CN106198655A - 一种电化学传感器检测sf6分解气体的矩阵计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电化学传感器检测SF₆分解气体的矩阵计算方法，所述方法通过在不同影响因素下采用电化学传感器检测SF₆分解气体，获取了不同气体种类电化学传感器的响应特性，进而建立了一种适用于电化学传感器检测SF₆分解气体的信号矩阵方法，最后通过采用多组分混合气体验证传感器信号矩阵方法的可靠性和准确度。所述方法的研究对象包括，气体通过传感器的流量，传感器的周边环境温度和环境湿度，所检测不同气体的种类和浓度。本发明所公开的方法，能够有效的减弱环境因素对于传感器检测结果的影响，并准确可靠的检测SF₆分解气体的组分和浓度，为研制SF₆分解物在线监测系统奠定了基础。

Description

一种电化学传感器检测SF6分解气体的矩阵计算方法

技术领域

本发明属于SF₆气体绝缘类电力设备现场运行中基于电化学传感器的SF₆分解气体检测技术领域，特别涉及一种电化学传感器检测SF₆分解气体的矩阵计算方法。

背景技术

电力系统为国民经济的持续发展提供强大的能源后盾，而电气设备作为电力系统的重要构成部分，其可靠性是电网安全稳定运行的保证。SF₆气体绝缘类电力设备具有体积小、结构紧凑、绝缘性能稳定、运行可靠等优点，被广泛应用于特高压和超高压电力系统中。运行经验表明，随着电力系统电压等级的不断提高以及特高压和超高压电力设备的普及应用，电力系统中发生的绝缘事故率呈现显著增加的趋势。因此对大型高压等级SF₆气体绝缘类电力设备进行有效的状态评估和故障诊断，预防在运设备可能发生的故障并快速修复故障，对保障电力系统的安全可靠运行有着重要的意义。

检测SF₆分解气体作为对SF₆气体绝缘类电力设备进行故障诊断的重要方法之一，相对于其它方法，其主要优点是抗干扰性好、灵敏度高且可完成定性定量分析，适合于现场使用；且随着电力设备内部缺陷的存在和发展，SF₆分解气体的量也将逐渐累积，该方法非常适合于长期监测。但对SF₆设备分解气体与绝缘缺陷状况之间的关系，还缺乏完善而有效的原理、方法及判断标准。

发明内容

基于此，本发明的目的在于提供了一种电化学传感器检测SF₆分解气体的矩阵计算方法；

所述方法包含以下步骤：

S100、选取SF₆分解气体的气体流量、环境温度、环境湿度、气体种类和气体浓度作为电化学传感器检测SF₆分解气体的基本对象；

S200、以不同气体流量、环境温度和环境湿度下的电化学传感器检测结果为基础，提取特征参量，并进行曲线拟合，得到电化学传感器的湿度校正曲线、温度补偿曲线和线性特性曲线，进而建立电化学传感器信号矩阵；

S300、采用多组具有不同的气体浓度和气体种类的混合气体对步骤S200中建立的电化学传感器信号矩阵进行验证。

本发明所公开的方法，可以有效的减弱环境因素对于传感器检测结果的影响，并准确可靠的检测SF₆分解气体的组分和浓度，为研制SF₆分解物在线监测系统奠定了基础。

附图说明

图1为本发明一个具体实施例中所构建的适用于电化学传感器检测SF₆分解气体的信号矩阵方法的流程图；

图2(a)为本发明一个具体实施例中CO电化学传感器的线性特性曲线；图2(b)为本发明一个具体实施例中SO₂电化学传感器的线性特性曲线；图2(c)为本发明一个具体实施例中H₂S电化学传感器的线性特性曲线；

图3(a)为本发明一个具体实施例中CO电化学传感器的温度特性曲线；图3(b)为本发明一个具体实施例中SO₂电化学传感器的温度特性曲线；图3(c)为本发明一个具体实施例中H₂S电化学传感器的温度特性曲线；图3(d)为本发明一个具体实施例中SO₂电化学传感器对H₂S气体做出响应曲线；

