CN116973054A - 用于确定绝缘开关设备中的气体的量的方法 - Google Patents

用于确定绝缘开关设备中的气体的量的方法 Download PDF

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CN116973054A CN202310465117.6A CN202310465117A CN116973054A CN 116973054 A CN116973054 A CN 116973054A CN 202310465117 A CN202310465117 A CN 202310465117A CN 116973054 A CN116973054 A CN 116973054A
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Abstract

本发明涉及一种用于确定绝缘开关设备(2)的箱(1)中所含气体(G)的量(n)的方法，该方法包括以下步骤：(i)在校准阶段获取气体温度传感器(3)分别在第一时刻(t1)和第二时刻(t2)测量的第一温度(T1)和第二温度(T2)，(ii)获取气体压力传感器(4)分别在第一时刻(t1)和第二时刻(t2)测量的第一压力(P1)和第二压力(P2)，(iii)根据所获取的第一温度(T1)和第二温度(T2)以及根据所获取的第一压力(P1)和第二压力(P2)来确定箱热交换的稳态模型(M)，(iv)在测量阶段获取气体温度(Tsens)、气体压力(Psens)和环境温度(Tamb)，(vi)根据获取的气体温度(Tsens)、获取的气体压力(Psens)、获取的环境温度(Tamb)和所确定的稳态模型(M)计算箱(1)中包含的气体(G)的量(n)。

Description

用于确定绝缘开关设备中的气体的量的方法
技术领域
本公开涉及中压配电***，并且更具体地涉及一种用于确定气体绝缘开关设备的箱中包含的气体的量的方法。此外，这种量的确定方法可以作为泄漏检测方法使用的基础。
背景技术
气体绝缘开关设备包括用于中压电网的一个或多个相的连接/断开元件。该连接/断开元件安装在充满气体的箱中。气体的介电特性有助于辅助电弧开关或在不同相之间提供电绝缘。箱及其所有接口都是密封的，因此在设备的使用寿命期间不需要对箱补充。气体可以是例如SF6的惰性气体。在其他应用中，气体也可以是加压空气。
众所周知，通过温度和压力测量来监测箱中含有的气体的量。为此，具有压力感测探头和温度感测探头的传感器固定在固定到箱面板的接口插头中。感测元件因此与箱内的气体接触。因此，可以从压力和温度测量中计算和监测开关设备操作期间的气体的量。可以从该量的监测中检查电气设备的正确操作。例如，气体的量的下降可能指示箱的过早泄漏，这可能需要维护。
检测小泄漏可能很困难。一个小的泄漏自然会导致气体的量的缓慢减少。例如，从1.2巴到1.1巴的压力下降可能需要数周或数月，并且仍然应该检测到。此外，箱内的压力受到气体温度的影响，气体温度本身除了环境温度之外还受到电导体中电流强度的影响，因此受到电气设备操作方式的影响。由于气体压力和温度传感器位于箱壁上，因此测量的温度可能不代表气体平均温度。此外，由于热传感器位于箱壁上，不完全绝热，传感器内部气体与外部环境之间存在热交换，该热交换降低了温度测量本身的准确性。因此，检测低泄漏水平所需的量计算的准确性可能难以实现。
本发明提出了一种以提升的精度估算充气箱中气体的量的方法。还提出了一种使用估计气体的量的方法的泄漏检测方法。
发明内容
为此，提出了一种用于确定气体绝缘开关设备的箱中包含的气体的量的方法，箱包括气体温度传感器和气体压力传感器，该方法在校准阶段包括以下步骤：
(i)获取气体温度传感器分别在第一时刻和第二时刻测量的第一温度和第二温度，
