本發(fā)明屬于SF₆氣體絕緣類電力設(shè)備現(xiàn)場運(yùn)行中基于電化學(xué)傳感器的SF₆分解氣體檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種電化學(xué)傳感器檢測SF₆分解氣體的矩陣計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

電力系統(tǒng)為國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)大的能源后盾，而電氣設(shè)備作為電力系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，其可靠性是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的保證。SF₆氣體絕緣類電力設(shè)備具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、絕緣性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于特高壓和超高壓電力系統(tǒng)中。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，隨著電力系統(tǒng)電壓等級的不斷提高以及特高壓和超高壓電力設(shè)備的普及應(yīng)用，電力系統(tǒng)中發(fā)生的絕緣事故率呈現(xiàn)顯著增加的趨勢。因此對大型高壓等級SF₆氣體絕緣類電力設(shè)備進(jìn)行有效的狀態(tài)評估和故障診斷，預(yù)防在運(yùn)設(shè)備可能發(fā)生的故障并快速修復(fù)故障，對保障電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行有著重要的意義。

檢測SF₆分解氣體作為對SF₆氣體絕緣類電力設(shè)備進(jìn)行故障診斷的重要方法之一，相對于其它方法，其主要優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性好、靈敏度高且可完成定性定量分析，適合于現(xiàn)場使用；且隨著電力設(shè)備內(nèi)部缺陷的存在和發(fā)展，SF₆分解氣體的量也將逐漸累積，該方法非常適合于長期監(jiān)測。但對SF₆設(shè)備分解氣體與絕緣缺陷狀況之間的關(guān)系，還缺乏完善而有效的原理、方法及判斷標(biāo)準(zhǔn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于此，本發(fā)明的目的在于提供了一種電化學(xué)傳感器檢測SF₆分解氣體的矩陣計(jì)算方法；

所述方法包含以下步驟：

S100、選取SF₆分解氣體的氣體流量、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、氣體種類和氣體濃度作為電化學(xué)傳感器檢測SF₆分解氣體的基本對象；

S200、以不同氣體流量、環(huán)境溫度和環(huán)境濕度下的電化學(xué)傳感器檢測結(jié)果為基礎(chǔ)，提取特征參量，并進(jìn)行曲線擬合，得到電化學(xué)傳感器的濕度校正曲線、溫度補(bǔ)償曲線和線性特性曲線，進(jìn)而建立電化學(xué)傳感器信號矩陣；

S300、采用多組具有不同的氣體濃度和氣體種類的混合氣體對步驟S200中建立的電化學(xué)傳感器信號矩陣進(jìn)行驗(yàn)證。

本發(fā)明所公開的方法，可以有效的減弱環(huán)境因素對于傳感器檢測結(jié)果的影響，并準(zhǔn)確可靠的檢測SF₆分解氣體的組分和濃度，為研制SF₆分解物在線監(jiān)測系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例中所構(gòu)建的適用于電化學(xué)傳感器檢測SF₆分解氣體的信號矩陣方法的流程圖；

圖2(a)為本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例中CO電化學(xué)傳感器的線性特性曲線；圖2(b)為本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例中SO₂電化學(xué)傳感器的線性特性曲線；圖2(c)為本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例中H₂S電化學(xué)傳感器的線性特性曲線；

圖3(a)為本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例中CO電化學(xué)傳感器的溫度特性曲線；圖3(b)為本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例中SO₂電化學(xué)傳感器的溫度特性曲線；圖3(c)為本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例中H₂S電化學(xué)傳感器的溫度特性曲線；圖3(d)為本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例中SO₂電化學(xué)傳感器對H₂S氣體做出響應(yīng)曲線；

圖4(a)為本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例中CO電化學(xué)傳感器的溫度補(bǔ)償曲線；圖4(b)為本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例中SO₂電化學(xué)傳感器的溫度補(bǔ)償曲線；圖4(c)為本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例中H₂S電化學(xué)傳感器的溫度補(bǔ)償曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說明；

