基于PEA空间电荷测量判断绝缘老化的方法

摘要

本发明涉及一种基于PEA空间电荷测量判断绝缘老化的方法，建立电声脉冲法空间电荷测量系统，电力电缆的绝缘层进行空间电荷测试，对空间电荷的绝对电荷量进行统计将当前测量的量和阀值、历史数据进行对比，利用总量的大小、电荷增加的速度分析参数实现对绝缘的评估；根据外施高压电源电场和绝缘内部空间电荷分布曲线，利用电场强度的方法对电力电缆绝缘进行分析，当计算的场强高于设计值时，则认为会对绝缘造成损坏，还可以利用电场强度的增加速度判断绝缘的老化程度。本发明实现对电力电缆绝缘内部空间电荷的在线监测，根据数据对电力电缆绝缘进行老化评估。

主权项

一种基于PEA空间电荷测量判断绝缘老化的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：1)建立电声脉冲法空间电荷测量系统：高压脉冲源与高压电容串联后接电力电缆两端的上下铝电极，同时直流高压电源通过限流电阻也接电力电缆上下两端的上下铝电极，压电传感器紧贴在下铝电极下表面，压电传感器下采用有机玻璃声波吸收层对压电传感器上压力波反射进行吸收，压电传感器输出电压信号，此电压信号经过放大后送计算机；2)进行空间电荷测试：首先高压电源在电力电缆的绝缘层中形成空间电荷，假设试样为均匀介质，绝缘层其内部空间电荷分布为ρ(x)，E(x)为未叠加外施高压脉冲时试样内部的电场强度，它由两部分电场强度贡献，即外施高压电源电场强度E_dc与空间电荷产生的电场强度E_q(x)，电力电缆与下铝电极界面上的面电荷密度为σ₁，电力电缆下表面的电场强度为E₁；电力电缆上铝电极界面上的面电荷密度为σ₂，电力电缆上表面电场强度为E₂，根据高斯通量定理，有σ₁＝ε₀ε_rE₁σ₂＝ε₀ε_rE₂式中ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数；对电力电缆加高压脉冲，在电力电缆上形成总的压力波P(t)，P(t)由三部分组成：P₀(t)为上铝电极电荷形成的压力波；P₁(t)为下铝电极电荷形成的压力波；P₂(t)为电力电缆绝缘层中空间电荷形成的压力波，通过压电传感器检测可得电压信号V_s：$V_s=\frac{q\left(t\right)}{C_s}=\frac{d_{ss}{d}_s}{{ϵ}_0{ϵ}_r}p\left(t\right)=g_{ss}{d}_{s}p\left(t\right)$式中：q(t)为压电传感器的压电薄膜形成的电荷，C_s为压电传感器的等值电容，d_ss为压电传感器的压电薄膜厚度方向的压电应变常数，代表了在压电薄膜厚度方向上施加1Pa压强单位面积产生的电荷；g_ss为压电薄膜厚度方向的压电应力常数，代表了在压电薄膜厚度方向上施加1Pa压强所产生的电场强度；d_s为压电薄膜的厚度，ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数；3)对空间电荷的绝对电荷量进行统计：首先将压电传感器输出的电压信号转换成电荷信号，以无衰减的外电极上的峰值进行校验，电荷密度和电压幅值成线性关系，ρ(x)＝K_caxV_s，电荷密度和电压幅值的比例系数K_ca为：$K_{ca}=\frac{{ϵ}_0{ϵ}_r{U}_{dc}}{bln(b/a)v_{sa}{\int }_{t_1}^{t_2}{U}_{\sigma }\left(t\right)dt}$式中：ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数，U_dc为外施电压的幅值；a、b为被测电力电缆同轴结构的绝缘层内外半径，v_sa为压力波的传播速度，Uσ(t)为声波的电压值，t1和t2为积分的范围，t1和t2表示为外电极表面电荷所形成的声波的开始和结束时间；对空间电荷分布曲线进行了绝对值积分：$Q={\int }_0^l\left|\rho \left(x\right)\right|dx$式中：Q为总电荷量，l为试样的厚度，ρ(x)代表在x处的的电荷密度，将当前测量的总电荷量和阀值、历史数据进行对比，利用总电荷量的大小、电荷增加的速度分析参数实现对绝缘的评估；4)根据外施高压电源电场和绝缘内部空间电荷分布曲线，利用电场计算的方法对电力电缆绝缘进行分析，当计算的场强高于设计值时，则认为会对绝缘造成损坏，同时可以利用电场强度的增加速度判断绝缘的老化程度，在这里近似认为空间电荷密度只依赖于r表示为ρ(r)，r表示为绝缘层空间位置对应的绝缘层半径，ρ(r)表示为半径为r处的电荷密度，电缆绝缘层中电场强度表达式为：$E\left(r\right)=\frac{1}{r}[{\int }_a^r\frac{r^{\prime }\rho \left(r^{\prime }\right)}{{ϵ}_0{ϵ}_r}{\mathrm{dr}}^{\prime }+C],C=\frac{U_{dc}}{In(b/a)}$公式中E为某处的电场强度，C为常数，r’为某处的半径；根据电势的定义，电缆绝缘中电势分布表达式为：$\phi \left(r\right)=-a{\int }_a^{r}E\left(r^{\prime }\right){\mathrm{dr}}^{\prime }+U_{dc}$式中：φ(r)为某处的电势，U_dc为外施高压电源电压。