一种基于太赫兹波的绝缘油介质损耗因素测试方法及系统

本发明属于计算机领域，涉及一种基于太赫兹波的绝缘油介质损耗因素测试方法及系统。

背景技术：

1、油浸式电力设备在长期的电、热、机械应力等复杂运行工况作用下，绝缘材料性能逐渐劣化，故障概率逐年增加。充油设备的绝缘油的功能特性(介质损耗因素)能够有效反映设备的运行风险，根据dl/t596-2021《电力设备预防性试验规程》每台设备以上各指标需至少每1～3年评估一次。

2、在交流电压下，介质的有功功率损耗称为介质损耗，介质损耗因数就是电介质上电压与电流夹角的余角，介质损耗因数只取决于材料的特性，而与材料的尺寸和体积无关。影响tanδ的因素主要有温度、频率和电压。对绝缘油而言，希望tanδ尽可能小。传统测量方法电桥法容易受外界干扰，且测试程序复杂，自动化水平低，操作工作量大，人为因素影响较大。瓦特表法准确率低，谐振回路法精度不高，测量频率不固定，测量方法不规范。现有的介质损耗主要是全数字测量法，通过介损测试仪实现全数字滤波技术和矢量法测试原理，通过电容分压法实现检测，但是对于不同的充油设备，其等效的试品电容器的大小不同，而这种变频电源的升压方式单一，对不同电容大小的试品电容器进行介质损耗测量，精度不一，通用性差。

3、太赫兹时域光谱(terahertztime-domainspectroscopy，thz-tds)在油纸绝缘老化无损检测领域表现出较大的潜力。太赫兹波能量与极性分子振动的能量相当，其吸收光谱中携带了丰富的物质指纹信息。thz-tds作为近年来兴起的一种光谱测试技术，已作为传统光谱技术的补充，成功应用于一些物质检测和鉴别场合。油纸绝缘劣化产生的酸、糠醛和水等物质是极性分子，也是引起介质损耗增加的主要原因。相比于传统光谱技术，太赫兹波作用于极性物质时会出现强烈的共振吸收，表现为明显的吸收峰，但对大部分非极性物质(例如绝缘油)又具有良好的穿透能力，恰好可以克服红外和拉曼光谱中，绝缘油分子振动对老化产物特征信息的掩盖，有利于获得高信噪比的指纹光谱。这个特征特别适用于绝缘油介质损耗的检测。

4、目前尚无对充油设备绝缘油介损进行现场快速无损测量的技术手段，实验室内利用介损仪评估，也需要耗时数十分钟和大量样品，且样品的存储和运输过程中易造成指标变化，影响评估准确性。而在太赫兹检测绝缘油方面，目前已有太赫兹技术应用于绝缘油中水分、甲醇等物质的检测，但这些研究集中在新绝缘油中极性物质特征的提取，还鲜有人研究劣化油介质损耗因素与太赫兹特征的关系。也未有人开发便携式太赫兹设备。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于太赫兹波的绝缘油介质损耗因素测试方法及系统。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明采用太赫兹波对极性物质的感知能力，而油纸绝缘劣化产生的酸、糠醛和水等物质是极性分子，也是引起介质损耗增加的主要原因。先制作标样利用太赫兹频谱特征建立与介损的定量关系，而后直接测量待测样品的太赫兹频谱，利用前面建立的定量关系进行介质损耗因素的评估，如图1所示。

4、(1)制作绝缘油劣化标样

5、由于不同类型的绝缘油(矿物油、植物油和合成酯等)其劣化后的介损表征有差异，故为了准确的评估待测样品的介损，应该根据不同类型的绝缘油单独制作标样。可以利用梯度加速热老化的方式制作不同质量的绝缘油，也可以取同一厂家不同运行年限的现场变压器绝缘油作为标样。要求标样范围至少覆盖0.005～0.1。

6、(2)测量标样的介质损耗因素

7、按照iec 60247:2004对绝缘油的介损进行测量。

8、(3)搭建太赫兹光谱仪绝缘油介质损耗因素测试系统

9、搭建太赫兹光谱仪绝缘油介质损耗因素测试系统，该平台主要由太赫兹光谱仪主机和透射式光纤耦合式太赫兹测量探头组成。其中，太赫兹光谱仪主机内部主要包含光纤飞秒激光器、光纤延迟线、太赫兹弱信号采集板和锂电池等，实现对太赫兹时域波形的异步采样功能。

