基于電聲脈沖法的高壓直流電纜空間電荷二維成像方法技術

本發明專利技術涉及一種基于電聲脈沖法的高壓直流電纜空間電荷二維成像方法，本發明專利技術基于PEA法，對空間電荷施加一個脈沖電場，空間電荷受脈沖電場力做直線振動，振動產生的聲波為球面分布，球面傳播的聲波強度與聲波傳播的角度有關。脈沖電壓在空間上的分布取決于脈沖電壓的幅值和空間點與原點的距離，脈沖電場強度與該距離成反比。根據空間點的坐標、傳感器坐標、聲波的衰減特性、直線振動產生聲波的方向系數和脈沖電場的分布計算出空間點與傳感器的傳遞函數，根據測量信號和傳遞函數計算出空間電荷的二維分布。本發明專利技術提供的技術方案克服傳統空間電荷測量系統應用中精度低、測量信息不全面、測量費時、效率低等缺點，提高電纜空間電荷測量的準確性。

【技術實現步驟摘要】
基于電聲脈沖法的高壓直流電纜空間電荷二維成像方法
本專利技術涉及一種高壓直流電纜空間的成像方法，具體涉及一種基于電聲脈沖法的高壓直流電纜空間電荷二維成像方法。
技術介紹
由于各種原因，絕緣材料中不可避免的存在交聯副產物、雜質、水樹枝、電樹枝等雜質、缺陷，高壓直流電場的長期作用下，空間電荷的在上述缺陷處局部聚積，導致局部電場發生嚴重畸變，空間電荷是評價高壓直流電纜絕緣材料性能和電纜設計是否成功的一個非常重要指標。傳統的高壓直流電纜空間電荷測量不考慮聲波傳播的方向系數，認為聲波只在其直線振動方向上產生，忽略了不再測量直線上分布的空間電荷對測量結果的影響，如果空間電荷分布密度較大，測量結果將嚴重偏離真實空間電荷分布值，在實際應用中存在很大的誤差，不能對面積上的空間電荷分布進行分析，將測量域限制在一條直線上，不能全面的評價電纜的空間電荷特性。水樹枝、電樹枝等一些具有形狀和尺寸的雜質和缺陷，其形狀、尺寸和分布位置對空間電荷分布影響很大，傳統的空間電荷測量系統很難對上述信息進行測量。空間電荷的二維成像能直觀反映出上述信息。
技術實現思路
為解決上述現有技術中的不足，本專利技術的目的是提供一種基于電聲脈沖法的高壓直流電纜空間電荷二維成像方法，該方法克服傳統空間電荷測量系統應用中精度低、測量信息不全面、測量費時、效率低等缺點。本專利技術的目的是采用下述技術方案實現的：本專利技術提供一種基于電聲脈沖法的高壓直流電纜空間電荷二維成像方法，所述方法采用的裝置包括高壓直流電源、脈沖電源、擠包絕緣電纜、鋁電極、壓電傳感器、聲吸收層和信號放大器；所述高壓直流電源和脈沖電源連接在導體線芯上；所述鋁電極包覆在擠包絕緣電纜外部；所述壓電傳感器貼合在鋁電極外部；所述聲吸收層位于壓電傳感器一側，信號放大器用于放大壓電傳感器輸出的信號；其改進之處在于，所述方法包括下述步驟：(1)以電纜的導體線芯中心為坐標原點，構建圓柱坐標系，導體線芯中心為z軸，垂直有z軸的平面為r、θ平面，z＝0平面為空間電荷成像橫截面；(2)多個壓電傳感器布置在電纜外屏蔽層的外側，壓電傳感器輸出電壓信號，每個壓電傳感器接收到的信號均包含空間電荷在整個成像橫截面上的分布信息；(3)壓電傳感器的數量為2或2以上，當壓電傳感器數目為2時，兩個壓電傳感器不能布置在絕緣橫截面的同一直徑上，壓電傳感器多角度獲得電聲脈沖PEA信號，電聲脈沖PEA信號經過放大器放大；(4)空間電荷在脈沖電場作用下直線振動，振動方向與具有散度的脈沖電場在空間電荷處的方向重合；(5)直線振動產生的聲波信號具有輻射特性，不同的聲波傳播方向上聲波強度不同，根據聲波傳播方向計算聲波在壓電傳感器方向上的方向系數；(6)確定空間點與壓電傳感器之間的傳遞函數和聲波到達壓電傳感器的時延；(7)認為脈沖電壓為一理想的沖擊信號，根據壓電傳感器輸出的測量信號、傳遞函數，反解出空間電荷的二維分布，對空間電荷進行二維成像；(8)對空間電荷分布特性進行全面分析，得到出水樹枝、電樹枝、雜質在絕緣中的位置、大小和形狀。進一步地，所述步驟(5)中，聲波在壓電傳感器方向上的方向系數如下式所示；式中：J1(*)為第一類一階貝塞爾函數；k為波數，即單位長度內聲波周期數；a為聲源半徑；μ為偏離聲源振動的方向角；當振動粒子的位移接近或小于粒子半徑時，粒子振動產生的聲波為球面波，即聲波在壓電傳感器方向上的方向系數D(k，μ)在各個方向上近似相等，D(k，μ)＝1。