一种直流电缆材料配方的筛选方法与流程

本发明属于直流电缆领域，特别是涉及一种直流电缆材料配方的筛选方法。

背景技术：

近年来，随着电力系统的不断发展，直流输电系统由于其大传输容量、长传输距离、低传输损耗的特点得到了越来越广泛的应用。直流输电系统为太阳能、风能、潮汐能等具有间歇性特点的可再生能源大规模接入电网以及城市配电网的扩容提供了切实可行的解决方案，因而成为了研究热点。相比于交流电缆绝缘系统，直流电缆料的性能更为复杂，其应用过程中可能出现的极性反转、空间电荷积聚、电场畸变等问题对材料性能提出了更高要求。因此，开发高性能的直流电缆材料具有重要意义。

传统的材料配方设计，多为单因子法，即固定所有其他影响因子不变，每次配方只变动一个因子，以此类推进行配方设计及实验，找出其中的最优配方。但是这种设计方法实验规模大，实验周期长，实验效率低，且忽略了各影响因子间的交互效应，对于直流电缆料而言，其配方设计涉及的影响因子多，各因子可调水平多，采取传统的配方设计方法，需进行大量实验，费时费力，难以取得令人满意的结果。采用基于实验设计(designofexperiments,doe)的数理统计方法来安排配方设计、进行实验并对实验数据进行分析，可以达到在较少的试验次数、较小的实验规模、较短的实验周期和较低的实验成本的前提下，得出可靠性高的结论并筛选出最优配方，建立影响因子与材料性能间的数学模型。

专利文献cn102621891a公开了一种六自由度并联机构惯性参数的辨识方法，方法如下：步骤1：选择合适的正弦激励频率，选取准则：低于系统开环条件下最低刚体本征频率，一般取1-4hz。激励幅值为平动1-5mm，转动0.003-0.005°，系统闭环控制条件下在中位附近六个自由度上分别进行正弦激励，保存每次试验采集得到的6个执行器位移及力信号；共进行六次采集；步骤2：将每次采集得到的执行器位移及力信号通过运动学正解程序变换为工作空间位姿信号sp及力信号sf，截取长度为n的稳定阶段信号；步骤3：根据控制系统信号采集频率及选定的正弦激励频率，生成长度为n的傅里叶级数样本序列l；

l＝[1tsin(ωtt)cos(ωtt)sin(2ωtt)cos(2ωtt)…]；步骤4：根据最小二乘法原理运用步骤3中得到的傅里叶级数样本序列l求得位姿信号傅里叶级数幅值矩阵cp及力信号傅里叶级数幅值矩阵cf，其具体算法为：[cfcp]＝(ltl)-1lt[sfsp]；步骤5：取位姿信号傅里叶基频正弦与余弦幅值组合得到系数阵ui，取力信号傅里叶基频正弦与余弦幅值得到矩阵hi；其具体算法为：步骤6：将六次实验数据处理得到的u1…6及h1…6组合得到线性方程组系数阵u及结果阵h：u＝[u1u2u3u4u5u6]h＝[h1h2h3h4h5h6]；步骤7：利用公知算法求解线性方程组[mtbc]u＝h；步骤8：最后从矩阵[mtbc]中提取出惯性参数阵mt。该专利通过提取其基频信号剔除了重力及科氏力的影响，将基频正余弦信号组合并引入阻尼阵解决了系统耦合、粘性阻尼及结构阻尼对惯性参数阵的影响，但该专利只能用于六自由度并联机构惯性参数的辨识，无法广泛用于多非线性参数耦合系统的参数辨识,无法实现对待识别非线性所包含的所有非线性参数值的同时识别，从而无法解决参数辨识过程中产生的传递误差导致参数识别精度低的问题。

专利文献cn103955133a公开的一种空间耦合参数系统的参数辨识方法包括如下步骤：步骤1，根据空间耦合参数系统的输入输出关系，建立包含耦合单元的多输入多输出空间复杂系统模型；步骤2，将步骤1中建立的空间复杂系统划分为若干个具有耦合参数的子系统，每个子系统的线性部分和非线性部分的待辨识参数均相同；步骤3，将每个子系统划分为线性子子系统和非线性子子系统，同一子系统下的线性子子系统和非线性子子系统之间利用两阶段递阶辨识对系统参数辨识，得到对应子系统的辨识结果；步骤4，按步骤2中空间复杂系统子系统的划分顺序，将每个子系统的辨识结果传递到下一子系统，并替换上一子系统的上一时刻的辨识结果；步骤5，重复步骤3和步骤4直到达到辨识要求，满足终止条件后输出得到辨识结果。该专利通过将大系统分解、原耦合辨识和递阶辨识结合等步骤，将原来难以辨识的包含非线性项的多变量大系统划分为若干小的子系统进行分别辨识，但该专利无法实现对待识别非线性所包含的所有非线性参数值的同时识别，从而无法解决参数辨识过程中产生的传递误差导致参数识别精度低的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题，是提供一种基于新型实验设计方法的直流电缆

