CN112526305A - 基于高速光感和压力波技术的电缆接头放电带电检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高速光感和压力波技术的电缆接头放电带电检测方法，属于电缆接头检测技术领域。构建电缆接头中放电‑压力波多物理场耦合模型；使用压力波传感器、电场传感器和温度传感器采集待测电缆接头的压力波信息、电场分布、电场强度信息和温度信息，并传输至信息处理单元；信息处理单元根据放电‑压力波多物理场耦合模型对压力波信息、电场分布、电场强度信息和温度信息进行分析处理；根据分析结果确定聚集电荷区域，即隐患故障点。本发明采用高速光感和压力波技术，实现电缆接头进行精确检测。
Description
技术领域
本发明涉及电缆接头检测技术领域，具体是一种基于高速光感和压力波技术的电缆接头放电带电检测方法。
背景技术
电缆是电网中发生故障几率较大的设备之一，由于受安装工艺、敷设环境、外力破坏、使用工况等因素影响，导致其内部经常出现一些遗留潜伏性隐患，内部隐患往往兼具缓慢发展和突发表征的特点，加之状态可观性先天不足，因此在交接及运行阶段均无法及时发现，缺乏主动处置手段最终导致绝缘缺陷，以至于因绝缘导致隐患扩大与事故发生，其中以电缆中间接头和终端头绝缘故障的比例最高。
电缆接头部位产生绝缘故障产生局部放电时，会引发各种物理现象以及化学现象。例如发生电荷交换导致电场分布的改变，产生电磁波辐射，因内部气体受热膨胀产生的声波，以及绝缘物质分解产生新的物质等。总的来说，在国内外用于检测的手段可大致分为电测法和非电测法两大类。电测法包括脉冲电流法，无线电干扰电压表法，介质损耗分析等。非电测法包括声波测试法、放电光测法和热红外检测法等。
引起电缆故障主要原因是电缆及接头内部缺陷引起绝缘缺陷，电缆绝缘状况与局部放电量密切相关，若局部放电量发生变化，则说明电缆绝缘内部可能存在着缺陷。因此，国内外研究机构主要关注电缆局部放电检测技术，经过多年不懈努力，局部放电检测类产品已经成功应用于电力设备现场检测中。引起电缆局部放电直接原因，就是材料中杂质、气泡等宏观缺陷。虽然在电缆生产过程中材料是无缺陷的连续均匀介质，但是电缆在生产和加工过程中内部的杂质、气泡等宏观缺陷是难以避免，特别是在现场制作电缆接头过程中，由于现场环境、制作工艺不规范等问题，造成电缆接头内部缺陷，传统电缆状态非电气评估方法具有破坏性，所以通常采用电气法对电缆状态进行评价，传统能谱分析，由于存在密度识别盲区，不能发现内部隐患。
公布号为CN 110927542 A的专利文献公开了一种电缆接头局部放电检测装置，包括：超低频电压发生单元、信号采集单元和分析控制单元。超低频电压发生单元包括电源、稳压模块、升压模块和极性转换模块，稳压模块与电源、升压模块和分析控制单元连接，升压模块与稳压模块、极性转换模块和分析控制单元连接，极性转换模块与升压模块和分析控制单元连接。该发明提供的电缆接头局部放电检测装置具有高效、质量轻、体积小和测量精准的特点。进一步地，该电缆接头局部放电检测装置利用该训练后的局部放电模型进行检测，可以使检测更加准确，能将低频检测得出的局部放电结果直接推断到工频条件下的结果。但是，该发明未能解决传统电测法面临微弱信号采集困难的问题，检修精度不够。
公布号为CN 104198902 A的专利文献公开了一种提高110kV电缆接头局部放电超高频检测效果的方法，首先，利用高频结构仿真器HFSS建立了电缆接头的三维仿真模型，分析了在电缆接头内部发生局部放电时，超高频信号通过屏蔽层断开处辐射出来的强度及其分布特点，验证了采用外置式传感器的可行性，得到了信号最强的传感器最佳安放位置。然后，根据微带贴片天线理论，制作了外置式超高频传感器，用于现场检测。最后，利用超高频传感器进行了现场实测分析，验证仿真结果。该发明具有操作方便、检测准确度高、适用范围广泛的优点。但是，该发明无法消除高速感光光源的相对噪声性，也无法根据压力波的特性和需要待检测的区域和待测缺陷的类型来进行检测，未能对电缆接头进行有效检测及分析。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术的不足，提供的一种采用高速光感和压力波技术，实现电缆接头进行精确检测的基于高速光感和压力波技术的电缆接头放电带电检测方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于高速光感和压力波技术的电缆接头放电带电检测方法，包括以下步骤：
