CN116859189A - 一种套管含水量与频域介电谱特征关联性判断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种套管含水量与频域介电谱特征关联性判断方法，包括套管含水量与频域介电谱关联模型拟合步骤、套管含水量与特征频率分析步骤；所述套管含水量与频域介电谱关联模型拟合步骤包括以下步骤：建立套管绝缘纸的FDS曲线；设定FDS曲线的若干个特征参数；获得对含水量影响最大的影响特征参数；将影响特征参数与含水量结合拟合为拟合方程；套管含水量与特征频率分析步骤包括以下步骤：根据介电模量表达式进行计算得到不同含水量下的介电模量频谱；所述介电模量频谱出现弛豫峰并将驰豫峰对应的频率设为弛豫峰特征频率；根据不同的含水量测量多组不同的弛豫峰特征频率；对含水量和弛豫峰特征频率拟合函数模型。本发明分析出含水量的主要影响特征参数及关联性。
Description
技术领域
本发明涉及电气设备故障诊断技术领域，尤其涉及一种套管含水量与频域介电谱特征关联性判断方法。
背景技术
高压套管作为电网的“核心元件”，是作为电网枢纽设备变压器的“咽喉”，体量大、作用大，因受到受潮等因素影响而造成的套管故障增加，在电网中占绝大多数比重的油纸绝缘套管故障是导致变压器起火燃爆的主要因素，分析套管受潮的方法至关重要。
近些年来，基于介电响应的油纸绝缘受潮评估方法被人们广泛研究。油纸绝缘系统内水分含量和分布情况的变化都会引起油纸绝缘极化过程的改变，进而引起介电响应特性的改变。反之，油纸绝缘介电响应特性的改变，也就对应着绝缘水分含量和分布情况的差异。
因此，研究受潮缺陷发展过程中含水量与介电响应特性之间的关系，有助于辨识油纸绝缘结构的受潮严重程度、水分分布情况及运行工况下的受潮缺陷演化规律，进一步对油纸绝缘受潮状态做出较全面可靠的评估。
有的套管含水量测试方法为介电响应方法，可根据激励电源的不同分为时域和频域介电响应法，时域介电响应法主要有回复电压法(RVM)、极化/去极化电流法(PDC)，频域介电响应法主要为频域介电谱法(FDS)。RVM只能对绝缘的整体状况进行评估，无法将绝缘纸和绝缘油的绝缘状况区分开来，且对实验结果的解释非常复杂，受系统误差影响也较大；PDC虽然可以将绝缘纸和绝缘油的状况分别评估，但易受现场因素干扰，且试验准备时间及测试时间较长。
相比于RVM和FDS方法，FDS因测量频带宽、测量迅速、抗干扰能力强及携带信息丰富等优点，其应用更为广泛。
因此，本发明方法为受潮缺陷发展过程中套管含水量与频域介电谱特征关联性判断方法，分析出含水量的主要影响特征参数及关联性，结合两种特征参数对含水量的影响综合分析套管进水受潮情况，分析出含水量的主要影响特征参数及关联性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种套管含水量与频域介电谱特征关联性判断方法，分析出含水量的主要影响特征参数及关联性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明一种套管含水量与频域介电谱特征关联性判断方法，包括套管含水量与频域介电谱关联模型拟合步骤、套管含水量与特征频率分析步骤；
所述套管含水量与频域介电谱关联模型拟合步骤包括以下步骤：
建立套管绝缘纸的FDS曲线；
设定FDS曲线的若干个特征参数；
根据频域介电谱法分析特征参数对含水量的影响；获得对含水量影响最大的影响特征参数；
设定套管老化因素，并将影响特征参数与含水量结合拟合为拟合方程；
套管含水量与特征频率分析步骤包括以下步骤：
根据介电模量表达式进行计算得到不同含水量下的介电模量频谱；所述介电模量频谱出现弛豫峰并将驰豫峰对应的频率设为弛豫峰特征频率；
根据不同的含水量测量多组不同的弛豫峰特征频率；
对含水量和弛豫峰特征频率拟合函数模型。
进一步地，所述建立套管的FDS曲线采用随机自由障碍能模型描述电导损耗过程，并选取H-N模型用以描述极化损耗过程。
进一步地，所述特征参数包括直流电导率、聚合度、函数变化值、时间常数、劣化速率。
进一步地，所述根据频域介电谱法分析特征参数对含水量是否影响的具体方法为：
(1)根据FDS曲线获得全频带的函数表达式；所述函数表达式含有全部的特征参数；
