电声脉冲法空间电荷测量方法

电声脉冲法

（ｐｕｌｓｅｄｅｌｅｃｔｒｏａｃｏｕｓｔｉｃ，ＰＥＡ）NOMEX合成纤维绝缘介质在直流电场中的空间电荷特性_廖瑞金1.1空间电荷密度分布测量系统

测量时，脉冲源向试样施加一个高压窄脉冲，引起介质中的空间电荷产生微小位移，并以声波形式传播至压电传感器，再转换为电信号后即可获取空间电荷密度分布特性。本试验中脉冲源（加拿大ＡＶＴＥＣＨ公司产ＡＶＩＲ１Ｃ型号）脉冲宽度为２～５ｎｓ，脉冲电压幅值２００Ｖ，高压直流源（日本ＭＡＴＳＵＳＡＤＡ公司产ＡＵ２０Ｒ３ＬＣ型号）为０～±２０ｋＶ可调。试验声耦合剂为硅油，测量环境温度为（２５±１）°Ｃ，相对湿度为（４０±２）％。

试验中外施电压采用梯级升压方式施加，本文对试样施加负极性直流高压，场强分别为５、１５、２５、５０ｋＶ／ｍｍ。对每个试样测量加压３０ｍｉｎ内和去压短路３０ｍｉｎ内的空间电荷密度分布。每个测量时间点进行１０００次测量，取其平均值作为该时间点测量结果，以消除噪声影响。

1.2空间电荷密度分布波形的数据恢复

声波在固体介质中传播时会发生衰减和色散，在多层复合介质中传播时会在两种介质的界面处发生折反射现象，这些因素都将导致波形失真。本文从以下两方面入手，对失真后的波形进行恢复重建，尽可能消除上述影响因素，以得到真实的空间电荷密度分布波形［２８］。

软件方面。本文通过软件修正测量信号，以尽量减小声波信号在介质中的色散和衰减所产生的信号畸变。基本原理如下：因空间电荷密度分布的理想波形ρｉ（ｔ）与测量得到的衰减后波形ρａ（ｔ）在时域存在卷积关系为

ρａ（ｔ）＝ｇ（ｔ，ｚ）ρｉ（ｔ）。（１）

式中，ｇ（ｔ，ｚ）是介质衰减与传递时间ｔ和位置ｚ的衰减传递函数。所以，通过对衰减后的波形ρａ（ｔ）进行反卷积，可求得介质中的真实波形。

在ＰＥＡ的数据处理程序中，通过求出介质中每个基本点的衰减传递函数ｇ（ｔ，ｚ），即可求得介质中的衰减传递矩阵Ｇ（ｔ，ｚ），通过恢复方程

ρｉ（ｚ）＝Ｇ－１（ｔ，ｚ）ρａ（ｚ），（２）

从而重建整个介质中的真实空间电荷密度分布波形。

硬件方面。本文在ＰＥＡ测量系统中采用可与传感器进行较好匹配的铝电极作为下电极，在电极与绝缘介质间使用硅油作为声耦合剂，以尽可能弥补声波在被测绝缘纸中传播时的色散与衰减。

2试验模型设计

在变压器内绝缘中，油纸绝缘是将绝缘纸进行多层叠加后再真空浸油以形成固液二相复合油纸绝缘系统的。考虑到声波在固液二相复合绝缘介质中传播时会产生折反射现象，结合本文研究的侧重点在于理解ＮＯＭＥＸ合成纤维绝缘纸的空间电荷特性，本文将试验对象模型设计为单层ＮＯＭＥＸ绝缘纸，并在测量前先对绝缘纸试样双表面进行吸油预处理，除去表面的变压器油。通过以上方法处理后，试验对象被简化为“单层固体绝缘纸”模型，以尽力消除试样表面液体油膜层对声波传播的影响，从而实现对绝缘纸空间电荷密度分布的测量。

3频域介电谱特性的测量

基于频域介质响应的频域介电谱（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，ＦＤＳ）法是利用介质在交流电压下的极化特性，通过外施正弦电压，测量流过试样的电流峰值和相位，而得到相对介电常数ε、介质损耗角ｔａｎδ、复电容等与频率有关极化参数变化情况的方法。本文中频域介电谱特性采用Ｎｏｖｏｃｏｎｔｒｏｌ宽频介电和阻抗谱仪进行测量，系统频率变化范围为３μＨｚ～３ＧＨｚ。试验时选取镀金铜电极（直径４０ｍｍ）作为测量固体绝缘纸试样时的附加电极，测量频率范围选取为１０－２～１０６Ｈｚ。每种绝缘纸测量５个试样，每个试样测量３次，以保证试验数据重复性。试验环境温度为（２５±１）°Ｃ，相对湿度为（４０±２）％。