基于脉冲电声法的电缆空间电荷测量技术研究

空间电荷是影响高压直流电缆绝缘性能的关键因素之一。提出一种基于脉冲电声法的电缆空间电荷测量技术,通过优化脉冲激励参数、传感器设计以及信号处理算法,实现了电缆绝缘层中空间电荷分布的高精度、高分辨率测量。实验结果表明,该技术的空间分辨率为9.5μm,电荷密度分辨率为±0.1 C·m^(-3),信噪比为82.5 dB,完全满足电缆空间电荷测量的实际需求。

全尺寸直流电缆脉冲电声法(PEA)空间电荷测量系统设计及声信号衰减与色散补偿

脉冲电声法(PEA)空间电荷测量是交联聚乙烯(XLPE)绝缘直流电缆材料选型与评价的主要技术手段,被广泛应用于直流电缆薄膜试样。但应用该方法测量厚尺寸平板试样和大尺寸同轴试样以研究材料体效应对空间电荷的影响时,声波信号在材料中传播时的衰减与色散将直接影响电荷密度测量的精度和空间分辨率。提出了在空间电荷校准过程中利用理论计算直流电场的方法确定内外电极表面的电容电荷密度,然后计算确定在绝缘介质中传播的脉冲声波信号传递函数(该函数含有衰减和色散系数),再对原始信号进行反卷积分运算以去除系统响应。在频域利用测量信号乘以传递函数获得脉冲声波信号经过衰减、色散恢复后的信号,从而保证大尺寸直流电缆试样测量中电荷密度及空间分辨率的测量精度。同时,设计了全尺寸直流电缆空间电荷测量系统,并在Lab VIEW环境下开发了数据采集与处理系统。

电缆本体空间电荷电声脉冲法测量装置的研制

聚合物电缆绝缘层中空间电荷的存在和积累对电缆的电导特性、老化、击穿等有强烈的影响。因此,研究聚合物电缆中空间电荷的分布和积累有着重要意义。鉴于此,介绍了电声脉冲(PEA)法测量空间电荷的基本原理,研制了一套新型的可用于电缆试样的PEA空间电荷测量装置。采用平板型电极,此装置可以测量不同绝缘厚度和曲率半径的电缆。利用此装置分别对新出厂的电缆和已运行过20a电缆试样进行了测试。研究发现:在试验条件相同的情况下,已运行过多年的XLPE电缆中的空间电荷积聚要明显多于新电缆。

一个实用电声脉冲法的空间电荷测量系统

空间电荷的测量对于电介质材料的研究有重要的意义。本文介绍了与日本学者联合制作的用于平板型试品的电声脉冲法即PEA法空间电荷测量系统。在介绍了系统的原理和硬件结构以及相应的重要参数之后,对于使用该套系统对高密度聚乙烯试品进行的一些试验结果进行了介绍和分析。结果表明,高密度聚乙烯的微观形态影响其空间电荷积聚特性,总的来说,结晶度越小,越有利于空间电荷的积累。试验证明,该套系统可以较好地完成空间电荷分布的测量。

基于脉冲电声法的同轴塑料电缆空间电荷测量技术的研究进展

空间电荷现象严重制约着高压直流塑料电缆的发展。目前,脉冲电声法(pulse electric-acoustic,PEA)是国际上常用的测量固体电介质中空间电荷分布的非破坏性的方法之一。首先从高压脉冲的注入方式出发,简述了几种基于PEA法的同轴塑料电缆空间电荷测量技术;同时,提出了一种基于高压脉冲从测量电极注入电缆试样的改进测量装置,在该装置中通过蓄电池、环氧底座以及光电转换器等将采集数据的示波器进行对地隔离,从而提高了测量系统测量信号的频带宽度;然后,介绍了同轴塑料电缆空间电荷波形的恢复方法;最后,概述了空间电荷测量技术在评估电力电缆老化程度中的应用和未来在线测量空间电荷的可行性及发展方向。

