CN105911106B - Gis设备的绝缘气体状态检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种GIS设备的绝缘气体状态检测系统，从GIS设备处抽取出六氟化硫混合气体并送入样气室；由气体特征检测的传感器对样气室内的六氟化硫混合气体进行检测，得到与气体特征参数值相对应的阻值信号；通过桥式补偿电路排除传感器本身零点漂移和现场干扰信号影响后，输出与阻值信号相对应的电压信号；信号分析处理模块，其连接所述桥式补偿电路以获取所述电压信号来进行模数转换、信号放大处理，还连接所述温度传感器及压力变送器以获取样气室的温度值和压力值，实现对传感器测得的气体特性参数值的温度和/或压力补偿。本发明兼具六氟化硫气体分解物含量、纯度及湿度等测量功能，有效提高GIS设备故障诊断时气体检测的准确性和抗干扰能力。

Description

GIS设备的绝缘气体状态检测系统

技术领域

本发明涉及GIS设备的绝缘气体状态检测系统。

背景技术

气体绝缘金属封闭电器(GIS)是电力系统的一种主要电气设备，其带电导体和绝缘件全部被封闭在金属壳内，不受外界环境的影响，适合用于环境条件恶劣和污染严重的地区。GIS设备的应用，使紧凑型、高电压、大容量新式变电站的发展得以实现，成为城网变电站改造的重要途径，对提高电力生产的安全经济运行起到了很好的作用。

但是，GIS设备的一个最大的缺陷是造价昂贵，而且安装和检修时必须要有一个比较清洁的环境。由于在设计、材质、工艺和维护等方面存在些差异性，使GIS设备内部存在局部的绝缘气体状态，而现有普通的电气试验方法不能直接反映其内部的缺陷。因此，将这些隐患藏之于电网，在热和电的作用下，故障区域的六氟化硫气体和固体绝缘材料不断分解，绝缘性能不断下降，直至事故发生。例如，六氟化硫气体中含有较多的水分或六氟化硫气体纯度不高或六氟化硫气体在电弧作用下产生有毒分解物或GIS内夹杂有直径大于30微米的微粒，都会对绝缘强度造成比较大的影响。此外，GIS一旦发生故障，造成的后果也远比常规的变电站严重，而且检修和恢复供电的时间也要长得多。据国内外近年的统计资料得知，电网运行事故中绝缘事故占60％以上，严重地影响了电力行业的安全经济运行。

现有的六氟化硫气体检测方法所使用的气体特征传感器，由于采用手动调节电位器或数字电位器方法实现传感器的手动调零，面临着检测灵敏度低、误差大、温度漂移大、环境温度补偿困难且存在交叉敏感现象等诸多缺陷，无法实现六氟化硫气体特性的精确检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种GIS设备的绝缘气体状态检测系统，来提高气体检测的准确性和抗干扰能力。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种GIS设备的绝缘气体状态检测系统，其包含：

样气室，其与GIS设备连接并在两者之间形成气体输送通道，从GIS设备处抽取出六氟化硫混合气体并送入样气室；

若干个气体特征检测的传感器，分别对样气室内的六氟化硫混合气体进行检测，得到与气体特征参数值相对应的阻值信号；

桥式补偿电路，其与所述传感器连接，排除传感器本身零点漂移和现场干扰信号影响后，输出与阻值信号相对应的电压信号；

温度传感器及压力变送器，分别对样气室内的温度值和压力值进行检测；

信号分析处理模块，其连接所述桥式补偿电路以获取所述电压信号来进行模数转换、信号放大处理，还连接所述温度传感器及压力变送器以获取样气室的温度值和压力值，实现对传感器测得的气体特性参数值的温度和/或压力补偿。

