CN108535612B - Sf6绝缘套管绝缘检测数据库构建方法及其检测方法、装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种SF6绝缘套管绝缘检测数据库构建方法及其检测方法、装置,该方法包括:获取预设温度下,预设频率范围内不同老化程度的SF6绝缘套管的介电频谱数据;根据所述介电频谱数据,分析得到符合HN模型公式的对应的拟合参数组;建立所述不同老化程度的SF6绝缘套管在所述预设温度下与所述拟合参数组的对应关系,得到SF6绝缘套管绝缘检测数据库;其中,所述预设温度在预设温度范围内均匀分布,所述不同老化程度的SF6绝缘套管包括:绝缘废弃临界点的SF6绝缘套管。本发明构建的检测数据库存有不同老化程度SF6绝缘套管的拟合参数组,能够有利于进一步运用该数据库,对SF6绝缘套管进行绝缘检测。
Description
技术领域
本发明涉及电气绝缘检测技术领域,特别涉及SF6绝缘套管绝缘检测数据 库构建方法及其检测方法、装置。
背景技术
SF6气体绝缘电容式套管芯体材料一般采用环氧浸渍纸复合绝缘。现有文 献对油浸纸材料的介电性能研究较多,其结论可用于油浸纸套管、变压器等 电力设备的状态监测。目前随着我国特高压直流输电线路的建设,大量SF6气 体绝缘环氧芯体电容式套管用于换流阀厅,因此对其性能进行实时评估具有 实用意义。
因此如何提供一种绝缘检测方案,对SF6绝缘套管进行绝缘检测,是本领 域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种SF6绝缘套管绝缘检测数据库构建 方法及其应用的检测方法、装置,能够对SF6绝缘套管进行绝缘检测。其具体 方案如下:
第一方面,本发明提供一种SF6绝缘套管绝缘检测数据库构建方法,包括:
获取预设温度下,预设频率范围内不同老化程度的SF6绝缘套管的介电频 谱数据;
根据所述介电频谱数据,分析得到符合HN模型公式的对应的拟合参数 组;
建立所述不同老化程度的SF6绝缘套管在所述预设温度下与所述拟合参 数组的对应关系,得到SF6绝缘套管绝缘检测数据库;
其中,所述预设温度在预设温度范围内均匀分布,所述不同老化程度的SF6绝缘套管包括:绝缘废弃临界点的SF6绝缘套管。
优选地,在步骤获取预设温度下,预设频率范围内不同老化程度的SF6绝 缘套管的介电频谱数据之前,还包括:
获取不同老化程度的SF6绝缘套管。
优选地,所述步骤获取不同老化程度的SF6绝缘套管,包括:
在第二预设温度下,老化绝缘套管预设时间,得到不同老化程度的绝缘 套管;
其中,所述预设时间在预设时间范围内均匀分布。
优选地,所述预设时间范围为0~300小时。
优选地,所述预设频率范围为10-3~103Hz。
优选地,所述预设温度范围为40~90℃。
优选地,所述根据所述介电频谱数据,分析得到符合HN模型公式的对应 的拟合参数组,包括:
根据所述介电频谱数据,绘制Cole-Cole图;
根据所述Cole-Cole图将所述介电频谱数据分为第一区域数据,第二区域 数据,第三区域数据;所述第一区域数据包括:电导极化分量;所述第二区 域数据包括:电导极化分量、α极化分量;所述第三区域数据包括:电导极化 分量、α极化分量和β极化分量;
根据所述第一区域数据,求出HN模型公式中关于电导极化的拟合参数;
根据所述电导极化的拟合参数,计算得到所述第二区域数据对应的电导 极化分量,及所述第三区域数据对应的电导极化分量。
将所述第二区域数据减去所述第二区域数据对应的电导极化分量,得到 所述第二区域数据的α极化分量,对所述第二区域数据的α极化对应 Cole-Cole图上局部圆弧上的数据点,求出HN模型公式中关于α极化的拟合 参数;
根据所述α极化的拟合参数,计算得到所述第三区域数据对应的α极化分 量;
将所述第三区域数据减去所述第三区域数据对应的α极化分量、所述第三 区域数据对应的电导极化分量,得到所述第三区域数据的β极化分量,求出 HN模型公式中关于β极化的拟合参数。
第二方面,本发明提供一种SF6绝缘套管绝缘检测方法,应用于上述任一 种构建方法构建的SF6绝缘套管绝缘检测数据库,包括:
获取待检测SF6绝缘套管的实时温度,及对应的实时介电频谱数据;
根据所述实时介电频谱数据,分析得到符合HN模型公式的对应的实时拟 合参数组。
获取所述检测数据库中,当所述预设温度与所述实时温度相当时,绝缘 废弃临界点的SF6绝缘套管的临界拟合参数组;
