CN101498754B - 利用sf6压力波动判断sf6电气设备故障的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用六氟化硫压力波动判断高压六氟化硫电气设备故障的方法及装置，其方法是通过在设备SF6气室内预先安装的传感器以及由后期电路组成的的数字式信号处理装置检测室内气体的变化情况，得到内部压力、温升、湿度等信息，一旦设备内部出现气体故障，导致某项或多项状态参数升高到一定限度，数字式信号处理装置就会发出报警信号，提示可能的设备故障的发生，从而在故障早期发现故障；用于实现该方法的的数字式信号处理装置由信号调理模块、主控制模块和输出显示模块组成，可全面地监测SF6气体有价值的状态参数，具有结构简单、可靠、干扰小、经济性好、应用价值高等优点，符合电力系统实际需要和现代工业发展的要求。
Description
技术领域
本发明属于电力电气设备技术领域，涉及一种高压电气设备故障监测的方法及装置，特别是一种利用六氟化硫(SF6)压力波动判断高压六氟化硫电气设备故障的方法及装置。
背景技术
六氟化硫(SF6)具有优异的电气绝缘和灭弧性能，被认为是迄今最理想的气体绝缘、灭弧介质。SF6气体的独特性质使采用它作为绝缘灭弧介质的电气设备具有绝缘强度高、灭弧能力强、开断容量大、防火防爆、体积小、占地面积和占用空间小、重量轻、噪音小、运行温度低、安装方便、全密封电器安全可靠、无氧化问题、维修周期长等诸多优点。随着当今电力工业的快速发展，SF6电气设备已得到越来越广泛的应用，其各级设备特别是高电压和超高电压等级设备的应用类型也越来越多，包括全封闭组合电器(GIS)、断路器(GCB)、变压器、电流互感器(GICT)、电压互感器(GIPT)、电力电缆(GIC)、套管、避雷器等，为电力系统的安全经济运行起到了良好的作用。
虽然SF6气体作为电气绝缘、灭弧介质具有很大的优越性，但SF6气体状态的变化对设备电气性能及人类的生存环境影响很大，具体体现在压力、温度、湿度、密度、空气、电弧分解物等对设备的电气性能的影响。SF6气体的电气特性与气体的状态紧密相关，不同状态下SF6所表现的电气性能差异很大，所以在设备运行过程中要始终保持气体在最佳状态下才能保证SF6电气设备的稳定运行，同时，由于SF6电气设备的开关机构、一次电路及触头部分等均封闭在SF6作为绝缘气体的密封气室中，电路相关的故障或多或少都会引起SF6气体相关状态参数的变化，严重者可能引发各种情况的事故，因此，通过在线检测并分析SF6气体的状态参数的变化在很大程度上有助于设备故障的发现、诊断、定位。
在本发明技术方案提出之前，用于对SF6设备气体状态进行检测的方法主要有离线水分测量、气体泄漏检测、电弧分解产物检测、机械式密度继电器及压力表检测以及数字式密度继电器检测等方式，它们基本上都属离线测试，其中的每种方式在具体应用中都存在一些缺陷，综述及分析如下。
离线水分测量：目前测试SF6气体的微量水分含量是依靠离线式水分仪进行的，按《电力设备预防性试验规程》规定，每隔1~3年对设备进行一次测试。它的优点是测试精度高，缺点是测试受环境条件的影响巨大、要向大气环境排放SF6气体、不能反映水分变化的即时状况、耗费人力物力。
气体泄漏检测：按国标GB8905-1997《SF6电气设备中气体管理和监测导则》中规定，SF6设备的年漏气率应≤1％。运行的SF6设备发生泄漏时，可以通过局部包扎法或压力折算法检测并计算设备的年漏气率。采用局部包扎法检测时首先要停运设备，再用塑料薄膜包扎被怀疑的泄漏点进行检测，这样造成少送电损失、耗费人力物力、不能全面即时地反映设备密封状况；压力折算法是通过一定周期内压力表的变化来计算年漏气率的，设备内气体密度是通过人工观察压力表示值并查SF6密度曲线图得来的，实际检测中由于压力表的精度较低、SF6密度曲线图分度较粗、人工测算偏差较大等原因而很难得到精确值，必须要有足够的周期时间及很大的泄漏才能发现泄漏，故很难在故障发生的初期发现泄漏。