优选地，气体特征检测的传感器，是检测六氟化硫气体的微水含量、或六氟化硫气体的纯度、或六氟化硫气体的分解产物含量的传感器。

优选地，检测六氟化硫气体的微水含量的传感器是氧化铝湿度计、或炭和陶瓷湿度传感器，或高分子薄膜电容式湿度传感器；所述高分子薄膜的感湿材料是聚苯乙烯或醋酸纤维；

检测六氟化硫气体微水含量的传感器设置在样气室内的一个湿度保护气室中，所述湿度保护气室及其输送六氟化硫气体进行微水检测的气路均采用不锈钢材质制成。

优选地，所述样气室内检测六氟化硫气体纯度的传感器，是基于气体热导分析法的一个热导传感器；

所述绝缘气体状态检测系统还设置有一个参比气室，在其中密封有高纯度的六氟化硫气体并使用另一个热导传感器进行纯度检测，该另一个热导传感器的检测结果作为参比数据，输入到信号分析处理模块中计算参比气室内温差偏移引发的零点偏移，对样气室内热导传感器进行线性拟合。

优选地，检测六氟化硫气体分解物含量的传感器是一种电化学传感器；所述六氟化硫气体分解物包含SO₂+SOF₂，或H₂S，或CO；

所述样气室内设置有一个分解物检测气室，该分解物检测气室由四氟材质制成，输送六氟化硫气体进行分解物含量检测的气路由聚四氟乙稀材质制成。

优选地，所述信号分析处理模块根据下列的压力及温度补偿公式，对气体特征检测的传感器中任意一个被选定传感器的检测结果进行温度和压力修正：

其中，通过温度传感器检测得到样气室内的温度值T，T_s为温度传感器量程，根据T＝t×T_s得到系数t；

通过压力变送器检测得到样气室内的压力值P，P_s为压力变送器量程，根据P＝p×P_s得到系数p；

T_b为参考温度；P_b为参考压力；

根据F_i＝f_i×F_s得到系数f_i，F_s为被选定传感器的量程，F_i为被选定传感器测得的当前环境条件下的气体特性参数值；系数t，p，f_i的取值以百分比来表示。

优选地，以下列的温度补偿公式来替换权利要求6中的压力及温度补偿公式，通过所述信号分析处理模块对被选定传感器的检测结果只进行温度修正：

温度补偿公式：

其中，

优选地，以下列的压力补偿公式来替换权利要求6中的压力及温度补偿公式，通过所述信号分析处理模块对被选定传感器的检测结果只进行压力修正：

压力补偿公式：

其中，

优选地，气体特征检测的传感器中的任意一个，称为传感器a；

传感器a接入到桥式补偿电路的第一桥臂，第二桥臂设置有一个补偿传感器b在电路上与传感器a串联，构成一个分压分支；第三桥臂和第四桥臂的等效电阻串联，构成另一个分压分支；

第三桥臂的等效电阻等于传感器a的电阻值，第四桥臂的等效电阻等于补偿传感器b的电阻值；根据惠斯通电桥原理计算得到传感器a的敏感膜的电阻值，由该桥式补偿电路输出与阻值信号对应的电压信号；

其中，所述传感器a是一种气敏传感器；所述补偿传感器b是与传感器a同一类的另一个气敏传感器，能够受到与传感器a相同的干扰，但同时该补偿传感器b的敏感膜被气体隔绝，使该补偿传感器b受干扰影响导致其敏感膜的电阻值的变化值为零。

优选地，所述桥式补偿电路的至少一个桥臂上，设置有一个粗调数字电位器和一个细调数字电位器，其各自具有N个档位，并且在初始状态时各自位于N/2的档位位置；所述细调数字电位器的满量程输出，大于等于粗调数字电位器的一档输出；

桥式补偿电路的输入电压为零时，通过控制装置连接并调节所述粗调数字电位器的档位直至桥式补偿电路的输出电压最接近于阈值；再通过控制装置连接并调节所述细调数字电位器的档位直至桥式补偿电路的输出电压小于等于阈值。

本发明所述GIS设备的绝缘气体状态检测系统，其优点在于：

本发明的系统作为一台高精度智能化的检测仪器，兼具六氟化硫气体分解物含量、纯度及湿度等测量功能，配置性能优异的传感器，能够快速准确地判断出六氟化硫断路器、互感器、GIS和变压器等电气设备内部的早期故障。

