大尺度电气设备宽频特性频域测量方法

2018年10月电工技术学报Vol.33 No. 19 第33卷第19期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Oct. 2018 DOI：10.19595/ki.1000-6753.tces.171383

大尺度电气设备宽频特性频域测量方法

陈宁1齐磊1郑一鸣2崔翔1邹国平2

（1. 新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）北京 102206

2. 国网浙江省电力公司电力科学研究院杭州 310014）

摘要高压电气设备一般尺寸较大，测量其宽频特性时需利用较长的测量引线，这将严重影响宽频特性测量结果。该文以阻抗分析仪为测量设备，针对现场测量时遇到的问题，提出一种适于现场测量的大尺度电气设备宽频阻抗测量方法。该方法利用同轴电缆适当的屏蔽层接线，保证了测量时不同空间布线下测量结果的一致性，同时利用“开路、短路、负载校验”补偿了长测量电缆对测量结果的影响。解释了所提方法的原理，并在实验室和现场开展测量验证了该方法的正确性。现场测量表明该方法可在兆赫兹内准确测量电力系统内主要设备的宽频阻抗特性。

关键词：大尺度电气设备宽频特性同轴电缆阻抗分析仪

中图分类号：TM934

Wideband Frequency-Domain Measurement of Large-Scale

Electrical Equipment

Chen Ning1Qi Lei1 Zheng Yiming2 Cui Xiang1 Zou Guoping2

（1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources

North China Electric Power University Beijing 102206 China

2. State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute Hangzhou 310014 China）

Abstract High voltage electrical equipment’s large size results in the use of very long measurement leads, when measuring broadband impedance. Long leads could seriously affect the measuring results. An on-site measurement method is put forward in this paper using impedance analyzer.

The method uses coaxial cable's appropriate shielding connection to ensure the consistency of measurement results under different space wiring. At the same time, the influence of long measurement cable on measurement results is compensated by open/short/load correction. The principle of the method is explained in this paper, and the accuracy of the method is verified in the laboratory and in the field.

The on-site measurements show that the method can accurately measure the wide-band impedance of the equipment in the power system in the frequency of MHz.

Keywords：Large-scale electrical equipment, wideband characteristic, coaxial cable, impedance analyzer

0引言

在进行电力系统过电压分析等电磁暂态计算时，需建立电力设备的宽频模型[1,2]。电力设备的宽频特性是进行宽频建模的基础。设备宽频建模分为机理模型和黑箱模型。建立设备的机理模型时，需将所建立模型的宽频特性与实际测量获得的宽频特性进行对比，以验证模型的正确性。建立黑箱模型的过程中，宽频特性更是建模的依据。因此准确测量电力设备的宽频特性对宽频建模具有重要的意义[3-6]。

目前设备宽频特性主要测量方法有基于阻抗分析仪的测量法、基于网络分析仪的散射参数测量法和时域脉冲测量法。前两种方法可使用成熟的商业

浙江省电力公司科技项目（5211DS150028）和中央高校基本科研业务费专项资金（2017XS029）资助。

收稿日期 2017-09-25 改稿日期 2017-12-18

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测量设备，具有较高的测量精度且操作方便，在宽频特性测量领域应用广泛[7-10]。阻抗分析仪直接测量被测设备的宽频阻抗特性，其测量频率一般在DC-几百兆赫兹内，更符合电力系统电磁暂态分析关注的频率，因此本文工作主要采用阻抗分析仪测量方法展开。阻抗分析仪的测量方法主要有平衡电桥和电流-电压（I-U）。这两种方法均需利用合适的夹具或引线连接阻抗分析仪与被测对象。电力系统中的设备一般体积较大，在进行宽频阻抗测量时须使用较长的测量电缆。电缆自身的电阻、电容、电感等因素会显著影响测量结果，且随频率的升高及电缆长度的增长对结果的影响增大。

国内外已开展了对上述问题的研究，主要思想是基于传输线理论，利用计算或测量方法补偿测量电缆的影响。文献[11-13]将测量电缆视为二端口网络，基于传输线理论推导出网络的传输特性方程，再利用测量或计算得到的电缆单位长度参数计算被测设备的实际阻抗特性。但是文献中使用的传输线模型在高频时并不能真实地反映实际的电缆特性，导致校验结果不理想。文献[14]利用“开路、短路、负载校验”方法补偿长测量引线对测量结果的影响。“开路、短路、负载校验”是一种常用的校验方法，该校验方法在进行小型元器件测量时是有效且容易实现的，但是应用于大尺度电气设备的测量时仍存在一些问题。该校验方法依据双端口网络理论，要求测量时双端口网络即测量电缆的参数不能发生变化。但是电力系统中的设备尺寸较大，由于现场接线的限制，在开路、短路、负载阻抗测量时，导线相对位置和导线离地位置不可避免地产生较大变化，所以要求测量引线的电气参数不随引线空间位置的变化而变化。目前尚未见相关研究的文献报道。

针对以上问题，本文提出一种适于现场测量的大尺度电气设备宽频阻抗特性测量方法。该测量方法由电缆屏蔽层的接线方法与“开路、短路、负载校验”组成，消除了引线空间位置对测量回路参数的影响，保证了进行“开路、短路、负载校验”时测量数据的准确性。利用本文提出的测量方法可较好地补偿长引线对测量结果的影响，达到准确测量电气设备宽频阻抗特性的目的。在实验室与现场开展了大量测量工作，验证了本文所提方法的正确性。

1长测量引线校验方法

图1是电缆对测量结果的影响，实线为直接测量获得的电阻真实阻抗曲线，虚线为用15 m同轴电缆的测量结果。可看出在高频时同轴电缆对测量结果的影响明显，其本质原因是电缆高频时的传输线效应。

图1 电缆对测量结果的影响

Fig.1 Cables’ influence on measuring results

阻抗分析仪测量示意图如图2所示，实线代表同轴电缆的芯线，虚线代表同轴电缆的屏蔽层。采用自动平衡电桥的阻抗分析仪一般有四个端子，本文测量的接线方式为将两个H端子短接后作为一个测量端子，两个L端子短接后作为另一个测量端子。这种接线方式更适于较长的测量引线[15]。由两根同轴电缆组成的测量回路可视为一个二端口网络，测量端的电压、电流为U1、I1，被测设备端的电压、电流为U2、I2，被测设备的实际阻抗为Z x。下文中将电缆连接测量设备的一端称为电缆首端，连接被测设备的一端称为电缆末端。

图2 测量示意图

Fig.2 Test schematic

由于测量回路的传输线效应，较长的测量电缆会严重影响测量结果。通过“开路、短路、负载校验”可补偿位于端口1与端口2之间的长测量电缆对测量结果的影响。“开路、短路、负载校验”校验公式为[14,15]

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（1）