电力电缆金属护层交流电阻测定方法
阅读说明：本技术 电力电缆金属护层交流电阻测定方法 (Method for measuring alternating current resistance of power cable metal sheath ) 是由 刘�英 张何燕 张博剑 陈佳美 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电力电缆金属护层交流电阻测定方法,包括如下步骤：步骤1：定制测试夹具；步骤2：处理电缆端头；步骤3：设备预热及校正；步骤4：安装测试夹具,连接测试线路；步骤5：测量并处理数据。本发明测定方法可直接在成盘的电缆成品上使用,无需截取电缆样段；测量设备为恒流源、电流测试设备和电压测试设备,操作过程简单,测试数据准确；本发明设计的测试夹具可用于不同结构形式金属护层的电阻测量,且可根据被测对象进行尺寸调整,适配性高；本发明提出将金属护层与外部铠装层连接,利用铠装层作为电流的回流通路的方法,以抵消电磁干扰对金属护层交流电阻测量的影响,具有良好的可操作性,同时兼具准确性、实用性和灵活性。(The invention discloses a method for measuring alternating current resistance of a power cable metal sheath, which comprises the following steps: step 1: customizing a test fixture; step 2: processing the cable end; and step 3: preheating and correcting equipment; and 4, step 4: mounting a test fixture and connecting a test circuit; and 5: the data is measured and processed. The measuring method can be directly used on coiled cable finished products without cutting out cable sample sections; the measuring equipment is a constant current source, current testing equipment and voltage testing equipment, the operation process is simple, and the test data is accurate; the test fixture designed by the invention can be used for measuring the resistance of the metal protective layers with different structural forms, can be used for carrying out size adjustment according to a measured object, and has high adaptability; the invention provides a method for connecting the metal sheath with the external armor layer and using the armor layer as a current return path so as to offset the influence of electromagnetic interference on the measurement of the alternating current resistance of the metal sheath, and the method has good operability, and simultaneously has accuracy, practicability and flexibility.)
技术领域
本发明涉及电力电缆金属护层参数测量领域，具体涉及一种利用专用测试夹具及小电流输入法测量电力电缆金属护层交流电阻的方法，基于对金属护层两端电压模、电流模及相角的测试，获得成盘电缆金属护层的交流电阻值。
