基于电声脉冲法的高压直流电缆空间电荷二维成像方法与流程

技术特征：

1.一种基于电声脉冲法的高压直流电缆空间电荷二维成像方法，所述方法用的装置包括高压直流电源、脉冲电源、挤包绝缘电缆、铝电极、压电传感器、声吸收层和信号放大器；所述高压直流电源和脉冲电源分别连接在导体线芯上；所述铝电极设置在挤包绝缘电缆外部；所述压电传感器贴合于铝电极外部；所述声吸收层位于压电传感器一侧，信号放大器用于放大压电传感器输出的信号；其特征在于，所述方法包括下述步骤：

(1)以电缆的导体线芯中心为坐标原点，构建圆柱坐标系，导体线芯中心为z轴，垂直有z轴的平面为r和θ平面，z＝0平面为空间电荷成像横截面；

(2)在电缆外屏蔽层的外侧布置压电传感器，压电传感器输出电压信号，每个压电传感器接收到的信号均包含空间电荷在整个成像横截面上的分布信息；

(3)压电传感器的数量至少为2，当压电传感器数目为2时，两个压电传感器不能布置在绝缘横截面的同一直径上，压电传感器多角度获得电声脉冲PEA信号，电声脉冲PEA信号经过放大器放大；

(4)空间电荷在脉冲电场作用下直线振动，振动方向与具有散度的脉冲电场在空间电荷处的方向重合；

(5)直线振动产生的声波信号具有辐射特性，不同的声波传播方向上声波强度不同，根据声波传播方向计算声波在压电传感器方向上的方向系数；

(6)确定空间点与压电传感器之间的传递函数和声波到达压电传感器的时延；

(7)设定脉冲电压为一理想的冲击信号，根据压电传感器输出的测量信号、传递函数，反解出空间电荷的二维分布，对空间电荷进行二维成像；

(8)对空间电荷分布特性进行全面分析，得到出水树枝、电树枝、杂质在绝缘中的位置、大小和形状。

2.如权利要求1所述的高压直流电缆空间电荷二维成像方法，其特征在于，所述步骤(5)中，声波在压电传感器方向上的方向系数如下式所示；

$D(k,\mathrm{\μ})=\frac{2J_1(k\·a\·sin(\mathrm{\μ}))}{k\·a\·\sin \left(\mathrm{\μ}\right)}$

式中：J₁(*)为第一类一阶贝塞尔函数；k为波数，即单位长度内声波周期数；a为声源半径；μ为偏离声源振动的方向角；当振动粒子的位移接近或小于粒子半径时，粒子振动产生的声波为球面波，即声波在压电传感器方向上的方向系数D(k，μ)在各个方向上近似相等，D(k，μ)＝1。

3.如权利要求1所述的高压直流电缆空间电荷二维成像方法，其特征在于，所述步骤(6) 中，根据每个压电传感器的二维坐标和空间二维坐标的位置关系，结合声波在绝缘介质中的衰减特性和声波在绝缘介质中的传播速度，以及压电传感器之间的坐标关系，计算空间点与压电传感器之间的传递函数和声波到达压电传感器的时延，即像素点与传感器的距离l除以声波在绝缘介质中的声速c。

4.如权利要求1所述的高压直流电缆空间电荷二维成像方法，其特征在于，所述步骤(7)中，所述传递函数为：处的传感器接收到的信号为p_h(t)，并设传感器的个数为H个，h＝1，…，H；将电缆绝缘层外的半径构成的圆环均分为N等分，半径均分为M等分，1<m<M，1<n<N，绝缘横截面分为MN个像素区域，像素点(r_m，θ_n)到传感器的传输方程和传输时间分别用下式表示：

式中，r_in为电缆绝缘的内半径，R₀为电缆绝缘的外半径，α(f)、β(f)分别为声波在介质中的衰减系数和色散系数，为像素点(r_m，θ_n)的电场强度，V_p为脉冲电压的幅值，T为脉冲电压的脉宽；r_m为像素半径坐标，θ_n为像素的角度坐标，t为时间，为声波由(r_m，θ_n)传播到的时间,为像素点(r_m，θ_n)到传感器的距离，c为声波在介质中的传播速度；

将处的传感器接收到的信号p_h(t)构造成为1×MN的离散向量p_h(t_(m,n))，对应于第h个传感器，即处的传感器接收到像素点(r_m，θ_n)传来的声波信号p_h(m，n)如下式所示：

其中：ρ(r_m,θ_n)表示在像素点(r_m，θ_n)的空间电荷密度；

处传感器接收的声波信号总和如下式所示：

其向量形式表达为：

将(r_m，θ_n)简化表示为(m，n)，其中：p_h(m,n)表示第h个传感器接收到由像素(m，n)处空间电荷产生的声波信号；

H个传感器接收到的信号构成一个H×MN维矩阵P_H×MN：

传递函数矩阵G_H×MN表示为：

空间电荷分布构成一个MN×MN的方阵，只有对角线上有元素：

则P_H×MN、G_H×MN、ρ_MN×MN的关系为：

P_H×MN＝G_H×MNρ_MN×MN

即：

根据上式中测量矩阵P_H×MN和传递矩阵G_H×MN求解出空间电荷矩阵ρ_MN×MN，进而得到整个绝缘界面的空间电荷分布。

5.如权利要求1所述的高压直流电缆空间电荷二维成像方法，其特征在于，所述步骤(8)中，空间电荷在整个成像横截面上的分布信息包括空间电荷的密度、位置和极性，根据空间电荷在绝缘横截面上的分布情况，对其分布位置和密度进行分析，结合水树枝、电树枝产生空间电荷的机理，得到绝缘中水树枝、电树枝、缺陷在测量横截面上的大小、位置和形状的信息。