电弧分解产物检测：电弧分解产物的检测结果可反映设备气体的状况及作为设备内部故障判断的参考判据。目前国际上常用的检测方法分为两种：试验室高级分析仪器分析及现场化学检测管测试。试验室高级分析仪器分析要借助色谱仪—质谱仪—红外分光光度计联合测试，仪器造价昂贵，需要现场采样然后在实验室分析，采样方式复杂、要求操作水平高、影响因素多、即时性差，因此一般只作研究用途；现场检测管测试法虽然方便，但精度较低，属于半定量试验方法。
机械式密度继电器及压力表检测：传统的压力及密度监控是通过SF6气体密度继电器及压力表实现的。如果SF6气体发生泄漏或液化，密度继电器会通过保护回路发出报警信号直至闭锁开关的动作，以保护设备，防止事故的发生。机械式密度继电器是一个压力比较装置，检测中，充纯SF6气体的作为比较标准的密封小气室和设备主气室的气压都会随环境温度变化而变，如两气室均不漏气，当环境温度变化时，气压变化始终是同步的，波纹管内部和外部(即主气室)压力始终平衡，也就是主气室气体密度不发生变化，密度继电器不会动作，密度继电器不会受环境温度变化的影响；如果主气室漏气，主气室中SF6气体的质量减少，而其容积是一定的，那么主气室中的气体密度降低，相应的主气室中气体压力降低，波纹管为了平衡管内气压与主气室气压发生变形伸展，带动指针或接点动作。由于工作现场机械式压力表长期带压运行，造成金属疲劳导致失准的情况非常普遍，开关设备的振动导致指针松脱的情况也时有发生，还有因为机械卡涩导致设备过充气的情况。机械式密度继电器作为传统的气体密度检测装置一直在使用，从原理上来说它一种压力比较器，不能直接反映气体的密度，而且经常发生自身故障，有因为标准小气室漏气而导致误报警的，也有因机械卡涩造成设备漏气而不报警的，还有因没有过压保护导致设备故障气压增高而不报警的情况发生。除了输出报警和闭锁以外不能输出连续监测数值，该继电器只能现场人工读取数据(非指针式密度继电器甚至不能读取任何数据)，不能进行遥测遥控。
数字式密度继电器检测：近年来国际上很多主流电气公司相继研制并推出了多种用于在线检测六氟化硫气体的密度及压力参数的数字式气体状态监测单元，这些产品都含有数字式密度继电器的功能，即均采用温度、压力传感器，通过Beattie-Bridgman实际气体状态方程计算SF6气体密度，并含有密度报警及闭锁继电器，可以远传数据，也有的产品含有湿度检测功能，采用的湿度传感器一般都是成本较高、体积较大的露点阻容式湿度传感器。上述产品中除了日本三菱公司的Hybrid Sensor，其它都不含故障诊断功能，但日本三菱公司的Hybrid Sensor是利用检测分解气体的含量来判断设备内是否有故障发生的，分解气体的检测难度较大，而且其扩散受传感器安装位置的影响，按照目前密度继电器的安装位置安装该传感器很难检测到分解产物，而压力的传递几乎与安装位置无关，检测到压力波动的时间几乎与故障发生时间同步。
目前，电力设备的检修方式正在逐步地从计划检修转向状态检修，实行状态检修的基本条件是必须掌握足够的运行状态参数，从而确定状态检修的最佳时机。对SF6气体状态进行在线监测符合这种先进的检修方式的要求，对保证设备的正常运行、发现并判断设备潜在故障、定位已发故障、掌握设备整体运行工况均有着很重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，在综合国际上其他相关产品功能及优点的基础上，通过对SF6气体状态的全面分析，结合电力系统的实际情况，提出一种利用SF6压力波动情况在线实时判断监测高压SF6电气设备故障的方法，同时提供一种专用于该方法实施的SF6电气设备数字式信号处理装置。
本发明提出的利用SF6压力波动判断SF6电气设备故障的方法是通过采用现代科技手段，对用于电气设备的绝缘、灭弧介质-SF6气体进行全方位在线状态监测而提出的一种新的电子智能化方法。SF6气体和其他许多气体一样，在不同的温度和压力下存在固态、气态、液态三态，在电气设备设计工况下，它是呈气态的。一台设备中的气体体积是一定的，可用三个状态参数来描述一台设备中气体的状态，即压力(p)、温度(T)、密度(γ)，从物理化学的理论来说，气体的状态是温度、压力的单值函数，即当压力温度固定时，该种气体的密度即随之固定了，其气体状态也就确定了。