CN103605008A - 基于电声脉冲法的高压电缆空间电荷测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电声脉冲法的高压电缆空间电荷测量系统及方法，高压脉冲源与高压电容串联后接试样两端的测量电极，高压电源通过限流电阻也接试样上下两端的测量电极，压电传感器紧贴在下测量电极，压电传感器采集应力波信号经过处理后送计算机构成的测量系统，高压电源可以是直流高压电源，亦可以是交流高压电源，交流高压电源接相位检测单元，相位检测电路输出同步控制信号到高压脉冲源的脉冲发生单元。高压电源通过电极在电力电缆的绝缘层中形成空间电荷，再通过高压脉冲源使电力电缆绝缘中电荷产生扰动，形成动态应力波，测量系统采集压力传感器信号，分析出电力电缆空间电荷分布情况。本发明实现了交直流状态下的电力电缆绝缘层中空间电荷分布测量。

Description

基于电声脉冲法的高压电缆空间电荷测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种空间电荷分布测量装置，特别涉及一种基于电声脉冲法的高压电缆空间电荷测量系统及方法。

背景技术

聚合物材料在高温、高场的作用下，其聚合物的分子链结构会发生断裂等现象，这些化学结构的变化会导致聚合物内部缺陷的形成。在电场的作用下，载流子沿电场方向进行运动，当这些载流子遇到所形成的缺陷，会被其进行捕获，形成了相应的空间电荷。这些空间电荷所形成的库伦场和外施电场叠加将改变原有电场的分布，从而造成聚合物体内电场的严重畸变，从而引发电树发展，导致绝缘的破坏。因此，电力电缆绝缘层中的空间电荷分布直接影响了电力电缆绝缘运行的安全，而建立相应的适用于电力电缆的空间电荷测试系统对于确保电力电缆的安全具有重要意义。

发明内容

本发明是针对电力电缆绝缘层中的空间电荷分布直接影响了电力电缆绝缘运行的安全的问题，提出了一种基于电声脉冲法的高压电缆空间电荷测量系统及方法，在电声脉冲法的原理基础上，为更好的测得电缆绝缘层中的空间电荷分布，本发明系统带有相位检测功能，可实现交直流状态下的电力电缆绝缘层中空间电荷分布测量，特别是交流状态下，通过相位检测及频率调节可实现不同相位下的空间电荷分布，实现对交流状态下电缆绝缘中空间电荷真实运动状态和分布状态的测量。

本发明的技术方案为：一种基于电声脉冲法的高压电缆空间电荷测量系统，高压脉冲源与高压电容串联后接试样两端的测量电极，高压电源通过限流电阻也接试样上下两端的测量电极，压电传感器紧贴在下测量电极，压电传感器采集应力波信号经过处理后送计算机构成的测量系统，高压电源可以是直流高压电源，亦可以是交流高压电源，交流高压电源接相位检测单元，相位检测电路输出同步控制信号到高压脉冲源的脉冲发生单元。

一种基于电声脉冲法的高压电缆空间电荷测量方法，具体包括如下步骤：

1）选取需待测量的高压电缆，长度1.5m，选取测量铝电极，铝电极的厚度为d _AL ，

，d _sa 为高压电缆的厚度，V _Al 为铝电极中的声波传播速度，V _sa 为高压电缆中的声波传播速度，测量电极下方是屏蔽盒，里面装有压电传感器及放大器，压电传感器中的压电薄膜紧贴测量电极下方，压电薄膜下采用有机玻璃声波吸收层对其进行压力波的反射信号吸收；

2）高压交流或直流电源通过测量电极给待测量的高压电缆外表面加电，在电力电缆的绝缘层中形成空间电荷；

3）高压脉冲源工作：将输入的交流电压进行整流，然后经BUCK-BOOST电路进行升压，并通过控制输出取样电路对输出电压进行控制，接着进入逆变电路输出相应的低压脉冲，将低压脉冲输入到升压电路进行升压后加到测量电极上；如步骤2）选用高压交流电源，则还需通过相位检测电路对高压交流电源电压相位检测，并将检测的结果输入到程控电路，程控电路根据要求控制脉冲发生的相位和频率，将低压脉冲输入到升压电路进行升压，利用整流电路将脉冲整流成正脉冲加到测量电极上；

