CN113917293A - 基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力设备中绝缘干式套管检测技术领域，公开了一种基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法及系统，所述基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法包括：对干式套管单独绝缘材料试样、干式整体套管模型进行老化处理后，在不同温度下分别对干式套管单独绝缘材料试样、干式整体套管模型进行PDC测量。在不同温度与湿度下对干式套管单独绝缘材料试样、干式整体套管模型进行FDS测量。本发明的基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法根据干式套管单独绝缘材料试样、干式整体套管模型的PDC测量结果以及FDS测量结果，有效分析干式套管绝缘材料老化状态，可以有效避免套管事故造成损失。

Description

基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法及系统

技术领域

本发明属于电力设备中绝缘干式套管检测技术领域，尤其涉及一种基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法及系统。

背景技术

目前，高压套管是多数电力设备，包括但不限于变压器，断路器，电容器等器件，是指供一个或多个导体穿过诸如墙壁或箱体等隔断，起到绝缘和支撑作用的器件。在长期运行过程中，受到电场合导体发热的作用、机械类损伤与化学腐蚀以及大气条件的影响，可能会出现一定的缺陷。干式套管主绝缘由层状绝缘材料和箔状金属电极在导电杆上相间卷绕而成的同轴圆柱形串联电容器组构成，是胶纸干式套管。胶纸干式套管既是绝缘干式套管。干式套管的爆炸事故往往与套管绝缘的老化有关，因此在运行中对套管的状态检测十分重要。现阶段，用于监测套管运行状态的常规方法包括在工频条件下的视觉检查和对介质损耗角正切/电容的测量；出于对绝缘非破坏性以及测试可靠性的需要，基于绝缘介质性能改变的检测方法得到有力的发展。

大部分情况下套管绝缘系统破坏的机理包括以下两个方面：外界大气中的潮气通过老化的密封垫渗入套管中，导致电容芯子中的潮气含量逐渐增加。潮气含量最集中的地方将出现在电容芯子表面；通过将油纸套管芯子在真空罐中加热抽出同轴铝箔间薄纸层当中的潮气，潮气将会先从薄纸层的边缘蒸发出来，当罐子中抽真空的速度过快，蒸发将会变得剧烈，由于蒸发需吸收热量，所以沿套管轴向的路径的温度分布在极板边缘附近下降，局部的温度下降将会对纸板中间部分潮气的抽取出现阻碍。然而如果缩短套管芯子的干燥过程将在套管中间部分形成一些“气包”，在工频条件下对电容芯子进行电容和损耗角正切的测量并不能有效检测出这种“气包”的存在，这对通过电容和介质损耗角正切值来判断高压干式套管绝缘老化状态的评估方法将会受到很大影响。

由于套管中电容芯子中的极板对电场分布的控制作用，确保绝缘介质中轴向电场强度分布比较均匀，但是径向电场强度分布不均匀，并且在中心导杆或者法兰附近出现最大电场强度。套管在工作条件下，考虑到将会有电流通过中心导杆，所以中心导杆将会产生热量(过载时将会更加明显)，同时由于中心导杆存在外施电压，套管的绝缘介质也会生成一定程度上的热量，并且一般变压器套管的低端都是在变压器油中(上层油温超过90度)，所以整个套管的最热点温度一般出现在中心导杆附近的绝缘介质中。所以经过分析，在套管中部“气包”附近存在的较高电场强度和较高温度，这将会加速纸纤维部分的老化分解，并且在分解过程中，将会产生水分，这将会更加增加潮湿的程度。含有水分的纸纤维素有较高的介质损耗角正切，加剧绝缘介质中局部过热的发生，因此在套管工作较长时间之后，局部过热处的纸将逐渐碳化，对绝缘产生很大的影响。纸层内的碳化后的痕迹将导致纸层两边极板间的短路，同时较高电场强度和较高温度将转移至与“气包”外部相邻的纸层。最后，高电位转移到外部绝缘良好的纸层，并作用持续一定时间后，将会发生击穿，最终导致整个套管绝缘的破坏。当套管在长时间运行后，由于电场和热场的耦合作用，首先在套管绝缘中的局部较为薄弱的地方开始出现一定的老化现象。这时问题主要发生在套管极板的边缘部分，由于此处发生局部放电，因此极板边缘将会出现碳化的痕迹，最后有一定程度的可能性将会导致绝缘击穿。较为常见的情况下，干式套管发生的绝缘击穿或者闪络包括以下形式：穿过纸层中部的幅向击穿；穿过极板边缘的纸层击穿；沿电容芯子表面的轴向闪络；瓷套浸入油中部分外表面或内表面闪络；在空气中的上部瓷套的表面闪络等五种击穿或者闪络的情况。

