挤包绝缘直流电缆脉冲电声法（PEA）空间电荷测试方法

范围本文件规定了160kV～500kV挤包绝缘直流电缆脉冲电声法（PEA）空间电荷测试试验方法，包括测试设备、试样准备、测试环境要求、测试程序和数据处理方法等要求。本文件适用于挤包绝缘直流电缆空间电荷测量。2规范性引用文件下列文件的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅所注日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T31489.1 额定电压500kV及以下直流输电用挤包绝缘电力电缆系统第1部分：试验方法和要求JB/T12927固体绝缘材料中空间电荷分布的电声脉冲测试方法3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1电缆绝缘层空间电荷spacechargeincableinsulation存在于电缆绝缘层内部区域并会改变电缆绝缘层径向电场大小的电荷。3.2全尺寸电缆full-sizecable与工程应用具有相同绝缘尺寸和结构的电缆，区别于开发试验的模型电缆。3.3脉冲电声法pulsedelectro-acousticmethod固体绝缘材料中的空间电荷在脉冲电场引起的库仑力作用下形成声波脉冲，并由压电传感器检测后转换为电压信号，根据声波脉冲强度以及压电传感器接收到声波脉冲的时间，获得空间电荷密度及分布位置的方法。3.4激励电脉冲electricpulse在试样内形成脉冲电场，与材料中空间电荷相互作用产生库仑力，形成声波脉冲。3.5灵敏度sensitivity测试系统能够分辨的最小空间电荷密度。与测试系统中压电传感器灵敏度、放大器增益及所施加的激励电脉冲幅值等有关，常用单位为库伦每立方米(C/m3)或微库仑每立方厘米(μC/cm3)。3.6空间分辨率spatialresolution测试系统能够分辨的空间电荷分布的最小空间尺度。主要受激励电脉冲宽度和压电传感器厚度的影响，常用单位为微米(μm)，亦可用电缆试样厚度的百分比表示，推荐值为2%~5%。3.7反卷积deconvolution消除由测试系统自身特性导致的电压信号过冲、振荡等畸变的数据处理方法。3.8空间电荷极化时间polingtime施加的直流电压达到预定值时开始计时，直至撤去施加的直流电压所需的时间。3.9加压测量voltage-onmeasurement为获得空间电荷累积及迁移特性，在施加直流电压极化期间进行的空间电荷测量。3.10短路测量voltage-offmeasurement为获得空间电荷消散特性，在撤去直流电压并短路电缆试样期间进行的空间电荷测量。3.11信号标定signalcalibration施加适当幅值的直流电压，试样内不产生空间电荷积累且能获得足够的测量信噪比，将测量得到的电容电荷信号标定为电荷密度的过程。3.12参考信号referencesignal为确定测试系统的响应函数与声波衰减、色散函数，将信号标定过程中测量得到的电压信号作为参考信号，用于后续的信号恢复处理。3.13信号恢复signalrecovery利用参考信号对测试信号进行声波衰减与色散补偿。4测试设备4.1电极系统4.1.1脉冲电声法空间电荷测试电极宜采用铝或铝合金材料制作，典型结构见图1，包括弧式电极结构和平板式电极结构。图1高压直流电缆脉冲电声法测试电极结构4.1.2测量电极厚度d宜满足下述条件：（1）式中：dsa——电缆绝缘层厚度，单位为毫米（mm）；vsa——电缆绝缘层中声速，单位为米每秒（m/s）。对于交联聚乙烯挤包绝缘高压直流电缆，测量电极厚度不应小于电缆绝缘层厚度的1.6倍。4.2激励电脉冲4.2.1可选的脉冲注入方式包括：a）高压耦合脉冲注入法；b）外半导电层局部剥离注入法；c）测量电极注入法。不同的脉冲注入方式技术特征及选择参见附录A.2.2。4.2.2脉冲信号特征脉冲信号特征如下：a）应具备重复频率输出特征，重复频率不宜小于100Hz；b）脉冲半峰宽Tp应与声波脉冲在压电传感器中传播时间相近，可按式(2)计算： （2）式中：0——空间电荷测试沿试样厚度方向的空间分辨率，推荐值为2%~5%；c）脉冲幅值应根据测试系统的灵敏度合理选择，且应显著小于参考电压幅值，推荐值为参考电压的0.1倍。