基于分数制造技术

基于分数

【技术实现步骤摘要】
基于分数Poynting
–
Thomson模型的XLPE海缆活化能计算方法


[0001]本专利技术涉及海缆绝缘老化评估
，具体涉及一种基于分数
Poynting
–
Thomson
模型的
XLPE
海缆活化能计算方法
。

技术介绍

[0002]交联聚乙烯
(Cross
‑
linked Polyethylene,XLPE)
因其优越的电气性能
、
耐热性能和机械性能被用作电
、
海缆的绝缘层，
XLPE
电缆在陆地
、
海洋输配电线路中得到了广泛应用
。
随着海上风电技术的发展，海上风电已成为国家清洁能源开发的重要方向，与陆上风电场的输电线路不同，海上风电场一般采用海底电缆传输电能
。
海底电缆工作时会受到机械损伤
、
化学腐蚀
、
热老化等诸多因素影响，其中热老化是造成海缆绝缘性能下降主要因素之一，甚至会导致绝缘失效
。
因此，开展对海缆绝缘老化特性的研究并评估其老化状态具有十分重要意义
。
[0003]较常规的绝缘检测方法，频
‑
温平移法可以实现无损检测，为检测电气装备的绝缘状态提供了有效的技术途径，己成为许多学者的研究热点，并在计算活化能的方法
、
反应机理函数的建模方法以及绝缘材料寿命预测等方面取得了进展<br/>。
活化能是绝缘材料老化本征特性，可以反映绝缘材料一些潜在缺陷
、
评估绝缘材料的绝缘状态及材料的理化特性
。
[0004]现阶段计算电缆活化能的方法主要是热失重分析法和频
‑
温平移法
。
热失重分析
(Thermal Gravimetric Analysis,TGA)
常用于计算化学反应活化能，此方法只是选取电缆的某一部分绝缘老化试样进行测量计算活化能，无法真实完全反应整个电缆的真实的老化状态，且同时对于电缆本体具有破化性，对正处于工作状态的电缆无法采用此方法测量其活化能的数值，具有一定局限性
。
基于频
‑
温平移法计算绝缘材料的活化能是近年来新兴的一种方法，也为现场应用提供了可能，其可以实现无损检测，为检测电气装备的绝缘状态提供了有效的技术途径
。
但其计算步骤复杂，需要多次平移频域介电曲线，实际操作繁琐
。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中缺乏简捷有效计算
XLPE
海缆活化能方法的问题，本专利技术中将分数阶理论运用到分析
XLPE
海缆的弛豫过程中，提出一种基于分数
Poynting
–
Thomson
模型的
XLPE
海缆活化能计算方法，该方法将分数阶理论运用到分析
XLPE
海缆的弛豫过程中，有效解决了传统频温法计算活化能操作步骤繁琐
、
受人为因素影响较大的问题
。
[0006]本专利技术采取的技术方案为：
[0007]基于分数
Poynting
–
Thomson
模型的
XLPE
海缆活化能计算方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1：首先利用分数阶微积分理论，定义介电特性介于电阻与电容之间的元件
——
分数元，将分数元进行串并联，得到分数
Poynting
‑
Thomson
模型；
[0009]步骤2：建立适用于分数
Poynting
‑
Thomson
模型与
XLPE
海缆复介电电容之间的关系式；
[0010]步骤3：构建参数辨识的目标函数，利用灰狼算法分别辨识分数
Poynting
‑
Thomson
模型中的各个参数；
[0011]步骤4：根据步骤3中参数辨识结果，选取合适参数作为计算
XLPE
海缆活化能的特征量；对参数辨识结果进行分析可以得到驰豫时间
τ
满足
Arrhenius
经验公式，
[0012]步骤5：建立参数
1/
τ
与
1/T
之间的线性关系，通过拟合直线的斜率，计算
XLPE
海缆活化能
。
[0013]所述步骤1中，分数
Poynting
‑
Thomson
模型的推导过程如下：
[0014]利用分数阶微积分理论，将电阻
R
与电容
C
两者的电气特点共同结合提出了分数元概念，理想状态的电容
、
电阻器件分别满足以下方程的电路元件
。
[0015]对于理想介质条件下的电容
C
满足下式：
[0016][0017]对于电阻
R
满足下式：
[0018][0019]分数元
Z
为满足式的电路器件：
[0020][0021]式中：
U
C
(t)、U
R
(t)、U
Z
(t)
分别为电容
、
电阻
、
分数元两端电压；
I(t)
为流经元件的电流；
Q
C
、Q
R
