一种基于太赫兹技术的绝缘纸板含水量检测方法及系统

技术领域

本发明涉及变压器领域，特别是涉及一种基于太赫兹技术的绝缘纸板含水量检测方法及系统。

背景技术

变压器是电能转化和传输的枢纽，造价以及运维成本高昂。在变压器的制造和安装过程油纸系统会不可避免地残留水分；变压器运行过程中，油纸绝缘不断劣化，会不断产生水分；在检修过程中也可能会浸入外部环境的水分。

即使是油纸绝缘中微小的水分含量也足以降低变压器的电气强度，加快油纸的老化进程，缩短变压器的正常运行年限。油纸绝缘中的水分含量反映油纸绝缘系统的老化状态与其绝缘性能的重要指标，进而可以用以表征变压器整体的绝缘状态，工程实际中油纸绝缘的水分含量早已成为反映变压器健康状态和故障早期预警的重要信息源回。因此，对变压器油纸绝缘的微水含量进行准确检测，可提早发现变压器早期故障，提高变压器运行寿命及可靠性，对于预防绝缘事故、保障电网运行安全有重要的工程价值。

对于变压器油纸绝缘需要分别展开对绝缘纸板、绝缘油的大规模出厂检测、绝缘油含水量的在线检测以及运维时对绝缘纸板和绝缘油的离线检测。目前，检测水分含量的方法存在耗时长、操作复杂等缺点，且难以对纸板和绝缘油进行大批量的快速无损测试。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于太赫兹技术的绝缘纸板含水量检测方法及系统，能够提高电压起中绝缘纸板含水量的检测效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于太赫兹技术的绝缘纸板含水量检测方法，所述检测方法包括：

通过太赫兹时域光谱测量系统，得到待测含微水油浸绝缘纸板的太赫兹时域光谱图；其中，利用太赫兹时域光谱图的结果表征含水量；

根据所述太赫兹时域光谱图，确定太赫兹频段下所述待测含微水油浸绝缘纸板的光学参数；所述光学参数为复折射率；

根据所述光学参数，应用广义麦克斯韦关系，得到所述待测含微水油浸绝缘纸板的复介电常数；

根据所述待测含微水油浸绝缘纸板的复介电常数的虚部的中心频率对应的峰值输入至绝缘纸板含水量太赫兹模型，得到所述待测含微水油浸绝缘纸板的含水量；其中，所述绝缘纸板含水量太赫兹模型是含微水油浸绝缘纸板的复介电常数的虚部的中心频率对应的峰值与含微水油浸绝缘纸板的含水量的函数。

可选地，所述绝缘纸板含水量太赫兹模型的构建过程具体包括：

通过太赫兹时域光谱测量系统，得到多个含微水油浸绝缘纸板样本的太赫兹时域光谱图；其中，各所述含微水油浸绝缘纸板样本含有对应的预设含水量；

根据多个所述含微水油浸绝缘纸板样品的太赫兹时域光谱图，确定太赫兹频段下各所述含微水油浸绝缘纸板样品的光学参数；

根据多个所述含微水油浸绝缘纸板样品的光学参数，应用广义麦克斯韦关系，得到各所述含微水油浸绝缘纸板样品的复介电常数；

将多个所述含微水油浸绝缘纸板样品对应的预设含水量和复介电常数的虚部的中心频率对应的峰值进行拟合，得到绝缘纸板含水量太赫兹模型。

可选地，以所述含微水油浸绝缘纸板样品对应的预设含水量为横坐标，以所述含微水油浸绝缘纸板样品的复介电常数的虚部的中心频率对应的峰值为纵坐标，对多个所述含微水油浸绝缘纸板样品对应的预设含水量和复介电常数的虚部的中心频率对应的峰值进行拟合。