本发明的系统将原来要用多台仪器才能实现的功能，集中于一台仪器。一次可完成多项功能检测，大大节省设备中的气体，有效保护环境，减少污染，同时减少用户的工作量，提高了工作效率。它不但技术先进，而且节约环保，能高效、优质地服务于电力行业。

本发明通过桥式平衡电路及其优化补偿算法、内置温度及压力自动补偿数学模型的信号分析处理模块，实现绝缘气体特征传感器零点的自动校准和非线性补偿，消除了气体特征传感器及其相关设备存在检测灵敏度低、误差大、温度偏移大、环境温度补偿困难等问题，克服容易产生交叉敏感、缺乏有效的传感器调零手段等诸多缺陷，提高了GIS设备故障诊断时气体检测的准确性和抗干扰能力。

附图说明

图1是GIS设备的六氟化硫气体特性检测系统的示意图；

图2是传感器桥式补偿电路的示意图。

具体实施方式

图1示出了本发明所述GIS设备的绝缘气体状态检测系统的示意图，从GIS设备抽取六氟化硫混合气体(即被测气体)送入样气室，由样气室中的传感器检测相应的气体特征后转变为对应的阻值信号变化输出；通过运用桥式补偿电路，对传感器进行补偿，以排除传感器本身零点漂移和现场干扰信号的影响，将阻值信号转变为对应的电压信号；通过信号分析处理模块中的AD转换器、信号放大模块、高性能处理器等，对传感器获得的数据进行模数转换、信号放大和计算处理，从而检测得到六氟化硫气体各种特性参数值，予以显示或记录。其中，通过样气室中的不同传感器，分别检测六氟化硫气体的微水含量、纯度、分解产物含量，为判断GIS设备潜在的绝缘故障缺陷提供依据。

六氟化硫气体微水含量检测的传感器，是利用吸湿物质的电学参数随湿度变化的原理借以进行湿度测量，包括氧化铝湿度计、炭和陶瓷湿度传感器，以及利用高聚物膜和各种无机化合物晶体等制作的电阻式湿度传感器等。

本发明中以高分子薄膜电容式湿度传感器进行微水测量。所述的高分子薄膜电容式湿度传感器，可以实现0-100％RH全程监测气体相对湿度。基本原理如下：湿敏电容具有两个导电极板，其中一个是光刻在金属化(金属钽或金)玻璃衬底上，上面覆盖了一层复合有机聚合物(高分子)薄膜。第二个极板是可以透过湿气的金属(裂化铬或金)。高分子薄膜的感湿材料选用聚苯乙烯或醋酸纤维等高分子聚合物，这些材料能随周围环境的相对湿度(RH)的大小成比例的吸附和释放水分子，并且这类高分子材料大多具有较小介电常数的电介质(2～7)，而水分子偶极矩的存在大大提高了聚合物的介电常数(可达80以上)。因此这类特性的高分子电介质做成电容后，其电容容量变化反映的湿度变化物理量为相对湿度(RH)。通常其容值的变化与相对湿度呈线形关系。

具体可以选择采用阻容法测湿原理的露点测量传感器，如维萨拉公司的DMT143传感器，自带温度校准及增益回馈功能，使测量更精确。另外，依据实际使用情况，六氟化硫气体微水含量检测的传感器可以设置在一个增设的湿度保护气室中，该湿度保护气室及其输送气体进行微水检测的气路均采用不锈钢材质制成。

六氟化硫气体纯度检测采用基于气体热导分析法的传感器，该分析法根据各种气体的导热率不同，从而通过测定混合气体的导热率来间接确定被测组分含量。本发明利用热导分析法测量气体纯度，并采用基于桥路补偿法的绝缘气体特征传感器校准调零和温度补偿技术(下文详述)，来实现六氟化硫气体纯度的准确检测。

还可以通过设置一个参比气室，在其中密封一只充满高纯六氟化硫气体的热导传感器作为参比数据，替代了纯度测量前需要用高纯六氟化硫做温差校准的步骤，在仪表预热结束后，程序自动计算参比气室内温差偏移引发的零点偏移，通过数据库拟合测量气室内热导传感器的线性，最终的显示值实际是测量值拟合参比值得出的数据，更符合实际结果。采用参比气室设计，区别于主流的恒温气室和普通热导气室，能够克服纯度测量易受环境温度影响的缺点。