S1：构建电缆接头中放电-压力波多物理场耦合模型；
S2：使用压力波传感器、电场传感器和温度传感器采集待测电缆接头的压力波信息、电场分布、电场强度信息和温度信息，并传输至信息处理单元；
S3：信息处理单元根据放电-压力波多物理场耦合模型对压力波信息、电场分布、电场强度信息和温度信息进行分析处理；
S4：根据分析结果确定聚集电荷区域，即隐患故障点。
进一步的，S1中，放电-压力波多物理场耦合模型是电缆接头电磁场、温度场和压力波应力场之间的耦合，通过有限元软件COMSOL二次开发接口及混合编程的方式实现电缆接头的电磁-热-力耦合场数值求解。
进一步的，所述放电-压力波多物理场耦合模型包括电磁场和温度场之间的耦合，以及温度场和压力波应力场之间的耦合；
电磁场和温度场之间的耦合，具体为：通过热传导控制方程求解温度场分布时，需首先已知方程中的热源项，而热源项由电磁场中计算的电磁损耗密度决定，属于源耦合关系类别，电缆接头导体的电磁损耗密度又与金属导体材料的电导率相关，而电导率又是温度的函数，属于属性耦合的范畴，电缆接头的电磁场计算和温度场计算是一个双向耦合过程：
当对导体施加工频电流时，可通过电磁场计算求得矢量磁位
后，进而求得电力电缆导体内部各处的总电流密度和电磁损耗密度分别为：
式中，
为总电流密度；Qv为单位体积电磁损耗；
电缆接头金属导体部分的电导率与温度之间满足以下关系：
式中，σ为当前温度下的电导率；σ20为20℃下的电导率；α为电导率随温度变化的温度系数；T为金属导体当前温度；
温度场和压力波应力场之间的耦合，具体为：
由公式(3)可知，要计算电缆接头模型的应力场分布，首先需要得到电缆接头模型的位移分布以及各个节点处相对参考温度的温度变化量分布，即电缆接头模型的温度场分布情况；而应力变化导致电缆接头结构产生的形变，又会反过来影响电缆接头温度场数值离散求解区域大小，从而影响电缆接头温度场计算结果。因此，电缆接头的温度场和应力场之间也是一个双向耦合的关系。其中，由温度场计算应力场的单向耦合过程的数学描述如下：
将公式(1)计算得到的功率密度作为温度场计算的热源，结合相应的边界条件可得到电缆接头的温度场分布。通过公式(2)可求得电缆接头内部各点的热应变，即：
εTh＝αΔT＝α(T-Tref) (4)
然后将上式代入公式(3)，可求得电缆接头模型内各点的位移分布，最后，通过公式(4)可得到电缆接头模型内各点的应力分布。
进一步的，所述压力波传感器由屏蔽层、半导体压电感应层、激励梳齿和支撑梁组成，在激励梳齿上加载一定的激励电压，从而驱动屏蔽层电极在水平方向来回周期振动，从而在半导体压电感应层上产生与振动成正比的电流，通过测量该电流即可得出被测压力波。
进一步的，在激励电压的作用下，屏蔽层周期性地暴露和遮挡其正下方的压电感应层，使得感应表面的感应压力发生周期性变化，在与之相连的测量电路中产生与外界压力成比例的电流。
进一步的，所述屏蔽层为铜质金属层，所述半导体压电感应层采用半导体纳米管。
进一步的，所述待测电缆接头表面涂上一层阻抗介于空气和绝缘材料之间的介质。
进一步的，所述电场传感器采用测量精度为0.1v/cm的光学电场传感器。
压力波产生原理主要是：由于气隙与固体绝缘介质两相力的不平衡，以及放电过程中产生的热量，气隙膨胀体系的恢复力由气隙中心指向外壁，受到固体绝缘反作用力压迫，此时气隙内的压力为最大，气隙振动完成了一个周期的振动信号，该振动信号以纵向或横向压力波的形式向外界扩散，经过多个周期扩散后，最终使得气隙和固体绝缘达到力的平衡，这种压力波造成气隙变大，对电缆中固体绝缘造成永久性损伤。主要的机制是热膨胀机制，是一种激烈的激发方式，由于电磁辐射物体表面，从而在物体表面产生温度沉积，然后由于胀缩效应产生波，从而产生一个反向冲击力，这种机制是利用电磁的热效应，然后这个沉积的热量与材料相作用。
