本發(fā)明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。

背景技術(shù)：

由于各種原因，絕緣材料中不可避免的存在交聯(lián)副產(chǎn)物、雜質(zhì)、水樹枝、電樹枝等雜質(zhì)、缺陷，高壓直流電場(chǎng)的長(zhǎng)期作用下，空間電荷的在上述缺陷處局部聚積，導(dǎo)致局部電場(chǎng)發(fā)生嚴(yán)重畸變，空間電荷是評(píng)價(jià)高壓直流電纜絕緣材料性能和電纜設(shè)計(jì)是否成功的一個(gè)非常重要指標(biāo)。

傳統(tǒng)的高壓直流電纜空間電荷測(cè)量不考慮聲波傳播的方向系數(shù)，認(rèn)為聲波只在其直線振動(dòng)方向上產(chǎn)生，忽略了不再測(cè)量直線上分布的空間電荷對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，如果空間電荷分布密度較大，測(cè)量結(jié)果將嚴(yán)重偏離真實(shí)空間電荷分布值，在實(shí)際應(yīng)用中存在很大的誤差，不能對(duì)面積上的空間電荷分布進(jìn)行分析，將測(cè)量域限制在一條直線上，不能全面的評(píng)價(jià)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(zhì)和缺陷，其形狀、尺寸和分布位置對(duì)空間電荷分布影響很大，傳統(tǒng)的空間電荷測(cè)量系統(tǒng)很難對(duì)上述信息進(jìn)行測(cè)量?？臻g電荷的二維成像能直觀反映出上述信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明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(tǒng)空間電荷測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用中精度低、測(cè)量信息不全面、測(cè)量費(fèi)時(shí)、效率低等缺點(diǎn)。

本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明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(hào)放大器；所述高壓直流電源和脈沖電源連接在導(dǎo)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(cè)，信號(hào)放大器用于放大壓電傳感器輸出的信號(hào)；其改進(jìn)之處在于，所述方法包括下述步驟：

(1)以電纜的導(dǎo)體線芯中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，構(gòu)建圓柱坐標(biāo)系，導(dǎo)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(gè)壓電傳感器布置在電纜外屏蔽層的外側(cè)，壓電傳感器輸出電壓信號(hào)，每個(gè)壓電傳感器接收到的信號(hào)均包含空間電荷在整個(gè)成像橫截面上的分布信息；

(3)壓電傳感器的數(shù)量為2或2以上，當(dāng)壓電傳感器數(shù)目為2時(shí)，兩個(gè)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(hào)，電聲脈沖PEA信號(hào)經(jīng)過放大器放大；

(4)空間電荷在脈沖電場(chǎng)作用下直線振動(dòng)，振動(dòng)方向與具有散度的脈沖電場(chǎng)在空間電荷處的方向重合；

(5)直線振動(dòng)產(chǎn)生的聲波信號(hào)具有輻射特性，不同的聲波傳播方向上聲波強(qiáng)度不同，根據(jù)聲波傳播方向計(jì)算聲波在壓電傳感器方向上的方向系數(shù)；

(6)確定空間點(diǎn)與壓電傳感器之間的傳遞函數(shù)和聲波到達(dá)壓電傳感器的時(shí)延；

(7)認(rèn)為脈沖電壓為一理想的沖擊信號(hào)，根據(jù)壓電傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)、傳遞函數(shù)，反解出空間電荷的二維分布，對(duì)空間電荷進(jìn)行二維成像；

(8)對(duì)空間電荷分布特性進(jìn)行全面分析，得到出水樹枝、電樹枝、雜質(zhì)在絕緣中的位置、大小和形狀。

進(jìn)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(shù)如下式所示；

式中：J₁(*)為第一類一階貝塞爾函數(shù)；k為波數(shù)，即單位長(zhǎng)度內(nèi)聲波周期數(shù)；a為聲源半徑；μ為偏離聲源振動(dòng)的方向角；當(dāng)振動(dòng)粒子的位移接近或小于粒子半徑時(shí)，粒子振動(dòng)產(chǎn)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(shù)D(k，μ)在各個(gè)方向上近似相等，D(k，μ)＝1。

進(jìn)一步地，所述步驟(6)中，根據(jù)每個(gè)壓電傳感器的二維坐標(biāo)和空間二維坐標(biāo)的位置關(guān)系，結(jié)合聲波在絕緣介質(zhì)中的衰減特性和聲波在絕緣介質(zhì)中的傳播速度，以及壓電傳感器之間的坐標(biāo)關(guān)系，計(jì)算出空間點(diǎn)與壓電傳感器之間的傳遞函數(shù)和聲波到達(dá)壓電傳感器的時(shí)延，即像素點(diǎn)與傳感器的距離l除以聲波在絕緣介質(zhì)中的聲速c。

