CN103645014B - 用于gis设备的sf6气体泄漏率检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于GIS设备的SF₆气体泄漏率检测方法，实施步骤如下：建立GIS受负载电流、热量变化相关环境参数的变化而产生热量的热网络模型；选定多个采样点，针对每个采样点检测负载电流及热量变化相关环境参数，将检测数据输入热网络模型得到采样点温度；根据各个采样点的温度计算SF₆气体的平均温度并输入气体压力模型换算得到换算气体压力值；通过压力传感器检测GIS设备的SF₆气体压力值得到的检测气体压力值，将换算气体压力值减去检测气体压力值后再除以换算气体压力值得到SF₆气体泄漏率。本发明能够提高电力系统的安全性，具有检测精度高、检测精度稳定、原理简单、智能化程度高、可靠性好、环保安全的优点。

Description

用于GIS设备的SF6气体泄漏率检测方法

技术领域

本发明涉及电力系统变电站的GIS设备领域，具体涉及一种用于GIS设备的SF₆气体泄漏率检测方法。

背景技术

随着电力工业的不断发展，GIS设备(即GasInsulatedSwitchgear设备，中文全称为气体绝缘金属封闭开关设备)已经广泛应用于高压输变电系统中。GIS设备在运行时，其中的SF₆气体不可避免地会向外泄漏，危害人体健康；同时GIS设备外部潮气也会渗进GIS设备内部，而导致GIS设备内SF₆气体密度下降，使GIS设备存在安全隐患。因此，国际标准规定GIS设备应配备气体泄漏率监控设备，将SF₆气体的年泄漏率维持在一定水平。在检测气体泄漏率的过程中，关键是要保证较高精度的监测，并且是适用于变电站的GIS设备的监测方法，但是现有技术的SF₆气体泄漏率检测方法忽视了GIS内部电流波动和外部环境变化的影响，其监测效果存在一些缺陷，检测精度难以保证。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够提高电力系统的安全性、检测精度高、检测精度稳定、原理简单、智能化程度高、可靠性好、环保安全的用于GIS设备的SF₆气体泄漏率检测方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种用于GIS设备的SF₆气体泄漏率检测方法，其实施步骤如下：

1)根据GIS设备运行时产生的热量受负载电流、热量变化相关环境参数的影响，建立GIS设备运行时的热网络模型，所述热网络模型中的负载电流、热量变化相关环境参数与SF₆气体的最终温度值之间包括以下两种映射关系：(1)在不同负载电流下，相同热量变化相关环境参数到SF₆气体的最终温度值之间的映射关系；(2)在相同负载电流下，不同热量变化相关环境参数到SF₆气体的最终温度值之间的映射关系；

2)在GIS设备的SF₆气体中选定多个采样点，针对每一个采样点分别采集GIS设备的负载电流、热量变化相关环境参数得到一组检测数据，将各个采样点的检测数据分别输入热网络模型得到各个采样点的温度；

3)根据各个采样点的温度计算得到GIS设备内SF₆气体的平均温度；

4)将所述SF₆气体的平均温度输入包含气体压力和温度换算关系的气体压力模型换算得到换算气体压力值；

5)通过传感器检测GIS设备内的SF₆气体压力值得到的检测气体压力值，将所述换算气体压力值减去检测气体压力值后再除以换算气体压力值得到GIS设备的SF₆气体泄漏率；

所述步骤1)的详细步骤如下：

1.1)将GIS设备在不同负载电流下运行时的发热表示为电阻发热，用电流源模拟；

1.2)将热量变化相关环境参数分为两部分：(1)GIS设备发热相关环境参数，包括日照发热、外壳发热，GIS设备发热相关环境参数均用电流源模拟；(2)GIS设备散热相关环境参数，包括传导散热、对流耗散、辐射散热，GIS设备散热相关环境参数由热阻模拟；

1.3)分别将热容量由电容模拟，通过将GIS设备在不同负载电流下运行时的电阻发热、日照发热、外壳发热三者的热源发热减去传导散热、对流耗散、辐射散热三者的热量损耗得到的热量分别与GIS设备SF₆气体的最终温度值建立映射关系，从而得到GIS设备运行时的热网络模型。