对于电测法都面临微弱信号采集的困难，尤其是当故障信号混合在设备运行产生的背景噪声以及电磁干扰噪声中时较难以提取。相比其他电气设备的在线检测技术，针对电力电缆局部放电信号提取及其在线检测技术是较为困难的。但根据理论研究表明，电力电缆接头中局部放电信号所包含的频谱较宽，并且最高可在GHz数量级。因此，在信噪比较高的频段提取绝缘故障的信号特征量将能有效地避免背景噪声的干扰。所以研究采集、提取高频甚至是超高频的局部放电信息以实现电力电缆接头绝缘击穿放电在线检测，对本领域技术人员来说不容易想到和实现的。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明基于高速光感和压力波技术的电缆接头放电带电检测方法，建立电缆接头中放电-压力波多物理场耦合模型，对电缆接头接收到的信号为压力波和电场强度信号，利用压力波传感器和电场传感器实现信号的检测，通过检测的压力波和电场信号，从而能够发现聚集电荷区域(隐患故障点)，最后反演得到电缆内部缺陷的信息。本发明不依赖于电信号的非接触带电检测技术能够实现电缆接头缺陷的带电检测，本发明应用于电缆带电运行检修工作中，能够及早发现电缆接头绝缘危害。
另外，本发明采用光学式电场传感器，利用逆压电或电致伸缩等光学效应来改变光敏元件的外形或应力，依靠测量外形和应力等参数，从而推算出电场，实时快速的电荷测量手段；另外，本发明的压力波传感器，采用纳米管，它不仅可以接近100％吸收，而且其良好的导热特性可以迅速传递到材料周围，经过信号采集与分析，就能检测压力波的特性(即相位、幅值、频率)变化，不仅保证激励源的高输出频率，而且使得测量结果能够具有较高的信噪比，减少测试所需的平均次数。
附图说明
图1是本发明实施例中电缆接头的电磁场、温度场和应力场耦合关系图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。
实施例一
一种基于高速光感和压力波技术的电缆接头放电带电检测方法，包括以下步骤：
S1：构建电缆接头中放电-压力波多物理场耦合模型；
S2：使用压力波传感器、电场传感器和温度传感器采集待测电缆接头的压力波信息、电场分布、电场强度信息和温度信息，并传输至信息处理单元；
S3：信息处理单元根据放电-压力波多物理场耦合模型对压力波信息、电场分布、电场强度信息和温度信息进行分析处理；
S4：根据分析结果确定聚集电荷区域，即隐患故障点。
对电缆接头满足的电磁场、温度场和压力波应力场数学模型进行分析，给出三个场之间的耦合作用形式，并得到其瞬态求解计算与实现方法。
所谓的多物理场耦合问题，其实质是多物理场之间的信息传递问题，包括场源耦合、流耦合和属性耦合等。电缆接头的电磁场、热场和压力波应力场之间的耦合作用关系如图1所示。
所述放电-压力波多物理场耦合模型包括电磁场和温度场之间的耦合，以及温度场和压力波应力场之间的耦合；
电磁场和温度场之间的耦合，具体为：通过热传导控制方程求解温度场分布时，需首先已知方程中的热源项，而热源项由电磁场中计算的电磁损耗密度决定，属于源耦合关系类别，电缆接头导体的电磁损耗密度又与金属导体材料的电导率相关，而电导率又是温度的函数，属于属性耦合的范畴，电缆接头的电磁场计算和温度场计算是一个双向耦合过程：
当对导体施加工频电流时，可通过电磁场计算求得矢量磁位
后，进而求得电力电缆导体内部各处的总电流密度和电磁损耗密度分别为：
式中，
为总电流密度；Qv为单位体积电磁损耗；
电缆接头金属导体部分的电导率与温度之间满足以下关系：
式中，σ为当前温度下的电导率；σ20为20℃下的电导率；α为电导率随温度变化的温度系数；T为金属导体当前温度；
温度场和压力波应力场之间的耦合，具体为：
由公式(3)可知，要计算电缆接头模型的应力场分布，首先需要得到电缆接头模型的位移分布以及各个节点处相对参考温度的温度变化量分布，即电缆接头模型的温度场分布情况；而应力变化导致电缆接头结构产生的形变，又会反过来影响电缆接头温度场数值离散求解区域大小，从而影响电缆接头温度场计算结果。因此，电缆接头的温度场和应力场之间也是一个双向耦合的关系。其中，由温度场计算应力场的单向耦合过程的数学描述如下：