進(jìn)一步地，所述步驟(7)中，所述傳遞函數(shù)為：記(R₀，)處的傳感器接收到的信號(hào)為p_h(t)，共有H個(gè)傳感器，h＝1，…，H；纜絕緣外半徑構(gòu)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(gè)像素區(qū)域，像素點(diǎn)(r_m，θ_n)到傳感 器(R₀，)的傳輸方程g(r_m,θ_n,)和傳輸時(shí)間t(r_m,θ_n,R₀,)分別為：

式中，r_in為電纜絕緣的內(nèi)半徑，R₀為電纜絕緣的外半徑，α(f)、β(f)分別為聲波在介質(zhì)中的衰減系數(shù)和色散系數(shù)，e_p(t-t(r_m,θ_n,R₀,))為像素點(diǎn)(r_m，θ_n)的電場(chǎng)強(qiáng)度，V_p為脈沖電壓的幅值，T為脈沖電壓的脈寬；r_m為像素半徑坐標(biāo)，θ_n為像素的角度坐標(biāo)，t為時(shí)間，t(r_m,θ_n,R₀,)為聲波由(r_m，θ_n)傳播到(R₀，)的時(shí)間,為像素點(diǎn)(r_m，θ_n)到傳感器(R₀，)的距離，c為聲波在介質(zhì)中的傳播速度；

將(R₀，)處的傳感器接收到的信號(hào)p_h(t)構(gòu)造成為1×MN的離散向量p_h(t_(m,n))，對(duì)應(yīng)于第h個(gè)傳感器，即(R₀，)處的傳感器接收到像素點(diǎn)(r_m，θ_n)傳來的聲波信號(hào)p_h(m，n)為：

其中：ρ(r_m,θ_n)表示在像素點(diǎn)(r_m，θ_n)的空間電荷密度；

(R₀，)處傳感器接收的聲波信號(hào)總和為：

其向量形式表達(dá)為：

將(r_m，θ_n)簡(jiǎn)化表示為(m，n)，其中：p_h(m,n)表示第h個(gè)傳感器接收到由像素(m，n)處空間電荷產(chǎn)生的聲波信號(hào)；

H個(gè)傳感器接收到的信號(hào)構(gòu)成一個(gè)H×MN維矩陣P_H×MN：

傳遞函數(shù)矩陣G_H×MN表示為：

空間電荷分布構(gòu)成一個(gè)MN×MN的方陣，只有對(duì)角線上有元素：

則P_H×MN、G_H×MN、ρ_MN×MN的關(guān)系為：

P_H×MN＝G_H×MNρ_MN×MN

即：

根據(jù)上式中測(cè)量矩陣P_H×MN和傳遞矩陣G_H×MN求解出空間電荷矩陣ρ_MN×MN，進(jìn)而得到整個(gè)絕緣界面的空間電荷分布。

進(jìn)一步地，所述步驟(8)中，空間電荷在整個(gè)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(jù)空間電荷在絕緣橫截面上的分布情況，對(duì)其分布位置和密度進(jìn)行分析，結(jié)合水樹枝、電樹枝產(chǎn)生空間電荷的機(jī)理，得到絕緣中水樹枝、電樹枝、缺陷在測(cè)量橫截面上的大小、位置和形狀的信息。

與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有的優(yōu)異效果是：

1、本發(fā)明可以對(duì)電纜橫截面上的空間電荷分布信息進(jìn)行全方位、無死角測(cè)量并成像；

2、本發(fā)明克服傳統(tǒng)空間電荷測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用中精度低、測(cè)量信息不全面、測(cè)量費(fèi)時(shí)、效率低等缺點(diǎn)，提高電纜空間電荷測(cè)量的準(zhǔn)確性，采用成像技術(shù)將測(cè)量結(jié)果直觀顯示出來，實(shí)現(xiàn)其測(cè)量的全面性、多功能性，降低截面上空間電荷成像的時(shí)間，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3、本發(fā)明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(cè)量橫截面上的大小、位置和形狀的信息。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的二維空間電荷成像原理圖；其中：1為電纜導(dǎo)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(biāo)原點(diǎn)；6為脈沖電場(chǎng)的方向；7空間電荷在脈沖電場(chǎng)作用下的振動(dòng)方向；8角度坐標(biāo)的零刻度線；9為空間電荷的角度坐標(biāo)；10為傳感器的角度坐標(biāo)；11為空間電荷的半徑坐標(biāo)；12為聲阻抗匹配層。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