進一步地，所述步驟(6)中，根據每個壓電傳感器的二維坐標和空間二維坐標的位置關系，結合聲波在絕緣介質中的衰減特性和聲波在絕緣介質中的傳播速度，以及壓電傳感器之間的坐標關系，計算出空間點與壓電傳感器之間的傳遞函數和聲波到達壓電傳感器的時延，即像素點與傳感器的距離l除以聲波在絕緣介質中的聲速c。進一步地，所述步驟(7)中，所述傳遞函數為：記(R0，)處的傳感器接收到的信號為ph(t)，共有H個傳感器，h＝1，…，H；纜絕緣外半徑構成的圓周均分為N等分，半徑均分為M等分，1<m<M，1<n<N，絕緣橫截面分為MN個像素區域，像素點(rm，θn)到傳感器(R0，)的傳輸方程g(rm,θn,)和傳輸時間t(rm,θn,R0,)分別為：式中，rin為電纜絕緣的內半徑，R0為電纜絕緣的外半徑，α(f)、β(f)分別為聲波在介質中的衰減系數和色散系數，ep(t-t(rm,θn,R0,))為像素點(rm，θn)的電場強度，Vp為脈沖電壓的幅值，T為脈沖電壓的脈寬；rm為像素半徑坐標，θn為像素的角度坐標，t為時間，t(rm,θn,R0,)為聲波由(rm，θn)傳播到(R0，)的時間,為像素點(rm，θn)到傳感器(R0，)的距離，c為聲波在介質中的傳播速度；將(R0，)處的傳感器接收到的信號ph(t)構造成為1×MN的離散向量ph(t(m,n))，對應于第h個傳感器，即(R0，)處的傳感器接收到像素點(rm，θn)傳來的聲波信號ph(m，n)為：其中：ρ(rm,θn)表示在像素點(rm，θn)的空間電荷密度；(R0，)處傳感器接收的聲波信號總和為：其向量形式表達為：將(rm，θn)簡化表示為(m，n)，其中：ph(m,n)表示第h個傳感器接收到由像素(m，n)處空間電荷產生的聲波信號；H個傳感器接收到的信號構成一個H×MN維矩陣PH×MN：傳遞函數矩陣GH×MN表示為：空間電荷分布構成一個MN×MN的方陣，只有對角線上有元素：則PH×MN、GH×MN、ρMN×MN的關系為：PH×MN＝GH×MNρMN×MN即：根據上式中測量矩陣PH×MN和傳遞矩陣GH×MN求解出空間電荷矩陣ρMN×MN，進而得到整個絕緣界面的空間電荷分布。進一步地，所述步驟(8)中，空間電荷在整個成像橫截面上的分布信息包括空間電荷的密度、位置和極性，根據空間電荷在絕緣橫截面上的分布情況，對其分布位置和密度進行分析，結合水樹枝、電樹枝產生空間電荷的機理，得到絕緣中水樹枝、電樹枝、缺陷在測量橫截面上的大小、位置和形狀的信息。與最接近的現有技術相比，本專利技術提供的技術方案具有的優異效果是：1、本專利技術可以對電纜橫截面上的空間電荷分布信息進行全方位、無死角測量并成像；2、本專利技術克服傳統空間電荷測量系統應用中精度低、測量信息不全面、測量費時、效率低等缺點，提高電纜空間電荷測量的準確性，采用成像技術將測量結果直觀顯示出來，實現其測量的全面性、多功能性，降低截面上空間電荷成像的時間，具有很大的經濟效益和社會效益。3、本專利技術可以更直觀的獲得空間電荷在橫截面分布信息，得到絕緣中水樹枝、電樹枝、缺陷在測量橫截面上的大小、位置和形狀的信息。附圖說明圖1是本專利技術提供的二維空間電荷成像原理圖；其中：1為電纜導體線芯；2為擠包絕緣電纜；3為壓電傳感器；4為空間電荷；5為坐標原點；6為脈沖電場的方向；7空間電荷在脈沖電場作用下的振動方向；8角度坐標的零刻度線；9為空間電荷的角度坐標；10為傳感器的角度坐標；11為空間電荷的半徑坐標；12為聲阻抗匹配層。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術的具體實施方式作進一步的詳細說明。以下描述和附圖充分地示出本專利技術的具體實施方案，以使本領域的技術人員能夠實踐它們。