10、透射式光纤耦合式太赫兹测量探头主要由光纤耦合式太赫兹发射探头、光纤耦合式太赫兹接收探头、高阻硅分光片、聚焦透镜、光学反射镜，以及精密光机调准零部件组成。

11、连接tx发射端光纤线、pump高压线、rx接收端光纤线、probe高压线，连接太赫兹光谱仪主机与透射式探头并接地，启动飞秒激光器控制软件，飞秒激光器射出的飞秒激光脉冲通过分束器将激光束一分为二，变为两路飞秒激光束；光功率较强的透射光作为泵浦光，光功率较弱的反射光作为探测光。泵浦光经过光学时间延迟控制系统与探测光均接入tx发射端光纤线，经过共焦离轴抛物面反射镜一平行穿透绝缘油样品，再经过共焦离轴抛物面反射镜二接入rx接收端光纤线将收集到的含有样品信息的太赫兹波传入信号采集板中。信号采集板探测rx光纤线收集的两路光的光强差正比于太赫兹辐射场的场强大小，实现对太赫兹脉冲信号的等效时间采样，提取出太赫兹电场的时域信号并显示在集成在太赫兹光谱仪主机的太赫兹采集软件中，如图2所示。

12、(4)测量标样的太赫兹光谱

13、取3.3ml待测油样于样品池中，样品池为聚苯乙烯比色皿，其在太赫兹波段内吸收较小、折射率为恒定值，对测量干扰较小。将样品池置于透射式便携式太赫兹光谱仪探头光路正中间，启动太赫兹光谱仪主机，启动激光器软件，设置两相电流分别为999ma和990ma，启动太赫兹数据采集软件，设置采集范围为-5到3，控制实验室温度为25摄氏度左右，湿度为6％以下。将空的聚苯乙烯比色皿置于探头光路中间，使太赫兹波能够平行穿透样品池，设置平均次数为512次，测量参考信号，并设置为参考信号，取下空白比色皿，再将装有待测油样的样品池置于同一位置，同样设置512次，等待测量结束，保存样品信号和参考信号。将样品信号和参考信号比较，得到太赫兹时域光谱。对获得的太赫兹时域光谱取主峰，将主峰以外的部分置零，再均值滤波去除噪声干扰。根据公式(1)～(4)将预处理后的太赫兹时域光谱转化为太赫兹吸收系数频谱。

14、

15、n(ω)＝1+[φs(ω)-φr(ω)]c/dω (2)

16、

17、α(ω)＝2κ(ω)ω/c (4)

18、其中n为折射率，k为消光系数,α为吸收系数，d为样品厚度，c为光速。

19、(5)建立该物质太赫兹频谱特征与绝缘油介质损耗因素的定量曲线

20、太赫兹频段在1thz左右的特征峰可以表征极性物质的协同振动和氢键含量。油纸绝缘中热老化生成的水、酸、醇和醛类等极性物质，可以形成分子内和分子间氢键。因此太赫兹吸收系数频谱在低频段与绝缘油中的极性物质含量存在一定关系。但绝缘油内存在老化生成的水和酸等多种极性物质均能起到导体作用，从而产生电阻性的传导电流泄漏电流，引起功率损失。因此单一特征峰不能完全表征绝缘油的介质损耗因素，因为老化生产的多种极性物质的特征峰处于0.3-1.5thz范围内，故考虑使用0.3-1.5thz范围太赫兹吸收系数频谱的积分来表征绝缘油中极性物质的含量，进而评估绝缘油的介质损耗因素。

21、①首先对太赫兹吸收系数频谱0.3-1.5thz范围进行积分

22、

23、其中ω1为0.3，ω2为1.5，ks为积分系数，取0.9～1.1，取决于绝缘油的种类，矿物油时k1取1。

24、②将积分后的结果与iec标准测量得到的介损数值进行拟合，建立绝缘油太赫兹频谱特征与绝缘油介质损耗因素的定量曲线

25、tanδ＝k1*exp(-s/t1)+k2*exp(-s/t2)+k3*exp(-s/t3)+km

26、其中，k1为水分拟合系数，受绝缘油中水分含量影响；k2为酸值拟合系数，受绝缘油中酸值含量影响；k3为环境拟合系数，受样品测试的温度和湿度的影响；km为修正系数，受便携式太赫兹仪器本身的噪声影响。

27、(6)测试待测样品的太赫兹光谱并计算介质损耗因素

28、利用步骤(3)和(4)的方法测量样品太赫兹光谱，并计算太赫兹特征值，利用步骤(5)提出的定量曲线计算待测样品的介质损耗因素

29、一种计算机系统，包括存储器、处理器及储存在存储器上并能够在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的方法。

30、一种计算机可读存储介质，其上储存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的方法。

31、本发明的有益效果在于：提出了充油设备绝缘油介损现场快速无损测量技术手段，开发了便携式太赫兹设备，利用该设备能够实现无损快速检测绝缘油介损，避免因为样品的存储和运输过程造成指标变化从而影响检测评估的准确性。系统轻量化程度取决于系统的自研程度，国内多数厂商其实多数采取的方法都是集成系统，设备里面的几个大的部件都是采购来的，整机的体积不可能缩小。本发明全部自主研制开发，为压缩体积，整体已经有机融合在一起。

32、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。