通过上述综合分析可以看出，如何对高压干式套管绝缘的老化状态进行有效的分析评估，从而避免套管事故造成损失是目前有待解决的问题。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术中对于有效对高压干式套管绝缘的老化状态进行评估的方法不足的部分，现有技术当中，通过测量多个非破坏性特征参量进行预测干式套管的绝缘老化状态和剩余寿命，在选择特征参量时，要考虑相关性的问题，这个过程很难把握，同时，如何获得大量的可靠的电力设备非破坏性参量测试及击穿数据电压也是一大难题，从经济方面和实际操作方面很难进行实际的大量实验，而通过实验室的仿真模拟得到的数据仅供参考，不能作为实际电力设备运行当中参考数据。因此，没有大量的非破坏性特征参量数据的支持，也没有大量击穿电压的数据，在判断干式套管的绝缘老化状态和寿命时并不能做出有效的结论，无法正确判断干式套管的绝缘老化状态，如果判断失误，那么将不能有效避免套管事件造成损失。

解决以上问题及缺陷的难度为：现有技术当中的问题是无法获得大量实际实验中干式套管的非破坏性特征参量和击穿电压数据，很难从经济方面和操作难度方面解决此问题。

解决以上问题及缺陷的意义为：本发明中，通过测量干式套管在不同温度湿度以及下，对干式套管进行一定的老化处理，通过进行干式套管老化后的频域介电谱测量，对干式套管的绝缘老化状态进行判断，操作简便，实验过程中用到的设备成本低，不需要进行大量的操作实验，从经济方面和操作方面考虑是一个可行的技术方案。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法。

本发明是这样实现的，一种基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法，所述基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法，包括：

步骤一，对干式套管单独绝缘材料试样进行老化处理后，在不同等级温度下分别对所述干式套管单独绝缘材料试样进行极化和去极化电流的测量，并绘制不同温度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的极化和去极化电流的测量结果；

步骤二，在不同等级温度与湿度下对所述干式套管单独绝缘材料试样进行频域介电谱测量，并绘制不同等级温度与湿度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的频域介电谱测量结果；

步骤三，对干式整体套管模型进行老化处理后，在不同等级温度下对所述干式整体套管模型进行极化和去极化电流的测量，并绘制不同等级温度下的所述干式整体套管模型的极化和去极化电流的测量结果；

步骤四，在不同温度与湿度下对所述干式整体套管模型进行频域介电谱测量，并绘制不同温度与湿度下的所述干式整体套管模型的频域介电谱测量结果；

步骤五，依据不同温度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的极化和去极化电流的测量结果、不同温度与湿度下的所述干式套管独绝缘材料试样的频域介电谱测量结果、不同温度下的所述干式整体套管模型的极化和去极化电流的测量结果与不同温度与湿度下的所述干式整体套管模型的频域介电谱测量结果，评估干式套管绝缘的老化状态。

进一步，所述步骤一中，干式套管单独绝缘材料试样进行老化处理包括：对交直流干式套管单独绝缘材料试样进行电老化处理与热老化处理；

在交直流干式套管单独绝缘材料试样进行电老化处理与热老化处理前包括：利用环氧树脂与绝缘纸的复合体系制作所述交直流干式套管单独绝缘材料试样。

进一步，所述步骤一中，在不同等级温度下对所述干式套管单独绝缘材料试样进行极化和去极化电流的测量，并绘制不同等级温度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的极化和去极化电流的测量数据包括：

在第Ti个预先设定温度下对所述交直流干式套管单独绝缘材料试样进行极化和去极化电流的测量，以时间为对数坐标系的横坐标、电流为对数坐标系的纵坐标，绘制所述第Ti个预设温度下所述交直流干式套管绝缘材料试样的极化和去极化电流的测量结果，其中i＝1,2,...,N；

在第Ti个预先设定温度下对所述交直流干式套管单独绝缘材料试样进行极化和去极化电流的测量包括:在所述第Ti个预先设定温度下，利用预先搭建的极化与去极化电流测量设备对所述交直流干式套管单独绝缘材料试样进行极化和去极化电流的测量；其中，所述极化与去极化电流测量设备主要包括4V的稳定直流电源、数字式万用表及继电器。

进一步，所述步骤二中，在不同等级温度与湿度下对所述干式套管单独绝缘材料试样进行频域介电谱测量，并绘制不同等级温度与湿度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的频域介电谱测量结果包括：

在第Tj个预先设定温度与第Wh个预先设定湿度下对所述交直流干式套管单独绝缘材料试样进行频域介电谱测量，得到所述交直流干式套管单独绝缘材料试样在不同频率下的介电常数、电容量、电导率及损耗因数，其中j＝1,2,...,M；h＝1,2,...,K；

分别以介电常数、电容量、电导率及损耗因数作为对数坐标系的纵坐标，以频率作为对数坐标系的横坐标，绘制在所述第Tj个预先设定温度与所述第Wh个预先设定湿度下的所述交直流干式套管单独绝缘材料试样的频域介电谱测量数据结果。