4）压电传感器采集测量电极上应力波，压电传感器将应力波转成电压信号送出，电压信号经过放大后进入由计算机构成的测量系统，测量系统对测量的动态应力波进行分析，在根据应力波的大小与所处的电荷量成线性关系，实现了对空间电荷分布的测量。

本发明的有益效果在于：本发明基于电声脉冲法的高压电缆空间电荷测量系统及方法，实现了交直流状态下的电力电缆绝缘层中空间电荷分布测量，为判断电力电缆绝缘提供了可靠的数据基础。

附图说明

图1为电声脉冲法空间电荷测量原理图；

图2为本发明直流状态下空间电荷测试系统框架图；

图3为本发明交流状态下空间电荷测试系统框架图；

图4为本发明高压脉冲源的原理框图；

图5为本发明相位检测电路原理图；

图6为本发明相位检测时序分析图；

图7为本发明相位叠加的波形图；

图8为本发明工频高压交流电源原理框图；

图9为本发明直流高压电源的原理图。

具体实施方式

一、     电声脉冲法（PEA）的测量原理：

在试验的电极上施加脉宽很窄的高压电脉冲，试样中的空间电荷在脉冲的作用下产生相应的压力波脉冲，压力波脉冲的压力剖面和试样中空间电荷的体密度分布相关，由压力传感器测量压力波脉冲，就可以得到相应的试样中空间电荷分布情况。如图1所示电声脉冲法空间电荷测量原理图。其工作原理：高压脉冲源1与高压电容C串联后接试样4两端的上下铝电极2-1和2-2，同时直流高压电源8通过限流电阻R也接试样4上下两端的上下铝电极2-1和2-2，压电传感器7紧贴在下铝电极2-2下表面。采用电声脉冲法测量试样内部空间电荷分布时通常会对试样施加一定的直流电压，同时也达到了研究一定电场强度下介质空间电荷积聚特性的目的。直流高压电源8电压一般在数十千伏，主要与研究的电场强度及试样4厚度d有关。为了消除由于电极与试样4之间的接触不良造成对测量的影响，采用半导体层3置于上电极2-1与试样4之间，确保其可靠接触。高压脉冲源1电压幅值一般在数千伏，通过高压电容C 耦合到被测试样4两端。为了随着技术的进步，高压脉冲源1的脉冲宽度（半峰宽）已经可以达到10ns 以下。当高压脉冲作用在被测试样4内部空间电荷及试样与电极界面上的电荷时，会在相应的部位产生应力脉冲波，这些应力波传播通过被测试样4后由压电传感器7接收并变送为电压信号5。此电压信号5经过放大后即可用来分析介质内部空间电荷特性。为了消除压力波的反射信号造成对测量信号的干扰，在压电传感器7下采用有机玻璃声波吸收层6对其进行吸收。

假设试样为均匀介质，其内部空间电荷分布为

，

为未叠加外施高压脉冲时试样内部的电场强度，它由两部分电场强度贡献，即外施直流电场强度

与空间电荷产生的电场强度

。设试样4与下铝电极2-2界面上的面电荷密度为

，试样4下表面的电场强度为

；试样与上铝电极2-1界面上的面电荷密度为

，试样4上表面电场强度为

，根据高斯通量定理，有

式中

为真空介电常数，为相对介电常数。

为外施高压脉冲产生的脉冲电场强度，脉宽为

的理想脉冲产生的电场强度可以表示为：

式中：e _p 为高压脉冲所形成的电场强度；U _p 为高压脉冲的幅值；d为试样的厚度；△T为脉冲的宽度。

由于上下铝电极与试样4的界面上和介质中的电荷在脉冲电场的作用下都会形成相应的应力波，故压电传感器7收到的应力波为上述三项之和：

其中P(t)为总的压力波，P ₀(t)为上电极2-1电荷形成的压力波；P ₁(t)为下电极2-2电荷形成的压力波；P ₂(t)为试样中空间电荷形成的压力波，通过压电传感器7可得：

式中：V _s 为压电传感器形成的电压信号，q(t)为压电传感器7的压电薄膜形成的电荷，C _s 为压电传感器的等值电容，d _ss 为压电传感器7的压电薄膜厚度方向的压电应变常数，代表了在压电薄膜厚度方向上施加1Pa 压强单位面积产生的电荷；g _ss 为压电薄膜厚度方向的压电应力常数，代表了在压电薄膜厚度方向上施加1Pa 压强所产生的电场强度；d _s 为压电薄膜的厚度，ε ₀ 为真空介电常数，ε _r 为相对介电常数，由此，实现了对动态应力波的测量，由于应力波的大小与所处的电荷量成线性关系，故实现了对空间电荷分布的测量。得到P(t),再根据介质中的电荷分布