(ii)获取气体压力传感器分别在第一时刻和第二时刻测量的第一压力和第二压力，
(iii)根据所获取的第一温度和第二温度以及根据所获取的第一压力和第二压力来确定箱热交换的稳态模型，
该方法在测量阶段还包括以下步骤：
(iv)获取由气体温度传感器测量的气体温度，
(v)获取由气体压力传感器测量的气体压力，
(vi)在测量阶段获取由箱外的环境温度传感器测量的环境温度，
(vii)根据所获取的气体温度、所获取的气体压力、所获取的环境温度和所确定的稳态模型来确定量。
稳态模型包括箱中包含的气体与气体温度传感器之间的第一热阻，并且包括气体温度传感器与箱外环境空气之间的第二热阻，
传感器提供的温度测量值可能与箱内所含气体的实际温度有显著差异，因为传感器不在箱内，并且没有完全隔热。此外，温度传感器相对于箱的实际位置会影响传热，进而影响传感器的测量。为了更好地估计箱内含有的气体的量，提出的方法集成了朝向测量传感器传热的模型，以便更准确地估计实际气体温度。提出的热交换模型仅使用在两个不同时刻获得的数据，而无需在箱内安装任何额外的传感器。因此，可以在每个单独的设备上单独校准模型，而不会偏离将在整个设备寿命中使用的配置。因此，校准很容易，对设备的可靠性没有风险。
以下特征可以可选地单独实现或者与其他特征结合实现：
根据本公开的一个方面，气体温度传感器包括温度感测元件以及传感器主体，温度感测元件被配置成与箱内的气体接触，传感器主体被配置成与箱外的环境空气接触。
在一个实施例中，气体温度传感器固定到箱的面板上。
接口插头限定箱面板中的开口。当安装气体温度传感器时，气体温度传感器的主体堵住这个开口。
气体温度传感器的主体从箱面板的外侧突出。
传感器的实现很容易，因为它位于箱外。
气体压力传感器包括压力感测元件，该压力感测元件被配置为与箱中包含的气体接触。
在实施例中，压力感测元件和温度感测元件被放置在相同传感器主体中。
需要单个接口插头来获得两个测量值。
在方法的一个实施例中，稳态模型包括以下二者的比值：
-箱中包含的气体和气体温度传感器之间的第一热阻，以及
-气体温度传感器与箱外环境空气之间的第二热阻。
该模型简单而稳健，因为它还隐含地考虑了箱与箱周围环境空气之间的热交换。
根据本方法的一个实施例，根据获取的气体压力和校正的气体温度的比值来确定气体的量，校正的气体温度根据下式计算：
其中
Tcor为箱内气体的校正温度，
Tsens是气体温度传感器测量的气体温度，
R1是箱中包含的气体与气体温度传感器之间的第一热阻，
R2是气体温度传感器与箱外环境空气之间的第二热阻，
Tamb是箱外测得的环境温度。
这个方程提高了温度测量的准确性，同时易于实施。
气体的量n可以从下式中确定：
其中K为常数并且Psens为所获取的通过气体压力传感器测量的气体压力。基于理想气体模型，例如K可以通过以下内容的比值得到：
其中R是理想气体常数，V是箱的内部容积。
根据本公开的“气体的量”还意指允许得出箱中包含的气体的量的任何测量值或计算值。此外，术语“气体的量”包括可为气体摩尔数、气体质量、气体密度等的相关物理参数，因为箱的内部容积保持恒定。
此外，根据另一个实施例，气体的量可以从由下式确定的气体压力P0导出：
其中T0为参考温度，并且如果气体处于温度T0，则P0为等效气体压力。例如，T0为293K。
根据另一个实施例，气体的量可以从由下式确定的密度D导出：
其中K’是常数。K’可以通过以下比值得到：
其中Tref为参考温度并且Pref为参考压力。例如，Tref为293K。例如，Pref为101325Pa。参考温度和参考压力可以任意选择，只要用Tref和Pref的选定值更新常系数K’即可。
更一般地，从上文给出的其他实施例中，应理解，根据本公开的气体的量可以对应于与获取的由气体压力传感器测量的气体压力与校正的温度之间的分数成正比的、以及可以给出箱中包含的气体的量的真实反映的任何参数。
