本發(fā)明涉及的是一種電力設備絕緣電性能測量領域的技術，具體是一種強電脈沖激勵下空間電荷量的優(yōu)化檢測方法。

背景技術：

1、空間電荷分布是微觀機理層面分析絕緣介質電學性質的重要特征表征，其常用檢測手段為電聲脈沖法，即絕緣介質在電脈沖激勵場下的空間電荷-聲波信息變換，而這類轉化理論上存在非線性特性，因此在近四十多年的實踐應用中，為將非線性特性控制在可接受的線性范圍，實現對介質內空間電荷的精確定位和定量檢測，現有技術均對電脈沖激勵電場有嚴格的限制，必須采用弱電脈沖場激勵。但在該弱脈沖激勵下形成的聲波表征信號能量低，在聲波從試樣內空間電荷位置至壓電傳感器的傳播過程中，經不同傳播介質的界面反射和內部衰減，到達壓電傳感器的聲波能量較低，傳感器兩端形成的電壓微弱，易受系統噪聲干擾，從而導致空間電荷的電荷量檢測靈敏度低?，F有電聲脈沖法空間電荷檢測裝置的原始信號信噪比普遍較低，特別在低極化電場下往往被系統噪聲淹沒，必須先采集千次原始信號數據進行數據平均處理，才能滿足檢測的靈敏度需求，這導致現有的電聲脈沖法空間電荷檢測速度過慢，難以觀測快速變化的電荷響應。

技術實現思路

1、本發(fā)明針對現有電聲脈沖法空間電荷檢測中在弱電脈沖場激勵下表征空間電荷的原始電壓信號低信噪比，導致電荷量靈敏度低和數據平均處理技術后難以精確觀測空間電荷響應快速變化的缺陷，提出一種強電脈沖激勵下空間電荷量的優(yōu)化檢測方法，僅采用電脈沖激勵強度升高后的高信噪比電壓信號及對應的線性修正方法，顯著提高檢測的電荷靈敏度和速度。

2、本發(fā)明是通過以下技術方案實現的：

3、本發(fā)明涉及一種強電脈沖激勵下空間電荷量的優(yōu)化檢測方法，將試樣置于上、下電極之間后，在電極上順序施加隨時間t變化的直流/交流極化電場e極化(t)和強電脈沖電場e脈沖(t)的不同組合疊加激勵，試樣中位置x處的電荷密度為ρ(x)的空間電荷在強脈沖電場力f的擾動時，在對應位置x處形成強聲波p信號，聲波p向下電極(低壓)方向傳播，經傳播時間t后到達下電極(低壓)側的壓電傳感器，并由壓電傳感器將聲波信號p轉化為可檢測的增強電壓信號v(t)后，根據不同順序組合激勵疊加下增強電壓信號v(t)中平方非線性項的提取和扣除，完成增強電壓信號v(t)的線性優(yōu)化修正，最后通過電壓信號v(t)-空間電荷密度ρ(x)的變換處理，獲得空間電荷密度ρ(x)的分布。

4、所述的直流/交流極化電場的范圍為0.1kv/mm至試樣的擊穿電場。

5、所述的強電脈沖電場的范圍為0.2kv/mm至試樣的電荷注入閾值電場。

6、所述的優(yōu)化檢測方法，具體包括：

7、步驟s1、基準測量：在極化電場e極化(t)＝0的情況下，施加強電脈沖激勵電場e脈沖(t)＝e脈沖-強，獲得高信噪比的基準數據其中：e脈沖-強為電脈沖激勵電場，∈為試樣的介電常數；

8、步驟s2、參考測量：在強電脈沖激勵電場e脈沖(t)＝e脈沖-強(t)下，施加極化電場e極化(t)＝e極-參(t)，獲得參考電場的原始電壓數據其中：ρ面-參為極化電場e極-參(t)下試樣/電極界面處的電荷密度；

9、步驟s3、參考修正，將步驟s2中的參考電場的原始電壓數據v原-參(t)減去步驟s1的基準數據v基(t)，扣除電脈沖激勵電場e脈沖-強的非線性平方項，獲得空間電荷檢測的參考修正數據v修-參(t)，具體為：v修-參(t)＝ρ面-參(t)·e脈沖-強(t)；

10、步驟s4、評定測量：在強電脈沖激勵電場e脈沖(t)＝e脈沖-強(t)下，根據試樣特性和實驗需求施加極化電場e極化(t)＝e極-評(t)，獲得評定電場下的原始電壓數據其中：ρ面-評為極化電場e極-評(t)下試樣/電極界面處的空間電荷密度，ρ內-評為極化電場e極-評(t)下試樣內部的空間電荷密度；

11、步驟s5、評定修正：將步驟s4中的評定電場的原始電壓數據v原-評(t)減去步驟s1中的基準數據v基(t)，獲得評定修正數據v修-評(t)＝ρ面-評(t)·e脈沖-強(t)-ρ內-評(t)·e脈沖-強(t)；

12、步驟s6、電荷變換：根據步驟s3的參考修正數據v修-參(t)和步驟s5評定修正數據v修-評(t)，經電聲脈沖法常規(guī)數據處理流程，獲得試樣中的空間電荷分布ρ(x)。

13、所述的電聲脈沖法常數數據處理流程是指：固體絕緣材料中空間電荷分布的電聲脈沖測試方法jb/t?12927-2016中推薦的測量數據處理流程，含傳播時間t和空間位置x變換、反卷積處理和數據恢復及標定。