其他實施方案可以包括結構的、邏輯的、電氣的、過程的以本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于電聲脈沖法的高壓直流電纜空間電荷二維成像方法，所述方法用的裝置包括高壓直流電源、脈沖電源、擠包絕緣電纜、鋁電極、壓電傳感器、聲吸收層和信號放大器；所述高壓直流電源和脈沖電源分別連接在導體線芯上；所述鋁電極設置在擠包絕緣電纜外部；所述壓電傳感器貼合于鋁電極外部；所述聲吸收層位于壓電傳感器一側，信號放大器用于放大壓電傳感器輸出的信號；其特征在于，所述方法包括下述步驟：(1)以電纜的導體線芯中心為坐標原點，構建圓柱坐標系，導體線芯中心為z軸，垂直有z軸的平面為r和θ平面，z＝0平面為空間電荷成像橫截面；(2)在電纜外屏蔽層的外側布置壓電傳感器，壓電傳感器輸出電壓信號，每個壓電傳感器接收到的信號均包含空間電荷在整個成像橫截面上的分布信息；(3)壓電傳感器的數量至少為2，當壓電傳感器數目為2時，兩個壓電傳感器不能布置在絕緣橫截面的同一直徑上，壓電傳感器多角度獲得電聲脈沖PEA信號，電聲脈沖PEA信號經過放大器放大；(4)空間電荷在脈沖電場作用下直線振動，振動方向與具有散度的脈沖電場在空間電荷處的方向重合；(5)直線振動產生的聲波信號具有輻射特性，不同的聲波傳播方向上聲波強度不同，根據聲波傳播方向計算聲波在壓電傳感器方向上的方向系數；(6)確定空間點與壓電傳感器之間的傳遞函數和聲波到達壓電傳感器的時延；(7)設定脈沖電壓為一理想的沖擊信號，根據壓電傳感器輸出的測量信號、傳遞函數，反解出空間電荷的二維分布，對空間電荷進行二維成像；(8)對空間電荷分布特性進行全面分析，得到出水樹枝、電樹枝、雜質在絕緣中的位置、大小和形狀。...

【技術特征摘要】
1.一種基于電聲脈沖法的高壓直流電纜空間電荷二維成像方法，所述方法用的裝置包括高壓直流電源、脈沖電源、擠包絕緣電纜、鋁電極、壓電傳感器、聲吸收層和信號放大器；所述高壓直流電源和脈沖電源分別連接在導體線芯上；所述鋁電極設置在擠包絕緣電纜外部；所述壓電傳感器貼合于鋁電極外部；所述聲吸收層位于壓電傳感器一側，信號放大器用于放大壓電傳感器輸出的信號；其特征在于，所述方法包括下述步驟：(1)以電纜的導體線芯中心為坐標原點，構建圓柱坐標系，導體線芯中心為z軸，垂直有z軸的平面為r和θ平面，z＝0平面為空間電荷成像橫截面；(2)在電纜外屏蔽層的外側布置壓電傳感器，壓電傳感器輸出電壓信號，每個壓電傳感器接收到的信號均包含空間電荷在整個成像橫截面上的分布信息；(3)壓電傳感器的數量至少為2，當壓電傳感器數目為2時，兩個壓電傳感器不能布置在絕緣橫截面的同一直徑上，壓電傳感器多角度獲得電聲脈沖PEA信號，電聲脈沖PEA信號經過放大器放大；(4)空間電荷在脈沖電場作用下直線振動，振動方向與具有散度的脈沖電場在空間電荷處的方向重合；(5)直線振動產生的聲波信號具有輻射特性，不同的聲波傳播方向上聲波強度不同，根據聲波傳播方向計算聲波在壓電傳感器方向上的方向系數；(6)確定空間點與壓電傳感器之間的傳遞函數和聲波到達壓電傳感器的時延；(7)設定脈沖電壓為一理想的沖擊信號，根據壓電傳感器輸出的測量信號、傳遞函數，反解出空間電荷的二維分布，對空間電荷進行二維成像；(8)對空間電荷分布特性進行全面分析，得到出水樹枝、電樹枝、雜質在絕緣中的位置、大小和形狀。2.如權利要求1所述的高壓直流電纜空間電荷二維成像方法，其特征在于，所述步驟(5)中，聲波在壓電傳感器方向上的方向系數如下式所示；式中：J1(*)為第一類一階貝塞爾函數；k為波數，即單位長度內聲波周期數；a為聲源半徑；μ為偏離聲源振動的方向角；當振動粒子的位移接近或小于粒子半徑時，粒子振動產生的聲波為球面波，即聲波在壓電傳感器方向上的方向系數D(k，μ)在各個方向上近似相等，D(k，μ)＝1。3.如權利要求1所述的高壓直流電纜空間電荷二維成像方法，其特征在于，所述步驟(6)中，根據每個壓電傳感器的二維坐標和空間...

【專利技術屬性】
技術研發人員：徐恒山，賀之淵，曹均正，黃永章，于濤，趙志斌，
申請(專利權)人：國網智能電網研究院，國網浙江省電力公司，國家電網公司，華北電力大學，
類型：發明
國別省市：北京,11