基于电声脉冲法的空间电荷测量装置

为了从微观角度分析绝缘材料老化和击穿的原因,研制了一套基于电声脉冲法(PEA)直接测量聚合物中空间电荷分布的试验装置。分析了电声脉冲法测量空间电荷的原理;设计了一种基于测试系传递函数的陡脉冲(幅值600V,脉宽10ns),以消除由系统硬件引起的过冲;讨论了各种干扰对测量结果的影响,设计了前置宽带高频小信号放大电路(增益34dB,带宽340MHz)和压电传感器。试验表明,该测量装置的分辨率可达到30μm,输出波形能直接反映试样中空间电荷分布,避免了复杂的数学处理,并以此装置实测了变频电机绝缘用聚酰亚胺膜中空间电荷的分布。

基于电声脉冲法的空间电荷直接测量仪的研制

研制了基于电声脉冲法(PEA)直接测量聚合物中空间电荷分布的测试装置。首先分析了普通电声脉冲法测量空间电荷的原理和测试系统传递函数,得到了一种基于测试系统传递函数倒数的陡脉冲输入波形,以消除由系统硬件带宽限制而引起的过冲;根据一种线脉冲发生器原理研制的脉冲发生器能产生脉宽8 ns的陡脉冲。通过对压电传感器引出线的特殊设计,减少了因接触气隙而导致的声脉冲色散。最后通过对测试系统的实验和标定,表明该装置能有效去除过冲,并得到样本中的实际电荷密度值,并以此装置实测了聚酰亚胺膜中空间电荷的分布。

电声脉冲法中脉冲对空间电荷分布测量的影响

首先阐述了目前已广泛应用的电声脉冲法(PEA)测量电介质中空间电荷的原理,介绍了一台新型的PEA空间电荷测量装置(其电脉冲幅值和宽度可调),并利用此装置在相同的测试条件下测量了相同的试样。研究发现:对固定厚度的传感器来讲,空间电荷分布信号随脉冲幅值增加而增加,且其波形随脉冲宽度增加而展宽和增强。最后根据PEA测量空间电荷的原理合理分析了上述的现象。

温度梯度场下电缆本体脉冲电声法空间电荷测量声波纠正

采用脉冲电声(PEA)法测量电力电缆本体空间电荷时会因电缆筒柱形结构和温度梯度场的作用而使PEA声波在电缆本体中的传播声速发生变化,导致空间电荷测量波形幅值的衰减和采样时间的变化。为此,首先研究了温度梯度场下交联聚乙烯(XLPE)电缆本体PEA测试信号的纠正问题。实验研究发现:PEA系统中声波沿XLPE电缆绝缘径向传至压电传感器时,不仅会受到与切片试样中相同的吸收衰减和散射衰减,而且会因电缆的圆柱型结构而导致声波辐射面扩大并发生扩散衰减,扩散衰减与声波所在位置的半径的平方根成反比;温度梯度场下声速沿电缆本体绝缘径向呈线性分布,且温度越高,声速就越低。然后将电缆本体中声波衰减因子离散成1个传递矩阵,针对试样处在常温和温度梯度场下的不同情况,分别在频域下获取了整个电缆本体绝缘中的空间电荷恢复方程;同时为解决不同温差下以时间为横坐标来比较空间电荷的位置分布的困难,采取将时间轴转换为对应的试样厚度方向的距离来进行比较。纠正结果表明该纠正方法是有效的。

应用改进脉冲电声法的空间电荷波形恢复技术

脉冲电声法(pulsed electro-acoustic,PEA)测量信号因压力波的衰减与色散,传感器与外电路的滤波作用而产生畸变。介质内部体电荷产生的相对较弱信号会受到电极–介质界面处面电荷的干扰。现有信号恢复技术由于无法得到可靠的高频区压力波衰减与色散因子,其只能处理低频范围内的PEA信号。采用频率幂函数规律和时间因果理论,得到了适用于较宽频带范围的衰减与色散因子;同时,构造出除去界面面电荷对体电荷信号干扰作用的新反卷积方程,采用结合后验停止规则的迭代正则化ν方法求解该反卷积方程。通过对低密度聚乙烯PEA信号的恢复处理,验证了该文提出的改进方法。