(2)通过实验数据拟合得到的特征参数，将特征参数代入全频带的函数表达式；
(3)将全频带的函数表达式进一步计算可得，介电常数的虚部表达式ε”'；
(3)分频段拟合在不同含水量m下，介电常数的虚部表达式ε”-f建立拟合曲线，其中f为频率；
(4)实验测量获得不同含水量与频率的实测曲线；
(5)判断拟合曲线和实测曲线的一致性，具体为：将拟合曲线和实测曲线重叠，若两者基本重合，则拟合曲线和实测曲线具有一致性，执行下一步；否则重新设定FDS曲线的若干个特征参数直至拟合曲线和实测曲线具有一致性。
进一步地，获得对含水量影响最大的特征参数，具体为：比较不同含水量下各拟合曲线对应的所有特征参数，其中不同水分含量下特征参数之间的差值最大的特征参数即为影响特征参数。
进一步地，所述老化因素包括温度、绝缘纸板、绝缘油，
拟合方程如下所示：
式中，σ0为影响特征参数，m为含水量，A0是温度影响因子，B0是绝缘纸板影响因子和C0是绝缘油影响因子。
进一步地，所述介电模量表达式为：
式中，M*为介电模量，ε*为介电常数的复数，ε’为ε*的实部，ε”为ε*的虚部。
进一步地，所述拟合函数模型的方法为：基于最小二乘法的原理，用MATLAB进行拟合，获得函数模型为
式中，f为频率，m为含水量，A0、B0及C0为与温度变化量、绝缘纸板尺寸及绝缘油密度。
本发明的有益效果如下所示：
本发明方法主要研究受潮缺陷发展过程中含水量与频域介电谱特征关联性，分析出含水量的主要影响特征参数及关联性，获得的影响特征参数、弛豫峰特征频率对含水量都有关联性，可结合辅助分析；本发明结合影响特征参数、弛豫峰特征频率两种特征参数对含水量的影响综合分析套管进水受潮情况，即综合判断套管含水量，这种判断方法准确率高。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种套管含水量与频域介电谱特征关联性判断方法的流程图；
图2为本发明实施例进行套管含水量与频域介电谱关联模型拟合步骤时获得的介电常数虚部频谱；
图3为本发明实施例进行套管含水量与频域介电谱关联模型拟合步骤时获得的不同水分含量下，复介电常数虚部实测与拟合曲线；
图4为本发明实施例直流电导率σ0与含水量m拟合关系曲线；
图5为本发明实施例中不同含水量试品的复介电常数虚部及介电模量虚部曲线，其中，(a)为介电常数虚部，(b)为介电模量虚部。
图6为本发明实施例中驰豫峰特征频率与水分含量关系拟合曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本发明公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。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。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
如图1所示，本发明实施例的一种套管含水量与频域介电谱特征关联性判断方法，包括套管含水量与频域介电谱关联模型拟合步骤、套管含水量与特征频率分析步骤；
套管含水量与频域介电谱关联模型拟合步骤包括以下步骤：
本发明建立套管的FDS曲线的方法采用随机自由障碍能模型(Dyre模型)描述电导损耗过程，并选取H-N模型用以描述极化损耗过程。设定FDS曲线的六个特征参数，特征参数包括直流电导率、聚合度、函数变化值、时间常数、劣化速率。
根据频域介电谱法分析特征参数对含水量是否影响，具体方法为：
FDS曲线在全频带的函数表达式ε*(ω)如式(1)所示。
ε*(ω)＝-jα*σ0/(ε0*ωs)+ε∞+Δε/(1+(jωτ)α)β (1)
在(1)中，ω为角频率，j为虚部单位，α为糠醛含量，σ0为直流电导率，ε0*为函数初始值，S为聚合度，ε∞为函数饱和值，Δε为函数变化值，τ为时间常数，β为劣化速率，而由(1)进一步计算可得，介电常数的虚部表达式ε”(ω)为：
r(ω)为信号幅值，ψ(ω)为电流信号超前于电压信号的相位，其中r(ω)与ψ(ω)分别为，
通过实验数据拟合得到六个特征参量σ0、s、Δε、τ、α、β便可以得出频域介电谱的函数表达式，同时，改变试品的绝缘状态而得到不同的FDS曲线，寻找宏观变量与特征参量的关系，即可得到定量评价油浸纸板绝缘状态的方法。