进一步，所述步骤三中，对干式整体套管模型进行老化处理包括：

通过在预设时间段内改变所述干式整体套管模型中心导杆的载流量/施加电压，实现对所述干式整体套管模型的老化处理。

进一步，所述步骤四中，频域的介电谱测量如下：

电介质在电场的作用下，建立极化通常需要一定的时间才能达到稳定状态，这对于恒定电场中的电介质来说总有足够的时间让极化建立完全而达到其稳定状态，相应恒定电场中的介电常数称为静态介电常数；

在交变电场中电介质的极化随着电场的变化而变化，当电场随时间的变化很快，与建立极化的时间相比拟，极化跟不上电场的变化，介质在交变电场下的动态介电常数与静态介电常数是不同的，并引起介质的极化损耗；根据极化建立所需要的时间，将计划分为瞬时位移极化和松弛极化两类；建立电子位移极化和离子位移极化，达到其稳态所需要的时间为10^-16～10^-12s。

进一步，所述电介质极化强度如下：

P＝P_∞+P_r (1)

极化强度与时间的关系如下：

其中，P为极化强度，P_rm为稳态松弛极化强度，P_∞为稳态极化强度，τ为时间常数，t为时间；

恒定电场下极化强度为：

P_m＝ε₀(ε_s-1)E (3)

松弛极化电场强度如下：

P_rm＝ε₀(ε_s-ε_∞)E (4)

通过交变电场吸收电流和交变电场电导电流与充电电流变化得到介质中有位移极化、松弛电导和贯穿电导时的相对介电常数如下：

ε_r＝ε_∞+(ε_s-ε_∞)/(1+ω²+τ²) (5)

其中，ε₀为真空介电常数，ε_s为稳态介电常数，ε_∞为静态介电常数，ω位角速度；

介质损耗角正切值为：

tgδ＝(δ₀+g)/ωε₀ε_r (6)

其中，g为松弛损耗等效电导率。

通过上述分析，绝缘介质的动态相对介电常数和介质损耗角正切与频率和温度是有相当关联的，上述式子作为进行测量的基本公式原理，而套管电容芯子绝缘材料的老化是电场强度、温度以及湿气多方面共同作用的结果，所以通过对套管电容芯子的绝缘介质频域的介电谱测量来反应套管绝缘的老化过程。

进一步，所述时域的介电谱测量过程为：

阶跃极化响应如下：

P(t)＝P_∞+(P_s-P_∞)g(t-t₀) (7)

通过积分得到外施电场下的极化强度：

其中，f(t)是一个单调递减的函数并且其与电介质的固有特性相关。实际上，电介质施加突然的外施电场E(t)后极化强度将产生主要部分的极化电流，电介质中海油直流的传导电流通过，不包括在极化电流中，这代表了电介质中自由电荷的流动。

外施电场作用下电导电流真空位移电流和极化电流转换为：

i(t)＝C₀U_c[δ₀/ε₀+ε_∞δ(t)+f(t)] (9)

上述作为时域介质反应函数f(t)的测量基础，先将幅值为U_c的阶跃直流充电电压施加到测试物体上，通过测量极化电流记录下来，其中C₀为测试物体电极系统的真空电容量，直流电导率δ₀，极化测试中的电压尽可能低；极化电流比较稳定的时候可以停止测量，当t＝t_c时被短路，去极化电流可以被测量到。

整个极化电流由三部分组成：电导电流，真空位移电流和极化位移电流；在外施阶跃电场的作用下发生转换，得到时域电介质反应函数f(t)测量的基础，通过突然施加的阶跃直流充电电压测试。

实际过程中，在频率范围很广的情况下，对电介质进行频域的测量有些困难，通常对电力设备仅仅在工频下对电容和损耗角正切进行测量，在实验室中，进行宽广频率的测量，然而并不能区分开这两者；在老化过程中，材料会在特定的频率范围内发生改变，运用在频域的介电谱测试能有效检测材料的老化过程，但也与温度有关，所以要在相同温度下进行测试；

极化和去极化电流的测量提供电力设备绝缘截止状态的可靠信息；绝缘介质的频域介电谱测量能够对符合绝缘介质的电容，介电常数，电导率和损耗因数用频率的函数测量出来；同时将电容和介电常数的实部和虚部分开；能很好的避开外界噪声的干扰，也能将实部和虚部分开测量，精度也较高；