14、優(yōu)選地，步驟s4中強電脈沖激勵電場e脈沖-強(t)和極化電場e極-參(t)的疊加電場控制在試樣電荷注入的閾值電場范圍內，即保證內部電荷ρ內(t)＝0，從而防止強脈沖電壓下試樣中的電荷注入；進一步優(yōu)選，在強電脈沖激勵電場e脈沖-強(t)和極化電場e極-參(t)疊加電場下不出現試樣內部空間電荷的積累。

15、技術效果

16、相比現有技術為防止空間電荷密度ρ(x)-電壓信號v(t)變換中平方非線性項對電壓信號v(t)線性變換精度的影響，必須采用弱電脈沖場激勵的方式達到忽略平方非線性項的目標，而現有空間電荷檢測標準中弱脈沖電場激勵下表征空間電荷密度ρ(x)的電壓信號v(t)幅值較弱，極易淹沒在電磁噪聲背景中，經采集千次原始信號數據進行數據平均處理后，難以觀測快速變化的電荷響應。本發(fā)明利用了強電脈沖場下電壓信號v(t)中一次方線性項和平方非線性項的同步增強和平方非線性項扣除，實現強電脈沖場下的空間電荷密度ρ(x)和電壓信號v(t)線性優(yōu)化檢測，在不改變目前電聲脈沖法空間電荷檢測硬件的前提下，僅利用強脈沖電場下v(t)中一次方線性項和平方非線性項同步增強和非線性項扣除，在提高電壓信號v(t)幅值的同時，實現電壓信號v(t)和空間電荷密度ρ(x)的線性變換，可顯著提高空間電荷檢測的電荷靈敏度。

技術特征：

1.一種強電脈沖激勵下空間電荷量的優(yōu)化檢測方法，其特征在于，將試樣置于上、下電極之間后，在電極上順序施加隨時間t變化的直流/交流極化電場e極化(t)和強電脈沖電場e脈沖(t)的不同組合疊加激勵，試樣中位置x處的電荷密度為ρ(x)的空間電荷在強脈沖電場力f的擾動時，在對應位置x處形成強聲波信號p并向低壓方向傳播，經傳播時間t后經傳感器采集到增強電壓信號v(t)后，根據不同順序組合激勵疊加下增強電壓信號v(t)中平方非線性項的提取和扣除，完成增強電壓信號v(t)的線性優(yōu)化修正，最后通過電壓信號v(t)-空間電荷密度ρ(x)的變換處理，獲得空間電荷密度ρ(x)的分布。

2.根據權利要求1所述的強電脈沖激勵下空間電荷量的優(yōu)化檢測方法，其特征是，所述的提取和扣除，通過以下方式實現：

3.根據權利要求1或2所述的強電脈沖激勵下空間電荷量的優(yōu)化檢測方法，其特征是，所述的線性優(yōu)化修正是指：在強電脈沖激勵電場e脈沖(t)＝e脈沖-強(t)下，根據試樣特性和實驗需求施加極化電場e極化(t)＝e極-評(t)，獲得評定電場下的原始電壓數據其中：ρ面-評為極化電場e極-評(t)下試樣/電極界面處的空間電荷密度，ρ內-評為極化電場e極-評(t)下試樣內部的空間電荷密度；將評定電場的原始電壓數據v原-評(t)減去步驟s1中的基準數據v基(t)，獲得評定修正數據v修-評(t)＝ρ面-評(t)·e脈沖-強(t)-ρ內-評(t)·e脈沖-強(t)。

4.根據權利要求1或2所述的強電脈沖激勵下空間電荷量的優(yōu)化檢測方法，其特征是，所述的變換是指：根據參考修正數據v修-參(t)和評定修正數據v修-評(t)，經電聲脈沖法常規(guī)數據處理流程，獲得試樣中的空間電荷分布ρ(x)，即固體絕緣材料中空間電荷分布的電聲脈沖測試方法jb/t?12927-2016中推薦的測量數據處理流程，含傳播時間t和空間位置x變換、反卷積處理和數據恢復及標定。

5.根據權利要求3所述的強電脈沖激勵下空間電荷量的優(yōu)化檢測方法，其特征是，所述的強電脈沖激勵電場e脈沖-強(t)和極化電場e極-參(t)的疊加電場控制在試樣電荷注入的閾值電場范圍內，即保證內部電荷ρ內(t)＝0，從而防止強脈沖電壓下試樣中的電荷注入。

6.根據權利要求3所述的強電脈沖激勵下空間電荷量的優(yōu)化檢測方法，其特征是，所述的強電脈沖激勵電場e脈沖-強(t)和極化電場e極-參(t)疊加電場下不出現試樣內部空間電荷的積累。

技術總結
一種強電脈沖激勵下空間電荷量的優(yōu)化檢測方法，將試樣置于上、下電極之間后，在電極上順序施加隨時間變化的直流/交流極化電場和強電脈沖電場的不同組合疊加激勵，試樣中位置x處的電荷密度為ρ(x)的空間電荷在強脈沖電場力的擾動時，在對應位置x處形成強聲波信號并向下電極方向傳播，經傳播時間t后到達下電極側的壓電傳感器，并由壓電傳感器將強聲波信號轉化為可檢測的增強電壓信號后，根據不同順序組合激勵疊加下增強電壓信號中平方非線性項的提取和扣除，完成增強電壓信號的線性優(yōu)化修正，最后通過電壓信號V(t)?空間電荷密度ρ(x)的變換處理，獲得空間電荷密度的分布，本發(fā)明僅采用電脈沖激勵強度升高后的高信噪比電壓信號及對應的線性修正方法，顯著提高檢測的電荷靈敏度和速度。

技術研發(fā)人員：吳建東,尹毅
受保護的技術使用者：上海交通大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/10