华北电力大学李庆民团队特稿：电极声阻抗对电声脉冲法恢复算法与测量结果的影响
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华北电力大学电气与电子工程学院李庆民教授，任高电压与电磁兼容北京市重点实验室主任。其课题组目前有8名博士研究生，17名硕士研究生。所在团队主要从事高频电介质材料与绝缘特性、放电物理及其应用、在线监测与故障诊断、风电雷击演化物理机制与防护技术、新型直流装备关键技术等方面的科学研究工作。已参与完成国家自然科学基金项目、国家973计划课题、国家863计划课题等20余项，发表学术论文400余篇，授权专利40余项，获省部级科技进步奖一等奖1项、二等奖3项、三等奖2项。
在电声脉冲空间电荷测量方法中，该文针对传统恢复算法所依据的“上电极与试样声阻抗相等”这一基本假设条件，结合声阻抗存在差异这一实际情况进行了恢复算法的优化分析，提出了考虑上电极声阻抗影响、适用于单双层介质界面与空间电荷的改进恢复算法。
空间电荷积聚是导致绝缘内部局部电场畸变的重要因素，进而直接影响绝缘材料的老化、劣化和击穿过程。针对空间电荷积聚的研究，当前主要依赖于准确的电荷测试技术。目前发展最为成熟的测量方法——电声脉冲（PEA）法，其获得的最终测量结果不仅需要准确的直接测量技术，还往往要求针对畸变信号的恢复算法足够可靠。
传统PEA法测试信号的推导过程，均建立在半导电上电极与被测试样声阻抗相等这一假设前提下，而已有测试研究发现两种介质的声阻抗必然存在一定的差异。由此，在国家自然科学基金项目（51477051，51628701）的资助下，课题组重点围绕考虑声阻抗差异时的恢复算法展开了研究，研究成果对应用PEA法追踪空间电荷积聚现象的相关研究领域具有重要参考价值。
本文基于电声脉冲法直接测试波形的畸变原理与恢复过程，推导获得了考虑半导电上电极与试样声阻抗差异时的改进恢复算法，与传统算法的对比证明了改进算法的更高精确度。相关研究成果对准确评估单、多层介质中空间电荷分布和畸变电场状况等都具有重要的参考价值。
论文总体研究方法如图1所示。
图1 论文总体研究方法
具体研究方法如下：
（1）基于电声脉冲法等效传输线模型，仿真讨论了声阻抗差异对测试结果的直接影响。
（2）基于声阻抗差异条件下试样测试波形的恢复原理，推导获得了畸变恢复过程中的衰减系数和电压电荷转换系数计算公式，构建了改进恢复算法。
（3）实验对比了传统算法与改进算法下的校正结果，对改进恢复算法的可行性和适用范围进行了评估验证。对比恢复结果如图2所示。
图2 不同电极下应用不同算法时的恢复波形
（1）本文基于电声脉冲法等效传输线模型，仿真分析了上电极与试样声阻抗差异对传播到压电传感器的压力波分量幅值的影响作用，明确了该差异对恢复计算过程的影响；
（2）结合信号恢复过程中衰减系数和电压-电荷转换系数的推导过程，提出了考虑上电极声阻抗影响时的单层介质界面和空间电荷的改进恢复算法，并验证了算法的更高精确度。进一步确定了算法在多层介质空间电荷与界面电荷恢复中的适用性。
任瀚文, 李庆民, 王靖瑞, 刘涛, 王忠东. 电极声阻抗对电声脉冲法恢复算法与测量结果的影响[J]. 电工技术学报, 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.