图4(a)为本发明一个具体实施例中CO电化学传感器的温度补偿曲线；图4(b)为本发明一个具体实施例中SO₂电化学传感器的温度补偿曲线；图4(c)为本发明一个具体实施例中H₂S电化学传感器的温度补偿曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明进行进一步的说明；

在一个实施例中，本发明公开了一种电化学传感器检测SF₆分解气体的矩阵计算方法；

所述方法包含以下步骤：

S100、选取SF₆分解气体的气体流量、环境温度、环境湿度、气体种类和气体浓度作为电化学传感器检测SF₆分解气体的基本对象；

S200、以不同气体流量、环境温度和环境湿度下的电化学传感器检测结果为基础，提取特征参量，并进行曲线拟合，得到电化学传感器的湿度校正曲线、温度补偿曲线和线性特性曲线，进而建立电化学传感器信号矩阵；

S300、采用多组具有不同的气体浓度和气体种类的混合气体对步骤S200中建立的电化学传感器信号矩阵进行验证。

本实施例公开了一种电化学传感器检测SF₆分解气体的矩阵计算方法，如图1所示：步骤如下：选取气体流量、环境温度和环境湿度、气体种类和气体浓度作为电化学传感器检测SF₆分解气体的基本对象；以不同影响因素下的传感器检测结果为基础，提取特征参量并进行曲线拟合，建立传感器信号矩阵方法；采用多组分混合气体对信号矩阵进行验证，对所述方法的可靠性和准确性进行评估。所述方法能够有效的减弱环境因素对于传感器检测结果的影响，准确可靠的检测SF₆分解气体的组分和浓度，为研制SF₆分解物在线监测系统奠定了基础。

在一个实施例中，步骤S100中所述气体流量是指SF₆分解气体通过电化学传感器的流量；

步骤S100中所述的环境温度和环境湿度是指：电化学传感器在检测过程中，所处检测环境中SF₆分解气体的温度和湿度。

在本实施例中，所述气体通过传感器的流量是指：SF₆分解气体是以流动的方式进行循环运动，在一定的气体流量下通过传感器并进行检测；将热电偶和湿度传感器置于检测气体中来检测分解气体的温度和湿度。

在一个实施例中，步骤S300中所述不同的气体浓度能够通过质量流量控制器控制气体体积得到；

所述的不同的气体种类包括背景气体SF₆、特征气体CO、SO₂和H₂S中的一种或多种。

在本实施例中，所述分解气体包括背景气体和特征气体，分别使用不同的电化学传感器来检测不同的分解气体的浓度。通过质量流量控制器来控制SF₆分解气体的浓度，从而获得不同浓度的实验所需的气体。所述背景气体可以包括特征气体中的一种或者多种，也可以包括背景气体与特征气体中的一种和多种。

在一个实施例中，步骤S100中选取的气体流量为0-2L/min，环境温度为0-60℃，环境湿度为0-95％RH。

在本实施例中，气体流量是根据传感器的工作参数来选取的，环境温度和湿度是结合电力设备的实际运行环境和传感器的工作条件来选取的。

在一个实施例中，利用玻璃转子流量计对所述气体流量进行控制，并利用电化学传感器对不同流量下的气体进行检测；

利用热电偶对所述环境温度进行监测，并利用绝缘加热板对SF₆分解气体进行加热来改变电化学传感器的周边环境温度；

利用湿度传感器对所述环境湿度进行监测，并利用加湿器改变电化学传感器的周边环境湿度。

在本实施例中，所述玻璃转子流量计也可以使用其他测量气体流量的仪器来替代，如气体质量控制器；所述分解气体可以放到真空干燥箱中进行恒温加热，并通过调节干燥箱上的温度值来改变分解气体周边的温度，进而进行气体温度的监测。