本发明的方法适用于直流电缆料的配方实验设计及性能评价过程，可在较少的实验次数、较短的实验周期条件下，进行配方实验设计，建立实验方案，获得实验数据，对配方性能进行评价，分析影响性能的关键因子及其影响程度、不同因子间的交互效应、建立因子对材料性能影响的预测模型、筛选出最优的配方。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现：

一种直流电缆材料配方的筛选方法包括如下步骤：

步骤一，根据直流电缆材料性能要求，选定直流电缆材料配方的影响因子、每个影响因子的因子水平数及因子水平数之间的间隔。

步骤二，根据所述影响因子及因子水平数设计实验方案，进行析因实验并存储实验结果。

步骤三，根据实验结果，分析因子主效应及各因子间交互效应，得到帕累托效应图以分析各个影响因子的影响程度，然后进行线性回归分析，建立配方性能的预测模型，筛选出最优配方。

在所述的一种直流电缆材料配方的筛选方法步骤一中，在直流电缆料的实际应用场合，机械性能及电气性能是最基本、最重要的性能。本方案中使用万能试验机进行机械性能试验，选取拉伸强度、断裂伸长率对电缆料的机械性能进行表征；使用直流电源及柱-柱电极系统进行直流击穿试验、三电极系统及高阻计进行直流电导试验，选取直流击穿场强及直流电导率对电缆料的电气性能进行表征。

在所述的一种直流电缆材料配方的筛选方法步骤一中，从基体树脂、填料改性以及加工工艺三个方面选定影响因子。

在所述的一种直流电缆材料配方的筛选方法步骤一中，所述影响因子为聚乙烯基体树脂熔融指数、填料含量和交联温度，因子水平数选取三个水平(分别记为-1,0,+1)。

在所述的一种直流电缆材料配方的筛选方法步骤二中，所述析因实验为机械性能及电气性能测试并存储实验结果。

在所述的一种直流电缆材料配方的筛选方法步骤二中，机械性能测试的实验结果包括拉伸强度和断裂伸长率，电气性能测试的实验结果包括直流击穿场强和直流电导率。

在所述的一种直流电缆材料配方的筛选方法步骤三中，分析因子主效应反映因子对性能的影响，值越大表明该因子的影响程度越大，其对于性能y的主效应为：因子的主效应＝[(因子水平为+1时各配方y值之和)-(因子水平为-1各配方时y值之和)]/(因子水平为+1或-1的配方数)。

在所述的一种直流电缆材料配方的筛选方法步骤三中，因子间交互效应通过交互效应图分析，其中，a,b两因子间的交互效应图为：取a因子水平为横坐标，以性能y为纵坐标，分别绘制出b因子在不同因子水平下的y值随a因子水平变化线，当两个因子间无相互作用时，两条线为平行关系，相反当两个因子间存在相互作用时，两条线相交。

在所述的一种直流电缆材料配方的筛选方法步骤三中，用于分析因子主效应及交互效应对性能影响的显著性的帕累托效应图包括：将各个因子效应进行t检验，所得的t值作为横坐标，与选定的显著性水平下t值临界值进行比较，绝对值超过临界值的主效应及交互效应被认为是对性能有明显影响的效应。

在所述的一种直流电缆材料配方的筛选方法步骤三中，选定的显著性水平为95％显著性水平。

在所述的一种直流电缆材料配方的筛选方法步骤三中，建立性能与影响因子间的数学模型，所述数学模型表示为：

y＝β0+β1x1+β2x2+...+β12x1x2+...+ε

其中，y表示性能，β1x1、β2x2等表示因子主效应的影响，β12x1x2表示因子交互效应的影响，ε为误差，根据模型对配方性能进行分析评价，筛选出最优配方。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在附图中：

图1为本发明一个实施例的直流电缆材料配方的筛选方法的步骤示意图；

图2为本发明一个实施例的直流电缆材料配方的筛选方法的三因子三水平数实验设计对照示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

如图1所示的根据本发明的直流电缆材料配方的筛选方法，一种直流电缆材料配方的筛选方法包括如下步骤：

步骤一s1中，根据直流电缆材料性能要求，选定直流电缆材料配方的影响因子、每个影响因子的因子水平数及因子水平数之间的间隔。

步骤二s2中，根据所述影响因子及因子水平数进行析因实验并存储实验结果。

步骤三s3中，根据实验结果，分析因子主效应及各因子间交互效应，得到帕累托效应图以分析各个影响因子的影响程度，然后进行线性回归分析，建立配方性能的预测模型，筛选出最优配方。

本发明的方法适用于直流电缆料的配方实验设计及性能评价过程，可在较少的实验次数、较短的实验周期条件下，进行配方实验设计，建立实验方案，获得实验数据，对配方性能进行评价，分析影响性能的关键因子及其影响程度、不同因子间的交互效应、建立因子对材料性能影响的预测模型、筛选出最优的配方。

