范圍本文件規定了160kV～500kV擠包絕緣直流電纜脈沖電聲法（PEA）空間電荷測試試驗方法，包括測試設備、試樣準備、測試環境要求、測試程序和數據處理方法等要求。本文件適用于擠包絕緣直流電纜空間電荷測量。2規范性引用文件下列文件的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅所注日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T31489.1 額定電壓500kV及以下直流輸電用擠包絕緣電力電纜系統第1部分：試驗方法和要求JB/T12927固體絕緣材料中空間電荷分布的電聲脈沖測試方法3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。3.1電纜絕緣層空間電荷spacechargeincableinsulation存在于電纜絕緣層內部區域并會改變電纜絕緣層徑向電場大小的電荷。3.2全尺寸電纜full-sizecable與工程應用具有相同絕緣尺寸和結構的電纜，區別于開發試驗的模型電纜。3.3脈沖電聲法pulsedelectro-acousticmethod固體絕緣材料中的空間電荷在脈沖電場引起的庫侖力作用下形成聲波脈沖，并由壓電傳感器檢測后轉換為電壓信號，根據聲波脈沖強度以及壓電傳感器接收到聲波脈沖的時間，獲得空間電荷密度及分布位置的方法。3.4激勵電脈沖electricpulse在試樣內形成脈沖電場，與材料中空間電荷相互作用產生庫侖力，形成聲波脈沖。3.5靈敏度sensitivity測試系統能夠分辨的最小空間電荷密度。與測試系統中壓電傳感器靈敏度、放大器增益及所施加的激勵電脈沖幅值等有關，常用單位為庫倫每立方米(C/m3)或微庫侖每立方厘米(μC/cm3)。3.6空間分辨率spatialresolution測試系統能夠分辨的空間電荷分布的最小空間尺度。主要受激勵電脈沖寬度和壓電傳感器厚度的影響，常用單位為微米(μm)，亦可用電纜試樣厚度的百分比表示，推薦值為2%~5%。3.7反卷積deconvolution消除由測試系統自身特性導致的電壓信號過沖、振蕩等畸變的數據處理方法。3.8空間電荷極化時間polingtime施加的直流電壓達到預定值時開始計時，直至撤去施加的直流電壓所需的時間。3.9加壓測量voltage-onmeasurement為獲得空間電荷累積及遷移特性，在施加直流電壓極化期間進行的空間電荷測量。3.10短路測量voltage-offmeasurement為獲得空間電荷消散特性，在撤去直流電壓并短路電纜試樣期間進行的空間電荷測量。3.11信號標定signalcalibration施加適當幅值的直流電壓，試樣內不產生空間電荷積累且能獲得足夠的測量信噪比，將測量得到的電容電荷信號標定為電荷密度的過程。3.12參考信號referencesignal為確定測試系統的響應函數與聲波衰減、色散函數，將信號標定過程中測量得到的電壓信號作為參考信號，用于后續的信號恢復處理。3.13信號恢復signalrecovery利用參考信號對測試信號進行聲波衰減與色散補償。4測試設備4.1電極系統4.1.1脈沖電聲法空間電荷測試電極宜采用鋁或鋁合金材料制作，典型結構見圖1，包括弧式電極結構和平板式電極結構。