电化学传感器的输出信号和环境温度有着密切的关系，为研究环境温度对不同电化学传感器输出电流信号的影响关系，通过在检测罐体内配置不同组分和浓度的实验气体，并采用绝缘加热板来改变检测罐体内部的环境温度，分别在温度为10℃，20℃，30℃，40℃，50℃时进行测试，获取了不同电化学传感器的温度特性。

在一个实施例中，步骤S200中，所述特征参量包括较佳测试气体流量F₀、较佳测试环境湿度H₀和较佳测试环境温度T₀。

在本实施例中，参考了浙江大学论文‘定点位点解二氧化硫在线监测仪的研究’中第68-69页来研究较佳测试气体流量F₀；在一个标准大气压、环境温度20℃下进行实验，使用SF₆气体检测罐体配置不同组分和浓度的实验气体，获取了不同气体种类传感器的线性特性，从图2(a)-2(c)中可以看出，不同气体种类电化学传感器的输出电流信号和其对应的目标气体浓度呈现良好的线性关系，同时还发现SO₂传感器会对H₂S气体做出响应，两者之间也存在一定的线性关系，得出不同电化学传感器的输出电流信号和气体浓度之间的线性关系式为I＝aC+b，电化学传感器线性特性如表1所示。

表1电化学传感器的线性特性

在本实施例中，参考了浙江大学论文‘定点位点解二氧化硫在线监测仪的研究’中第69-70页来研究较佳测试环境温度，通过在检测罐体内配置不同组分和浓度的实验气体，并采用绝缘加热板来改变检测罐体内部的环境温度，分别在温度为10℃，20℃，30℃，40℃，50℃时进行测试，获取了不同电化学传感器的温度特性，如图3(a)-3(d)所示：图中横坐标表示传感器的周边环境温度(℃)，采用绝缘加热板对罐体内气体进行加热，并由热电偶进行实时测定，经过30分钟恒温后，认为传感器周边环境已经达到该温度；纵坐标表示传感器输出电流信号(mA)，由数显毫安电流表实时测定。

当气体浓度不变时，环境温度的改变会影响电化学传感器的输出电流信号，且不同气体种类传感器的温度特性存在一定差异。图3(a)显示出CO电化学传感器的输出电流信号随着环境温度的升高而减小；图3(b)和3(c)显示出SO₂和H₂S电化学传感器的输出电流信号随着环境温度的升高而增大；图3(d)显示出SO₂电化学传感器对H₂S气体做出响应，且其输出信号随着环境温度的升高而变大。

在本实施例中，参考了大连理工大学硕士论文‘流速和湿度对气体传感器及电子鼻的影响研究’中第34-45页对较佳测试环境湿度H₀进行研究。

在一个实施例中，步骤S200中所述的曲线拟合所使用的方法包括最小二乘法。

在本实施例中，还可以使用其他合适的方法进行曲线拟合，这里不作限定，利用最小二乘法进行曲线拟合后，会得到电化学传感器的湿度校正曲线、温度补偿曲线和线性特性曲线；

温度补偿曲线为：

Q_CO＝1.00101+0.0006123T-0.00002980T²

$Q_{{\mathrm{SO}}_2}=1.01002-0.0011700T+0.00004893T^2$

$Q_{H_{2}S}=0.99371-0.0006948T+0.00004211T^2;$

其中，Q_CO、代表当前温度下不同传感器输出信号与20℃下输出信号的比值；T表示环境温度值(℃)；从图4(a)-4(c)中可以看出，CO电化学传感器具有负的温度特性，SO₂和H₂S传感器具有正的温度特性。

线性特性曲线为：I＝aC+b，其中，I为传感器的输出电流，C为目标气体的气体浓度，a为传感器输出电流与目标气体浓度之间的比例系数，b为当目标气体浓度为0时传感器的输出电流。

