基于超声探测的SF6浓度在线监测系统

邓 扬，王先培，陈 鹏，肖 伟，胡明宇

(武汉大学电子信息学院，湖北武汉 430072)



基于超声探测的SF6浓度在线监测系统

邓 扬，王先培，陈 鹏，肖 伟，胡明宇

(武汉大学电子信息学院，湖北武汉 430072)

长期运行的气体绝缘组合电器(GIS)设备可能存在SF6气体泄漏问题，进而导致设备安全性下降。针对该问题，采用超声原理测量SF6气体浓度，该方法具有测量范围广、设计简单等优点，且易于实现在线式监测。建立了双腔室中超声信号传播相位差与SF6气体浓度的理论模型，并研制了一套基于超声探测的SF6浓度在线监测系统。为提高测量精度，设计了一种基于DFT算法的数字相位计，通过对采样信号进行多项式插值加Hanning窗，进而实现相位和幅值修正。实验表明，使用数字相位计能将SF6浓度误差率控制在5%左右，目前该系统在贵州某变电站已投入运行。

超声；SF6浓度监测；相位差；数字相位计；多项式插值；Hanning窗

0 引言

SF6气体以其稳定的化学特性和优越的电绝缘性、灭弧性，广泛应用于电网中[1-2]。目前，GIS变电站中电流、电压互感器，断路器，GIS，变压器等设备都采用SF6作为绝缘介质。然而电力设备在设计、制造、安装以及运行维护过程中存在不当操作，可能导致SF6发生泄漏[3]。泄漏的SF6气体在电弧、电晕、火花放电以及局部放电、高温等条件下，会分解产生有毒气体，同时电力设备也会由于SF6气体浓度减少，导致绝缘强度和熄弧能力下降[4]。为了保证电力设备的安全运行以及工作人员的生命安全，研究开发一套有效的SF6电气设备内部故障在线监测预警系统对电网的安全运行具有非常重要的意义。目前常见的检测SF6泄漏的方法有高压放电法、紫外线电离法、红外吸收法。高压放电法所需的传感器使用寿命短，衰减也比较大；紫外线电离法测得量程范围很小；红外吸收法设备造价成本高。相比于上述方法，采用超声法测SF6浓度，造价低廉，设计简单，易于实现在线式监测，在微弱气体浓度测量方面有明显优势。

1 超声检测气体浓度原理

超声波是一种弹性波，在气体、液体、固体等物质中能有效地传播。超声波检测法是根据超声波在不同气体介质中传播速度的不同，通过相位差来反应SF6气体的浓度。超声波在气体中以低幅高频传播，其过程可以看作是绝热的[5]，在常温常压条件下，根据理想气体模型，二元混合气体平均声速可以表示为

(1)

对于二元混合气体，设α为被测气体，β为背景气体，有：

(2)

(3)

式中：n为α气体的浓度，μL/L;1-n为β气体的浓度，μL/L;cvα、cvβ分别为α、β气体的定容比热容，kJ(kg·K)；cpα、cpβ分别为α、β气体的定压比热容，kJ(kg·K)；Mα、Mβ分别为α、β气体的相对分子质量。

将混合有N2气体的SF6气体与纯净的N2气体分别置于两个相同大小的腔室中，由于气体介质不一样会导致超声波传播的速度有微弱的区别，在接收端测量出两路信号的相位差[6-7]，如图1所示。

图1 双腔式测相位差

则相位差表达式为

(4)

式中：L是腔室的长度，m；c1是在SF6气体与N2混合气体中的声速；c2是在N2气体中的声速；f是超声传感器的频率，Hz。

由式(1)、式(2)、式(3)、式(4)化简得：

n=f(θ)

(5)

在等温等压条件下，除了θ、n均为已知量，由此可知，通过测量两路回波信号的相位差可以确定SF6气体的浓度。

2 基于DFT加窗算法的数字相位计

2.1 DFT测相位角的原理

中心频率为f0的输入信号x(t)，以采样频率fs进行采样，得到深度为N的采样序列x(n)，则x(n)的散傅里叶变换为

=Re[X(k)]+jIm[X(k)]

