我匯報(bào)基于PEAXLPE電纜測(cè)試信號(hào)處理研究

基于PEA的XLPE電纜測(cè)試信號(hào)處理的研究答辯人：陳勝科導(dǎo) 師：

教授答辯日期：答辯主要內(nèi)容一.

課題研究背景及意義二.

PEA系統(tǒng)硬件引起的信號(hào)畸變及恢復(fù)三.試樣內(nèi)PEA聲脈沖的畸變及恢復(fù)校正四.

信號(hào)處理

及實(shí)例驗(yàn)證五.

結(jié)論一.課題研究背景與意義目前國內(nèi)外已普遍認(rèn)可，由于空間電荷對(duì)電場(chǎng)的畸變作用，空間電荷對(duì)絕緣材料老化、擊穿等方面有明顯的影響，無論是高壓直流電纜，還是交流電纜，空間電荷問題都是研究電纜絕緣的重點(diǎn)與難點(diǎn)。因此，作為研究基礎(chǔ)的電纜的空間電荷的測(cè)試和分析技術(shù)的研究就尤其重要。電聲脈沖法（PEA）硬件結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，但是由于測(cè)試系統(tǒng)硬件的頻率響應(yīng)，信號(hào)在傳輸介質(zhì)中的衰減和擴(kuò)散，以及溫度梯度的影響，信號(hào)將發(fā)生畸變，使得空間電荷的量及分布難以準(zhǔn)確分辨，因此進(jìn)行信號(hào)的恢復(fù)和重建就顯得尤為重要。一.課題研究背景與意義Z=dZ=0RCρ(z)Vdcep(t)試樣上電極下電極壓電傳感器放大器Vs(t)ρ(z)∝V(t)Δf(t)P(t)δTPEA基本原理：在介質(zhì)上加上一個(gè)高壓窄脈沖，介質(zhì)中的空間電荷和電極界面電荷都受到這一脈沖電場(chǎng)力而產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，相應(yīng)的產(chǎn)生聲脈沖，經(jīng)壓電傳感器接收后轉(zhuǎn)換為反映空間電荷分布的電信號(hào)。一.課題研究背景與意義所測(cè)信號(hào)不能真實(shí)反映材料

空間電荷分布！波形恢復(fù)重建PEA測(cè)試基本原理基于兩點(diǎn)假設(shè):每一頻率的聲波分量以相同聲速通過試樣且幅值不衰減硬件電路頻帶響應(yīng)寬度足夠，不會(huì)對(duì)電壓信號(hào)造成失真實(shí)際上聲波在絕大多數(shù)電介質(zhì)如XLPE等聚合物中存在衰減和色散，介質(zhì)越厚，衰減越顯著；聲脈沖在筒柱型介質(zhì)中

時(shí)，幅值會(huì)因?yàn)閿U(kuò)散而發(fā)生衰減實(shí)際PEA測(cè)試系統(tǒng)硬件電路頻帶響應(yīng)并非理想，導(dǎo)致反應(yīng)空間電荷分布的電壓信號(hào)畸變?yōu)榱私咏鼘?shí)際運(yùn)行環(huán)境，需要在溫度梯度場(chǎng)下進(jìn)行PEA測(cè)試，但是聚合物材料在溫度梯度場(chǎng)的作用下，聲速等特性均發(fā)生變化，會(huì)造成測(cè)試波形畸變二.PEA系統(tǒng)硬件引起的信號(hào)畸變及恢復(fù)系統(tǒng)硬件電路頻率響應(yīng)引起的信號(hào)過沖及恢復(fù)系統(tǒng)硬件工作性能的溫度響應(yīng)對(duì)的影響二.PEA系統(tǒng)硬件引起的信號(hào)畸變及恢復(fù)系統(tǒng)硬件電路頻率響應(yīng)引起的信號(hào)過沖及恢復(fù)XLPE電纜本體外加較低極化電壓，其

