CN115791928A - 一种用于gis中sf6气体分解产物在线检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于GIS中SF6气体分解产物在线检测系统，包括：检测气室、导通控制阀组、导气管组、数据处理模块、充气气泵及气体循环泵。还提供一种用于GIS中SF6气体分解产物在线检测方法，通过对反应生成的SF6气体分解产物进行定性定量分析，可以推断出GIS潜在的绝缘隐患或者故障，对保障设备和电网的稳定运行具有重要意义。有效解决SF6气体分解产物在线检测的问题，并消除了由于多次采样对气室中气体环境的影响；通过气体循环方式加快了分解产物的扩散速度，便于传感器捕捉分解产物，从而提高检测的灵敏度，且本发明检测方式简单可靠，速度快，具有较高的时效性。
Description
技术领域
本发明属于电气设备故障识别技术领域，尤其涉及一种用于GIS中SF6气 体分解产物在线检测系统及方法。
背景技术
气体绝缘金属封闭开关设备(GIS，GAS insulated SWITCHGEAR)具有结 构紧凑、电气性能稳定、灭弧能力强以及运行安全可靠等优点，现已被广泛应 用于超特高压电力系统中。
当GIS内部发生局部放电、电弧放电或者局部过热现象时，SF6会发生分解 生成低氟化物，进一步与设备内的微水、O2等杂质发生反应，最终会生成SOF2、 SO2F2、SO2、HF、H2S等特征气体分解产物，其中SOF2、SO2F2和水会继续发 生反应，生成SO2、HF和HS。综上所述，无论发生哪种放电现象，最终都会生 成HF、H2S和SO2，但是HF和H2S会被GIS内的材料迅速吸收，即难于用于 监测中，所以选择SO2作为特征分解产物，可以有效判别GIS中是否发生绝缘 类故障。
目前，针对SF6分解气体检测的方式多种多样，常用的SF6气体分解产物检 测技术主要包括气相色谱法、质谱法、红外光谱法、电化学传感器法、气体检 测管法、离子迁移谱法、碳纳米管传感器等。其中电化学传感器法是利用被检 测目标气体在传感器内部发生氧化还原反应，进而产生电流信号，以此实现SF6分解产物的检测，其具有响应速度快、灵敏度高等优势，但是其传感器寿命短， 需要及时更换。除此之外，目前常用的SF6气体分解产物检测方式难以实现在线 监测，且目前的常规检测方式均需要多次采样检测，不仅存在操作复杂、易出 错以及效率低下等缺点，而且会对气室中气体环境产生影响，进而影响检测的准确度。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于GIS中SF6气体分解产物在线 检测系统及方法。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给 出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元 素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念， 以此作为后面的详细说明的序言。
本发明采用如下技术方案：
在一些可选的实施例中，提供一种用于GIS中SF6气体分解产物在线检测 系统，包括：设置在GIS外壁上的特高频局部放电传感器，还包括：检测气室， 该检测气室通过导气管组与GIS气室连通且内部设置电化学式传感器；导通控 制阀组，设置于所述导气管组上以打开/关闭所述导气管组；充气气泵，与所述 检测气室连接，为所述检测气室充气；数据处理模块，用于获取所述电化学式 传感器以及所述特高频局部放电传感器的数据，并依据所获取的数据判别局部 放电类型以及局部放电强度。
进一步的，所述导气管组包括：输出管以及回输管；GIS的隔断中开设出气 口及进气口，所述输出管一端与所述出气口连通，另一端与所述检测气室的输 入侧导气口连通，所述回输管一端与所述进气口连通，另一端与所述检测气室 的输出侧导气口连通。
进一步的，所述导通控制阀组包括：第一电磁阀以及第二电磁阀，所述第 一电磁阀设置在所述输出管上，所述第二电磁阀设置在所述回输管上。
进一步的，所述的一种用于GIS中SF6气体分解产物在线检测系统，还包 括：气体循环泵，所述气体循环泵设置于所述回输管上。
进一步的，所述的一种用于GIS中SF6气体分解产物在线检测系统，还包 括：气压表，所述气压表设置在所述检测气室上。
进一步的，所述的一种用于GIS中SF6气体分解产物在线检测系统，还包 括：第三电磁阀，所述第三电磁阀设置于所述充气气泵与所述检测气室连接的 管路上。