4.3信号采集系统4.3.1压电传感器宜采用具有压电效应的聚合物类压电薄膜、压电陶瓷或压电晶体制作，压电传感器的厚度按式（3）计算： （3）t——压电传感器沿试样厚度方向的位置分解率，推荐值为1%~2%；vp——压电传感器中声速。4.3.2放大器带宽不宜小于20MHz，放大倍率应满足测试系统的信噪比要求，推荐值为45dB。4.3.3示波器的采样频率不应低于2.5GS/s，带宽不应小于300MHz。4.3.4连接线缆的连接方式应根据本标准第4.2.1条脉冲注入方式确定，要求如下：a）采用高压耦合脉冲注入法或脉冲外半导电层局部剥离注入法时，压电传感器、放大器和示波器之间应通过同轴通信电缆连接；b）采用脉冲测量电极注入法时，应将信号采集系统（含压电传感器、放大器和示波器）对地隔离，并通过光电隔离与转换装置连接放大器和示波器。4.4其他组件耦合电容、保护电阻、屏蔽盒等其他组部件应满足脉冲耦合、系统安全防护及电磁屏蔽要求，选择依据参见附录A.2.4。5试样及测试温度要求5.1试样准备要求5.1.1电缆试样长度应满足测试设备与温度控制设备的安装要求。测试对象为160kV及以上电压等级的全尺寸电缆，电缆试样长度不宜少于15m。5.1.2应根据测量电极与温度控制单元的安装要求，对电缆试样进行必需的机械预处理，包括非金属护套和铠装等部位的剥离。机械预处理应尽量避免对电缆绝缘造成任何损伤，且切口处应进行必需防潮处理。5.2测试电极安装要求5.2.1采用金属夹具对测量电极与电缆试样的界面施加压力时，界面压强宜不大于0.2Mpa，且应避免界面压强过大造成电缆绝缘的显著变形。5.2.2应在测量电极与电缆试样的界面处涂覆薄层的低密度硅油作为声耦合剂。5.3测试温度要求空间电荷测试过程中应控制电缆导体温度、电缆绝缘层温度差，电缆导体最高温度不小于电缆供货商申明值，绝缘层内最大温度差由电缆供货商申明，不宜小于40℃。6空间电荷测试6.1信号标定6.1.1在满足测量信噪比的情况下，信号标定过程中施加的平均直流电场宜不大于5kV/mm，且电缆试样应不发生空间电荷积累。6.1.2信号标定过程中参考信号的采集宜在2min内完成。6.2空间电荷测试6.2.1空间电荷测试应在信号标定后进行，测试步骤如下：a）控制空间电荷测试回路中电缆导体温度和外护套温度，使电缆导体温度和绝缘层温差达到预定值且保持不少于2h；b）对电缆试样施加直流电压进行空间电荷的加压测量，加压测量的试验工况可参照GB/T31489.1中第4.3执行，加压测量的程序可参照表1和表2推荐方案。c）若需要观察电缆试样中的空间电荷消散特性，应按照测试系统的安全防护要求先对电缆导体进行短路，并在电缆导体短路后2min内进行空间电荷的短路测量。表1空间电荷测量推荐方案试验工况ZLZLLCLCHLHL试验次数111111极化时间≥24h≥24h≥24h≥24h≥24h≥24h施加电压+U0-U0+U0-U0+U0-U0注：ZL=零负荷，HL=高负荷，LC=负荷循环，各试验项目间电缆应短路24h。表2极性反转条件下空间电荷测量推荐方案试验工况ZLPRZL试验次数111极化时间≥24h2min≥24h施加电压+U0+U0~-U0-U0注：ZL=零负荷，PR=极性反转。6.3数据处理数据处理的过程如下：a）数据反卷积，消除测试系统响应对输出电压信号造成的畸变，原理与方法参见附录B；b）信号衰减与色散补偿，消除材料中声衰减与色散效应对空间电荷测试结果的干扰，具体方法参见附录C；c）电场和电势计算，获得空间电荷对电场分布的影响，计算方法参见附录D.2。7测试报告空间电荷测量报告中应至少包括以下内容：a）试样信息：包括电缆绝缘材料名称、规格、绝缘层厚度和处理方式等；b）测试参数：包括参考电场、加压电场、加压时间、短路时间、绝缘层温度条件和测量温湿度等；c）测试数据：包括原始测量数据和经过恢复、标定的数据和电荷密度分布，必要时应包括电场分布。

