基于SF6酸性分解物與特高頻結(jié)合的GIS絕緣故障診斷

林福海，顏湘蓮，稂業(yè)員，鄧永強，徐 銳，李 惟

（1.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學研究院，江西 南昌 330096；2.中國電力科學研究院有限公司，北京 100192）

0 引言

目前，國內(nèi)氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）以每年10%左右的速度增長，SF6氣體的用量也迅猛增長[1]。SF6氣體在設(shè)備過熱、局放、拉弧的情況下會產(chǎn)生分解物，分解物檢測已成為判斷氣體絕緣高壓電氣設(shè)備運行健康狀態(tài)的重要參考指標，SF6分解產(chǎn)物不僅會影響設(shè)備的絕緣強度，造成非計劃停電，還會一定程度上污染大氣環(huán)境，危害現(xiàn)場人員的身體健康[2-3]。因此，需要開展SF6氣體分解產(chǎn)物與設(shè)備局放檢測相結(jié)合的研究工作。

對于變電站內(nèi)發(fā)生故障的電力設(shè)備SF6檢測，早期主要采用比色管法，將經(jīng)過化學反應(yīng)后的溶液顏色與標準顏色進行比對，得到有一定誤差的SF6分解物濃度。近年來，由SF6氣體電化學特性研究形成的傳感器檢測法在設(shè)備帶電、停電情況下，可以對SF6設(shè)備進行氣體分解物濃度的檢測，檢測較為簡便[4-5]，但分解物不穩(wěn)定，存在組分間的交叉干擾、儀器的零漂及溫漂等問題，導致檢測精確度不高[6]。目前的檢測方法都難以對SF6電氣設(shè)備的氣體酸性分解物濃度進行精確的定量測量。部分智能GIS變電站安裝了在線特高頻傳感器，從電磁波信號方面來判斷是否存在局放[7]，存在片面、干擾、數(shù)據(jù)不準確等問題，且沒有其他手段進行相互印證。因此，目前的檢測方法難以對GIS設(shè)備內(nèi)的潛伏性局部放電進行檢測，無法及時有效地將設(shè)備缺陷扼殺在初始階段。

本研究將SF6分解后的氣體經(jīng)過強氧化劑氧化后，溶于水得到酸性液體，通過標準堿液自動滴定，得到SF6氣體酸性分解物的濃度及總量，再將測試結(jié)果與在線特高頻局放測試數(shù)據(jù)相結(jié)合，通過實驗室模擬試驗，得到一種GIS設(shè)備局部放電的放電類型、放電量大小的判斷標準。

1 理論研究

1.1 SF6氣體酸性分解物濃度檢測系統(tǒng)及實現(xiàn)方式

SF6氣體酸性分解物濃度檢測所需的檢測儀器及設(shè)備如圖1所示。

圖1 SF6氣體酸性分解物濃度檢測系統(tǒng)Fig.1 Detection system diagram for SF6gas acid decomposition product concentration

該方法通過以下步驟實現(xiàn)：將SF6氣體取樣閥裝在電氣設(shè)備的取樣管路上，之后再安裝一個不可調(diào)節(jié)的氣體流量計，氣體的取樣時間通過精密秒表來計時，SF6酸性分解氣體經(jīng)過SF6分解物氧化裝置后均被強氧化劑氧化成可水解的高價酸，在裝有純水的密封錐形瓶內(nèi)形成酸性液體，通過堿式自動滴定裝置裝有的標準堿液進行滴定，滴定換算后得到SF6氣體酸性分解物質(zhì)量濃度、酸性分解物的總量。

該檢測方法中，氣體取樣閥門為逆止閥，防止氣體回流，SF6分解物氧化裝置能將不穩(wěn)定的低硫化物氧化成可溶于水的穩(wěn)定硫化物（SF6氣體自身不被氧化，且不溶于水），氣體流量、錐形瓶中的純水體積均固定。