判断所述实时介电频谱数据与所述临界拟合参数组的大小关系;
根据所述大小关系,判断所述待检测SF6绝缘套管的绝缘状态。
优选地,所述预设温度与所述实时温度相当,包括:
所述预设温度与所述实时温度相等,
或
所述预设温度与所述实时温度最接近。
第三方面,本发明还提供一种SF6绝缘套管绝缘检测装置,应用于上述任 一种构建方法构建的SF6绝缘套管绝缘检测数据库,包括:
频谱数据获取单元,用于获取待检测SF6绝缘套管的实时温度,及对应的 实时介电频谱数据;
实时参数分析单元,用于根据所述实时介电频谱数据,分析得到符合HN 模型公式的对应的实时拟合参数组。
临界参数获取单元,用于获取所述检测数据库中,当所述预设温度与所 述实时温度相当时,绝缘废弃临界点的SF6绝缘套管的临界拟合参数组;
大小关系判断单元,用于判断所述实时介电频谱数据与所述临界拟合参 数组的大小关系;
绝缘状态判断单元,用于根据所述大小关系,判断所述待检测SF6绝缘套 管的绝缘状态。
本发明提供一种SF6绝缘套管绝缘检测数据库构建方法,包括:获取预设 温度下,预设频率范围内不同老化程度的SF6绝缘套管的介电频谱数据;根据 所述介电频谱数据,分析得到符合HN模型公式的对应的拟合参数组;建立所 述不同老化程度的SF6绝缘套管在所述预设温度下与所述拟合参数组的对应 关系,得到SF6绝缘套管绝缘检测数据库;其中,所述预设温度在预设温度范 围内均匀分布,所述不同老化程度的SF6绝缘套管包括:绝缘废弃临界点的SF6 绝缘套管。本发明构建的检测数据库存有不同老化程度SF6绝缘套管的拟合参 数组,能够有利于进一步运用该数据库,对SF6绝缘套管进行绝缘检测。
本发明提供的SF6绝缘套管绝缘检测方法、装置,运用于上述的检测数据 库,也具有上述的有益效果,在此不再赘述。
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,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明一种具体实施方式提供的SF6绝缘套管绝缘检测数据库构建 方法的流程图;
图2为本发明一种具体实施方式提供的分析符合HN模型公式的对应的拟 合参数组的流程图;
图3为本发明实施例提供一种设定参数条件下某材料介电频谱图;
图4为本发明一种具体实施方式提供的介电谱非线性拟合方法流程图;
图5为本发明又一种具体实施方式所提供的一种SF6绝缘套管绝缘检测方 法的流程图;
图6为本发明又一种具体实施方式所提供的SF6绝缘套管绝缘检测装置的 组成示意图;
图7为本发明一种具体实施方式提供的介电常数实部不同温度的变化示 意图;
图8为本发明一种具体实施方式提供的介电常数虚部不同温度的变化示 意图;
图9为本发明一种具体实施方式提供的介质损耗角正切不同温度的变化 示意图;
图10为本发明一种具体实施方式提供的介电常数实部的拟合结果图;
图11为本发明一种具体实施方式提供的介电常数虚部的拟合结果图;
图12(a)为本发明一种具体实施方式提供的一种HN模型拟合结果图;
图12(b)为本发明一种具体实施方式提供的又一种HN模型拟合结果图;
图13为本发明一种具体实施方式提供的直流电导率与温度倒数的关系 图;
图14为本发明一种具体实施方式提供的老化0,50,150,200h的试样在 60℃下的介电常数实部的频谱图;
图15为本发明一种具体实施方式提供的老化0,50,150,200h的试样在 60℃下的介电常数虚部的频谱图;
图16为本发明一种具体实施方式提供的老化50h和150h的电导率与温度 的关系图。
具体实施方式
一般地,对于套管较常用的无损监测方法一般为介电频谱测量,而该方 法的基础为对套管芯子用环氧浸渍纸复合绝缘介电性能的准确测量,并对其 进行合理后处理提取用于表征材料性能的特征参数。基于此,本发明在频率 和温度范围内,使用IDAX300绝缘诊断数据库测量芯子材料频谱和温谱特性, 提出通过Havriliak-Negami(HN)方程函数,结合非线性数值计算,对实测数据 进行曲线拟合,获取介电频谱数学模型特征参数值。为获得较好频谱拟合效 果,低温区域考虑单一松弛极化过程,中温区域需考虑多松弛极化过程,高 温区域则需引入直流电导项进行表征;应用遗传算法首先获取拟合参数近似 值,而后通过最小二乘法进行曲线拟合参数的较精确求解,该方法可保证拟 合参数值的唯一性和准确性。该发明在实验室环境下研究了套管芯子材料介 电频谱拟合方法并获取各特征参数值,为深入了解SF6气体绝缘电容式套管芯 体介电性能提供了一种有效方法,并可指导干式套管在实际运行中的状态监 测和性能评估。
