GIS設備內SF6氣體泄漏檢測技術創新研究

田 忠，常 敏，金海勇，賀 兵

(1.國網湖北省電力有限公司 直流公司，湖北 宜昌 443000；2.上海樂研電氣有限公司，上海 201802)

電力設備安全大多需要使用絕緣設備，SF6氣體是組成絕緣設備的重要部分，因此在電力安全檢測技術中，對SF6氣體的檢測效率直接關系到電力設備能否順利進行的技術關鍵。常規技術檢測大多采用SF6氣體傳感器、SF6氣體檢測電路等方式，這種方法雖然在一定程度上提高了SF6氣體檢測水平，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智能巡視機器人的逐步應用，為SF6氣體檢測提供了新思路。

其中有研究設計出FFT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GIS設備中SF6冗余情況。該技術方案檢測試驗貼合實際標準，具有較高的檢測力度。但在運行過程中容易引起高低頻噪聲，對變電站GIS設備造成影響，不利于電力系統的穩定運行[1]；還有研究利用分布式半導體激光器全面掃描變電站GIS設備整體結構，能夠根據掃描數據構建CEPAS檢測系統，進而形成采集和分析一體化處理系統，對變電站GIS設備SF6泄漏具有較高的針對性，更為全面的掌握變電站GIS設備氣體泄漏情況。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[2]。

1 基于MS+XD芯片嵌入式電路設計

針對上述變電站GIS設備SF6泄漏檢測技術存在的問題，本文基于智能巡視機器人研究方向，在機器人內部加裝檢測系統，通過將TMS+XD芯片嵌入到機器人系統中，實現對變電站GIS設備環境的分析功能，利用離子遷移法分析環境中的SF6離子，進而掌握變電站GIS設備中氣體情況，通過DED算法對檢測數據進行分析，計算出氣體泄漏對變電站GIS設備的影響，制定出最優SF6填充范圍，為輸配電設備安全運行提供幫助[3]。

TMS+XD聯合設計如圖1所示。

圖1 TMS+XD聯合設計電路Fig.1 TMS+XD joint design circuit

從圖1可以看出，本研究通過將TMS和XD芯片聯合，利用TMS芯片的信號調理功能和XD的數據分析能力對機器人掃描數據精確分析，從而加強檢測系統數據處理能力，對后續SF6氣體泄漏的分析提供數據支持，同時更為方便算法尋優找到最佳氣體填充范圍，保證變電站GIS設備運行的安全[8]。從圖1可看出，通過連接電路將TMS32芯片與XD129芯片連接起來，由引腳ET輸出電流，通過電感和電阻串聯回路，同時與電容C組成并聯支路，電阻R1與EA連接電阻R2組成并聯回路，最終輸入到XD芯片的VIN引腳和VCC引腳，兩個引腳線路通過R3阻隔。TMS32芯片輸入數據由信號調理與轉換負責，通過MAX232連接器和ROM進行信息采集儲存。XD129芯片完成數據分析輸出，通過LED顯示器演示數據規律，通過連接外圈電路，芯片功能數據由片內RAM進行讀取，進而完成變電站GIS設備環境的分析[9]。

組成芯片在運行過程中能夠根據不同環境完成自適應調節，為提高對變電站GIS設備中SF6氣體的敏感度，分析芯片供能需要更為全面，由此建立多方位功能模塊，具體如圖2所示。

圖2 組成芯片多方位功能模塊Fig.2 Compose the chip’s multi-directional function module

從圖2可以看出，對TMS32+XD129聯合芯片的功能分析建立多方位功能模塊，以組成芯片為核心，通過對變電站GIS設備環境和氣室分析，與組成芯片完成數據互通，將傳感信息通過模數解調方式輸入到組成芯片中，傳感裝置安裝在智能巡視機器人掃描窗口，主要對環境中溫度、氣體壓力和變電站GIS設備氣體閥門進行采集。在接收模塊中設置有RS485通信和RS232通信端口完成數據接收，經過后續分析及傳輸最終將結果加載到演示界面上，便于檢測SF6氣體具體泄漏情況[10]。