可选地，根据所述太赫兹时域光谱图，确定太赫兹频段下所述待测含微水油浸绝缘纸板的光学参数，具体包括：

根据所述太赫兹时域光谱图，确定无样品时的参考信号、待测含微水油浸绝缘纸板的信号相位、待测含微水油浸绝缘纸板的信号幅值和太赫兹信号频率；

根据所述待测含微水油浸绝缘纸板的信号相位和所述待测含微水油浸绝缘纸板的信号频率，计算所述待测含微水油浸绝缘纸板折射率实部；

根据所述待测含微水油浸绝缘纸板的信号频率、所述待测含微水油浸绝缘纸板的厚度、真空中光速、所述待测含微水油浸绝缘纸板折射率实部和所述待测含微水油浸绝缘纸板的信号幅值，计算所述待测含微水油浸绝缘纸板折射率虚部；

根据所述待测含微水油浸绝缘纸板折射率实部和所述待测含微水油浸绝缘纸板折射率虚部，得到所述待测含微水油浸绝缘纸板复折射率。

可选地，所述待测含微水油浸绝缘纸板的复介电常数的实部为：

ε'＝n(ω)

所述待测含微水油浸绝缘纸板的复介电常数的虚部为：

ε″＝2n(ω)k(ω)；

其中，n(ω)为所述待测含微水油浸绝缘纸板在太赫兹信号频率ω下的折射率实部；k(ω)为所述待测含微水油浸绝缘纸板在太赫兹信号频率ω下的折射率虚部；ε'为待测含微水油浸绝缘纸板的复介电常数的实部；ε”为所述待测含微水油浸绝缘纸板的复介电常数的虚部。

可选地，所述太赫兹时域光谱测量系统包括太赫兹辐射模块、太赫兹探测模块和样品平台模块；所述太赫兹辐射模块包括飞秒激光器、分束器、太赫兹光电导天线、时间延迟装置、太赫兹发射器、抛物面镜和上位机；所述太赫兹探测模块包括太赫兹探测器、抛物面镜和太赫兹光电导天线；所述样品平台模块包括二维扫描平移台、抛物面镜和锁相放大器。

可选地，所述含微水油浸绝缘纸板样本的制备方法包括：将绝缘纸板干燥处理后放入绝缘油中进行浸泡，并将浸泡后的绝缘纸板进行吸水实验，根据吸水时间不同，得到不同含水量的绝缘纸板样本。

可选地，采用卡尔费休滴定法对所述含微水油浸绝缘纸板样本的含水量进行标定，得到各所述含微水油浸绝缘纸板样本对应的预设含水量。

一种基于太赫兹技术的绝缘纸板含水量检测系统，应用上述的基于太赫兹技术的绝缘纸板含水量检测方法，所述检测系统包括：

获取模块，用于通过太赫兹时域光谱测量系统，得到待测含微水油浸绝缘纸板的太赫兹时域光谱图；其中，利用太赫兹时域光谱图的结果表征含水量；

光学参数确定模块，用于根据所述太赫兹时域光谱图，确定太赫兹频段下所述待测含微水油浸绝缘纸板的光学参数；所述光学参数为复折射率；

复介电常数确定模块，用于根据所述光学参数，应用广义麦克斯韦关系，得到所述待测含微水油浸绝缘纸板的复介电常数；

含水量确定模块，用于根据所述待测含微水油浸绝缘纸板的复介电常数的虚部的中心频率对应的峰值输入至绝缘纸板含水量太赫兹模型，得到所述待测含微水油浸绝缘纸板的含水量；其中，所述绝缘纸板含水量太赫兹模型是含微水油浸绝缘纸板的复介电常数的虚部的中心频率对应的峰值与含微水油浸绝缘纸板的含水量的函数。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明利用太赫兹波对水分子非常敏感的特性对待测含微水油浸绝缘纸板进行无损检测。首先通过太赫兹时域光谱测量系统，得到待测含微水油浸绝缘纸板的太赫兹时域光谱图；然后，根据太赫兹时域光谱图，确定太赫兹频段下待测含微水油浸绝缘纸板的光学参数；并根据光学参数，应用广义麦克斯韦关系，得到待测含微水油浸绝缘纸板的复介电常数；最后根据待测含微水油浸绝缘纸板的复介电常数的虚部的中心频率对应的峰值输入至绝缘纸板含水量太赫兹模型，得到待测含微水油浸绝缘纸板的含水量，所述绝缘纸板含水量太赫兹模型是含微水油浸绝缘纸板的复介电常数的虚部的中心频率对应的峰值与含微水油浸绝缘纸板的含水量的函数，从而提高了电压起中绝缘纸板含水量的检测效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的基于太赫兹技术的绝缘纸板含水量检测方法流程图；