在当前的研究中，电容芯子绝缘介质的介电谱主要分三个阶段来研究其变化情况，分别为：刚卷制完成的电容芯子、真空干燥后的电容芯子、油浸渍后的电容芯子；

在对干式套管单独绝缘材料的介电谱测量的基础上，进行对整体套管的介电谱测量，考虑到实验用的高压电源和实验场地问题，用实际高电压等级的实际套管进行研究可行性不大，只有运用模型套管作基础性研究，在相关理论和实验结果成熟的基础上，再运用相同的研究方法在相关的电力高压研究单位进行实际套管的绝缘老化研究，试图分析套管在实际运行过程中出现事故的内在绝缘原因。

本发明方案中的步骤简洁明了，具有良好的逻辑性，前后具有很好的递进关系，有一定基础操作知识和常识的实验工作人员，在进行还原本方案或者进行在此基础上的更进一步创新实验时，可以根据本方案中所述的系列步骤进行操作，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以根据此步骤进行若干改进和修饰，同时这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

针对实际套管研究其绝缘材料老化过程具有理论基础和仿真平台，为实际的模型套管实验提供指导，同时根据实验得到的测试数据对已有的理论模型和仿真计算方法进行完善。

本发明另一目的在于提供一种实施所述基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法的基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估系统，所述基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估系统，包括：

绝缘材料的时域测量模块，用于对干式套管单独绝缘材料试样进行老化处理后，在不同温度下分别对所述干式套管单独绝缘材料试样进行极化和去极化电流的测量，并绘制不同温度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的极化和去极化电流的测量结果；

绝缘材料的频域测量模块，用于在不同温度与湿度下对所述干式套管单独绝缘材料试样进行频域介电谱测量，并绘制不同温度与湿度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的频域介电谱测量结果；

整体套管的时域测量模块，用于分别对干式整体套管模型进行老化处理后，在不同温度下分别对所述干式整体套管模型进行极化和去极化电流的测量，并绘制不同温度下的所述干式整体套管模型的极化和去极化电流的测量结果；

整体套管的频域测量模块，在不同温度与湿度下对所述干式整体套管模型进行频域介电谱测量，并绘制不同温度与湿度下的所述干式整体套管模型的频域介电谱测量结果；

评估模块，用于依据不同温度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的极化和去极化电流的测量结果、不同温度与湿度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的频域介电谱测量结果、不同温度下的所述干式整体套管模型的极化和去极化电流的测量结果与不同温度与湿度下的所述干式整体套管模型的频域介电谱测量结果，评估干式套管绝缘的老化状态。

本发明另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行所述基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法包括下列步骤：

步骤一，对干式套管单独绝缘材料试样进行老化处理后，在不同等级温度下分别对所述干式套管单独绝缘材料试样进行极化和去极化电流的测量，并绘制不同温度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的极化和去极化电流的测量结果；

步骤二，在不同等级温度与湿度下对所述干式套管单独绝缘材料试样进行频域介电谱测量，并绘制不同等级温度与湿度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的频域介电谱测量结果；

步骤三，对干式整体套管模型进行老化处理后，在不同等级温度下对所述干式整体套管模型进行极化和去极化电流的测量，并绘制不同等级温度下的所述干式整体套管模型的极化和去极化电流的测量结果；

步骤四，在不同温度与湿度下对所述干式整体套管模型进行频域介电谱测量，并绘制不同温度与湿度下的所述干式整体套管模型的频域介电谱测量结果；

步骤五，依据不同温度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的极化和去极化电流的测量结果、不同温度与湿度下的所述干式套管独绝缘材料试样的频域介电谱测量结果、不同温度下的所述干式整体套管模型的极化和去极化电流的测量结果与不同温度与湿度下的所述干式整体套管模型的频域介电谱测量结果，评估干式套管绝缘的老化状态。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明可以根据套管单独绝缘材料试样与整体套管模型的时域与频域的测量结果，对实际应用中的干式套管绝缘材料的老化状态进行评估，从而有效避免套管事故造成的损失。

同时，本发明的优势在于：不需要进行大量的非破坏性特征参量的数据以及大量击穿电压数据，从经济方面和操作方面更加有利，且对于本技术领域内的工作人员来说可以方便的进行此实验过程，并且能够在此基础上进行创新性的实验。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法流程图。

图2是本发明实施例提供的基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估系统结构示意图；

图2中：1、绝缘材料的时域测量模块；2、绝缘材料的频域测量模块；3、整体套管的时域测量模块；4、整体套管的时域测量模块；5、评估模块。

图3是本发明实施例提供的介质损耗与频率的关系曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明提供的基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法仅仅是一个具体实施例而已。

如图1所示，本发明实施例提供的基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法，包括：

S101：对干式套管单独绝缘材料试样进行老化处理后，在不同等级温度下分别对所述干式套管单独绝缘材料试样进行极化和去极化电流的测量，并绘制不同温度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的极化和去极化电流的测量结果；

S102：在不同等级温度与湿度下对所述干式套管单独绝缘材料试样进行频域介电谱测量，并绘制不同等级温度与湿度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的频域介电谱测量结果；

