基于物理化學檢測技術的開關柜潛伏性故障檢測方法

何 明，佘樂欣，嚴鏗博，袁 帥，李思堯，汪明科

(深圳供電局有限公司 羅湖供電局，廣東 深圳 518000)

0 引言

狀態檢測對于提高氣體絕緣開關柜設備的可靠性和節省維護成本非常重要，歷史研究結果表明，絕緣故障是60%以上開關柜設備潛伏性損壞的根本原因。其中，出現故障問題的局部放電(PD，partial discharge)和局部過熱(POT，local over-thermal)現象是絕緣失效的關鍵指標[1]。因此，檢測PD和POT以防止嚴重的開關柜故障非常重要。常規技術檢測大多采用電壓傳感器、電流檢測電路等方式，這種方法雖然在一定程度上提高了開關柜故障檢測水平，但是仍舊存在一定的局限性。比如檢測能力差、檢測滯后等，隨著人工智能技術的飛速發展和氣體檢測技術的逐步應用，為開關柜的故障檢測提供了新思路[2-3]。

文獻[4]利用分布式半導體激光器全面掃描變電站開關柜整體結構，對變電站開關柜故障診斷具有較高的針對性，更為全面的掌握變電站開關柜氣體泄漏情況。但這種方法采用的激光器成本較高，對人體危害較大，因此不具有普遍適用性。文獻[5]設計出快速傅立葉變換(FFT，fast fourier transform)開關柜故障檢測方法，利用特征分解法和紫外光譜提取環境元素，進而分析出變電站開關柜中氣體分解情況。但在運行過程中容易引起高低頻噪聲，對變電站開關柜造成影響，不利于電力系統的穩定運行。文獻[6] 通過六氟化硫(SF_6)氣體作為絕緣介質，將其用在高壓電器中具有絕緣和滅弧能力，該技術在變電站中能夠大量使用，但對于該氣體如何使用或者具體怎么使用，這個合適的時間點沒有明確說明。導致工業應用過程中現場定位泄漏點和檢測距離都存在明顯的技術漏洞。文獻[7] 應用了FLUENT軟件，通過該技術結合SF6氣體泄漏的兩相流三維非定常態湍流流動特征，搭建了三維傳遞現象模型，實現了真型尺寸GIS站室泄漏SF6氣體分布規律仿真，該技術雖然具有一定的技術進步性，但是分析過程中，沒有氣體泄漏方面進行研究。因此綜合上述技術，該研究進行了以下技術設計。

1 總體方案設計

對于上述情況，本研究通過物理化學檢測技術對變電站開關柜進行故障檢測分析，通過SF6氣體分解產物來檢測PD和POT這兩種故障，之后通過離子遷移法處理空氣中含有的SF6氣體離子濃度，利用差分能量檢測算法制定變電站開關柜SF6使用策略，使變電站開關柜運行更為安全。此外，本文將以上內容結合并構建了開關柜故障診斷系統，如圖1所示。

圖1 開關柜故障診斷系統

圖1中對于開關柜故障診斷系統結構以智能巡視機器人環境分析芯片為核心，分析的設備主要為開關柜，該設備的檢測參數包括額定電壓、回路電流，SF6泄漏前后變電站無功和有功功率等。通過提取這些數據信息能夠有效地獲取開關柜運行過程中不同狀態。在具體應用過程中，為了提高安全能力，通過機器人攜帶采集裝置實現開關柜數據信息。隨著工業技術的發展，機器人在工業生產過程中具有極好的感知、決策、執行等基本特征，實現了開關柜這種危險、繁重、復雜的工作，提高工作效率與質量。提取到的數據信息通過離子遷移將封閉設備中氣體數據遷移到采集器中，算法尋優通過DED程序劃定SF6最佳填充范圍，尋優數據結果通過SPI總線將數據傳遞給站內主控機，算法尋優的方式很多，比如改進量子遺傳算法(QGA,quantum genetic algorithm)將經典量子計算與傳統遺傳算法的操作方式相互融合產生的新的優化算法。該算法在應用過程中能夠在自定義的尋優數據信息范圍內查找優化精度較高的信息。在一種具體應用過程中，還可以將量子交叉與模擬退火操作融入到該方法，通過這種交融互助的方式能夠避免量子遺傳算法陷入局部最優解。以提高算法尋優的精確度。由于該算法不是該研究主要提及部分，出于篇度的限制，該研究不做詳細說明。待完成信息分析處理后，將結果交由智能終端執行[6-7]。