所述步骤3)中具体是根据式(4)计算得到GIS设备内SF₆气体的平均温度；

$\stackrel{\‾}{T}\≈\frac{1}{A}\∫{\∫}_{\∂V}\mathrm{\α}\left(\stackrel{\→}{r}\right)T\left(\stackrel{\→}{r}\right)\·dA---\left(4\right)$

式(4)中，表示GIS设备内SF₆气体的平均温度，A表示GIS设备的SF₆气体的总表面积，表示体积为V的气体表面或边界，表示采样点的权值，各个采样点的权值满足 表示在采样点的温度，dA表示面积元。

所述步骤3)中具体是根据式(5)计算得到GIS设备内SF₆气体的平均温度；

$\stackrel{\‾}{T}\≈\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i\·T_i---\left(5\right)$

式(5)中，表示GIS设备内SF₆气体的平均温度，N表示采样点数量，α_i表示第i个采样点的温度加权系数，所有采样点的温度加权系数总和为1；T_i表示第i个采样点的温度。

本发明用于GIS设备的SF₆气体泄漏率检测方法具有下述优点：

1、本发明根据GIS设备运行时产生的热量受负载电流、热量变化相关环境参数的的影响建立GIS设备运行时的热网络模型，在GIS设备的SF₆气体中选定多个采样点，针对每一个采样点分别采集GIS设备的负载电流、热量变化相关环境参数得到一组检测数据，将各个采样点的检测数据分别输入热网络模型得到各个采样点的温度，并根据各个采样点的温度计算SF₆气体泄漏率，由于综合考虑了GIS设备的负载电流、采样点热量变化相关环境参数，因此能够在负载电流波动和环境变化时，精确检测GIS设备中的SF₆气体泄漏率。

2、本发明基于热网络模型并考虑负载电流以及各种受热量变化相关环境参数，能够广泛应用于不同环境的变电所，具有鲁棒性好的优点。

3、本发明能够根据需要采用多种方式来计算得到SF₆气体的平均温度，再将SF₆气体的平均温度转换为压力值，计算压力精度高，与测取值比较求得的压力泄漏率准确。

附图说明

图1为本发明实施例的方法原理示意图。

图2为本发明实施例中得到的热网络模型结构示意图。

图3为本发明实施例得到的换算气体压力值与检测气体压力值的对比曲线示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例用于GIS设备的SF₆气体泄漏率检测方法的实施步骤如下：

1)根据GIS设备运行时产生的热量受负载电流、热量变化相关环境参数的影响，建立GIS设备运行时的热网络模型，所述热网络模型中的负载电流、热量变化相关环境参数与SF₆气体的最终温度值之间包括以下两种映射关系：(1)在不同负载电流下，相同热量变化相关环境参数到SF₆气体的最终温度值之间的映射关系；(2)在相同负载电流下，不同热量变化相关环境参数到SF₆气体的最终温度值之间的映射关系。

本实施例中，步骤1)的详细步骤如下：

1.1)将GIS设备在不同负载电流下运行时的发热表示为电阻发热，用电流源模拟；

1.2)将热量变化相关环境参数分为两部分：(1)GIS设备发热相关环境参数，包括日照发热、外壳发热，GIS设备发热相关环境参数均用电流源模拟；(2)GIS设备散热相关环境参数，包括传导散热、对流耗散、辐射散热，GIS设备散热相关环境参数由热阻模拟；

1.3)分别将热容量由电容模拟，通过将GIS设备在不同负载电流下运行时的电阻发热、日照发热、外壳发热三者的热源发热减去传导散热、对流耗散、辐射散热三者的热量损耗得到的热量分别与GIS设备SF₆气体的最终温度值建立映射关系，从而得到GIS设备运行时的热网络模型。