PEA空間電荷測(cè)試系統(tǒng)輸出電壓信號(hào)如左圖，可以看出除了兩個(gè)電極與介質(zhì)的界面上存在空間電荷外，界面峰后均產(chǎn)生了波形的過沖現(xiàn)象，這與較低極化場(chǎng)強(qiáng)下，被測(cè)樣品里面電離程度微弱，介質(zhì)不產(chǎn)生空間電荷相。因此，可以認(rèn)為該過沖不是由于電極附近空間電荷與電場(chǎng)相作用后產(chǎn)生，而只能由測(cè)試系統(tǒng)所導(dǎo)致二.PEA系統(tǒng)硬件引起的信號(hào)畸變及恢復(fù)系統(tǒng)硬件電路頻率響應(yīng)引起的信號(hào)過沖及恢復(fù)信號(hào)附近發(fā)生過沖而且波包幅值也發(fā)生了變化信號(hào)較低頻率成分衰減較多，該電路對(duì)信號(hào)形成了高通濾波二.PEA系統(tǒng)硬件引起的信號(hào)畸變及恢復(fù)系統(tǒng)硬件電路頻率響應(yīng)引起的信號(hào)過沖及恢復(fù)1)根據(jù)參考信號(hào)求出傳遞函數(shù)H(f)=Y1(f)

/

X1(f)2)

根據(jù)實(shí)際輸出計(jì)算原始輸入X(f)=

Y(f)

/

H(f)二.PEA系統(tǒng)硬件引起的信號(hào)畸變及恢復(fù)系統(tǒng)硬件電路頻率響應(yīng)引起的信號(hào)過沖及恢復(fù)反卷積具有 性,觀測(cè)數(shù)據(jù)的很小的變動(dòng)都可能使得解的很大改變。因此，必須對(duì)H(f)構(gòu)造約束以減少反卷積過程中產(chǎn)生的高頻尖刺。經(jīng)分析，空間電荷輸出信號(hào)頻率成分大多集中在低頻段，根據(jù)反卷積公式，

1/H(f)中的高頻成分容易在反卷積過程中造成畸變，因此本文通過對(duì)參考信號(hào)求出的傳遞函數(shù)的倒數(shù)進(jìn)行修正，構(gòu)造一個(gè)新的傳遞函數(shù)

f

H

f

1

G

f

newH2G(

t

)

expt4ln

2

w2多次實(shí)驗(yàn)調(diào)試發(fā)現(xiàn)，選擇PEA測(cè)試系統(tǒng)的分辨率附近值作該 函數(shù)的脈寬w效果，恢復(fù)較為理想二.PEA系統(tǒng)硬件引起的信號(hào)畸變及恢復(fù)系統(tǒng)硬件工作性能的溫度響應(yīng)對(duì) 的影響二.PEA系統(tǒng)硬件引起的信號(hào)畸變及恢復(fù)系統(tǒng)硬件工作性能的溫度響應(yīng)對(duì) 的影響當(dāng)溫度升高時(shí)，輸出電壓的幅值會(huì)隨著壓電感應(yīng)系數(shù)的升高而增大隔開后受試樣溫度變化影響較小，放大器的性能幾乎不受到溫度變化的影響溫度的變化導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)傳遞函數(shù)改變，若溫度變化了k0倍，則參考信號(hào)輸出也相應(yīng)增大k0倍，輸入不變時(shí)，傳遞函數(shù)也將會(huì)增大相同倍數(shù)，這樣在進(jìn)行頻域反卷積的過程中，由于分子分母增大倍數(shù)相同，反卷積最終結(jié)果不受k0的影響。二.PEA系統(tǒng)硬件引起的信號(hào)畸變及恢復(fù)系統(tǒng)硬件電路頻率響應(yīng)引起的信號(hào)過沖及恢復(fù)實(shí)測(cè)信號(hào)

Y1

(t)選擇下電極波形入射壓電傳感器前的信號(hào)下電極波峰時(shí)刻

FFTY1

(

f

)參考信號(hào)YREF

(t)(t

)FFTX

REF

(

f

)YREF

(

f

)X

REF

(

f

)H

(

f

)

FFTYREF

f

G

(

f

)X

(

f)

Y1

(

f)