此外，SF6气体的湿度对运行设备也是一项重要的指标，它能反映包括分解产物及设备密封的状况。水分参与电弧分解反应，也增加了分解产物的量和其危害性。在电气设备中，湿度的高低与设备的绝缘水平直接相关，湿度的变化能反映设备的密封情况，密封不良的SF6气体设备中，湿度一般会逐渐增加，因此，进行湿度的在线检测是很必要的。综合以上因素，本发明设计了对SF6电气设备SF6气体压力、密度、温度、湿度、泄漏率等基本参数的在线检测方案，可以根据SF6压力波动情况对SF6气体状态进行连续检测，其方案要点是预先在SF6电气设备的每个密封SF6气室放置有至少一个压力传感器、至少一个温度传感器和至少一个湿度传感器，工作过程中，利用与上述各传感器输出线电连接的SF6电气设备数字式信号处理装置将由各传感器获得的压力、温度和湿度波动信号进行放大、模数换算、数据运算和在线分析后，判断和定位出SF6设备气室内是否发生气体泄漏、过热和水分超标故障的情况以及发生故障的位置。
用于实现该方法的SF6电气设备数字式信号处理装置由压力传感器、温度传感器、湿度传感器、内含隔离变换及数模转换电路的信号调理模块、内含I/O扩展电路的主控制模块和输出显示模块组成，其中压力传感器、温度传感器和湿度传感器的信号输出端分别接至信号调理模块的压力、温度和湿度信号输入端，信号调理模块的输出端与主控制模块的输入端联接，主控制模块的I/O扩展输出端分别接至信号调理模块的隔离变换及数模转换输入端和输出显示模块的输入端。工作中，通过在设备SF6气室上预先安装的传感器以及由后期电路组成的数字式信号处理装置，检测室内气体的变化情况，得到内部压力、温升、湿度等信息，一旦设备内部出现气体故障，导致某项或多项状态参数升高到一定限度，数字式信号处理装置就会发出报警信号，提示可能的设备故障的发生，从而在故障早期发现故障，防止故障进一步的发展成为设备事故，减少损失。
本发明在综合了国内外其他相关产品优点的基础上，通过对SF6气体状态的全面分析，结合电力系统的实际情况，提出了SF6电气设备数字式信号处理装置的总体设计方案。在该项设计中，除了对SF6气体的常规状态参数(压力、温度等)进行检测、常规的密度报警及闭锁功能以外，还加入了气体湿度检测，并提出了通过对在电磁干扰环境中受干扰较小且与其他干扰信号变化性质不同的气体压力信号进行分析，从而进行电气设备故障判断的设计思路。在本发明的研制过程中，设计人通过广泛的调研和试验，对组成单元的硬件元件进行了充分的选型，既考虑到可用性，又兼顾到经济性，使本发明的设计具有较高的实用价值。通过理论分析及试验，找到了通过价格相对较低的传感器测试SF6气体湿度的方法，解决了存在的问题，实现了通过压力、温度、湿度信号判断电气故障的设想，达到了理想的效果。另外在软件设计上，采用汇编语言编程，实现了通过单片机实时计算气体密度的方法，提高了测试精度和整体运行速度。本发明还充分考虑了电力设备周围存在的强电磁干扰，采用软件和硬件两种手段抗电磁干扰，全面地掌握六氟化硫电气设备的运行工况，给判断设备故障提供有了新的有效实用的手段，提高了系统的稳定性与可靠性，为电气设备实行状态检修打下了基础。
附图说明
图1为本发明所述SF6电气设备数字式信号处理装置的一种实施例结构的硬件框图。
图2为压力信号的调理电路原理图。
图3为温度信号的调理电路原理图。
图4为湿度信号的调理电路原理图。
图5为SF6电气设备数字式信号处理装置的运行方式示意图。
图6为压力波动法故障分析原理图。
具体实施方式
本发明硬件结构设计以及功能设计的内容如下所述。
1、传感器的选用：传感器的可靠性直接关系到单元测试的准确性和可靠性，本单元设计采用三个传感器来完成整体测试任务，即压力、温度、湿度传感器。
1.1压力传感器的选择
