基于物理化學(xué)檢測技術(shù)的開關(guān)柜潛伏性故障檢測方法

何 明，佘樂欣，嚴(yán)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(tài)檢測對于提高氣體絕緣開關(guān)柜設(shè)備的可靠性和節(jié)省維護(hù)成本非常重要，歷史研究結(jié)果表明，絕緣故障是60%以上開關(guān)柜設(shè)備潛伏性損壞的根本原因。其中，出現(xiàn)故障問題的局部放電(PD，partial discharge)和局部過熱(POT，local over-thermal)現(xiàn)象是絕緣失效的關(guān)鍵指標(biāo)[1]。因此，檢測PD和POT以防止嚴(yán)重的開關(guān)柜故障非常重要。常規(guī)技術(shù)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(guān)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(shù)的飛速發(fā)展和氣體檢測技術(shù)的逐步應(yīng)用，為開關(guān)柜的故障檢測提供了新思路[2-3]。

文獻(xiàn)[4]利用分布式半導(dǎo)體激光器全面掃描變電站開關(guān)柜整體結(jié)構(gòu)，對變電站開關(guān)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(guān)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(xiàn)[5]設(shè)計出快速傅立葉變換(FFT，fast fourier transform)開關(guān)柜故障檢測方法，利用特征分解法和紫外光譜提取環(huán)境元素，進(jìn)而分析出變電站開關(guān)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(guān)柜造成影響，不利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。文獻(xiàn)[6] 通過六氟化硫(SF_6)氣體作為絕緣介質(zhì)，將其用在高壓電器中具有絕緣和滅弧能力，該技術(shù)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(dǎo)致工業(yè)應(yīng)用過程中現(xiàn)場定位泄漏點和檢測距離都存在明顯的技術(shù)漏洞。文獻(xiàn)[7] 應(yīng)用了FLUENT軟件，通過該技術(shù)結(jié)合SF6氣體泄漏的兩相流三維非定常態(tài)湍流流動特征，搭建了三維傳遞現(xiàn)象模型，實現(xiàn)了真型尺寸GIS站室泄漏SF6氣體分布規(guī)律仿真，該技術(shù)雖然具有一定的技術(shù)進(jìn)步性，但是分析過程中，沒有氣體泄漏方面進(jìn)行研究。因此綜合上述技術(shù)，該研究進(jìn)行了以下技術(shù)設(shè)計。

1 總體方案設(shè)計

對于上述情況，本研究通過物理化學(xué)檢測技術(shù)對變電站開關(guān)柜進(jìn)行故障檢測分析，通過SF6氣體分解產(chǎn)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(guān)柜SF6使用策略，使變電站開關(guān)柜運行更為安全。此外，本文將以上內(nèi)容結(jié)合并構(gòu)建了開關(guān)柜故障診斷系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 開關(guān)柜故障診斷系統(tǒng)

圖1中對于開關(guān)柜故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以智能巡視機(jī)器人環(huán)境分析芯片為核心，分析的設(shè)備主要為開關(guān)柜，該設(shè)備的檢測參數(shù)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(shù)據(jù)信息能夠有效地獲取開關(guān)柜運行過程中不同狀態(tài)。在具體應(yīng)用過程中，為了提高安全能力，通過機(jī)器人攜帶采集裝置實現(xiàn)開關(guān)柜數(shù)據(jù)信息。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)過程中具有極好的感知、決策、執(zhí)行等基本特征，實現(xiàn)了開關(guān)柜這種危險、繁重、復(fù)雜的工作，提高工作效率與質(zhì)量。提取到的數(shù)據(jù)信息通過離子遷移將封閉設(shè)備中氣體數(shù)據(jù)遷移到采集器中，算法尋優(yōu)通過DED程序劃定SF6最佳填充范圍，尋優(yōu)數(shù)據(jù)結(jié)果通過SPI總線將數(shù)據(jù)傳遞給站內(nèi)主控機(jī)，算法尋優(yōu)的方式很多，比如改進(jìn)量子遺傳算法(QGA,quantum genetic algorithm)將經(jīng)典量子計算與傳統(tǒng)遺傳算法的操作方式相互融合產(chǎn)生的新的優(yōu)化算法。該算法在應(yīng)用過程中能夠在自定義的尋優(yōu)數(shù)據(jù)信息范圍內(nèi)查找優(yōu)化精度較高的信息。在一種具體應(yīng)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(yōu)解。以提高算法尋優(yōu)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(xì)說明。待完成信息分析處理后，將結(jié)果交由智能終端執(zhí)行[6-7]。