在该方法的实施例中，确定箱热交换的稳态模型的步骤(iii)包括以下子步骤：
(iii1)在校准阶段获取分别处于第一时刻和第二时刻的第一环境温度和第二环境温度，
(iii2)从下式计算箱中包含的气体与气体温度传感器之间的第一热阻以及气体温度传感器与箱外的环境空气之间的第二热阻的比值的更新值：
其中R1为箱中包含的气体与气体温度传感器之间的第一热阻，
R2是气体温度传感器与箱外环境空气之间的第二热阻，P1是气体压力传感器在第一时刻测量的压力，
P2是气体压力传感器在第二时刻测量的压力，
T1是气体温度传感器在第一时刻测量的第一温度，
T2是气体温度传感器在第二时刻测量的第二温度，
Tamb1是第一时刻的环境温度，
Tamb2是第二时刻的环境温度。
该模型具有两种不同的热阻，提供良好的精度，只需要合理的努力即可进行校准。此外，该模型稳健并可用于各种设备配置。
在该方法的实施例中，确定箱热交换的稳态模型的步骤(iii)包括以下子步骤：
(iii3)在获取第一温度之后和在获取第二温度测量值之前，修改开关设备中的电流强度，以便修改箱中包含的气体的温度。
根据本方法的一个方面，选择第一时刻和第二时刻，以使得：第二时刻和第一时刻之间的差值高于第一预定阈值。
例如，第一预定阈值为3小时。
将第一时刻和第二时刻之间的持续时间选择为足够长，以便在执行第二温度测量和第二压力测量时达到了新的热平衡。
根据本方法的另一方面，选择第一时刻和第二时刻，以使得：
所获取的第二温度与所获取的第一温度之间的差值高于第二预定阈值。
第二预定阈值例如为5℃。
这种温度差表明，第一状态和第二状态之间的转变具有足够的幅度，以与稳态操作的背景噪声区分开来。
根据本方法的另一方面，选择第一时刻和第二时刻，以使得：
所获取的第二温度与第二环境温度之间的差值高于第三预定阈值。
第三预定阈值例如为5℃。
如前所述，这种温度差表明第一状态和第二状态之间的转变具有足够的幅度，以允许准确地识别模型参数。
在该方法的实施例中，迭代子步骤(iii1)、(iii2)和(iii3)以确定箱热交换的稳态模型。
因此，模型参数识别的一致性可以被检查。
例如，比值R1/R2初始为1.25。
本公开还涉及一种用于检测气体绝缘开关设备的箱中气体泄漏的方法，方法包括：
-通过前面描述的方法确定箱中包含的气体的量，
-基于气体的量随时间的演变来检测气体泄漏。
箱泄漏检测方法一般是基于对箱内压力的监测。由于这种压力受气体温度的影响，因此压力下降不一定是由泄漏引起的，也可能是由温度下降引起的。另一方面，如果气体温度同时升高，实际泄漏的影响可能仍然未被检测到。一种基于监测气体的量以直接补偿温度变化的影响的检测方法更为准确。泄漏的检测可能更快，因为可以减少用于避免错误检测的安全裕度。
气体压力测量的采样频率包含在0.01Hz和1Hz之间。
在一个实施例中，方法包括以下步骤：
-确定作为时间函数的气体的量的滤波值，
-基于气体的量的滤波值随时间的演变来检测气体泄漏。
使用滤波值允许证明箱内所含气体的量的长期演变，而与有操作条件(如电流强度)变化导致的短期演变无关。
根据实施例，方法包括以下步骤：
-计算气体的量的滤波值的平均斜率，
-如果平均斜率高于预定阈值，则检测为存在泄漏，
-如果平均斜率低于或等于预定阈值，则检测为箱密封。
根据该方法的实施方式，气体的量的滤波值是气体的量在预定持续时间内的滑动平均值。
预定的持续时间为10天至20天。
在该方法的变体中，气体的量的滤波值通过施加到气体的量的一阶滤波器来获得。
例如，一阶滤波器的时间常数包含在1小时和6小时之间。
本发明还涉及一种电气设备，该电气设备包括开关设备、被配置用于容纳开关设备的箱以及电子控制单元，该电子控制单元被配置用于实施如上所述的气体温度校正方法或用于实施如上所述的气体泄漏检测方法。