G(

f)1

H

(

f

)IFFTexp(2t

)w2

4ln

2FFT三.試樣內(nèi)的PEA聲脈沖畸變及恢復(fù)校正聲波在切片試樣中的衰減和色散聲波在電纜本體試樣中的衰減色散XLPE電纜中PEA聲信號(hào)的恢復(fù)溫度梯度場(chǎng)下XLPE電纜中聲波傳輸特性的變化溫度梯度場(chǎng)下XLPE電纜中PEA聲信號(hào)的恢空復(fù)間電荷測(cè)試信號(hào)單位校正三.試樣內(nèi)的PEA聲脈沖畸變及恢復(fù)校正聲波在切片試樣中的衰減和色散0d電極B電極A試樣厚度z理想波形實(shí)測(cè)波形電荷密度vdcR電極電極聲波傳感器在外施低電場(chǎng)下，試樣基本不產(chǎn)生空間電荷，而在緊貼兩個(gè)電極的試樣的界面上會(huì)感應(yīng)出等量的異性電荷，因此兩電極附近的界面電荷波形應(yīng)該幅值相同，脈寬相同.指數(shù)衰減三.試樣內(nèi)的PEA聲脈沖畸變及恢復(fù)校正聲波在電纜本體試樣中的衰減色散根據(jù)

定律，同軸圓柱形絕緣結(jié)構(gòu)中半徑為r處的電場(chǎng)分布為：因此可以推出兩點(diǎn)：內(nèi)半上感應(yīng)出來的面電荷密度是外半上的b/a倍(a,

b分別為內(nèi)外半導(dǎo)電帶處半徑)施加的電脈沖的電場(chǎng)強(qiáng)度從內(nèi)半導(dǎo)電帶至外半導(dǎo)電帶逐漸減小，與半徑r成反比E(r)=UdcrIn(b/a)三.試樣內(nèi)的PEA聲脈沖畸變及恢復(fù)校正聲波在電纜本體試樣中的衰減色散usa

21

2(t,

r)

2(t,

r) 1

(t,

r)t2

r2

r

rp(t,

r)

(r,t)

jusaAK

e

jk

(r

usat

)trp(f

,r)

p(

f

,

a)(

a

)1/

2r半徑r處超聲聲波單位面積壓力幅值因?yàn)楸粶y(cè)電纜長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于絕緣厚度且軸向同性均勻分布，所以

可以認(rèn)為同軸圓柱電纜中空間電荷僅在徑向變化，代表空間電荷密度分布的聲壓力波也是一個(gè)僅與半徑有關(guān)的以為函數(shù)三.試樣內(nèi)的PEA聲脈沖畸變及恢復(fù)校正XLPE電纜中PEA聲信號(hào)的恢復(fù)

1ssap00v

(t)=kvr(t')e

(-t')dt'

g(t-ττ

τ)dτ要想獲得整個(gè)介質(zhì)厚度范圍內(nèi)的傳遞函數(shù)g(f,z)，必須先求出衰減色散系數(shù)α(f)和β(f)，一般來說，在較低極化電壓作用下，利用上下電極測(cè)試信號(hào)波包進(jìn)行求取三.試樣內(nèi)的PEA聲脈沖畸變及恢復(fù)校正XLPE電纜中PEA聲信號(hào)的恢復(fù)界面空間電荷：

σa，

σb實(shí)際聲波：

p(f

,a),

p(f

,b)至傳感器時(shí)：p0(f

,a),

p0(f

,

b)

p

f

,b

p

f,a

E

2

Ea

E

a

2

b b

b

a

Ea

b

p0

f

,a

p0

f,b

p

f

,b

p

f

,a

ba

e

f

ba

e

j

f

ba

a

b3

2

e

f

ba

e

j

f

ba

XLPE電纜中PEA聲信號(hào)的恢復(fù)

f

b

a

f

1

f

,a

b

a三.試樣內(nèi)的PEA聲脈沖畸變及恢復(fù)校正w

f

eg

f

,r

b

r

32

w

f

3133p

fr2

2

w

p

f

b

r1

2

w2

p

fN

b

rN

2

w

三.試樣內(nèi)的PEA聲脈沖畸變及恢復(fù)校正溫度梯度場(chǎng)下XLPE電纜中聲波傳輸特性的變化一方面，上下電極溫度差越大，聲波幅值衰減越多，另一方面，上下電極溫差越大，相同厚度試樣所需時(shí)間越長較低的相同極化電壓下，下電極溫度恒定上電極溫度逐漸增大的情況下，通過PEA測(cè)試系統(tǒng)獲得的聚乙烯試樣空間電荷波形三.試樣內(nèi)的PEA聲脈沖畸變及恢復(fù)校正溫度梯度場(chǎng)下XLPE電纜中聲波傳輸特性的變化溫度變化時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)的聲阻抗Z、Young模量E、密度ρ、聲速v的變化,但是這些特性的變化不一定全部都會(huì)引起PEA的變化含空間電荷的介質(zhì)單元受到力的作用產(chǎn)生微形變：