利用电声脉冲方法测量固体介质中空间电荷的原理

新发展的固体介质中空间电荷分布的电声脉冲方法,可以在界面电荷应力波与体空间电荷应力波重叠的情况下,测量试样内的空间电荷分布。并采用宽频带的聚偏氟乙烯压电换能器,代替了窄频带的锆钛酸铅压电换能器,减小了信号电压的测量误差。分析讨论了电声脉冲方法的灵敏度、分辨能力、使用特点等。在强直流电场下,测量了在聚乙烯试样内的空间电荷分布与电场分布,验证了电声脉冲方法原理。实验结果表明,空间电荷在固体介质的预击穿过程中起重要作用。

双层介质的电声脉冲法空间电荷波形恢复

基于双层介质电声脉冲法测试中压力波的形成和传播过程的分析,提出针对双层介质的电声脉冲法空间电荷波形恢复方法。理论分析表明双层介质的电声脉冲法测试中,压力波主要由界面处的介电常数不连续以及介质内的体空间电荷和绝缘界面处的界面空间电荷引起。实际测量中,由于系统的非线性失真,压力波在有损介质中传播的幅值衰减和经过绝缘界面时的透射和反射等因素,使得测试信号发生畸变。文章提出以低电场下加压瞬间的测试结果作为参考波形,获取系统传递函数、衰减系数和标定系数,为双层介质的空间电荷波形恢复提供相应参数。通过对实测波形的处理发现,文中提出的方法不仅能恢复电极界面处的电荷峰,还能很好地恢复绝缘界面及介质体内的电荷分布,为双层介质中空间电荷特性的研究提供了基础。

一种适用于高温条件下的电声脉冲法空间电荷测量系统

温度变化时聚合物材料内部的电荷输运特性或电极/介质界面处电荷注入的特性可能发生改变。因此,研究聚合物绝缘材料在高温下的空间电荷特性十分必要。该文采用新型的、具有高居里点的聚偏氟乙烯–三氟乙烯(polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene,P(VDF-TrFE))薄膜作为压电传感器,分体设计了脉冲耦合电路、信号放大器电路和电极加热单元,建立了适用于室温~110℃的电声脉冲法(pulsed electro-acoustic method,PEA)空间电荷测量系统。从电声脉冲法测量空间电荷的原理出发,分析了对压电传感器输出的电压信号、最终空间电荷密度值的影响因素。计入了温度对试样中的声速和试样相对介电常数的影响,得出了温度影响空间电荷密度的幅值和位置的校正方法。利用该系统测量了纯环氧试样在不同温度下的空间电荷分布特性。

基于电声脉冲法的空间电荷测试技术研究进展

通过分析传统电声脉冲法被直接测试技术取代的原因,介绍了国内外高温下空间电荷电声脉冲法、连续测量电声脉冲法及三维空间电荷电声脉冲法等新测试技术的研究发展情况,并提出了空间电荷测试技术的发展方向。

基于外半导电层注入的全尺寸电缆用脉冲电声法空间电荷测量技术

高压交联聚乙烯电缆是直流输电的关键装备,但直流电场下电缆绝缘中的空间电荷积聚效应导致绝缘内电场严重畸变,直接影响电缆长期运行可靠性,因此对全尺寸长电缆空间电荷特性的实时测量显得尤为重要。基于脉冲电声(PEA)法空间电荷测量技术,根据待测电缆绝缘厚度,合理选择脉冲宽度幅值及压电传感器厚度;采用电缆外半导电层注入脉冲技术实现了高电压、长电缆下空间电荷的测量;同时分析了同轴电缆中的声波传输特点及波形矫正方法。结果表明:半导电层注入脉冲方式是测量高电压、长电缆下空间电荷特性最简单有效的办法,但脉冲沿外半导电层的分压作用会导致脉冲幅值衰减;测量系统的精度和分辨率可通过合理选择脉冲宽度幅值及压电传感器厚度而实现;另外,该系统中采用示波器对地隔离,电脑与示波器间引入数字光纤隔离技术,有效避免了传统模拟光纤对测量波形频带的限制。