圖1高壓直流電纜脈沖電聲法測試電極結構4.1.2測量電極厚度d宜滿足下述條件：（1）式中：dsa——電纜絕緣層厚度，單位為毫米（mm）；vsa——電纜絕緣層中聲速，單位為米每秒（m/s）。對于交聯聚乙烯擠包絕緣高壓直流電纜，測量電極厚度不應小于電纜絕緣層厚度的1.6倍。4.2激勵電脈沖4.2.1可選的脈沖注入方式包括：a）高壓耦合脈沖注入法；b）外半導電層局部剝離注入法；c）測量電極注入法。不同的脈沖注入方式技術特征及選擇參見附錄A.2.2。4.2.2脈沖信號特征脈沖信號特征如下：a）應具備重復頻率輸出特征，重復頻率不宜小于100Hz；b）脈沖半峰寬Tp應與聲波脈沖在壓電傳感器中傳播時間相近，可按式(2)計算： （2）式中：0——空間電荷測試沿試樣厚度方向的空間分辨率，推薦值為2%~5%；c）脈沖幅值應根據測試系統的靈敏度合理選擇，且應顯著小于參考電壓幅值，推薦值為參考電壓的0.1倍。4.3信號采集系統4.3.1壓電傳感器宜采用具有壓電效應的聚合物類壓電薄膜、壓電陶瓷或壓電晶體制作，壓電傳感器的厚度按式（3）計算： （3）t——壓電傳感器沿試樣厚度方向的位置分解率，推薦值為1%~2%；vp——壓電傳感器中聲速。4.3.2放大器帶寬不宜小于20MHz，放大倍率應滿足測試系統的信噪比要求，推薦值為45dB。4.3.3示波器的采樣頻率不應低于2.5GS/s，帶寬不應小于300MHz。4.3.4連接線纜的連接方式應根據本標準第4.2.1條脈沖注入方式確定，要求如下：a）采用高壓耦合脈沖注入法或脈沖外半導電層局部剝離注入法時，壓電傳感器、放大器和示波器之間應通過同軸通信電纜連接；b）采用脈沖測量電極注入法時，應將信號采集系統（含壓電傳感器、放大器和示波器）對地隔離，并通過光電隔離與轉換裝置連接放大器和示波器。4.4其他組件耦合電容、保護電阻、屏蔽盒等其他組部件應滿足脈沖耦合、系統安全防護及電磁屏蔽要求，選擇依據參見附錄A.2.4。5試樣及測試溫度要求5.1試樣準備要求5.1.1電纜試樣長度應滿足測試設備與溫度控制設備的安裝要求。測試對象為160kV及以上電壓等級的全尺寸電纜，電纜試樣長度不宜少于15m。5.1.2應根據測量電極與溫度控制單元的安裝要求，對電纜試樣進行必需的機械預處理，包括非金屬護套和鎧裝等部位的剝離。機械預處理應盡量避免對電纜絕緣造成任何損傷，且切口處應進行必需防潮處理。5.2測試電極安裝要求5.2.1采用金屬夾具對測量電極與電纜試樣的界面施加壓力時，界面壓強宜不大于0.2Mpa，且應避免界面壓強過大造成電纜絕緣的顯著變形。5.2.2應在測量電極與電纜試樣的界面處涂覆薄層的低密度硅油作為聲耦合劑。5.3測試溫度要求空間電荷測試過程中應控制電纜導體溫度、電纜絕緣層溫度差，電纜導體最高溫度不小于電纜供貨商申明值，絕緣層內最大溫度差由電纜供貨商申明，不宜小于40℃。6空間電荷測試6.1信號標定6.1.1在滿足測量信噪比的情況下，信號標定過程中施加的平均直流電場宜不大于5kV/mm，且電纜試樣應不發生空間電荷積累。6.1.2信號標定過程中參考信號的采集宜在2min內完成。6.2空間電荷測試6.2.1空間電荷測試應在信號標定后進行，測試步驟如下：a）控制空間電荷測試回路中電纜導體溫度和外護套溫度，使電纜導體溫度和絕緣層溫差達到預定值且保持不少于2h；b）對電纜試樣施加直流電壓進行空間電荷的加壓測量，加壓測量的試驗工況可參照GB/T31489.1中第4.3執行，加壓測量的程序可參照表1和表2推薦方案。