CN112379184B - 一种基于电声脉冲法测量线-板电极内空间电荷分布的算法 - Google Patents

一种基于电声脉冲法测量线-板电极内空间电荷分布的算法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电声脉冲法测量线‑板电极内空间电荷分布的算法，属于固体材料电气绝缘测试领域。电声脉冲法可测量线‑板电极下介质内的空间电荷分布，但却没有对应的波形恢复及处理算法，本发明提出一种线‑板电极下电声脉冲法测量空间电荷波形恢复及处理算法，包括如下步骤：S1、在直流叠加脉冲电压下测得内置线‑板电极试样的空间电荷参考信号；S2、计算测量系统的传递函数；S3、利用反卷积消除波形畸变过冲；S4、计算线电极与板电极之间的电场分布；S5、求取电压信号与电荷密度之间的量纲校正系数；S6、根据静电感应原理对线电极电荷量进行衰减恢复；S7、采用递增平面计算线板之间的电荷量。在不同的直流电压下对介质进行空间电荷测量，按照上述步骤对测量信号进行处理，最后得到线板之间的真实电荷分布。

Description

一种基于电声脉冲法测量线-板电极内空间电荷分布的算法
技术领域
本发明公开了一种基于电声脉冲法测量线-板电极内空间电荷分布的算法，属于固体材料电气绝缘测试领域。
背景技术
近年来，高压直流输电因其电能损耗小、占地面积少、造价成本低和可快速调节功率等优点在电网建设中得到了广泛应用，高压直流电缆及其附件作为传输电能的重要电力设备在承受长期的电、热和机械应力作用下，其内部介质可能产生气隙、裂痕和杂质等缺陷，为电树枝的引发创造了条件。在实际工况中，直流电缆可能承受冲击电压或者短路故障而导致介质内空间电荷快速迁移，极易引发电树枝，严重威胁电力系统的安全稳定运行。目前研究表明空间电荷的存在会影响电树枝的引发及生长，测量空间电荷的技术手段主要包括激光诱导压力波法、压电压力波法以及电声脉冲法，其中，电声脉冲法因测量系统简单和操作方便等优点获得了广泛应用。其测量原理是在外施直流电压下，介质内部会注入空间电荷，当施加脉冲电场时，内部的电荷会受力而产生一个微小的震动，这一震动以声波的形式传出被压电传感器所接受而转换为电压信号，对电压信号进行数据处理从而得到介质内部的真实电荷分布。
为了更深入地研究空间电荷在电树枝引发和生长阶段的影响，就必须实现二者的同步测量，已有实验证明采用线-板电极结构可引发电树枝，同时可用于电声脉冲法测量介质内空间电荷分布。目前电声脉冲法测量空间电荷主要是平板薄试样和电缆试样，并且有相对应的空间电荷波形恢复处理算法，但是线-板电极下电声脉冲法测量空间电荷波形恢复处理这一部分还属于空白领域，还没有对应的算法来计算获取线板之间的空间电荷分布信息，因此准确计算线板之间的空间电荷分布为电树枝和空间电荷联合测量奠定了基础，对电树枝的引发和生长机理研究具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了获得线-板电极下空间电荷的真实分布，提出一种基于电声脉冲法测量线-板电极内空间电荷分布的算法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:对内置线-板电极的试样施加直流叠加脉冲电压，在较低电场强度下获得参考信号；
S2:计算测量系统的传递函数；
S3:利用反卷积消除波形畸变过冲；
S4:计算线电极与板电极之间的电场分布；
S5:求取电压信号与电荷密度之间的量纲校正系数；
S6:根据静电感应原理对线电极电荷量进行衰减恢复；
S7:由恢复后的线电极处面电荷密度和恢复前的线电极处面电荷密度计算衰减系数，对线板电极之间的电荷量进行恢复。
所述步骤S1中，电极处感应电荷的产生是一个冲激函数。
所述步骤S1中，压电传感器面积很小，只有垂直板电极的声波信号被接收。
所述步骤S2中，将板电极处的电压信号和冲激函数快速傅里叶变换至频域，在频域内用板电极电压信号除以冲激函数，计算得到系统传递函数的频域表达式。
所述步骤S3中，利用高斯函数对频域内的参考信号进行反卷积处理以消除测量系统硬件引起的波形畸变和过冲问题。
所述步骤S4中，采用镜像法和电轴法计算线电极与板电极之间的电势分布，根据
Figure BDA0002761628660000021
求取电场分布，其中E为电场强度，
Figure BDA0002761628660000022
为电势，表达式如下式所示，
Figure BDA0002761628660000023
式中，U0为外施直流电压，b为电轴位置，d为线板电极间距，a为线电极半径，x和y分别为所求点的横纵坐标，各尺寸位置参照附图。
所述步骤S5中，利用参考信号的第一个波峰和板电极面电荷密度计算测量系统的量纲校正系数，如式(2)所示，
Figure BDA0002761628660000031
