一种矿用电缆绝缘用乙丙橡胶表面电痕状态特征提取方法

摘要

一种矿用电缆绝缘用乙丙橡胶表面电痕状态特征提取方法，包括表面电痕化特征量的选择及提取方法；所述表面电痕化特征量的选择来源于绝缘电阻信号、极化‑去极化电流信号和回复电压信号，将从三种状态信号中提取特征量相结合可以对矿井电缆用乙丙橡胶的表面电痕状态进行表征；所述表面电痕化特征量的提取方法为时域特征量提取方法，此方法主要是提取信号波形的起始点、稳定点、初始斜率和拐点。本发明对矿用电缆绝缘用乙丙橡胶表面电痕状态进行反映，可以为矿用电缆用乙丙橡胶表面电痕状态的诊断及寿命评估提供判断依据。

说明书

技术领域

本发明涉及矿用电力设备状态监测与故障诊断领域，尤其是一种基于介质响应信号的矿井电缆用乙丙橡胶表面电痕的状态特征提取方法。

背景技术

矿用高压电缆是煤矿供电系统中的主要设备之一，其作用是保证电能的连续可靠传输，从而保证煤矿生产的安全性和高效性。随着煤矿生产力的不断提高，矿下供电系统的电压等级也得到了相应的提高，其中以10kV为主。对于10kV的高压电缆来说，乙丙橡胶绝缘电缆以其优良的耐水蒸气、耐候性和柔韧性，被广泛用作船舶和煤矿供电电缆。虽然乙丙橡胶电缆性能优异，但是在其实际运行过程中，不可避免的会受到电、热、机械应力以及酸、碱、盐、煤炭粉尘的作用，造成绝缘老化，降低绝缘性能，进而引起沿面放电，形成绝缘表面电痕腐蚀。由于煤矿井下存在瓦斯爆炸危险，放电将有可能引发火灾或爆炸，严重影响井下人员及财产安全，因此有必要对矿用乙丙橡胶绝缘电缆的表面电痕状态表征方法进行研究。

在现有研究中，《高分子绝缘材料电痕特性研究》使用放电过程中的分形维数和用小波变化分析电极间的放电能量对表面电痕形成过程中的放电特性进行详细的分析，并详细分析了气压和温度两个环境因素对绝缘材料的耐电痕特性影响；以添加嗅系阻燃剂的聚碳酸脂为试品，通过计算添加不同阻燃剂含量试品的放电量、放电能量、测试接触角、比较漏电痕迹指数等相关参数，以分析添加嗅系阻燃剂对绝缘材料耐电痕特性的影响，并通过改变试验的温度，来分析在常温和高温环境下其电气性能的变化。

《伽马线辐射对聚合物电介质电痕破坏现象影响的研究》以聚萘二甲酸丁二醇酯（PBN)、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET)、环氧树脂 (EX)、聚碳酸酯 (PC)等常用聚合物电介质为试样，采用60Co 伽马射线放射源以 10kGy/h 辐射率对试样进行辐照处理，辐射量分别达到100kGy 和 1000kGy，基于针-板电痕破坏和IEC60112耐电痕实验法，着重考察了高能辐射及其与低气压、强磁场辐射复合环境下的电痕破坏现象。

《环氧树脂纳米复合介质表面电荷动态特性与电痕破坏研究》以自行制备的环氧树脂/TiO₂纳米复合介质为试样，采用静电电位计研究了直流以及脉冲电压下电晕放电现象所产生的表面电荷累积和消散的特性及影响因素，得出了TiO₂纳米颗粒对表面电荷积累与消散特性的影响规律；基于针-板电痕破坏实验法，研究了直流及脉冲电压下的沿面电痕破坏现象，得出了>2纳米颗粒对其电痕破坏特性的影响规律，并分析了出现各种差异的原因和机理。

《聚合物绝缘材料耐电痕性研究及其非线性分析》运用递归图技术、递归定量分析方法、重构混沌吸引子、庞加莱截面法和计算分形维数、最大李雅谱诺夫指数等非线性指标，提供可视化（如混沌吸引子、递归图、庞加莱截面）或定量（如递归定量指标等）方法，揭示放电电流在m维相空间中的动力学特性。

由现有的研究可知，现有研究方法主要是集中在电痕破坏机理方面以及绝缘所处环境条件和添加纳米颗粒对绝缘材料耐电痕性能的影响；没有针对矿用电缆绝缘用乙丙橡胶的表面电痕状态评估方法进行专门研究；对于矿用电缆绝缘用乙丙橡胶的表面电痕评估缺乏状态评估样本，数据不丰富。