背景技术
随着工业发展和城市化进程的加快，地下电缆逐渐取代架空线，成为我国电力系统的主要输配电线路。与架空输电线路相比，地下电缆具有不影响城市容貌、节约走廊空间及不易受气象环境影响等优点。
金属护层作为电力电缆必要组成结构之一，位于绝缘层及绝缘屏蔽层外，主要作用有：(1)正常情况下流过电力电缆的电容电流，当电缆发生短路故障时通过短路电流；(2)将电缆通电时产生的电磁场屏蔽在绝缘线芯内，以减少对外界产生的电磁干扰；(3)为电缆绝缘线芯提供机械保护及防水屏障。目前常见的电力电缆金属护层结构有：金属丝/带绕包、同轴波纹护套、同轴平滑护套等。常见金属护层的材料一般为铜、铝或者铅。
金属护层的电阻值是电力电缆的一个重要电气参数，在稳态载流量、短路容量及特征阻抗等计算中，均需用到金属护层的电阻值。除此之外，电阻值还能作为金属护层完整性的一个表征参数。比如当金属护层材料被腐蚀或者氧化，或者在长度方向发生断裂时，其电阻值将会明显增大。因此，准确测量金属护层的电阻值，具有重要意义。
金属护层通常为一薄层结构，且采用导电性好的金属制成，所以其电阻值较小，单位长度电阻值通常仅为μΩ/m数量级，要准确地将这么低的电阻值测量出来是非常困难的。特别是当金属护层采用金属丝或金属带螺旋绕包结构时，准确测量更加困难。
对于金属护层直流电阻的测量，可以采用电桥法进行；但对于金属护层交流电阻的测量，特别是生产长度的成盘电缆，目前尚没有专门的测量仪器或可参考的技术方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用专用测试夹具及小电流输入法对电力电缆金属护层交流电阻进行测量的方法，可为电缆金属护层结构设计、电缆传输参数确定及额定载流量设计等提供准确、可靠的金属护层电阻值。该测试方法可直接在成盘的电缆成品上使用，无需截取电缆样段；测量设备为恒流源、电流测试设备和电压测试设备，操作过程简单，测试数据准确；本发明设计的测试夹具可用于不同结构形式金属护层的电阻测量，且可根据被测对象进行尺寸调整，适配性高；本发明提出将金属护层与外部铠装层连接，利用铠装层作为电流的回流通路的方法，以抵消电磁干扰对金属护层交流电阻测量的影响，具有良好的可操作性，同时兼具准确性、实用性和灵活性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种电力电缆金属护层交流电阻测定方法，包括如下步骤：
步骤1：定制测试夹具：
测试夹具的主体部分为金属圆环，由具有预设宽度和厚度的两块不同长度的铜板制成；长铜板两端预留长度保持平直状态，中间部分加工成圆心角为300°，半径为R的圆弧，称为组件一；短铜板右端部加工成U型结构，其余部分加工成半径为R，圆心角为100°的圆弧，称为组件二；将组件一右侧平直部分卡进组件二右侧的U型结构中进行装配，且组件二右侧U型部分及组件一两端平直部分同一水平位置处钻通孔；选用长度不小于2R、外径与穿透孔内径相适配的螺杆穿过组件一和组件二上的通孔，并选用与之适配的螺帽在螺杆两端进行固定，形成测试夹具；
通过调节左侧螺帽的位置，组件二的圆弧段在组件一圆弧内侧滑动，从而使测试夹具的内径发生相应变化；该测试夹具可安装于外半径为0.85R-1.1R的柱状体上；
根据常见电缆结构尺寸预先定制多种不同圆弧尺寸的夹具，进行金属护层交流电阻测试时，根据实际电缆尺寸选用适配测试夹具；
步骤2：处理电缆端头：
将电缆两端金属护层以外的部分剥除，保证电缆的其中一端金属护层和铠装层裸露部分的端头之间的距离不小于50cm，将此端命名为第一端头，另一端金属护层和铠装层裸露部分的端头之间的距离不小于10cm，将此端命名为第二端头；
步骤3：测试设备预热及校正：
选用测试设备，包括：恒流源一台，频率可调，其范围应涵盖待测频率，精度为±0.1mA；电流测试设备，要求测量精度达到±0.01mA，相角测量精度达到±0.05°；电压测试设备，要求测量精度达到±0.01mV，相角测量精度达到±0.05°；
将测试设备启动预热，并完成相应的测量前校正操作；
步骤4：安装测试夹具，连接测试线路：
根据电缆尺寸选用适配测试夹具，在电缆第一端头的金属护层上接近头部位置安装一号测试夹具，接近尾部位置安装二号测试夹具，铠装层上安装三号测试夹具；在第二端头的金属护层上安装四号测试夹具；通过调整左侧螺帽位置，调节一号测试夹具、二号测试夹具、三号测试夹具及四号测试夹具的尺寸并使其紧密贴合在金属护层或铠装层外表面；