輔助控制硬件上主要包括現(xiàn)場和通信設(shè)備及后臺監(jiān)控，根據(jù)機(jī)器人掃描數(shù)據(jù)由TMS+XD聯(lián)合芯片進(jìn)行控制，將變電站開關(guān)柜環(huán)境數(shù)據(jù)導(dǎo)入檢測機(jī)中，同時掃描窗口并將數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)庫中。TMS芯片比如TMS320LF2407APG芯片或者TMS320F2806PZA芯片。該芯片作為一組應(yīng)用程序接口( API) ，能夠用于配置和控制片上外設(shè)，大大提高了開關(guān)柜故障診斷系統(tǒng)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(zhuǎn)換器電源芯片，能夠適應(yīng)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(jī)中設(shè)有離子遷移功能，通過分析SF6泄漏情況給出最終檢測結(jié)果，并對產(chǎn)生氣體泄漏設(shè)備進(jìn)行故障報修，完成離子遷移檢測進(jìn)度。整個SF6氣體泄漏檢測系統(tǒng)的設(shè)計能夠保證智能巡視機(jī)器人對SF6的快速反映[8-9]，對變電站開關(guān)柜氣體泄漏情況更加具有針對性，設(shè)計多個掃描窗口能夠避免氣體泄漏過多造成檢測機(jī)構(gòu)運行錯亂，加強(qiáng)了檢測系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

2 基于SF6的物理化學(xué)檢測技術(shù)

2.1 SF6分解機(jī)理

開關(guān)柜潛伏性故障局部放電(PD,partial discharge)和局部過熱(POT,local over-thermal)產(chǎn)生的能量將導(dǎo)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(xué)檢測技術(shù)，通過分析SF6分解產(chǎn)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(jù)SF6的分解機(jī)制，該研究提出概念圖了“區(qū)域模式”，將反應(yīng)區(qū)分為3個區(qū)域，即發(fā)光區(qū)、離子漂移區(qū)和主氣體體積，如圖2所示。

圖2 SF6的分解機(jī)制概念圖

如圖2所示，在發(fā)光區(qū)，電場強(qiáng)度很高，能量更集中。由于電子碰撞，SF6、H2O和O2將發(fā)生電離。SF6將在該地區(qū)分解并產(chǎn)生大量氟化物。該區(qū)域能夠?qū)⒉煌奈⒎肿影l(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過裂分成不同的化學(xué)微量元素實現(xiàn)氣體裂變，SF6、H2O和O2發(fā)生電離之后，將出現(xiàn)氟化物，該物體出現(xiàn)后，能夠從側(cè)面反映出開關(guān)柜潛伏性故障局部放電、或者局部過熱等多種數(shù)據(jù)問題，從視覺角度可以將宏觀的故障潛在問題轉(zhuǎn)換為微觀數(shù)據(jù)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(qū)是指輝光與平面陽極之間的區(qū)域，負(fù)離子在該區(qū)域的電場作用下漂移。在主氣量中，PD產(chǎn)生的一次分解產(chǎn)物會逐漸擴(kuò)散到主氣量中，然后發(fā)生氣相反應(yīng)或表面反應(yīng)，生成各種二次分解產(chǎn)物[11-12]。當(dāng)放電區(qū)域中有有機(jī)絕緣材料和金屬電極時，會產(chǎn)生碳化物。離子在電場中做加速運動時，很容易產(chǎn)生各種形式的碰撞，再結(jié)合物理學(xué)，通過動能定理進(jìn)而求出離子在漂移區(qū)的速度，通過這種方式能夠控制二次分解產(chǎn)物。這是由于速度不同，撞擊力度不同導(dǎo)致的產(chǎn)物不同的原因。

主氣體體積是根據(jù)上述方法的碰撞產(chǎn)生不同的結(jié)果，在具體應(yīng)用過程中，需要設(shè)置主氣體體積的閾值，當(dāng)超過一定的閾值，則提醒用戶氣體分解過多，需要進(jìn)行把控，當(dāng)?shù)陀陂撝禃r，可以適當(dāng)放松警惕，說明開關(guān)柜潛伏性故障局部放電或者過熱現(xiàn)象不是很明顯。

