造隔离电容剖面结构示意图。
[0019]
图2是本发明提供的电缆构造隔离电容与电缆本体及电缆附件的配合关系剖面结构示意图。
[0020]
图3是本发明提供的电缆宽频阻抗测量使用电路原理示意图。
[0021]
图中，1、电缆构造隔离电容；11、主绝缘套管；12、低压电极；13、低压引线；14、高压电极；15、半导电应力锥；151、轴向通孔；21、电缆本体屏蔽层接地引线(导线)；22、电缆本体外护套层；23、电缆本体屏蔽层(含电缆本体半导电层)；24、电缆本体主绝缘；31、电缆终端接头屏蔽层接地引线(导线)；32、电缆终端接头屏蔽层(含电缆终端接头外半导电层)；33、电缆终端接头内半导电层；34、电缆缆芯；35、电缆终端接头绝缘应力锥；36、电缆终端接头主绝缘；41、宽频阻抗测量设备侧第一接线端；42、宽频阻抗测量设备侧第二接线端。
具体实施方式
[0022]
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
[0023]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0024]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0025]
作为一种具体实施例，请参考图1所示，本发明提供了一种电缆构造隔离电容1，包括主绝缘套管11，具体可为绝缘冷缩套管，所述主绝缘套管11的外侧融合有由预制半导电材料层构成的低压电极12，所述低压电极12上设置有用于将低压电极12与外部设备连接的低压引线(导线)13，所述主绝缘套管11的内侧融合有由预制半导电材料层构成的高压电极14，所述高压电极14的内侧包紧连接有由半导电材料构成的半导电应力锥15，所述半导电应力锥15的中间预留有容许电缆缆芯穿过的轴向通孔151，所述半导电应力锥15一方面用于扩充构造电容(电缆构造隔离电容的简称)高压电极14面积，达到在构造电容长度不变的情况下增大构造电容容值的目的，另一方面用于填充构造电容主绝缘套管11内部空间，增强主绝缘套管11与电缆缆芯的抱紧力。
[0026]
在一个实施方式中，本技术的发明人经过研究发现，串联等效电容cs是影响信号隔离采集的关键，为降低串联等效电容cs对信号传播的阻碍作用，通常需要采用一个具有较大容值的串联等效电容cs，如所述电缆构造隔离电容的串联等效电容cs大于500pf，所述串联等效电容cs采用以下公式计算：
[0027][0028]
其中，lg为高压电极长度，π为圆周率，ε为主绝缘套管材料介电常数，ln(x)为自然对数函数，ro为主绝缘套管外半径，ri为主绝缘套管内半径。
[0029]
在一个实施方式中，本技术的发明人经过研究发现，增大串联等效电容cs容值会导致构造电容长度增加，造成施工复杂，因此需要考虑如何缩短构造电容的长度。由上式(1)计算串联等效电容cs的公式可知：一方面当串联等效电容cs一定时，ro越小或者ri越大，即ro/ri越趋近于1，lg的值越小；另一方面ε越小，lg的值也越小。
[0030]
因此，为了缩短构造电容的长度lcs，应该缩短lg，主要技术路径如下：
[0031]
在一个实施方式中，所述主绝缘套管11采用具有高介电常数的绝缘材料制成，即采用具有更高介电常数的绝缘材料作为构造电容的主绝缘套管11，如采用现有的金属氧化
物绝缘材料来实现。
[0032]
在一个实施方式中，所述电缆的额定电压为220v时主绝缘套管的厚度为0.5～1mm；所述电缆的额定电压为10kv时主绝缘套管的厚度为3～5mm；所述电缆的额定电压为35kv时主绝缘套管的厚度为7～12mm，以此减小构造电容的主绝缘套管11厚度，即使ro/ri越趋近于1。
[0033]
在一个实施方式中，所述低压电极12、高压电极14和半导电应力锥15均采用现有的半导电硅橡胶材料制成，由此可以带来以下好处：第一、因为半导电材料是软的，可以保障主绝缘套管的抱紧力，柔性紧密贴合，提高绝缘性能；第二、同样因为半导电材料是软的，可以轻松实现较为光滑的半导电界面，均匀电场分布，提高主绝缘套管绝缘性能；第三、半导电材料具有导电特性，由半导电材料构成的应力锥可以实现电缆缆芯与高压电极的电气连接。
[0034]
在一个实施方式中，所述低压电极长度ld大于高压电极长度lg，且所述高压电极长度lg大于半导电应力锥长度lz，即低压电极长度ld》高压电极长度lg》半导电应力锥长度lz，由此可以有效缓解构造电容的主绝缘套管11电场应力。
[0035]