tc

f

t

vd+∞∞p

t

kZu

kZ

t振動(dòng)產(chǎn)生壓縮或膨脹波：

vE

t1

vc

dd++p

t

kc

f

t

d

kc

f

t

d

k

t

三.試樣內(nèi)的PEA聲脈沖畸變及恢復(fù)校正溫度梯度場(chǎng)下XLPE電纜中聲波傳輸特性的變化膨脹系數(shù)較大的低密度聚乙烯材料在20-80℃范圍內(nèi)，變化厚度不超過1.4%，考慮到本

試驗(yàn)的介質(zhì)為XLPE電纜本體絕緣，膨脹系數(shù)相對(duì)更小,而且實(shí)驗(yàn)過程中試樣處于緊壓狀態(tài)，近似認(rèn)為厚度不發(fā)生變化在空間電荷量和脈沖電場(chǎng)幅值一定的情況下，溫度對(duì)PEA

的影響主要體現(xiàn)在溫度梯度場(chǎng)中聲速v的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響不同溫度下的聲速分布：V(T)(近似線性)溫度與位置的關(guān)系式：

T(Z)V(z)

=

v[T

(z)]

？1

1

1x

xxa

a

at

v(z)

dz

v(T

)

dz

v[T

(z)]

dz溫度梯度場(chǎng)的情況下聲波從介質(zhì)某處傳遞至傳感器的時(shí)間：三.試樣內(nèi)的PEA聲脈沖畸變及恢復(fù)校正溫度梯度場(chǎng)下XLPE電纜中聲波傳輸特性的變化為了得到絕緣體內(nèi)徑向各位置處的溫度分布，采用穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)有限元法進(jìn)行計(jì)算，并利用溫度傳感器

芯內(nèi)

行監(jiān)測(cè)空氣對(duì)流系數(shù)：熱導(dǎo)率：

10kVXLPE電纜:溫度設(shè)置：8W/m2·K0.3W/m

.K纜芯半徑為9mm，內(nèi)半導(dǎo)電層厚1mm，XLPE絕緣厚4mm，外半厚0.8mm室溫實(shí)測(cè)20℃，根據(jù)傳感器實(shí)測(cè)，分別設(shè)置線芯溫度為51.2℃、42.2℃和

31.9℃線芯溫度為51.2℃時(shí)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布及徑向溫度分布值線性擬合方差δ0.012三.試樣內(nèi)的PEA聲脈沖畸變及恢復(fù)校正溫度梯度場(chǎng)下XLPE電纜中聲波傳輸特性的變化線性擬合方差δ0.019線芯溫度為42.2℃時(shí)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布及徑向溫度分布值線性擬合方差δ0.016線芯溫度為31.9℃時(shí)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布及徑向溫度分布值三.試樣內(nèi)的PEA聲脈沖畸變及恢復(fù)校正溫度梯度場(chǎng)下XLPE電纜中聲波傳輸特性的變化溫度在XLPE電纜徑向呈線性分布，設(shè)電纜內(nèi)外半徑分別為a，b，穩(wěn)定時(shí)絕緣內(nèi)外的溫度分別為T1，T2：T1

