油纸绝缘介电谱特性分析方法与流程

本发明涉及电力设备，特别涉及一种油纸绝缘介电谱特性分析方法。

背景技术：

1、随着碳达峰、碳中和战略目标的提出，跨省跨区域电网建设逐渐成为资源优化配置的必要手段，其中电力设备寿命周期精细化管理是构建安全高效智能电网的关键。电容型高压套管作为电力系统中最重要的设备之一，堪称电力系统的“咽喉”，其剩余寿命主要取决于内部油纸绝缘状态。运行期间，套管在各种应力的作用下逐渐受潮并发生老化，威胁着电力系统的安全稳定运行。如何准确获取并有效表征套管绝缘状态成为油纸绝缘领域研究的热点问题。

2、频域介电谱(fds)技术被广泛应用于油纸绝缘电力设备状态诊断中。但fds在低频段测试时间较长，测试时设备往往处于动态降温过程，所获得的fds曲线与评估数据库差别较大，使用时变温度fds曲线进行绝缘状态评估的结果存在一定误差，不利于电力设备绝缘状态的精确评估。

技术实现思路

1、本发明提供了一种油纸绝缘介电谱特性分析方法，通过仿真获得套管温度场分布，采用粒子群优化算法反演出不同温度下介电弛豫havriliak-negami模型的特征参数，并基于最小二乘法计算出时变温度条件下每个频点的等效温度，由此实现了曲线校正，校正后的曲线与参考温度曲线具有较好的一致性，有助于电力设备绝缘状态的精确评估。

2、本发明提供了一种油纸绝缘介电谱特性分析方法，包括：

3、构建套管模型并进行参数设置，通过仿真获得所述套管温度场分布，得到所述套管的散热方程；

4、确定介电弛豫havriliak-negami模型并进行套管fds恒温实验，进而采用粒子群优化算法反演出不同温度下介电弛豫havriliak-negami模型的特征参数；

5、基于最小二乘法计算出时变温度条件下每个频点的等效温度，以实现时变温度fds曲线校正。

6、进一步地，所述构建套管模型并进行参数设置，通过仿真获得所述套管温度场分布，得到所述套管的散热方程的步骤中，套管模型及仿真包括：

7、套管模型的结构包括中心载流导体、绝缘纸、铝箔、变压器油、外护套和空气间隙，套管的主绝缘等效为多层铝箔电极所构成的同轴串联电容器，其中心载流导体采用具有高导热系数的铜导体，外壳为聚甲基丙烯酸甲酯材质的有机玻璃；

8、套管中电容型油纸套管模型结构包括固、液、气三种物质形态，设置模型内部绝缘初始温度为85℃，空气间隙和外护套初始温度与环境温度相同，采用二维轴对称结构对其温度分布进行计算。

9、进一步地，采用二维轴对称结构对其温度分布进行计算，包括：

10、构建套管二维轴对称模型并进行模型网格剖分；

11、针对导杆、变压器油、绝缘纸、铝箔等材料设置比定压热容、导热系数及密度参数；

12、设置瞬态求解器及仿真时间，同时设置域探针，得到套管二维及三维温度分布云图。

13、进一步地，所述构建套管模型并进行参数设置，通过仿真获得所述套管温度场分布，得到所述套管的散热方程的步骤中，所述套管的散热方程包括：

14、根据所述套管二维及三维温度分布云图，选取套管电容芯子为研究对象，得到其散热曲线图；

15、根据所述散热曲线图，得到随着散热时间的增加，套管内部绝缘的温度呈现指数下降趋势，最高温度为起始温度，最低温度为环境温度，散热速率由快变慢；

16、通过拟合可以得到套管的散热方程为：

17、t＝53.91e-0.01163t+30.55e-0.000407t

18、由此，可以获得套管散热过程中任意时刻的绝缘温度。

19、进一步地，所述确定介电弛豫havriliak-negami模型并进行套管fds恒温实验，进而采用粒子群优化算法反演出不同温度下介电弛豫havriliak-negami模型的特征参数的步骤中，介电弛豫havriliak-negami模型包括：

