一种基于电声脉冲法恢复空间电荷分布的改进方法技术

本发明专利技术公开了属于电力系统中绝缘材料电气性能的监测领域的一种基于电声脉冲法恢复空间电荷分布的改进方法。采用电声脉冲法对片状绝缘材料进行测试，获得表征材料内部电荷分布的测试电压的参考信号；计算恢复过冲畸变所需的反卷积运算中的传递函数；获得恢复衰减畸变所需的衰减恢复运算中排除电极和试样声阻抗影响的衰减系数；将测试电压信号转换为电荷分布结果所需的电荷量，纳入电极和试样声阻抗影响的电压‑电荷转换系数。在极化电场下对同一绝缘材料进行测试，根据前述步骤计算的各项系数，依次完成过冲恢复、衰减恢复和电荷量转换过程，最终获得实际的电荷分布结果。本发明专利技术使测试波形恢复的电荷分布更加准确，有利于进一步的畸变电场分析。

An improved method for recovering space charge distribution based on electroacoustic pulse method

The invention discloses an improved method for restoring space charge distribution based on electroacoustic pulse method, which belongs to the field of electrical performance monitoring of insulating materials in power systems. The electroacoustic pulse method is used to test the sheet insulating material, and the reference voltage signal representing the charge distribution inside the material is obtained; the transfer function in deconvolution operation for restoring the overshoot distortion is calculated; and the attenuation system excluding the influence of the electrodes and the acoustic impedance of the sample in the attenuation recovery operation for restoring the attenuation distortion is obtained. The amount of charge required to convert the measured voltage signal into the result of charge distribution is included in the voltage-charge conversion coefficient affected by the acoustic impedance of the electrode and sample. The same insulating material is tested under the polarized electric field. According to the coefficients calculated in the preceding steps, the processes of overcharge recovery, attenuation recovery and charge conversion are completed in turn. Finally, the actual charge distribution results are obtained. The invention makes the charge distribution recovered from the test waveform more accurate, and is advantageous to further analysis of the distortion electric field.