輔助控制硬件上主要包括現場和通信設備及后臺監控，根據機器人掃描數據由TMS+XD聯合芯片進行控制，將變電站開關柜環境數據導入檢測機中，同時掃描窗口并將數據儲存在數據庫中。TMS芯片比如TMS320LF2407APG芯片或者TMS320F2806PZA芯片。該芯片作為一組應用程序接口( API) ，能夠用于配置和控制片上外設，大大提高了開關柜故障診斷系統控制能力。XD系列芯片比如采用XD308H，該芯片是一款18～600 V 超寬范圍輸入的高壓降型 AC-DC 轉換器電源芯片，能夠適應12～380 VAC 超寬電壓輸入(外部加整流濾波)，在該研究中具有較好的控制能力。在檢測機中設有離子遷移功能，通過分析SF6泄漏情況給出最終檢測結果，并對產生氣體泄漏設備進行故障報修，完成離子遷移檢測進度。整個SF6氣體泄漏檢測系統的設計能夠保證智能巡視機器人對SF6的快速反映[8-9]，對變電站開關柜氣體泄漏情況更加具有針對性，設計多個掃描窗口能夠避免氣體泄漏過多造成檢測機構運行錯亂，加強了檢測系統運行的穩定性。

2 基于SF6的物理化學檢測技術

2.1 SF6分解機理

開關柜潛伏性故障局部放電(PD,partial discharge)和局部過熱(POT,local over-thermal)產生的能量將導致SF6分解，其成分信息可以用來診斷[10]。為此，該研究采用一種物理化學檢測技術，通過分析SF6分解產物來檢測PD和POT這兩種故障，難以受到噪音和電磁干擾的影響。根據SF6的分解機制，該研究提出概念圖了“區域模式”，將反應區分為3個區域，即發光區、離子漂移區和主氣體體積，如圖2所示。

圖2 SF6的分解機制概念圖

如圖2所示，在發光區，電場強度很高，能量更集中。由于電子碰撞，SF6、H2O和O2將發生電離。SF6將在該地區分解并產生大量氟化物。該區域能夠將不同的微分子發生化學反應，通過裂分成不同的化學微量元素實現氣體裂變，SF6、H2O和O2發生電離之后，將出現氟化物，該物體出現后，能夠從側面反映出開關柜潛伏性故障局部放電、或者局部過熱等多種數據問題，從視覺角度可以將宏觀的故障潛在問題轉換為微觀數據分析。因此該部分可以通過光等視覺形式提醒用戶。

離子漂移區是指輝光與平面陽極之間的區域，負離子在該區域的電場作用下漂移。在主氣量中，PD產生的一次分解產物會逐漸擴散到主氣量中，然后發生氣相反應或表面反應，生成各種二次分解產物[11-12]。當放電區域中有有機絕緣材料和金屬電極時，會產生碳化物。離子在電場中做加速運動時，很容易產生各種形式的碰撞，再結合物理學，通過動能定理進而求出離子在漂移區的速度，通過這種方式能夠控制二次分解產物。這是由于速度不同，撞擊力度不同導致的產物不同的原因。

主氣體體積是根據上述方法的碰撞產生不同的結果，在具體應用過程中，需要設置主氣體體積的閾值，當超過一定的閾值，則提醒用戶氣體分解過多，需要進行把控，當低于閾值時，可以適當放松警惕，說明開關柜潛伏性故障局部放電或者過熱現象不是很明顯。

從以上分析可以看出，PD下SF6的分解反應過程非常復雜，分解組分的形成特征也會受到各種環境因素的影響，如放電能量、缺陷類型、H2O/O2分子、電極材料、放電電壓等。相對而言，POT下SF6的分解過程較為復雜，相關研究較少。然而，從之前的研究結果可以確定，SF6在PD和POT下常見的主要穩定分解產物，包括SOF2、H2S、CO2和SO2[13]，下面將分別闡述其分解原理。

圖3顯示了在PD下用于SF6分解的氣體室，該氣體室為密封容器。腔室的平均壁厚為15 mm，因此其壓力公差為0.5 MPa。氣室由不銹鋼制成，能夠抵抗SF6分解產物的腐蝕。人工缺陷與瓷套管內的高壓導線相連。設計了兩個加油口。一個用于實現SF6。另一個用于從燃燒室中吸收分解產物[14]。高壓電極由鋁制成，接地電極由鋼制成，以便更好地模擬實際變電站開關柜設備檢測過程。關于SF6熱分解室由一個真實的隔離開關室模擬如圖4所示。