式中，K为量纲校正系数，σplate为板电极面电荷密度，Uplate为参考信号的第一个波峰，ε为介质的介电常数，Eplate为板电极处电场强度。
所述步骤S6中，根据静电感应原理推算出线电极电荷量进行衰减恢复，计算表达式如下式所示，
Figure BDA0002761628660000032
式中，σline为线电极面电荷密度，Splate为介质底面积，Sline为线电极表面积。
所述步骤S7中，用恢复后的线电极处面电荷密度和参考信号第二个波峰的面电荷密度计算衰减系数，如式(4)所示，
Figure BDA0002761628660000033
式中，α为衰减系数，d为线板间距，σorigin为参考信号第二个波峰的面电荷密度。
所述步骤7中，按照电荷注入深入的不同，采用递增平面计算线板电极之间电荷分布。
附图说明
图1为线-板电极空间电荷波形恢复处理流程图；
图2为镜像法和电轴法计算电场分布示意图；
图3为线-板电极结构示意图。
附图标记说明
1-线电极；2-介质试样；3-模拟平面。
具体实施方式
本发明并不限于以下描述的实施方式，本领域研究人员基于本发明所做的非创新性劳动成果均属于本发明的保护范围。下面结合附图对本发明作进一步的描述：
图1所示为线-板电极空间电荷波形恢复处理流程图。包括步骤：
S1:对内置线-板电极的试样施加直流叠加脉冲电压，在较低电场强度下获得参考信号；
S2:计算测量系统的传递函数；
S3:利用反卷积消除波形畸变过冲；
S4:计算线电极与板电极之间的电场分布；
S5:求取电压信号与电荷密度之间的量纲校正系数；
S6:根据静电感应原理对线电极电荷量进行衰减恢复；
S7:由恢复后的线电极处面电荷密度和恢复前的线电极处面电荷密度计算衰减系数，对线板电极之间的电荷量进行恢复。
各流程具体内容如下：
1)对内置线-板电极的试样施加直流叠加脉冲电压，线电极接高压，板电极接地，在电场强度不超过6kV/mm的电场强度下测量得到参考信号。根据静电感应原理，在电极处会迅速感应出等量异极性的电荷，感应电荷产生的这一过程可认为是冲激函数。由于板电极下部接受声波信号的压电传感器面积较小，可认为只有垂直板电极的声波信号被接收。
2)将参考信号中板电极处的电压信号和冲激函数快速傅里叶变换至频域，在频域内用板电极电压信号除以冲激函数，计算得到系统传递函数的频域表达式。
3)利用高斯函数对频域内的参考信号进行反卷积处理以消除测量系统硬件引起的波形畸变和过冲问题。
4)采用镜像法和电轴法计算线板电极之间的电场分布，各尺寸位置如图2所示，根据
Figure BDA0002761628660000041
求取电场分布，其中E为电场强度，
Figure BDA0002761628660000042
为电势，表达式如下式所示，
Figure BDA0002761628660000043
式中，U0为外施直流电压，b为电轴位置，d为线板电极间距，a为线电极半径，x和y分别为所求点的横纵坐标。
5)根据静电场泊松方程计算电荷密度，而后利用参考信号的第一个波峰和板电极面电荷密度计算测量系统的量纲校正系数，如式(2)所示，
Figure BDA0002761628660000051
式中，K为量纲校正系数，σplate为板电极面电荷密度，Uplate为参考信号的第一个波峰，ε为介质的介电常数，Eplate为板电极处电场强度。
6)根据静电感应原理可得线电极和板电极处感应的电荷量相等，计算出线电极处真实的电荷量，以此来对参考信号的第二个波峰进行衰减恢复，计算表达式如下式所示，
Figure BDA0002761628660000052
式中，σline为线电极面电荷密度，Splate为介质底面积，Sline为线电极表面积。
7)用恢复后的线电极处面电荷密度和参考信号第二个波峰的面电荷密度计算衰减系数，如式(4)所示，
Figure BDA0002761628660000053
式中，α为衰减系数，d为线板间距，σorigin为参考信号第二个波峰的面电荷密度。
进一步的，按照电荷注入深入的不同，采用递增平面模拟注入空间电荷层，计算线板电极之间电荷分布，如图3所示，其中l为试样宽度，t为试样厚度，d为线板间距，计算表达式如下，
Figure BDA0002761628660000054
式中，i为示波器采样点序数，Qi为线电极垂直板电极第i处电荷量，d为线板电极间距，N为模拟平面层数，Z为结构参数。
本发明提出一种基于电声脉冲法测量线-板电极内空间电荷分布的算法，可解决线-板电极下空间电荷恢复计算的难题，在空间电荷的表征上采用电荷量来进行表征，对于线电极与板电极中间的部分采用一个递增的平面来计算电荷量，最终在板电极和线电极处可获得幅值相同极性相反的波形图，试样内部的波形则反映出试样内部空间电荷量的大小，该算法为线-板电极下电树枝和空间电荷的联合测量奠定了基础，对后续的电树枝引发和生长机理研究具有重要意义。