20、

21、其中，τ为弛豫时间，εs和ε∞分别为静态介电常数与光频介电常数，α、β为与弛豫时间分布相关的形状参数，0≤α≤1，0≤β≤1，ω为角频率；

22、根据复分析理论，得到其复介电常数实部和虚部的表达式分别为：

23、

24、

25、

26、

27、对于不同温度下的fds曲线，εs、τ、α、β的值均不同，其中，εs表示为电子极化的微观极化率ae和偶极极化的微观极化率a0的函数，ae不受温度影响，a0与温度相关，介质的弛豫是由系统内粒子间的能量传递所引起，温度越高，能量传递越快，则弛豫时间τ越小，α和β为形状参数；由此可推导出介质损耗因数与温度t的函数关系为：

28、tanδ＝f(εs(t),ε∞,τ(t),α(t),β(t))

29、

30、其中，n为独立永久偶极子个数；ε0为真空介电常数；a为常系数；u为分子活化能；kb为boltzmann常数，kb＝1.38×10-23j/k；在时变温度条件下，由于1mhz～0.1hz频段fds测试所对应测试频点的温度不是定值，在进行曲线温度校正时需要获得其等效温度；

31、在已知介电谱某点的频率及介质损耗因数时，可以获得相应的等效温度为：

32、tequal＝f-1(tanδ,ω)

33、采用ls方法进行求解，获得等效温度后，依据arrhenius公式将时变温度下的频点平移到所需的恒定温度条件下，即

34、

35、其中，ts为校正的目标温度；f0为等效温度tequal下fds曲线某点平移前所对应的频率；f为平移后该点在温度ts下所对应的频率；ea为活化能。

36、进一步地，所述确定介电弛豫havriliak-negami模型并进行套管fds恒温实验，进而采用粒子群优化算法反演出不同温度下介电弛豫havriliak-negami模型的特征参数的步骤中，采用粒子群优化算法反演出不同温度下介电弛豫havriliak-negami模型的特征参数包括：

37、在可行域内由n个粒子组成粒子群，每个粒子的位置表示一种可行解，则第i个粒子第k+1次迭代后的位置可表示为：

38、

39、其中，为第i个粒子第k+1次迭代后的havriliak-negami模型的第j维参数；

40、可行解的更新通过粒子的移动来完成，则第i个粒子在维度d下第k+1次迭代后的位置为：

41、

42、其中，v为粒子群的速度，可以表示为：

43、

44、其中，m为惯性权重；r1和r2为[0,1]范围内的随机数，以增加搜索的随机性；pb为粒子i的历史最佳位置；gb为整个粒子群的历史最佳位置；

45、通过粒子适应度来衡量解的优劣，定义粒子适应度函数为：

46、

47、其中，下标pso代表将粒子群算法的最优结果代入复介电常数实部和虚部的表达式分获得的计算值；下标test代表fds实测值；s为fds的测试频点数；

48、介质损耗因数与温度t的函数关系，使用不同恒定温度下的fds数据反演出havriliak-negami模型中对应的参数，由于需要校正的时变温度在30～90℃，采用三次样条插值函数构造havriliak-negami模型各参数与温度的准确关系。

49、进一步地，所述基于最小二乘法计算出时变温度条件下每个频点的等效温度，以实现时变温度fds曲线校正的步骤，包括：

50、将不同温度下介电弛豫havriliak-negami模型的特征参数替换为温度的函数代入复介电常数实部和虚部的表达式分中求解等效温度，采用最小二乘法进行等效温度的求解，最后使用arrhenius公式进行校正；其中，通过套管的散热方程将仿真得到的绝缘内部温度作为最小二乘法的初值可以保证计算结果的准确性。

51、本发明的有益效果为：

52、本发明在充分考虑套管真实结构及散热条件的基础上，基于有限元仿真确定了套管停电后内部绝缘温度的变化特性，为时变温度下fds曲线校正提供了基础。进一步到多组恒温条件下的fds曲线。在此基础上，采用粒子群优化(particle swarm optimization,pso)算法反演出了havriliak-negami(h-n)介电弛豫模型特征参数与温度的非线性关系，将仿真温度作为初值基于最小二乘(least square,ls)法计算出时变温度条件下fds曲线中每个频点的等效温度，并使用arrhenius公式实现了暂态温度下逐个频点数据的精准校正。校正后的曲线与参考温度曲线具有较好的一致性，有助于电力设备绝缘状态的精确评估。