在設置SOFC監測器時，其內裝配有加熱爐，加熱爐為監測器提供工作溫度。K型熱電偶的輸出信號由儀表放大器放大，并用AD976芯片采樣。比較設定點和實時工作溫度(700 ℃)，以便S3C2440中央處理器(CPU)中實現的比例-積分-微分模塊向直流固態繼電器輸出脈寬調制信號，以控制熔爐加熱，其中SOFC監測器的輸出信號約為200～300 mV，由ADS1256的24位模數轉換芯片直接采樣，不加其他放大處理以避免噪聲。電壓跟隨器用于隔離，增加輸入阻抗，提高監測器的負載能力。數字信號以RS232格式封裝并傳輸到計算機，對數據進行處理，識別出油中的SF6氣體。

2 離子遷移法檢測SF6泄漏技術

根據機器人掃描的變電站GIS設備環境數據，本文通過采用離子遷移法將設備中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GIS設備運行的影響，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3所示。

圖3 離子遷移原理圖Fig.3 Schematic diagram of ion migration

從圖3可以看出，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。變電站GIS設備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4所示。

圖4 離子遷移檢測框圖Fig.4 Block diagram of ion migration detection

從圖4可以看出，離子遷移檢測技術能夠將變電站GIS設備中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GIS設備閥門通道，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GIS設備中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GIS設備環境分析，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DED算法完成尋優填充操作[11]。

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GIS設備氣體泄漏的檢測，為輸配電系統的穩定奠定基礎。

3 DED算法模型

差分能量檢測(Differential Energy Detection DED)算法通過劃定的SF6填充標準對比變電站GIS設備內部氣體存余量，根據比較結果與預設填充范圍判斷變電站GIS設備狀態，若檢測的外界環境SF6濃度超過預設值，則表示氣體泄漏過大，發出停機指令；否則認為內部SF6濃度處于正常范圍[12]。

根據機器人掃描窗口數據和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：

(1)

式中:H0表示預設SF6氣體濃度值;H1表示機器人檢測變電站GIS設備內部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GIS設備能量的差分計算公式：

(2)

式中: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GIS設備SF6氣體檢測模型函數集合處理，對檢測變電站GIS設備中SF6氣體模型函數簡化：

(3)

式中：λ表示氣體標準差分能量值。

根據變電站GIS設備運行中可能出現的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。

(4)

根據式(4)中SF6氣體泄漏對變電站GIS設備運行效率估計值，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)

式中：Pd表示變電站GIS設備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GIS設備氣體顯示量。

經過概率和估算了解變電站GIS設備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)

式中：Pf表示實際運行中變電站GIS設備SF6氣體量值；Pr表示變電站GIS設備運行過程中SF6計量方式；Y表示總氣體填充量；λ表示氣體變化系數；H0表示變電站GIS設備初始氣體常量；Qm表示SF6對變電站GIS設備運行影響效率。

通過DED算法對變電站GIS設備SF6氣體泄漏濃度估算概率和實際運行中氣體泄漏影響[13]，使檢測系統更為精確了解變電站GIS設備實際運行狀況，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。

4 試驗結果與分析

實驗室配置采用i8系列雙核計算機，采用64+256 GB儲存方式[14-15]。現場實驗環境設置，對DL/T537系列變電站GIS設備進行檢測；變電站GIS設備電壓等級6～35 kV，設備參數精度為96%，算法推算誤差不超過0.5%。在此環境下進行試驗，參數配置如表1所示。

表1 環境參數與配置軟件Tab.1 Environment parameters and configuration software

本設計試驗通過對變電站GIS設備運行中SF6泄漏問題進行研究，根據智能機器人掃描環境數據進行分析，通過檢測系統對掃描數據分析。分析檢測系統對變電站GIS設備實際運行過程中SF6氣體的泄漏濃度和精確度，精確度計算公式為：

(7)