在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明公開了一種電化學(xué)傳感器檢測SF₆分解氣體的矩陣計(jì)算方法；

所述方法包含以下步驟：

S100、選取SF₆分解氣體的氣體流量、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、氣體種類和氣體濃度作為電化學(xué)傳感器檢測SF₆分解氣體的基本對象；

S200、以不同氣體流量、環(huán)境溫度和環(huán)境濕度下的電化學(xué)傳感器檢測結(jié)果為基礎(chǔ)，提取特征參量，并進(jìn)行曲線擬合，得到電化學(xué)傳感器的濕度校正曲線、溫度補(bǔ)償曲線和線性特性曲線，進(jìn)而建立電化學(xué)傳感器信號矩陣；

S300、采用多組具有不同的氣體濃度和氣體種類的混合氣體對步驟S200中建立的電化學(xué)傳感器信號矩陣進(jìn)行驗(yàn)證。

本實(shí)施例公開了一種電化學(xué)傳感器檢測SF₆分解氣體的矩陣計(jì)算方法，如圖1所示：步驟如下：選取氣體流量、環(huán)境溫度和環(huán)境濕度、氣體種類和氣體濃度作為電化學(xué)傳感器檢測SF₆分解氣體的基本對象；以不同影響因素下的傳感器檢測結(jié)果為基礎(chǔ)，提取特征參量并進(jìn)行曲線擬合，建立傳感器信號矩陣方法；采用多組分混合氣體對信號矩陣進(jìn)行驗(yàn)證，對所述方法的可靠性和準(zhǔn)確性進(jìn)行評估。所述方法能夠有效的減弱環(huán)境因素對于傳感器檢測結(jié)果的影響，準(zhǔn)確可靠的檢測SF₆分解氣體的組分和濃度，為研制SF₆分解物在線監(jiān)測系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

在一個(gè)實(shí)施例中，步驟S100中所述氣體流量是指SF₆分解氣體通過電化學(xué)傳感器的流量；

步驟S100中所述的環(huán)境溫度和環(huán)境濕度是指：電化學(xué)傳感器在檢測過程中，所處檢測環(huán)境中SF₆分解氣體的溫度和濕度。

在本實(shí)施例中，所述氣體通過傳感器的流量是指：SF₆分解氣體是以流動的方式進(jìn)行循環(huán)運(yùn)動，在一定的氣體流量下通過傳感器并進(jìn)行檢測；將熱電偶和濕度傳感器置于檢測氣體中來檢測分解氣體的溫度和濕度。

在一個(gè)實(shí)施例中，步驟S300中所述不同的氣體濃度能夠通過質(zhì)量流量控制器控制氣體體積得到；

所述的不同的氣體種類包括背景氣體SF₆、特征氣體CO、SO₂和H₂S中的一種或多種。

在本實(shí)施例中，所述分解氣體包括背景氣體和特征氣體，分別使用不同的電化學(xué)傳感器來檢測不同的分解氣體的濃度。通過質(zhì)量流量控制器來控制SF₆分解氣體的濃度，從而獲得不同濃度的實(shí)驗(yàn)所需的氣體。所述背景氣體可以包括特征氣體中的一種或者多種，也可以包括背景氣體與特征氣體中的一種和多種。

在一個(gè)實(shí)施例中，步驟S100中選取的氣體流量為0-2L/min，環(huán)境溫度為0-60℃，環(huán)境濕度為0-95％RH。

在本實(shí)施例中，氣體流量是根據(jù)傳感器的工作參數(shù)來選取的，環(huán)境溫度和濕度是結(jié)合電力設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境和傳感器的工作條件來選取的。

在一個(gè)實(shí)施例中，利用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)對所述氣體流量進(jìn)行控制，并利用電化學(xué)傳感器對不同流量下的氣體進(jìn)行檢測；

利用熱電偶對所述環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測，并利用絕緣加熱板對SF₆分解氣體進(jìn)行加熱來改變電化學(xué)傳感器的周邊環(huán)境溫度；