【技术实现步骤摘要】
一种基于电声脉冲法恢复空间电荷分布的改进方法
本专利技术属于电力系统中绝缘材料电气性能的监测领域，特别涉及一种基于电声脉冲法恢复空间电荷分布的改进方法，
技术介绍
聚合物固体绝缘介质中空间电荷的存在会使介质内部电场发生畸变，因而是导致介质被击穿和劣化的重要因素。针对绝缘介质中空间电荷分布的研究主要基于其测试技术，其中电声脉冲法因其简单的结构设计已被广泛应用。应用电声脉冲法测试时，将测试的电压波形准确恢复为定量的电荷分布结果意义重大。然而，测试过程中受系统和试样本身特性的影响，获得的波形往往具有过冲和衰减畸变，并需要将电压信号转换为电荷结果。传统恢复方法中，在认为试样与上电极声阻抗相等的情况下，对恢复所用的衰减系数以及电压-电荷转换系数进行了分析，得到两个系数的频域计算公式如下所示。式中，α0(f)为传统恢复方法计算的衰减系数，d为所测绝缘材料的厚度，vu(f)和vl(f)分别为上电极、下电极与试样界面处的测试信号(频域形式)，K为传统恢复方法所用的电压-电荷转换系数，σl为相邻介质界面处的电荷密度，us为绝缘材料内的声速，ΔT为下电极界面处信号所在的时间范围。由公式可见，传统方法所用的衰减系数和电压-电荷转换系数计算公式不受上电极和试样的声阻抗差异影响。然而，近年里国外学者通过对上电极和试样的声阻抗进行测试，指出两者可能存在较大的差异，此时运用传统恢复方法获得的电荷分布结果与实际情况相比可能存在误差。由于电声脉冲法的测试信号和试样内的电荷分布相对微弱，准确恢复电荷分布意义重大。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种基于电声脉冲法恢复空间电荷分布的改进方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在参考低电场条件下，采用电声脉冲法对片状绝缘材料进行测试，获得表征材料内部电荷分布的测试电压的参考信号；S2：基于参考信号，获得恢复过冲畸变所需的反卷积运算中的传递函数；S3：基于参考信号，获得恢复衰减畸变所需的衰减恢复运算中排除电极和试样声阻抗影响的衰减系数；S4：基于参考信号，获得将测试电压信号转换为电荷分布结果所需的电荷量转换过程中纳入电极和试样声阻抗影响的电压-电荷转换系数；S5：在极化电场下对同一绝缘材料进行测试，根据前述步骤计算的各项系数，依次完成过冲恢复、衰减恢复和电荷量转换过程，最终获得实际的电荷分布结果。所述步骤S2中，获得恢复过冲畸变所需的反卷积运算中的传递函数是利用高斯函数分别进行模拟，所用高斯函数计算公式如式(1)所示。式中，g(t)为模拟用的高斯函数，l为幅值，w为带宽。结合高斯模拟波形和参考波形，在频域内求解系统的传递函数，如式(2)所示。式中，H(f)、vr(f)和xr(f)分别为传递函数、参考波形和模拟波形的频域形式所述步骤S3中，所述排除电极和试样声阻抗影响的衰减系数的计算公式为式中，α(f)为改进恢复方法计算的衰减系数，Gu-s为上电极和试样界面处的信号产生系数。d为所测绝缘材料的厚度，vu(f)和vl(f)分别表示频域内上电极、下电极与试样界面处的测试信号，u、s和l分别表示上电极、试样和下电极，u-s表示信号由上电极传播到下电极。所述步骤S4中，所述纳入电极和试样声阻抗影响的电压-电荷转换系数的计算公式与测试信号在试样内部的产生位置有关，如下所示。式中，Ku为上电极界面处的转换系数，Ks和Kl表示试样及下电极界面处的转换系数；σl为相邻介质界面处的电荷密度，us为绝缘材料内的声速，ΔT为下电极界面处信号所在的时间范围。所述步骤S5在完成参考信号的测试和系数计算后，对同一试样进行极化，测试极化一段时间后的试样内部电荷分布；结合计算的系统传递函数、衰减系数和电压电荷转换系数，实测信号的恢复计算如下式所示，式中，xs(f)为实测信号经过冲恢复后得到的结果，vs(f)为极化电压下测试的实测信号。p(f)为过冲恢复结果再经衰减恢复后得到的结果，其时域形式由pu(t)、ps(t)和pl(t)的叠加组成。z为试样内部的不同位置，ρ(t)为恢复得到的电荷分布结果。本专利技术的有益效果在于：(1)提出排除电极和试样声阻抗影响的衰减系数求解公式，使绝缘材料内部衰减系数的求解排除了信号传递过程的影响，测试信号的衰减恢复结果更为准确；(2)提出纳入电极和试样声阻抗影响的电压-电荷转换系数求解公式，使该系数的求解纳入了信号传递过程的影响。(3)由于改进求解方法中考虑了电极和试样的差异性，新方法能够使电声脉冲法测试过程中所用电极材料不再受到原有的半导电电极要求限制，同时使测试波形恢复的电荷分布更加准确，有利于进一步的畸变电场分析。附图说明图1为恢复空间电荷分布的流程图。图2为理论信号与实际结果的对比，其中(a)理论分析的电荷分布；(b)实际测试的电压信号。图3为参考电场下聚酯薄膜试样测试的参考信号。图4为代表界面电荷和空间电荷的测试信号的传播过程。图5为极化电场16kV/mm下聚酯薄膜试样的实测信号。图6为改进恢复方法和传统恢复方法下实测信号的恢复结果。