电气设备包括气体温度传感器。电气设备包括气体压力传感器。电气设备包括环境温度传感器。
附图说明
其他特征、细节和优点将在以下详细描述和附图中示出，在附图中：
-图1是包含在箱中的气体绝缘开关设备的电气设备的示意图，
-图2是图1的电气设备的箱的详细视图，
-图3是示出在校准阶段用于确定箱中包含的气体的量的所提出方法的时间曲线，
-图4是示出在测量阶段用于确定箱中包含的气体的量的所提出方法的时间曲线，
-图5是示出当箱是流体密封的时用于检测箱中气体泄漏的所提方法的时间曲线，
-图6是示出当存在泄漏时用于检测箱中气体泄漏的所提方法的另一时间曲线，
-图7是所提方法的实施例的不同步骤的框图。
具体实施方式
为了使附图易于阅读，不同的元件不一定按比例示出。在这些附图中，相同的元件具有相同的附图标记。某些元素或参数可以被加入索引，即例如由“第一元素”或第二元素或第一参数和第二参数等指定。此索引的目的是区分相似但不相同的元素或参数。这种索引并不意味着一个元素的优先级，或者一个参数优先于另一个参数，它们的名称可以互换。当提到子***包含给定元素时，不排除该子***中存在其他元素。
图1示意性地示出电气设备100，电气设备100包括开关设备2、被配置成容纳开关设备2的箱1和电子控制单元15。
电子控制单元15被配置用于实施下面将描述的气体温度校正方法。电子控制单元15还被配置用于实施稍后将描述的气体泄漏检测方法。
箱1限定了被配置为容纳开关设备2的外壳。当箱1处于正常操作状态时，箱1的内部容积充满气体G。当开关设备2***作以中断电路中的电流时，加压气体避免产生电弧。箱1的外部暴露于安装箱1的房间的环境空气A的环境压力和环境温度。气体的压力高于箱1外的环境压力，即当地大气压力。箱1包括组装以形成限定密封容积的密封外壳的多个面板。例如，箱1的面板焊接在一起。面板可以固定在子框架上，该子框架确保刚度足以抵抗箱1的内部和外部之间的压力差。箱1包括允许连接到开关设备2的电导体11、12、13进出的密封接口。每个电导体在这里对应于电网的不同相。箱1可填充惰性气体，如六氟化硫(SF6)。箱1也可以由空气填充。电路的每个相可由断续器21、22、23中断。图1表示处于断续器21、22、23的断开位置的开关设备2。
尽管箱被构建成流体密封，但在电气设备100的使用寿命期间可能发生小泄漏并且箱1内含有的气体的量可以缓慢地耗尽。因此，介电性能缓慢退化，产生电弧的风险增加。出于这个原因，监测箱1中包含的气体的量，以便如果气体的量不足时，电气设备的用户可以接收警报信号。为了监测气体的量，测量气体温度和气体压力。
因此，电气设备100包括气体温度传感器3。电气设备100还包括气体压力传感器4。电气设备100还包括环境温度传感器5。
如图1所示，气体温度传感器3包括温度感测元件6以及传感器主体7，该温度感测元件6被配置为与箱1内的气体G接触，该传感器主体被配置为与箱1外的环境空气A接触。
气体温度传感器3在这里固定到箱1的面板上。箱1的面板包括接口插头9，气体温度传感器3固定在接口插头9上。接口插头9可以包括内螺纹，传感器主体7像螺钉一样固定在该内螺纹中。
接口插头9限定了箱1的面板中的开口10。当安装气体温度传感器3时，气体温度传感器3的主体7堵住这个开口10。可以在接口插头9和温度传感器的主体7之间设置密封件，以确保箱1的流体密封性。
气体温度传感器3的主体7从箱1的面板的外侧突出。传感器的实施很容易，因为它设置在箱1外部，并且气体温度传感器3的导线保持在箱的内部容积之外。气体温度传感器3的主体7暴露于房间的大气压下。
气体压力传感器4包括压力感测元件8，该压力感测元件被配置为与箱1中包含的气体接触。在所示示例中，压力感测元件8和温度感测元件6被放置在相同传感器主体7中。需要单个接口插头9来安装两个不同的传感器，并获得气体温度测量值和气体压力测量值。传感器在这里是一个多功能传感器，结合了压力测量和温度测量。
