一种高压开关设备绝缘介质介电谱快速拟合方法与流程

本发明属于高压开关设备绝缘介质材料分析领域，具体涉及一种高压开关设备绝缘介质介电谱的快速拟合方法。

背景技术：

1、绝缘件是组合电器、开关柜等高压开关设备的关键部件，主要包括盆式绝缘子、支柱绝缘子、触头盒、穿柜套管等，通常起着电气绝缘、支撑导体或隔离气室等作用，在变电工程中的使用量很大，质量参差不齐。运行经验表明，现场组合电器盆式绝缘子、支柱绝缘子以及开关柜触头盒、穿柜套管等各类绝缘件多次发生沿面烧蚀、放电、开裂等各类故障，成为制约高压开关设备运行可靠性的薄弱环节。

2、绝缘件的绝缘可靠性不仅取决于其结构设计，更与其材料介电性能密切相关，由于不同供应商的产品配方及浇注、固化工艺各异，引起材料介电性能各有差异。通过测试绝缘件绝缘介质的宽频介电谱数据，掌握其介电弛豫过程变化规律，对于分析材料介电性能至关重要。目前，一般采用havriliak-negami(hn)模型进行拟合，但对于高压开关设备绝缘件所用环氧树脂复合材料，属于聚合物电介质范畴，受制于高温低频区域的直流电导影响，其往往只表现出“单一”弛豫峰或没有明显弛豫峰，导致介电谱数据拟合分析精度相对偏低，使得研究人员难以准确分析其材料介电性能，评估设备的绝缘可靠性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高压开关设备绝缘介质介电谱的快速拟合方法，该方法通过引入等效介质损耗因子，取消直流电导的干扰，有效识别高压开关设备绝缘介质介电谱中被直流电导掩盖的非明显弛豫峰，并利用遗传算法，可以快速拟合高压开关设备绝缘介质介电谱数据，提高绝缘介质介电谱数据的拟合精度，为研究人员分析绝缘件材料的介电性能、评估高压开关设备的绝缘可靠性提供重要支撑。

2、本发明提出了一种高压开关设备绝缘介质介电谱快速拟合方法，在本发明实施例中，通过引入等效介质损耗因子，取消直流电导的干扰，有效识别高压开关设备绝缘介质介电谱中被直流电导掩盖的非明显弛豫峰，并利用遗传算法，快速拟合高压开关设备绝缘介质介电谱数据。

3、另外，根据本发明上述实施例的一种高压开关设备绝缘介质介电谱快速拟合方法，还可以具有如下附加的技术特征：

4、在本发明的一些实施例中，所述方法包括以下步骤：

5、步骤1、测量得到高压开关设备绝缘介质的介电谱数据，其复介电常数实部与虚部之间满足克拉莫-克兰尼克方程；

6、步骤2、对复介电常数实部进行求导变换，得出等效介质损耗因子；

7、步骤3、绘制等效介质损耗因子的频谱图，识别弛豫峰个数，根据hn模型分别构造复介电常数实部和虚部；

8、步骤4、以复介电常数实部、虚部为对象，构造目标函数；

9、步骤5、采用遗传算法对目标函数进行拟合分析，得出弛豫峰特征参数，构建该绝缘介质的hn函数模型。

10、在本发明的一些实施例中，所述步骤1中，克拉莫-克兰尼克方程如下：

11、

12、式中，ω表示角频率，ε0表示真空介电常数，σdc表示直流电导率，ξ表示积分变量，ε∞(ω)表示光频介电常数，ε′(ω)表示复介电常数实部、ε″(ω)表示复介电常数虚部，ε′(ξ)表示积分变量对应的复介电常数实部，ε″(ξ)表示积分变量对应的复介电常数虚部。

13、在本发明的一些实施例中，所述步骤2中，对复介电常数实部按下式进行求导变换，得出等效介质损耗因子ε″equ(ω)：

14、

15、式中，ω表示角频率。

16、在本发明的一些实施例中，采用萨维茨基-戈雷滤波多项式对步骤2中等效介质损耗因子计算公式所示求导操作进行等效替换：

17、

18、式中，ε′表示复介电常数实部，q表示介电谱测量时频率等比数列的公比。

19、在本发明的一些实施例中，所述步骤3中，复介电常数实部ε′hn(ω)和虚部ε″hn(ω)的计算公式如下：

20、

21、式中，ε′ep(ω)表示电极极化引起的复介电常数实部，ε″ep(ω)表示电极极化引起的复介电常数虚部，ε′c(ω)表示绝缘介质极化引起的复介电常数实部，ε″c(ω)表示绝缘介质极化引起的复介电常数虚部，m表示弛豫峰个数，ε0表示真空介电常数，σdc表示直流电导率。