c）若需要觀察電纜試樣中的空間電荷消散特性，應按照測試系統的安全防護要求先對電纜導體進行短路，并在電纜導體短路后2min內進行空間電荷的短路測量。表1空間電荷測量推薦方案試驗工況ZLZLLCLCHLHL試驗次數111111極化時間≥24h≥24h≥24h≥24h≥24h≥24h施加電壓+U0-U0+U0-U0+U0-U0注：ZL=零負荷，HL=高負荷，LC=負荷循環，各試驗項目間電纜應短路24h。表2極性反轉條件下空間電荷測量推薦方案試驗工況ZLPRZL試驗次數111極化時間≥24h2min≥24h施加電壓+U0+U0~-U0-U0注：ZL=零負荷，PR=極性反轉。6.3數據處理數據處理的過程如下：a）數據反卷積，消除測試系統響應對輸出電壓信號造成的畸變，原理與方法參見附錄B；b）信號衰減與色散補償，消除材料中聲衰減與色散效應對空間電荷測試結果的干擾，具體方法參見附錄C；c）電場和電勢計算，獲得空間電荷對電場分布的影響，計算方法參見附錄D.2。7測試報告空間電荷測量報告中應至少包括以下內容：a）試樣信息：包括電纜絕緣材料名稱、規格、絕緣層厚度和處理方式等；b）測試參數：包括參考電場、加壓電場、加壓時間、短路時間、絕緣層溫度條件和測量溫濕度等；c）測試數據：包括原始測量數據和經過恢復、標定的數據和電荷密度分布，必要時應包括電場分布。

附錄A（資料性附錄）脈沖電聲法測試系統技術要求A.1測試系統結構擠包絕緣電纜脈沖電聲法測試系統應包括電極系統、激勵電脈沖、信號采集系統及相關組件。測試系統可按圖1示意圖布置。圖A.1脈沖電聲法測試系統示意圖A.2組部件要求A.2.1電極系統測量電極應配備緊固構件，滿足空間電荷測試中對電纜試樣施加均勻界面壓力的要求，且應充分保證測量電極表面的平整度和光滑度。A.2.2激勵電脈沖激勵電脈沖應具有輸出重復頻率脈沖的特征，重復頻率由系統信噪比水平決定，一般不低于100Hz；輸出阻抗宜為50，以適應測試系統中電脈沖信號傳輸的阻抗匹配要求?？蛇x的激勵電脈沖注入方式如下：a）高壓耦合脈沖注入法采用高壓耦合脈沖注入法時，脈沖作用于獨立的外置耦合電容，并通過電容耦合方式從電纜端部導體纖芯注入。由于電脈沖在長同軸電纜中存在反射和幅值衰減的特性，因此該注入方式不推薦應用于對電纜長度有較高要求的預鑒定試驗和型式試驗中的空間電荷測量。b）脈沖外半導電層局部剝離注入法采用脈沖外半導電層局部剝離注入法時，脈沖作用于電纜外半導電層，脈沖通過半導電層耦合注入，適用于電壓等級較高，長度較長的電纜開發性試驗中空間電荷測量。c）脈沖測量電極注入法采用脈沖測量電極注入法時，將脈沖作用于對地隔離的懸浮測量電極，脈沖通過測量點電纜本體電容耦合注入，適用于電壓等級較高，長度較長的電纜預鑒定試驗和型式試驗中空間電荷測量。A.2.3信號采集系統信號采集系統由壓電傳感器、放大器、示波器及必需的連接線纜組成。A.2.4其他組部件其他組部件的要求如下：a）采用高壓耦合脈沖注入法時，耦合電容宜為外置集中電容，推薦值1~10nF；采用脈沖外半導電層局部剝離注入法或脈沖測量電極注入法時，耦合電容為電纜本體耦合電容，耦合電容值由電纜本體特征阻抗決定。b）保護電阻耐壓值應高于預定施加的直流電壓，功率不應小于試樣短路時的高壓直流電源最大輸出功率。c）屏蔽盒宜采用鋁或黃銅材料制作。