將計算結果匯總數據表，最終顯示SF6氣體泄漏檢測能力測試表如表2所示。

表2 氣體泄漏檢測能力測試表Tab.2 Gas leakage detection capability test table

通過表2數據分析，本文設計的氣體泄漏檢測系統采用DL/T537系列變電站GIS設備，容量范圍為6～35 kV，實驗中采用20 kV變電站，檢測系統輸出的SF6泄漏濃度為15.8 mol/ml，精確度為92.5%；文獻[1]方法采用的FFT檢測方法采用15 kV變電站GIS設備，運行中檢測的SF6泄漏濃度為31.7 mol/mL，精確度為89.1%；文獻[2]方法設計的CEPAS檢測系統采用10 kV容量變電站GIS設備，運行中檢測的SF6泄漏濃度為34.4 mol/mL，精確度為83.6%。由此看出本文對變電站GIS設備中SF6泄漏檢測方法具有較高可行性。

利用仿真軟件顯示3種氣體檢測系統對變電站GIS設備運行中SF6泄漏濃度檢測的變化曲線，利用Multisim軟件模擬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泄漏檢測仿真模型如圖5所示。

圖5 SF6泄漏檢測仿真模型Fig.5 SF6 leakage detection simulation model

根據變電站運行時間變化，在此期間泄漏的SF6濃度進行統計，然后仿真出規律性曲線分析各系統性能，如圖6所示。

圖6 檢測的變電站GIS設備SF6泄漏濃度Fig.6 Detected SF6 leakage concentration of substation GIS equipment

從圖6可以看出，本研究對變電站GIS設備泄漏濃度影響具有明顯作用，變電站GIS設備中SF6泄漏濃度隨運行時間變化有所升高，但整體變化相對較為穩定，最低泄漏濃度為10 mol/mL，在變電站GIS設備運行時間為10 h達到最高泄漏濃度為15 mol/mL；文獻[1]方法采用的FFT檢測方法變電站GIS設備中SF6泄漏濃度隨運行時間變化增加幅度較大，最低泄漏濃度為10 mol/mL，在變電站GIS設備運行時間為14 h達到最高泄漏濃度為32 mol/mL；文獻[2]方法設計的CEPAS檢測系統變電站GIS設備中SF6泄漏濃度隨運行時間變化波動較大，運行時間0～5 h持續增加，此時泄漏濃度為30 mol/mL，6～10 h期間呈波動狀態，最終在10 h泄漏濃度最大為34 mol/mL。

通過對比各檢測系統精度曲線，進一步完成對比實驗，根據計算機處理結果進行仿真對比，得到系統精確度曲線對比結果，具體如圖7所示。

圖7 系統精確度曲線Fig.7 System accuracy curve

從圖7可以看出，通過對比發現3種檢測方法隨變電站GIS設備容量變化精確度變化較大，本研究降低幅度較小，最高精度為92.5%，在變電站GIS設備容量為3 500 kW達到最低，此時為89%；文獻[1]方法設計的FFT檢測方法與本研究變化規律相似，但整體精度相對較低，最高精度為89.1%，在變電站GIS設備容量為4 000 kW達到最低，此時為86%；文獻[2]方法設計的CEPAS檢測系統呈波動性變化，在容量為1 200 kW時達到波峰，此時最高精度為85.5%，在變電站GIS設備容量為3 300 kW達到波谷，此時精度最低為82.6%。

綜上所述，本設計對變電站GIS設備中SF6氣體的檢測具有明顯效果，根據實驗表明本研究檢測的SF6泄漏濃度最低，在運行過程中精確度最高，體現出本設計檢測方法的優越性。

5 結語

本文對變電站GIS設備中SF6氣體泄漏檢測方法進行研究，通過智能機器人和檢測技術配合完成氣體泄漏的檢測研究，設計聯合性TMS+XD處理芯片加強機器人的感知能力，采用離子遷移檢測SF6泄漏技術，對變電站GIS設備環境中含有的SF6離子進行頻譜和波形變換，方便判斷變電站GIS設備內部具體SF6變化規律。利用DED算法比較變電站GIS設備運行中內外SF6氣體離子的濃度，通過對氣體檢測系統進行測試，將結果記錄分析匯總為SF6氣體泄漏檢測能力測試表，發現本檢測方法在變電站GIS設備檢測中泄漏SF6氣體最少，檢測精度最高。雖然如此，實驗過程中仍存在一些問題，對變電站GIS設備氣體泄漏修復程序繁瑣等問題仍待解決。