S103：对干式整体套管模型进行老化处理后，在不同等级温度下对所述干式整体套管模型进行极化和去极化电流的测量，并绘制不同等级温度下的所述干式整体套管模型的极化和去极化电流的测量结果；

S104：在不同温度与湿度下对所述干式整体套管模型进行频域介电谱测量，并绘制不同温度与湿度下的所述干式整体套管模型的频域介电谱测量结果；

S105：依据不同温度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的极化和去极化电流的测量结果、不同温度与湿度下的所述干式套管独绝缘材料试样的频域介电谱测量结果、不同温度下的所述干式整体套管模型的极化和去极化电流的测量结果与不同温度与湿度下的所述干式整体套管模型的频域介电谱测量结果，评估干式套管绝缘的老化状态。

本发明实施例提供的S101中，干式套管单独绝缘材料试样进行老化处理包括：对交直流干式套管单独绝缘材料试样进行电老化处理与热老化处理；

在交直流干式套管单独绝缘材料试样进行电老化处理与热老化处理前包括：利用环氧树脂与绝缘纸的复合体系制作所述交直流干式套管单独绝缘材料试样。

本发明实施例提供的S101中，在不同等级温度下对所述干式套管单独绝缘材料试样进行极化和去极化电流的测量，并绘制不同等级温度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的极化和去极化电流的测量数据包括：

在第Ti个预先设定温度下对所述交直流干式套管单独绝缘材料试样进行极化和去极化电流的测量，以时间为对数坐标系的横坐标、电流为对数坐标系的纵坐标，绘制所述第Ti个预设温度下所述交直流干式套管绝缘材料试样的极化和去极化电流的测量结果，其中i＝1,2,...,N；

在第Ti个预先设定温度下对所述交直流干式套管单独绝缘材料试样进行极化和去极化电流的测量包括；在所述第Ti个预先设定温度下，利用预先搭建的极化与去极化电流测量设备对所述交直流干式套管单独绝缘材料试样进行极化和去极化电流的测量；其中，所述极化与去极化电流测量设备主要包括4V的稳定直流电源、数字式万用表及继电器。

本发明实施例提供的S102中，在不同等级温度与湿度下对所述干式套管单独绝缘材料试样进行频域介电谱测量，并绘制不同等级温度与湿度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的频域介电谱测量结果包括：

在第Tj个预先设定温度与第Wh个预先设定湿度下对所述交直流干式套管单独绝缘材料试样进行频域介电谱测量，得到所述交直流干式套管单独绝缘材料试样在不同频率下的介电常数、电容量、电导率及损耗因数，其中j＝1,2,...,M；h＝1,2,...,K；

分别以介电常数、电容量、电导率及损耗因数作为对数坐标系的纵坐标，以频率作为对数坐标系的横坐标，绘制在所述第Tj个预先设定温度与所述第Wh个预先设定湿度下的所述交直流干式套管单独绝缘材料试样的频域介电谱测量数据结果。

本发明实施例提供的S103中，对干式整体套管模型进行老化处理包括：通过在预设时间段内改变所述干式整体套管模型中心导杆的载流量/施加电压，实现对所述干式整体套管模型的老化处理。

本发明实施例提供的S104中，频域的介电谱测量如下：

电介质在电场的作用下，建立极化通常需要一定的时间才能达到稳定状态，这对于恒定电场中的电介质来说总有足够的时间让极化建立完全而达到其稳定状态，相应恒定电场中的介电常数成为静态介电常数。

在交变电场中电介质的极化情况就不同了，极化随着电场的变化而变化，如果电场随时间的变化很快，与建立极化的时间相比拟，计划就很有可能跟不上电场的变化，介质在交变电场下的动态介电常数与静态介电常数是不同的，并引起介质的极化损耗；根据极化建立所需要的时间，可以将计划分为瞬时位移极化和松弛极化两类。建立电子位移极化和离子位移极化，达到其稳态所需要的时间为10^-16～10^-12s。

电介质极化强度如下：

P＝P_∞+P_r (1)

极化强度与时间的关系如下：

恒定电场下极化强度为：

P_m＝ε₀(ε_s-1)E (3)

松弛极化电场强度如下：

P_rm＝ε₀(ε_s-ε_∞)E (4)

通过交变电场吸收电流和交变电场电导电流与充电电流变化得到介质中有位移极化、松弛电导和贯穿电导时的相对介电常数如下：

ε_r＝ε_∞+(ε_s-ε_∞)/(1+ω²+τ²) (5)

介质损耗角正切值为：

tgδ＝(δ₀+g)/ωε₀ε_r (6)