(6)

式中k=0,1,…,N-1 。

若X(k)最大谱线对应的k记为m，则式(6)可得基波频率的相位为[8]

(7)

2.2 多项式插值及Hanning窗算法

假设单一频率的输入信号x(t)，幅值为A，中心频率为f0，初始相位为θ，经过采样频率fs的采样后得到的离散信号为

(8)

窗函数的时域形式为ω(n),其连续频谱为W(2πf)，加窗后该信号的连续傅里叶变换为

(9)

仅考虑f0>0的频谱，则式(9)的离散傅里叶变换得：

(10)

式中Δf=fs/N。

由于频率分辨率的影响，峰值频率f0往往不在离散谱线的频点上[9]。最大峰值两侧的幅值为：y1=[X(k1·Δf)| 、y2=|X(K2·Δf)| 。令α=k0-k1-0.5 ，β=(y2-y1)/(y2+y1),采用多项式逼近的方法得出Hanning窗的修正公式：α=1.5β。

Hanning窗的窗函数为

ω(n)=0.5-0.5×cos(2πn/N)

(11)

式中n=0,1,2,…,N-1。

经过多项式插值及加Hanning窗函数处理后，相位的修正公式如下:

(12)

式中i=1，2。

3 系统设计

SF6浓度在线监测系统主要实现SF6浓度、温度和氧气的数据的采集，RS485总线与上位机的通讯，并将数据保存在远程控制中心的数据库等功能。如图2所示。

图2 SF6浓度在线检测系统

3.1 下位机硬件设计

下位机主要部分包括：超声波信号的发射与接收，温度、氧气信号的采集，与上位机的通讯，数字相位计。由ARM发出连续脉冲经过发射电路驱动发射换能器工作，回波信号通过滤波放大处理，A/D采样后进入ARM，由数字相位计得到两路信号的相位差。硬件结构图如图3所示。

图3 硬件系统结构框图

3.1.1 超声波发射与接收模块

超声波的发射由超声波驱动电路和超声波换能器组成，如图4所示。选择工作频带在63～66 kHz，驱动电压为1 500Vpp的喇叭形超声换能器。ARM以64.5 kHz的频率发出6～8个连续脉冲波，驱动MOS管，通过变压器进行升压，驱动超声换能器工作。电路中加入限流电阻、保护二极管，与MOS管、变压器共同实现与换能器的阻抗匹配。

图4 发射驱动电路

回波信号需要进行带通滤波与信号放大，如图5所示。超声波信号在空气中传播会伴随着能量的衰减，接收到的信号会引入一些杂波，因此在硬件设计中，采用了两级带通滤波放大，最后达到了峰-峰值为2 V，中心频率在64.5 kHz附近的回波信号。两路回波信号分别进入高速A/D模块同步采集。

图5 接收电路

3.1.2 通讯模块

RS485总线是信号以差分形式传输，具有传输距离远、速度快和抗干扰能力强等优点。采用SP3485芯片作为收发器，最大传输速度可达10 Mbit/s，并且有输出短路保护。在数据与上位机的通讯中应用Modbus协议，每个测点都有单独的地址，数据校验后以帧的形式传输，这样确保了上位机收发数据的准确性和有效性。

3.1.3 温度、氧气模块

温度采集模块选用LM-35，精度为0.5 ℃，工作范围广，输出的电压值与实际的温度值拥有良好线性度，此外还具有接线简单、可靠性高等优点。氧气传感器选用KE-25，精度高，寿命长，其输出的模拟电压信号经过A/D转换，变为数字量，与测量的温度值一起打包存入ARM内存中。

3.2 上位机软件设计

上位机监控软件主要完成数据处理、分析及储存、泄漏报警。如图6所示。上位机分析由采集器上传的数据帧，依次得到含氧量、温度、SF6浓度的信息，并将数据存入数据库。当检测到氧气含量低于18%、SF6气体浓度高于1 000 μL/L时，系统发出报警声的同时记录下报警的时间及故障数据。考虑到上位机软件需要对数据进行实时采集、存入数据库、图表显示以及进行web访问，其界面由java编写。

