一种温度梯度下pea空间电荷测量波形的矫正方法
【专利摘要】本发明公开了一种温度梯度下PEA空间电荷测量波形的矫正方法，包括：通过PEA测量系统测得无温度梯度时平板绝缘材料测量波形；得系统传递函数；得到有温度梯度时系统衰减系数和色散系数；将衰减函数和色散函数做关于距离泰勒展开式；脉冲在时域内偏移效果由二次项近似代替，对比有温度梯度下和无温度梯度下的参考波形中第二个峰值点位置，计算色散函数；得无温度梯度的传递函数和二次近似传递函数；传递函数变换得到时域波形；设样品位置的电荷密度为输入矩阵，测得波形为输出矩阵，输出测量波形；即得空间电荷的实际分布。该方法能够有效矫正温度梯度下平板试样的PEA空间电荷测量波形，修正温度梯度、声衰减等因素对于最终波形畸变的影响。
【专利说明】一种温度梯度下PEA空间电荷测量波形的矫正方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及空间电荷测量技术，特别是一种温度梯度下平板绝缘材料PEA空间电 荷测量波形的矫正方法。
【背景技术】
[0002] PEA空间电荷测量技术，根据文献《电声脉冲法测量空间电荷的原理与方法》，近年 来对于无定形有机聚合物介质在高压电场作用下空间电荷的积聚及对介电特性和击穿的 影响的研究开始逐步深入。直接测量介质中空间电荷及其分布会有助于理解其微观过程并 分析其中发生的多种现象的变化过程。因此，致力于发展测量动态电荷分布的方法近年来 得到了迅速发展。其中PEA法（电声脉冲法）应用尤为广泛，其测量装置简单易用、性价比 高，可以有效的动态表征介质内部空间电荷的积聚、消散等特性，已成功用于测量电子束福 照样品、XLPE、LDro以及多层样品中的空间电荷分布特性。
[0003] 温度梯度下PEA空间电荷测量技术：根据文献《温度梯度场下硅橡胶与交联聚乙 烯界面上空间电荷的形成机理》和《温度梯度效应对油纸绝缘材料空间电荷分布特性的影 响》，温度梯度效应对绝缘介质内部的空间电荷分布有着非常大的影响。随着温度梯度的增 大，油纸绝缘中的低温侧异极性电荷会越来越多从而使低温侧场强畸变越来越大；硅橡胶 介质中随着温度梯度的增加也出现了明显的负电荷注入，导致双层介质分界面处的电荷明 显增大。
[0004] PEA空间电荷波形矫正技术：根据文献《电声脉冲法测量空间电荷的原理与方 法》，电声脉冲法最初包含这样的假设，即声波传递通过介质时没有波形畸变。但是，在大多 数软聚合物材料注入聚乙烯中，由于衰减和色散，声波传播有损失，所以这种假设行不通。 在后续的信号处理环节中，研究人员需要对PEA方法在损耗或色散介质中的信号进行重建 从而对畸变的信号进行矫正。
[0005] 温度梯度下PEA法波形矫正技术：由于温度梯度下空间电荷分布特性会表现出较 常温时不同的特性，其测量技术也随之发展起来。根据文献《温度梯度场对电声脉冲法空间 电荷测量波形的影响》，温度升高时聚合物材料的声阻抗、Young模量、密度、声波在其中传 播的速度、衰减特性均发生变化，因此无法准确测量出介质中的空间电荷特性；而对于温度 梯度场下的绝缘介质（如电缆发热场）的空间电荷测量，温度的梯度分布对介质的声阻抗、 弹性模量、密度、声速及声波衰减的影响将更为复杂。
[0006] 随着我国直流特高压工程的逐步建设，对于绝缘材料空间电荷特性的研究日益广 泛。其原因在于空间电荷对绝缘的老化、击穿、破坏机理都有着深刻的影响。同时，对于多 种材料试样诸如平板型试样的测量研究也越来越深入。在直流电力设备运行的实际环境 中，温度梯度是广泛存在的。其对空间电荷分布特性的影响十分显著，国内外学者对于温度 梯度下的空间电荷测量也逐步开始。而温度梯度对于空间电荷的测量结果有着更强烈的畸 变。
[0007] 导致这种问题主要有两个重要原因，一个原因是温度梯度的存在使得介质的声衰 减特性更强烈，导致最终的测量信号幅值更小。
[0008]第二个原因是由于温度升高和不均匀的分布致使介质的密度、杨氏模量等发生了 一系列的变化，声波在介质内的传播特性更为复杂。
[0009]为了解决温度梯度下平板绝缘材料的PEA空间电荷测量波形的矫正问题，本发明 提出了一种温度梯度下对于平板绝缘材料PEA测量波形的矫正方法。
【发明内容】
[0010]本发明的目的在于提供一种温度梯度下平板绝缘材料PEA空间电荷测量波形的 矫正方法，该方法能够对平板绝缘材料PEA空间电荷测量波形进行有效地矫正。
[0011]本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。