短接线为一根铜编织扁线，置于第二端头金属护层与铠装层之间，将短接线两端牢固焊接在第二端头裸露金属护层的头部与铠装层头部；
恒流源的高压端与一号测试夹具连接，恒流源的低压端与电流测试设备的低压端连接，电流测试设备的高压端与三号测试夹具连接；电压测试设备的高压端与二号测试夹具连接，电压测试设备的低压端与四号测试夹具连接；
恒流源的输出电流通过一号测试夹具流入第一端头的金属护层，从第二端头金属护层流出后，经由短接线，从第二端头的铠装层流入，第一端头的铠装层流出，并流回恒流源；
电流测试设备串接在电流回路当中，测量通过金属护层的电流；电压测试设备并联在金属护层两端头上，测量金属护层上的电压；
步骤5：测量并处理数据：
调节恒流源输出电流(推荐值为60-80mA)及频率(例如50Hz)，待示数稳定后，从电流表上读取电流幅值I及相角θA，从电压表上读取电压幅值U及相角θV，通过公式
计算电阻值；重复测量三次，取三次测量的平均值作为该测试频率下金属护层的交流电阻值。
优选的，在圆弧状铜板的内侧间隔预设距离加工半球形突起，增大夹紧力的同时，避免电流非均匀分布带来的误差。
本发明提出了一种利用专用测试夹具及小电流法测量电力电缆金属护层交流电阻的方法，具有以下优点：
1)本发明测定方法可直接对成盘的成品电缆的金属护层交流电阻进行测量，无需截取电缆样段，操作过程简单，测试过程准确，且能够实现对不同结构形式的金属护层的电阻进行测量，具有很强的工程实用性。
2)本发明使用的恒流源在测试过程中为电缆金属护层提供的电流幅值为mA数量级，且测试过程用时较短，避免了因测试电流长时间作用而引起金属护层温度升高从而导致测试电阻值偏大的情况。
3)本发明提出在测试过程中将金属护层和铠装层连接起来，利用外部铠装层作为内部金属护层中电流的回流通路的方法，有效避免了外部电磁场在金属护层上产生感应电压对测量结果的不利影响，减小了测量误差，保证了测量精度。
4)本发明所设计的测试夹具在内侧设计了球面凸起，一方面，可以增大夹具与被测对象之间的夹紧力，有利于实现良好接触；另一方面，通过凸起处将测试电流均匀注入金属护层的圆周面，避免电流非均匀分布带来的误差，有利于实现准确测量。
5)本发明所设计的测试夹具尺寸可调，以实现对不同尺寸电缆的金属护层进行电阻测量，适配性强，适用范围广。
6)本发明同样适用于电力电缆金属护层的直流电阻测量。
附图说明
图1为圆环形夹具结构示意图。通过调整左侧螺帽的位置，短铜板圆弧段可在长铜板圆弧内滑动，从而使夹具的内径发生改变。
图2为测试准备工作中电缆端头处理方式示意图。处理第一端头时保证金属护层和铠装层裸露部分的端头之间的距离不小于50cm，第二端头金属护层和铠装层裸露部分的端头之间的距离可适当减小至5-10cm左右。
图3为测试线路接线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作更详细的说明。
利用本发明所提出的方法测量某电缆厂制造的YJV62-26/35kV-1×120mm2电缆的直流电阻值和工频下交流电阻值，该电缆金属护层外径为36.96mm，铠装层外径为43.08mm，测试电缆长度为85m，实施步骤如下：
步骤1：定制测试夹具：
根据图1所示的圆环形测试夹具示意图，定制测试夹具。夹具的主体部分为一个金属圆环，由两块宽度为10mm，厚度为2mm的铜板制成。长铜板两端预留20mm保持平直状态，中间部分加工成圆心角为300°，半径为R的圆弧，称为组件一。短铜板右端预留40mm，加工成U型结构，其余部分加工成半径为R，圆心角为100°的圆弧，称为组件二。将组件一右侧预设平直部分卡进组件二右侧的U型结构中进行装配，且组件二右侧U型部分及组件一两端平直部分同一水平位置处钻的通孔。选用长度不小于2R、外径与穿透孔内径相同或略小的螺杆穿过组件一和组件二上的通孔，并选用与之适配的螺帽在螺杆两端进行固定。
在圆弧状铜板的内侧每隔10mm间距加工一个直径为2.0mm的半球形突起。
通过调节左侧螺帽的位置，短铜板圆弧段可在长铜板圆弧内侧滑动，从而使测试夹具的内径发生相应变化。该测试夹具可安装于外半径为0.85R-1.1R的柱状体上。