图6 上位机流程图

4 数字相位计的算法仿真与实验验证

4.1 算法仿真

仿真平台为MATLAB，令温度为25 ℃，腔室长为0.6 m，模拟通过双腔式接收到超声回波信号，选取采样频率fs为1 MHz，两路气室超声中心频率f0均为64.5 kHz，其中cvα=0.603 kJ/(kg·K)，cvβ=0.72 kJ/(kg·K)，cpα=0.66 kJ/(kg·K)，cpβ=1.007 kJ/(kg·K)。针对不同的采样点数，对相位差与SF6浓度的关系进行了仿真，如图7所示。

图7 SF6浓度与加窗/不加窗处理相位差的关系

可以看出采样点数N大于200时，相位差与实际值已经非常接近。然而N过大会增加ARM处理器的工作负担，所以N值选取不宜太大。

4.2 实验结果分析

在定标实验中，采集器参数的设置与仿真参数接近，采集点数N=100为最佳选择，既能保证ARM处理器的工作速度，又能保证测量的精度。实测了不加窗插值处理与加窗插值处理的2组相位差与SF6浓度关系的数据，如表1所示。

由表1数据可知，经过加窗插值算法的优化，浓度精度有了显著的提高。优化后的测量误差率在5%以内，能满足工业测量的需要。

5 结束语

>SF6浓度在线监测系统利用双腔式测相差的方法，减小了硬件带来的误差的同时也减弱了环境因素的影响。检测微弱的超声波回波信号时，用到了两级放大滤波，得到了能够检测的电压信号。相对于已有的脉冲计数法测相位差，在ARM处理器中编写DFT算法及加窗插值修正程序，设计了一种新的数字相位计。经过MATLAB仿真分析与实验，可以看出，采样信号进行多项式插值加Hanning窗处理后，精确度有显著的提高。

表1 角度与SF6浓度的关系

实际值/(μL·L-1)相位差/(°)相对误差/%相位差/(°)相对误差/%不加窗处理加窗处理40018.629.517.653.845020.808.719.692.950022.877.622.154.260027.678.526.403.565029.717.528.824.370032.138.030.863.780037.018.935.574.685039.399.137.694.390041.809.339.693.8100046.569.644.484.7110050.428.048.553.9120055.478.853.384.8

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作者简介：作者邓扬(1989— )，硕士研究生，研究方向：超声法测气体浓度。E-mail：dengyang13@whu.edu.cn 王先培(1963— )，教授，博士，研究方向：SF6气体检测相关方面的研究。E-mail：xpwang@whu.edu.cn

On-line Monitoring System of SF6Concentration Based on Ultrasonic Detection

DENG Yang,WANG Xian-pei,CHEN Peng,XIAO Wei,HU Ming-yu

(School of Electronic Information, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

SF6 gas leakage can exist in long-term operation of Gas Insulated Switchgear (GIS) equipment, which led to the reduction of device security. In terms of this problem, ultrasonic technique was used in the SF6 gas concentration detection. This method has the advantages of wide measuring range and simple design. Besides it is feasible to monitor on-line. A theoretical model of ultrasonic signal propagation phase difference in the dual chamber with the SF6 gas concentration was established, and an on-line monitoring system of SF6 concentration based on ultrasonic detection was developed. To improve the measurement accuracy, a digital phase meter was designed based on the DFT algorithm, with polynomial interpolation and Hanning window algorithm used to the sampling signal, the phase and amplitude can be corrected. Experiments show that the SF6 concentration error rate can be controlled at about 5% with this digital phase meter, currently the system has been put into operation in one of transformer substations in Guizhou.

ultrasound; SF6 concentration detection; phase difference; digital phase meter; polynomial interpolation; Hanning window

冯川(1986—)，助教，硕士，主要研究领域：发动机排放及电控技术。E-mail：me15925127997@163.com

国家自然科学基金资助项目(50677047)；中国南方电网公司科技项目(K-GX2011-019)

2015-04-14 收修改稿日期：2015-08-07

TB55

A

1002-1841(2015)10-0071-04