圖3 PD下SF6分解室

圖4 POT下SF6分解室模型圖

圖4中熱分解室的體積約為350 L，加熱棒固定在燃燒室中，與燃燒室不接觸。加熱棒由不銹鋼制成，其長度和直徑分別為200 mm和10 mm。采用PID控制器對溫度進行調節。PID控制器(比例-積分-微分控制器)，在控制架構上，通常包括比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)等。在工業控制技術領域中，該控制技術是比較常見的反饋回路部件。通過該技術能夠將POT下SF6分解室內的氣體集中起來，并通過設置的參考值進行對比、分析，將實際值與設置的閾值進行對比分析。當與設置的參考值之間存在的誤差不大時，則可以將該數據室內的數據信息保持在參考值附近，下次依據該數據進行參考。通過這種方式的控制，能夠使系統更加準確、穩定，提高數據判定能力。然后通過隔離開關室的接口采用SF6分解氣體[14]。之后，對PD與POT中化學氣體SF6分解進行成分檢測，在此之前，為了排除溫度和濕度的影響，所有試驗都保持在相同的環境中。試驗前用氮氣清洗試驗箱，然后在0.3 MPa的壓力下填充SF6。對缺陷模型施加高壓，并緩慢增加，直到示波器能夠檢測到局部放電，此時的電壓稱為起始電壓[15]。為了獲得穩定的局部放電，將測試電壓設置為高于起始電壓，完成對SF6分解產物進行采樣的準備工作。

2.2 離子遷移法檢測SF6泄漏技術

根據變電站開關柜環境數據，該研究采用離子遷移法檢測SF6泄漏技術，通過將SF6離子濃度遷移到氣體分析儀中，從而判斷氣體泄漏濃度對變電站開關柜運行的影響，并記錄事件發生時間，為后續人工維護和檢修提供幫助，離子遷移技術原理如圖5所示。

圖5 離子遷移原理圖

將待檢測設備中氣體離子通過發射源送入離子遷移裝置中，載氣離子和SF6離子在分離源的作用下發生電離發應，形成分化性的多種離子。經過電場的作用，氣體離子通過隔離門進入漂移區，隔離門周期性開啟，泄漏的氣體離子在通過隔離門時被檢測。帶電離子在漂移區中不斷碰撞，由于氣體離子的遷移速率存在差異，因此在漂移區中完成分離，在采集區由收集板檢測[16-17]。變電站開關柜利用離子遷移法對泄漏的SF6氣體離子進行檢測，檢測框圖如圖6所示。

圖6 離子遷移檢測框圖

離子遷移檢測技術能夠將變電站開關柜中SF6氣體遷移到分析儀中，通過電力設備允許泄漏SF6氣體濃度調整變電站開關柜閥門通道，更為有利于設備的安全操作。離子遷移技術在運行過程中通過分析變電站開關柜中SF6泄漏數據，對采集的數據信息進行波形轉換，由此形成電力正波，本文采集的氣體泄漏以方波形式為例，之后對電力正波進行變電站開關柜環境分析，根據分析的氣體波譜和光聲信號建立圖形樣式，進而建立傳感波形，電力正波轉換的波形一般為正弦或者余弦波形，波形數據主要來源為SF6泄漏離子，通過波形傳輸到氣體分析儀中，最終通過差分能量檢測( DED,differential energy detection)算法完成尋優填充操作[18-19]。

離子遷移法充分運用了現代波形控制系統和光聲感應技術，通過多個技術功能實現SF6泄漏氣體的離子分析和波形轉換，最終以離子的形式編入算法程序中，實現變電站開關柜氣體泄漏的檢測，為輸配電系統的穩定奠定基礎。根據離子遷移輸出波形分析SF6氣體函數，則氣體檢測數學模型表示為[20]：

(1)

式(1)中，t表示檢測氣體，H0表示預設SF6氣體濃度值，H1表示機器人檢測變電站開關柜內部SF6濃度，y(t)表示氣體表達函數模型，n(t)表示內部氣體存余量，h表示泄漏氣體變化系數，x(t)表示SF6泄漏變量函數。DED算法中對變電站開關柜能量的差分計算公式為：

(2)

式(2)中，Y表示DED算法中能量檢測函數，N表示所需檢測設備數量，yi(t)表示單體設備檢測能量函數。將差分函數與變電站開關柜SF6氣體檢測模型函數集合處理，對檢測變電站開關柜中SF6氣體模型函數簡化如下：

(3)

式(3)中，λ表示氣體標準差分能量值。根據變電站開關柜運行中可能出現的SF6氣體泄漏故障，通過DED算法估算氣體運行時間，根據填充氣體量估算實際效率，其表達式為[21]：

(4)

根據式(4)中SF6氣體泄漏對變電站開關柜運行效率估計值，利用概率學公式判斷存在差分能量情況下氣體泄漏概率：

(5)

式(5)中，Pd表示變電站開關柜SF6氣體泄漏概率，Pr表示氣體差分能量集，Γ表示非完全可控變量，m表示變電站開關柜氣體顯示量。

經過概率和估算了解變電站開關柜可能出現氣體泄漏情況，實際運行中SF6氣體泄漏和填充規律如下：

(6)

式(6)中，Pf表示實際運行中變電站開關柜SF6氣體量值，Pr表示變電站開關柜運行過程中SF6計量方式，Y表示總氣體填充量，Qm表示SF6對變電站開關柜運行影響效率。