利用濕度傳感器對所述環(huán)境濕度進(jìn)行監(jiān)測，并利用加濕器改變電化學(xué)傳感器的周邊環(huán)境濕度。

在本實(shí)施例中，所述玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)也可以使用其他測量氣體流量的儀器來替代，如氣體質(zhì)量控制器；所述分解氣體可以放到真空干燥箱中進(jìn)行恒溫加熱，并通過調(diào)節(jié)干燥箱上的溫度值來改變分解氣體周邊的溫度，進(jìn)而進(jìn)行氣體溫度的監(jiān)測。

電化學(xué)傳感器的輸出信號和環(huán)境溫度有著密切的關(guān)系，為研究環(huán)境溫度對不同電化學(xué)傳感器輸出電流信號的影響關(guān)系，通過在檢測罐體內(nèi)配置不同組分和濃度的實(shí)驗(yàn)氣體，并采用絕緣加熱板來改變檢測罐體內(nèi)部的環(huán)境溫度，分別在溫度為10℃，20℃，30℃，40℃，50℃時(shí)進(jìn)行測試，獲取了不同電化學(xué)傳感器的溫度特性。

在一個(gè)實(shí)施例中，步驟S200中，所述特征參量包括較佳測試氣體流量F₀、較佳測試環(huán)境濕度H₀和較佳測試環(huán)境溫度T₀。

在本實(shí)施例中，參考了浙江大學(xué)論文‘定點(diǎn)位點(diǎn)解二氧化硫在線監(jiān)測儀的研究’中第68-69頁來研究較佳測試氣體流量F₀；在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、環(huán)境溫度20℃下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用SF₆氣體檢測罐體配置不同組分和濃度的實(shí)驗(yàn)氣體，獲取了不同氣體種類傳感器的線性特性，從圖2(a)-2(c)中可以看出，不同氣體種類電化學(xué)傳感器的輸出電流信號和其對應(yīng)的目標(biāo)氣體濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)SO₂傳感器會對H₂S氣體做出響應(yīng)，兩者之間也存在一定的線性關(guān)系，得出不同電化學(xué)傳感器的輸出電流信號和氣體濃度之間的線性關(guān)系式為I＝aC+b，電化學(xué)傳感器線性特性如表1所示。

表1電化學(xué)傳感器的線性特性

在本實(shí)施例中，參考了浙江大學(xué)論文‘定點(diǎn)位點(diǎn)解二氧化硫在線監(jiān)測儀的研究’中第69-70頁來研究較佳測試環(huán)境溫度，通過在檢測罐體內(nèi)配置不同組分和濃度的實(shí)驗(yàn)氣體，并采用絕緣加熱板來改變檢測罐體內(nèi)部的環(huán)境溫度，分別在溫度為10℃，20℃，30℃，40℃，50℃時(shí)進(jìn)行測試，獲取了不同電化學(xué)傳感器的溫度特性，如圖3(a)-3(d)所示：圖中橫坐標(biāo)表示傳感器的周邊環(huán)境溫度(℃)，采用絕緣加熱板對罐體內(nèi)氣體進(jìn)行加熱，并由熱電偶進(jìn)行實(shí)時(shí)測定，經(jīng)過30分鐘恒溫后，認(rèn)為傳感器周邊環(huán)境已經(jīng)達(dá)到該溫度；縱坐標(biāo)表示傳感器輸出電流信號(mA)，由數(shù)顯毫安電流表實(shí)時(shí)測定。

當(dāng)氣體濃度不變時(shí)，環(huán)境溫度的改變會影響電化學(xué)傳感器的輸出電流信號，且不同氣體種類傳感器的溫度特性存在一定差異。圖3(a)顯示出CO電化學(xué)傳感器的輸出電流信號隨著環(huán)境溫度的升高而減??；圖3(b)和3(c)顯示出SO₂和H₂S電化學(xué)傳感器的輸出電流信號隨著環(huán)境溫度的升高而增大；圖3(d)顯示出SO₂電化學(xué)傳感器對H₂S氣體做出響應(yīng)，且其輸出信號隨著環(huán)境溫度的升高而變大。