本实施例中得到的具体热网络模型如图2所示，该热网络模型建立在与电场类比的基础上，应用类似电路的方式建模，采用集总元件建立热网络模型，温度受电阻热效应、日照、对流耗散、辐射等因素的影响，具体为电阻发热、日照发热、外壳发热、传导散热、对流耗散、辐射散热。电阻发热Q_LC、日照发热Q_SOL、外壳发热Q_LE三种热源由电流源模拟，传导散热R_cond、对流耗散R_conv、辐射散热R_rad三者由热阻模拟，热容量C由电容模拟，三种热源减去因传导散热R_cond、对流耗散R_conv、辐射散热R_rad三者散发热量后剩余的热量产生温升影响SF6气体的最终气体温度值T，将前述剩余的热量分别与GIS设备检测得到的SF6气体的最终温度值建立映射关系即可得到热网络模型。通过该热网络模型即可建立电阻发热Q_LC、日照发热Q_SOL、外壳发热Q_LE、传导散热R_cond、对流耗散R_conv、辐射散热R_rad和SF₆气体的最终气体温度值T之间的映射关系，从而得到GIS设备运行时的热网络模型。需要说明的是，除了采用本实施例的方法以外，还可以根据需要采用欧姆定律、基尔霍夫电路定律和叠加定理等用于电网络分析的数值工具建立热网络模型。

2)在GIS设备的SF₆气体中选定多个采样点，针对每一个采样点分别采集GIS设备的负载电流、热量变化相关环境参数得到一组检测数据，将各个采样点的检测数据分别输入热网络模型得到各个采样点的温度。

3)根据各个采样点的温度计算得到GIS设备内SF₆气体的平均温度。

本实施例中，定义GIS设备外壳和导线上的温度分布如式(1)所示。

$T\left(\stackrel{\→}{r}\right){|}_{\stackrel{\→}{r}=\∂V}---\left(1\right)$

式(1)中，表示体积为V的气体表面(或边界)。

因此，SF₆气体的平均温度可定义如式(2)所示。

$\stackrel{\‾}{T}=\frac{1}{V}\∫\∫{\∫}_{V}T\left(\stackrel{\→}{r}\right)\·dV---\left(2\right)$

式(2)中，表示GIS设备内SF₆气体的平均温度，表示在采样点的温度，V表示GIS设备内SF₆气体的气体总体积。

将定义为GIS设备内SF₆气体的气体总体积V表面上采样点的权值，则所有采样点的权值满足如式(3)所示的函数关系。

$\∫{\∫}_{\∂V}\mathrm{\α}\left(\stackrel{\→}{r}\right)d\stackrel{\→}{r}\≡1---\left(3\right)$

式(3)中，表示GIS设备的SF₆气体表面上采样点的权值，表示体积为V的气体表面或边界。因此，GIS设备内SF₆气体的平均温度能够由表面的的已知温度分布来计算，其表达式具体如式(4)所示。

$\stackrel{\‾}{T}\≈\frac{1}{A}\∫{\∫}_{\∂V}\mathrm{\α}\left(\stackrel{\→}{r}\right)T\left(\stackrel{\→}{r}\right)\·dA---\left(4\right)$

式(4)中，表示GIS设备内SF₆气体的平均温度，A表示GIS设备的SF₆气体的总表面积，表示体积为V的气体表面或边界，表示采样点的权值，各个采样点的权值满足 表示在采样点的温度，dA表示面积元。

本实施例中，步骤3)中具体是根据式(4)计算得到GIS设备内SF₆气体的平均温度。此外，步骤3)中还可以根据式(5)计算得到GIS设备内SF₆气体的平均温度。

$\stackrel{\‾}{T}\≈\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i\·T_i---\left(5\right)$

式(5)中，表示GIS设备内SF₆气体的平均温度，N表示采样点数量，α_i表示第i个采样点的温度加权系数，所有采样点的温度加权系数总和为1；T_i表示第i个采样点的温度。通过式(5)的加权算术平均值也可近似求出SF₆气体的平均温度。其中，第i个采样点的温度加权系数α_i可以根据计算流体动力学(CFD)的算法确定。

4)将SF6气体的平均温度输入包含气体压力和温度换算关系的气体压力模型换算得到换算气体压力值。气体压力模型为包含气体压力和温度换算关系的已知表格数据，其包含映射关系式即气体压力(P)和SF₆气体的平均温度之间的换算映射关系，在此不再赘述。

5)通过压力传感器检测GIS设备内的SF₆气体压力值得到的检测气体压力值，将换算气体压力值减去检测气体压力值后再除以换算气体压力值得到GIS设备的SF₆气体泄漏率。本实施例中，SF₆气体泄漏率的计算具体可表达如式(6)所示。

ξ＝|P-P₀|/P(6)