根据未示出的设计变体，气体压力传感器4可以是独立于气体温度传感器3的专用传感器。在这种情况下，压力传感器4被固定到限定箱1的面板中的另一个开孔的特定接口插头上。
气体温度传感器3的温度感测元件6可包括热敏电阻，例如负系数热敏电阻。温度感测元件6还可包括热电偶。类似地，环境温度传感器5可包括热敏电阻，如负系数热敏电阻，或者可包括热电偶。
环境温度传感器5例如安装在开关设备2的控制面板上。环境温度传感器5和箱1的外表面可以彼此间隔开。环境温度传感器5与箱1的外表面之间的距离优选大于30厘米。因此，环境温度测量不受箱1散发的热量的影响。环境温度传感器5的测量被认为完全代表安装箱1的房间的环境温度。环境温度传感器5包括与环境空气A接触的温度感测元件。环境温度传感器5可包括热敏电阻，如例如负系数热敏电阻。环境温度传感器5可包括热电偶。
所提方法用于确定气体绝缘开关设备2的箱1中包含的气体G的量n，箱1包括气体温度传感器3和气体压力传感器4。
该方法在校准阶段包括以下步骤：
(i)获取气体温度传感器3分别在第一时刻t1和第二时刻t2测量的第一温度T1和第二温度T2，
(ii)获取气体压力传感器4分别在第一时刻t1和第二时刻t2测量的第一压力P1和第二压力P2，
(iii)根据所获取的第一温度T1和第二温度T2以及根据所获取的第一压力P1和第二压力P2来确定箱热交换的稳态模型M，稳态模型M包括箱1中包含的气体G与气体温度传感器3之间的第一热阻R1。稳态模型包括气体温度传感器3与箱1外的环境空气A之间的第二热阻R2。
该方法在测量阶段还包括以下步骤：
(iv)获取由气体温度传感器3测量的气体温度Tsens，
(v)获取由气体压力传感器4测量的气体压力Psens，
(vi)在测量阶段获取由箱1外的环境温度传感器5测量的环境温度Tamb，
(vii)根据所获取的气体温度Tsens、所获取的气体压力Psens、所获取的环境温度Tamb和所确定的稳态模型M来确定量n。
气体温度直接影响其量。气体温度传感器3提供的温度测量值可以与紧邻开关设备2的气体的实际温度有显著差异，因为气体温度传感器3不位于箱内并且不完全隔热。此外，气体温度传感器3相对于箱1的实际位置影响热传递，进而影响气体温度传感器3的测量。例如，传感器是安装在箱1的顶部还是底部，测量值可以是不同的。为了更好地估计箱1内含有的气体的量，提出的方法集成了朝向测量传感器传热的模型，以便更准确地估计实际气体温度。提出的热交换模型仅使用在两个不同时刻获得的数据，而无需在箱内安装任何额外的传感器。因此，可以在每个单独的设备上单独校准模型，而不会偏离将在整个设备寿命中使用的配置。因此，校准很容易，对设备的可靠性没有风险。该方法涉及初始校准阶段，以识别模型参数。一旦确定了模型参数，它们就可以用于测量阶段。
第一压力测量值P1可以是多个连续采样的平均值。类似地，第二压力测量值P2可以是多个连续采样的平均值。从而降低测量噪声。
在该方法的实施例中，稳态模型M包括以下二者的比值：
-箱1中包含的气体G与气体温度传感器3之间的第一热阻R1，以及
-气体温度传感器3与箱1外的环境空气A之间的第二热阻R2。
该模型简单而稳健，因为它还隐含地考虑了箱1与箱1周围环境空气之间的热交换。
气体温度传感器3的温度感测元件6测量感测元件6周围气体的温度。第一热阻R1是箱1中包含的气体G与温度传感器3中的气体之间的热阻。
在图2上，由符号f1、f2、f3标记的箭头表示热交换的主要促成元素。f1是箱内自然对流的示意表征。f2表示箱1的壁与环境空气之间的热通量。f3表示环境空气与气体温度传感器3之间的热通量，特别是环境空气与气体温度传感器3的主体7之间的热通量。热交换和传热是等同的措辞。