，上下铝电极与试样4的界面上电荷密度

、

，可得空间电荷分布情况。

二、带有相位检测的交直流状态下电缆绝缘空间电荷测试系统：

根据上述的PEA空间电荷测量原理，对于直流状态下空间电荷测量系统与原理框图的结构相同，其结构原理如图2所示直流状态下空间电荷测试系统框架图，通过改变脉冲的频率和幅值获得稳定的空间电荷分布信号。然而由于交流状态下测量和直流状态下测量不同，其所施加的电压是按正弦规律变化，这会导致不同电压下空间电荷分布不同，为了达到可比性（即相同电压作用下的空间电荷分布），这就要求在相同电压下进行测量。由此可见，整个系统需要一个相位检测单元，利用相位检测单元控制脉冲发生单元，从而实现在相同电压下的测量，如图3所示交流状态下空间电荷测试系统框架图。整个测量系统由电极系统、控制系统、测量系统、脉冲电源和高压电源组成，其系统的工作过程为：首先利用高压电源（高压直流电源8或高压交流电源9），在电力电缆的绝缘层中形成空间电荷，然后利用控制系统通过检测高压电源的相位，确定出脉冲输入的相位值（对于直流高压则无需该控制系统，只要控制脉冲的频率即可），然后利用PVDF传感器7对空间电荷进行测量，将测量信号输入到由计算机构成的测量系统，实现对电力电缆绝缘层中的空间电荷测量。下面对适用于电缆绝缘空间电荷测试系统各部分进行说明。

1、测量电极：

在测量过程中，为了防止高压的沿面放电，选取的电缆长度大概为1.5m，这远远地大于电缆的直径，此时绝缘体中的空间电荷分布可以看成一维的径向分布。为了消除在测量过程对地杂散电容对测量的影响，使电极和电缆本体绝缘紧密相连，本系统的电极采用带弧度的电极，这种电极结构装置可以测量不同绝缘厚度的聚合物电缆中的空间电荷分布，测量电极厚约100mm (这主要用于克服反射波对测量的影响),其计算的公式为：

式中d _AL 为铝电极的最小厚度，d _sa 为试样的绝缘厚度，V _Al 为铝电极中的声波传播速度，V _sa 为试样中的声波传播速度。在测量电极下方是屏蔽盒，里面装有压电传感器及放大器。此压电传感器采用厚度为0.5mm的国产PVDF压电薄膜。直流高压电源参数为：最高输出电压为200kV，输出可调；高压脉冲电源的参数为：幅值为30kV，电压可调，输出脉宽为0.5us，1us，2us可调，重复频率50Hz～200Hz可调。放大器参数为：带宽0～100MHz，增益40dB。

2、带有相位检测的高压脉冲源：

对于高压脉冲源，本论文采用高压脉冲变压器的方式来实现，如图4所示高压脉冲源的原理框图。高压脉冲源由整流电路、逆变电路、升压变压器、控制电路和相位检测电路组成。工作过程如下：首先将输入的交流电压进行整流，然后利用BUCK-BOOST电路进行升压，并通过控制输出取样电路（这里的取样电路是整个高压脉冲源的控制端）对输出电压进行控制，接着进入逆变电路，利用相位检测电路通过对高压交流电源的输出波形的相位检测，并将检测的结果输入到程控电路，程控电路根据要求控制脉冲发生的相位和频率，将低压脉冲输入到升压电路进行升压，最后利用整流电路将脉冲整流成正脉冲。

为了使该高压脉冲源能够使用于交流高压下的空间电荷测量，这就需要对高压脉冲的形成时间进行控制，使高压脉冲能够叠加于交流高压的不同相位。整个控制电路包含了相位控制电路、驱动电路等，下面对于相位检测电路进行分析。本发明的相位检测电路采用电压比较器和采集系统来实现，其电路和时序如图5和图6所示，ΔΦ为被测信号和标准信号之间的相位差。

