油纸绝缘老化拉曼光谱特征量提取及诊断方法研究

发布时间：2020-09-16 13:27

　　 电气设备的安全可靠运行是避免电网重大事故的第一道防线,油纸绝缘设备是电网设备的重要组成部分。及时、准确地诊断运行油纸绝缘设备的老化状态,特别是对运行十五年以上的老旧设备进行现场的快速诊断,做到防患于未然,是保证电网安全生产和实现设备高效检修的关键之一。油纸绝缘设备运行老化的过程中,绝缘油或纸在电或热的作用下发生分解产生如糠醛、丙酮、甲醇、CO、CO_2等各种反映绝缘老化状态的特征物质,并溶解于油中,使绝缘油中蕴含大量油纸绝缘老化信息。目前老化诊断技术采样和检测方法复杂,且大多依靠单一特征量进行诊断,激光拉曼光谱技术在直接检测混合物体系及状态诊断方面具有优势。论文课题来源于国家重大科学仪器设备开发专项,开展油纸绝缘老化拉曼光谱特征量提取及诊断方法研究,以期解决制约运行油纸绝缘设备老化拉曼光谱诊断的诸多应用难题,为实现油纸绝缘设备老化现场快速诊断奠定基础。论文的主要工作如下:(1)通过实验室开展加速热老化试验获取大量不同老化状态的代表性油纸绝缘样本,基于传统方法分析老化过程中各种老化特征量(绝缘纸聚合度、油中糠醛、水分、气体和酸值等)的变化规律及相互之间的对应关系。依据经典的油纸绝缘老化机理和典型热老化规律对样本进行老化阶段的划分,建立不同老化阶段的油纸绝缘样本集;搭建拉曼光谱检测平台,针对老化特征物浓度低、干扰强、信号弱的问题,制备具有较高信号增强效应和空间均匀性、并且在激光检测过程中有较高时间稳定性的银纳米SERS基底;确定了去除尖峰、降噪和去基线等数据预处理方法;(2)构造各老化特征物的分子模型,仿真计算其拉曼光谱特性,并对比实测结果实现对各老化特征物在绝缘油中拉曼特征峰的指认,分析油中溶解老化特征物浓度与拉曼峰强度之间的线性关系;通过SERS检测获取蕴含油纸绝缘不同老化阶段差异信息的光谱数据,采用Voigt函数对光谱信号进行解析分析,研究老化过程中拉曼光谱特征的变化,验证拉曼光谱技术对油纸绝缘老化的诊断能力,为光谱诊断特征量的提取提供依据。(3)采用蒙特卡洛交互验证法筛除数据样本中存在的少量奇异样本;采用竞争性自适应重加权算法从拉曼光谱信号中提取出与老化程度密切相关的关键变量,并将其与老化特征物的拉曼特征峰所在位置进行比对,进一步验证拉曼光谱对油纸绝缘老化的判别能力;采用主成分分析法提取油纸绝缘老化拉曼光谱特征量,并分析主成分特征量与老化程度的内在关联。(4)通过计算光谱小波包能量熵从信息熵的角度观测油纸绝缘在老化过程中拉曼光谱能量的变化情况,发现在老化进程中绝缘油拉曼光谱的小波包能量熵呈现逐渐增大的趋势;进一步提出结合信息熵与核主成分分析方法的核熵成分分析法进行特征量提取,依据雷尼熵的贡献率从拉曼光谱中提取出核熵成分特征量,并分析其与油纸绝缘老化程度的内在关联。(5)基于所提取的主成分特征量与核熵成分特征量,构建BP神经网络和多分类支持向量机油纸绝缘老化状态诊断模型,并分别运用遗传算法和粒子群算法对两种诊断模型进行优化,训练出判别能力优良的油纸绝缘老化诊断模型。结合典型运行变压器的绝缘油测试样本,采用相同的光谱解析方法和特征量提取方法对运行绝缘油光谱进行研究,采用无监督的聚类方法对照分析拉曼光谱新特征量与传统诊断指标之间的对应关系,并最终验证诊断模型的判别能力和泛化能力。研究结果表明:基于拉曼光谱分析的油纸绝缘老化诊断方法具有良好的老化判别能力,对提升油浸式电气设备老化状态现场诊断水平,拓展拉曼光谱技术在电气领域的应用具有重要的学术价值和实际意义。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM855
【部分图文】：

图 2.8 绝缘油样本及对Fig. 2.8 Oil samples and the sh从图（b）对应的拉曼光谱中可以看出有较强的荧光激发效率，会吸收激光中的部表面，导致绝缘油拉曼信号的基线升高。这老化程度，但是由于荧光强度会大于有效拉的细节信息。从本节的分析结果中可以看出，油中溶之间有较好的对应关系，且都与绝缘纸的聚光谱特征量与油纸绝缘老化程度之间的联系老化阶段，能够从整体上反应样本的老化状映一些区别，但是无法观测到不同老化阶段的检测水平并进行深入分析。500

重庆大学博士学位论文铜箔切割为 0.5cm×0.5cm 的小正方形，用；为 0.01mol/L 的硝酸银和 2-硝基苯甲酸的进行置换反应；进行五分钟后，取出制备的 SERS 基底，离子水冲洗；放置于恒温干燥箱中，在 60℃温度下干应制得的 SERS 基底如图 2.10 所示，左钟后得到的 SERS 基底。

图 2.13 六边形银纳米片基底形貌的电场分布图 （a）银纳米片电场仿真主视图（b）侧视图Fig. 2.13 Electric field distribution in the model of the silver nanoplates (a) front view (b) side view大多数 SERS 基底的增强能力都能够满足实际应用的需求，基底的均匀性和稳定性才是影响检测和分析效果最关键的因素，在本研究中基于同样的需求，做出了以下考虑：通过控制纳米结构组装和排列的均匀性来实现对空间均匀性的控制，同时通过抑制银的氧化速度和热不稳定性来实现时间稳定性。图 2.14 为结合 SERS基底对绝缘油多次检测的结果，能够看出所制备的基底具有良好的稳定性能。

【参考文献】

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本文编号：2819908