基于边缘电场传感器的电缆绝缘损坏介电测量方法研究

传感器新技术的发展，扩展了介电测量技术的应用领域。边缘电场传感器是一种新型电容式传感器，具有单边穿越、信号强度可调及层析成像等特点，广泛地用于过程工业。本项目以交叉指型电极、多波长边缘电场传感器为研究基础，针对边缘电场分布不均匀，同时易受被测材料介电特性的影响而变化，很难用解析式表达，提出基于有限元分析和近似解析法建立传感器模型，并仿真验证，研究交叉电极尺寸、波长、穿透深度等结构参数之间的关系，提高传感器灵敏度和测量精度，揭示参数优化的基本原则；提出基于多波长边缘电场传感器电力电缆绝缘性能检测方法，研制适用于XLPE电缆水树测量的传感器；构建介电测量系统，提出基于数字信号处理器的驱动电路及适用与测量环境的实时性好、频率范围宽、抗干扰强的电路设计方案；针对传感器测量的非线性，借鉴电容层析成像图象重建技术，研究绝缘损坏检测的多维参数估计算法，为智能电网中电力电缆故障在线检测奠定良好的基础。

边缘电场传感器是一种新型电容式传感器，其电极位于同一平面，具有单边穿越、信号强度可调及层析成像等特点，广泛地用于产品性能，如厚度，损伤，含水量等无损检测。本项目研究了交叉指型电极的边缘电场传感器。针对边缘电场分布不均匀，同时易受被测材料介电特性的影响，很难用解析式表达，提出基于有限元分析和近似解析法建立传感器模型，并仿真验证；分析了传感器波长、电极厚度、宽度、长度等结构参数对灵敏度、穿透深度及灵敏度分布参数的影响，优化结构参数，提高传感器性能。基于传感器短路电流测量模型，设计了基于数字信号处理器的介电测量系统，系统以DSP为核心，包括驱动电路，调理电路，同步采样电路，人机接口电路等；系统软件实现驱动信号产生，扫频测量，数据处理，显示及参数设置等功能；系统实时性好，频率测量范围宽（3Hz-5KHz），抗干扰强。提出基于边缘电场传感器的交联聚乙烯电缆绝缘损坏检测方法，研制了PCB型传感器用于交联聚乙烯电缆水树测量，实验结果表明传感器能有效分辨不同位置不同程度的绝缘损伤。研究了非线性信号处理方法，针对传感器测量的非线性，借鉴电容层析成像图像重建方法，将遗传算法优化的神经网络用于参数估计，建立输出电容与非均匀样本介电特性之间的关系模型，有效实现非均匀样本的分层分析，为智能电网中电力电缆故障在线检测奠定良好的基础。