将公式(1)计算得到的功率密度作为温度场计算的热源，结合相应的边界条件可得到电缆接头的温度场分布。通过公式(2)可求得电缆接头内部各点的热应变，即：
εTh＝αΔT＝α(T-Tref) (4)
然后将上式代入公式(3)，可求得电缆接头模型内各点的位移分布，最后，通过公式(4)可得到电缆接头模型内各点的应力分布。
耦合场过程的分析方法主要分为顺序耦合求解和直接耦合求解。其中，顺序耦合求解方法是将两个或者多个物理场按一定的顺序依次进行求解，即通过将前一个场计算得到的结果作为载荷施加到另一个场的分析中进行耦合求解，并得到收敛结果，直至最后一个场计算结束；而直接耦合求解方法为使用包含多物理场自由度的耦合单元进行一次求解计算。对于各物理场相互独立、相互作用非线性程度不高的耦合场，顺序耦合求解方法具有灵活、高效的优点；而对于各物理场之间相互作用高度非线性的耦合场问题，直接耦合求解方法更具有优势。
结合电缆接头电磁场、温度场和应力场之间的耦合作用形式，本项目采用有限元软件COMSOL二次开发接口及混合编程的方式实现上述电缆接头的电磁-热-力耦合场数值求解。程序最外层迭代为时间步迭代，其余内层为每个时间步内物理场的收敛迭代。具体求解步骤如下：
①数值计算分析之前，设定电力电缆接头电磁-热-力耦合分析中各个分析子模块控制方程所需的材料特性参数，包括部分具有温变特性的参数，并设定相应的初始条件；
②根据初始温度T(0)，由公式1计算导体和屏蔽层铜材料的电导率σ，结合电缆接头电磁场计算公式1与公式2的边界条件(包括激励源设置)后，便可以计算得到电缆接头的电磁场分布；
③判断相邻两次电磁场计算结果差值是否满足控制精度要求，若不满足，令迭代次数k＝k+1，重新计算电磁场，直至相邻两次迭代计算结果差值满足控制精度要求；
④将由电磁场分析模型中计算得到的损耗密度分布载入公式3描述的温度场分析模型中，并结合施加的温度边界条件计算得到电缆接头的温度场分布；
⑤判断相邻两次迭代计算温度差值是否满足控制精度要求，若不满足，根据计算得到的温度分布情况更新铜材料的电导率值，同时令迭代次数l＝l+1再计算电磁场，重复上述步骤②至④，直至相邻两次迭代计算温度差值满足控制精度要求；
⑥将由温度场计算得到的温度分布结果载入公式4描述的应力场分析模型中，并结合施加的边界条件计算得到电缆接头的应力场分布；
⑦判断相邻两次迭代计算应力差值是否满足控制精度要求，若不满足，令迭代次数m＝m+1，重新计算应力场，直至相邻两次迭代计算应力差值满足控制精度要求；
⑧判断此时计算时间是否达到计算完成时间，若未达到，令时间tn＝tn-1+Δt重复上述②至⑦步骤，开始下一时刻的电磁-热-力耦合场计算，直至计算完时间，计算结束，保存计算结果，并转入后处理，进行计算结果的读取与查看等操作。其中，在前后两个时间步的衔接方面，是通过有限差分法建立递推关系实现的。
实施例二
本发明实施例的基于高速光感和压力波技术的电缆接头放电带电检测方法，与实施例一的不同之处在于：
压力波必须由待检测设备经过空气再到达压力波传感器。由于待检测设备(包含绝缘材料、铜或铝半导体等物质)和空气之间巨大的声阻抗差异，大部分压力波能量在待检测设备表面被反射回去，传到空气中后压力波能量损耗很大，因此需要额外的高灵敏度探测器。通过在待测设备表面涂上一层阻抗介于二者之间的材料以增大能量输出，以弥补检测端信号能量不足而导致强度和分辨率均受到影响。
所述压力波传感器由屏蔽层、半导体压电感应层、激励梳齿和支撑梁组成，在激励梳齿上加载一定的激励电压，从而驱动屏蔽层电极在水平方向来回周期振动，从而在半导体压电感应层上产生与振动成正比的电流，通过测量该电流即可得出被测压力波。
在激励电压的作用下，屏蔽层周期性地暴露和遮挡其正下方的压电感应层，使得感应表面的感应压力发生周期性变化，在与之相连的测量电路中产生与外界压力成比例的电流。
所述屏蔽层为铜质金属层，所述半导体压电感应层采用半导体纳米管。
所述待测电缆接头表面涂上一层阻抗介于空气和绝缘材料之间的介质，空气的阻抗为0.0004，橡胶绝缘材料的阻抗为2.0，因此，选用阻抗为1.5的SAE30机油。
所述电场传感器采用测量精度为0.1v/cm的光学电场传感器。