因此，需要对矿用电缆绝缘用乙丙橡胶表面电痕状态特征提取方法进行研究，使之不仅专门针对矿用电缆绝缘用乙丙橡胶表面电痕现象来进行，并且能够在电痕破坏机理研究之后，对表面电痕状态进行有效评估，从而为矿用电缆用乙丙橡胶表面电痕状态的诊断及寿命评估提供判断依据。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种乙丙橡胶表面电痕状态特征提取方法，旨在准确有效的识别乙丙橡胶表面电痕发展状态，从而为矿用电缆绝缘用乙丙橡胶表面电痕状态的诊断及寿命评估提供了判断依据。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是提供一种矿用电缆绝缘用乙丙橡胶表面电痕状态特征提取方法，其包括矿用电缆绝缘用乙丙橡胶表面电痕化特征量的选择和提取方法。

所述矿用电缆绝缘用乙丙橡胶表面电痕化特征量的选择来源于绝缘电阻信号、极化-去极化电流信号和回复电压信号。

所述的绝缘电阻信号的特征量包括6个，具体定义如下：

（1）15s绝缘电阻R₁₅：加压15s后试样的绝缘电阻值；

（2）60s绝缘电阻R₆₀：加压60s后试样的绝缘电阻值；

（3）600s绝缘电阻R₆₀₀：加压600s后试样的绝缘电阻值；

（4）电导率σ_r：电介质传导电流的能力，具体计算方法为：

（5）吸收比K：电介质在充电过程中对电荷的吸收能力，具体计算方法为：

（6）极化指数P.I.：电介质在充电过程中对电荷的的极化能力，具体计算方法为：

所述的极化-去极化电流信号的特征量包括6个，具体定义如下：

（1）极化电流稳定值i_ps：极化电流达到稳定时的电流值；

（2）极化电流初始斜率S_p：初始阶段极化电流变化率，具体计算方法为：

（3）去极化电流初始值i_dp0：初始阶段的去极化电流值；

（4）去极化电流稳定值i_dps：去极化电流达到稳定时的电流值；

（5）去极化电流初始斜率S_dp：初始阶段去极化电流变化率，具体计算方法为：

（6）凹点出现时间t_cp：去极化电流变化率的拐点。

所述回复电压信号的特征量包括3个，具体定义如下：

（1）回复电压最大值U_rmax：回复电压曲线中的最大电压值；

（2）中心时间常数t_cdom：达到回复电压最大值时所需要的时间；

（3）回复电压初始斜率S_i：初始阶段回复电压曲线变化率，具体计算方法为：

所述的特征量提取方法为时域特征量提取方法，其主要是提取信号波形的起始点、稳定点、初始斜率和凹点，其中信号波形的起始点与稳定点在中值滤波后直接提取。

所述的信号波形初始斜率的特征提取，具体步骤如下：

（1）对极化电流、去极化电流和回复电压的原始信号进行中值滤波；

（2）选取波形初始点坐标与第1s点的坐标；

（3）依据两点坐标求取初始斜率S_p、S_dp和S_i。

所述的信号波形凹点的特征提取，主要针对去极化电流原始信号，具体步骤如下：

（1）对去极化电流原始信号进行中值滤波；

（2）选取波形初始点坐标与第1s点的坐标，并依据所选坐标求取第一点斜率S₁，选取波形第1s点的坐标与第2s点的坐标，并依据所选坐标求取第二点斜率S₂；

（3）求取S₁与S₂差值的绝对值，将此绝对值记为a₁；

（4）重复步骤（2）和（3），直至求出a_n-1；

（5）比较a₁、a₂、a₃……a_n-1的大小，将最大值记为a_m；

（6）寻找a_m所对应点的横坐标，即为去极化电流凹点出现时间t_cp。

将从三种状态信号中提取的特征量相结合可以对矿井电缆用乙丙橡胶的表面电痕状态进行表征，单个特征量的波动并不会影响表征结果，可以有效反映表面电痕状态，为矿井电缆用乙丙橡胶表面电痕状态的诊断及寿命评估提供了判断依据。

本发明的有益效果是：以矿用电缆绝缘用乙丙橡胶表面电痕为研究对象，解决了其电痕发展状态的表征问题；通过无损介电响应理论，从可以表征绝缘材料特性的体积电阻、极化-去极化电流和回复电压信息中，共选择15种具体的电痕化特征信号，在不对绝缘进行二次损伤的前提下进行电痕状态表征；本发明在选择故障信息时将三种故障信号相结合的思想，避免了某一特征量出现波动而导致的状态评估不准确的问题；并且特征提取中所选择的信号初始斜率和凹点出现时刻，可以灵敏反映出乙丙橡胶的表面电痕状态。本发明为矿用电缆绝缘用乙丙橡胶表面电痕状态评估提供了可靠的表征方法，并可以保证评估结果的准确性。

