CN104698297B - 一种大尺寸同轴电缆绝缘空间电荷测量的修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大尺寸同轴电缆绝缘空间电荷测量的修正方法，具体包括获取激励脉冲场强补偿系数；获取声波密强度补偿系数；测量信号几何因素修正等步骤。本方法适用于大尺寸同轴电缆试样运用脉冲电声法空间电荷测量的信号的处理过程，定量计算上述各几何因素的修正系数，对空间电荷测量信号进行几何因素修正，以消除由于被测电缆试样的同轴柱状结构对空间电荷测量信号带来的影响，从而获得高精度的空间电荷测量结果。
Description
技术领域
本发明涉及一种大尺寸同轴电缆绝缘空间电荷测量的修正方法，尤其涉及一种大尺寸同轴电缆绝缘结构中，空间电荷测量校准以及声波信号径向传播时，因试品几何结构引起的声波强度减弱的修正方法。
背景技术
随着电力***的不断发展，高压直流电缆输电***因其低传输损耗以及便于控制故障电流的优点，不仅在跨海输电工程中，在内陆输电***中也得到越来越多的应用。交联聚乙烯(XLPE)作为高压交流电缆的主要绝缘材料，具备优异的机械、电气性能，得到了广泛的应用。如果作为直流电缆绝缘在直流电压作用下，材料内部会形成空间电荷的积聚和迁移，从而引起绝缘内部场强分布发生畸变，如果局部场强过高将会造成电缆绝缘加速劣化甚至最终击穿失效。因此，对高压直流电缆绝缘内部的空间电荷进行测量对直流电缆绝缘技术的进步和安全运行有着重要的意义。
目前，脉冲电声法(PEA)测量空间电荷因其较低的成本以及良好的灵敏度及空间分辨率成为应用最普遍的空间电荷测量方法，尤其在薄片试样中的测量中获得了令人满意的效果，将其运用在大尺寸同轴电缆试样中的空间电荷测量上也日益受到关注。与薄片试样中较为均匀的激励脉冲电场以及声波强度分布情况不同，在大尺寸同轴电缆试样中，由于电缆的同轴柱状结构造成激励脉冲电场强度非均匀分布以及声波强度在径向传播中随着穿透面积的增大而逐渐减弱，从而使得测量所得的空间电荷信号不仅与绝缘内部的电荷密度相关，还与其在绝缘内部的位置相关，因此要求在测量信号的处理过程中对同轴电缆柱状结构尺寸带来的几何因素影响行补偿处理以保证足够的电荷密度测量精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，是提供一种基于大尺寸同轴电缆结构的空间电荷测量中试品几何形状对测量信号影响的修正方法。
本发明的方法用于大尺寸高压直流电缆试样的脉冲电声法测量空间电荷的信号处理过程中，可以消除电缆试样的几何尺寸因素对空间电荷测量信号带来的影响，获得准确可靠，高精度的测量信号。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案法：
步骤一：获取激励脉冲场强补偿系数：对电缆试样施加脉冲电压vp(t)，由于电缆的同轴柱状结构，使得脉冲电场在电缆绝缘层中并不是均匀分布的，电缆绝缘中任一径向位置r处的脉冲场强ep(t，r)分布可以表示为：
式中a和b分别为电缆绝缘的内径及外径，脉冲场强沿着内径到外径的方向减小，取外径b处场强作为参考，则r处的脉冲场强补偿系数为r/b；
步骤二：获取声波密度补偿系数：电缆试样中，由于其同轴柱状结构的影响，声波信号密度在绝缘层中并不是均匀分布的由内向外传播时，径向位置r处单位面积上的声波p(t，r)强度分布可分别表示为：
式中ω为声波的角频率，A为由边界条件所确定的常数，μ为电缆绝缘材料的密度，声波密度沿着内径到外径的方向减小，则r处的声波信号被探测到时密度补偿系数为
步骤三：测量信号几何因素修正：由于激励脉冲场强以及声波径向传播时密度在电缆绝缘径向上的层不同位置的非均匀分布，激励脉冲电场与电荷相互作用形成的压力波不仅与电荷密度相关，同样而且与其电荷位置相关，对于全尺寸电缆试样而言，测得的r处空间电荷信号应乘以几何因素修正系数为(r/b)1/2来补偿由于空间电荷在绝缘中所处位置带来的测量信号上差异。
本方法适用于大尺寸同轴电缆试样运用脉冲电声法空间电荷测量的信号的处理过程，定量计算上述各几何因素的修正系数，对空间电荷测量信号进行几何因素修正，以消除由于被测电缆试样的同轴柱状结构对空间电荷测量信号带来的影响，从而获得高精度的空间电荷测量结果。
附图说明
图1是同轴柱状结构中激励脉冲场强及声波密度衰减示意图；
图2是几何结构对测量信号影响修正方法的流程框图。
具体实施方式
结合附图对本发明涉所涉及的基于大尺寸同轴电缆绝缘的空间电荷测量中因几何结构对测量信号影响的修正过程进行说明。
如图2所示，测试分为三大步骤；