1.2 SF6氣體酸性分解物濃度的計算步驟

1.2.1 SF6氣體酸性分解物溶于純水后的H+摩爾數(shù)的計算

SF6氣體酸性分解物溶于純水后呈酸性，用于滴定酸性溶液的堿液消耗體積為V1，OH-摩爾濃度為ρ1，則SF6氣體酸性分解物溶于純水后的H+摩爾數(shù)n1通過式（1）計算。

1.2.2 SF6氣體酸性分解物質(zhì)量濃度、酸性分解物總量計算公式的推導

電弧放電、局部放電、異常發(fā)熱下的SF6氣體分解產(chǎn)物主要有 SO2、H2S、SOF2、SO2F2、S2OF10、SOF4、SF4、CF4、HF和固體分解物[8]，這些分解產(chǎn)物以低價硫化物為主。本檢測方法的氧化裝置將分解物中的這些低價硫化物氧化成可溶于水的高價硫氧化合物SO3，而SF6氣體自身不被氧化，且不溶于水；SO3溶于水后生成的H2SO4中H+離子與S6+離子摩爾數(shù)比為2∶1，較為穩(wěn)定且未被氧化的H2S中H+離子與S2-離子摩爾數(shù)比也為2∶1，即S原子摩爾數(shù)n為式（2）。

SF6氣體分解物的氣體流量為Q，取氣時長為T，則SF6氣體分解物的取氣體積V2為式（3）。

SF6氣體酸性分解物主要是以低價硫化物存在，其中會有少量的HF酸，但極不穩(wěn)定，且含量少，可忽略不計，則得到以硫元素表示的酸性分解物的質(zhì)量濃度c為式（4）。

式（4）中：32為硫原子的摩爾質(zhì)量；n為硫原子摩爾數(shù)；V2為SF6氣體分解物的取氣體積。

將式（1）、（2）、（3）代入式（4）可得到以硫元素表示的酸性分解物的質(zhì)量濃度c，如式（5）所示。

設(shè)SF6設(shè)備內(nèi)的充氣體積為V，則以硫元素表示的設(shè)備內(nèi)酸性分解物的總量M為式（6）。

按照式（5）～（6）可計算出以SF6氣體為絕緣介質(zhì)的故障或疑似故障設(shè)備中酸性分解物的質(zhì)量濃度和總量[9]。

2 模擬試驗研究

設(shè)計了GIS模擬放電實驗裝置，如圖2所示，對金屬尖端放電、懸浮電位放電、絕緣件內(nèi)部氣隙放電和自由金屬顆粒放電實驗下SF6酸性分解物的質(zhì)量濃度進行測試，得到不同放電模式、放電量、SF6氣體酸性分解產(chǎn)物濃度之間的關(guān)聯(lián)參數(shù)，建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷模型[10]，提出基于GIS典型缺陷類型、SF6酸性分解物濃度推算放電量大小的診斷判據(jù)。

圖2 GIS模擬放電實驗裝置Fig.2 GIS simulated discharge experimental device

2.1 試驗實施方案及數(shù)據(jù)

根據(jù)圖2標識，用AC 220 V電源經(jīng)調(diào)壓器、濾波器輸出接至試驗電源輸入端，通過4個放電模型的升降桿將放電體之間的距離調(diào)節(jié)至合適位置，固定不動，并通過調(diào)壓器來調(diào)整起始電壓及試驗電壓值，從耦合電容處接檢測阻抗取局放信號，用累積式電脈沖局放儀測量放電量；從放電模型氣室的充氣接口取出SF6氣體，通過取樣管通入SF6氣體酸性分解物濃度檢測裝置，酸性分解物檢測的計時時間從達到起始電壓值開始，檢測結(jié)束時間以達到累計的整數(shù)放電量（1、2、3μC）為止；放電類型直接從放電模型升降桿的位置判斷，正常試驗時，只有1根升降桿旋出高度較低，其他3根升降桿保持最高位置，那么就可以確定是升降桿旋出高度較低的那個是放電試驗?zāi)Ｐ停@時通過內(nèi)置特高頻傳感器與儀器連接檢測出的圖譜驗證放電類型。每次局放試驗之后，均對設(shè)備內(nèi)的SF6氣體抽真空，更換新的吸附劑。在SF6氣體壓力為0.4 MPa、微水含量為78μL/L的情況下，在實驗室測得金屬尖端放電、懸浮電位放電、絕緣件內(nèi)部氣隙放電和自由金屬顆粒放電時的具體條件及具體情況如表1所示。

