華北電大李慶民:電極聲阻抗對電聲脈衝法恢復算法與測量結果影響

2021-01-08 電氣新科技

團隊介紹

華北電力大學電氣與電子工程學院李慶民教授，任高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室主任。其課題組目前有8名博士研究生，17名碩士研究生。所在團隊主要從事高頻電介質材料與絕緣特性、放電物理及其應用、在線監測與故障診斷、風電雷擊演化物理機制與防護技術、新型直流裝備關鍵技術等方面的科學研究工作。已參與完成國家自然科學基金項目、國家973計劃課題、國家863計劃課題等20餘項，發表學術論文400餘篇，授權專利40餘項，獲省部級科技進步獎一等獎1項、二等獎3項、三等獎2項。

導語

在電聲脈衝空間電荷測量方法中，該文針對傳統恢復算法所依據的「上電極與試樣聲阻抗相等」這一基本假設條件，結合聲阻抗存在差異這一實際情況進行了恢復算法的優化分析，提出了考慮上電極聲阻抗影響、適用於單雙層介質界面與空間電荷的改進恢復算法。

研究背景

空間電荷積聚是導致絕緣內部局部電場畸變的重要因素，進而直接影響絕緣材料的老化、劣化和擊穿過程。針對空間電荷積聚的研究，當前主要依賴於準確的電荷測試技術。目前發展最為成熟的測量方法——電聲脈衝（PEA）法，其獲得的最終測量結果不僅需要準確的直接測量技術，還往往要求針對畸變信號的恢復算法足夠可靠。

傳統PEA法測試信號的推導過程，均建立在半導電上電極與被測試樣聲阻抗相等這一假設前提下，而已有測試研究發現兩種介質的聲阻抗必然存在一定的差異。由此，在國家自然科學基金項目（51477051，51628701）的資助下，課題組重點圍繞考慮聲阻抗差異時的恢復算法展開了研究，研究成果對應用PEA法追蹤空間電荷積聚現象的相關研究領域具有重要參考價值。

論文所解決的問題及意義

本文基於電聲脈衝法直接測試波形的畸變原理與恢復過程，推導獲得了考慮半導電上電極與試樣聲阻抗差異時的改進恢復算法，與傳統算法的對比證明了改進算法的更高精確度。相關研究成果對準確評估單、多層介質中空間電荷分布和畸變電場狀況等都具有重要的參考價值。

論文方法及創新點

論文總體研究方法如圖1所示。

圖1 論文總體研究方法

具體研究方法如下：

（1）基於電聲脈衝法等效傳輸線模型，仿真討論了聲阻抗差異對測試結果的直接影響。（2）基於聲阻抗差異條件下試樣測試波形的恢復原理，推導獲得了畸變恢復過程中的衰減係數和電壓電荷轉換係數計算公式，構建了改進恢復算法。（3）實驗對比了傳統算法與改進算法下的校正結果，對改進恢復算法的可行性和適用範圍進行了評估驗證。對比恢復結果如圖2所示。

圖2 不同電極下應用不同算法時恢復波形

結論

（1）本文基於電聲脈衝法等效傳輸線模型，仿真分析了上電極與試樣聲阻抗差異對傳播到壓電傳感器的壓力波分量幅值的影響作用，明確了該差異對恢復計算過程的影響；

（2）結合信號恢復過程中衰減係數和電壓-電荷轉換係數的推導過程，提出了考慮上電極聲阻抗影響時的單層介質界面和空間電荷的改進恢復算法，並驗證了算法的更高精確度。進一步確定了算法在多層介質空間電荷與界面電荷恢復中的適用性。

引用本文

任瀚文， 李慶民， 王靖瑞， 劉濤， 王忠東. 電極聲阻抗對電聲脈衝法恢復算法與測量結果的影響[J]. 電工技術學報， 2020, 35(3): 669-678. Ren Hanwen, Li Qingmin, Wang Jingrui, Liu Tao, Wang Zhongdong. Impact of Acoustic Impedances of the Electrodes on the Recovery Algorithm and Measured Results in Pulsed Electro-Acoustic Method. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(3): 669-678.

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