在一个实施例中，所述较佳测试气体流量F₀为300mL/min-700mL/min，较佳测试环境湿度H₀为10％-30％RH，较佳测试量环境温度T₀为18℃-22℃。

在本实施例中，当环境温度在20℃左右时，传感器的输出信号是比较稳定的，可见20℃是传感器比较适宜的测试温度；当环境温度过高时，传感器的输出电流信号变化率明显增大，即环境温度越高对传感器的输出电流信号影响越大。

在一个实施例中，步骤S200中所述信号矩阵为：

Q_H ^-1Q_T ^-1I₁＝I＝AC+b

式中，Q_H是湿度校正曲线、Q_T是温度补偿曲线、I₁是CO，SO₂和H₂S电化学传感器的现场测量输出信号，I是归算到较佳测试条件下的CO，SO₂和H₂S电化学传感器输出信号，A是交叉干扰计算系数矩阵，C是真实的目标气体浓度；

对信号矩阵求逆，得到真实的目标气体浓度C：

C＝A^-1I＝A^-1(Q_H ^-1Q_T ^-1I₁-b)。

在一个实施例中，所述步骤S300具体为：将多组已知配置的气体种类和气体浓度的气体与测量后通过信号矩阵计算得到的气体种类和浓度进行误差分析，从而对信号矩阵进行验证。

在本实施例中，将已知配置的气体组分和浓度与测量后通过信号矩阵方法计算得到的气体组分和浓度进行误差分析，验证传感器信号矩阵方法的可靠性和准确度。

表2不同环境温度下SF₆分解气体测试数据

由表2可以看出，在不同温度下SF₆分解气体测量中，CO传感器的测量相对误差≤2.00％，SO₂和H₂S相对误差≤3.00％，可见运用传感器信号矩阵方法能够可靠且准确的获取SF₆分解气体的组分和浓度。

在一个实施例中，所述传感器的周边环境湿度和环境温度是指：电化学传感器在检测过程中，所处检测环境中分解气体的湿度和温度；所述不同气体的种类是指：选取SF₆分解气体中特征气体CO、SO₂和H₂S作为研究对象。

所述气体通流量能够使用玻璃转子流量计测定。

优选的，所述气体流量能够通过玻璃转子流量计控制分解气体的流量，在不同的气体流量下使用传感器进行检测。

所述环境温度能够使用热电偶进行实时监测。

优选的，所述环境温度能够使用绝缘加热板对分解气体进行加热，改变电化学传感器的周边环境温度。

所述环境湿度能够使用湿度传感器进行监测。

优选的，所述环境湿度能够使用加湿器改变电化学传感器的周边环境湿度。

所述气体种类以气体SF₆作为背景气体，特征气体CO、SO₂和H₂S作为研究对象，实现对单一组分和混合组分的气体进行检测

所述气体浓度运用质量流量控制器控制气体体积，配置不同气体浓度的实验所用检测气体。

所述选取特征参量主要包括较佳测试气体流量F₀、较佳测试环境湿度H₀和较佳测试环境温度T₀。

所述曲线拟合方法主要包括最小二乘法。

优选的，曲线拟合主要包括对传感器的湿度校正曲线Q_H＝f(H)、温度补偿曲线Q_T＝f(T)和线性特性曲线I＝f(C)进行拟合。

所述传感器信号矩阵方法是以较佳测试条件下的测量值为基准，能够实现将现场实际测量获取的目标气体组分和浓度归算到较佳测试条件下的目标气体组分和浓度。建立如下矩阵：

Q_H ^-1Q_T ^-1I₁＝I＝AC+b

式中，I₁是CO，SO₂和H₂S电化学传感器的现场测量输出信号，I是归算到较佳测试条件下的传感器输出信号，A是交叉干扰计算系数矩阵，C是真实的目标气体浓度。

进一步进行矩阵求逆，可得到真实的目标气体浓度C。

C＝A^-1I＝A^-1(Q_H ^-1Q_T ^-1I₁-b)