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参考图1,图1为本发明一种具体实施方式提供的SF6绝缘套管绝缘检测 数据库构建方法的流程图,该方法包括:
S11:获取预设温度下,预设频率范围内不同老化程度的SF6绝缘套管的 介电频谱数据;
S12:根据所述介电频谱数据,分析得到符合HN模型公式的对应的拟合 参数组;
S13:建立所述不同老化程度的SF6绝缘套管在所述预设温度下与所述拟 合参数组的对应关系,得到SF6绝缘套管绝缘检测数据库;
其中,所述预设温度在预设温度范围内均匀分布,所述不同老化程度的 SF6绝缘套管包括:绝缘废弃临界点的SF6绝缘套管。
本发明实施例在具体实施时,为了获取预设温度下,预设频率范围内不同 老化程度的SF6绝缘套管的介电频谱数据。可以具体地,采用一下方式:
本发明实施例能够实现在不同温度下能对SF6气体绝缘环氧树脂浸渍干 式套管进行介电谱的测量,既能得到试验对象的频谱,也能得到其温谱,以 交流环氧树脂浸渍干式套管为例进行说明。试验过程中典型热像仪可以为 Mikron公司生产的M7861E DV式热像仪,频域介电谱测量中使用的是瑞典 Megger公司生产的IDAX300绝缘诊断数据库。数据库完全由计算机控制,大 多数测量均自动进行,其电压的峰值可达200V(即140V RMS)。通过添加 外部高压设备(另行规定),可提高该电压值。IDAX-300采用三电极体系, 无需防护即可对接地和不接地的物体进行测量。可测量的频率范围为 10-4~103Hz,时间基准精度为100ppm。试验套管内绝缘状态评估试验平台搭 建及评估步骤如下所示:
1)交流环氧树脂浸渍干式套管电容芯体用酒精擦干,以免有杂质影响实 验结果。随后将其放入烘箱,将带有绝缘皮的粗导线与套管的末屏相焊接, 保证焊点稳固;将较长的导线紧密缠一圈在套管的中心导体上,外部套上均 压环,将导线从烘箱与外部的接口处穿出。将温度调节至80℃,烘干48h, 除去其中的潮气与水分,保证套管干燥。
2)48小时后,在实验室内搭建介电响应试验平台。将IDAX300以及外 加电源VAX(可升压至2kV)试验箱以及配套接线搬运至实验室。将VAX 与IDAX300相连,将IDAX300与电脑相连接,并且连好接地线,此时应保 证未连接任何外加电源,以免带电操作引发安全事故。
3)将测量设备的测试线,高压线通过烘箱与外界的接口分别与套管的末 屏接线以及输出接线相连接,将烘箱温度设定值调至40℃,关上烘箱门,待 其温度稳定。
4)约4小时后,打开烘箱门,用热像仪对套管表面进行快速拍照,关闭 烘箱门。若套管表明温度达到40℃时,且套管表面热量分布均匀,则证明已 达到热平衡,可以开始进行介电谱的测试试验。当然,也可以采用其他的方 式检测该绝缘套管是否达到热平衡。
5)检查接线无误的情况下,将IDAX300以及VAX的电源连接好。
6)打开电脑以及测试软件IDAX5.0,测量范围选择10-3~103Hz,测量模 式选择CHL(UST-R),设置中的测试导线选择single red/blue 18m/60ft,则电脑 会将测试导线部分所导致的误差自动抵消,以提高测试的准确度,并启动设 备。也就是说将所述预设频率范围为10-3~103Hz。
7)实验结束后,升温5℃,重复步骤(4),直至温度升高至90℃,也 就是说所述预设温度范围为40~90℃停止实验,得到预设温度下,预设频率 范围内不同老化程度的SF6绝缘套管的介电频谱数据。
进一步地为了得到不同老化程度的绝缘套管,可以在步骤获取预设温度 下,预设频率范围内不同老化程度的SF6绝缘套管的介电频谱数据之前,还包 括:
获取不同老化程度的SF6绝缘套管。获取不同老化程度的绝缘套管,可以 采用在废弃和在使用中的不同年限的绝缘套管中选取,也可以将完好的合格 的绝缘套管进行不同时间的老化,进而得到不同老化程度的绝缘套管,也就 是说在第二预设温度下例如,老化绝缘套管预设时间,得到不同老化程度的 绝缘套管。其中,所述预设时间在预设时间范围内均匀分布。例如在实际操 作时,可以选择将所述预设时间范围设置为0~300小时,当然也可以是更长的 时间,例如可以在300小时内,选择每10个小时做一个老化的绝缘套管,并且 做好标记。
请参考图2,图2为本发明一种具体实施方式提供的分析符合HN模型公式 的对应的拟合参数组的流程图。