表1 4種放電情況下的具體條件及具體情況Tab.1 Specific conditions and specific conditions under four discharge conditions

從表1可以看出，起始電壓為57 kV、試驗電壓為60 kV的情況下，懸浮電位累積放電量為1μC時的放電時間為3.8 min。在4種放電類型下通過電脈沖局放檢測端口測試酸性分解產(chǎn)物濃度對應(yīng)的累積放電量，其中累積放電量分別為1、2、3μC情況下的SF6酸性分解產(chǎn)物濃度具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 典型缺陷下累積放電量對應(yīng)的酸性分解產(chǎn)物濃度Tab.2 The content of acidic decomposition products corresponding to the accumulated discharge amount under typical defects

2.2 設(shè)備缺陷放電量大小的診斷模型

統(tǒng)計獲得的24組局放試驗數(shù)據(jù)（每種放電類型6組數(shù)據(jù)，累積放電量分別為1、2、3、4、5、6 μC），采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，設(shè)置充裝氣壓等10個輸入向量，列于表3，輸出向量為累積放電量，并用Matlab自帶的premnmx函數(shù)將這些數(shù)據(jù)歸一化處理。BP網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱層和輸出層組成，網(wǎng)絡(luò)選用S型傳遞函數(shù)，通過反傳誤差函數(shù)不斷調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值使誤差函數(shù)E達到極小，如式（7）所示。

表3 設(shè)備缺陷診斷模型的輸入向量Tab.3 Input parameters of the device defect diagnosis model

式(7)中：Oi為網(wǎng)絡(luò)的計算輸出；ti為期望輸出（即實際測量值）。

將樣本數(shù)據(jù)歸一化后輸入網(wǎng)絡(luò)，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)隱層和輸出層的激勵函數(shù)分別為tansig和logsig函數(shù)，網(wǎng)絡(luò)訓練函數(shù)為traingdx，網(wǎng)絡(luò)性能函數(shù)為mse，隱層神經(jīng)元數(shù)初設(shè)為6。網(wǎng)絡(luò)迭代次數(shù)epochs為5 000次，期望誤差goal為0.000 000 01，學習速率lr為0.01。設(shè)定完參數(shù)后，開始網(wǎng)絡(luò)非線性參數(shù)的確定。

該網(wǎng)絡(luò)通過24次重復調(diào)整達到期望誤差后完成參數(shù)設(shè)定。網(wǎng)絡(luò)參數(shù)調(diào)整完成后，只需將各向量輸入網(wǎng)絡(luò)即可得到預測的累積放電量。

對建立的基于SF6氣體酸性分解物濃度、4種放電類型來確定設(shè)備累積放電量的診斷模型，用現(xiàn)場實測的12組數(shù)據(jù)（每種放電類型3組數(shù)據(jù)）進行模型驗證。例如：在金屬尖端放電1 000 min的情況下，測得SF6酸性分解物濃度為1.2μg/L，根據(jù)建立的診斷模型，估算出累積放電量為2.0μC，與實際測量值（即期望輸出值）2.2μC接近。詳細的驗證結(jié)果如表4所示，正確率達到83%以上，表明建立的診斷模型是有效的。分析發(fā)現(xiàn)隨缺陷放電強度的增加，SF6酸性分解物濃度增大，且具有一定的對應(yīng)關(guān)系。