Ui1为标准交流波形，Ui2为被测波形，整个电路的工作程为：首先将标准交流波形和被测交流波形（高压交流电源的波形）输入电压比较电路，分别形成周期性的方波曲线，然后将该波形输入到单片机计时器，以上升沿方式启动，计算出被测波形和标准波形启动计时之间时间差，将该时间与角频率相乘，即为两个信号之间的相位差。在此基础上，根据输入的脉冲叠加相位值，利用计算得到的两个信号之间的相位差，对输入相位进行处理，计算出发送脉冲的时间，控制高压开关导通，从而使高压脉冲叠加在交流高压相应的相位上。通过对上述系统的开发，实现对交流高压不同相位处的高压脉冲叠加，其测试的结果如图7所示相位叠加的波形图。

3、高压直流、交流电源

1）高压交流电源：对于高压工频交流采用高压升压变压器，实现高压交流的输出，如图8所示工频高压交流电源原理框图，图中：11为高压启动开关；12为调压器，调节输出高压交流的幅值；13为电压表，用于粗略的测量交流输出；14为升压变压器，实现交流高压的输出；15为限流电阻，保护短路状态下高压变压器；16为试样；17、18为电容分压器实现对输出交流高压的测量。整个系统的工作原理为：首先合上高压开关，通过调节调压器，实现对高压试验变压器输出电压的控制，使试样上得到合适的试验电压。

2）高压直流电源

由高压直流电源的电路可知，系统的纹波系数与交流电压的频率成反比，即频率越高，纹波系数越小。此外，通过提高交流电压的频率，对于升压变压器来讲，在相同输入、输出电压的条件下所需线圈匝数越少，这大大降低了整个系统的重量和体积。由此可见，通过提高系统交流电压的频率，在相同条件下不仅可以降低系统输出电压的纹波系数，而且还可以使系统的体积和重量大大降低。因此，本系统中的直流高压电源亦采用该方法，即首先将工频交流电压调制成高频交流电压，然后整流成直流电压，如图9所示直流高压电源的原理图。

由上述的原理图可知，整个直流高压电源由整流电路、逆变电路、升压变压器和倍压整流电路四部分组成。整个电路的工作过程：首先利用全桥整流电路将50Hz的交流电压整流成直流电压，接着利用由IGBT组成的全桥逆变电路将直流电压逆变成20kHz的交流方波电压，然后进入升压变压器，将低压的交流电压变为高压交流电压，最后通过倍压电路将交流电压整流成直流电压输出。

Claims (2)

1.一种基于电声脉冲法的高压电缆空间电荷测量系统，高压脉冲源与高压电容串联后接试样两端的测量电极，高压电源通过限流电阻也接试样上下两端的测量电极，压电传感器紧贴在下测量电极，压电传感器采集应力波信号经过处理后送计算机构成的测量系统，其特征在于，高压电源可以是直流高压电源，亦可以是交流高压电源，交流高压电源接相位检测单元，相位检测电路输出同步控制信号到高压脉冲源的脉冲发生单元。

2.一种基于电声脉冲法的高压电缆空间电荷测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）选取需待测量的高压电缆，长度1.5m，选取测量铝电极，铝电极的最小厚度为d _AL ，                                               

，d _sa 为高压电缆的绝缘厚度，V _Al 为铝电极中的声波传播速度，V _sa 为高压电缆中的声波传播速度，测量电极下方是屏蔽盒，里面装有压电传感器及放大器，压电传感器中的压电薄膜紧贴测量电极下方，压电薄膜下采用有机玻璃声波吸收层对其进行压力波的反射信号吸收；

2）高压交流或直流电源通过测量电极给待测量的高压电缆外表面加电，在电力电缆的绝缘层中形成空间电荷；

3）高压脉冲源工作：将输入的交流电压进行整流，然后经BUCK-BOOST电路进行升压，并通过控制输出取样电路对输出电压进行控制，接着进入逆变电路输出相应的低压脉冲，将低压脉冲输入到升压电路进行升压后加到测量电极上；如步骤2）选用高压交流电源，则还需通过相位检测电路对高压交流电源电压相位检测，并将检测的结果输入到程控电路，程控电路根据要求控制脉冲发生的相位和频率，将低压脉冲输入到升压电路进行升压，利用整流电路将脉冲整流成正脉冲加到测量电极上；

4）压电传感器采集测量电极上应力波，压电传感器将应力波转成电压信号送出，电压信号经过放大后进入由计算机构成的测量系统，测量系统对测量的动态应力波进行分析，在根据应力波的大小与所处的电荷量成线性关系，实现了对空间电荷分布的测量。

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