以下描述和附圖充分地示出本發(fā)明的具體實(shí)施方案，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵺`它們。其他實(shí)施方案可以包括結(jié)構(gòu)的、邏輯的、電氣的、過程的以及其他的改變。實(shí)施例僅代表可能的變化。除非明確要求，否則單獨(dú)的組件和功能是可選的，并且操作的順序可以變化。一些實(shí)施方案的部分和特征可以被包括在或替換其他實(shí)施方案的部分和特征。本發(fā)明的實(shí)施方案的范圍包括權(quán)利要求書的整個(gè)范圍，以及權(quán)利要求書的所有可獲得的等同物。在本文中，本發(fā)明的這些實(shí)施方案可以被單獨(dú)地或總地用術(shù)語“發(fā)明”來表示，這僅僅是為了方便，并且如果事實(shí)上公開了超過一個(gè)的發(fā)明，不是要自動(dòng)地限制該應(yīng)用的范圍為任何單個(gè)發(fā)明或發(fā)明構(gòu)思。

本發(fā)明提供的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2、鋁電極、壓電傳感器3、聲吸收層和信號(hào)放大器；所述高壓直流電源和脈沖電源連接在電纜導(dǎo)體線芯1上；所述鋁電極包覆在擠包絕緣電纜2外部；所述壓電傳感器3貼合在鋁電極外部；所述聲吸收層位于壓電傳感器一側(cè)，信號(hào)放大器用于放大壓電傳感器輸出的信號(hào)；

本發(fā)明的原理在于：基于電聲脈沖法PEA，對(duì)空間電荷施加一個(gè)脈沖電場(chǎng)，空間電荷受 脈沖電場(chǎng)力做直線振動(dòng)，振動(dòng)產(chǎn)生的聲波為球面分布，球面?zhèn)鞑サ穆暡◤?qiáng)度與聲波傳播的角度有關(guān)。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(diǎn)與原點(diǎn)的距離，脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度與該距離成反比。根據(jù)空間點(diǎn)的坐標(biāo)、傳感器坐標(biāo)、聲波的衰減特性、直線振動(dòng)產(chǎn)生聲波的方向系數(shù)和脈沖電場(chǎng)的分布計(jì)算出空間點(diǎn)與傳感器的傳遞函數(shù)，根據(jù)測(cè)量信號(hào)和傳遞函數(shù)計(jì)算出空間電荷的二維分布。本發(fā)明提供的二維空間電荷成像原理圖如圖1所示。

一種基于電聲脈沖法的高壓直流電纜空間電荷二維成像技術(shù)，其特征在于包含以下步驟：

(1)以電纜的導(dǎo)體線芯1中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，構(gòu)建圓柱坐標(biāo)系，z＝0平面為空間電荷成像橫截面；

(2)多個(gè)壓電傳感器3布置在電纜外屏蔽層的外側(cè)，壓電傳感器輸出電壓信號(hào)，每個(gè)壓電傳感器接收到的信號(hào)都包含空間電荷在整個(gè)成像橫截面上的分布信息；

(3)壓電傳感器的數(shù)量為2或2以上，當(dāng)壓電傳感器數(shù)目為2時(shí)，兩個(gè)壓電傳感器不能布置在絕緣橫截面的同一直徑上，傳感器多角度獲得PEA信號(hào)(電聲脈沖信號(hào))，PEA信號(hào)經(jīng)過放大器放大；

(4)空間電荷4在脈沖電場(chǎng)最用下直線振動(dòng)，振動(dòng)方向與具有散度的脈沖電場(chǎng)在空間電荷處的方向重合；

(5)直線振動(dòng)產(chǎn)生的聲波信號(hào)具有輻射特性，不同的聲波傳播方向上聲波強(qiáng)度不同，根據(jù)聲波傳播方向計(jì)算出聲波在各個(gè)傳感器方向上的方向系數(shù)；聲波在壓電傳感器方向上的方向系數(shù)如下式所示；

式中：J₁(*)為第一類一階貝塞爾函數(shù)；k為波數(shù)，即單位長(zhǎng)度內(nèi)聲波周期數(shù)；a為聲源半徑；μ為偏離聲源振動(dòng)的方向角；當(dāng)振動(dòng)粒子的位移接近或小于粒子半徑時(shí)，粒子振動(dòng)產(chǎn)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(shù)D(k，μ)在各個(gè)方向上近似相等，D(k，μ)＝1。