图2为本发明的基于太赫兹技术的绝缘纸板含水量检测方法实际应用流程图；

图3为本发明的干燥绝缘纸板样本示意图；

图4为本发明的油浸绝缘纸板样本示意图；

图5为本发明的太赫兹时域光谱技术(THZ-TDS)的功能模块示意图；

图6为本发明的不同含水量纸板的太赫兹时域信号示意图；

图7为本发明的介电常数实部的峰值及其频率示意图；

图8为本发明的介电常数虚部的峰值及其频率示意图；

图9为本发明的介电常数虚部的峰值及其中心频率示意图；

图10为本发明的中心频率峰值和含水量的关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于太赫兹技术的绝缘纸板含水量检测方法及系统，能够提高电压起中绝缘纸板含水量的检测效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1和图2所示，本发明提供了一种基于太赫兹技术的绝缘纸板含水量检测方法，所述检测方法包括：

步骤S1：通过太赫兹时域光谱测量系统，得到待测含微水油浸绝缘纸板的太赫兹时域光谱图；其中，利用太赫兹时域光谱图的结果表征含水量。

步骤S2：根据所述太赫兹时域光谱图，确定太赫兹频段下所述待测含微水油浸绝缘纸板的光学参数；所述光学参数为复折射率。

S2具体包括：

步骤S21：根据所述太赫兹时域光谱图，确定无样品时的参考信号、待测含微水油浸绝缘纸板的信号相位、待测含微水油浸绝缘纸板的信号幅值和太赫兹信号频率。

步骤S22：根据所述待测含微水油浸绝缘纸板的信号相位和所述待测含微水油浸绝缘纸板的信号频率，计算所述待测含微水油浸绝缘纸板折射率实部。

步骤S23：根据所述待测含微水油浸绝缘纸板的信号频率、所述待测含微水油浸绝缘纸板的厚度、真空中光速、所述待测含微水油浸绝缘纸板折射率实部和所述待测含微水油浸绝缘纸板的信号幅值，计算所述待测含微水油浸绝缘纸板折射率虚部。

步骤S24：根据所述待测含微水油浸绝缘纸板折射率实部和所述待测含微水油浸绝缘纸板折射率虚部，得到所述待测含微水油浸绝缘纸板复折射率。

步骤S3：根据所述光学参数，应用广义麦克斯韦关系，得到所述待测含微水油浸绝缘纸板的复介电常数。

具体地，所述待测含微水油浸绝缘纸板的复介电常数的实部为：

ε'＝n(ω)

所述待测含微水油浸绝缘纸板的复介电常数的虚部为：

ε″＝2n(ω)k(ω)；

其中，n(ω)为所述待测含微水油浸绝缘纸板在太赫兹信号频率ω下的折射率实部；k(ω)为所述待测含微水油浸绝缘纸板在太赫兹信号频率ω下的折射率虚部；ε'为待测含微水油浸绝缘纸板的复介电常数的实部；ε”为所述待测含微水油浸绝缘纸板的复介电常数的虚部。

步骤S4：根据所述待测含微水油浸绝缘纸板的复介电常数的虚部的中心频率对应的峰值输入至绝缘纸板含水量太赫兹模型，得到所述待测含微水油浸绝缘纸板的含水量；其中，所述绝缘纸板含水量太赫兹模型是含微水油浸绝缘纸板的复介电常数的虚部的中心频率对应的峰值与含微水油浸绝缘纸板的含水量的函数。