进一步的，所述数据处理模块包括：图谱绘制单元，用于依据所获取的所 述特高频局部放电传感器的数据绘制PRPD图谱；判断单元，用于依据所获取 的所述特高频局部放电传感器的数据判断是否发生局部放电；第一识别判别单 元，用于根据所绘制的PRPD图谱判别局部放电类型；第二识别判别单元，用 于根据所获取的所述电化学式传感器的数据判别局部放电强度。
在一些可选的实施例中，本发明还一种用于GIS中SF6气体分解产物在线 检测方法，包括：向检测气室内充气直至所述检测气室的气压与GIS气室的运 行气压相同；启动导通控制阀组使得所述检测气室与所述GIS气室连通；采集 传感器组的数据，并依据采集的数据判别局部放电类型以及局部放电强度，其 中，所述传感器组包括：设置于所述检测气室内部的电化学式传感器以及设置 在GIS外壁上的特高频局部放电传感器。
进一步的，所述依据采集的数据判别局部放电类型以及局部放电强度的过 程包括：当所述特高频局部放电传感器检测到异常信号时，依据采集的所述特 高频局部放电传感器的数据绘制PRPD图谱；判断是否发生局部放电，若判断 结果为发生局部放电，则根据所绘制的PRPD图谱判别局部放电类型，同时根 据采集的所述电化学式传感器的数据判别局部放电强度。
进一步的，所述的一种用于GIS中SF6气体分解产物在线检测方法，还包 括：利用局部放电信号发生器在GIS内产生不同强度的局放信号，且在不同强 度的局放信号下每隔5h采集一次SOF2和SO2组合浓度的数值，共采集四次以 获取四个实验数据点；利用最小二乘算法，获得不同强度的局放信号下，SOF2和SO2组合浓度随时间变化的斜率k，即得到SOF2和SO2组合浓度n与放电时 间t的定量关系，即n＝kt。
本发明所带来的有益效果：
1.本发明通过对反应生成的SF6气体分解产物进行定性定量分析，可以推断 出GIS潜在的绝缘隐患或者故障，对保障设备和电网的稳定运行具有重要意义；
2.本发明可以有效解决SF6气体分解产物在线检测的问题，并消除了由于多 次采样对气室中气体环境的影响，从而提高检测的准确度，同时还可保障采样 过程中GIS运行的稳定性；
3.实现SF6气体分解产物在线监测的同时通过气体循环方式加快了分解产物 的扩散速度，便于传感器捕捉分解产物，从而提高检测的灵敏度，且本发明检 测方式简单可靠，速度快，具有较高的时效性。
附图说明
图1是本发明一种用于GIS中SF6气体分解产物在线检测系统的示意图；
图2是本发明一种用于GIS中SF6气体分解产物在线检测方法的流程图；
图3是不同局部放电强度下SOF2和SO2组合浓度变化曲线图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地展示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术 人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的 以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件 和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以 被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。
本发明所提到的SOF2和SO2组合浓度是指SOF2浓度与SO2浓度的加和。 因为一般的分解产物传感器只能检测S元素的含量，SOF2和SO2两种分解产物 中均包含S元素，所以最后的检测结果组合浓度就是指上述两种分解产物浓度 的和。
如图3所示，为不同强度的局部信号下，SF6气体分解产物的浓度变化图， 由图3可知，当局部放电的强度不同时，SOF2和SO2组合浓度的变化率是不同 的，局部放电强度越大，变化率越快。因此，可以通过监测SOF2和SO2组合浓 度的变化率，实现局部放电强度的检测。
在一些说明性的实施例中，如图1所示，本发明提供一种用于GIS中SF6气体分解产物在线检测系统，包括：检测气室1、导气管组、导通控制阀组、充 气气泵、数据处理模块2、气体循环泵3、气压表4、特高频局部放电传感器15。
特高频局部放电传感器15设置在GIS外壁上。GIS的隔断中开设出气口5 及进气口6，检测气室1通过导气管组与GIS气室7连通，具体的，检测气室1 是通过导气管组接在GIS的出气口5与进气口6上。检测气室1内部设置电化 学式传感器8，电化学式传感器8是以离子导电为基础制成，当被测气体进入传 感器，在其内部发生电化学反应，从而把被测气侧含量转化为电流或电压信号 输出。