從以上分析可以看出，PD下SF6的分解反應(yīng)過程非常復(fù)雜，分解組分的形成特征也會受到各種環(huán)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(fù)雜，相關(guān)研究較少。然而，從之前的研究結(jié)果可以確定，SF6在PD和POT下常見的主要穩(wěn)定分解產(chǎn)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(chǎn)物的腐蝕。人工缺陷與瓷套管內(nèi)的高壓導(dǎo)線相連。設(shè)計了兩個加油口。一個用于實現(xiàn)SF6。另一個用于從燃燒室中吸收分解產(chǎn)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(guān)柜設(shè)備檢測過程。關(guān)于SF6熱分解室由一個真實的隔離開關(guān)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(jìn)行調(diào)節(jié)。PID控制器(比例-積分-微分控制器)，在控制架構(gòu)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(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域中，該控制技術(shù)是比較常見的反饋回路部件。通過該技術(shù)能夠?qū)OT下SF6分解室內(nèi)的氣體集中起來，并通過設(shè)置的參考值進(jìn)行對比、分析，將實際值與設(shè)置的閾值進(jìn)行對比分析。當(dāng)與設(shè)置的參考值之間存在的誤差不大時，則可以將該數(shù)據(jù)室內(nèi)的數(shù)據(jù)信息保持在參考值附近，下次依據(jù)該數(shù)據(jù)進(jìn)行參考。通過這種方式的控制，能夠使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定，提高數(shù)據(jù)判定能力。然后通過隔離開關(guān)室的接口采用SF6分解氣體[14]。之后，對PD與POT中化學(xué)氣體SF6分解進(jìn)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(huán)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(wěn)定的局部放電，將測試電壓設(shè)置為高于起始電壓，完成對SF6分解產(chǎn)物進(jìn)行采樣的準(zhǔn)備工作。

2.2 離子遷移法檢測SF6泄漏技術(shù)

根據(jù)變電站開關(guān)柜環(huán)境數(shù)據(jù)，該研究采用離子遷移法檢測SF6泄漏技術(shù)，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(guān)柜運行的影響，并記錄事件發(fā)生時間，為后續(xù)人工維護(hù)和檢修提供幫助，離子遷移技術(shù)原理如圖5所示。

圖5 離子遷移原理圖

將待檢測設(shè)備中氣體離子通過發(fā)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(fā)生電離發(fā)應(yīng)，形成分化性的多種離子。經(jīng)過電場的作用，氣體離子通過隔離門進(jìn)入漂移區(qū)，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(qū)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(qū)中完成分離，在采集區(qū)由收集板檢測[16-17]。變電站開關(guān)柜利用離子遷移法對泄漏的SF6氣體離子進(jìn)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(shù)能夠?qū)⒆冸娬鹃_關(guān)柜中SF6氣體遷移到分析儀中，通過電力設(shè)備允許泄漏SF6氣體濃度調(diào)整變電站開關(guān)柜閥門通道，更為有利于設(shè)備的安全操作。離子遷移技術(shù)在運行過程中通過分析變電站開關(guān)柜中SF6泄漏數(shù)據(jù)，對采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行波形轉(zhuǎn)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(jìn)行變電站開關(guān)柜環(huán)境分析，根據(jù)分析的氣體波譜和光聲信號建立圖形樣式，進(jìn)而建立傳感波形，電力正波轉(zhuǎn)換的波形一般為正弦或者余弦波形，波形數(shù)據(jù)主要來源為SF6泄漏離子，通過波形傳輸?shù)綒怏w分析儀中，最終通過差分能量檢測( DED,differential energy detection)算法完成尋優(yōu)填充操作[18-19]。

離子遷移法充分運用了現(xiàn)代波形控制系統(tǒng)和光聲感應(yīng)技術(shù)，通過多個技術(shù)功能實現(xiàn)SF6泄漏氣體的離子分析和波形轉(zhuǎn)換，最終以離子的形式編入算法程序中，實現(xiàn)變電站開關(guān)柜氣體泄漏的檢測，為輸配電系統(tǒng)的穩(wěn)定奠定基礎(chǔ)。根據(jù)離子遷移輸出波形分析SF6氣體函數(shù)，則氣體檢測數(shù)學(xué)模型表示為[20]：

(1)

式(1)中，t表示檢測氣體，H0表示預(yù)設(shè)SF6氣體濃度值，H1表示機(jī)器人檢測變電站開關(guān)柜內(nèi)部SF6濃度，y(t)表示氣體表達(dá)函數(shù)模型，n(t)表示內(nèi)部氣體存余量，h表示泄漏氣體變化系數(shù)，x(t)表示SF6泄漏變量函數(shù)。DED算法中對變電站開關(guān)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(shù)，N表示所需檢測設(shè)備數(shù)量，yi(t)表示單體設(shè)備檢測能量函數(shù)。將差分函數(shù)與變電站開關(guān)柜SF6氣體檢測模型函數(shù)集合處理，對檢測變電站開關(guān)柜中SF6氣體模型函數(shù)簡化如下：

(3)

式(3)中，λ表示氣體標(biāo)準(zhǔn)差分能量值。根據(jù)變電站開關(guān)柜運行中可能出現(xiàn)的SF6氣體泄漏故障，通過DED算法估算氣體運行時間，根據(jù)填充氣體量估算實際效率，其表達(dá)式為[21]：

(4)