T2T

r

T1

r

a

b

a

1vLDPE

r

v

T

r

2272.5

9.5T

r

T1

T2

2272.5

9.5

T

r

ab

a

電纜試樣中不同位置的聲速分布：三.試樣內(nèi)的PEA聲脈沖畸變及恢復(fù)校正溫度梯度場(chǎng)下XLPE電纜中PEA聲信號(hào)的恢復(fù)三.試樣內(nèi)的PEA聲脈沖畸變及恢復(fù)校正溫度梯度場(chǎng)下XLPE電纜中PEA聲信號(hào)的恢復(fù)——幅值溫度梯度場(chǎng)下聲波的幅值由空間電荷量、激勵(lì)脈沖以及聲速的乘積三者共同決定：v

a

E

2

v

bv

b

v

a

a

2

Ea

E

v

b

b b

b

a

Ea

va

b

p

f

,b

p

f

,ap0

p0

f

,a

p

f

,ab

3

2

av

a

v

b

e

f

b

a

eg

f

,r

b

r

3

2

v

r

e

f

br

e

j

f

br

v

b

b

r

3

2

v

r

w

f

br

v

b三.試樣內(nèi)的PEA聲脈沖畸變及恢復(fù)校正溫度梯度場(chǎng)下XLPE電纜中PEA聲信號(hào)的恢復(fù)——時(shí)間軸溫度越高，聲速降低越多，聲波在試樣內(nèi)的

時(shí)間隨著溫度的升高

而增大，在采樣率不變的情況下，

采樣點(diǎn)數(shù)將會(huì)增加，每兩個(gè)采樣點(diǎn)之間對(duì)應(yīng)的徑向的距離Δr=v/f變小，設(shè)采樣的總點(diǎn)數(shù)為N,

根據(jù)前面介紹，溫度梯度場(chǎng)下，聲波

速度線性變化，則第k個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的XLPE

電纜徑向方向的距離為：對(duì)聲波時(shí)間軸的校正實(shí)際上并不是調(diào)整時(shí)間，而是調(diào)整每個(gè)采樣點(diǎn)在介質(zhì)厚度方應(yīng)的距離，試樣厚度是不變的，采樣點(diǎn)數(shù)的變化導(dǎo)致采樣間隔對(duì)應(yīng)的厚度變化發(fā)生2

fkNr

kb

a

v

b

v

b

k三.試樣內(nèi)的PEA聲脈沖畸變及恢復(fù)校正空間電荷測(cè)試信號(hào)單位校正單位校正：將過沖和衰減恢復(fù)后所得的信號(hào)轉(zhuǎn)化為介質(zhì)中空間電荷密度分布信號(hào)。通過下電極處的PEA測(cè)試信號(hào)和相對(duì)應(yīng)的界面電荷密度值來求取Kca1d2capp

z

dz

e

b

TdK

1d210rUdcup

Tca

22t2

up

TsadbIn

b

ap

z

dztp

t

dtK

bIn b

a

v

單位校正系數(shù)還與介電常數(shù)εr有關(guān)，需要考慮頻率f和溫度T對(duì)XLPE絕緣材料的介電常數(shù)的影響三.試樣內(nèi)的PEA聲脈沖畸變及恢復(fù)校正空間電荷測(cè)試信號(hào)單位校正已有研究表明：

聚乙烯的介電常數(shù)是比較小的，在非常寬的頻率范圍內(nèi)介電常數(shù)幾乎保持不變,而且在直流電壓和工頻交流電壓作用下，XLPE的介電常數(shù)差別非常小，可以近似認(rèn)為不變介電常數(shù)在(-40℃—80℃)范圍內(nèi)，隨著溫度的升高而略有降低，降低幅度不到1%，微小變動(dòng)認(rèn)為對(duì)標(biāo)定結(jié)果產(chǎn)生的影響可以忽略四.信號(hào)處理及實(shí)例驗(yàn)證四.信號(hào)處理及實(shí)例驗(yàn)證四.信號(hào)處理國產(chǎn)10kV的XLPE電纜本體，及實(shí)例驗(yàn)證芯施加電壓為-15kV電極界面附近過沖明顯減小，并且沒有出現(xiàn)振蕩過程，說明對(duì)函數(shù)濾波器對(duì)反卷積的約束有效，反卷積恢復(fù)過沖成功恢復(fù)后的上電極波包脈寬與下電極幾乎一致，幅值略大，這是由于電纜的同軸圓柱結(jié)構(gòu)導(dǎo)致線芯內(nèi)外場(chǎng)強(qiáng)不一致引起，側(cè)面說明恢復(fù)程序?qū)π盘?hào)恢復(fù)的準(zhǔn)確四.信號(hào)處理國產(chǎn)10kV的XLPE電纜本體