在本實(shí)施例中，參考了大連理工大學(xué)碩士論文‘流速和濕度對氣體傳感器及電子鼻的影響研究’中第34-45頁對較佳測試環(huán)境濕度H₀進(jìn)行研究。

在一個(gè)實(shí)施例中，步驟S200中所述的曲線擬合所使用的方法包括最小二乘法。

在本實(shí)施例中，還可以使用其他合適的方法進(jìn)行曲線擬合，這里不作限定，利用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合后，會得到電化學(xué)傳感器的濕度校正曲線、溫度補(bǔ)償曲線和線性特性曲線；

溫度補(bǔ)償曲線為：

Q_CO＝1.00101+0.0006123T-0.00002980T²

$Q_{{\mathrm{SO}}_2}=1.01002-0.0011700T+0.00004893T^2$

$Q_{H_{2}S}=0.99371-0.0006948T+0.00004211T^2;$

其中，Q_CO、代表當(dāng)前溫度下不同傳感器輸出信號與20℃下輸出信號的比值；T表示環(huán)境溫度值(℃)；從圖4(a)-4(c)中可以看出，CO電化學(xué)傳感器具有負(fù)的溫度特性，SO₂和H₂S傳感器具有正的溫度特性。

線性特性曲線為：I＝aC+b，其中，I為傳感器的輸出電流，C為目標(biāo)氣體的氣體濃度，a為傳感器輸出電流與目標(biāo)氣體濃度之間的比例系數(shù)，b為當(dāng)目標(biāo)氣體濃度為0時(shí)傳感器的輸出電流。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述較佳測試氣體流量F₀為300mL/min-700mL/min，較佳測試環(huán)境濕度H₀為10％-30％RH，較佳測試量環(huán)境溫度T₀為18℃-22℃。

在本實(shí)施例中，當(dāng)環(huán)境溫度在20℃左右時(shí)，傳感器的輸出信號是比較穩(wěn)定的，可見20℃是傳感器比較適宜的測試溫度；當(dāng)環(huán)境溫度過高時(shí)，傳感器的輸出電流信號變化率明顯增大，即環(huán)境溫度越高對傳感器的輸出電流信號影響越大。

在一個(gè)實(shí)施例中，步驟S200中所述信號矩陣為：

Q_H^-1Q_T^-1I₁＝I＝AC+b

式中，Q_H是濕度校正曲線、Q_T是溫度補(bǔ)償曲線、I₁是CO，SO₂和H₂S電化學(xué)傳感器的現(xiàn)場測量輸出信號，I是歸算到較佳測試條件下的CO，SO₂和H₂S電化學(xué)傳感器輸出信號，A是交叉干擾計(jì)算系數(shù)矩陣，C是真實(shí)的目標(biāo)氣體濃度；

對信號矩陣求逆，得到真實(shí)的目標(biāo)氣體濃度C：

C＝A^-1I＝A^-1(Q_H^-1Q_T^-1I₁-b)。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟S300具體為：將多組已知配置的氣體種類和氣體濃度的氣體與測量后通過信號矩陣計(jì)算得到的氣體種類和濃度進(jìn)行誤差分析，從而對信號矩陣進(jìn)行驗(yàn)證。

在本實(shí)施例中，將已知配置的氣體組分和濃度與測量后通過信號矩陣方法計(jì)算得到的氣體組分和濃度進(jìn)行誤差分析，驗(yàn)證傳感器信號矩陣方法的可靠性和準(zhǔn)確度。

表2不同環(huán)境溫度下SF₆分解氣體測試數(shù)據(jù)