根据常见电缆结构尺寸预先定制多种不同圆弧尺寸的夹具(夹具设计圆弧直径可取为35mm、45mm、60mm、80mm、100mm)，每种尺寸4个。进行金属护层交流电阻测试时，根据实际电缆尺寸选用适配测试夹具即可。
步骤2：处理电缆端头：
按照图2将电缆两端的金属护层外的部分剥除，包括外护层、铠装层、内护套及绕包带等结构。作为实施例，该电缆的结构包括：导体、半导电导体屏蔽层、绝缘层、半导电绝缘屏蔽层、铜带屏蔽层、无纺布绕包层、PVC隔离套、不锈钢带铠装层及PVC外护套。第一端头处理过程：利用工具剥除长度60-70cm的PVC外护套，使铠装层裸露，并剥除50-60cm长的不锈钢带铠装，余下10cm左右长度的裸露不锈钢带铠装；剥除PVC隔离套及无纺布绕包层，使铜带屏蔽层裸露50-60cm。第二端头处理过程：利用工具剥除长度20cm左右的PVC外护套，使铠装层裸露，并剥除10cm左右的不锈钢带铠装，余下10cm左右长度的裸露不锈钢带铠装；剥除PVC隔离套及无纺布绕包层，使铜带屏蔽层裸露10cm左右。
步骤3：设备预热及矫正：
作为实施例，试验设备选用HIOKI 3522-50LCR阻抗分析仪，测量频率范围为：1mHz-100kHz，该设备能提供测试所需电流，同时可直接测量并显示包括电压、电流及电阻值在内的14个电气参数，电流、电压幅值及相角的测试精度均满足要求。该设备内部集成电源，无需额外设备为测试系统提供电流输入，设备只预留电压测试端口(HPOT、LPOT)和电流测试端口(HCUR、LCUR)。连接阻抗分析仪的测试线，并连接阻抗分析仪的电源，开启阻抗分析仪。预热阻抗分析仪15-30分钟。将阻抗分析仪调至开路补偿和短路补偿模式，对阻抗分析仪进行开路补偿和短路补偿，以完成对阻抗测试仪的校正。
步骤4：安装测试夹具，连接测试线路：
一号测试夹具、二号测试夹具、四号测试夹具选用圆弧直径为35mm的夹具，三号测试夹具选用直径为45mm的夹具。如图3所示，在第一端头的金属护层上接近头部位置安装一号测试夹具，接近尾部位置安装二号测试夹具，铠装层上安装三号测试夹具；在第二端头的金属护层上安装四号测试夹具。通过调整左侧螺帽，调节一号测试夹具、二号测试夹具、三号测试夹具、四号测试夹具的尺寸并使其紧密贴合在金属护层或铠装层外表面。
短接线为一根长为10-20cm的铜编织扁线，置于第二端头金属护层与铠装层之间，将短接线两端牢固焊接在第二端头裸露金属护层的头部与铠装层头部。
阻抗分析仪的电流测试高压端(HCUR)通过测试线连接至一号测试夹具，电流测试低压端(LCUR)通过测试线连接至三号测试夹具；电压测试高压端(HPOT)通过测试线连接至二号测试夹具，电压测试低压端(LPOT)通过测试线连接至四号测试夹具。
阻抗分析仪的输出电流通过一号测试夹具流入第一端头的金属护层，从第二端头金属护层流出后，经由短接线，从第二端头的铠装层流入，第一端头的铠装层流出，并流回阻抗分析仪。
电流测试端串接在电流回路当中，测量通过金属护层的电流。电压测试端并联在金属护层两端头上，测量金属护层上的电压。
步骤5：测量并处理数据：
在每次进行电阻测试之前均对阻抗分析仪进行开路补偿和短路补偿以消除测试线及夹具对测试结果的影响。完成测试系统校正之后，将阻抗分析仪调整至恒流源(CC)模式，将输出电流幅值设置为80mA，且在测试过程中保持恒定；将频率值分别设置为“DC”、“50Hz”，示数稳定后读取电阻数值即为直流电阻值和工频下金属护层的交流电阻值。重复测量3次，测试结果如表1所示。
表1
直流电阻理论计算值为127.786mΩ，测量值与理论计算值的相对误差为2.17％。
交直流电阻比为1.025。
本发明选择恒流源、电流测试设备和电压测试设备作为基本测试设备，操作过程简单，测试数据准确，可直接在成盘的电缆成品上使用，无需截取电缆样段，且能够实现对不同结构形式金属护层的电阻测量，同时可根据被测对象进行尺寸调整，增强了工程实用性，节约了测量成本。本发明提出了将金属护层与外部铠装层连接，利用铠装层作为电流的回流通路的方法，以抵消电磁干扰对金属护层交流电阻测量的影响，提高了测量结果准确性。利用本发明测试直流电阻值与理论计算值的相对误差为2％左右，测试结果准确可靠。本发明提出的利用专用测试夹具及小电流输入法测量电力电缆金属护层交流电阻的方法弥补了工程上无明确针对金属护层交流电阻的测试方法及理论计算方法的不足。
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