附录A（资料性附录）脉冲电声法测试系统技术要求A.1测试系统结构挤包绝缘电缆脉冲电声法测试系统应包括电极系统、激励电脉冲、信号采集系统及相关组件。测试系统可按图1示意图布置。图A.1脉冲电声法测试系统示意图A.2组部件要求A.2.1电极系统测量电极应配备紧固构件，满足空间电荷测试中对电缆试样施加均匀界面压力的要求，且应充分保证测量电极表面的平整度和光滑度。A.2.2激励电脉冲激励电脉冲应具有输出重复频率脉冲的特征，重复频率由系统信噪比水平决定，一般不低于100Hz；输出阻抗宜为50，以适应测试系统中电脉冲信号传输的阻抗匹配要求。可选的激励电脉冲注入方式如下：a）高压耦合脉冲注入法采用高压耦合脉冲注入法时，脉冲作用于独立的外置耦合电容，并通过电容耦合方式从电缆端部导体纤芯注入。由于电脉冲在长同轴电缆中存在反射和幅值衰减的特性，因此该注入方式不推荐应用于对电缆长度有较高要求的预鉴定试验和型式试验中的空间电荷测量。b）脉冲外半导电层局部剥离注入法采用脉冲外半导电层局部剥离注入法时，脉冲作用于电缆外半导电层，脉冲通过半导电层耦合注入，适用于电压等级较高，长度较长的电缆开发性试验中空间电荷测量。c）脉冲测量电极注入法采用脉冲测量电极注入法时，将脉冲作用于对地隔离的悬浮测量电极，脉冲通过测量点电缆本体电容耦合注入，适用于电压等级较高，长度较长的电缆预鉴定试验和型式试验中空间电荷测量。A.2.3信号采集系统信号采集系统由压电传感器、放大器、示波器及必需的连接线缆组成。A.2.4其他组部件其他组部件的要求如下：a）采用高压耦合脉冲注入法时，耦合电容宜为外置集中电容，推荐值1~10nF；采用脉冲外半导电层局部剥离注入法或脉冲测量电极注入法时，耦合电容为电缆本体耦合电容，耦合电容值由电缆本体特征阻抗决定。b）保护电阻耐压值应高于预定施加的直流电压，功率不应小于试样短路时的高压直流电源最大输出功率。c）屏蔽盒宜采用铝或黄铜材料制作。

附录B（资料性附录）数据反卷积B.1数据反卷积原理由于声波在不同材料（如电缆试样、测量电极、压电传感器、声吸收层）界面间的声反射荷测试系统的带宽限制，脉冲电声法测试系统检测的电压信号存在信号畸变现象，见图B.1。这类信号畸变可作为测量设备的系统误差，并利用反卷积技术消除。检测的电压信号us(t)可表示为系统的脉冲响应函数h(t)和空间电荷分布ρ(t)的卷积形式（B.1）：(B.1)确定测试系统的脉冲响应函数h(t)后，即可通过反卷积运算获得空间电荷分布ρ(t)。将时域信号变换到频域后，卷积形式可表示为（B.2）：(B.2)式中：Us(f)、R(f)和H(f)分别是us(t)、ρ(t)和h(t)经傅利叶变换后的频域形式。脉冲响应函数H(f)又称为测试系统传递函数。数据反卷积即根据公式（B.2）消除测试系统响应R(f)，计算空间电荷分布的数字处理技术。图B.1脉冲电声法测量信号畸变示意B.2数据反卷积方法与要求B.2.1数据反卷积方法数据反卷积计算应先由参考信号计算测试系统响应函数h(t)。实际应用中，应对电缆试样施加较低的直流电压，试样内不发生空间电荷积累，此时测试系统测量得到的参考信号仅反映电极界面电容电荷信号。由于声波在试样中传播发生衰减与色散现象，靠近测量电极的界面电荷峰信号失真较小，宜用于计算测试系统响应函数。由于测试系统的带宽以及示波器采样时间s的限制，实际测量得到的电极界面电容电荷(ro)具有分布式特征，表现为测量测量电极处体电荷密度(ro)，见图B.2。且二者满足以下关系（A.3）：(B.3)根据公式（B.2）电极界面电荷电容与参考信号Vr(f)满足关系：(B.4)式中：R0(f)是感应电荷ρ(t)的傅利叶变换后的频域形式，可按照公式（B.5）计算。(B.5)面电荷密度面电荷密度σ(ro)体电荷密度ρ(ro)Δx=svsa图B.2电极界面电容电荷与体电荷式中：b，a分别为电缆绝缘内径和外径尺寸，Udc为测量参考信号时施加的直流电压。根据公式（B.4）和（B.5）可确定测试系统响应函数H(f)。当试样内存在空间电荷积累时，可按照公式（B.6）计算得到空间电荷分布的频域形式R(f)。(B.6)B.2.2数据反卷积要求a）应采用低通滤波器抑制数据反卷积中可能的高频发散现象；b）低通滤波器的截止频率应与测试系统空间分辨率对应频率相近。