作为一个具体地实施方式，所述太赫兹时域光谱测量系统包括太赫兹辐射模块、太赫兹探测模块和样品平台模块；所述太赫兹辐射模块包括飞秒激光器、分束器、太赫兹光电导天线、时间延迟装置、太赫兹发射器、第一抛物面镜、第二抛物面镜和上位机；所述太赫兹探测模块包括太赫兹探测器、第三抛物面镜和太赫兹光电导天线；所述样品平台模块包括二维扫描平移台、第四抛物面镜和锁相放大器。

在该系统中，激光器发射的激光被分束器分为泵浦光和探测光，在太赫兹波发射端，泵浦光沿光路到达光导电天线产生太赫兹波，太赫兹波信号透过样品到达探测器；另一束探测光经过时间延时装置后，和太赫兹波信号同时到达探测器；探测器输出相关的信号，经过锁相放大器得到最终的测量信号。

在实际应用中，透射式THz-TDS其主要有三个部分组成THz辐射模块、THz探测模块、样品平台模块，如图5所示。

THz辐射模块的作用是产生太赫兹波信号.此模块主体部件由激光源、THz发射器、延时光路组成。THz探测模块的作用是接收太赫兹波信号。此模块主要的部件为THz探测器。样品平台的作用是放置被测样品，太赫兹激光源及延迟光路集成于一个太赫兹光谱仪，既节省了空间，又避免了空气中的湿度、光路仪器微小的移动对光路的影响。

作为一个具体地实施方式，所述含微水油浸绝缘纸板样本的制备方法包括：将绝缘纸板干燥处理后放入绝缘油中进行浸泡，并将浸泡后的绝缘纸板进行吸水实验，根据吸水时间不同，得到不同含水量的绝缘纸板样本。

进一步地，采用卡尔费休滴定法对所述含微水油浸绝缘纸板样本的含水量进行标定，得到各所述含微水油浸绝缘纸板样本对应的预设含水量。

在实际应用中，如图3和图4所示，本发明选用纤维素绝缘纸板，聚合度1300，厚度2mm，裁切为50mm×50mm大小的方片；绝缘油为克拉玛依KI25环烷基油。将裁剪好的绝缘纸板和绝缘油样品真空干燥48h后，纸板浸入绝缘油中，使其完全浸泡。将浸泡的油纸放入恒湿箱进行吸水实验，根据吸湿时间不同取出不同的样本。使用采用卡尔费休滴定法标定其含水量。样品本身为线性电磁响应，其内部结构和厚度非常均匀，适合进行太赫兹检测，通过分析太赫兹光谱数据可以得到光学参数。

作为一个具体地实施方式，所述绝缘纸板含水量太赫兹模型的构建过程具体包括：

(1)通过太赫兹时域光谱测量系统，得到多个含微水油浸绝缘纸板样本的太赫兹时域光谱图；其中，各所述含微水油浸绝缘纸板样本含有对应的预设含水量。

(2)根据多个所述含微水油浸绝缘纸板样品的太赫兹时域光谱图，确定太赫兹频段下各所述含微水油浸绝缘纸板样品的光学参数。

(3)根据多个所述含微水油浸绝缘纸板样品的光学参数，应用广义麦克斯韦关系，得到各所述含微水油浸绝缘纸板样品的复介电常数。

(4)将多个所述含微水油浸绝缘纸板样品对应的预设含水量和复介电常数的虚部的中心频率对应的峰值进行拟合，得到绝缘纸板含水量太赫兹模型。

在步骤(4)中，以所述含微水油浸绝缘纸板样品对应的预设含水量为横坐标，以所述含微水油浸绝缘纸板样品的复介电常数的虚部的中心频率对应的峰值为纵坐标，对多个所述含微水油浸绝缘纸板样品对应的预设含水量和复介电常数的虚部的中心频率对应的峰值进行拟合。

在实际应用中，绝缘纸板的复折射率由下式表示：

n'(ω)＝n(ω)-ik(ω)；

其中，n(ω)为折射率实部，ik(ω)为折射率虚部，表示物质对太赫兹信号的吸收特性，A为太赫兹信号幅值，φ为太赫兹信号相位，c为真空中光速，d为样品厚度，ω为太赫兹信号频率。

