六氟化硫氣體取樣分析及尾氣回收處理系統(tǒng)研究

王 唯,朱 勇,雍明月,單亞雄,汪 奇

(北京電力工程有限公司,北京 100076)

0 引言

因?yàn)榱?SF6)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,所以被廣泛應(yīng)用于電氣系統(tǒng)中。但在電氣系統(tǒng)的大功率電弧作用下,SF6往往被分解為二氟化硫、四氟化硫和氟氣等化學(xué)物質(zhì)[1]。一旦SF6氣體發(fā)生泄漏,會造成周圍的人員中毒,還會對環(huán)境造成影響以及增強(qiáng)溫室效應(yīng)。

文獻(xiàn)[2]采用被動傅立葉變換紅外吸收(Fourier transform infrared reflectance,FTIR)光譜儀紅外遙測技術(shù),通過研究不同測量參數(shù)與儀器信噪比的關(guān)系,判斷SF6氣體是否泄漏,確保了氣體檢測的下限和檢測時間。但該技術(shù)抗干擾能力較弱,無法規(guī)避背景氣體的影響。文獻(xiàn)[3]采用了小波分析法檢測SF6氣體的泄漏。該方法首先通過小波變換對信號、圖像進(jìn)行分解,再通過小波變換去除背景氣體的干擾,提高了氣體檢測的準(zhǔn)確度。但該方法只考慮SF6氣體的取樣分析,未考慮具體的回收氣體環(huán)節(jié)。

根據(jù)上述問題,本文設(shè)計(jì)了1種SF6氣體取樣分析和尾氣回收處理系統(tǒng),將SF6氣體取樣分析和氣體回收環(huán)節(jié)一體化。該系統(tǒng)采用了差分光聲光譜法實(shí)現(xiàn)了高效的氣體檢測,并通過粒子濾波算法改進(jìn)了氣體預(yù)警模型。這保證了SF6氣體取樣分析的精準(zhǔn)性、快速性,實(shí)現(xiàn)了尾氣回收處理,保障了用戶人身安全和環(huán)境安全。

1 氣體取樣分析及尾氣回收處理系統(tǒng)

面對SF6氣體可能發(fā)生泄漏的情況,不僅應(yīng)針對相關(guān)電器開展SF6氣體取樣分析,以防止SF6氣體泄漏造成損害,還應(yīng)對SF6氣體進(jìn)行尾氣回收,以提取SF6氣體的剩余價值。為了處理技術(shù)難題,本文設(shè)計(jì)了一套新型的SF6氣體取樣分析及尾氣回收處理系統(tǒng),以著重檢測SF6易出現(xiàn)的工業(yè)故障,從而減小損失。在此基礎(chǔ)上,本文設(shè)計(jì)了基于粒子濾波狀態(tài)估計(jì)的故障預(yù)警算法,以保障系統(tǒng)預(yù)警功能,從而達(dá)到早發(fā)現(xiàn)早處理的效果。此外,本文在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了尾氣回收的功能,以確保多余尾氣可以得到回收利用。SF6氣體取樣分析系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 取樣分析系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

由圖1可知,SF6取樣分析及尾氣回收處理系統(tǒng)主要由3個系統(tǒng)模塊組成,分別為預(yù)警分析系統(tǒng)、取樣分析系統(tǒng)及尾氣回收系統(tǒng)。預(yù)警分析系統(tǒng)和取樣分析系統(tǒng)對從電氣設(shè)備獲得的信息進(jìn)行處理,并將處理結(jié)果傳給尾氣回收系統(tǒng)。尾氣回收系統(tǒng)決定是否對SF6氣體進(jìn)行回收處理,并將結(jié)果上傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的數(shù)據(jù)會通過暫存的數(shù)據(jù)庫提交至控制中心。用戶可以在用戶中心進(jìn)一步處理電氣設(shè)備的后續(xù)狀態(tài)。