导气管组包括：输出管9以及回输管10。输出管9一端与出气口5连通， 另一端与检测气室1的输入侧导气口101连通，回输管10一端与进气口6连通， 另一端与检测气室1的输出侧导气口102连通。使得本发明的在线检测系统形 成一个闭环循环，不仅便于检测，且通过气体循环方式加快了分解产物的扩散 速度，便于电化学式传感器8捕捉分解产物，从而提高检测的灵敏度。
导通控制阀组，设置于导气管组上，用于打开/关闭导气管组。具体的，导 通控制阀组包括：第一电磁阀11以及第二电磁阀12，第一电磁阀11设置在输 出管9上，第二电磁阀12设置在回输管10上，从而实现对导气管组通断的控 制，以便于本发明在实时监测工作状态与停机更换维修状态之间进行切换，且 不会影响GIS的工作，操作方式简单可靠。
气体循环泵3设置于回输管10上，当气体循环泵3运转时，可以带动气体 流通，使得GIS气室7的气体进入检测气室1，再输送回GIS气室7内，形成 循环，气体循环泵3可以加快气体循环，进而提高检测的灵敏度。优选的，气 压表4设置在检测气室1上，可以实时检测检测气室1的实际压力，保证检测 气室1的气压与GIS气室7的运行气压相同，使得本发明接入时不影响原设备 的运行。
充气气泵13的出气口与检测气室1连接，充气气泵13的作用是为检测气 室1充气，在接入本发明之前，需要进行充气操作，以保证气压与GIS的运行 气压相同，降低对GIS的影响。
本发明还包括：第三电磁阀14，第三电磁阀14设置于充气气泵13与检测 气室1连接的管路上，充气完成开始检测时可以利用第三电磁阀14关闭充气管 路，避免出现漏气现象。
因本发明在运行时需要和GIS气室7处于同一气压，所以要求上述本发明 的所有器件均可以耐受GIS的工作气压。此外，本发明的结构设计使得检测气 室1具有拆卸方便的特点，以方便内部传感器的维护，且本发明对检测气室的 外形设计不做规定。
正常运行过程中，GIS的出气口5和进气口6在第一电磁阀11与第二电磁 阀12的作用下处于关闭状态，引入本发明在线监测系统的流程为：首先按照图1所示，将各装置通过导气管组连接，并将电化学式传感器8的信号线与数据处 理模块2连接；然后，打开第三电磁阀14，对外接装置进行充气操作，保证气 压与GIS的运行气压相同，之后依次开启第一电磁阀11与第二电磁阀12；开启 气体循环泵3，使GIS中和外接设备中的气体实现流通，完成在线检测系统的接 入。
当电化学式传感器8需要更换或其它原因导致在线检测系统需要退出的时 候，操作流程如下：首先关闭气体循环泵3；再依次关闭第一电磁阀11与第二 电磁阀12；开启第三电磁阀14，采用SF6回收装置回收外接设备中的SF6气体； 完成检测系统的退出；最后打开检测气室1，更换电化学式传感器8。
本发明的数据处理模块2用于获取电化学式传感器8以及特高频局部放电 传感器15的数据，并依据所获取的数据判别局部放电类型以及局部放电强度。
具体的，数据处理模块2包括：图谱绘制单元、判断单元、第一识别判别 单元以及第二识别判别单元。
图谱绘制单元，用于依据所获取的特高频局部放电传感器15的数据绘制 PRPD图谱，绘制PRPD图谱的方式采用现有绘制方式即可。
判断单元，用于依据所获取的特高频局部放电传感器15的数据判断是否发 生局部放电。判断是否发生局部放电的方式是通过实时监测特高频局部放电传 感器15的信号，没有放电时，特高频局部放电传感器15的信号的幅值基本为0， 除了少量的噪声信号，当有局部放电发生时，特高频局部放电传感器15将出现 较大的信号，因此可以通过设置阈值的方式，当特高频局部放电传感器15的信 号幅值大于阈值时，即认为有局部放电发生，否则没有，具体阈值的设定要结 合现场，本专利中不做要求。
第一识别判别单元，用于根据所绘制的PRPD图谱判别局部放电类型，根 据PRPD图谱判别局部放电类型采用先用判别方式即可。
第二识别判别单元，用于根据所获取的电化学式传感器8输出的数据判别 局部放电强度。
如图3所示，当采样间隔时间超过5h时，不同局部放电强度下的气体分解 产物浓度信息出现明显的不同，因此本发明中采样间隔时间定为5h，通过20h 内的SOF2和SO2组合浓度的变化，反映局部放电的强弱。
实际应用中，5h内SOF2和SO2组合浓度的变化与放电强度的定量对应关系 需要通过试验获得，获得方法为：
首先利用局部放电信号发生器在GIS内产生不同强度的局放信号，且在不 同强度的局放信号下每隔5h采集一次SOF2和SO2组合浓度的数值，20h内共采 集四次以获取四个实验数据点；
然后，利用最小二乘算法，获得不同强度的局放信号下，SOF2和SO2组合 浓度随时间变化的斜率k，即得到SOF2和SO2组合浓度n与放电时间t的定量 关系，即n＝kt。
