不同温湿度油浸纤维素绝缘材料的频域介电响应预测方法
阅读说明：本技术 不同温湿度油浸纤维素绝缘材料的频域介电响应预测方法 (Frequency domain dielectric response prediction method for oil-immersed cellulose insulating materials with different temperatures and humidities ) 是由 刘捷丰 张镱议 于 2020-11-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及电气设备故障诊断技术领域,具体公开的一种不同温湿度油浸纤维素绝缘材料的频域介电响应预测方法,包括以下步骤：通过幂级数理论基本表达式,得到用于表征频域介电谱的幂级数模型；获得油浸纤维素绝缘材料的FDS数据；应用幂级数模型对FDS曲线进行拟合；提取对水分含量和测试温度变化敏感的关键参数；解析水分含量、测试温度和关键参数三者之间的相关关系；计算已知水分含量和测试温度的油浸纤维素绝缘纸板的关键参数,通过幂级数表达式获取预测FDS曲线。本发明考虑水分含量和测试温度协同作用对油浸绝缘材料测试结果的影响作用,使应用于套管绝缘状态评估的FDS数据更加准确,使电力系统运行更可靠、安全、稳定。(The invention relates to the technical field of fault diagnosis of electrical equipment, and particularly discloses a frequency domain dielectric response prediction method of oil-immersed cellulose insulating materials with different temperatures and humidities, which comprises the following steps: obtaining a power series model for representing the frequency domain dielectric spectrum through a basic expression of a power series theory; obtaining FDS data of the oil-immersed cellulose insulating material; fitting the FDS curve by applying a power series model; extracting key parameters sensitive to moisture content and test temperature variation; analyzing the correlation among the moisture content, the test temperature and the key parameters; calculating key parameters of the oil-immersed cellulose insulating paperboard with known moisture content and test temperature, and obtaining a predicted FDS curve through a power series expression. According to the invention, the influence of the synergistic effect of the moisture content and the test temperature on the test result of the oil-immersed insulating material is considered, so that FDS data applied to the insulation state evaluation of the bushing is more accurate, and the power system is more reliable, safer and more stable in operation.)
技术领域
本发明涉及电气设备故障诊断技术领域，更具体地，涉及一种不同温湿度油浸纤维素绝缘材料的频域介电响应预测方法。
背景技术