根据以上函数模型，分频段拟合图2中不同水分含量下，油浸绝缘纸板复介电常数虚部ε”-f曲线，f为频率，m为含水量。判断拟合曲线和实测曲线的一致性，具体为：将拟合曲线和实测曲线重叠，若两者基本重合，则拟合曲线和实测曲线具有一致性，执行下一步；否则重新设定FDS曲线的若干个特征参数直至拟合曲线和实测曲线具有一致性。拟合结果如图3所示。
结果表明，所有拟合曲线与实测曲线都具有很好的一致性，可见本发明方法提出的油浸纸板介电响应模型及其频域谱拟合方法都是非常有效的，具有很强的适用性。不同水分含量下，各拟合曲线对应的特征参数如下表1所示。
表1不同水分含量下，油浸纸板拟合特征参数表
表1结果表明，特征参数中直流电导率σ0的变化最为明显，且随着油浸纸板中水分含量的增加其值非线性增大，而其他模型参数并无规律可循。由此可见，纸板中的水分与低频域的电导过程密切相关，选取直流电导率σ0为特征参量表征油浸纸板中水分含量m的变化。基于最小二乘原理，进一步研究σ0与m的数值关系，拟合结果如图5所示，拟合方程如式(4)所示。
式中，σ0为影响特征参数，m为含水量，A0是温度影响因子，B0是绝缘纸板影响因子和C0是绝缘油影响因子。如图4所示，可见直流电导率σ0与纸板含水量m之间具有指数关系，因此可根据频域谱提取直流电导率σ0，结合式(4)可实现油浸纸板中水分含量的定量评估，分析直流电导率特征参数对含水量的影响。
套管含水量与特征频率分析步骤包括以下步骤：其表达式如(5)所示。
ε*为介电常数的复数，ε’为ε*的实部，ε”为ε*的虚部。在频域内，按照经典Debye理论，电介质的极化表现为一个半圆形的极化峰，由于电导极化的影响，极化峰往往在FDS中被淹没，因此需要对函数模型提取特征参量，步骤较为繁琐且特征参数获取不够明显，为此，在某些绝缘劣化下采用介电模量分析，可以有效抑制低频下较高的电导损耗现象，得到明显的“弛豫峰”，弛豫峰的频率及幅值对应于含水量及老化程度，可以方便获取绝缘状态的定量表达式，适用于现场测量。在频域介电谱测量结果的基础上，根据式(5)进行计算得到不同水分含量下的介电模量频谱，两者比较如图5所示。
对比可知，复介电常数谱和复介电模量谱均能有效区分不同含水量的影响。两组曲线在低频域出现了较大的差异：在1mHz-1Hz的区间内，不同含水量油浸纸板试品的介电常数虚部随频率增加整体呈下降趋势，而介电模量虚部却在此频带内出现了明显的“弛豫峰”，并且弛豫峰出现的特征频率及幅值因含水量的不同而存在差异。分析可知，两种谱线出现差异的原因在于低频范围内电导损耗和电极极化效应占据主导地位，电导损耗随频率的增加而降低使得频域介电谱出现了下降趋势，而介电模量谱最大程度的消除了电导损耗以及电极极化的影响，从而有效的表征低频下油浸纸板的弛豫过程和机理。
由于受潮实验中介电模量表现出了于含水量的正相关性，且根据理论可知，油纸绝缘系统中的水分主要存在于绝缘纸中，油和纸中的水分在达到平衡之后，绝缘纸中的水分含量约为绝缘油的一百倍，并随温度变化而发生变化。油中的水分含量主要影响电导率变化，纸板中的水分含量主要影响极化过程，因此用介电模量谱的特征来表征油浸纸板水分含量的变化更贴合机理。，因此选择复介电模量的弛豫峰对水分含量进行表征和分析。
进一步观察介电模量谱的弛豫峰特征频率及幅值可见，随着试品水分含量的增加，弛豫峰的特征频率向着高频方向移动，这可能与水分含量增加后弛豫时间的改变有关，而弛豫峰的幅值也与水分含量的增加存在一定程度上的正相关关系。
综上所述，介电模量谱对于简明、快速、有效对现场变压器等油纸绝缘设备水分含量评估的要求表现出更强的适应性。在得到的复介电模量谱的基础上，本发明方法选择驰豫峰的特征频率和水分含量的对应关系来研究，建立有效的函数模型并提取特征参数，探究表征油纸绝缘结构水分含量的方法。根据图5测量结果，可得到驰豫峰的特征频率与试品水分含量的对应关系，如表2所示。
表2不同水分含量下试品的弛豫峰特征频率表
进一步研究含水量m与特征频率f的关系，基于最小二乘法的原理，用MATLAB进行拟合，其拟合函数模型如式(6)，拟合结果如图6所示。