获得实验数据点数为四个，理论上四个点应该在一条直线上，直线的斜率 记为k，单位为ppm/h；SOF2和SO2组合浓度记为n，单位为ppm；时间记为t， 单位为小时h，则n＝kt，所以得到k即可以得到SOF2和SO2组合浓度和放电时 间的对应关系。
因此，当电化学式传感器8检测到SOF2和SO2组合浓度的具体数值时，即 可计算得到斜率k，依据斜率k的具体数值找到其所对应的局部放电强度即可完 成对局部放电强度的判别。
如图2所示，本发明还提供一种用于GIS中SF6气体分解产物在线检测方 法，包括如下步骤：
101：特高频局部放电传感器检测到异常信号。
异常信号是指特高频局部放电传感器的信号幅值发生变化，当信号幅值达 到预设阈值时，即可判定其检测到异常信号；
102：数据处理模块依据采集的特高频局部放电传感器的数据绘制PRPD图 谱，绘制PRPD图谱采用现有方式即可。
103：判断是否发生局部放电，若判断结果为未发生局部放电，则返回步骤 101，若判断结果为发生局部放电，则进行步骤104与步骤105。
判断是否发生局部放电的方式是通过实时监测特高频局部放电传感器的信 号，没有放电时，特高频局部放电传感器的信号的幅值基本为0，除了少量的噪 声信号，当有局部放电发生时，特高频局部放电传感器将出现较大的信号，因 此可以通过设置阈值的方式，当特高频局部放电传感器的信号幅值大于阈值时， 即认为有局部放电发生，否则没有，具体阈值的设定要结合现场，本专利中不 做要求。
104：根据所绘制的PRPD图谱判别局部放电类型。根据PRPD图谱判别局 部放电类型采用先用判别方式即可。
105：经过两次SF6气体分解产物采样，根据采集的电化学式传感器的数据 判别局部放电强度。
106：得到GIS绝缘性能评估结果。评估过程包括两部分：首先，对SF6分 解产物进行分析，实现局部放电强度的判断；然后，采集特高频PRPD图谱， 完成放电类型的判断。评估结果也包括两部分：第一，给出局部放电类型，包 括金属异物放电、悬浮放电、绝缘子缺陷放电等等；第二，给出局部放电的强 度，通过本专利中上述的内容，可以通过分析SF6分解产物，得到局部放电的强 度。
107：判断是否需要停止系统进行检修，若需要则结束流程，若不需要则返 回步骤101。其中，比如运行时间到达设定阈值或者检测到传感器信号异常均可 判定需要停止系统。
在在线监测系统运行之前，即进行上述步骤之前，本发明还包括：向检测 气室内充气直至检测气室的气压与GIS气室的运行气压相同；启动导通控制阀 组使得检测气室与GIS气室连通。
本发明还包括：实时采集传感器组的数据，并依据采集的数据判别局部放 电类型以及局部放电强度，判别的过程为步骤101-步骤105。其中，传感器组包 括：设置于检测气室内部的电化学式传感器以及设置在GIS外壁上的特高频局 部放电传感器。
如图3所示，当采样间隔时间超过5h时，不同局部放电强度下的气体分解 产物浓度信息出现明显的不同，因此本发明中采样间隔时间定为5h，通过20h 内的SOF2和SO2组合浓度的变化，反映局部放电的强弱。
实际应用中，5h内SOF2和SO2组合浓度的变化与放电强度的定量对应关系 需要通过试验获得，获得方法为：
首先利用局部放电信号发生器在GIS内产生不同强度的局放信号，且在不 同强度的局放信号下每隔5h采集一次SOF2和SO2组合浓度的数值，20h内共采 集四次以获取四个实验数据点；
然后，利用最小二乘算法，获得不同强度的局放信号下，SOF2和SO2组合 浓度随时间变化的斜率k，即得到SOF2和SO2组合浓度n与放电时间t的定量 关系，即n＝kt。
获得实验数据点数为四个，理论上四个点应该在一条直线上，直线的斜率 记为k，单位为ppm/h；SOF2和SO2组合浓度记为n，单位为ppm；时间记为t， 单位为小时h，则n＝kt，所以得到k即可以得到SOF2和SO2组合浓度和放电时 间的对应关系。
因此，当电化学式传感器8检测到SOF2和SO2组合浓度的具体数值时，即 可计算得到斜率k，依据斜率k的具体数值找到其所对应的局部放电强度即可完 成对局部放电强度的判别。
综上，本发明提出了一种应用于GIS中局部放电在线监测的方法，该方法 中包括采用特高频PRPD图谱实现局放类型的检测，通过SF6气体分解产物信息， 获得局部放电的强度，进而实现对GIS绝缘性能的全面监测。当特高频局部放 电传感器检测到异常信号时，首先进行图谱的绘制，当判定为发生局部放电时， 可立即依据图谱进行局部放电类型的判定，使得判定流程执行速度更高，提升 系统运行的安全度。而且本发明是首先通过特高频信号判断是否有局部放电发 生，然后开启SF6采样通道，对分解产物进行分析，局部放电类型以及局部放电 强度同时判别，不仅效率更高，而且使得GIS绝缘性能评估结果更加全面和准 确。