电力套管的正常运行是保证输变电安全可靠运行的重要前提。由于套管在运行过程中收到的热应力等因素的影响而产生的纤维素绝缘的劣化是一个不可逆的过程，因此套管纤维素绝缘的劣化程度决定了套管的使用寿命。
由于套管在服役期间会进行换油和滤油等检修操作，传统的绝缘状态诊断方法如溶解气体分析(DGA)等的准确性会收到严重影响，因此应用固体绝缘劣化过程中的副产物进行状态评估的方法需要进一步探究。与化学方法相比，基于电介质物理学的频域介电响应技术(FDS)由于其无损检测，抗干扰能力强且受换油等操作影响较小等优点而受到相关学者的广泛关注。学者普遍认为测试温度会对FDS测试曲线产生影响，从而影响状态评估的准确性，因此探索FDS曲线的温度校正方法，对提高基于频域介电响应绝缘状态的评估准确性具有重要作用。
“主曲线”技术是介电领域内最常用的温度校正方法，通过探究“主曲线”技术提取的不同测试温度下平移因子之间的相关关系，可以将测试温度下的FDS曲线换算至参考温度下，从而消除温度对测试结果的影响作用。然而现有的温度校正方法忽略了水分和温度对平移因子的协同影响作用，导致在对不同水分含量的纤维素绝缘材料的FDS曲线进行温度校正时产生了明显的误差。因此，需要对已有的温度校正方法做出进一步改进或者提出新的方法。
发明内容
本发明目的在于提出了一种不同温湿度油浸纤维素绝缘材料的频域介电响应预测方法，从而解决现有的温度校正方法忽略了水分和温度对平移因子的协同影响作用，导致在对不同水分含量的纤维素绝缘材料的FDS曲线进行温度校正时产生了明显的误差的缺陷。
为达到上述目的，本发明提出了一种不同温湿度油浸纤维素绝缘材料的频域介电响应预测方法，包括以下步骤：
S1，获取不同含水量的多个油浸纤维素绝缘纸板；
S2，获取不同测试温度下各所述油浸纤维素绝缘纸板的实际FDS曲线；
S3，建立所述油浸纤维素绝缘纸板的实际FDS曲线的幂级数表达式；
S4，采用幂级数表达式将不同含水量、不同测试温度下的各所述FDS曲线进行拟合；
S5，基于各所述实际FDS曲线拟合的结果，提取对水分含量和测试温度变化敏感的关键参数；
S6，获取水分含量、测试温度和关键参数三者之间的变化关系；
S7，基于所述变化关系，计算已知水分含量和测试温度的所述油浸纤维素绝缘纸板的关键参数，通过所述幂级数表达式获取预测FDS曲线。
优选的，上述技术方案中，步骤S1具体包括：将绝缘油及油浸纤维素绝缘纸板在105℃、50Pa的环境下进行真空干燥24h，将干燥完成的油和油浸纤维素绝缘纸板放在一起于60℃、50Pa的环境下浸油48h；将经过充分浸油的油浸纤维素绝缘纸板样品放置于自然条件下进行吸潮，通过精密天平称量油浸纤维素绝缘纸板样品重量从而控制不同油浸纤维素绝缘纸板样品的吸潮程度，以得到具有不同水分含量的油浸纤维素绝缘纸板样品。
优选的，上述技术方案中，步骤S2中将各所述油浸纤维素绝缘纸板分别置于能够调节温度的恒温箱中，然后采用介电测试仪各所述油浸纤维素绝缘纸板的实际FDS曲线。
优选的，上述技术方案中，步骤S3中应用于各所述油浸纤维素绝缘纸板的FDS曲线的幂级数表达式如下：
式中，n是幂级数的阶数，Φ0为幂级数的截距，Φn′为各项的系数，ω为角频率，ω0为初始频率；
将各项的系数考虑为与水分含量和测试温度相关的变量，则上式(1)在初始角频率无穷小的情况下可进一步修正为：
式中T为测试温度，mc％为被测样本的水分含量，f为角频率对应的频率。
优选的，上述技术方案中，步骤S5中提取对水分含量和测试温度变化敏感的关键参数指幂级数各子项的系数。
优选的，上述技术方案中，步骤S6中水分含量、测试温度和关键参数三者之间的变化关系由曲面拟合技术拟合得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过引入幂级数理论，提出综合考虑测试温度和水分含量影响下油浸纤维素绝缘材料的频域介电响应预测方法，可以计算不同水分含量和测试温度下的FDS曲线，消除测试温度对FDS测试结果的影响，综合考虑水分和温度协同作用对FDS测试结果的协同作用，使得修正结果更为准确，提高基于频域介电谱技术的套管状态诊断方法的准确性和通用性，从而为套管的状态检修和运行维护提供重要参考依据，最终提高电网的运行安全性和稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的油浸纤维素绝缘材料的频域介电响应预测方法的流程图。
图2为本发明实施例的油浸纤维素绝缘材料的频域介电响应预测方法的实施步骤图。
图3a和图3b为本发明实施例的部分幂级数拟合结果图。
图4a和图4b为本发明实施例的部分样本的预测FDS曲线与测试FDS曲线对比图。