在實(shí)際運(yùn)行過程中,電氣設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜。某一構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和位置變化都可能造成設(shè)備操作變形,影響內(nèi)部電磁場分布,從而引起絕緣放電或其他事故。尤其是在使用SF6氣體的電氣設(shè)備中,精細(xì)的觸頭結(jié)構(gòu)可能造成設(shè)備短路、斷路等事故。對此,應(yīng)該在系統(tǒng)中具體關(guān)注電流微元受力情況。

靜觸頭固定在支撐柱的一端。動觸頭與操作桿連接可以前后移動。針對出現(xiàn)的觸頭接觸異常故障,其可能存在的原因?yàn)?分合閘操作過于頻繁會使彈性系數(shù)下降,引起接觸不良,導(dǎo)致彈簧結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常;過載運(yùn)行時設(shè)備觸頭流經(jīng)幅值較大的電流,使觸頭面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化;觸頭設(shè)計(jì)不合理,使靜觸頭和動觸頭不完全匹配。電氣設(shè)備正常運(yùn)行時,感應(yīng)電流在交變磁場中受到電磁力的作用。金屬外殼中電流微元受力分析如圖2所示。

圖2 金屬外殼中電流微元受力分析示意圖

圖2中:R1為導(dǎo)線到微元的距離;F為設(shè)備金屬外殼中受到的電磁力;i為電流的朝向。

本文設(shè)定磁場分布均勻。導(dǎo)體中流過的電流為:

i0=I0cos(wt)

(1)

式中:I0為初始電流;w為工頻;t為時間。

設(shè)備金屬外殼中受到的電磁力可表示為:

(2)

式中:B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;L為磁場中直導(dǎo)線的長度;S為微元的橫截面積;μ0為真空磁導(dǎo)率;μr為相對磁導(dǎo)率;Req為導(dǎo)體阻抗;R1為導(dǎo)線到微元的距離[4]。

根據(jù)圖2可知,長期受交變磁場的影響,機(jī)械操縱系統(tǒng)極有可能出現(xiàn)不響應(yīng)、誤動和合閘不到位的情況。所以在實(shí)際運(yùn)行過程中,需要時刻關(guān)注電流微元的受力情況。

2 基于差分光聲光譜法的分析方法

高壓開關(guān)設(shè)備發(fā)生氣體泄漏故障時會產(chǎn)生少量SF6氣體。傳統(tǒng)的光聲光譜技術(shù)不能在大氣條件下實(shí)現(xiàn)萬億分比濃度或十億分比濃度量級的SF6氣體檢測,也存在無法檢測流動SF6氣體的缺陷。為提高系統(tǒng)對電氣設(shè)備氣體泄漏故障的檢測精度、避免空氣自身光聲效應(yīng)的干擾,本文采用差分吸收光聲光譜的技術(shù)實(shí)現(xiàn)對流動SF6氣體的檢測[5]。同時,為了及時、有效地對設(shè)備故障進(jìn)行預(yù)警,以反映電氣設(shè)備的狀態(tài)隨著時間而變化的特性,本文還采用了濾波算法直接對電器設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行變量預(yù)算,并擴(kuò)展了卡爾曼濾波法,使系統(tǒng)可以對非線性的電氣系統(tǒng)進(jìn)行線性化[6]。差分光聲光譜法氣體檢測系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 差分光聲光譜法氣體檢測系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

由圖3可知,壓力控制器以氮?dú)鉃閯恿刂屏ㄩy,并通過六通閥實(shí)現(xiàn)對取樣回路以及檢測模塊的信息交流。六通閥首先對待檢測的SF6氣體進(jìn)行定量進(jìn)樣;然后由取樣回路通過燈絲、斬波器、濾光片等裝置將其采集到的樣本傳輸至色譜柱,進(jìn)一步傳輸至固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell,SOFC)傳感器,并在前端控制器的輔助下通過鎖相放大器對處理后的信息進(jìn)行放大;最后信息傳輸至數(shù)字信號處理(digital signal process,DSP)芯片,由DSP芯片處理信息后將信息傳給預(yù)警模塊,并將信息反饋給氣體處理系統(tǒng)。