式(6)中，ξ表示GIS设备的SF₆气体泄漏率，P表示换算气体压力值，P₀表示通过压力传感器检测GIS设备的SF₆气体压力值得到的检测气体压力值。

图3是采用本实施例对GIS母线进行气体泄漏监测的仿真结果，其中上侧的图表中，纵坐标表示压力，横坐标表示时间；下侧的图表中，纵坐标表示实时检测的负载电流大小，横坐标表示时间。本实施例得到一组换算气体压力值P的波形(图3上侧的图表中的“计算值”所指的实线波形)，将换算气体压力值P的波形(即图3上侧的图表中的“计算值”所指的实线波形)与通过压力传感器检测GIS设备的SF₆气体压力值得到的检测气体压力值P₀(即图3上侧的图表中的“实测值”所指的虚线波形)比较即可看出，本实施例具有良好的测试精度，能测取不同负载电流和动态环境下的气体泄漏情况。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于GIS设备的SF₆气体泄漏率检测方法，其特征在于实施步骤如下：

1)根据GIS设备运行时产生的热量受负载电流、热量变化相关环境参数的影响，建立GIS设备运行时的热网络模型，所述热网络模型中的负载电流、热量变化相关环境参数与SF₆气体的最终温度值之间包括以下两种映射关系：(1)在不同负载电流下，相同热量变化相关环境参数到SF₆气体的最终温度值之间的映射关系；(2)在相同负载电流下，不同热量变化相关环境参数到SF₆气体的最终温度值之间的映射关系；

2)在GIS设备的SF₆气体中选定多个采样点，针对每一个采样点分别采集GIS设备的负载电流、热量变化相关环境参数得到一组检测数据，将各个采样点的检测数据分别输入热网络模型得到各个采样点的温度；

3)根据各个采样点的温度计算得到GIS设备内SF₆气体的平均温度；

4)将所述SF6气体的平均温度输入包含气体压力和温度换算关系的气体压力模型换算得到换算气体压力值；

5)通过传感器检测GIS设备内的SF₆气体压力值得到的检测气体压力值，将所述换算气体压力值减去检测气体压力值后再除以换算气体压力值得到GIS设备的SF₆气体泄漏率；

所述步骤1)的详细步骤如下：

1.1)将GIS设备在不同负载电流下运行时的发热表示为电阻发热，用电流源模拟；

1.2)将热量变化相关环境参数分为两部分：(1)GIS设备发热相关环境参数，包括日照发热、外壳发热，GIS设备发热相关环境参数均用电流源模拟；(2)GIS设备散热相关环境参数，包括传导散热、对流耗散、辐射散热，GIS设备散热相关环境参数由热阻模拟；

1.3)分别将热容量由电容模拟，通过将GIS设备在不同负载电流下运行时的电阻发热、日照发热、外壳发热三者的热源发热减去传导散热、对流耗散、辐射散热三者的热量损耗得到的热量分别与GIS设备SF₆气体的最终温度值建立映射关系，从而得到GIS设备运行时的热网络模型。

2.根据权利要求1所述的用于GIS设备的SF₆气体泄漏率检测方法，其特征在于：所述步骤3)中具体是根据式(4)计算得到GIS设备内SF₆气体的平均温度；

$\stackrel{\‾}{T}\≈\frac{1}{A}\∫{\∫}_{\∂V}\mathrm{\α}\left(\stackrel{\→}{r}\right)T\left(\stackrel{\→}{r}\right)\·dA---\left(4\right)$

式(4)中，表示GIS设备内SF₆气体的平均温度，A表示GIS设备的SF₆气体的总表面积，表示体积为V的气体表面或边界，表示采样点的权值，各个采样点的权值满足 表示在采样点的温度，dA表示面积元。

3.根据权利要求1所述的用于GIS设备的SF₆气体泄漏率检测方法，其特征在于：所述步骤3)中具体是根据式(5)计算得到GIS设备内SF₆气体的平均温度；

$\stackrel{\‾}{T}\≈\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i\·T_i---\left(5\right)$

式(5)中，表示GIS设备内SF₆气体的平均温度，N表示采样点数量，α_i表示第i个采样点的温度加权系数，所有采样点的温度加权系数总和为1；T_i表示第i个采样点的温度。