在一个实施方式中，本发明提供的电缆构造隔离电容1与现有电缆本体及电缆附件的配合关系具体如图2所示，其中标号21代表电缆本体屏蔽层接地引线(导线)，22代表电缆本体外护套层，23代表电缆本体屏蔽层(含电缆本体半导电层)，24代表电缆本体主绝缘；标号31代表电缆终端接头屏蔽层接地引线(导线)，32代表电缆终端接头屏蔽层(含电缆终端接头外半导电层)，33代表电缆终端接头内半导电层，34代表电缆缆芯，35代表电缆终端接头绝缘应力锥，36代表电缆终端接头主绝缘。从图2中可以看出，所述电缆本体2和电缆终端接头3位于电缆构造隔离电容1的两端，且所述电缆缆芯34从构造电容半导电应力锥15的轴向通孔151中穿过。值得注意的是，在具体实施过程中，所述电缆本体屏蔽层接地引线(导线)21和电缆终端接头屏蔽层接地引线(导线)31需短路连接在一起。
[0036]
作为另一种具体实施例，由上面的构造电容介绍说明可知，本发明提供的电缆构造隔离电容是通过在电缆上构造出一个具有高可靠性的电容实现对高压电的隔离，但是本技术的发明人经过深入研究发现受材料极化特性影响，构造具有不可忽略的频变特性，导致在线监测设备测量结果存在测量偏差。对此，请参考图3所示，本发明提供了一种电缆宽频阻抗测量使用电路，包括构造电容串联等效电容cs、构造电容交叉耦合电容cp、串联隔离第一开关s1、串联隔离第二开关s2、并联隔离开关s3和并联放电电阻rp，所述构造电容串联等效电容cs的一端适于与测量电缆缆芯34连接，所述构造电容串联等效电容cs的另一端与构造电容交叉耦合电容cp、串联隔离第一开关s1、并联隔离开关s3和并联放电电阻rp的一端连接，所述串联隔离第一开关s1的另一端适于与宽频阻抗测量设备侧第一接线端41连接，所述串联隔离第二开关s2的另一端适于与宽频阻抗测量设备侧第二接线端42连接，所述串联隔离第二开关s2的一端和并联隔离开关s3、并联放电电阻rp、构造电容交叉耦合电容cp的另一端均接地，所述构造电容串联等效电容cs和构造电容交叉耦合电容cp中的构造电容为前述的电缆构造隔离电容即构造电容；所述电缆本体屏蔽层接地引线(导线)21和电缆终端接头屏蔽层接地引线(导线)31在测量实施过程中也短路连接在一起(具体如图3中测量电缆左下端那根弯曲线)接地。其中，所述构造电容串联等效电容cs和构造电容交叉耦合电容cp是本发明提供的电缆构造隔离电容在配合电缆本体和终端接头使用时产生的(如
图2)，在图3中用虚线画出来就表示实际不存在，但是从电路上等效出来有。
[0037]
在本具体实施例中，所述串联隔离第一开关s1和串联隔离第二开关s2同步工作，并联隔离开关s3反向工作，具体在需要测量信号通过时闭合s1和s2，在无需测量信号通过时断开s1和s2，以降低测量设备被电缆中意外的高频高压干扰信号损坏的风险，达到进一步增强保护测量设备的作用(cs仅能实现对工频高电压的隔离，而无法实现对高频高压信号的隔离；因此，为避免电缆中意外高频高压信号对设备造成损伤，在不需要测量操作时，通过断开s1和s2，可降低设备受高频高压信号损伤的风险)。而所述并联隔离开关s3在需要测量时断开，避免将信号短接；而在无需测量时闭合，将流通过cs的高频信号接地，避免对设备造成损害。另外，所述并联放电电阻rp用于将构造电容低压电极高阻接地，避免电荷累积，造成安全隐患。因此，采用本具体实施例提供的电缆宽频阻抗测量使用电路，所有的测量量偏差均可通过系统的频率阻抗特征修正，因此可准确测量到电缆宽频阻抗和其他电气测量量。
[0038]
在其中一个实施方式中，所述电缆宽频阻抗采用以下公式计算：
[0039][0040]
其中，ω为测量频率范围；zc(ω)为电缆宽频阻抗；zin(ω)为串联隔离第一开关和串联隔离第二开关另一端输入的宽频阻抗，由在线监测装置实时测量获得；rp为并联放电电阻的阻值；j为虚数；cp(ω)为构造电容交叉耦合电容容值，该值为频变参数采用lcr表提前测量获得；cs(ω)为构造电容串联等效电容容值，该值为频变参数采用lcr表提前测量获得。
[0041]
采用本具体实施方式提供的电缆宽频阻抗计算公式，可有效消除构造电容对电缆宽频阻抗测量结果的影响。该电缆宽频阻抗计算公式的具体使用流程如下：首先根据电缆结构特征与绝缘强度要求，确定主绝缘套管外半径ro、主绝缘套管外半径ri和主绝缘套管材料介电常数ε；接着根据测试要求确定所需串联等效电容cs值(如800pf)；然后根据上式(1)确定高压电极长度lg；之后采用lcr表测量获得cs(ω)、cp(ω)和rp；再后采用在线监测装置测量获得zin(ω)；最后根据上式(2)求解获得电缆宽频阻抗zc(ω)。
[0042]
具体电缆宽频阻抗的在线测量方法如下：1)闭合串联隔离第一开关s1和串联隔离第二开关s2，并断开并联隔离开关s3；2)采用在线监测装置测量获得zin(ω)；3)闭合并联隔离开关s3，并断开串联隔离第一开关s1和串联隔离第二开关s2。