為使氣體檢測的微弱信號放大至合適的電壓以進(jìn)行釆樣,本文設(shè)置了基于INA163芯片的前置放大電路。INA163放大器是將4個高精度電阻器對和片上電磁干擾(electromagnetic interference,EMI)濾波與1個低失真、高輸出電流、雙路音頻運(yùn)算放大器集成在一起的裝置,對電路噪聲有很強(qiáng)的抑制能力。主芯片工作頻率為200 MHz。1 024點(diǎn)復(fù)合快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)執(zhí)行時間為46 μs,并且具有良好的動態(tài)響應(yīng)[7]。

前置放大采樣電路如圖4所示。

圖4 前置放大采樣電路

在具體工作時,本文研究的差分光聲光譜法利用了分子紅外吸收光譜技術(shù),在SF6光聲池中充入一定濃度的SF6氣體作為SF6的測量底氣,并在調(diào)制光源照射光聲池的光程中額外附加了1個特制的光聲池。待測SF6氣體光聲池內(nèi)會發(fā)生吸收效應(yīng),吸收并削弱與待測SF6氣體濃度相對應(yīng)的光能量[8]。通過測量經(jīng)待測SF6氣體吸收后底氣的光聲信號變化,可以有效檢測電氣設(shè)備中的SF6氣體泄漏故障。當(dāng)帶有一定濃度的SF6氣體通過光聲池時,會引起激發(fā)態(tài)分子數(shù)的變化。此時,光聲信號的強(qiáng)弱也會同步變化。這個過程可表示為:

(3)

式中:ΔH(r,t)為氣體焓變量;N′0為SF6底氣的激發(fā)態(tài)分子數(shù);N′1為通過光聲池后的激發(fā)態(tài)分子數(shù);Anr為光通量;E′為能量變化。

ΔH(r,t)與檢測的SF6氣體濃度同步發(fā)生變化,故能反映待測SF6氣體的濃度信息。由于SF6光聲檢測系統(tǒng)所產(chǎn)生的光聲信號很微弱,而靈敏度越高的傳聲器檢測出的光聲信號幅值越大,所以設(shè)備氣體泄漏故障檢測精度得到提升。DSP芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 DSP芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

本文采用了DSP芯片,結(jié)合粒子濾波算法進(jìn)行預(yù)警。DSP芯片內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛算法,具有專門的乘法器,通過提供特殊的DSP指令,可以快速地實(shí)現(xiàn)各種信號的算法處理。

本文通過構(gòu)建設(shè)備狀態(tài)空間模型,基于粒子濾波算法,對卡爾曼濾波法進(jìn)行擴(kuò)展。該模型通過比較狀態(tài)變量實(shí)時測量值與狀態(tài)估計(jì)值得到殘差值,對氣體泄漏進(jìn)行預(yù)警。同時,該模型加入自適應(yīng)閾值方法檢測設(shè)備故障,以避免因模型誤差以及噪聲的干擾造成誤報(bào)警。

本文采用粒子濾波算法對卡爾曼濾波法進(jìn)行了擴(kuò)展。本文對氣體系統(tǒng)狀態(tài)變量預(yù)估的過程分為3個階段,即狀態(tài)預(yù)測、狀態(tài)更新和重采樣。通過擴(kuò)展的卡爾曼濾波法對初值誤差具有修正作用,可以使精準(zhǔn)度更高[9]。

①狀態(tài)預(yù)測。本文設(shè)定0時刻的狀態(tài)概率函數(shù)為P(|xt-1|yt-1),從系統(tǒng)中采用N個不同的xt-1(i)取值,并分別加權(quán)wt-1(i)。

從中產(chǎn)生的預(yù)測概率為P(|xt|yt-1)的新值為:

(4)

②狀態(tài)更新。狀態(tài)的更新取決于歷史值對新時刻狀態(tài)的預(yù)測。在獲取到最新觀測值yt后,可確定觀測值的權(quán)重。

(5)

(6)

經(jīng)過上述3個環(huán)節(jié),即可通過變量的估計(jì)值與實(shí)際值的插值對電氣設(shè)備進(jìn)行預(yù)警。

(7)