压力传感器是本装置中最重要的传感器，其准确性和灵敏度直接关系到压力测试、密度计算的精度和故障判断的稳定性、可靠性。根据本发明的设计要求，压力突变检测要求传感器的输出稳定性好，响应快速、灵敏度尽可能高，以利于微小压力突变信号的检出。因为传感器直接与SF6气体接触，而SF6气体经过电弧的作用后会产生一些有腐蚀性的产物，所以要求传感器具有良好的耐腐蚀性。传感器还要求体积尽可能小，有适合于气体密封的密封方式，以利于减小单元的体积和增加气体密封的可靠性，还要求传感器具有宽的温度补偿范围，温度系数尽可能小。根据本发明的功能设计要求，设计人经过综合平衡考虑，选用的压力传感器为美国IC公司产M86微型不锈钢压阻式压力传感器，这种传感器有表压型和绝对压力型两种类型，为了符合压力显示的一般习惯，选用表压型的压力传感器。该压力传感器具有灵敏度高、动态性能好、体积小、结构坚固、可于苛刻介质兼容、密封方式简单可靠的特点，其输出为线性，温度补偿范围为-20℃到+85℃，压力迟滞小，输出为线性便于定标及软件编程。
1.2温度传感器的选择
温度传感器使用在工业测温、控温和检测中被广泛地应用的Honeywell(Pt1000)铂电阻式传感器。铂电阻具有比较多的优点，如精度高、稳定性好、性能可靠、机械强度高电阻率高、测温范围大等，最重要的一点是，SF6再经过电弧作用后会产生强腐蚀性的物质，选用化学性质非常稳定的铂电阻可以防止传感器被腐蚀而导致失准。
1.3湿度传感器的选择
本设计湿度传感器的选用考虑了被测介质的湿度范围、测试精度要求、采样方式、介质兼容性、工作环境要求、外形结构要求、可更换性要求、成本要求等。电力设备用SF6气体在正常情况下的湿度范围为几十到几百个μL/L(相当于5％RH以下的范围，运行设备要求湿度最高不超过500μL/L，产生电弧的气室要求不超过300μL/L，用20℃相对湿度表示分别是2％RH、1.2％RH)，在湿度测试中属于低湿度范围，由于与环境中湿度相差很大、湿度的绝对值小，属于微量测试，所以影响因素很多，比之相对湿度范围的测试(5％RH～90％RH范围)这种湿度范围的测试是公认的难度较大的测试。气体介质低湿度的测量一般使用露点式阻容传感器，其原理是利用一些吸湿材料的电特性随吸收水分子的多少变化的特点进行测试的，一般用敏感元件的电容或阻抗变化来测试湿度。其优点是采用纯粹的弱电量测量，无其他的物理或化学过程，功耗小、测量范围较宽、响应快、低湿度响应较好、不需要恒定的气体流量、测量的精度适中等，很多离线式湿度仪都采用这种传感器作为测湿元件。但是它们各有缺点，如由于吸湿层受到腐蚀或化学结构衰变导致传感器特性改变，用它做成的湿度仪要求每半年校验一次，以保证测湿的准确性；有的湿度传感器信号处理方式比较复杂，体积比较大。这些传感器的价格都很高，输出响应与气体湿度间的函数关系一般都是非线性的，要转换成其他的湿度单位，还要配合温度和压力传感器的测试数据进行运算。由于不同传感器的补偿方法的不同，其后期处理电路的差异也比较大，这种传感器一般都是以湿度变送器的形式出售，不适用于独立产品的开发制作。经过广泛的调研和实验，本发明设计人采用了法国Humriel公司的HM1520石英晶体振荡型传感器产品，这是一种以石英晶体振荡原理为基础的低成本湿度传感器，该传感器中有两块石英晶体振荡器，一块为参比振荡器，处于密封状态，一块为湿度测量振荡器，当含水分的气体经过测量晶振时，测量晶振吸附气体中的水分，引起其质量变化，导致晶振的振动频率发生变化，此时，参考晶振频率未变，将测湿晶振频率与参考晶振比较，经检出、低通滤波、放大，变为电压信号输出。这种湿度传感器的优点是体积很小，后期处理电路的设计也较简单，互换性好，成本要低很多，其精度在低湿段是最好的，在30％RH以下范围测试时，环境温度基本上对其输出无影响，不需要温度补偿，同时，由于其采用固态聚合物结构，其介质兼容性也很好，基本适合SF6介质的湿度测试。
但传感器也还存在有测试低限不够的问题，经过研究、理论分析及试验测试，本发明通过压力转换的方法，即根据压下被测气体的体积(Cv)比和相对湿度(％RH)与传感器的输出所成的线性关系式：
Cv＝10.75Vout-10615，Vout单位为mV
这样将该传感器的测量范围下移，使之满足SF6湿度测试的要求。
2、SF6电气设备数字式信号处理装置