附錄B（資料性附錄）數據反卷積B.1數據反卷積原理由于聲波在不同材料（如電纜試樣、測量電極、壓電傳感器、聲吸收層）界面間的聲反射荷測試系統的帶寬限制，脈沖電聲法測試系統檢測的電壓信號存在信號畸變現象，見圖B.1。這類信號畸變可作為測量設備的系統誤差，并利用反卷積技術消除。檢測的電壓信號us(t)可表示為系統的脈沖響應函數h(t)和空間電荷分布ρ(t)的卷積形式（B.1）：(B.1)確定測試系統的脈沖響應函數h(t)后，即可通過反卷積運算獲得空間電荷分布ρ(t)。將時域信號變換到頻域后，卷積形式可表示為（B.2）：(B.2)式中：Us(f)、R(f)和H(f)分別是us(t)、ρ(t)和h(t)經傅利葉變換后的頻域形式。脈沖響應函數H(f)又稱為測試系統傳遞函數。數據反卷積即根據公式（B.2）消除測試系統響應R(f)，計算空間電荷分布的數字處理技術。圖B.1脈沖電聲法測量信號畸變示意B.2數據反卷積方法與要求B.2.1數據反卷積方法數據反卷積計算應先由參考信號計算測試系統響應函數h(t)。實際應用中，應對電纜試樣施加較低的直流電壓，試樣內不發生空間電荷積累，此時測試系統測量得到的參考信號僅反映電極界面電容電荷信號。由于聲波在試樣中傳播發生衰減與色散現象，靠近測量電極的界面電荷峰信號失真較小，宜用于計算測試系統響應函數。由于測試系統的帶寬以及示波器采樣時間s的限制，實際測量得到的電極界面電容電荷(ro)具有分布式特征，表現為測量測量電極處體電荷密度(ro)，見圖B.2。且二者滿足以下關系（A.3）：(B.3)根據公式（B.2）電極界面電荷電容與參考信號Vr(f)滿足關系：(B.4)式中：R0(f)是感應電荷ρ(t)的傅利葉變換后的頻域形式，可按照公式（B.5）計算。(B.5)面電荷密度面電荷密度σ(ro)體電荷密度ρ(ro)Δx=svsa圖B.2電極界面電容電荷與體電荷式中：b，a分別為電纜絕緣內徑和外徑尺寸，Udc為測量參考信號時施加的直流電壓。根據公式（B.4）和（B.5）可確定測試系統響應函數H(f)。當試樣內存在空間電荷積累時，可按照公式（B.6）計算得到空間電荷分布的頻域形式R(f)。(B.6)B.2.2數據反卷積要求a）應采用低通濾波器抑制數據反卷積中可能的高頻發散現象；b）低通濾波器的截止頻率應與測試系統空間分辨率對應頻率相近。

附錄C（資料性附錄）信號衰減與色散補償C.1衰減與色散補償原理擠包絕緣直流電纜脈沖電聲法空間電荷測量中，由于電纜同軸結構及較大的絕緣厚度，聲波脈沖在試樣中傳播時發生幅值減小和相位變化的現象，在不同材料中的聲衰減和色散效應分別用聲衰減函數(f)和聲色散函數(f)表征。為簡化說明這一效應，本標準忽略了高壓直流電纜線芯和擠包絕緣層之間的半導電屏蔽層，電纜絕緣結構簡化示意見圖C.1。本標準所涉及的電纜空間電荷測試仍屬于一維方向的空間電荷測試范疇，因此僅涉及圖示徑向方向（即r方向）測量信號的處理。圖C.1擠包絕緣高壓直流電纜簡化結構示意圖試樣中任意位置r處聲波信號傳播后，由于衰減與色散效應，被放大器測得的信號失真。原始信號U(r,f)與放大器測得的信號U0(r,f)滿足關系：(C.1)脈沖電聲法空間電荷測量中的衰減與色散補償，即根據公式（C.1）消除衰減與色散效應的影響，獲得原始未失真的信號。