六氟化硫气体分解物检测的传感器是一种电化学传感器，通过一个带压的充有六氟化硫气体设备的气室中，让六氟化硫气体以一定的流速流过电化学传感器，从而直接测量得到六氟化硫气体各主要分解产物(如SO₂+SOF₂、H₂S、CO等)的含量。本发明中采用基于桥路补偿法的绝缘气体特征传感器校准调零和温度补偿技术(下文详述)，可有效解决六氟化硫气体分解物测量的温度补偿问题。

整个分解产物测量的气路采用聚四氟乙稀材质，气室采用四氟材质，可以有效抑制微量分解产物的吸附。气路设计采用电磁阀及接触器实现手动程控，解决了抗交叉干扰、快速清洗、高量程预估、电化学传感器失氧抑制等问题，确保测量的快速性、安全性及稳定性。

本发明所述检测系统的一个示例中，六氟化硫纯度的测量范围：0～100％；精度：≤±0.6％。六氟化硫湿度的测量范围：-80℃--+20℃；精度：±0.4℃。分解产物含量检测中，SO₂+SOF₂的量程：0～50μL/L；精度：当测量值≤10μL/L时，误差≤±0.5μL/L；当测量值＞10μL/L时，误差≤±5％。H₂S的量程：0～50μL/L；精度：当测量值≤10μL/L时，误差≤±0.5μL/L；当测量值＞10μL/L时，误差≤±5％。CO的量程：0～500μL/L；精度：当测量值≤50μL/L时，误差≤±2μL/L；当测量值＞50μL/L时，误差≤±4％。

外界因素(如温度或压力等)的变化，对上述气体特征检测的传感器所设置的气体敏感膜会产生较大的干扰反应，影响其电阻值。使用所述的桥式补偿电路，能够一定程度上减少干扰信号对传感器的影响。

如图2所示是本发明中传感器桥式补偿电路的示意图。三种气体特征检测传感器中的任意一个，称之为传感器a，接入到所述桥式补偿电路的第一桥臂等待补偿。传感器a的敏感膜的电阻值为Rx，传感器a正常工作时被测气体浓度导致敏感膜的电阻值的变化值为-ΔRxg，传感器a受干扰影响导致电阻值的变化值为-ΔRb。

第二桥臂设置有一个补偿传感器b在电路上与传感器a串联，构成一个分压分支。所述补偿传感器b可以是与传感器a同一类的另一个气敏传感器，会受到与传感器a相同的干扰，但同时该补偿传感器b的敏感膜被气体隔绝，使该补偿传感器b受干扰影响导致其敏感膜的电阻值Rc的变化值-ΔRb’为零。

第三桥臂和第四桥臂的等效电阻串联，构成另一个分压分支；第三桥臂的等效电阻等于传感器a的电阻值，第四桥臂的等效电阻等于补偿传感器b的电阻值。在第一桥臂与第二桥臂之间的第一节点，和第三桥臂与第四桥臂之间的第三节点之间，施加输入电压；在第一桥臂与第四桥臂之间的第四节点，和第二桥臂与第三桥臂之间的第二节点之间，采集输出电压，从而根据惠斯通电桥原理能够计算得到传感器a的敏感膜的电阻值，并利用该桥式补偿电路输出与阻值信号对应的电压信号。

此外，本发明的桥式补偿电路中，至少在其中任意一个桥臂设置有两个数字电位器，分别进行粗调和细调；每个数字电位器分为N个调节档位，这样就有N*N种组合方式，可以扩大调节范围。其中，细调的满量程输出大于等于粗调的一档输出，这样可以保证调节精度。初始条件下，应使粗调、细调的档位各自位于中间位置，即N/2的位置处，这样可以快速的找到最终的调零位置。