基于电声脉冲法的航天器介质材料在不同接地方式下空间电荷的测量

为了研究航天器介质材料在不同接地方式影响下空间电荷的分布情况,运用基于电声脉冲法(PEA)的空间电荷测量装置对辐照过的聚四氟乙烯材料在正面接地、背面接地、双面接地3种不同情况下进行内电荷测量,并从原理上分析了3种接地方式对航天器在复杂空间环境中的影响。结果表明:相同辐照情况下,双面接地时内电场最小,其次是正面接地,对航天器威胁最大的是背面接地,此时厚度为0.35 mm的聚四氟乙烯面板材料的电位达到30 kV,最大电场超过16 MV/m。相关结论可为我国航天器深层充放电防护以及未来研制长寿命的卫星提供重要的参考。

改进电声脉冲法的交流空间电荷测量新方法

提出一种交流电压下的电声脉冲法空间电荷测试新方法。采用电脉冲作为触发源,利用数字示波器的长存储功能同时获取空间电荷信号和高压交流电压信号,从而避免了传统交流空间电荷测试方法的硬件同步。通过调整脉冲发生器的频率可获取不同相位下的高压交流下的空间电荷响应,并通过平均若干个交流周期的空间电荷信号获得足够信噪比的相位相关的空间电荷信号。通过对低密度聚乙烯工频50 Hz下的空间电荷测量结果表明,在交流电场下,下电极附近区域会形成异号电荷;与传统的交流空间电荷测量系统相比,由于测量时间得到很大程度缩短空间电荷信息能够最大限度保存,并且新系统较老系统有更高的相位分辨率,空间电荷衰减图形更能逼真的反映电荷动态变化。

应用电声脉冲法的细胞膜电特性研究

首次将电声脉冲法(PEA)应用于研究脉冲电场下生物细胞的电特性,试样采用一种类似"三文治"的结构,可以看作是一种复合介质.利用PEA装置测量多层复合介质试样的一个关键问题在于声波会在界面处发生透射和反射,给测量带来很大的误差.通过对试样模型和声波传播过程的分析,求解出了界面处的声波传输方程.根据传输方程推导出波形修正公式,并编写了波形恢复程序,取得了较理想的结果.文中波形处理方法同样适用于其他复合介质的测量,对于同类问题分析具有一定的参考价值.

电声脉冲法测量系统的等效传输线模型及声学特性分析

采用电声脉冲法测量绝缘内部空间电荷分布时,应用仿真方法准确评估测量系统的特性有助于电荷结果的精确分析。针对测量过程中声波传播与转化这一电荷信号关键传递过程,结合传输线模型中的电压波传播原理,提出了声波信号的等效有损传输线模型的构建方法。基于电极记录点和传感器位置处的一致模拟结果与分析结果,验证了仿真模型的可靠性。针对实际测量过程中存在的反射杂波信号问题,指出脉冲激励频率过高时反射杂波可能会影响实际测量的有效信号。进一步仿真结果表明,半导电电极与试样声阻抗不匹配会影响上电极界面的声波幅值,而背衬吸声材料与传感器不匹配则会影响获得的测量波形形状。最后针对多层介质的模拟结果发现,测量所选背衬吸声材料的厚度也需远大于多层试样的厚度,以避免反射对有效测量信号的叠加影响。由此,仿真模型可以有效评估实际电声脉冲测量系统的声学特性。

电极声阻抗对电声脉冲法恢复算法与测量结果的影响

采用电声脉冲法测量空间电荷分布时,对畸变的测试波形进行准确恢复至为关键。基于电极与试样界面压力波的等效传输模型,提出上电极与试样声阻抗的不同会影响实际测试得到的电极界面压力波幅值,同时结合电脉冲下不同区域内压力波的传播过程,分析指出声阻抗差异会影响衰减恢复与电荷量转换两个过程。进一步,基于衰减系数与电压-电荷转换系数的推导,提出考虑上电极声阻抗影响的单双层介质界面与空间电荷的改进恢复算法,不同电极材料下测试波形的恢复结果验证了算法具有更高的精确度。与以往算法的对比结果表明,即使采用半导电上电极,在恢复计算中仍需计入其与试样的声阻抗差异。最后由双层介质测试波形的恢复结果表明,改进算法可推广应用于多层介质的空间电荷波形恢复中。