C.2衰減與色散函數計算電纜絕緣無空間電荷積累時，絕緣中任意位置r處電場分布為：(C.2)放大器輸出的電壓信號U(r,f)與絕緣內電場E(r)的關系滿足：(C.3)由公式（C.1），測試系統測量得到的電纜內外半導電層與絕緣的界面處的電壓信號,，滿足關系：(C.4)(C.5)由（C.3~C.5）可得：(C.6)所以，衰減與色散系數的形式為：(C.7)式中：φ(a,f)，φ(b,f)——Uo(a,f)和Uo(b,f)的相位。C.3衰減與色散補償方法在衰減、色散系數計算中，定義變量衰變系數A(f)(C.8)由式（C.6）可得：(C.9)因此，公式（C.1）可改寫為：(C.10)故，恢復后的放大器輸出電壓信號的頻域表達形式為：(C.11)通過對低場強下空間電荷分布信號處理計算，可求取衰變系數A(f)。根據式（C.11），可由空間電荷測試信號，求取電纜絕緣層中空間電荷分布情況，計算步驟如下：a）反卷積處理低場強下空間電荷測試輸出信號，得到參考信號Uref(t)；b）由反卷積后的空間電荷輸出信號，求取絕緣內、外表面電荷信號Ua(t)、Ub(t)，經傅里葉變換為頻域形式，即Uref(a,f)和Uref(b,f)；c）將Uref(a,f)和Uref(b,f)代入式（C.9）求得A(f)；d）反卷積處理低場強下空間電荷測試輸出信號Uo(t)，得到其反卷積后的頻域表達式Uo(f)；e）根據式（C.11）在頻域上求得特定場強下原始空間電荷分布信號，并進行逆傅里葉變換得到原始時域信號；

附錄D（資料性附錄）后處理過程D.1信號標定信號標定即求取電容電荷受激產生的電壓信號U(r)與電荷密度(r)之間的校正常數,見式（D.1）(D.1)電纜絕緣外半導電層界面電荷受激產生的聲波直接通過測量電極，被壓電傳感器檢測，聲波傳輸中的衰減和色散效應可忽略不計。由該界面電荷受激輸出的電壓信號U(r)與界面電荷密度σ之間的關系可計算Kca。圖D.1電纜絕緣界面電荷波形電纜絕緣層外半導電層界面電荷產生的電壓波形Uσ(t)具有脈沖分布，見圖D.1。t1，t2為脈沖波形的起始與終止時間。忽略測量電極對聲波脈沖的時延作用，脈沖電壓波形U(t)與表面電荷密度的關系滿足：(D.2)式中：——電纜絕緣層外表面電荷密度；T——激勵電脈沖的脈沖，為激勵電脈沖半脈寬Tp的2倍。電纜絕緣層中脈沖電場的形式為:(D.3)綜合式（D.1~D.3），可得Kca的表達式:(D.4)式中：Udc——外施高壓直流電壓;Up——脈沖電壓幅值。假設激勵脈沖具有沖激函數狀分布，上式可簡化為:(D.5)D.2電場與電勢計算D.2.1電場計算電纜絕緣層中電場強度和電勢的計算公式可由泊松方程給出。柱坐標系下泊松方程表達式為：(D.6)式中：ρ(r,?,z)——空間電荷密度。假定空間電荷軸向均勻分布，式（D.6）可簡化為：(D.7)由d/dr=-E，上式可進一步簡化為：(D.8)式（D.8）的通解形式為:(D.9)電纜絕緣層內電場強度由施加的直流電壓引起的容性電場分量和空間電荷共同貢獻，可利用疊加法確定E(r)。由拉普拉斯方程，可計算得到同軸電纜絕緣層中容性電場強度分量表達式為：(D.10)空間電荷單獨貢獻的電場強度分量為：(D.11)對比式（D.9），可得：(D.12)因此，電纜絕緣層中電場強度表達式為：(D.13)D.2.2電勢計算對空間電荷計算電場進行數值積分，求取電勢分布，以驗證測量結果的準確性。電纜