参见图1，本发明所述的利用SF6压力波动判断SF6气体状态的数字式信号处理装置的硬件电路部分包括信号调理模块、主控制模块和输出显示模块三部分。其中信号调理模块由驱动放大电路1、通道选择电路2、模数转换电路4和隔离变换电路3组成，主控制模块由数据处理器7和I/O扩展电路8组成，输出显示模块由输出控制电路12、输出隔离电路11、输出显示灯14、报警继电器组13和状态灯15组成，压力传感器P、温度传感器T和湿度传感器H的信号输出端分别接至驱动放大电路1的压力、温度和湿度信号输入端，驱动放大电路1的输出端依次经通道选择电路2和模数转换电路4后与数据处理器7的输入端连接，数据处理器7的输出信号经I/O扩展电路8后分为两路，一路同时与模数转换电路4和隔离变换电路3的输入端连接，另一路经输出控制电路12后分别接至输出隔离电路11、输出显示灯14和状态灯15的输入端，隔离变换电路3和输出隔离电路12的输出端分别接入通道选择电路2和报警继电器组13的输入端。在本发明的一种具体实施例中，驱动放大电路1由电流源芯片LM124构成，通道选择电路2采用型号为CD4051的集成芯片，模数转换电路4采用型号为AD574的12位的数模转换器集成芯片，数据处理器7由配置有实时时钟电路5、RAM扩展电路6、电源监控电路9和键盘扩展电路10的AT89C51单片机构成，隔离变换电路3由TLP521光耦隔离模块构成，I/O扩展电路8由INTEL8255芯片构成，输出控制电路12和输出隔离电路11分别由集成数码管ZCL002、TLP521光耦隔离模块构成。
本发明所述在SF6电气设备数字式信号处理装置可以直接代替原来的机械式密度继电器，设计的气路接口与原来的机械式密度继电器相同，其运行方式如图5所示。
2.1信号调理模块
信号调理模块的功能是将来自压力，温度和湿度传感器的毫伏和阻值信号，转化为0V到10V的电压信号。这三路电压信号经由通道选择芯片CD4051连接到模数转换芯片，转换为数字量，供中央处理单元进行显示、计算及控制。以下分别就各个部分进行介绍：
2.1.1压力信号调理
图2为压力信号的调理电路原理图。其中的传感器P采用了压阻式压力传感器，具有低温漂，线性度好等性能。压力传感器由电流源芯片LM124提供的恒流源供电。压力传感器输出为毫伏级信号，经滤波和差动放大为0～10V电压信号后进入CD4051，模拟信号被选通后，进入AD574进行数模转换。
2.1.2温度信号调理
图3为温度信号的调理电路原理图。温度调理电路采用两只LM124实现，通过其中一只LM124提供1V基准电压，配合Honeywell高精度铂电阻温度传感器可测得准确的温度值，再经后级运放放大信号至0～10V电压信号，经CD4051选通后进入AD转换。
2.1.3湿度信号调理
湿度信号调理电路见图4。本发明采用的湿度传感器输出信号为电压信号，其典型输出为1000mV左右，比较容易测量。实际进行传感器性能实验时，通过万用表即可测量传感器的输出，实际输出范围大约在几百毫伏到一千多毫伏，采用示波器对传感器的输出信号进行了察看，发现其输出信号中有一些高频信号，因此，在调理电路中采用普通的RC低通滤波对信号进行处理，可达到一定的效果，但除了高频信号外，其中还存在许多周期性的低频分量，无法通过该回路去掉，在通过采用软件滤波方式处理后，达到了较好的效果。
2.1.4数模转换模块
该装置采用12位的数模转换器是由本发明所要求的精度和运算速度所决定的。AD574是美国模拟器件公司推出的一种高精度低价格逐次逼近式AD转换器，是我国近年来应用最广泛、价格适中的A/D转换器，其内部具有三态数据锁存器，可直接和8位或16位微处理器总线接口相连。AD574内部具有精密参考电压和时钟电路，无需外接任何元器件，即可独立完成AD转换，给应用提供了很大的方便。
2.2主控制模块
主控制模块是以AT89C51单片机为核心建构的，该芯片与C51系列单片机完全兼容，速度可达30MHz，其内部集成有32K的闪速存储器。为了能记录正常状态和故障状态下的数据，系统扩展了8K的静态存储器(SRAM)6264。由于AT89C51单片机端口有限，为了实现通道选择，输出显示和指示灯控制，采用两片8255芯片对I/O功能进行了扩展。运用MAX813L芯片实现对电源的监控和硬件看门狗功能，可进一步提高系统的可靠性。鉴于本发明设计在变电站现场运行，干扰较多，AT89C51较高的集成度可以增加系统的稳定性；监测装置为长期在线设计，其低功耗空闲模式可有效地减少电器单元的耗电量和CPU的损耗，又因现场电源存在暂时缺失的可能，其掉电模式也可防止系统存储的数据丢失，综合利用其内部资源，可降低系统造价。主控制模块II中的实时时钟电路5、RAM扩展电路6、电源监控电路9和键盘扩展电路10均为常规配置电路，在此不做赘述。