空间电荷积累增加，当聚集空间电荷量值足够大时，外施电压突然降低或改变方向，聚集电荷可在短时间内快速释放，由于电场强度分布不均或过于集中时，电荷就会长期聚集绝缘薄弱处形成密集电荷区，这种长时间聚集电荷不断侵蚀该处绝缘材料，从而引发局部放电。所以，电缆接头电场分布情况是引起电缆绝缘损伤主要诱因，借助于电场传感器对电场强度进行有效检测，从中取得电缆接头电场分布和电场强度信息，从而能够发现聚集电荷区域(隐患故障点)。
本发明采用光学元件作为激励源的激光诱导压力波法对电力电缆接头空间电荷测量方法的关键性能指标主要包括灵敏度、空间分辨率和测试速度等。灵敏度指输出信号的幅值，与激励幅值、激励宽度及传感器的厚度有关，一般选择幅值较高的激励来获得幅值合适的测试结果。
测试分辨率与激励类型有关，对于压力波法，测量系统的空间分辨率R由被测试样中的声速v和脉冲激励的半峰值时间τ所决定，如式5所示。空间电荷测量手段获得的结果实际上都表征空间分辨率范围以内的净电荷量分布。
式中，fmax为测量系统的带宽。
由于固体试样中的声速和扩散率均有一定的上限，测量系统的分辨率主要由其带宽所决定。要实现纳米尺度空间分辨率的测量目标，就要求测量系统的带宽达到太赫兹级别。通常在一次激励作用下能够获得一个完整的表征电荷分布的测试波形。但由于多数方法测量结果的随机噪声较大，必须采用多次测试取平均的方法来提高测量信号的信噪比，因此，测量系统的测试速度由获得一次测量结果的时间tm以及获得光滑测试波形所需的平均次数Na所决定，如公式6所示。
Tm＝tmNa (6)
式中，Tm为获得一次高信噪比测量结果所需的总时间。
由此，要发展实时快速的电荷测量手段，不仅需要保证激励源的高输出频率，还要求测量结果能够具有较高的信噪比以减少测试所需的平均次数。
针对上述问题，基于高速光感的空间电荷测量方法可提供有效的技术途径。作为激励使用的激光功率较高，测量结果中随机噪声相对很小。当所选设备的灵敏度合适时，测试信号往往具有较高的信噪比，不需要对测量结果进行平均就能得到良好的测试波形，因此，该方法具有提高测试速度的潜力。结合飞秒激光激励与高带宽传感器的使用，可使得测量系统的分辨率达到纳米尺度。
本发明的核心是提高传感器检测精度，为了使捕获尽可能多压力波，采用纳米管，它不仅可以接近100％吸收，而且其良好的导热特性可以迅速传递到材料周围，经过信号采集与分析，就能检测压力波的特性(即相位、幅值、频率)变化。
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，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种基于高速光感和压力波技术的电缆接头放电带电检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：构建电缆接头中放电-压力波多物理场耦合模型；
S2：使用压力波传感器、电场传感器和温度传感器采集待测电缆接头的压力波信息、电场分布、电场强度信息和温度信息，并传输至信息处理单元；
S3：信息处理单元根据放电-压力波多物理场耦合模型对压力波信息、电场分布、电场强度信息和温度信息进行分析处理；
S4：根据分析结果确定聚集电荷区域，即隐患故障点。
2.如权利要求1所述的基于高速光感和压力波技术的电缆接头放电带电检测方法，其特征在于：S1中，放电-压力波多物理场耦合模型是电缆接头电磁场、温度场和压力波应力场之间的耦合，通过有限元软件COMSOL二次开发接口及混合编程的方式实现电缆接头的电磁-热-力耦合场数值求解。
3.如权利要求2所述的基于高速光感和压力波技术的电缆接头放电带电检测方法，其特征在于：所述放电-压力波多物理场耦合模型包括电磁场和温度场之间的耦合，以及温度场和压力波应力场之间的耦合；
电磁场和温度场之间的耦合，具体为：通过热传导控制方程求解温度场分布时，需首先已知方程中的热源项，而热源项由电磁场中计算的电磁损耗密度决定，属于源耦合关系类别，电缆接头导体的电磁损耗密度又与金属导体材料的电导率相关，而电导率又是温度的函数，属于属性耦合的范畴，电缆接头的电磁场计算和温度场计算是一个双向耦合过程：