通过上述分析可看出绝缘介质的动态相对介电常数和介质损耗角正切与频率和温度是有相当关联的，上述式子可以作为进行测量的基本公式原理。

时域的介电谱测量原理如下：上文已经在假设条件下对电介质的极化现象作了理论上的论述，这里在不清楚电介质的极化情况条件下对电介质中的极化电流作理论上的推导。

阶跃极化响应如下：

P(t)＝P_∞+(P_s-P_∞)g(t-t₀) (7)

通过积分得到外施电场下的极化强度：

外施电场作用下电导电流真空位移电流和极化电流转换为：

i(t)＝C₀U_c[δ₀/ε₀+ε_∞δ(t)+f(t)] (9)

上述可以作为时域介质反应函数f(t)的测量基础，通过测量极化电流记录下来，极化测试中的电压尽可能低。

整个极化电流由三部分组成：电导电流，真空位移电流和极化位移电流。在外施阶跃电场的作用下发生转换，得到时域电介质反应函数f(t)测量的基础，通过突然施加的阶跃直流充电电压测试。

实际过程中，在频率范围很广的情况下，对电介质进行频域的测量有些困难，通常对电力设备仅仅在工频下对电容和损耗角正切进行测量，在实验室中，进行宽广频率的测量，然而并不能区分开这两者。在老化过程中，材料会在特定的频率范围内发生改变，运用在频域的介电谱测试能有效检测材料的老化过程，但也与温度有关，所以要在相同温度下进行测试。

极化和去极化电流(PDC)的测量可以提供电力设备绝缘截止状态的可靠信息。绝缘介质的频域介电谱测量(FDS)能够对符合绝缘介质的电容，介电常数，电导率和损耗因数用频率的函数测量出来。同时将电容和介电常数的实部和虚部分开。能很好的避开外界噪声的干扰，也能将实部和虚部分开测量，精度也较高。

在当前的研究中，电容芯子绝缘介质的介电谱主要分三个阶段来研究其变化情况，分别为：刚卷制完成的电容芯子；真空干燥后的电容芯子；油浸渍后的电容芯子。

在对干式套管单独绝缘材料的介电谱测量的基础上，可以进行对整体套管的介电谱测量，考虑到实验用的高压电源和实验场地问题，用实际高电压等级的实际套管进行研究可行性不大，只有运用模型套管作基础性研究，在相关理论和实验结果成熟的基础上，再运用相同的研究方法在相关的电力高压研究单位进行实际套管的绝缘老化研究，试图分析套管在实际运行过程中出现事故的内在绝缘原因。本发明针对实际套管研究其绝缘材料老化过程具有理论基础和仿真平台，能够为实际的模型套管实验提供指导，同时根据实验得到的测试数据对已有的理论模型和仿真计算方法进行完善。综上所示，在频域和时域分析套管绝缘系统老化情况进行研究具有一定的理论高度和实际运用价值，以及高可行性。

如图2所示，本发明实施例提供的基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估系统，包括：

绝缘材料的时域测量模块1，用于对干式套管单独绝缘材料试样进行老化处理后，在不同温度下分别对所述干式套管单独绝缘材料试样进行极化和去极化电流的测量，并绘制不同温度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的极化和去极化电流的测量结果。

绝缘材料的频域测量模块2，用于在不同温度与湿度下对所述干式套管单独绝缘材料试样进行频域介电谱测量，并绘制不同温度与湿度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的频域介电谱测量结果。

整体套管的时域测量模块3，用于分别对干式整体套管模型进行老化处理后，在不同温度下分别对所述干式整体套管模型进行极化和去极化电流的测量，并绘制不同温度下的所述干式整体套管模型的极化和去极化电流的测量结果。

整体套管的频域测量模块4，在不同温度与湿度下对所述干式整体套管模型进行频域介电谱测量，并绘制不同温度与湿度下的所述干式整体套管模型的频域介电谱测量结果。

评估模块5，用于依据不同温度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的极化和去极化电流的测量结果、不同温度与湿度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的频域介电谱测量结果、不同温度下的所述干式整体套管模型的极化和去极化电流的测量结果与不同温度与湿度下的所述干式整体套管模型的频域介电谱测量结果，评估干式套管绝缘的老化状态。

本实施例的基于频域和时域的干式套管绝缘老化状态评估系统用于实现前述的基于频域和时域的干式套管绝缘老化状态评估方法，因此基于频域和时域的干式套管绝缘老化状态评估装置中的具体实施方式可见前面中的基于频域和时域的干式式套管绝缘系统老化状态评估方法的实施例部分，例如，绝缘材料的时域测量模块1，绝缘材料的频域测量模块2，整体套管的时域测量模块3，整体套管的时域测量模块4，评估模块5，分别用于实现上述基于频域和时域的干式套管绝缘老化状态评估方法中步骤1到步骤5，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再赘述。