2.3输出显示模块
输出显示模块由状态灯(LED示灯)、数码管(输出显示灯)及其相应的控制芯片、报警继电器组成。为了提高单片机的效率，选用锁存、驱动、放大于一体的高亮度集成数码管ZCL002实现输出显示功能，可方便CPU集中进行运算；由于数码管仅能显示数字，扩展了LED示灯配合数字显示，当标有参数名称的LED示灯点亮时，数码管显示为当前参数的值或相应的故障参数值。
3、SF6电气设备数字式信号处理装置的功能设计
3.1报警及闭锁功能
本装置在测得并换算出SF6气体的基本参数的同时，利用它们在装置内进行实时的分析判断。当设备发生异常或故障时，给出报警信号，如发生气体严重泄漏则闭锁开关的动作，以保护电气设备，防止严重设备事故的发生。同时设计人认为SF6气体是SF6电器设备故障信息的载体，基于这个原理设计了过热故障和放电性故障报警功能。
3.1.1SF6气体密度低报警及闭锁功能(大泄漏报警及闭锁)
在密封良好的SF6设备中，所充SF6气体的量是一定的，设备容积不变，则根据贝蒂—布雷至曼(Beattie-Bridgeman)气体状态方程(简称B-B方程)
p＝0.58×10-3γT(1+B)-γ2A
式中：
A＝0.764×10-3(1-0.727×10-3γ)；
B＝2.51×10-3γ(1-0.846×10-3γ)；
P-SF6气体的压力，单位是kg/cm2；
γ-SF6气体的密度，单位是kg/m3；
T-SF6气体的温度，单位是K
由该方程式可见，在设备容积不变时，气体的密度也应该是不变的，而其气体压力是随着环境温度的变化而变化的。环境温度升高，则气体压力升高，环境温度降低，气体压力则降低。本设计采用通过B-B气体状态方程直接测试计算的SF6气体密度与数字式信号处理装置预设置的报警密度和闭锁密度值比较，当设备气体密度达到报警预设值时，电路系统使报警继电器动作，在变电站主控室产生报警信号，提示设备气体泄漏；当气体压力进一步降低，达到闭锁预设值时，此时气体的绝缘及灭弧能力已经达不到设计要求，开关如果动作可能会造成电弧熄灭困难导致开关触头烧毁甚至设备爆炸事故，于是装置的电路系统使闭锁继电器动作，通过电气回路断开设备的动作电源，从而阻止设备在灭弧、绝缘能力下降时动作，防止事故的发生；当经紧急处理(如给设备充气)后气体密度回升到报警和闭锁预设值时，装置则断开报警或闭锁回路，恢复正常状态。
3.1.2压力高报警及其原理(过热故障定位或报警)
本发明所述数字式信号处理装置中设计了压力高报警继电器，选用压力参数检测设备压力，一旦设备内部出现过热故障，导致压力升高到一定限度，装置即动作压力高报警继电器，在变电站主控室产生报警信号，提示可能的由设备内部过热故障引起的设备事故的发生，从而使设备故障在早期即可以被发现，防止故障进一步的发展成为设备事故，减少损失。
3.1.3压力波动分析判断或定位故障(放电性故障定位或报警)
SF6气体的状态参数中，气体温度、密度、湿度及分解产物含量应该都属于缓变量，一旦发生突发性放电故障时，最快发生变化的参数就是压力参数。任何突发故障都会产生能量的释放，根据物理化学原理，释放的能量会导致气体局部温度的突升和压力的突升，由于压力波是纵波，因此压力变化在气体中的传递是各向同性的，同时，温度变化在SF6气体中的传递过程一般很缓慢，要通过气体的对流作用和辐射作用进行，而压力的突升由于其各向同性的性质，在离故障发生的较远位置即可很容易地几乎同步的检测到，因此，压力的突变带来了设备故障的最直接和几乎同步的信息，非常适合用来进行设备故障判断。依据日本三菱公司所做的一项研究，在一个充气容量约为1m3、充气压力为0.5Mpa表压的300kVSF6GIS气室中发生一个5kA三个周波(50ms)的放电故障时，气体压力会在2秒之内产生一个5kpa的突升，之后约一分钟后，压力变化才逐渐恢复到故障前的水平。根据以上原理以及三菱公司的研究，本发明设计了压力突变的判断原理，即利用压力波谱分析法判断并定位设备发生故障的情况和位置的方法，如图6所示。其原理是在SF6设备每个气室都装有数字式信号处理装置单元，根据气室发生突发性放电故障时压力会在很短时间突升的原理，通过各SF6设备气室中数字式信号处理装置监测到的压力波谱曲线突变点出现及持续情况，判断并定位出设备发生故障的情况和位置。