附录C（资料性附录）信号衰减与色散补偿C.1衰减与色散补偿原理挤包绝缘直流电缆脉冲电声法空间电荷测量中，由于电缆同轴结构及较大的绝缘厚度，声波脉冲在试样中传播时发生幅值减小和相位变化的现象，在不同材料中的声衰减和色散效应分别用声衰减函数(f)和声色散函数(f)表征。为简化说明这一效应，本标准忽略了高压直流电缆线芯和挤包绝缘层之间的半导电屏蔽层，电缆绝缘结构简化示意见图C.1。本标准所涉及的电缆空间电荷测试仍属于一维方向的空间电荷测试范畴，因此仅涉及图示径向方向（即r方向）测量信号的处理。图C.1挤包绝缘高压直流电缆简化结构示意图试样中任意位置r处声波信号传播后，由于衰减与色散效应，被放大器测得的信号失真。原始信号U(r,f)与放大器测得的信号U0(r,f)满足关系：(C.1)脉冲电声法空间电荷测量中的衰减与色散补偿，即根据公式（C.1）消除衰减与色散效应的影响，获得原始未失真的信号。C.2衰减与色散函数计算电缆绝缘无空间电荷积累时，绝缘中任意位置r处电场分布为：(C.2)放大器输出的电压信号U(r,f)与绝缘内电场E(r)的关系满足：(C.3)由公式（C.1），测试系统测量得到的电缆内外半导电层与绝缘的界面处的电压信号,，满足关系：(C.4)(C.5)由（C.3~C.5）可得：(C.6)所以，衰减与色散系数的形式为：(C.7)式中：φ(a,f)，φ(b,f)——Uo(a,f)和Uo(b,f)的相位。C.3衰减与色散补偿方法在衰减、色散系数计算中，定义变量衰变系数A(f)(C.8)由式（C.6）可得：(C.9)因此，公式（C.1）可改写为：(C.10)故，恢复后的放大器输出电压信号的频域表达形式为：(C.11)通过对低场强下空间电荷分布信号处理计算，可求取衰变系数A(f)。根据式（C.11），可由空间电荷测试信号，求取电缆绝缘层中空间电荷分布情况，计算步骤如下：a）反卷积处理低场强下空间电荷测试输出信号，得到参考信号Uref(t)；b）由反卷积后的空间电荷输出信号，求取绝缘内、外表面电荷信号Ua(t)、Ub(t)，经傅里叶变换为频域形式，即Uref(a,f)和Uref(b,f)；c）将Uref(a,f)和Uref(b,f)代入式（C.9）求得A(f)；d）反卷积处理低场强下空间电荷测试输出信号Uo(t)，得到其反卷积后的频域表达式Uo(f)；e）根据式（C.11）在频域上求得特定场强下原始空间电荷分布信号，并进行逆傅里叶变换得到原始时域信号；

附录D（资料性附录）后处理过程D.1信号标定信号标定即求取电容电荷受激产生的电压信号U(r)与电荷密度(r)之间的校正常数,见式（D.1）(D.1)电缆绝缘外半导电层界面电荷受激产生的声波直接通过测量电极，被压电传感器检测，声波传输中的衰减和色散效应可忽略不计。由该界面电荷受激输出的电压信号U(r)与界面电荷密度σ之间的关系可计算Kca。图D.1电缆绝缘界面电荷波形电缆绝缘层外半导电层界面电荷产生的电压波形Uσ(t)具有脉冲分布，见图D.1。t1，t2为脉冲波形的起始与终止时间。忽略测量电极对声波脉冲的时延作用，脉冲电压波形U(t)与表面电荷密度的关系满足：(D.2)式中：——电缆绝缘层外表面电荷密度；T——激励电脉冲的脉冲，为激励电脉冲半脉宽Tp的2倍。电缆绝缘层中脉冲电场的形式为:(D.3)综合式（D.1~D.3），可得Kca的表达式:(D.4)式中：Udc——外施高压直流电压;Up——脉冲电压幅值。假设激励脉冲具有冲激函数状分布，上式可简化为:(D.5)D.2电场与电势计算D.2.1电场计算电缆绝缘层中电场强度和电势的计算公式可由泊松方程给出。柱坐标系下泊松方程表达式为：(D.6)式中：ρ(r,ϕ,z)——空间电荷密度。假定空间电荷轴向均匀分布，式（D.6）可简化为：(D.7)由d/dr=-E，上式可进一步简化为：(D.8)式（D.8）的通解形式为:(D.9)电缆绝缘层内电场强度由施加的直流电压引起的容性电场分量和空间电荷共同贡献，可利用叠加法确定E(r)。由拉普拉斯方程，可计算得到同轴电缆绝缘层中容性电场强度分量表达式为：(D.10)空间电荷单独贡献的电场强度分量为：(D.11)对比式（D.9），可得：(D.12)因此，电缆绝缘层中电场强度表达式为：(D.13)D.2.2电势计算对空间电荷计算电场进行数值积分，求取电势分布，以验证测量结果的准确性。电缆