CN109459512A - 一种缩短sf6分解产物检测采样周期的系统及快速检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缩短SF₆分解产物检测采样周期的系统包括分流装置和N台氦离子气相色谱检测装置；所述分流装置设置有N路分流气路，每一分流气路对应连接有一氦离子气相色谱检测装置，分流装置的进气口和瓷柱式断路器内的SF₆气体取气口相连通，以将SF₆气体取气口出来的SF₆气体通过N路分流气路对应地分流到N台氦离子气相色谱检测装置中，以实现对SF₆气体进行交替取样；其中，N为正整数且大于等于2。本发明通过简单的分流操作，设置氦离子气相色谱检测交替取样时间，通过装置之间的连接配合，不需改变氦离子气相色谱检测装置内部结构，即可达到缩短采样周期的效果，每种组分的采样点增加N倍的目的，丰富组分动态演化趋势等数据。

Description

一种缩短SF6分解产物检测采样周期的系统及快速检测方法

技术领域

本发明涉及SF₆气体组分分解产物检测技术领域，具体涉及一种缩短SF₆分解产物检测采样周期的系统及快速检测方法。

背景技术

SF₆电气设备，如SF₆开关设备，其在关合和开断大电流或发生放电时产生的高温电弧使SF₆气体发生分解反应，生成SF₄、SF₃、SF₂、和S₂F₁₀等多种低氟硫化物(SFx)。现场运行经验和大量研究已表明，通过检测SF₆气体分解产物成分、含量及生产速率等信息，可及时、有效地发现设备内的潜伏性故障，进行设备故障定位，且不同绝缘缺陷引起的局部放电会产生不同的分解化合气体，相应的分解化合气体成份、含量以及产生速率等也有差异。这样使得通过分析分解产物的组分来判断故障类型成为可能，并可以通过检测设备中SF₆气体分解气体组分及化合产物，来判断绝缘缺陷类型、性质、程度及发展趋势。通过组分分解产物来进行故障诊断依赖于组分检测装置能检测的组分种类和组分分析采样的速度。一方面，组分检测种类少会导致产生了故障特征气体装置却无法检测的问题；另一方面，一些故障特征组分属于中间产物，如SOF₂、SF₄，会很快与其他物质反应生成稳定产物，如果组分分析采样速度慢(采样周期长)会导致检测不到故障特征气体而对设备故障状态进行误判的问题。综上，对SF₆电气设备多气体组分快速采样检测分析是目前基于组分分析设备状态亟待解决的问题。

氦离子气相色谱检测仪可以分离多达10余种SF₆分解物组分，根据不同物质在气相色谱两相(固定相和流动相)中的分配系数不同，将混合物质在两相中反复分配从而进行物质分离，然后再经氦离子检测器对这些物质进行记录分析。但实际组分检测收到装置原理结构的限制，存在检测多种组分耗时长、采样周期长等问题。目前常用氦离子气相色谱检测装置检测SF₆电气设备的测试连接图如图1所示，瓷柱式断路器内充SF₆气体，氦离子气相色谱检测装置连接断路器的取气口取气，样气进入气相色谱检测装置，经过装置内的色谱柱和氦离子检测器对组分进行分离和定量检测，在此过程中每一种组分的分离和检测平均需要大约耗时1～2分钟，对于一次进样10多种组分的检测整个采样分析流程至少耗时20分钟。现有的测试方法耗时长，每种组分至少每20分钟一个采样点，采样点少，难以对组分趋势进行密集跟踪，不能精确把握组分生成速率和规律。20分钟的检测时间受制于色谱柱固有的气体吸附分离时间和整个气路设计，通过优化气相色谱检测装置的内部原理结构难以达到缩短检测采样周期实现多组分快速检测分析的目的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种缩短SF₆多气体组分检测采样周期的系统及快速检测方法，在不需改变氦离子气相色谱检测装置内部结构的情况下，实现快速组分检测分析的目的。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种缩短SF₆分解产物检测采样周期的系统包括分流装置和N台氦离子气相色谱检测装置；

所述分流装置设置有N路分流气路，每一分流气路对应连接有一氦离子气相色谱检测装置，分流装置的进气口和瓷柱式断路器内的SF₆气体取气口相连通，以将SF₆气体取气口出来的SF₆气体通过N路分流气路对应地分流到N台氦离子气相色谱检测装置中，以实现对SF₆气体进行交替取样；其中，N为正整数且大于等于2。