在上述具体实施方式的基础上,本发明具体实施例为了根据所述介电频 谱数据,分析得到符合HN模型公式的对应的拟合参数组,可以采用下列方法:
S121:根据所述介电频谱数据,绘制Cole-Cole图;
S122:根据所述Cole-Cole图将所述介电频谱数据分为第一区域数据,第 二区域数据,第三区域数据;所述第一区域数据包括:电导极化分量;所述 第二区域数据包括:电导极化分量、α极化分量;所述第三区域数据包括:电 导极化分量、α极化分量和β极化分量;
S123:根据所述第一区域数据,求出HN模型公式中关于电导极化的拟 合参数;
S124:根据所述电导极化的拟合参数,计算得到所述第二区域数据对应 的电导极化分量,及所述第三区域数据对应的电导极化分量。
S125:将所述第二区域数据减去所述第二区域数据对应的电导极化分量, 得到所述第二区域数据的α极化分量,对所述第二区域数据的α极化对应 Cole-Cole图上局部圆弧上的数据点,求出HN模型公式中关于α极化的拟合 参数;
S126:根据所述α极化的拟合参数,计算得到所述第三区域数据对应的α 极化分量;
S127:将所述第三区域数据减去所述第三区域数据对应的α极化分量、 所述第三区域数据对应的电导极化分量,得到所述第三区域数据的β极化分 量,求出HN模型公式中关于β极化的拟合参数。
具体地,在具体使用拟合方法具有一定难度,因为拟合参数多,且频率 跨度大。本发明提出的方法具有一定的普适性,采用先分再合、循环迭代的 思路进行拟合。拟合程序在MATLAB平台内实现,需使用遗传算法工具箱和 最小二乘工具箱。有文献提出了进行初始值估算的解析式计算公式,但较为 繁琐,且不便于编程实现。本发明采用遗传算法获取拟合参数初值,然后用 最小二乘法进行精确求解。该方法便于编程计算,且具有一定的普适性。现 通过实例对发明中提出的方法进行详细说明。现假设某材料的介电频谱同时 存在α极化、β极化和电导极化三个极化过程,因此需拟合的参数共有11个。 可通过下式表示:
现假设以上拟合参数分别为:
β2=0.6459 γ2=0.7697 σ0=4.0968e-12 s=0.9404 ε∞=2.7437
用以上已知参数值得到10-2~1010Hz频率范围内的介电频谱如图3所示。
请参考图3,图3为本发明实施例提供一种设定参数条件下某材料介电频 谱图。
可以看出电导极化、α极化和β极化从低频到高频依次出现。且介电常数 虚部的值依次呈指数下降,因此本发明提出先对全频域数据进行分拆,即拆 分为电导极化、α极化和β极化三部分数据。首先拟合电导极化数据,而后用 全频域数据减去电导极化分量,提取α极化对应Cole-Cole图上局部圆弧上的 数据点进行拟合,拟合结束后用全频域数据减去电导极化分量和α极化分量, 此时剩余数据即为β极化分量,最后对β极化分量进行数据拟合。
请参考图4,图4为本发明一种具体实施方式提供的介电谱非线性拟合方 法流程图,该方法包括:
1)该流程首先设定测试温度T,频率范围[f1,f2],试验测量SF6气体绝 缘环氧芯体电容式套管介电频谱数据,其中测量的频率点总数为m。
2)通过测量获取的介电常数实部和虚部,绘制Cole-Cole曲线,将数据 点分为电导极化、α极化和β极化三个子区间。电导极化子区间数据点为: α极化子区间数据点为:β极化子区间数 据点为其中,在频率大于f11小于f21的频率范围内,只存 在电导极化;在频率大于f12小于f22的频率范围内,既存在电导极化,又存 在α极化;在频率大于f13小于f23的频率范围内,既存在电导极化,又存在 α极化、β极化。在实际应用中,这些频率区间,是根据Cole-Cole曲线来化 分的。
5)用公式修正β极化子区间内介电常数虚部 值,用HN模型进行拟合,得到[f11,f21]和[f12,f22]频率区间介电常数虚部:拟合程序在MATLAB平台内实现,通过使用遗传算法工 具箱和最小二乘工具箱实现11个参数的非线性拟合。
请参考图5,图5为本发明又一种具体实施方式所提供的一种SF6绝缘套管 绝缘检测方法的流程图。
在本发明的又一种具体实施方式中,本发明实施例提供一种SF6绝缘套管 绝缘检测方法,应用于上述任一种具体实施例中的构建方法构建的SF6绝缘套 管绝缘检测数据库,包括:
S51:获取待检测SF6绝缘套管的实时温度,及对应的实时介电频谱数据;
S52:根据所述实时介电频谱数据,分析得到符合HN模型公式的对应的 实时拟合参数组。