在一天当中，随着环境温度的变化，气体压力也会随着有一定的波动，但是这个波动是缓慢的且幅值较小。当设备内故障发生时，压力会在很短时间内(1秒左右)突升，且在几十秒内呈缓慢下降状态，根据这两个判据，利用软件判断这个变化即可得知设备内发生了故障，由于SF6设备每个气室都装有该单元，即可将故障定位到发生故障的气室。利用干扰信号一般都是尖峰脉冲，上升和下降都很快的特点，可以防止传入的电路干扰信号的影响；缓慢的压力变化也可用时间判据排除，即干扰信号不会被识别为故障信号。
传统的设备故障检测方法如超高频法、光学法检测，在检测设备放电性故障时采用的信号源都存在较大的干扰因素，这是目前故障检测的一个难点，有些接地故障的定位要靠庞大的打耐压设备对设备加压放电来判断，存在着准确度低，费用庞大，对设备有损害及有些方式要给设备气室中添加东西等缺点。而本发明利用简单的压力传感器配合软件判读即可达到这些复杂检测设备的部分功能。理论上，只要压力传感器的灵敏度足够大，由于压力在电环境中的干扰因素很少且很容易排除，就可检测到很小的放电性故障，甚至局部放电故障。因此本发明所采用的压力波谱分析应该是一种值得研究和探索的手段。
3.1.4气体泄漏检测(微量泄漏定位及报警)
本发明的设计考虑了在线泄漏检测，其原理是用压力折算法计算设备的气体泄漏率。其计算公式如下：
式中：
ρ0-初始气体密度；
ρt-为周期结束时气体密度；
Tr-为周期时间；
T0-为年时间，为每年的总时间8760小时。
单元设计时，将上电或复位以后的密度值存储起来作为初始气体密度ρ0，测试周期是变化的，取第二天同一时间的密度值ρ1为第一个测试周期，进行计算，周期时间T1即为24小时，得到24小时计算的年漏气率M1，24小时后再取第三天的密度值ρ2，周期时间T2即为48小时，得到48小时计算的年漏气率M2，依此类推，按每天取值一次的频率计算，得到Mr。随着时间的增加，泄漏率计算的精度会逐渐增加，当泄漏率超过预设值时，泄漏灯点亮，表明设备有泄漏。
本功能主要监测比较小的泄漏，所起的作用是提示设备有泄漏存在，其报警级别相对设计的较低，不设计动作继电器功能。较严重的泄漏可以通过密度报警检测到，这两个功能配合，即可对各种泄漏有一个较全方位的监测。当发现设备有泄漏存在时，可以通过上位机取出单元内存储的泄漏计算参数进行分析，可以判断出泄漏出现的日期，便于进行综合分析，以判断泄漏的原因。
通过以上的功能设计，本发明基本实现了通过SF6气体状态反映出的各种故障信息的检出，如放电性故障、过热性故障、气体泄漏故障，具有干扰小、反应灵敏、较全面等优点；记录了设备气体较全面的历史参数信息，便于对设备运行工况进行全方位的分析，符合对电气设备实行状态检修的要求。
3.2信息存储功能
本发明装置设计了存储历史数据的功能，以便于对设备情况进行全面监测和分析。
3.2.1存储的常规信息
存储的常规信息包括：气体的温度、压力、湿度、密度信息。采样和存储周期为一天，在一年的数据存满后，自动覆盖周期开始时的数据，即保留有一年的历史数据，便于对设备进行综合分析的需要。
理论上状态良好的SF6设备中气体的湿度不随环境温度变化而变化，但实际上，由于设备内金属材料及绝缘材料吸附和解析水分特性的存在，设备内实际湿度是随着环境温度的变化而变化的，环境温度升高时湿度增高，反之则降低，其作用还相当明显。经以离线式水分仪实测，某设备一天之内中午湿度测试值为190μL/L，环境温度为38℃用同一台仪器在晚上测试值120为μL/L，环境温度为31～38℃，如果设计存储的数据不是按每天一次的周期进行，则会出现数据无规律波动的情况，数据就没有利用价值。环境温度的变化小周期是一天，在每天的同一时间采集数据，环境条件的差别会降到最低，湿度及密度的历史数据就有较好的可比性，数据价值则相对较高。同样，泄漏率计算也以一天为周期进行计算，降低计算的误差。因此，本发明装置工作中以一天为周期进行取值存储、计算，可使环境条件对测试的影响降到最低程度，进而取得可比的、有利用价值的历史数据。