根據(jù)式(4)中SF6氣體泄漏對變電站開關(guān)柜運行效率估計值，利用概率學(xué)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(guān)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(guān)柜氣體顯示量。

經(jīng)過概率和估算了解變電站開關(guān)柜可能出現(xiàn)氣體泄漏情況，實際運行中SF6氣體泄漏和填充規(guī)律如下：

(6)

式(6)中，Pf表示實際運行中變電站開關(guān)柜SF6氣體量值，Pr表示變電站開關(guān)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(guān)柜運行影響效率。

通過DED算法對變電站開關(guān)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(tǒng)更為精確了解變電站開關(guān)柜實際運行狀況，對SF6氣體室外和室內(nèi)濃度比較給予參考價值，提高本研究檢測系統(tǒng)對SF6氣體運行的可行性。

3 試驗結(jié)果與分析

開關(guān)柜設(shè)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(chǎn)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(guān)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(guān)柜中SF6氣體分解產(chǎn)物泄漏進(jìn)行檢測實驗。實驗室配置采用i8系列雙核計算機(jī)，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(tǒng)對變電站開關(guān)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(jìn)行試驗，輸入頻率為30 kHz，鋸齒波和正弦波正負(fù)為1，光強(qiáng)為14.0 cd，氣體濃度為50 mol/mL，氣壓為1 kPa，SF6分解產(chǎn)物成分檢測仿真模型如圖7所示。

圖7 SF6分解產(chǎn)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(xué)檢測技術(shù)實驗架構(gòu)

為了得出SF6分解產(chǎn)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(chǎn)物的強(qiáng)度，如圖9所示。

圖9 SF6氣體分解產(chǎn)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(guān)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(qiáng)度最高，這說明其在SF6分解產(chǎn)物中化學(xué)運動最為活躍，該成分濃度最高。

根據(jù)2.1中所描述的內(nèi)容，此次實驗將以SF6分解產(chǎn)物成分SOF2的濃度作為評判指標(biāo)，其濃度越高，說明變電站開關(guān)柜潛伏性故障局部放電和局部過熱產(chǎn)生的能量越大，其損壞的可能性也越高[25]。關(guān)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(jù)來源為SF6泄漏離子，通過氣體波譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到屏幕中顯示出的SF6分解產(chǎn)物泄漏SOF2的具體濃度數(shù)值，最終通過差分能量檢測算法完成尋優(yōu)填充操作。為了體現(xiàn)該研究氣體濃度檢測方法的適用性，以文獻(xiàn)[4]與文獻(xiàn)[5]檢測方法最為參照對象，通過在不同開關(guān)柜工作電能環(huán)境下，統(tǒng)計各檢測系統(tǒng)其檢測氣體SOF2濃度的精度結(jié)果如表1所示。

表1 SOF2濃度的檢測精度結(jié)果

參照表1中的數(shù)據(jù)結(jié)果并啟動計算機(jī)仿真軟件，得到3種檢測系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)3種檢測方法隨開關(guān)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(dá)到最低，此時為89.57%；文獻(xiàn)[4]的檢測方法與該研究變化規(guī)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(dá)到最低，此時為86.09%；文獻(xiàn)[5]設(shè)計的檢測系統(tǒng)呈波動性變化，在工作電能為1 200 kW時達(dá)到波峰，此時最高精度為85.56%，在工作電能為3 300 kW達(dá)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(guān)柜通過分析SF6分解產(chǎn)物來檢測開關(guān)柜故障原因具有明顯效果，根據(jù)實驗表明該研究方法檢測精確度最高，體現(xiàn)出該研究檢測方法的優(yōu)越性。

4 結(jié)束語

SF6等氣體分子分解衍生物會腐蝕變電站設(shè)備，很容易導(dǎo)致絕緣性能下降，并對設(shè)備的安全穩(wěn)定運行造成嚴(yán)重?fù)p害。為此，本文對變電站開關(guān)柜進(jìn)行故障分析，采用離子遷移檢測SF6泄漏技術(shù)，對變電站開關(guān)柜設(shè)備環(huán)境中含有的SF6離子進(jìn)行頻譜和波形變換，方便判斷開關(guān)柜內(nèi)部具體SF6變化規(guī)律。利用DED算法比較開關(guān)柜運行中內(nèi)外SF6氣體離子的濃度，根據(jù)概率結(jié)果顯示，制定最佳氣體填充量。通過對氣體檢測系統(tǒng)進(jìn)行測試，根據(jù)反饋結(jié)果記錄分析，表明本設(shè)計氣體泄漏檢測方法具有明顯優(yōu)勢。但在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，存在對開關(guān)柜氣體泄漏修復(fù)程序繁瑣等問題仍待解決。