当对导体施加工频电流时，可通过电磁场计算求得矢量磁位
后，进而求得电力电缆导体内部各处的总电流密度和电磁损耗密度分别为：
式中，
为总电流密度；Qv为单位体积电磁损耗；
电缆接头金属导体部分的电导率与温度之间满足以下关系：
式中，σ为当前温度下的电导率；σ20为20℃下的电导率；α为电导率随温度变化的温度系数；T为金属导体当前温度；
温度场和压力波应力场之间的耦合，具体为：
由公式(3)可知，要计算电缆接头模型的应力场分布，首先需要得到电缆接头模型的位移分布以及各个节点处相对参考温度的温度变化量分布，即电缆接头模型的温度场分布情况；而应力变化导致电缆接头结构产生的形变，又会反过来影响电缆接头温度场数值离散求解区域大小，从而影响电缆接头温度场计算结果。因此，电缆接头的温度场和应力场之间也是一个双向耦合的关系。其中，由温度场计算应力场的单向耦合过程的数学描述如下：
将公式(1)计算得到的功率密度作为温度场计算的热源，结合相应的边界条件可得到电缆接头的温度场分布。通过公式(2)可求得电缆接头内部各点的热应变，即：
εTh＝αΔT＝α(T-Tref) (4)
然后将上式代入公式(3)，可求得电缆接头模型内各点的位移分布，最后，通过公式(4)可得到电缆接头模型内各点的应力分布。
4.如权利要求3所述的基于高速光感和压力波技术的电缆接头放电带电检测方法，其特征在于：所述压力波传感器由屏蔽层、半导体压电感应层、激励梳齿和支撑梁组成，在激励梳齿上加载一定的激励电压，从而驱动屏蔽层电极在水平方向来回周期振动，从而在半导体压电感应层上产生与振动成正比的电流，通过测量该电流即可得出被测压力波。
5.如权利要求4所述的基于高速光感和压力波技术的电缆接头放电带电检测方法，其特征在于：在激励电压的作用下，屏蔽层周期性地暴露和遮挡其正下方的压电感应层，使得感应表面的感应压力发生周期性变化，在与之相连的测量电路中产生与外界压力成比例的电流。
6.如权利要求5所述的基于高速光感和压力波技术的电缆接头放电带电检测方法，其特征在于：所述屏蔽层为铜质金属层，所述半导体压电感应层采用半导体纳米管。
7.如权利要求6所述的基于高速光感和压力波技术的电缆接头放电带电检测方法，其特征在于：所述待测电缆接头表面涂上一层阻抗介于空气和绝缘材料之间的介质。
8.如权利要求1或7所述的基于高速光感和压力波技术的电缆接头放电带电检测方法，其特征在于：所述电场传感器采用测量精度为0.1v/cm的光学电场传感器。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113466291A (zh) * | 2021-06-24 | 2021-10-01 | 华能秦煤瑞金发电有限责任公司 | 一种基于温度场变化检测大体积混凝土裂缝的分析方法 |
| CN114001821A (zh) * | 2021-11-08 | 2022-02-01 | 南开大学 | 基于光热声机制的室温太赫兹波功率测量装置及测量方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102981104A (zh) * | 2012-11-19 | 2013-03-20 | 中国能源建设集团广东省电力设计研究院 | 海底电缆在线监测方法 |
| CN106289390A (zh) * | 2016-07-29 | 2017-01-04 | 江苏亨通高压电缆有限公司 | 一种大长度海底电缆生产监测方法 |
| CN206056806U (zh) * | 2016-08-26 | 2017-03-29 | 国网四川省电力公司电力科学研究院 | 一种基于电缆接头的三维温度场监测装置 |
| CN109239539A (zh) * | 2018-07-23 | 2019-01-18 | 国家电网有限公司 | 一种研究环氧绝缘材料局部放电特性的装置与实验方法 |
| CN109408874A (zh) * | 2018-09-14 | 2019-03-01 | 广东电网有限责任公司 | 高压电缆接头防爆装置的端头部位弯曲弧度仿真方法 |