22、在本发明的一些实施例中，所述步骤4中，目标函数如下：

23、

24、式中，i表示测试频率点，ε′(ωi)表示测试频率ωi下的复介电常数实部测试值，ε″(ωi)表示测试频率ωi下的复介电常数虚部测试值，ε′hn(ωi)表示测试频率ωi下的复介电常数实部hn函数拟合值，ε″hn(ωi)表示测试频率ωi下的复介电常数虚部hn函数拟合值，min表示目标函数优化值，取为10-3。

25、在本发明的一些实施例中，所述步骤5中，弛豫峰特征参数包括直流电导率以及介电弛豫强度、弛豫时间常数、弛豫峰展宽、弛豫峰不对称效应形状因子、光频介电常数。

26、在本发明的一些实施例中，所述步骤5中，hn函数模型如下：

27、

28、式中，δε表示介电弛豫强度，表示频率ω下根据hn函数构造的复介电常数，ε′hn(ω)表示频率ω下根据hn函数构造的复介电常数实部，ε″hn(ω)表示频率ω下根据hn函数构造的复介电常数虚部，ε∞表示光频介电常数，τhn表示弛豫时间常数，β表示弛豫峰展宽，γ表示弛豫峰不对称效应形状因子，j表示虚数单位。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

30、1)通过引入等效介质损耗因子，可取消直流电导的干扰，有效识别高压开关设备绝缘介质介电谱中被直流电导掩盖的非明显弛豫峰。

31、2)通过采用萨维茨基-戈雷滤波多项式对步骤2中等效介质损耗因子计算公式所示求导操作进行等效替换，大幅降低了求解难度，有效提高了拟合速度。

技术特征：

1.一种高压开关设备绝缘介质介电谱快速拟合方法，其特征在于：通过引入等效介质损耗因子，取消直流电导的干扰，有效识别高压开关设备绝缘介质介电谱中被直流电导掩盖的非明显弛豫峰，并利用遗传算法，快速拟合高压开关设备绝缘介质介电谱数据。

2.根据权利要求1所述的一种高压开关设备绝缘介质介电谱快速拟合方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述一种高压开关设备绝缘介质介电谱快速拟合方法，其特征在于，所述步骤1中，克拉莫-克兰尼克方程如下：

4.根据权利要求3所述一种高压开关设备绝缘介质介电谱快速拟合方法，其特征在于，所述步骤2中，对复介电常数实部按下式进行求导变换，得出等效介质损耗因子ε″equ(ω)：

5.根据权利要求4所述一种高压开关设备绝缘介质介电谱快速拟合方法，其特征在于，采用萨维茨基-戈雷滤波多项式对步骤2中等效介质损耗因子计算公式所示求导操作进行等效替换：

6.根据权利要求2所述一种高压开关设备绝缘介质介电谱快速拟合方法，其特征在于，所述步骤3中，复介电常数实部ε′hn(ω)和虚部ε″hn(ω)的计算公式如下：

7.根据权利要求2所述一种高压开关设备绝缘介质介电谱快速拟合方法，其特征在于，所述步骤4中，目标函数如下：

8.根据权利要求2所述一种高压开关设备绝缘介质介电谱快速拟合方法，其特征在于，所述步骤5中，弛豫峰特征参数包括直流电导率以及介电弛豫强度、弛豫时间常数、弛豫峰展宽、弛豫峰不对称效应形状因子、光频介电常数。

9.根据权利要求2所述一种高压开关设备绝缘介质介电谱快速拟合方法，其特征在于，所述步骤5中，hn函数模型如下：

技术总结
本发明公开了一种高压开关设备绝缘介质介电谱的快速拟合方法，包括如下步骤：利用测量得到的高压开关设备绝缘介质复介电常数实部进行求导变换，得出等效介质损耗因子，进行弛豫峰个数识别；构造包含复介电常数实部和虚部的目标函数，采用遗传算法对目标函数进行拟合分析，得出直流电导率、弛豫时间常数、弛豫峰展宽、弛豫峰不对称效应形状因子、光频介电常数等各弛豫峰特征参数，进一步构建该绝缘介质的HN函数模型。本发明通过引入等效介质损耗因子，取消直流电导的干扰，有效识别高压开关设备绝缘介质介电谱中被直流电导掩盖的非明显弛豫峰，并利用遗传算法，快速拟合高压开关设备绝缘介质介电谱数据，提高绝缘介质介电谱数据的拟合精度。

技术研发人员：张国宝,杨为,朱胜龙,赵常威,杨娴,王若民,胡学斌,吴正阳,蔡梦怡,张磊,杨熙
受保护的技术使用者：国网安徽省电力有限公司电力科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16