下面结合实验对本发明的技术效果作详细的描述。

由图3可以发现，用过频域介电谱测量法来进行介质损耗的测量，当所测试的频率越高时，得到的样品介质损耗率是成反比的，频率较低时，得到的介质损耗是保持较高且稳定水平的，但当频率超过1HZ时，得到的样品介质损耗开始有了较明显的下降，由此说明频域介电谱测量介质损耗的方法是准确可行的，且具有很高的参考依据价值。

实验过程中采用的频域介质测试设备，能够很好的在不同等级频率下对介质损耗进行准确的测量，数据完整清晰，对实验结果能够很好的表现出来，通过计算机进行数据绘制，可以得到样品试品的实验结果。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法，其特征在于，所述基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法，包括：

步骤一，对干式套管单独绝缘材料试样进行老化处理后，在不同等级温度下分别对所述干式套管单独绝缘材料试样进行极化和去极化电流的测量，并绘制不同温度下的干式套管单独绝缘材料试样的极化和去极化电流的测量结果；

步骤二，在不同等级温度与湿度下对所述干式套管单独绝缘材料试样进行频域介电谱测量，并绘制不同等级温度与湿度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的频域介电谱测量结果；

步骤三，对干式整体套管模型进行老化处理后，在不同等级温度下对所述干式整体套管模型进行极化和去极化电流的测量，并绘制不同等级温度下的所述干式整体套管模型的极化和去极化电流的测量结果；

步骤四，在不同温度与湿度下对所述干式整体套管模型进行频域介电谱测量，并绘制不同温度与湿度下的所述干式整体套管模型的频域介电谱测量结果；

步骤五，依据不同温度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的极化和去极化电流的测量结果、不同温度与湿度下的所述干式套管独绝缘材料试样的频域介电谱测量结果、不同温度下的所述干式整体套管模型的极化和去极化电流的测量结果与不同温度与湿度下的所述干式整体套管模型的频域介电谱测量结果，评估干式套管绝缘的老化状态。

2.如权利要求1所述基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法，其特征在于，所述步骤一中，干式套管单独绝缘材料试样进行老化处理包括：对交直流干式套管单独绝缘材料试样进行电老化处理与热老化处理；在交直流干式套管单独绝缘材料试样进行电老化处理与热老化处理前包括：利用环氧树脂与绝缘纸的复合体系制作所述交直流干式套管单独绝缘材料试样。

3.如权利要求1所述基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法，其特征在于，所述步骤一中，在不同等级温度下对所述干式套管单独绝缘材料试样进行极化和去极化电流的测量，并绘制不同等级温度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的极化和去极化电流的测量数据包括：

在第Ti个预先设定温度下对所述交直流干式套管单独绝缘材料试样进行极化和去极化电流的测量，以时间为对数坐标系的横坐标、电流为对数坐标系的纵坐标，绘制所述第Ti个预设温度下所述交直流干式套管绝缘材料试样的极化和去极化电流的测量结果，其中i＝1，2，...，N；

在第Ti个预先设定温度下对所述交直流干式套管单独绝缘材料试样进行极化和去极化电流的测量包括；在所述第Ti个预先设定温度下，利用预先搭建的极化与去极化电流测量设备对所述交直流干式套管单独绝缘材料试样进行极化和去极化电流的测量；其中，所述极化与去极化电流测量设备主要包括4V的稳定直流电源、数字式万用表及继电器。

4.如权利要求1所述基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法，其特征在于，所述步骤二中，在不同等级温度与湿度下对所述干式套管单独绝缘材料试样进行频域介电谱测量，并绘制不同等级温度与湿度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的频域介电谱测量结果包括：

在第Tj个预先设定温度与第Wh个预先设定湿度下对所述交直流干式套管单独绝缘材料试样进行频域介电谱测量，得到所述交直流干式套管单独绝缘材料试样在不同频率下的介电常数、电容量、电导率及损耗因数，其中j＝1，2，...，M；h＝1，2，...，K；

分别以介电常数、电容量、电导率及损耗因数作为对数坐标系的纵坐标，以频率作为对数坐标系的横坐标，绘制在所述第Tj个预先设定温度与所述第Wh个预先设定湿度下的所述交直流干式套管单独绝缘材料试样的频域介电谱测量数据结果。

5.如权利要求1所述基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法，其特征在于，所述步骤三中，对干式整体套管模型进行老化处理包括：

通过在预设时间段内改变所述干式整体套管模型中心导杆的载流量/施加电压，实现对所述干式整体套管模型的老化处理。

6.如权利要求1所述基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法，其特征在于，所述步骤四中，频域的介电谱测量如下：

电介质在电场的作用下，建立极化通常需要一定的时间才能达到稳定状态，这对于恒定电场中的电介质来说总有足够的时间让极化建立完全而达到其稳定状态，相应恒定电场中的介电常数成为静态介电常数；