在所述的一种直流电缆材料配方的筛选方法的优选实施例中，步骤一(s1)中，从基体树脂、填料改性以及加工工艺三个方面选定影响因子。

图2为本发明一个实施例的直流电缆材料配方的筛选方法的三因子三水平数对照示意图，参见图2，在所述的一种直流电缆材料配方的筛选方法的优选实施例中，步骤一s1中，所述影响因子为聚乙烯基体树脂熔融指数、填料含量和交联温度，因子水平数记为-1、0和1。

在所述的一种直流电缆材料配方的筛选方法的优选实施例中，步骤二s2中，所述析因实验为机械性能及电气性能测试并存储实验结果。

在所述的一种直流电缆材料配方的筛选方法的优选实施例中，步骤二s2中，机械性能测试的实验结果包括拉伸强度和断裂伸长率，电气性能测试的实验结果包括直流击穿场强和直流电导率。

在所述的一种直流电缆材料配方的筛选方法的优选实施例中，步骤三s3中，分析因子主效应反映因子对性能的影响，值越大表明该因子的影响程度越大，其对于性能y的主效应为：因子的主效应＝[(因子水平为+1时各配方y值之和)-(因子水平为-1各配方时y值之和)]/(因子水平为+1或-1的配方数)。

在所述的一种直流电缆材料配方的筛选方法的优选实施例中，步骤三s3中，因子间交互效应通过交互效应图分析，其中，a,b两因子间的交互效应图为：取a因子水平为横坐标，以性能y为纵坐标，分别绘制出b因子在不同因子水平下的y值随a因子水平变化线，当两个因子间无相互作用时，两条线为平行关系，相反当两个因子间存在相互作用时，两条线相交。

在所述的一种直流电缆材料配方的筛选方法的优选实施例中，步骤三s3中，用于分析因子主效应及交互效应对性能影响的显著性的帕累托效应图包括：将各个因子效应进行t检验，所得的t值作为横坐标，与选定的显著性水平下t值临界值进行比较，绝对值超过临界值的主效应及交互效应被认为是对性能有明显影响的效应。

在所述的一种直流电缆材料配方的筛选方法的优选实施例中，步骤三s3中，选定的显著性水平为95％显著性水平。

在所述的一种直流电缆材料配方的筛选方法的优选实施例中，步骤三s3中，建立性能与影响因子间的数学模型，所述数学模型表示为：

y＝β0+β1x1+β2x2+...+β12x1x2+...+ε(1)

其中，y表示性能，β1x1、β2x2等表示因子主效应的影响，β12x1x2表示因子交互效应的影响，ε为误差，对配方性能进行分析评价，筛选出最优配方。

为了进一步说明本发明，以下结合附图对本发明所涉及的基于新型实验设计的直流电缆料的配方设计及性能评价方法进行说明。

1.实验配方设计：影响直流电缆料性能的因子较多，本专利从基体树脂、填料改性以及加工工艺这三个对直流电缆料性能起到主要影响的方面出发，选定聚乙烯基体树脂熔融指数，填料的含量，以及交联温度三个影响因子(分别用a,b,c表示)，每个因子设定三个因子水平(分别用-1,0,1表示)，具体的实验方案设计见附表1；选取拉伸强度、断裂伸长率作为配方机械性能的表征参数，选取直流电导率、直流击穿场强作为配方电气性能的表征参数。

2.性能分析评价：根据配方设计制订的实验计划进行实验，得到机械性能及电气性能数据，对配方性能进行分析评价，具体包括：1)因子主效应及交互效应分析：因子主效应反应因子对性能的影响，值越大表明该因子的影响程度越大，对要研究的因子，其对于性能y的主效应为因子的主效应＝[(实验表中该因子水平为+1时各配方y值之和)-(实验表中该因子水平为-1各配方时y值之和)]/(实验表中该因子水平为+1或-1的配方数)；交互效应图可以表征因子间是否具有相互作用关系，以a,b两因子间交互效应为例，取a因子水平为横坐标，以性能y为纵坐标，分别绘制出b因子在不同因子水平下的y值随a因子水平变化线，当两个因子间无相互作用时，两条线为平行关系，相反当两个因子间存在相互作用时，两条线相交。2)帕累托效应分析：帕累托效应用于分析因子主效应及交互效应对性能影响的显著性，将各因子效应进行t检验，所得的t值作为横坐标，与选定的显著性水平(本专利中选取95％显著性水平)下t值临界值进行比较，绝对值超过临界值的主效应及交互效应被认为是对性能有明显影响的效应。3)根据实验获得因子变化对配方性能影响的结果后，就可以建立一个数学模型来对未来的取值进行预测。本专利采用式1)所示模型，其一般方程为：

y＝β0+β1x1+β2x2+...+β12x1x2+...+ε(1)

其中，β1x1，β2x2等表示因子主效应的影响，β12x1x2表示因子交互效应的影响，ε为误差，对实验所得的配方性能数据与2)阶段中筛选出的改性能的主要影响因子进行线性回归分析，就可以建立性能与影响因子间的数学模型，对配方性能进行分析评价，进行配方筛选。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。