至此,系統(tǒng)完成對電氣設(shè)備的預(yù)警。

實(shí)際運(yùn)行中,隨著負(fù)載的變化,天然存在不為0的數(shù)據(jù)殘差。此時,為避免設(shè)備正常運(yùn)行時誤預(yù)警,可以引入自適應(yīng)閾值來降低其他環(huán)境干擾。

電氣設(shè)備的自適應(yīng)閾值如圖6所示。

圖6 自適應(yīng)閾值

通過自適應(yīng)閾值方法,可以有效避免其他干擾因素影響變量差值的變化。對此,本文利用電氣設(shè)備運(yùn)行時的狀態(tài)變量數(shù)據(jù),采用粒子濾波算法,通過比較當(dāng)前實(shí)際測量值和狀態(tài)變量估計(jì)值計(jì)算出變量殘差,取得狀態(tài)預(yù)警指標(biāo);結(jié)合自適應(yīng)閾值,實(shí)現(xiàn)對電氣設(shè)備故障的檢測。當(dāng)設(shè)備狀態(tài)的某一變量殘差超過自適應(yīng)閾值時,表示設(shè)備出現(xiàn)故障模型并發(fā)出報(bào)警。此時,系統(tǒng)獲得了較好的魯棒性和實(shí)用性[10]。

3 尾氣回收處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文根據(jù)環(huán)保的原則,在電氣設(shè)備中添加了SF6氣體的過濾、調(diào)壓、計(jì)量及回收的尾氣回收系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高效低溫預(yù)冷卻裝置,加速回收氣體的液化、提高回收的效率,以提升用戶經(jīng)濟(jì)效益、降低原料能耗、減少有毒氣體或污染物的排放[11-13]。通過對SF6氣體取樣分析及尾氣回收處理系統(tǒng)和基于差分光聲光譜法的SF6氣體分析系統(tǒng)的集成,使得SF6氣體得到了循環(huán)利用和準(zhǔn)確計(jì)量,并且實(shí)現(xiàn)了SF6氣體取樣分析及尾氣回收處理一體化設(shè)計(jì),節(jié)約了工程投資,提高了電氣設(shè)備的可靠系數(shù),維護(hù)了用戶和環(huán)境的安全。尾氣回收處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 尾氣回收處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖7可知,尾氣回收處理系統(tǒng)主要采用了冷凝循環(huán)處理的原理,實(shí)現(xiàn)了SF6氣體的回收利用。從電器設(shè)備回收的氣體通過氣泵來到分離器。分離器將SF6氣體和其他雜質(zhì)氣體分開,并分別進(jìn)行處理。SF6氣體經(jīng)過預(yù)冷器先液化一部分,再由氣體循環(huán)處理器抽走氣體中的空氣和水分,使儲存氣體循環(huán)干燥凈化、冷凍固化提純。經(jīng)過多重循環(huán)處理,回收處理系統(tǒng)將潔凈的氣體完全液化處理,經(jīng)由回收儲罐輸送管道輸送給電器設(shè)備或其他儲罐。而設(shè)備中的其他雜質(zhì)氣體經(jīng)過廢棄過濾塔的無害化處理,由控制中心分類,對雜質(zhì)進(jìn)行排放處理或深埋處理。

隨著國家對環(huán)保的大力推廣以及“雙碳”目標(biāo)的提出,節(jié)約資源、環(huán)境友好成為廣大電氣設(shè)備的建造標(biāo)準(zhǔn)。本文設(shè)計(jì)的尾氣回收處理系統(tǒng)積極開展SF6氣體的凈化處理,在進(jìn)行氣體取樣分析、預(yù)警處理的同時對尾氣進(jìn)行回收處理。這推進(jìn)了SF6氣體的可循環(huán)利用,提高了電氣設(shè)備的處理效率,保證了電力工業(yè)的健康發(fā)展。