步骤11，根据同轴电缆几何结构，确定电缆绝缘中r处的激励脉冲场强的补偿系数r/b，获得修正后的激励脉冲场强；
步骤12，根据同轴电缆几何结构，确定电缆绝缘中r处的声波密度的补偿系数获得修正后的声波密度；
步骤13，根据激励脉冲场强及声波密度的补偿系数，确定电缆绝缘中r处的空间电荷信号的修正系数(r/b)1/2，获得对同轴电缆几何结构影响修正后的空间电荷测量信号。
具体分析如下：
1.激励脉冲场强补偿
对电缆试样施加脉冲电压vp(t)，由于电缆的同轴柱状结构，使得脉冲电场在电缆绝缘层中并不是均匀分布的，电缆绝缘中任一径向位置r处的脉冲场强ep(t，r)分布可以表示为：
如图1所示，横坐标表示电缆试样的径向位置，纵坐标表示脉冲场强，a和b分别为电缆绝缘的内径及外径，由场强分布公式可以看出，脉冲场强沿着内径到外径的方向减小，脉冲电声法空间电荷测量的原理是基于检测脉冲场强与空间电荷的作用产生的声波信号，因此在全尺寸电缆试样中，由于脉冲场强的径向分布特点，相同电荷密度在不同径向位置上产生的声波信号强度不同，因此在全尺寸电缆试样中，探测到的声波信号不仅取决于空间电荷密度，还取决于其在电缆绝缘中的位置，因此在空间电荷测量信号的处理过程中需要对其进行补偿，取外径b处脉冲场强作为参考，则r处的脉冲场强补偿系数为r/b；
2.声波强度补偿
由于同轴柱状电缆的结构，声波强度在电缆绝缘的径向方向上非均匀分布，会对最后压电传感器处的输入信号产生影响。如图1所示，假设电缆绝缘中的空间电荷分布仅在其径向上发生变化，则包含了空间电荷信息的声波信号就仅由其径向位置所决定，声波信号在柱坐标系下可表示为
式中为介质中振动的速度势函数，usa为声波的传播速度；该方程的解为
r处单位面积上的压力波p(t，r)为
式中ω为声波的角频率，A为由边界条件所确定的常数，μ为介质密度；
由于声波密强度在电缆绝缘径向上的非均匀分布，脉冲与电荷相互作用形成的压力波不仅与电荷密度相关，同样与其电荷位置相关，r处产生的声波信号p(t，r)沿径向传播至外电极b处进入压电传感器的声波信号衰减为p(t+Δt，b)，有
则r处的产生声波信号在外电极b处被探测到时其声波密度经过了衰减过程，应对检测到的信号乘以补偿系数
3.测量信号几何因素修正
综合前述两种电缆几何尺寸因素的影响，由于脉冲场强以及声波密度在电缆绝缘径向上的非均匀分布，脉冲与电荷相互作用形成的压力波不仅与电荷密度相关，同样与其电荷位置相关，对于全尺寸电缆试样而言，测得的r处空间电荷信号应乘以几何因素修正系数(r/b)1/2来补偿由于空间电荷在绝缘中所处位置带来的测量信号上的误差。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种大尺寸同轴电缆绝缘空间电荷测量的修正方法，其特征在于，所述修正方法包括如下步骤：
步骤一，获取激励脉冲场强补偿系数；对电缆试样施加激励脉冲电压vp(t)，设定电缆绝缘中任一径向位置r处的脉冲场强分布为ep(t，r)，设定r处的脉冲场强补偿系数为r/b；
步骤二，获取声波密强度补偿系数；电缆绝缘中任一径向位置r处单位面积上的声波分布为p(t，r)，设定r处的声波信号被探测到时的补偿系数为
步骤三，测量信号几何因素修正；设定几何因素修正系数为(r/b)1/2，以实际测得的r处空间电荷信号，乘以所述几何因素修正系数为(r/b)1/2，得到最终补偿后的空间电荷测量信号；
由于电缆的同轴柱状结构，使得激励脉冲电场在电缆绝缘层中并不是均匀分布的，所述任一径向位置r处的脉冲场强ep(t，r)分布表示为：
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</mrow>
式中a和b分别为电缆绝缘的内径及外径，脉冲场强沿着内径到外径的方向减小，取外径b处场强作为参考，则r处的脉冲场强补偿系数为r/b；
电缆试样中，由于其同轴柱状结构的影响，声波信号在沿绝缘层径向传播时其强度在绝缘层中并不是均匀分布的，径向位置r处单位面积上的声波p(t，r)分布表示为：
式中ω为声波的角频率，A为由边界条件所确定的常数，μ为电缆绝缘材料的密度，声波密度沿着内径到外径的方向减小，r处的声波信号被探测到时补偿系数为
由于激励脉冲场强以及声波密强度在电缆绝缘径向上的非均匀分布，激励脉冲电场压与空间电荷相互作用形成的压力波不仅与电荷密度相关，同样与其电荷所在位置相关，对于全大尺寸同轴电缆试样而言，测得的r处空间电荷信号乘以几何因素修正系数(r/b)1/2来补偿由于空间电荷在绝缘中所处位置带来的测量信号结果上的误差。
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