在每一分流气路中均设置分流阀，分流阀由电子流量控制器来控制其导通的时间和进气流量大小。

所述的缩短SF₆分解产物检测采样周期的系统还包括终端，所述终端分别和N台氦离子气相色谱检测装置相信号连接，用以收集N台氦离子气相色谱检测装置数据，以分析出SF₆气体的多种组分含量。

所述终端还分别和每一分流气路中的电子流量控制器相信号连接，用以控制每一分流气路中的分流阀导通的时间和进气流量大小，以实现N台离子气相色谱检测装置对SF₆气体进行交替取样。

所述终端均通过无线通讯的方式和N台氦离子气相色谱检测装置以及N个电子流量控制器相信号连接。

所述终端为电脑或者是平板电脑或者是手机。

一种SF₆分解产物快速检测方法，该方法采用上述的的缩短SF₆多种分解产物检测采样周期的系统进行，包括如下步骤：

通过终端来设置分流装置的N个分流阀的导通时间，使得第N个分流阀的导通时间tN和第N台氦离子气相色谱检测装置的进样时间tNj一致，tN(j+1)-tNj＝T；其中，t(i+1,j)-tij＝T/N，T为进样分析检测固有周期；i:表示第i台氦离子气相色谱检测装置，i＝1，2，....，N；j:表示第j次取样分析，代表取样分析的次数。

启动N台氦离子气相色谱检测装置的同时开启分流装置的控制，N台氦离子气相色谱装检测置通过分流装置实现交替进气，直至进样结束，完成整个测试；

通过终端来收集N台氦离子气相色谱检测装置数据，以分析出SF₆气体的分解产物组分含量。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明通过简单的分流操作，设置氦离子气相色谱检测交替取样时间，通过装置之间的连接配合，不需改变氦离子气相色谱检测装置内部结构，即可达到缩短采样周期的效果，每种分解产物组分的采样点增加N倍的目的，丰富组分动态演化趋势等数据。

附图说明

图1为现有技术的SF₆气体分解产物测试连接图；

图2为本发明实例提供的SF₆分解产物快速检测系统的连接示意图；

图3为分流装置的结构示意图；

图4为测试流程图；

图5a为采用现有技术对SF₆分解产物进行检测的检测结果图；

图5b为采用本发明的提高SF₆分解产物检测采样周期的系统及快速检测方法对SF₆气体组分进行检测的检测结果图；

图中：1、分流装置；2、氦离子气相色谱检测装置；3、终端；11、分流气路；12、电子流量控制器；13、无线通讯模块；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

本实施例提供的一种缩短SF₆分解产物检测采样周期的系统包括分流装置1和N台氦离子气相色谱检测装置2。

而该分流装置1则设置有N路分流气路11(图2中示例为2路)，每一分流气路11对应连接有一氦离子气相色谱检测装置2，分流装置的进气口和瓷柱式断路器内的SF₆气体取气口相连通，以将SF₆气体取气口出来的SF₆气体通过N路分流气路11对应地分流到N台氦离子气相色谱检测装置2中，以实现对SF₆气体进行交替取样，也就是说，通过分流装置1可以调整N台氦离子气相色谱检测装置2在同一台被试品上交替取样，从而可以在不需改变氦离子气相色谱检测装置内部结构的情况下，可以缩短组分检测采样周期。其中，N为正整数且大于等于2，正常情况下N的取值范围为2-5。

具体地，如图3所示，该分流装置1(此处只分了两路气路)由分流气路11(总分架构)、分流阀及其电子流量控制器12、无线通讯模块13组成，电子流量控制器12可以控制分流阀的导通时间和进气流量大小，无线通讯模块13与电子流量控制器12连接，可以实现分流阀导通关断时间和进气流量大小的无线远程控制。本实施例以分流两个气路为例进行说明，N个气路原理相同，分流装置1由一个SF₆进气口(进气流量Q0(mL))，两个分流气路11(出口流量分别为Q1(mL)、Q2(mL)，两个分流气路11进样时刻分别为t1、t2)，n个气路的分流装置有n个分流气路(出口流量分别为Q1(mL)、Q2(mL)、...、Qn(mL)，进样时刻分别为t1、t2、.....tn)。分流气路的气流分别进入氦离子气相色谱检测装置1、2...N，以实现氦离子气相色谱检测装置1、2、...、N之间对瓷柱式断路器内的SF₆气体进行交替取样。