其中，图3a-图4b中Measured value和Simulated curve表述的顺序与曲线显示的顺序相反，即第一个Measured value和Simulated curve表述为最下面的一根曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
频域介电谱(Frequency Domain Spectroscopy,FDS)是一种新型的绝缘检测方法，方法为：在绝缘材料上施加变频的交流电压信号，并测试绝缘材料的复电容，复相对介电常数、介质损耗因数随频率变化的变化规律，通过分析复电容，复相对介电常数、介质损耗因数的变化规律来评估绝缘材料的绝缘状况。
FDS测量油浸套管绝缘状态就是将上述方法常规的工频介损和电容测量扩展到低频和高频频段，例如扩展到0.01mHz到5kHz，从而可反映出更宽频域范围内的极化和损耗情况。这些频域参量与套管固体绝缘的含水量以及老化程度息息相关，研究这些频域参量与固体绝缘老化状态之间的关系，就可以对套管固体绝缘的老化状态进行判断。
本实施例基于不同温湿度油浸纤维素绝缘材料的频域介电响应预测方法，如图1和图2所示，具体包括以下步骤：
步骤S1，获取不同含水量的多个油浸纤维素绝缘纸板。
具体的，在实验室中制备了多组不同水分含量的油浸绝缘纸板样品，样品制备样品流程如下：首先将试验用绝缘油及绝缘纸板在105℃，50Pa的环境下进行真空干燥24h；将干燥完成的油和绝缘纸板放在一起于60℃，50Pa的环境下浸油48h；将经过充分浸油的绝缘纸板样品放置于自然条件下进行吸潮，通过精密天平称量样品重量从而控制不同纸板的吸潮程度，最终得到具有不同水分含量的油浸绝缘纸板样品。
步骤S2，获取不同测试温度下各所述油浸纤维素绝缘纸板的实际FDS曲线。
具体为，将步骤S1制备得到的油浸绝缘纸板样品放置于温度可调的恒温箱内，采用介电测试仪测试其FDS曲线，不同测试温度下的测试结果通过调节恒温箱温度实现。
步骤S3，建立所述油浸纤维素绝缘纸板的实际FDS曲线的幂级数表达式。
引入幂级数理论，从理论上探究应用幂级数模型对油浸绝缘材料频域介电响应测试结果进行表征的可行性。结合幂级数理论，将绝缘纸板的综合介电响应用n个分支介电响应的叠加形式表示，则FDS的测试结果表达式为：
式中，n是幂级数的阶数，Φ0为幂级数的截距，Φn′为各项的系数，ω为角频率，ω0为初始频率。
由于DFS的测试结果收到温度的影响，且受温度影响的程度与被测样品的水分含量有直接关系，因此将上述表达式中各项的系数定义为受测试温度和水分含量影响的变量，当初始角频率接近0时，上式可进一步表达为:
式中T为测试温度，mc％为被测样本的水分含量，f为角频率对应的频率。
S4，采用幂级数表达式将不同含水量、不同测试温度下的各所述FDS曲线进行拟合。
具体的，采用步骤S3所述幂级数拟合不同水分含量和测试温度条件下测试得到的FDS曲线。拟合方程的阶数越高，所得到的的拟合曲线越接近测试曲线，然而追求过高的拟合精度可能会造成模型的过拟合，综合考虑上述情况，本实例采用3阶幂级数对FDS曲线进行拟合，部分拟合结果如图3a和图3b所示。
步骤S5，基于各所述实际FDS曲线拟合的结果，提取对水分含量和测试温度变化敏感的关键参数。
其中，基于模型拟合结果提取对水分含量和测试温度变化敏感的关键参数。以步骤S4中不同水分含量和测试温度下的拟合幂级数的系数为关键参数，探究关键参数与水分含量和测试温度之间的相关关系。
步骤S6，以水分含量和测试温度为自变量，Фn为因变量，基于深度拟合技术描述水分含量、测试温度和Фn三者之间的变化关系。部分拟合结果如下所示：
Φ0＝Z0+Z1·T+Z2·mc％+Z3·T2+Z4·mc％2
步骤S7，基于所述变化关系，计算已知水分含量和测试温度的所述油浸纤维素绝缘纸板的关键参数，通过所述幂级数表达式获取预测FDS曲线。
为验证上述模型的可行性，在实验内制备和测试得到了水分含量和测试温度已知的FDS曲线。将水分含量和测试温度代入步骤S6所示拟合方程即可计算得到幂级数的各项系数，从而计算得到对应的预测FDS曲线，部分预测曲线与计算曲线的对比结果如图4a和图4b所示。
步骤S8，采用相对误差对预测曲线的与测试曲线进行误差分析，相对误差表达式如下所示：
式中，tanδm(fi)为测试结果，tanδp(fi)为预测结果。
误差分析结果表明，测试结果与预测结果之间的相对误差在可接受范围内，表明所提出的基于不同温湿度油浸纤维素绝缘材料的频域介电响应预测方法的可行性和通用性。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。
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