[0012] -种温度梯度下PEA空间电荷测量波形的矫正方法，该方法包括下述步骤：
[0013] 1)通过PEA测量系统测得无温度梯度时低压下的平板绝缘材料测量波形，定义为 参考波形vQ (t)，对参考波形v。(t)两电极处波峰位置的信号进行傅里叶变换得到波形在位 置〇和z处的傅里叶变换P (f，0)和P (f，z);
[0014] 2)根据步骤1)得出无温度梯度时系统传递函数
[0015] G(f,z) = ea(f)VjMf)z (1)
[0016] 其中
【权利要求】
1. 一种温度梯度下PEA空间电荷测量波形的矫正方法，其特征在于，该方法包括下述 步骤： 1) 通过PEA测量系统测得无温度梯度时低压下的平板绝缘材料测量波形，定义为参考 波形(t)，对参考波形(t)两电极处波峰位置的信号进行傅里叶变换得到波形在位置〇 和d处的傅里叶变换P (f，0)和P (f，d); 2) 根据步骤1)得出无温度梯度时系统传递函数 G(f, z) = ea(f)VjMf)z ① 其中，a(/)二-一In ' j Li尸(/，〇)丨」 A./ )In [^(/,^/)-^(/,0)] 式中，a (f)、β (f)分别表示声波的衰减系数和色散系数，P(f，d)和P(f，0)分别是位 置为d和0处的波形的傅里叶变换； 3) 由一维声波方程组得到有温度梯度时系统衰减系数和色散系数a (f)、β (f); 4) 将衰减函数和色散函数做关于距离z的泰勒展开式得到 a (f, z) = a j (f) z+ [ a 2 (f) z2+ a 3 (f) z3+. . . + a k (f) zk+...] β (f, z) = β ! (f) Z+ [ β 2 (f) Z2+ β 3 (f) Z3+. . . + β k (f) Zk+...] 5) 对于色散系数β (f)，脉冲在时域内的整个偏移效果可由此二次项近似代替，《tQ = β 2(f)z2,将ω替换为2 31 f求得，β 2(f) = 2 31 ft。· ζΛ式中tQ为偏移时间； 6) 对比有温度梯度下的参考波形和无温度梯度下的参考波形中第二个峰值点处的位 置，即得到位置z = d处的时间偏移量td，计算出色散系数β 2 (f) = 2 π ftdcf2 ; 7) 结合步骤2)求出的系统无温度梯度时的传递函数，求得有温度梯度下完整的频域 内的二次近似传递函数： 式中a (f)，ejf)为前面求得的一次项系数a (f)，β (f)， 8) 将式②经过逆傅里叶变换得到系统传递函数时域表达式： g(t,z) = ~[，G{f\z)e^"df ③ 2π 9) 设样品在位置为^处的电荷密度为输入矩阵，测量得到的波形为输出矩阵，由此， 在时间h时的输出测量波形为： vs(ti) =C[g(ti，τ 1)r( τ 1)+g(ti, τ 2)r ( τ 2)+···+g(ti； τ M) r ( τ M)] ④ 10) 将式③代入④式即得空间电荷的实际分布r (z)，至此完成温度梯度下PEA空间电 荷测量波形的矫正。
2. 根据权利要求1所述的温度梯度下PEA空间电荷测量波形的矫正方法，其特征在于， 所述步骤3)中，由一维声波方程组得到系统衰减函数和色散函数a (f)、β (f)通过下述步 骤实现： 3a)由一维声波方程组得波动方程一维通解为： p(t, z) = P0eJ"(Wv) = P0eJ("^kz) 式中，P〇为声波在Z = 0处的幅值，V是声速，k是波数； 3b)令波数k为复数，则 k = β -j α 式中α为衰减系数，β为色散系数； 3c)将波动方程一维通解p(t，z)=做傅里叶变换得到其频域的解析形 式 P(f, z) = P(f, 0)e_a(f)VjMf)z 式中P (f，〇)是位置z = 0处的傅里叶变换式； 在均匀介质中，衰减函数和色散函数只有一次系数，通过对比两个峰值而得到 </>-去ln[l :(d , β(/)=^\η[φ(/,?)-φ(/,0)], 汉_ I尸d u) I 以 式中a (f)、β (f)分别表示声波的衰减系数和色散系数，p(f，d)和P(f，0)分别是位 置为d和0处的波形的傅里叶变换。
3.根据权利要求1所述的温度梯度下PEA空间电荷测量波形的矫正方法，其特征在于， 所述平板绝缘材料包括油纸或聚乙烯。
【文档编号】G01R29/24GK104268371SQ201410453089
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月5日 优先权日:2014年9月5日
【发明者】吴锴, 王浩森, 王霞 申请人:西安交通大学