优选地，该系统还包括终端3，该终端3还分别和分流装置1、N台氦离子气相色谱检测装置2进行无线通信控制信号连接，以用于分别控制分流装置1、N台氦离子气相色谱检测装置2工作流程顺序。

相应地，本实施例还提供了一种SF₆分解产物快速检测方法，该方法采用上述述的SF₆气体分解产物组分快速检测系统进行。

首先对该方法涉及到的变量进行定义：

进样分析检测固有周期T/min：单台氦离子气相色谱检测装置从一次进样到定性定量检测出多种分解产物组分的时间间隔，如背景中提及的整个采样分析流程至少耗时T＝20分钟；

进气流量Q₀/mL：分流装置的每次进气流量的大小；

进气时刻tij(i＝1、2、...、N；j＝1、2、..)：分流气路i的分流阀第j次进样导通时刻＝第i台氦离子气相色谱检测装置的第j次进样时刻，tij由终端设备设置并无线控制；i:表示第i路分流气路或第i台氦离子气相色谱检测装置，i＝1，2，....，N；j:表示第j次取样分析，代表取样分析的次数。

出口流量Qi(i＝1、2、...、N)/mL：分流装置分流阀i的出口流量即氦离子气相色谱检测装置一次进样的耗气量，分流阀i出口流量由终端设备无线控制，Q₀＝Q1＝...＝Qi＝....＝QN；

最大进样次数W：本发明涉及的方法有N台氦离子气相色谱检测装置，N台耗气量是单台装置的N倍，需要考虑耗气量对SF₆电气设备本身的影响，耗气量过多可能造成SF₆电气设备内的气压下降导致绝缘裕度降低影响设备安全稳定运行。本发明以SF₆设备试品气压降低0.01MPa所需的进样次数为最大进样次数，这样单台氦离子气相色谱检测装置的最大进样次数为W/N，可通过下式估算：

理想气体状态方程，也称理想气体定律，描述理想气体状态变化规律的方程。质量为m，摩尔质量为M的理想气体，其状态参量压强p、体积V和绝对温度T之间的函数关系为：pV＝mRT/M＝nRT。

p为气体压强，单位Pa。V为气体体积，单位m3。n为气体的物质的量，单位为mol。T为体系温度，单位K。R是气体常量(比例常数)单位是J/(mol·K)，8.314。

先做如下假设：

(1)假设电气设备中SF₆气体的体积为V/L；

(2)假设初始压力P₁/MPa；取样后压力为P₂/MPa

(3)假设室温25℃(换算成开氏温度T’＝298K)

(4)单台氦离子气相色谱检测装置每次进气的耗气量为Qi/mL。

下面计算下降0.01MPa，电气设备SF6气体减少的物质的量Δn1

P1V＝n1RT’

P2V＝n2RT’

Δn1＝(P1-P2)V/(RT’)

下面计算放出的SF6的物质的量n2

正常1个大气压1.013*105Pa，

1.013*105Pa*Qi*10-3m3＝n2*8.314*T’K，求出n2值

最后，计算次数Δn1/n2(单台氦离子气相色谱检测装置最大进样次数),那么N台设备最大进样次数为W＝Δn1/n2

快速检测存在以下关系式：

t(i+1,j)-tij＝T/N，

即第i+1台氦离子气相色谱检测装置第j次进样时刻比第i台氦离子气相色谱检测装置第j次进样时刻晚T/N分钟。采用该检测方法和检测系统，进样分析的采样周期由单台氦离子气相色谱检测装置进样分析检测固有周期T减少到T/N，相当于提高了N倍的采样频率，实现了多种分解产物快速检测。

参阅图2所示，假设此处N＝2，T＝20min，需要设置整个测试第一次进样起始时间为t11,如14:00开始进样，第二次进样的时间t12＝14:20，其中分流装置和氦离子气相色谱检测装置1的进样时间一致；氦离子气相色谱检测装置2的进样起始时间为t21＝14:10(t₂₁-t₁₁＝20/2＝10min)。在连续的进样过程中，装置2的进样时间总是滞后于装置1的进样时间10min，由于两台装置检测周期一致，在不断进样过程中，t11、t21、t12、t22、t13、t23、t14、t24、。。。时间点均会有采样数据，以此类推，直至试验完成。