附图说明

图1为本发明乙丙橡胶表面电痕的绝缘电阻波形及特征量；

图2为本发明乙丙橡胶表面电痕的极化电流波形及特征量；

图3为本发明乙丙橡胶表面电痕的去极化电流波形及特征量；

图4为本发明乙丙橡胶表面电痕的回复电压波形及特征量；

图5为本发明漏电起痕试验测量电路；

图6为本发明体电阻测量电路图；

图7为本发明PDC测量电路图；

图8为本发明回复电压测量电路图；

图9为本发明绝缘电阻特征量提取流程图；

图10 为本发明回复电圧特征量提取流程图；

图11为本发明极化-去极化电流特征量提取流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明的目的、技术方案及优点，下面结合附图对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。应当理解，此处所描述的具体实施方案仅仅用于解释本发明，并不用于对本发明进行限定。

本发明以10kV矿井电缆用乙丙橡胶绝缘材料为主要研究对象，结合附图对该基于绝缘电阻的表面电痕状态特征提取方法的具体实施方式进行详细的说明。

矿井电缆用乙丙橡胶表面电痕人工缺陷制备：以IEC60587为依据，由于乙丙橡胶具备优异的耐电痕性能，因此在试验中，将吸湿性能更强的十六烷基三甲基溴化铵作为湿润剂加入NH₄Cl中制成污染液，NH₄Cl和十六烷基三甲基溴化铵的质量比为1:1。按照图5连接电路，在4.5kV下进行电痕试验，得到不同电痕发展阶段的试样，选择其中的四个典型试样，即绝缘性能优秀、良好、中等和较差进行基于绝缘电阻的特征信号测量。

使用KEITHLEY-6517B中的绝缘电阻测量单元，测量乙丙橡胶电痕试样的绝缘电阻信号，测量回路如图6所示。具体测量过程为：首先，保证周围环境的相对湿度恒定为10%，温度为25℃；然后，调节测量电压为400V；最后，分别测量1min和10min内的绝缘电阻。

使用KEITHLEY-6517B中的电流测量单元，测量乙丙橡胶电痕试样的极化和去极化电流信号，测量回路如图7所示。具体测量过程为：首先，将要进行测量的试样两端短接，将试样进行完全放电，并对KEITHLEY-6517B进行校准；然后，将S闭合至S₁，对试样充电，充电时间为t_c；最后，在充电结束后的瞬间将S闭合至S₂，对试样放电并进行去极化电流的测量，测量时间为t_d。通常情况下，极化电流和去极化电流的测量时间是相同的。

使用KEITHLEY-6517B中的电压测量单元，测量乙丙橡胶电痕试样的回复电压信号。测量回路如图8所示。具体测量过程为：首先，将要进行测量的试样两端短接，将试样进行完全放电，并对6517B进行校准；然后，将S闭合至S₁，对试样充电，充电时间为t_c；接着，在充电结束后的瞬间将S闭合至S₂进行放电，放电时间为t_d；放电时间结束后，断开S₁和S₂，接通S₃，连续测量试样两端的电压，此时测量得到的电压曲线即为回复电压曲线。

所有测量结束后，分别提取图1-4中每一曲线标注的坐标为矿用电缆绝缘用乙丙橡胶表面电痕化特征量。按照所述的信号波形初始斜率的特征提取步骤提取极化-去极化电流和回复电压的初始斜率，分别为S_p、S_dp和S_i；按照所述的信号波形拐点的特征提取步骤提取去极化电流的凹点出现时刻t_cp。具体的特征量提取流程如图9-11所示。

如下表中给出了故障特征数据。由表中的特征提取结果可见，随着绝缘性能的逐渐降低，吸收比K和极化指数P.I.出现了先增大后减小的变化结果，有些许偏差。但是在这些偏差存在的情况下也可以准确的反映表面电痕存在状况下，乙丙橡胶的绝缘状况。

特征量优良中差R₁₅/10¹²Ω10.4287.01338.14845.7225R₆₀/10¹²Ω18.20614.66113.0157.4292R₆₀₀/10¹²Ω40.43335.14827.0558.1420σ_r/10^-17S1.34961.55252.01696.7020K1.74592.09051.59721.2982P.I.2.22092.39732.07861.096U_rmax/V5.14105.34215.81986.7751T_cdom/s1000378347336S_i0.04540.05840.06070.0654i_dpo/A3.131×10^-103.5940×10^-94.7850×10^-95.1872×10^-9i_dps/A9.6×10^-112.9866×10^-103.2628×10^-105.8998×10^-10i_ps/A1.29×10^-103.39510^-92.99×10^-91.92×10^-9t_cp/s37546978s_dp2.3085×10^-103.4855×10^-102.6670×10^-102.5380×10^-10s_p3.921×10^-106.989510^-106.1365×10^-105.3095×10^-10

实施结果表明，将从三种状态信号中提取的特征量相结合可以对矿井电缆用乙丙橡胶的表面电痕状态进行表征，单个特征量的波动并不会影响表征结果，可以有效反映表面电痕状态，为矿井电缆用乙丙橡胶表面电痕状态的诊断及寿命评估提供了判断依据。