由表2可以看出，在不同溫度下SF₆分解氣體測量中，CO傳感器的測量相對誤差≤2.00％，SO₂和H₂S相對誤差≤3.00％，可見運(yùn)用傳感器信號矩陣方法能夠可靠且準(zhǔn)確的獲取SF₆分解氣體的組分和濃度。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述傳感器的周邊環(huán)境濕度和環(huán)境溫度是指：電化學(xué)傳感器在檢測過程中，所處檢測環(huán)境中分解氣體的濕度和溫度；所述不同氣體的種類是指：選取SF₆分解氣體中特征氣體CO、SO₂和H₂S作為研究對象。

所述氣體通流量能夠使用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測定。

優(yōu)選的，所述氣體流量能夠通過玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制分解氣體的流量，在不同的氣體流量下使用傳感器進(jìn)行檢測。

所述環(huán)境溫度能夠使用熱電偶進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

優(yōu)選的，所述環(huán)境溫度能夠使用絕緣加熱板對分解氣體進(jìn)行加熱，改變電化學(xué)傳感器的周邊環(huán)境溫度。

所述環(huán)境濕度能夠使用濕度傳感器進(jìn)行監(jiān)測。

優(yōu)選的，所述環(huán)境濕度能夠使用加濕器改變電化學(xué)傳感器的周邊環(huán)境濕度。

所述氣體種類以氣體SF₆作為背景氣體，特征氣體CO、SO₂和H₂S作為研究對象，實(shí)現(xiàn)對單一組分和混合組分的氣體進(jìn)行檢測

所述氣體濃度運(yùn)用質(zhì)量流量控制器控制氣體體積，配置不同氣體濃度的實(shí)驗(yàn)所用檢測氣體。

所述選取特征參量主要包括較佳測試氣體流量F₀、較佳測試環(huán)境濕度H₀和較佳測試環(huán)境溫度T₀。

所述曲線擬合方法主要包括最小二乘法。

優(yōu)選的，曲線擬合主要包括對傳感器的濕度校正曲線Q_H＝f(H)、溫度補(bǔ)償曲線Q_T＝f(T)和線性特性曲線I＝f(C)進(jìn)行擬合。

所述傳感器信號矩陣方法是以較佳測試條件下的測量值為基準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)將現(xiàn)場實(shí)際測量獲取的目標(biāo)氣體組分和濃度歸算到較佳測試條件下的目標(biāo)氣體組分和濃度。建立如下矩陣：

Q_H^-1Q_T^-1I₁＝I＝AC+b

式中，I₁是CO，SO₂和H₂S電化學(xué)傳感器的現(xiàn)場測量輸出信號，I是歸算到較佳測試條件下的傳感器輸出信號，A是交叉干擾計(jì)算系數(shù)矩陣，C是真實(shí)的目標(biāo)氣體濃度。

進(jìn)一步進(jìn)行矩陣求逆，可得到真實(shí)的目標(biāo)氣體濃度C。

C＝A^-1I＝A^-1(Q_H^-1Q_T^-1I₁-b)

更為優(yōu)選的，信號矩陣首先將傳感器的現(xiàn)場測量輸出信號歸算到較佳測試條件下的傳感器輸出信號，接著通過交叉干擾計(jì)算得到較佳測試條件下的真實(shí)氣體濃度。

所述多組分混合氣體是指以背景氣體為SF₆的CO、SO₂和H₂S混合氣體。

優(yōu)選的，控制氣體流量在較佳測試流量F₀下，在多種濃度下運(yùn)用電化學(xué)傳感器對多組分混合氣體進(jìn)行測試，并采用傳感器信號矩陣將測試結(jié)果歸算到較佳測試條件下的氣體組分和濃度。

以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明專利而并非限制本發(fā)明專利所描述的技術(shù)方案；因此盡管本說明書參照上述的各個(gè)實(shí)施例對本發(fā)明專利已進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對本發(fā)明專利進(jìn)行修改或等同替換；而一切不脫離本發(fā)明專利的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明專利的權(quán)利要求范圍中。