3.2.2存储的故障信息
存储的故障信息包括：压力突升故障信息(含有压力突升起始时间、压力突升峰值时间、压力突升起始压力、峰值压力、恢复时间)和泄漏率。总的数据存储量为365天的四个常规信息(温度、压力、密度、湿度)、一个泄漏率信息和少量的故障信息，一般应少于2000个数据，但反映的设备信息是较全面的。
4、通讯功能
随着技术的进步，要求符合现场总线协议的现场智能设备必须具有完善可靠的通讯接口。本发明装置预留了两个数据通讯接口，一个是RS232接口，一个是RS485接口，现场运行中面对特定的通讯方式，可配置相应的接口转换模块来满足要求。RS232接口主要用来与组态上位机通讯，以取得单元内存储的数据，进行参数设定等；RS485接口主要用来与主控室的上位机进行通讯，在正常运行中，上位机处于主工作模式，而本发明装置为从工作模式。为了提高通信可靠性，通信协议采用了《电力行业标准》中的传输规约。
5、本发明装置的主要技术指标
(1).工作电源：220VDC/AC允许波动范围：±15％；
(2).环境温度：-10～60℃；环境湿度：10～95％RH；大气压力：80～108kPa；
(3).气路接口：M20×1.5外螺纹长17cm；
(4).数据接口：RS232(预置RS485)；
(5).绝缘强度(外壳金属部分与电源线之间)：＞3000V，50Hz，绝缘电阻＞2mΩ；
(6).气压显示范围：0～1MPa，显示精度±1.5％FS；
(7).工作压力范围：0～1MPa；
(8).报警、闭锁压力设定范围：0～1MPa；
(9).开关量输出继电器：三个，接点容量：220VDC/AC，8A；
(10).温度测量精度：±0.5℃，范围：-10～+60℃；
(11).湿度测试显示：设备压力露点、体积比；
(12).湿度测试精度：±3℃，(按国标离线阻容式湿度测试仪要求)；
(13).掉电保护：3V锂电池保持。
Claims (1)
1.一种利用SF6压力波动判断SF6电气设备故障的方法，其特征是在SF6电气设备的每个密封SF6气室放置有至少一个压力传感器、至少一个温度传感器和至少一个湿度传感器，利用与上述各传感器输出线电连接的数字式信号处理装置将由各传感器获得的压力、温度和湿度波动信号进行放大、模数换算、数据运算和在线分析后送至变电站主控室，进而判断和定位出SF6设备气室内是否发生气体泄漏、过热和水分超标故障的情况以及发生故障的位置，其中
根据压力传感器采集到的压力信号，采用通过贝蒂-布雷至曼气体状态方程直接测试计算的SF6气体密度与数字式信号处理装置预设置的报警密度和闭锁密度值比较，当设备气体密度达到报警预设值时，数字式信号处理装置电路系统使报警继电器动作，在变电站主控室产生报警信号，提示设备气体泄漏；当气体压力进一步降低，达到闭锁预设值时，装置的电路系统使闭锁继电器动作，通过电气回路断开设备的动作电源，阻止设备在灭弧、绝缘能力下降时动作；当经紧急处理后气体密度回升到报警和闭锁预设值时，装置则断开报警或闭锁回路，恢复正常状态；
在装置中设计了压力高报警继电器，选用压力参数检测设备压力，一旦设备内部出现过热故障，导致压力升高到一定限度，装置即动作压力高报警继电器，在变电站主控室产生报警信号，提示可能的由设备内部过热故障引起的设备事故的发生；
利用压力波谱分析法判断并定位设备发生故障的情况和位置的方法，即在SF6设备每个气室都装有数字式信号处理装置单元，根据气室发生突发性放电故障时压力会在很短时间突升的原理，通过各SF6设备气室中数字式信号处理装置监测到的压力波谱曲线突变点出现及持续情况，判断并定位出设备发生故障的情况和位置；
用压力折算法计算设备的气体泄漏率，其计算公式为：
式中：
ρ0-初始气体密度；
ρt-为周期结束时气体密度；
Tr-为周期时间；
T0-为年时间，T0＝每年的总时间8760小时。
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