[发明专利]基于分数Zener模型的植物油纸绝缘状态评估方法

说明书

基于分数Zener模型的植物油纸绝缘状态评估方法，首先利用分数阶微积分理论推导出分数Zener模型，建立适用于植物油纸绝缘系统分数Zener模型参数与频域介电谱特征量复介电常数的关系式；分别辨识分数Zener模型参数值,计算出复介电常数实部ε'和虚部ε”，引入重合度的概念，将复介电常数计算值和测量值进行对比发现二者重合度高，且低频段有更高的精确度，说明分数Zener模型适合描述植物油纸的弛豫过程；选取合适的模型参数ε_a、形状参数β、弛豫时间τ作为评估植物油纸绝缘系统老化的特征量并建立模型参数与油中酸值的函数关系式。本发明将分数阶理论运用到电介质的弛豫过程中，发现分数Zener模型携带试品中更多有效信息，从而更准确的评估植物油纸绝缘系统老化状态。

技术领域

本发明涉及植物油变压器油纸绝缘状态评估领域，具体涉及一种基于分数Zener模型的植物油纸绝缘状态评估方法。

背景技术

油浸纸板绝缘系统作为变压器内部重要的结构，起到绝缘和支撑的作用，其电气性能的优劣直接影响着变压器安全运行的可靠性。目前电力系统中使用的矿物绝缘油难以生物降解，一旦泄漏将对水源、居住环境等造成污染，促使人们寻找一种可以代替矿物绝缘油的新型液体绝缘材料。植物绝缘油具有闪点高、可降解等优点，可作为矿物绝缘油的替代品。植物油是由甘油和脂肪酸链组成的酯混合物。甘油三酯含有不饱和脂肪(如油酸，亚油酸和α亚麻酸)和饱和脂肪(如肉豆蔻酸，棕榈酸和硬脂酸)。其不同的成分决定了它们在物理、化学性能等方面的差异。为了更快地将植物绝缘油广泛应用到实际中，其老化特性的深入研究是一项重要的应用基础课题，是决定植物绝缘油成功应用的关键之一。

目前，国内外研究者开展了大量植物油纸系统加速老化试验，探究不同温度水分下，击穿电压、体积电阻率、损耗因素等电气量的变化规律。以及油中酸值、糠醛含量等与老化程度的关系。介电研究是一种有用的工具，可用于研究植物油纸绝缘系统在热老化过程中的介电响应特性与老化程度的关系。最近，Komarov等人研究了在所选择的频率范围内产生介电常数和介电损耗，并且已经观察到甘油三酯显示出德拜型行为。为了评估植物油的介电参数，使用Havriliak-Negami方程来计算频率相关的复介电常数ε*(ω)数据。描述了不同温度下甘油三酯的Cole-Cole图，显示了所测试材料中介电常数与介电损耗的变化。证明了甘油三酯的松弛过程，可以用介电模型来解释。

分数阶微积分概念的提出能够追溯到Leibniz和Newton创立微分学的时代。受到关注并运用到介电松弛特性的描述中后，Reyes-Melo等学者提出“容阻器”的概念，将电容和电阻整合成一个电气元件。经过容阻器的串并联，组合成了分数Maxwell模型以及优化后的分数Zener模型且满足热力学稳定性。Jonscher从微观机理对介电特性进行了综合分析，得出了电介质服从分数阶幂次定理的结论。后又从微观角度论证了分数阶特性适用于电介质的极化弛豫过程的描述。

对于油纸绝缘这种复合电介质来说，最早在1913年，基于分子极化角度的介电松弛理论，提出的经典Debye模型只考虑了单一松弛时间，在描述弛豫过程具有局限性。后来学者们提出的Cole-Cole模型在绘制的曲线与实测曲线偏差较大，Havriliak-Negami模型虽然整体拟合度高，但远离峰值的曲线拟合精度偏低。用上述模型描述实验结果是可行的，但不能体现介电物理性质。考虑使用分数阶模型来描述植物油纸系统的弛豫过程鲜有报道。但同时描述介电存储和介电损耗时，发现分数Maxwell低频段并没有得到相应的拟合。因此在分数Maxwell模型的基础上并联一个分数元，得到分数Zener模型，总电容是各分电容之和。可以更为准确地描述油浸变压器中油纸介电常数的频变特性。因此需要提出一个新的方法用分数Zener模型提取不同老化天数的频域介电测试曲线携带的更多有效信息，提取有用特征量并与油中酸值含量拟合，进而有效评估植物油纸绝缘的老化状态。

发明内容