式中A0、B0及C0均为与温度及试品内部微观结构有关的参量。拟合结果为A0＝7.87×10-4、B0＝1.74×10-5及C0＝0.0767，拟合优度R2＝0.997。
由拟合结果知，对试品含水量与驰豫峰特征频率关系的指数拟合效果良好，其拟合方程的可决系数R2＝0.997，拟合优度极高。因此，根据测得的油纸绝缘试品复介电模量虚部曲线，提取驰豫峰特征频率f，再根据式(6)即可定量求得油浸纸板水分含量。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种套管含水量与频域介电谱特征关联性判断方法，其特征在于，包括套管含水量与频域介电谱关联模型拟合步骤、套管含水量与特征频率分析步骤；
所述套管含水量与频域介电谱关联模型拟合步骤包括以下步骤：
建立套管绝缘纸的FDS曲线；
设定FDS曲线的若干个特征参数；
根据频域介电谱法分析特征参数对含水量的影响；获得对含水量影响最大的影响特征参数；
设定套管老化因素，并将影响特征参数与含水量结合拟合为拟合方程；
套管含水量与特征频率分析步骤包括以下步骤：
根据介电模量表达式进行计算得到不同含水量下的介电模量频谱；所述介电模量频谱出现弛豫峰并将驰豫峰对应的频率设为弛豫峰特征频率；
根据不同的含水量测量多组不同的弛豫峰特征频率；
对含水量和弛豫峰特征频率拟合函数模型。
2.根据权利要求1所述的一种套管含水量与频域介电谱特征关联性判断方法，其特征在于，所述建立套管的FDS曲线采用随机自由障碍能模型描述电导损耗过程，并选取H-N模型用以描述极化损耗过程。
3.根据权利要求1所述的一种套管含水量与频域介电谱特征关联性判断方法，其特征在于，所述特征参数包括直流电导率、聚合度、函数变化值、时间常数、劣化速率。
4.根据权利要求1所述的一种套管含水量与频域介电谱特征关联性判断方法，其特征在于，所述根据频域介电谱法分析特征参数对含水量是否影响的具体方法为：
(1)根据FDS曲线获得全频带的函数表达式；所述函数表达式含有全部的特征参数；
(2)通过实验数据拟合得到的特征参数，将特征参数代入全频带的函数表达式；
(3)将全频带的函数表达式进一步计算可得，介电常数的虚部表达式ε”'；
(3)分频段拟合在不同含水量m下，介电常数的虚部表达式ε”-f建立拟合曲线，其中f为频率；
(4)实验测量获得不同含水量与频率的实测曲线；
(5)判断拟合曲线和实测曲线的一致性，具体为：将拟合曲线和实测曲线重叠，若两者基本重合，则拟合曲线和实测曲线具有一致性，执行下一步；否则重新设定FDS曲线的若干个特征参数直至拟合曲线和实测曲线具有一致性。
5.根据权利要求1所述的一种套管含水量与频域介电谱特征关联性判断方法，其特征在于，获得对含水量影响最大的特征参数，具体为：比较不同含水量下各拟合曲线对应的所有特征参数，其中不同水分含量下特征参数之间的差值最大的特征参数即为影响特征参数。
6.根据权利要求1所述的一种套管含水量与频域介电谱特征关联性判断方法，其特征在于，所述老化因素包括温度、绝缘纸板、绝缘油，
拟合方程如下所示：
式中，σ0为影响特征参数，m为含水量，A0是温度影响因子，B0是绝缘纸板影响因子和C0是绝缘油影响因子。
7.根据权利要求1所述的一种套管含水量与频域介电谱特征关联性判断方法，其特征在于，所述介电模量表达式为：
式中，M*为介电模量，ε*为介电常数的复数，ε’为ε*的实部，ε”为ε*的虚部。
8.根据权利要求1所述的一种套管含水量与频域介电谱特征关联性判断方法，其特征在于，所述拟合函数模型的方法为：基于最小二乘法的原理，用MATLAB进行拟合，获得函数模型为
式中，f为频率，m为含水量，A0、B0及C0为与温度变化量、绝缘纸板尺寸及绝缘油密度。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117609686A (zh) * | 2024-01-23 | 2024-02-27 | 云南农业大学 | 一种基于频域介电谱的土壤含水率评价方法 |
| CN117609686B (zh) * | 2024-01-23 | 2024-04-12 | 云南农业大学 | 一种基于频域介电谱的土壤含水率评价方法 |
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