2.3 設(shè)備缺陷的評價流程

檢測到酸性分解物濃度增加表明缺陷劣化，缺陷的嚴重程度及其發(fā)展趨勢可通過放電類型、累積放電電荷量和SF6酸性分解物濃度進行評估，評估流程如圖3所示。

表4 設(shè)備缺陷放電量大小診斷模型的驗證結(jié)果Tab.4 The verification results of the model for discharge amount of device defect

圖3 設(shè)備缺陷程度和發(fā)展的評估流程Fig.3 Evaluation process of equipment defect degree and development

3 研究結(jié)果

對SF6氣體酸性分解產(chǎn)物的檢測流程進行優(yōu)化及自動化設(shè)計，檢測靈敏度可達0.1 μg/L，完全滿足放電故障的診斷要求。

綜合GIS設(shè)備缺陷類型的SF6氣體酸性分解產(chǎn)物檢測方法、局放累積電荷量診斷技術(shù)和缺陷診斷模型，獲得了設(shè)備典型缺陷的酸性分解產(chǎn)物與局放特征參量，進而提出了基于SF6氣體酸性分解產(chǎn)物濃度與放電類型來綜合評估GIS設(shè)備局放累積電荷量的缺陷診斷方法，并提出了運行設(shè)備潛伏性故障預警流程[11]，分別如表5和圖4所示。

由模擬試驗研究和驗證結(jié)果以及表5可知，檢測到酸性分解物，設(shè)備內(nèi)必然有放電。當檢測到運行GIS設(shè)備內(nèi)SF6氣體酸性分解物濃度大于注意值時，需同時開展特高頻局放檢測，通過現(xiàn)場特高頻檢測到的PRPS圖譜判斷放電類型，具體見表6，確定放電類型后，再結(jié)合表5中的酸性分解物濃度大小來綜合評估累積放電量；若特高頻檢測圖譜顯示沒有放電，則根據(jù)表5中的酸性分解物濃度判斷放電量大小。

表5 基于SF6酸性分解物與放電類型的GIS設(shè)備局放量綜合評估方法（檢測時間為4 min）Tab.5 Comprehensive evaluation method of partial discharge amount based on SF6acidic decomposition products and discharge types for GIS equipment(detection time is 4 minutes)

圖4 運行設(shè)備潛伏性故障預警機制的檢測流程Fig.4 Detection process of the equipment latent fault for early warning

如果酸性分解物濃度正常，而特高頻局放檢測圖譜顯示有放電信號，初步排除高能量放電及過熱缺陷，并判別是否存在電磁波信號的干擾，分析是否存在疑似缺陷，再應(yīng)用傳感器或色譜法對分解物各組分進行復測，最終根據(jù)檢測數(shù)據(jù)綜合判斷設(shè)備狀態(tài)，具體步驟見圖4。

4 結(jié)論

（1）研究了一種SF6氣體酸性分解物濃度的檢測新方法，可以計算SF6電氣設(shè)備中酸性分解物的質(zhì)量濃度。

表6 局部放電的特高頻典型圖譜及特征分析Tab.6 Typical high-frequency spectrum of partial discharge and its characteristic analysis

（2）通過GIS模擬放電裝置，獲得了放電類型、SF6氣體酸性分解物濃度、累積放電量之間的大量關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法建立了基于SF6氣體酸性分解物濃度、放電類型來確定設(shè)備累積放電量的診斷模型，采用試驗結(jié)果驗證了模型的有效性，并給出了具體的評估判據(jù)。

（3）提出了運行設(shè)備是否存在潛伏性放電故障的檢測、評價流程。

（4）采用SF6酸性分解物檢測與特高頻局放分析相結(jié)合判斷GIS設(shè)備的放電量大小，在理論與實驗室均取得了新突破，并建立了有效的分析模型，可對運行GIS設(shè)備內(nèi)的潛伏性局部放電進行準確預判，有望應(yīng)用于現(xiàn)場診斷。