4 試驗(yàn)與分析

文獻(xiàn)[2]采用被動FTIR紅外遙測技術(shù)判斷SF6氣體是否泄漏。文獻(xiàn)[3]采用小波分析法來檢測SF6氣體的泄漏。為驗(yàn)證本文系統(tǒng)的取樣分析、預(yù)警處理和尾氣回收的能力,本文分別以文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)建立對照試驗(yàn),對比3種系統(tǒng)對SF6氣體電器的綜合處理性能。搭建的試驗(yàn)平臺如下:252 kV帶隔離開關(guān)的SF6電氣設(shè)備1臺;電流源為FCG-3000/5的數(shù)字式大電流發(fā)生器1臺;取樣分析模塊、預(yù)警分析模塊、尾氣回收模塊各1個。分析模塊具體參數(shù)為色譜柱,帶放大電路。預(yù)警模塊具體參數(shù)為C60701 DSP芯片?；厥漳K具體參數(shù)為氣體循環(huán)處理器、預(yù)冷器。試驗(yàn)架構(gòu)如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)架構(gòu)示意圖

為了模擬實(shí)際故障情況,本文主要在試驗(yàn)過程中對電流進(jìn)行處理。試驗(yàn)過程中,電流從0開始增加,每次增加200 A,最大電流增加到1 000 A。隨著電流的增加,SF6氣體溢出的可能性越來越大,電氣設(shè)備中共有50個單位的SF6氣體。不同電流狀態(tài)下的氣體分析狀況如表1所示。

表1 不同電流狀態(tài)下的氣體分析狀況

通過對表1的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整理仿真,得到如圖9所示的取樣分析能力對比圖。

圖9 取樣分析能力對比圖

由圖9可知,本文系統(tǒng)在面對SF6氣體設(shè)備時可以有效地分析出SF6氣體的具體含量。同時,通過記錄上述試驗(yàn)過程中3個系統(tǒng)分析SF6氣體速度的快慢,也能得到本文系統(tǒng)在分析預(yù)警方面有著較大的領(lǐng)先優(yōu)勢。文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)檢測到的SF6氣體略低于實(shí)際值。當(dāng)電流增加到1 000 A時,其氣體分析預(yù)警存在明顯的滯后性,處理能力不如本文系統(tǒng)。

回收氣體能力對比如圖10所示。

圖10 回收氣體能力對比圖

為驗(yàn)證本文系統(tǒng)對SF6氣體的回收效果,本文利用回收儲罐分別計(jì)算3個系統(tǒng)在不同電壓下的SF6氣體回收能力。由圖10可知,SF6氣體的回收試驗(yàn)使用預(yù)冷凝技術(shù)的尾氣回收系統(tǒng),可以有效回收SF6氣體。其整體回收效益要優(yōu)于文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。

5 結(jié)論

本文建立了SF6氣體取樣分析及尾氣回收處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過功能模塊化和集成3個模塊形成系統(tǒng)化的智能運(yùn)維方案,能夠根據(jù)不同的電氣設(shè)備所處的特征設(shè)置不同的運(yùn)行參數(shù)。本文使用基于差分光聲光譜法對電氣設(shè)備發(fā)生的氣體泄漏進(jìn)行取樣分析,使氣體系統(tǒng)能夠高精度地進(jìn)行SF6氣體檢測;在此基礎(chǔ)上,提出基于粒子濾波算法的狀態(tài)變量估計(jì)方法,利用狀態(tài)空間模型表示多狀態(tài)間的非線性關(guān)系,通過計(jì)算狀態(tài)變量殘差實(shí)現(xiàn)對故障的預(yù)警,免除了系統(tǒng)對正常運(yùn)行的誤報(bào)警。本文進(jìn)一步集成了尾氣回收處理模塊,通過預(yù)先液化的方式加快了尾氣處理的速度,并通過回收循環(huán)的方式提高了SF6氣體再循環(huán)使用的閾值。

然而,本文研究仍存在一些不足之處。由于本文研究采用了功能一體化的設(shè)計(jì),在設(shè)備發(fā)生多故障時如何準(zhǔn)確地進(jìn)行故障診斷仍有待進(jìn)一步研究。