在交变电场中电介质的极化随着电场的变化而变化，当电场随时间的变化很快，与建立极化的时间相比拟，计划跟不上电场的变化，介质在交变电场下的动态介电常数与静态介电常数是不同的，并引起介质的极化损耗；根据极化建立所需要的时间，将计划分为瞬时位移极化和松弛极化两类；建立电子位移极化和离子位移极化，达到其稳态所需要的时间为10^-16～10^-12s。

7.如权利要求6所述基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法，其特征在于，所述电介质极化强度如下：

P＝P_∞+P_r (1)

极化强度与时间的关系如下：

恒定电场下极化强度为：

P_m＝ε₀(ε_s-1)E (3)

松弛极化电场强度如下：

P_rm＝ε₀(ε_s-ε_∞)E (4)

通过交变电场吸收电流和交变电场电导电流与充电电流变化得到介质中有位移极化、松弛电导和贯穿电导时的相对介电常数如下：

ε_r＝ε_∞+(ε_s-ε_∞)/(1+ω²+τ²) (5)

介质损耗角正切值为：

tgδ＝(δ₀+g)/ωε₀ε_r (6)

通过上述分析，绝缘介质的动态相对介电常数和介质损耗角正切与频率和温度是有相当关联的，上述式子作为进行测量的基本公式原理。

8.如权利要求1所述基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法，其特征在于，所述时域的介电谱测量过程为：

阶跃极化响应如下：

P(t)＝P_∞+(P_s-P_∞)g(t-t₀) (7)

通过积分得到外施电场下的极化强度：

外施电场作用下电导电流真空位移电流和极化电流转换为：

i(t)＝C₀U_c[δ₀/ε₀+ε_∞δ(t)+f(t)] (9)

上述作为时域介质反应函数f(t)的测量基础，通过测量极化电流记录下来，极化测试中的电压尽可能低；

整个极化电流由三部分组成：电导电流，真空位移电流和极化位移电流；在外施阶跃电场的作用下发生转换，得到时域电介质反应函数f(t)测量的基础，通过突然施加的阶跃直流充电电压测试。

9.一种实施如权利要求1～8任意一项所述基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法的基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估系统，其特征在于，所述基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估系统，包括：

绝缘材料的时域测量模块，用于对干式套管单独绝缘材料试样进行老化处理后，在不同温度下分别对所述干式套管单独绝缘材料试样进行极化和去极化电流的测量，并绘制不同温度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的极化和去极化电流的测量结果；

绝缘材料的频域测量模块，用于在不同温度与湿度下对所述干式套管单独绝缘材料试样进行频域介电谱测量，并绘制不同温度与湿度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的频域介电谱测量结果；

整体套管的时域测量模块，用于分别对干式整体套管模型进行老化处理后，在不同温度下分别对所述干式整体套管模型进行极化和去极化电流的测量，并绘制不同温度下的所述干式整体套管模型的极化和去极化电流的测量结果；

整体套管的频域测量模块，在不同温度与湿度下对所述干式整体套管模型进行频域介电谱测量，并绘制不同温度与湿度下的所述干式整体套管模型的频域介电谱测量结果；

评估模块，用于依据不同温度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的极化和去极化电流的测量结果、不同温度与湿度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的频域介电谱测量结果、不同温度下的所述干式整体套管模型的极化和去极化电流的测量结果与不同温度与湿度下的所述干式整体套管模型的频域介电谱测量结果，评估干式套管绝缘的老化状态。

10.一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行权利要求1～8任意一项所述基于频域时域高压干式套管绝缘老化状态评估方法包括下列步骤：

步骤一，对干式套管单独绝缘材料试样进行老化处理后，在不同等级温度下分别对所述干式套管单独绝缘材料试样进行极化和去极化电流的测量，并绘制不同温度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的极化和去极化电流的测量结果；

步骤二，在不同等级温度与湿度下对所述干式套管单独绝缘材料试样进行频域介电谱测量，并绘制不同等级温度与湿度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的频域介电谱测量结果；

步骤三，对干式整体套管模型进行老化处理后，在不同等级温度下对所述干式整体套管模型进行极化和去极化电流的测量，并绘制不同等级温度下的所述干式整体套管模型的极化和去极化电流的测量结果；

步骤四，在不同温度与湿度下对所述干式整体套管模型进行频域介电谱测量，并绘制不同温度与湿度下的所述干式整体套管模型的频域介电谱测量结果；

步骤五，依据不同温度下的所述干式套管单独绝缘材料试样的极化和去极化电流的测量结果、不同温度与湿度下的所述干式套管独绝缘材料试样的频域介电谱测量结果、不同温度下的所述干式整体套管模型的极化和去极化电流的测量结果与不同温度与湿度下的所述干式整体套管模型的频域介电谱测量结果，评估干式套管绝缘的老化状态。

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