S53:获取所述检测数据库中,当所述预设温度与所述实时温度相当时, 绝缘废弃临界点的SF6绝缘套管的临界拟合参数组;
S54:判断所述实时介电频谱数据与所述临界拟合参数组的大小关系;
S55:根据所述大小关系,判断所述待检测SF6绝缘套管的绝缘状态。
进一步地,需要说明的是:所述预设温度与所述实时温度相当,包括:
所述预设温度与所述实时温度相等,或所述预设温度与所述实时温度最 接近两种情况,因为在实际中,可能实际测得的实时温度为16摄氏度,然而 在检测数据库中却只有15摄氏度、20摄氏度的参数值,这时就可以将与实时 温度最接近的设定温度对应的拟合参数组拿出来作为对照组。而该设定温度 下,又存在不同老化程度的绝缘套管的拟合参数组,通过比对拟合参数组, 即可确定待检测SF6绝缘套管的老化程度。
特别需要指出的是,在构建检测数据库时,如果采用的是设定不同老化 时间来得到不同老化程度的绝缘套管,还可以在本实施例方法中,知晓待检 测SF6绝缘套管相当于进行了多长时间老化的绝缘套管,也就是知晓了该待检 测SF6绝缘套管的老化程度。
请参考图6,图6为本发明又一种具体实施方式所提供的SF6绝缘套管绝缘 检测装置的组成示意图。
在本发明的又一种具体实施方式中,本发明实施例还提供一种SF6绝缘套 管绝缘检测装置600,应用于上述任一种构建方法构建的SF6绝缘套管绝缘检 测数据库,包括:
频谱数据获取单元61,用于获取待检测SF6绝缘套管的实时温度,及对应 的实时介电频谱数据;
实时参数分析单元62,用于根据所述实时介电频谱数据,分析得到符合 HN模型公式的对应的实时拟合参数组。
临界参数获取单元63,用于获获取所述检测数据库中,当所述预设温度 与所述实时温度相当时,绝缘废弃临界点的SF6绝缘套管的临界拟合参数组;
大小关系判断单元64,用于判断所述实时介电频谱数据与所述临界拟合 参数组的大小关系;
绝缘状态判断单元65,用于根据所述大小关系,判断所述待检测SF6绝缘 套管的绝缘状态。
本发明提供一种SF6绝缘套管绝缘检测数据库构建方法,包括:获取预设 温度下,预设频率范围内不同老化程度的SF6绝缘套管的介电频谱数据;根据 所述介电频谱数据,分析得到符合HN模型公式的对应的拟合参数组;建立所 述不同老化程度的SF6绝缘套管在所述预设温度下与所述拟合参数组的对应 关系,得到SF6绝缘套管绝缘检测数据库;其中,所述预设温度在预设温度范 围内均匀分布,所述不同老化程度的SF6绝缘套管包括:绝缘废弃临界点的SF6 绝缘套管。本发明构建的检测数据库存有不同老化程度SF6绝缘套管的拟合参 数组,能够有利于进一步运用该数据库,对SF6绝缘套管进行绝缘检测。
本发明提供的SF6绝缘套管绝缘检测方法、装置,运用于上述的检测数据 库,也具有上述的有益效果,在此不再赘述。
下面对上述具体实施方式中的内在原理进行解释说明。在10-3~103Hz频率 和40~90℃温度范围内,用IDAX300测量了SF6气体绝缘环氧树脂浸渍干式 套管的频谱和温谱曲线。根据介电谱数据做出介电常数实部ε',虚部ε”以及 tanδ关于频率f的二维关系,如图所示图7、图8、图9所示。
请参考图7、、图8、图9,图7为本发明一种具体实施方式提供的介电常 数实部不同温度的变化示意图;图8为本发明一种具体实施方式提供的介电 常数虚部不同温度的变化示意图;图9为本发明一种具体实施方式提供的介 质损耗角正切不同温度的变化示意图。
由7可得,在低频区10-3~10-2Hz的范围内,介电常数实部ε'较大,且随着 温度的升高,ε'也有升高的趋势;随着频率不断上升,ε'下降,下降部分可分 为两个阶段:在10-3~10-2Hz内迅速下降,在10-2~100Hz缓慢下降,两部分下降 的速度明显不同。而到达高频区101~103Hz的范围内时,介电常数几乎不变, 且趋于稳定值。
出现这种曲线的原因可解释为:在电场频率较低时,各种极化的时间常数 均小于外加电场的变化速率,所以极化均来得及建立,ε'较大;而随着频率上 升,各种极化的时间常数慢慢与电场变化速率相比拟,这是在松弛极化建立 过程中,ε'显著减小;在高频区时,松弛极化跟不上电场的变化速率,松弛极 化来不及建立,介质的极化全由位移极化所贡献,所以趋于稳定值ε∞。