具体地，在本实施例中，分解产物快速检测方法包括如下步骤：

(1)确定快速分解产物组分分析的进样分析周期，即确定数量2，快速进样的周期为20/2＝10min；

(2)设最大进样次数W＝8，(j＝4)；

(3)根据图2搭建检测系统，包含有2个分流通道的分流阀、2个氦离子气相色谱检测装置、1个终端控制设备。

(4)通过终端控制设备设置分流装置的2个分流阀的导通时间，如第一个分流阀的导通时间t1和第一氦离子气相色谱检测装置的进样时间t1j一致，t1(j+1)-t1j＝20；第二个分流阀的导通时间t2和第二氦离子气相色谱检测装置的进样时间t2j一致，t2(j+1)-t2j＝20；其中，t(i+1,j)-tij＝10，(i＝1,2)；

(5)启动2台氦离子气相色谱检测装置同时开启分流装置的控制，2台氦离子气相色谱检测装置通过分流装置实现交替进气，对于每种组分来说每10min就会出现一个采样点；

(6)当j＝4时，进样结束，整个测试完成。

(7)通过终端来收集2台氦离子气相色谱检测装置数据，以分析出SF₆气体的分解产物组分含量。

如图4所示为每台装置4轮进样的测试流程图

如图5所示，(a)、(b)图为采用该方案前后的效果对比图，仅有一台氦离子气相色谱检测装置时仅能看出组分含量不断递增，当采用本发明的检测系统后，可以清晰的看出t₂₄时刻组分已呈下降趋势，有利于判断组分演变趋势。

由此可见，通过采用本发明的检测系统，与现有技术相比，具有如下的技术优势：

(1)通过装置之间的连接配合，不需改变氦离子气相色谱检测装置内部结构，即可达到缩短采样周期、加快检测速度的效果。

(2)数据采样周期缩短N倍。

(3)有利于判断分解产物组分演变趋势。

(4)通过增加采样点的方式有利于捕捉到不稳定特征产物的演变过程，有助于对SF₆电气设备的故障诊断和状态评估。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种缩短SF₆分解产物检测采样周期的系统，其特征在于，包括分流装置和N台氦离子气相色谱检测装置；

所述分流装置设置有N路分流气路，每一分流气路对应连接有一氦离子气相色谱检测装置，分流装置的进气口和瓷柱式断路器内的SF₆气体取气口相连通，以将SF₆气体取气口出来的SF₆气体通过N路分流气路对应地分流到N台氦离子气相色谱检测装置中，以实现对SF₆气体进行交替取样；其中，N为正整数且大于等于2。

2.如权利要求1所述的缩短SF₆分解产物检测采样周期的系统，其特征在于，在每一分流气路中均设置分流阀，分流阀由电子流量控制器来控制其导通的时间和进气流量大小。

3.如权利要求2所述的缩短SF₆分解产物检测采样周期的系统，其特征在于，还包括终端，所述终端分别和N台氦离子气相色谱检测装置信号连接，用以收集N台氦离子气相色谱检测装置数据，以分析出SF₆气体的多分解产物组分含量。

4.如权利要求3所述的缩短SF₆分解产物检测采样周期的系统，其特征在于，所述终端还分别和每一分流气路中的电子流量控制器相信号连接，用以控制每一分流气路中的分流阀导通的时间和进气流量大小，以实现N台离子气相色谱检测装置对SF₆气体进行交替取样。

5.如权利要求4所述的缩短SF₆分解产物检测采样周期的系统，其特征在于，所述终端均通过无线通讯的方式和N台氦离子气相色谱检测装置以及N个电子流量控制器信号连接。

6.如权利要求5所述的缩短SF₆分解产物检测采样周期的系统，其特征在于，所述终端为电脑或者是平板电脑或者是手机。

7.一种SF₆分解产物快速检测方法，所述方法采用权利要求5所述的的缩短SF₆分解产物检测采样周期的系统进行，其特征在于，包括如下步骤：

通过终端来设置分流装置的N个分流阀的导通时间，使得第N个分流阀的导通时间tN和第N台氦离子气相色谱检测装置的进样时间tNj一致，tN(j+1)-tNj＝T；其中，t(i+1,j)-tij＝T/N，T为进样分析检测固有周期；i:表示第i台氦离子气相色谱检测装置，i＝1，2，....，N；j:表示第j次取样分析，代表取样分析的次数。

启动N台氦离子气相色谱检测装置的同时开启分流装置的控制，N台氦离子气相色谱装检测置通过分流装置实现交替进气，直至进样结束，完成整个测试；

通过终端来收集N台氦离子气相色谱检测装置数据，以分析出SF₆气体的多组分含量演化趋势。