本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑 框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为 了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模 块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件 还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟 练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是， 这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于GIS中SF6气体分解产物在线检测系统，包括：设置在GIS外壁上的特高频局部放电传感器，其特征在于，还包括：
检测气室，该检测气室通过导气管组与GIS气室连通且内部设置电化学式传感器；
导通控制阀组，设置于所述导气管组上以打开/关闭所述导气管组；
充气气泵，与所述检测气室连接，为所述检测气室充气；
数据处理模块，用于获取所述电化学式传感器以及所述特高频局部放电传感器的数据，并依据所获取的数据判别局部放电类型以及局部放电强度。
2.根据权利要求1所述的一种用于GIS中SF6气体分解产物在线检测系统，其特征在于，所述导气管组包括：输出管以及回输管；GIS的隔断中开设出气口及进气口，所述输出管一端与所述出气口连通，另一端与所述检测气室的输入侧导气口连通，所述回输管一端与所述进气口连通，另一端与所述检测气室的输出侧导气口连通。
3.根据权利要求2所述的一种用于GIS中SF6气体分解产物在线检测系统，其特征在于，所述导通控制阀组包括：第一电磁阀以及第二电磁阀，所述第一电磁阀设置在所述输出管上，所述第二电磁阀设置在所述回输管上。
4.根据权利要求3所述的一种用于GIS中SF6气体分解产物在线检测系统，其特征在于，还包括：气体循环泵，所述气体循环泵设置于所述回输管上。
5.根据权利要求4所述的一种用于GIS中SF6气体分解产物在线检测系统，其特征在于，还包括：气压表，所述气压表设置在所述检测气室上。
6.根据权利要求5所述的一种用于GIS中SF6气体分解产物在线检测系统，其特征在于，还包括：第三电磁阀，所述第三电磁阀设置于所述充气气泵与所述检测气室连接的管路上。
7.根据权利要求6所述的一种用于GIS中SF6气体分解产物在线检测系统，其特征在于，所述数据处理模块包括：
图谱绘制单元，用于依据所获取的所述特高频局部放电传感器的数据绘制PRPD图谱；
判断单元，用于依据所获取的所述特高频局部放电传感器的数据判断是否发生局部放电；
第一识别判别单元，用于根据所绘制的PRPD图谱判别局部放电类型；
第二识别判别单元，用于根据所获取的所述电化学式传感器的数据判别局部放电强度。
8.一种用于GIS中SF6气体分解产物在线检测方法，其特征在于，包括：
向检测气室内充气直至所述检测气室的气压与GIS气室的运行气压相同；
启动导通控制阀组使得所述检测气室与所述GIS气室连通；
采集传感器组的数据，并依据采集的数据判别局部放电类型以及局部放电强度，其中，所述传感器组包括：设置于所述检测气室内部的电化学式传感器以及设置在GIS外壁上的特高频局部放电传感器。
9.根据权利要求8所述的一种用于GIS中SF6气体分解产物在线检测方法，其特征在于，所述依据采集的数据判别局部放电类型以及局部放电强度的过程包括：
当所述特高频局部放电传感器检测到异常信号时，依据采集的所述特高频局部放电传感器的数据绘制PRPD图谱；
判断是否发生局部放电，若判断结果为发生局部放电，则根据所绘制的PRPD图谱判别局部放电类型，同时根据采集的所述电化学式传感器的数据判别局部放电强度。
10.根据权利要求9所述的一种用于GIS中SF6气体分解产物在线检测方法，其特征在于，还包括：利用局部放电信号发生器在GIS内产生不同强度的局放信号，且在不同强度的局放信号下每隔5h采集一次SOF2和SO2组合浓度的数值，共采集四次以获取四个实验数据点；利用最小二乘算法，获得不同强度的局放信号下，SOF2和SO2组合浓度随时间变化的斜率k，即得到SOF2和SO2组合浓度n与放电时间t的定量关系，即n＝kt。
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