[0043]
与现有技术相比，本发明提供的电缆构造隔离电容和电缆宽频阻抗测量使用电路，通过电缆构造隔离电容中主绝缘套管利用高性能绝缘材料，直接在电线本体上构造高压隔离电容，构造电容的实现无需改动现有电缆附件，对现有电缆附件和电缆本体影响小，具有较强通用性的同时避免使用附加独立电容，进而规避了现有附加独立电容存在的问题，能够满足长期高电压安全隔离要求，即实现了无需采用外部串联附加独立电容就可实现高电压隔离，该构造电容除了可用于电缆终端接头，还可用于电缆中间接头；通过采用本电缆宽频阻抗测量使用电路，能有效消除构造电容对电缆宽频阻抗等测量的影响，进而可准确测量到电缆宽频阻抗等其他电气测量量。
[0044]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较
佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种电缆构造隔离电容，其特征在于，包括主绝缘套管，所述主绝缘套管的外侧融合有由预制半导电材料层构成的低压电极，所述低压电极上设置有用于将低压电极与外部设备连接的低压引线，所述主绝缘套管的内侧融合有由预制半导电材料层构成的高压电极，所述高压电极的内侧包紧连接有由半导电材料构成的半导电应力锥，所述半导电应力锥的中间预留有容许电缆缆芯穿过的轴向通孔。2.根据权利要求1所述的电缆构造隔离电容，其特征在于，所述电缆构造隔离电容的串联等效电容cs大于500pf，所述串联等效电容cs采用以下公式计算：其中，lg为高压电极长度，π为圆周率，ε为主绝缘套管材料介电常数，ln(x)为自然对数函数，ro为主绝缘套管外半径，ri为主绝缘套管内半径。3.根据权利要求1所述的电缆构造隔离电容，其特征在于，所述主绝缘套管采用具有高介电常数的绝缘材料制成。4.根据权利要求1所述的电缆构造隔离电容，其特征在于，所述电缆的额定电压为220v时主绝缘套管的厚度为0.5～1mm；所述电缆的额定电压为10kv时主绝缘套管的厚度为3～5mm；所述电缆的额定电压为35kv时主绝缘套管的厚度为7～12mm。5.根据权利要求1所述的电缆构造隔离电容，其特征在于，所述低压电极、高压电极和半导电应力锥均采用半导电硅橡胶材料制成。6.根据权利要求1所述的电缆构造隔离电容，其特征在于，所述低压电极长度大于高压电极长度，且所述高压电极长度大于半导电应力锥长度。7.一种电缆宽频阻抗测量使用电路，其特征在于，包括构造电容串联等效电容、构造电容交叉耦合电容、串联隔离第一开关、串联隔离第二开关、并联隔离开关和并联放电电阻，所述构造电容串联等效电容的一端适于与测量电缆缆芯连接，所述构造电容串联等效电容的另一端与构造电容交叉耦合电容、串联隔离第一开关、并联隔离开关和并联放电电阻的一端连接，所述串联隔离第一开关的另一端适于与宽频阻抗测量设备侧第一接线端连接，所述串联隔离第二开关的另一端适于与宽频阻抗测量设备侧第二接线端连接，所述串联隔离第二开关的一端和并联隔离开关、并联放电电阻、构造电容交叉耦合电容的另一端均接地，所述构造电容串联等效电容和构造电容交叉耦合电容中的构造电容为权利要求1至6中任一项所述的电缆构造隔离电容。8.根据权利要求7所述的电缆宽频阻抗测量使用电路，其特征在于，所述电缆宽频阻抗采用以下公式计算：其中，ω为测量频率范围；zc(ω)为电缆宽频阻抗；zin(ω)为串联隔离第一开关和串联隔离第二开关另一端输入的宽频阻抗，由在线监测装置实时测量获得；rp为并联放电电阻的阻值；j为虚数；cp(ω)为构造电容交叉耦合电容容值，该值为频变参数采用lcr表提前测量获得；cs(ω)为构造电容串联等效电容容值，该值为频变参数采用lcr表提前测量获得。

技术总结
本发明提供一种电缆构造隔离电容，包括主绝缘套管，主绝缘套管的外侧融合有由预制半导电材料层构成的低压电极，低压电极上设置有用于将低压电极与外部设备连接的低压引线，主绝缘套管的内侧融合有由预制半导电材料层构成的高压电极，高压电极的内侧包紧连接有由半导电材料构成的半导电应力锥，半导电应力锥的中间预留有容许电缆缆芯穿过的轴向通孔。本发明还提供一种电缆宽频阻抗测量使用电路。本申请通过构造电容中主绝缘套管利用高性能绝缘材料，直接在电线本体上构造高压隔离电容，具有较强通用性的同时避免使用附加独立电容，能满足长期高电压安全隔离要求；通过采用电缆宽频阻抗测量使用电路能有效消除构造电容对电缆宽频阻抗测量的影响。宽频阻抗测量的影响。宽频阻抗测量的影响。


技术研发人员：杨建宇 王炳文 李雄飞
受保护的技术使用者：重庆普察科技有限公司
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/2