由于介电常数虚部ε”与介质损耗角正切在物理意义上均代表着介质的损 耗,所以仅对介质损耗角正切进行分析。由9可观察到,由高频区10-3~10-1Hz 内,tanδ呈上升趋势,但到达至100Hz时,呈现一个平台区,紧接着随着频率 继续降低,在10-1~10-2Hz的频率范围内,介质损耗角正切tanδ继续上升,到 达10-2Hz处又出现了平台区,之后又随着频率的下降而上升。之所以会有上升 —平台区—上升—平台区的出现,分析其原因应该为出现了不只一个的损耗 峰,损耗峰的叠加便会呈现出由平台区的出现。在10-1~10-2Hz范围内,介电 常数实部ε'有一个台阶式的下降,对应于tanδ关于f的图中又出现了一个极化 峰值,这是由于出现了一个松弛极化过程逐渐跟不上电场的变化,所以ε'才有 一个台阶式的降低;而在10-1~100Hz范围内,ε'又有一个台阶式的降低,对应 于tanδ关于f的图中又出现了一个极化峰值,原因同上;在电场频率范围为 100~103Hz时,ε'变化不大,对应于tanδ关于f的图中,tanδ的值也只是单调 降低,这是由于在随着频率上升,各种极化的时间常数慢慢跟不上电场变化 速率,来不及定向,所以并不造成损耗。
使用Cole-Cole方程进行拟合,柯尔-柯尔方程适用于损耗峰较宽的情况:
一般一个柯尔-柯尔方程只适用于拟合一个极化峰,而由介质损耗角正切 与频率f的图像可以看出,至少存在两个极化峰,所以暂且先用柯尔-柯尔方 程拟合中频部分的极化峰。由式(2)可知,存在着四个未知参数,即 ε∞,Δε,τCC,以及β待拟合。本发明使用Matlab软件中工具箱中的Genetic Algorithm(遗传算法)的优化工具对数据进行拟合。其中拟合方程选择的是 lsqcurvefit,即非线性曲线拟合,已知输入向量xdata和输出向量ydata,并且 知道输入与输出的函数关系为ydata=F(x,xdata),但不知道系数向量x。进行曲 线拟合后,求x使得输出的如下最小二乘表达式成立:
min∑(F(x,xdatai)-ydatai)2→0 (3)
并且输出目标最小二乘表达式值,即残差值。拟合后,软件绘出的迭代步数。 将拟合得到的四个参数值记录下来,画出介电常数实部ε'ε”画图可得图10、 图11所示。
请参考图10、图11、图12(a)、图12(b),图10为本发明一种具体实 施方式提供的介电常数实部的拟合结果图;图11为本发明一种具体实施方式 提供的介电常数虚部的拟合结果图;图12(a)为本发明一种具体实施方式提 供的一种HN模型拟合结果图;图12(b)为本发明一种具体实施方式提供的 又一种HN模型拟合结果图。
下面继续应用HN函数进行拟合,由于由介电谱图像可看出,存在两个 损耗峰,且在低频区仍在上升,所以我们应用三个HN函数相叠加的模型— —三弛豫模型,对套管的实验数据进行拟合,分析拟合效果。
HN模型的表达式如下:
由于上述三弛豫模型的未知量较多,有14个参数待拟合,应用Matlab的 遗传算法工具箱耗时较长,所以应用软件1stOpt对套管的实验数据进行拟合。 下面以55摄氏度为例分析拟合效果。55℃下的介电常数实部ε′,虚部ε”以及 柯尔-柯尔图的实验结果及拟合结果如图10、图11、图12所示。由图10、图 11、图12可以看出,三弛豫模型对实验数据拟合的非常好,误差非常小。且 由柯尔-柯尔图可以看出,有两个明显的部分极化圆弧,分别对应于α及β极化 过程,对应于实部图中,有两个明显的上升过程,对应于虚部图中,则有两 个极化峰。在柯尔-柯尔图第一幅为考虑电导极化,第二幅为不考虑电导极化 的情况,可以看出考虑电导极化的情况下尾部出现“翘尾”现象,是在介电 常数实部非常大,即频率非常小的时候,这时各种极化均来得及建立,介质 损耗几乎全部由电导损耗所贡献,对应于式(4)中的随着频率降低,ε” 迅速增大。
请参考图13,图13为本发明一种具体实施方式提供的直流电导率与温度 倒数的关系图。
特征参数的Arrhenius拟合,在各温度点下对介电谱频率特性进行拟合处 理并获取拟合参数,其中直流电导率如表发现其具有温度依赖性,基本符合 Arrhenius公式:
拟合所得到的结果如图13所示。有机电介质中并不存在本征离子,导电 载流子来源于杂质。在制造环氧树脂试样的过程中,以及套管的制造过程中, 为了改善这类介质的力学,物理和老化性能,往往要引入极性的增塑剂,填 料,抗氧剂,抗电场老化稳定剂等添加物,这类添加物的引入将造成有机材 料电导率的增加。
由于套管所用的材料为环氧树脂,其为非晶体与晶体相共存所构成。从整 体来看,其原子分布时不规则的,但在局部区域却是有规则排列的。因此, 由原子周期型排列所形成能带仅能在各个局部区域中存在,在不规则的原子 分布区能带间断,在具有非晶态结构的区域电子不能像在晶体导带中那样自 由运动,需要克服势垒,其表达式如式6所示:
下面对不同老化时间试样特征参数变化规律进行说明。
请参考图14、图15,图14为本发明一种具体实施方式提供的老化0,50, 150,200h的试样在60℃下的介电常数实部的频谱图;图15为本发明一种具 体实施方式提供的老化0,50,150,200h的试样在60℃下的介电常数虚部的 频谱图。
在实验中,我们将7个环氧树脂试样放置在温度为115摄氏度的烘箱内进 行加速老化,分别老化了0,50,100,150,200,250,300h。为分析方便, 现取老化0,50,150,200h的试样在60℃下的实验数据绘制成图14、图15, 分析比较老化对介电谱所产生的影响。
由实验数据可以看出,随着老化时间的增长,介电常数不断增大,而介质 损耗并无太大变化,且变化不单调,分析原因如下:
随着老化的进行,材料中会主要发生热降解反应,降解反应主要包括两种, 一种是主链断裂,包括解聚反应以及无规则断链反应,另一种则是主链不断 的情况下,发生侧基消去反应。而在电场作用下,主链转向困难,难以定向, 所以介电常数实部较小,而热老化之后,会使绝缘介质中结构松散,链变短, 所以更容易随着电场的变化而定向,从而对介电常数做出贡献,因此,老化 时间越长,介电常数越大。
损耗因数随着老化的变化不明显的原因,很有可能是由于进行加速热老化 的时间不够,而环氧树脂的抗老化性能很好,所以本来老化效果并不是很明 显,再加上热老化的高温可能将试样中的水分烘干,所以导致介质损耗原本 增加的部分被中和,导致在介电谱上变化并不明显。
对老化0h,50h,100h,150h,200h,250h,300h的试样进行介电谱测量 实验之后,将实验结果用三弛豫模型进行拟合,针对每一个老化时间的试样, 在每一个温度下可拟合得到14个参数。由于模型函数的未知量较多,所以会 导致拟合结果的不唯一性,则三弛豫模型的参数可能会有变化,但是拟合得 到的电导率变化不大,因此可以将电导率作为老化参量,将不同老化时间的 不同温度下的直流电导率进行比较,分析其变化规律。
请参考图16,图16为本发明一种具体实施方式提供的老化50h和150h 的电导率与温度的关系图。
因此将每个老化时间下得到的电导率与温度的依赖关系作图,为分析方 便,提取老化50h和150h的图像进行比较,如图16所示。由图中可以看出, 老化150h的试样所拟合出来的电导率明显比老化50h的电导率要大,所以可 得到:随着老化时间的增长,试样的直流电导率不断增大。对每个老化时间 的电导率进行分段Arrhenius拟合,拟合的模型函数为:
将拟合得到的不同老化时间下的老化参数如表1所示:
表1用Arrhenius公式拟合电导率的结果
最后,还需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语 仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求 或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术 语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而 使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且 还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或 者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……” 限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存 在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的SF6绝缘套管绝缘检测数据库构建方法及其检测 方法、装置进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施 方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核 心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实 施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为 对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种SF6绝缘套管绝缘检测数据库构建方法,其特征在于,包括:
获取预设温度下,预设频率范围内不同老化程度的SF6绝缘套管的介电频谱数据;
根据所述介电频谱数据,分析得到符合HN模型公式的对应的拟合参数组;
建立所述不同老化程度的SF6绝缘套管在所述预设温度下与所述拟合参数组的对应关系,得到SF6绝缘套管绝缘检测数据库;
其中,所述预设温度在预设温度范围内均匀分布,所述不同老化程度的SF6绝缘套管包括:绝缘废弃临界点的SF6绝缘套管;
所述根据所述介电频谱数据,分析得到符合HN模型公式的对应的拟合参数组,包括:
根据所述介电频谱数据,绘制Cole-Cole图;
根据所述Cole-Cole图将所述介电频谱数据分为第一区域数据,第二区域数据,第三区域数据;所述第一区域数据包括:电导极化分量;所述第二区域数据包括:电导极化分量、α极化分量;所述第三区域数据包括:电导极化分量、α极化分量和β极化分量;
根据所述第一区域数据,求出HN模型公式中关于电导极化的拟合参数;
根据所述电导极化的拟合参数,计算得到所述第二区域数据对应的电导极化分量,及所述第三区域数据对应的电导极化分量;
将所述第二区域数据减去所述第二区域数据对应的电导极化分量,得到所述第二区域数据的α极化分量,对所述第二区域数据的α极化对应Cole-Cole图上局部圆弧上的数据点,求出HN模型公式中关于α极化的拟合参数;
根据所述α极化的拟合参数,计算得到所述第三区域数据对应的α极化分量;
将所述第三区域数据减去所述第三区域数据对应的α极化分量、所述第三区域数据对应的电导极化分量,得到所述第三区域数据的β极化分量,求出HN模型公式中关于β极化的拟合参数。
2.根据权利要求1所述的SF6绝缘套管绝缘检测数据库构建方法,其特征在于,在获取预设温度下,预设频率范围内不同老化程度的SF6绝缘套管的介电频谱数据之前,还包括:
获取不同老化程度的SF6绝缘套管。
3.根据权利要求2所述的SF6绝缘套管绝缘检测数据库构建方法,其特征在于,所述获取不同老化程度的SF6绝缘套管,包括:
在第二预设温度下,老化绝缘套管预设时间,得到不同老化程度的绝缘套管;
其中,所述预设时间在预设时间范围内均匀分布。
4.根据权利要求3所述的SF6绝缘套管绝缘检测数据库构建方法,其特征在于,所述预设时间范围为0~300小时。
5.根据权利要求1所述的SF6绝缘套管绝缘检测数据库构建方法,其特征在于,所述预设频率范围为10-3~103Hz。
6.根据权利要求1所述的SF6绝缘套管绝缘检测数据库构建方法,其特征在于,所述预设温度范围为40~90℃。
7.一种SF6绝缘套管绝缘检测方法,应用如权利要求1至6任一项所述构建方法构建的SF6绝缘套管绝缘检测数据库,其特征在于,包括:
获取待检测SF6绝缘套管的实时温度,及对应的实时介电频谱数据;
根据所述实时介电频谱数据,分析得到符合HN模型公式的对应的实时拟合参数组;
获取所述检测数据库中,当所述预设温度与所述实时温度相当时,绝缘废弃临界点的SF6绝缘套管的临界拟合参数组;
判断所述实时介电频谱数据与所述临界拟合参数组的大小关系;
根据所述大小关系,判断所述待检测SF6绝缘套管的绝缘状态。
8.根据权利要求7所述的SF6绝缘套管绝缘检测方法,其特征在于,所述预设温度与所述实时温度相当,包括:
所述预设温度与所述实时温度相等,
或
所述预设温度与所述实时温度最接近。
9.一种SF6绝缘套管绝缘检测装置,应用如权利要求1至6任一项所述构建方法构建的SF6绝缘套管绝缘检测数据库,其特征在于,包括:
频谱数据获取单元,用于获取待检测SF6绝缘套管的实时温度,及对应的实时介电频谱数据;
实时参数分析单元,用于根据所述实时介电频谱数据,分析得到符合HN模型公式的对应的实时拟合参数组;
临界参数获取单元,用于获取所述检测数据库中,当所述预设温度与所述实时温度相当时,绝缘废弃临界点的SF6绝缘套管的临界拟合参数组;
大小关系判断单元,用于判断所述实时介电频谱数据与所述临界拟合参数组的大小关系;
绝缘状态判断单元,用于根据所述大小关系,判断所述待检测SF6绝缘套管的绝缘状态。
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