、Q
Z
表示元件电量；
τ
为弛豫时间；
d
α
Q(t)/dt
α
为时域下电量的分数阶导数，形状参数
α
取0或1时，分数元分别代表理想电容和电阻
。
[0022]通过分数元之间的串并联能够组成不同的模型，以此描述介质的介电松弛过程
。
图1是分数
Poynting
‑
Thomson
模型图，其由两个独立的分数元并联之后，再与第三个分数元串联构成
。
[0023]所述步骤2中，由步骤1中的串并联电路电流分配原理，得到分数
Poynting
‑
Thomson
模型的分数阶动力方程：
[0024]图1是分数
Poynting
‑
Thomson
模型图，其由两个独立的分数元
Z1(
α
,C1,
τ1)、Z2(
β
,C2,
τ2)
并联之后，再串联分数元
Z3(
γ
,C3,
τ3)
构成
。
并联的两个分数元<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
基于分数
Poynting
–
Thomson
模型的
XLPE
海缆活化能计算方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：首先，定义分数元，将分数元进行串并联，得到分数
Poynting
‑
Thomson
模型；步骤2：建立适用于分数
Poynting
‑
Thomson
模型与
XLPE
海缆复介电电容之间的关系式；步骤3：构建参数辨识的目标函数，利用灰狼算法分别辨识分数
Poynting
‑
Thomson
模型中的各个参数；步骤4：根据步骤3中参数辨识结果，选取合适参数作为计算
XLPE
海缆活化能的特征量；步骤5：建立参数
1/
τ
与
1/T
之间的线性关系，通过拟合直线的斜率，计算
XLPE
海缆活化能
。2.
根据权利要求1所述基于分数
Poynting
–
Thomson
模型的
XLPE
海缆活化能计算方法，其特征在于：所述步骤1中，分数
Poynting
‑
Thomson
模型的推导过程如下：利用分数阶微积分理论，将电阻
R
与电容
C
两者的电气特点共同结合提出了分数元概念，理想状态的电容
、
电阻器件分别满足以下方程的电路元件；对于理想介质条件下的电容
C
满足下式：对于电阻
R
满足下式：分数元
Z
为满足式的电路器件：式中：
U
C
(t)、U
R
(t)、U
Z
(t)
分别为电容
、
电阻
、
分数元两端电压；
I(t)
为流经元件的电流；
Q
C
、Q
R
、Q
Z
表示元件电量；
τ
为弛豫时间；
d
α
Q(t)/dt
α
为时域下电量的分数阶导数，形状参数
α
取0或1时，分数元分别代表理想电容和电阻；通过分数元之间的串并联能够组成不同的模型，以此描述介质的介电松弛过程
。3.
根据权利要求1所述基于分数
Poynting
–
Thomson
模型的
XLPE
海缆活化能计算方法，其特征在于：所述步骤2中，由步骤1中的串并联电路电流分配原理，得到分数
Poynting
‑
Thomson
模型的分数阶动力方程：分数
Poynting
‑
Thomson
模型由两个独立的分数元
Z1(
α
,C1,
τ1)、Z2(
β
,C2,
τ2)
并联之后，再串联分数元
Z3(
γ
,C3,
τ3)
构成；并联的两个分数元
(
α
,C1,
τ1)
和
(
β
,C2,
τ2)
两端电压相同，流过两单元的分电量之和等于整个串并联结构的总电量，并联部分的
U
和
Q
关系能够得到：
U
Z
(t)
和
Q
Z
(t)
分别为分数
Poynting
‑
Thomson
模型两端电压和电量；由串联电路等电流原理分析可知分数
Poynting
‑
Thomson
模型的分数阶动力学方程：
式中：
α
、
β
、
γ
为驰豫时间分布相关的形状参数，
τ
＝
(C2τ1α
/C1τ2β
)
1/(
α
‑
β
)
，
C
a
＝
C1(
τ1/
τ
)
α
，
C
b
＝
C3(
τ3/
τ
)
‑
γ
；对分数
Poynting
‑
Thomson
模型进行
Fourier
变换，可得模型的复电容和复介电常数；式中：
α
、
β
、
γ
为驰豫时间分布相关的形状参数，
τ
＝
(C2τ1α
/C1τ2β
)
1/(
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，时光蕤，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：