具体实施方式本专利技术提出一种基于电声脉冲法恢复空间电荷分布的改进方法，下面将结合附图，对本专利技术的具体实施步骤进一步说明。图1所示为恢复空间电荷分布的流程图。包括步骤：S1：在参考低电场条件下，采用电声脉冲法对片状绝缘材料进行测试，获得表征材料内部电荷分布测试电压的参考信号；S2：基于参考信号，获得恢复过冲畸变所需的反卷积运算中的传递函数；S3：基于参考信号，获得恢复衰减畸变所需的衰减恢复运算中排除电极和试样声阻抗影响的衰减系数；S4：基于参考信号，获得将测试电压信号转换为电荷分布结果所需的电荷量转换过程中纳入电极和试样声阻抗影响的电压-电荷转换系数。各流程的具体细节为：1)在进行老化实验前，首先需要在不高于10kV/mm的电场条件下，应用电声脉冲法测试平台测试片状试样的参考信号,依据静电感应原理，理论上分析得到的测试波形仅包含幅值相等、极性相反的两个对称波形(如图2(a)所示)，实际受到系统本身特性的限制，测试结果包含过冲、衰减和电荷量转换问题(如图2(b)所示)。本流程以聚酯薄膜试样为例，测得的参考波形如图3所示。2)根据参考信号中上下电极与试样界面处的信号波峰和脉宽，利用高斯函数分别进行模拟，所用高斯函数计算公式如式(1)所示。式中，g(t)为模拟用的高斯函数，l为幅值，w为带宽。进一步，结合高斯模拟波形和参考波形，在频域内求解系统的传递函数，如式(2)所示。式中，H(f)、vr(f)和xr(f)分别为传递函数、参考波形和模拟波形的频域形式。3)根据如图4所示的试样内部不同位置处的信号传播过程，两电极界面处的畸变测试信号和由空间电荷产生的还未在试样内部传播的未畸变信号的关系可由式(3)表示。式中，Fs为系统常数，由系统电路中的放大器等元件的特性所决定。Ga-b和Ta-b表示信号在介质a和b界面处的产生系数和透射系数，同一位置处的透射系数在数值上为产生系数的两倍。α(f)为需要求解的衰减系数，β(f)为色散系数，常温下试样内部不存在色散畸变，β(f)在数值上等于2πf/us。Wu(f)和Wl(f)分别表示相应位置处由电荷产生的未畸变信号。其中，产生系数Gu-s的计算公式如下，式中，Zu和Zs分别表示上电极和试样的声阻抗。根据静电感应原理，未畸变传播信号Wu本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电声脉冲法恢复空间电荷分布的改进方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在参考低电场条件下，采用电声脉冲法对片状绝缘材料进行测试，获得表征材料内部电荷分布的测试电压的参考信号；S2：基于参考信号，获得恢复过冲畸变所需的反卷积运算中的传递函数；S3：基于参考信号，获得恢复衰减畸变所需的衰减恢复运算中排除电极和试样声阻抗影响的衰减系数；S4：基于参考信号，获得将测试电压信号转换为电荷分布结果所需的电荷量转换过程中纳入电极和试样声阻抗影响的电压‑电荷转换系数；S5：在极化电场下对同一绝缘材料进行测试，根据前述步骤计算的各项系数，依次完成过冲恢复、衰减恢复和电荷量转换过程，最终获得实际的电荷分布结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于电声脉冲法恢复空间电荷分布的改进方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在参考低电场条件下，采用电声脉冲法对片状绝缘材料进行测试，获得表征材料内部电荷分布的测试电压的参考信号；S2：基于参考信号，获得恢复过冲畸变所需的反卷积运算中的传递函数；S3：基于参考信号，获得恢复衰减畸变所需的衰减恢复运算中排除电极和试样声阻抗影响的衰减系数；S4：基于参考信号，获得将测试电压信号转换为电荷分布结果所需的电荷量转换过程中纳入电极和试样声阻抗影响的电压-电荷转换系数；S5：在极化电场下对同一绝缘材料进行测试，根据前述步骤计算的各项系数，依次完成过冲恢复、衰减恢复和电荷量转换过程，最终获得实际的电荷分布结果。2.根据权利要求1所述一种基于电声脉冲法恢复空间电荷分布的改进方法，其特征在于，所述步骤S2中，获得恢复过冲畸变所需的反卷积运算中的传递函数是利用高斯函数分别进行模拟，所用高斯函数计算公式如式(1)所示，式中，g(t)为模拟用的高斯函数，l为幅值，w为带宽，结合高斯模拟波形和参考波形，在频域内求解系统的传递函数，如式(2)所示，式中，H(f)、vr(f)和xr(f)分别为传递函数、参考波形和模拟波形的频域形式。3.根据权利要求1所述一种基于电声脉冲法恢复空间电荷分布的改进方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述排除电极和试样声阻抗影响的衰减系数的计算公...

【专利技术属性】
技术研发人员：任瀚文，李庆民，王靖瑞，刘涛，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京,11