信号经过了空气，纸板，空气3层介质，根据菲涅尔公式得到透射系数。具体地，太赫兹从空气到纸板的信号为t

式中φ

再根据材料的复折射率与复介电常数的广义麦克斯韦关系，可得到复介电常数的实部ε'和虚部ε”，由下式表示：

ε'＝n(ω)

ε”＝2n(ω)k(ω)

检测得到各个含水量样品的太赫兹信号。将太赫兹波未通过样品时的信号作为参考信号，各份样品及参考信号在太赫兹波段的时域响应如图6所示，参考太赫兹脉冲信号的时域波形在239ps-241ps之间，不同含水量的油浸纸板样品太赫兹脉冲信号大约位于241ps～243.75ps之间。

随着含水量增大，油纸样品的太赫兹时域峰值降低。这是由于水分子的氢键结构在电磁波的作用下，受激共振，水分子偶极子发生旋转，并经弛豫极化，形成新的氢键网络结构，而水分子发生转向和移动的弛豫时间恰好处于皮秒和亚皮秒量级；同时，在氢键网络中，水分子的集体振动的弛豫时间也同样处于皮秒量级，除弛豫极化还伴随着谐振极化，所以水分子与太赫兹波存在多种相互作用，并在远红外和微波波段之间发生弛豫和谐振极化，形成对太赫兹波的强烈吸收作用。综上所述，油浸纸板的太赫兹时域波形的峰值随着含水量升高而减小。

根据太赫兹波在介质中的传播特性，绘制处各样本的复介电常数数据。随着水含量的增加，油浸纸板的复介电常数实部增大，同时，复介电常数的实部随着频率增大呈下降趋势。如图7和图8所示。

各样品的介电常数虚部的峰值及其对应的中心频率如图9所示，介电常数虚部的中心频率在1.57THz～1.92THz范围内，与含水量无关；中心频率对应的峰值在0.21～0.31之间波动，大致随着含水量增大而增大。表1表示不同样本之间的含水量。如表1所示。

表1样本含水量记录表

根据表1可以发现样本含水量和中心频率峰值之间呈正相关的关系，拟合后R平方大于0.9，具有很好的线性关系。如图10所示。

通过太赫兹时域信号和介电虚部信号，建立绝缘纸板含水量太赫兹模型，用于未知样本的含水量判定。

本发明提供的方法具有以下优势：

1.使用太赫兹检测平台可以对绝缘纸板含水量进行非接触、无损的检测，高效快捷。

2.水分子对太赫兹波的吸收强烈，在太赫兹时域信号上，振幅随含水量的升高而降低。

3.太赫兹中不同的含水量在太赫兹频率下的介电谱中，提取相应的峰峰值，峰值中心频率，建立含水量的判定标准，用于未知样含水量检测。

实施例二

为了执行上述实施例一对应的方法，以实现相应的功能和技术效果，下面提供一种基于太赫兹技术的绝缘纸板含水量检测系统，所述检测系统包括：

获取模块，用于通过太赫兹时域光谱测量系统，得到待测含微水油浸绝缘纸板的太赫兹时域光谱图；其中，利用太赫兹时域光谱图的结果表征含水量。

光学参数确定模块，用于根据所述太赫兹时域光谱图，确定太赫兹频段下所述待测含微水油浸绝缘纸板的光学参数；所述光学参数为复折射率。

复介电常数确定模块，用于根据所述光学参数，应用广义麦克斯韦关系，得到所述待测含微水油浸绝缘纸板的复介电常数。

含水量确定模块，用于根据所述待测含微水油浸绝缘纸板的复介电常数的虚部的中心频率对应的峰值输入至绝缘纸板含水量太赫兹模型，得到所述待测含微水油浸绝缘纸板的含水量；其中，所述绝缘纸板含水量太赫兹模型是含微水油浸绝缘纸板的复介电常数的虚部的中心频率对应的峰值与含微水油浸绝缘纸板的含水量的函数。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。