更为优选的，信号矩阵首先将传感器的现场测量输出信号归算到较佳测试条件下的传感器输出信号，接着通过交叉干扰计算得到较佳测试条件下的真实气体浓度。

所述多组分混合气体是指以背景气体为SF₆的CO、SO₂和H₂S混合气体。

优选的，控制气体流量在较佳测试流量F₀下，在多种浓度下运用电化学传感器对多组分混合气体进行测试，并采用传感器信号矩阵将测试结果归算到较佳测试条件下的气体组分和浓度。

以上实施例仅用以说明本发明专利而并非限制本发明专利所描述的技术方案；因此尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明专利已进行了详细的说明，但是本领域的技术人员应当理解，仍然可以对本发明专利进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明专利的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明专利的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种电化学传感器检测SF₆分解气体的矩阵计算方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：

S100、选取SF₆分解气体的气体流量、环境温度、环境湿度、气体种类和气体浓度作为电化学传感器检测SF₆分解气体的基本对象；

S200、以不同气体流量、环境温度和环境湿度下的电化学传感器检测结果为基础，提取特征参量，并进行曲线拟合，得到电化学传感器的湿度校正曲线、温度补偿曲线和线性特性曲线，进而建立电化学传感器信号矩阵；

S300、采用多组具有不同的气体浓度和气体种类的混合气体对步骤S200中建立的电化学传感器信号矩阵进行验证。

2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，优选的，步骤S100中所述气体流量是指SF₆分解气体通过电化学传感器的流量；

步骤S100中所述的环境温度和环境湿度是指：电化学传感器在检测过程中，所处检测环境中SF₆分解气体的温度和湿度。

3.根据权利要求2中所述的方法，其特征在于，步骤S300中所述不同的气体浓度能够通过质量流量控制器控制气体体积得到；

所述的不同的气体种类包括背景气体SF₆、特征气体CO、SO₂和H₂S中的一种或多种。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤S100中选取的气体流量为0-2L/min，环境温度为0-60℃，环境湿度为0-95％RH。

5.根据权利要求2中所述的方法，其特征在于，利用玻璃转子流量计对所述气体流量进行控制，并利用电化学传感器对不同流量下的气体进行检测；

利用热电偶对所述环境温度进行监测，并利用绝缘加热板对SF₆分解气体进行加热来改变电化学传感器的周边环境温度；

利用湿度传感器对所述环境湿度进行监测，并利用加湿器改变电化学传感器的周边环境湿度。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S200中，所述特征参量包括：较佳测试气体流量F₀、较佳测试环境湿度H₀和较佳测试环境温度T₀。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：较佳测试气体流量F₀包括300mL/min-700mL/min，较佳测试环境湿度H₀包括10％-30％RH，较佳测试量环境温度T₀包括18℃-22℃。

8.根据权利要求7中所述的方法，其特征在于，步骤S200中所述的曲线拟合所使用的方法包括最小二乘法。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤S200中所述的信号矩阵为：

Q_H ^-1Q_T ^-1I₁＝I＝AC+b

式中，Q_H是湿度校正曲线、Q_T是温度补偿曲线、I₁是CO、SO₂和H₂S电化学传感器的现场测量输出信号、I是归算到较佳测试条件下的CO、SO₂和H₂S电化学传感器输出信号、A是交叉干扰计算系数矩阵、C是真实的目标气体浓度、b为无检测目标气体时传感器的输出电流信号；

对交叉干扰计算系数矩阵求逆，得到真实的目标气体浓度C：

C＝A^-1I＝A^-1(Q_H ^-1Q_T ^-1I₁ ^-b)。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤S300具体为：将多组已知配置的气体种类和气体浓度的气体与测量后通过信号矩阵计算得到的气体种类和气体浓度进行误差分析，从而对信号矩阵进行验证。