| CN111062163A (zh) * | 2019-12-13 | 2020-04-24 | 中国海洋石油集团有限公司 | 交流海底电缆多物理场耦合模型的构建及仿真方法和系统 |
-
2020
- 2020-12-30 CN CN202011612861.7A patent/CN112526305A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102981104A (zh) * | 2012-11-19 | 2013-03-20 | 中国能源建设集团广东省电力设计研究院 | 海底电缆在线监测方法 |
| CN106289390A (zh) * | 2016-07-29 | 2017-01-04 | 江苏亨通高压电缆有限公司 | 一种大长度海底电缆生产监测方法 |
| CN206056806U (zh) * | 2016-08-26 | 2017-03-29 | 国网四川省电力公司电力科学研究院 | 一种基于电缆接头的三维温度场监测装置 |
| CN109239539A (zh) * | 2018-07-23 | 2019-01-18 | 国家电网有限公司 | 一种研究环氧绝缘材料局部放电特性的装置与实验方法 |
| CN109408874A (zh) * | 2018-09-14 | 2019-03-01 | 广东电网有限责任公司 | 高压电缆接头防爆装置的端头部位弯曲弧度仿真方法 |
| CN111062163A (zh) * | 2019-12-13 | 2020-04-24 | 中国海洋石油集团有限公司 | 交流海底电缆多物理场耦合模型的构建及仿真方法和系统 |
Non-Patent Citations (8)
| Title |
|---|
| HANWEN REN 等: "Research Challenges on Space Charge Measurement at High Speed under the Condition of High-frequency Voltage", 2018 IEEE 2ND INTERNATIONAL CONFERENCE ON DIELECTRICS (ICD) * |
| 张颖 等: "基于新型太赫兹器件的高分辨率界面空间电荷测试系统", 中国博士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑 * |
| 朱智恩: "压力波法模型电缆空间电荷测试研究", 《绝缘材料》 * |
| 朱智恩: "压力波法模型电缆空间电荷测试研究", 《绝缘材料》, 20 January 2016 (2016-01-20) * |
| 朱智恩等: "压力波法模型电缆空间电荷测试研究", 绝缘材料, vol. 49, no. 1 * |
| 王健;李庆民;任瀚文;李承前;高浩予;刘涛;: "固体电介质空间电荷的光电子学测量方法研究进展", 电工电能新技术, no. 03 * |
| 程鹏: "电缆接头内部缺陷下的电磁—热—力特性及表征方法研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士)工程科技Ⅱ辑》 * |
| 程鹏: "电缆接头内部缺陷下的电磁—热—力特性及表征方法研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士)工程科技Ⅱ辑》, 15 March 2017 (2017-03-15), pages 13 - 19 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113466291A (zh) * | 2021-06-24 | 2021-10-01 | 华能秦煤瑞金发电有限责任公司 | 一种基于温度场变化检测大体积混凝土裂缝的分析方法 |
| CN114001821A (zh) * | 2021-11-08 | 2022-02-01 | 南开大学 | 基于光热声机制的室温太赫兹波功率测量装置及测量方法 |
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