通過DED算法對變電站開關柜SF6氣體泄漏濃度估算概率和實際運行中氣體泄漏影響，使檢測系統更為精確了解變電站開關柜實際運行狀況，對SF6氣體室外和室內濃度比較給予參考價值，提高本研究檢測系統對SF6氣體運行的可行性。

3 試驗結果與分析

開關柜設備潛伏性損壞60%是因為絕緣故障，其局部放電和局部過熱產生的能量是是絕緣失效的根本原因。為了驗證本研究采用的基于SF6氣體的開關柜故障檢測方法的適用性與可靠性，本研究針對變電站開關柜中SF6氣體分解產物泄漏進行檢測實驗。實驗室配置采用i8系列雙核計算機，采用64+256 GB儲存配置[22]，利用仿真軟件顯示3種氣體檢測系統對變電站開關柜運行中SF6泄漏濃度檢測的變化曲線，利用Multisim軟件[23]模擬SF6泄漏模型，在20 kV變電站中進行試驗，輸入頻率為30 kHz，鋸齒波和正弦波正負為1，光強為14.0 cd，氣體濃度為50 mol/mL，氣壓為1 kPa，SF6分解產物成分檢測仿真模型如圖7所示。

圖7 SF6分解產物成分檢測仿真模型圖

實際試驗場合示意圖如圖8所示。

圖8 物理化學檢測技術實驗架構

為了得出SF6分解產物中具體哪些氣體濃度最高，濃度變化較大且特征明顯，該研究在局部放電情況下通過氣體分析儀中的光譜檢測[24]得到300～800 nm波段SF6分解產物的強度，如圖9所示。

圖9 SF6氣體分解產物光譜圖

從圖9中可以看出，整個SF6光譜較為突出的4個峰端對變電站開關柜泄漏濃度影響具有明顯作用，分別是SOF2(349.73 nm波長)、CO(359.10 nm波長)、SO2(383.91 nm波長)和H2S(409.97 nm波長)。其中，SOF2。氣體波峰強度最高，這說明其在SF6分解產物中化學運動最為活躍，該成分濃度最高。

根據2.1中所描述的內容，此次實驗將以SF6分解產物成分SOF2的濃度作為評判指標，其濃度越高，說明變電站開關柜潛伏性故障局部放電和局部過熱產生的能量越大，其損壞的可能性也越高[25]。關于氣體濃度分析儀濃度顯示示例圖如圖10所示。

圖10 氣體濃度分析儀界面

氣體分析儀主要依據來源為SF6泄漏離子，通過氣體波譜數據轉換得到屏幕中顯示出的SF6分解產物泄漏SOF2的具體濃度數值，最終通過差分能量檢測算法完成尋優填充操作。為了體現該研究氣體濃度檢測方法的適用性，以文獻[4]與文獻[5]檢測方法最為參照對象，通過在不同開關柜工作電能環境下，統計各檢測系統其檢測氣體SOF2濃度的精度結果如表1所示。

表1 SOF2濃度的檢測精度結果

參照表1中的數據結果并啟動計算機仿真軟件，得到3種檢測系統精確度曲線對比如圖11所示。

圖11 3種檢測方法精度對比曲線

通過對比發現3種檢測方法隨開關柜工作電能變化精確度變化較大，本研究降低幅度較小，最高精度為92.0%，在工作電能為3 500 kW達到最低，此時為89.57%；文獻[4]的檢測方法與該研究變化規律相似，但整體精度相對較低，最高精度為89.76%，在工作電能為4 000 kW達到最低，此時為86.09%；文獻[5]設計的檢測系統呈波動性變化，在工作電能為1 200 kW時達到波峰，此時最高精度為85.56%，在工作電能為3 300 kW達到波谷，此時精度最低為80.46%。綜上所述，該研究對變電站開關柜通過分析SF6分解產物來檢測開關柜故障原因具有明顯效果，根據實驗表明該研究方法檢測精確度最高，體現出該研究檢測方法的優越性。

4 結束語

SF6等氣體分子分解衍生物會腐蝕變電站設備，很容易導致絕緣性能下降，并對設備的安全穩定運行造成嚴重損害。為此，本文對變電站開關柜進行故障分析，采用離子遷移檢測SF6泄漏技術，對變電站開關柜設備環境中含有的SF6離子進行頻譜和波形變換，方便判斷開關柜內部具體SF6變化規律。利用DED算法比較開關柜運行中內外SF6氣體離子的濃度，根據概率結果顯示，制定最佳氣體填充量。通過對氣體檢測系統進行測試，根據反饋結果記錄分析，表明本設計氣體泄漏檢測方法具有明顯優勢。但在實驗過程中發現，存在對開關柜氣體泄漏修復程序繁瑣等問題仍待解決。