Claims (1)

1.一种基于电声脉冲法测量线-板电极内空间电荷分布的算法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：对内置线-板电极的试样施加直流叠加脉冲电压，在较低电场强度下获得参考信号；
S2：计算测量系统的传递函数；
S3：利用反卷积消除波形畸变过冲；
S4：计算线电极与板电极之间的电场分布；
S5：求取电压信号与电荷密度之间的量纲校正系数；
S6：根据静电感应原理对线电极电荷量进行衰减恢复；
S7：由恢复后的线电极处面电荷密度和恢复前的线电极处面电荷密度计算衰减系数，对线板电极之间的电荷量进行恢复；
所述线电极与板电极之间的电场分布采用镜像法和电轴法进行计算，根据
Figure FDA0003797555420000011
求取电场分布，其中E为电场强度，
Figure FDA0003797555420000012
为电势，表达式如下式所示，
Figure FDA0003797555420000013
其中：U0为外施直流电压，
b为电轴位置，
d为线板电极间距，
a为线电极半径，
x、y分别为所求点的横纵坐标；
按照电荷注入深入的不同，采用递增平面模拟注入空间电荷层，计算线板电极之间电荷分布，l为试样宽度，t为试样厚度，d为线板间距，计算表达式如下，
Figure FDA0003797555420000021
式中，i为示波器采样点序数，Qi为线电极垂直板电极第i处电荷量，d为线板电极间距，N为模拟平面层数，Z为结构参数；
所述量纲校正系数利用参考信号的第一个波峰和板电极面电荷密度进行计算，如式(2)所示，
Figure FDA0003797555420000022
其中：K为量纲校正系数，
σplate为板电极面电荷密度，
Uplate为参考信号的第一个波峰，
ε为介质的介电常数，
Eplate为板电极处电场强度；
所述线电极电荷量的衰减恢复根据静电感应原理推算出，计算表达式如下式所示，
Figure FDA0003797555420000023
其中：σline为线电极面电荷密度，
Splate为介质底面积，
Sline为线电极表面积；
所述衰减系数用恢复后的线电极处面电荷密度和参考信号第二个波峰的面电荷密度进行计算，如式(4)所示，
Figure FDA0003797555420000024
其中：α为衰减系数，
d为线板间距，
σorigin为参考信号第二个波峰的面电荷密度。
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