对于图2的桥式补偿电路，预先给定输入电压为零时输出电压的一个阈值，当实际测量的输出电压小于等于这个阈值时，即认为已经调零平衡；否则，改变粗调和/或细调数字电位器的阻值后，重新测量输出电压并与阈值比较；重复该过程，直到归零。优选地，可以先调节粗调数字电位器的档位至实际测量的输出电压最接近阈值后，记下粗调的位置；再调节细调数字电位器的档位，直至调零平衡。上述方法不需要设计复杂的调零电路，就可以实现桥路平衡调节。使用单片机或其他控制装置连接数字电位器进行调零，在其中实现诸如阈值设定、档位自动调节、阈值与测量值比较等功能模块，降低了硬件设计的成本和难度。

将所述桥式补偿电路输出的电压信号，输入到与之连接的信号分析处理模块进行模数转换、信号放大，所述信号分析处理模块还与温度传感器及压力变送器连接以接收其各自的检测结果，实现对传感器a测得的气体特性参数值的温度和/或压力补偿。

如果对传感器a的检测结果进行温度和压力修正，使用下列的压力及温度补偿公式：

其中，通过温度传感器检测得到样气室内的温度值T，T_s为温度传感器量程，根据T＝t×T_s得到系数t；

通过压力变送器检测得到样气室内的压力值P，P_s为压力变送器量程，根据P＝p×P_s得到系数p；

T_b为参考温度；P_b为参考压力；

根据F_i＝f_i×F_s得到系数f_i，F_s为气体特征检测的传感器a的量程，F_i为传感器a测得的当前环境条件下的气体特性参数值；系数t，p，f_i的取值以百分比来表示。

如果只对传感器a的检测结果进行温度修正，使用下列的温度补偿公式：

其中，其他参数的含义与上列公式中同名参数的含义相同。

如果只对传感器a的检测结果进行压力修正，采用下列的压力补偿公式：

其中，其他参数的含义与上列公式中同名参数的含义相同。

对于样气室中，分别检测六氟化硫气体的微水含量、纯度、分解产物含量的三种传感器，可以根据实际需要对其中任意一种传感器进行温度补偿、或压力补偿、或压力及温度补偿、或不做补偿。而在上述的一个具体示例中，对于六氟化硫气体微水含量的传感器不做补偿；六氟化硫气体纯度检测的传感器，和检测六氟化硫气体分解产物含量的传感器，分别进行温度补偿。

综上所述，本发明所述GIS设备的绝缘气体状态检测系统，基于桥路补偿法的新型绝缘气体特征传感器校准调零和温度补偿技术，实现对GIS内部绝缘气体特性更为准确的诊断评估。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种GIS设备的绝缘气体状态检测系统，其特征在于，包含：

样气室，其与GIS设备连接并在两者之间形成气体输送通道，从GIS设备处抽取出六氟化硫混合气体并送入样气室；

若干个气体特征检测的传感器，分别对样气室内的六氟化硫混合气体进行检测，得到与气体特征参数值相对应的阻值信号；

桥式补偿电路，其与所述传感器连接，排除传感器本身零点漂移和现场干扰信号影响后，输出与阻值信号相对应的电压信号；

温度传感器及压力变送器，分别对样气室内的温度值和压力值进行检测；

信号分析处理模块，其连接所述桥式补偿电路以获取所述电压信号来进行模数转换、信号放大处理，还连接所述温度传感器及压力变送器以获取样气室的温度值和压力值，实现对传感器测得的气体特性参数值的温度和/或压力补偿；

所述信号分析处理模块根据下列的压力及温度补偿公式，对气体特征检测的传感器中任意一个被选定传感器的检测结果进行温度和压力修正：

其中，通过温度传感器检测得到样气室内的温度值T，T_s为温度传感器量程，根据T＝t×T_s得到系数t；

通过压力变送器检测得到样气室内的压力值P，P_s为压力变送器量程，根据P＝p×P_s得到系数p；

T_b为参考温度；P_b为参考压力；

根据F_i＝f_i×F_s得到系数f_i，F_s为被选定传感器的量程，F_i为被选定传感器测得的当前环境条件下的气体特性参数值；系数t，p，f_i的取值以百分比来表示。