(6)根據(jù)每個(gè)壓電傳感器的二維坐標(biāo)和空間二維坐標(biāo)的位置關(guān)系，結(jié)合聲波在絕緣介質(zhì)中的衰減特性和聲波在絕緣介質(zhì)中的傳播速度，以及傳感器之間的坐標(biāo)關(guān)系，計(jì)算出空間點(diǎn)與各傳感器之間的傳遞函數(shù)和聲波到達(dá)傳感器的時(shí)延；

(7)根據(jù)壓電傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)、傳遞函數(shù)，反解出空間電荷的二維分布，對(duì)空間電荷進(jìn)行二維成像；

所述傳遞函數(shù)為：記(R₀，)處的傳感器接收到的信號(hào)為p_h(t)，共有H個(gè)傳感器，h＝1，…， H；電纜絕緣外半徑構(gòu)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(gè)像素區(qū)域，像素點(diǎn)(r_m，θ_n)到傳感器(R₀，)的傳輸方程g(r_m,θ_n,)和傳輸時(shí)間t(r_m,θ_n,R₀,)分別為：

式中，r_in為擠包絕緣電纜的內(nèi)半徑，R₀為擠包絕緣電纜的外半徑，α(f)、β(f)分別為聲波在介質(zhì)中的衰減系數(shù)和色散系數(shù)，e_p(t-t(r_m,θ_n,R₀,))為像素點(diǎn)(r_m，θ_n)的電場(chǎng)強(qiáng)度，V_p為脈沖電壓的幅值，T為脈沖電壓的脈寬；r_m為像素半徑坐標(biāo)，θ_n為像素的角度坐標(biāo)，t為時(shí)間，t(r_m,θ_n,R₀,)為聲波由(r_m，θ_n)傳播到(R₀，)的時(shí)間。

將(R₀，)處的傳感器接收到的信號(hào)p_h(t)構(gòu)造成為1×MN的離散向量p_h(t_(m,n))，對(duì)應(yīng)于第h個(gè)傳感器，即(R₀，)處的傳感器接收到像素點(diǎn)(r_m，θ_n)傳來的聲波信號(hào)p_h(m，n)為：

其中：ρ(r_m,θ_n)表示在像素點(diǎn)(r_m，θ_n)的空間電荷密度。

(R₀，)處傳感器接收的聲波信號(hào)總和為：

其向量形式表達(dá)為：

為了簡(jiǎn)化表達(dá)，將(r_m，θ_n)簡(jiǎn)化表示為(m，n)，其中：p_h(m,n)表示第h個(gè)傳感器接收到由像素(m，n)處空間電荷產(chǎn)生的聲波信號(hào)。

H個(gè)傳感器接收到的信號(hào)構(gòu)成一個(gè)H×MN維矩陣P_H×MN：

傳遞函數(shù)矩陣G_H×MN表示為：

空間電荷分布構(gòu)成一個(gè)MN×MN的方陣，只有對(duì)角線上有元素：

則P_H×MN、G_H×MN、ρ_MN×MN的關(guān)系為：

P_H×MN＝G_H×MNρ_MN×MN

即：

根據(jù)上式中測(cè)量矩陣P_H×MN和傳遞矩陣G_H×MN求解出空間電荷矩陣ρ_MN×MN，進(jìn)而得到整個(gè)絕緣界面的空間電荷分布。

(8)對(duì)空間電荷分布特性進(jìn)行全面分析，直觀的獲得空間電荷在電纜絕緣橫截面的分布信息，包括空間電荷的密度、位置和極性，根據(jù)空間電荷在絕緣橫截面上的分布情況，對(duì)其 分布位置和密度進(jìn)行分析，結(jié)合水樹枝、電樹枝產(chǎn)生空間電荷的機(jī)理，得到絕緣中水樹枝、電樹枝、缺陷在測(cè)量橫截面上的大小、位置和形狀的信息。

本發(fā)明提供的基于電聲脈沖法的高壓直流電纜空間電荷二維成像技術(shù)，適用于測(cè)量高壓直流電纜空間電荷二維分布，測(cè)量水樹枝、電樹枝雜質(zhì)等在絕緣中的分布，評(píng)價(jià)電纜絕緣材料的空間電荷特性，克服傳統(tǒng)空間電荷測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用中精度低、測(cè)量信息不全面、測(cè)量費(fèi)時(shí)、效率低等缺點(diǎn)。

以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請(qǐng)待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。