2.如权利要求1所述GIS设备的绝缘气体状态检测系统，其特征在于，

气体特征检测的传感器，是检测六氟化硫气体的微水含量、或六氟化硫气体的纯度、或六氟化硫气体的分解产物含量的传感器。

3.如权利要求2所述GIS设备的绝缘气体状态检测系统，其特征在于，

检测六氟化硫气体的微水含量的传感器是氧化铝湿度计，或高分子薄膜电容式湿度传感器；所述高分子薄膜的感湿材料是聚苯乙烯或醋酸纤维；

检测六氟化硫气体微水含量的传感器设置在样气室内的一个湿度保护气室中，所述湿度保护气室及其输送六氟化硫气体进行微水检测的气路均采用不锈钢材质制成。

4.如权利要求2所述GIS设备的绝缘气体状态检测系统，其特征在于，

所述样气室内检测六氟化硫气体纯度的传感器，是基于气体热导分析法的一个热导传感器；

所述绝缘气体状态检测系统还设置有一个参比气室，在其中密封有高纯度的六氟化硫气体并使用另一个热导传感器进行纯度检测，该另一个热导传感器的检测结果作为参比数据，输入到信号分析处理模块中计算参比气室内温差偏移引发的零点偏移，对样气室内热导传感器进行线性拟合。

5.如权利要求2所述GIS设备的绝缘气体状态检测系统，其特征在于，

检测六氟化硫气体分解物含量的传感器是一种电化学传感器；所述六氟化硫气体分解物包含SO₂+SOF₂，或H₂S，或CO；

所述样气室内设置有一个分解物检测气室，该分解物检测气室由四氟材质制成，输送六氟化硫气体进行分解物含量检测的气路由聚四氟乙稀材质制成。

6.如权利要求1所述GIS设备的绝缘气体状态检测系统，其特征在于，

以下列的温度补偿公式来替换权利要求1中的压力及温度补偿公式，通过所述信号分析处理模块对被选定传感器的检测结果只进行温度修正：

温度补偿公式：

其中，

7.如权利要求1所述GIS设备的绝缘气体状态检测系统，其特征在于，

以下列的压力补偿公式来替换权利要求1中的压力及温度补偿公式，通过所述信号分析处理模块对被选定传感器的检测结果只进行压力修正：

压力补偿公式：

其中，

8.如权利要求1～7中任意一项所述GIS设备的绝缘气体状态检测系统，其特征在于，

气体特征检测的传感器中的任意一个，称为传感器a；

传感器a接入到桥式补偿电路的第一桥臂，第二桥臂设置有一个补偿传感器b在电路上与传感器a串联，构成一个分压分支；第三桥臂和第四桥臂的等效电阻串联，构成另一个分压分支；

第三桥臂的等效电阻等于传感器a的电阻值，第四桥臂的等效电阻等于补偿传感器b的电阻值；根据惠斯通电桥原理计算得到传感器a的敏感膜的电阻值，由该桥式补偿电路输出与阻值信号对应的电压信号；

其中，所述传感器a是一种气敏传感器；所述补偿传感器b是与传感器a同一类的另一个气敏传感器，能够受到与传感器a相同的干扰，但同时该补偿传感器b的敏感膜被气体隔绝，使该补偿传感器b受干扰影响导致其敏感膜的电阻值的变化值为零。

9.如权利要求8所述GIS设备的绝缘气体状态检测系统，其特征在于，

所述桥式补偿电路的至少一个桥臂上，设置有一个粗调数字电位器和一个细调数字电位器，其各自具有N个档位，并且在初始状态时各自位于N/2的档位位置；所述细调数字电位器的满量程输出，大于等于粗调数字电位器的一档输出；

桥式补偿电路的输入电压为零时，通过控制装置连接并调节所述粗调数字电位器的档位直至桥式补偿电路的输出电压最接近于阈值；再通过控制装置连接并调节所述细调数字电位器的档位直至桥式补偿电路的输出电压小于等于阈值。