根据该方法的实施例，气体的量n是根据获取的气体压力Psens和校正的气体温度Tcor的比值来确定的，校正的气体温度Tcor是根据下式计算的：
其中
Tcor是箱1内气体的校正温度Tcor，
Tsens是气体温度传感器3测量的气体温度Tsens，
R1是箱1中包含的气体G与气体温度传感器3之间的第一热阻R1，
R2是气体温度传感器3与箱1外的环境空气A之间的第二热阻R2，
Tamb是在箱1外测得的环境温度Tamb。
这个方程提高了温度测量的准确性，同时易于实施。
然后从下式中确定气体的量n：
其中K为常数。
K可以通过以下比值得到：
其中R是理想气体常数，V是箱1的内部容积。
气体的量n的确定在此是基于理想的气体模型。在不改变所提方法的一般原则的情况下，也可以使用不同的模型。例如，也可以使用真实气体模型。系数K根据为气体的量的确定而选择的模型而确定。
如上所述，气体的量也可以通过其他参数来确定，例如气体密度D或等效气体压力P0。
在实施例中，气体的量可以从由下式确定的气体压力P0导出：
其中T0为参考温度，并且如果气体处于温度T0，则P0为等效气体压力。例如，T0为293K。
在另一个实施例中，气体的量可以从由下式确定的密度D导出：
其中K’是常数。K’可以通过以下比值得到：
其中Tref为参考温度并且Pref为参考压力。例如，Tref为293K，Pref为101325Pa。参考温度Tref和参考压力Pref可以任意选择，只要用Tref和Pref的选定值更新常系数K’即可。
更一般地，根据本公开的气体的量可以对应于与获取的由气体压力传感器测量的气体压力与所确定的校正的温度之间的分数成正比的任何参数，该分数提供箱中包含的气体的量的真实反映。
在该方法的实施例中，确定箱热交换的稳态模型M的步骤(iii)包括以下子步骤：
(iii1)在校准阶段获取分别处于第一时刻t1和第二时刻t2的第一环境温度Tamb1和第二环境温度Tamb2，
(iii2)从下式计算所述箱1中包含的气体G与气体温度传感器3之间的第一热阻R1以及气体温度传感器3与箱1外的环境空气A之间的第二热阻R2的比值的更新值：
其中
R1是箱1中包含的气体G与气体温度传感器3之间的第一热阻R1，
R2是气体温度传感器3与箱1外的环境空气A之间的第二热阻R2，P1是气体压力传感器4在第一时刻t1测量的压力P1，
P2为气体压力传感器4在第二时刻t2测量的压力P2，
T1是气体温度传感器3在第一时刻t1测量的第一温度T1，
T2是气体温度传感器3在第二时刻t2测量的第二温度T2，
Tamb1是第一时刻t1的环境温度Tamb1，
Tamb2是第二时刻t2的环境温度Tamb2。
该模型具有两种不同的热阻，提供良好的精度，只需要合理的努力即可进行校准。此外，该模型稳健并可用于各种设备配置。
在该方法的实施例中，确定箱热交换的稳态模型M的步骤(iii)包括以下子步骤：
(iii3)在获取第一温度T1之后和在获取第二温度测量值T2之前，修改开关设备2中的电流强度，以使得箱1中包含的气体的温度被修改。
图3表示箱1中包含的气体的压力和温度在约2小时(7000秒)的持续时间内相对于时间的演变。图3的A部分是测量压力的演变，由曲线34表示。图3的B部分是以曲线35表示的环境温度Tamb、以曲线33表示的测量气体温度Tsens和以曲线38表示的实际气体温度的演变。实际气体温度在这里是通过专门为实验研究添加的实验装置来测量的，其中温度传感器安装在开关设备触头附近。这种装置没有在生产设备上实施，所提方法将不依赖于这种实验装置。实际气体温度在曲线38上表示仅供参考。
例如，当在时刻t1处执行压力P1和温度T1的第一次测量时，电流强度介于1000A和1200A之间。然后，将电流强度增加到介于1600A和2000A之间的值。这种较高的强度在箱1内散发更多的热量并且气体逐渐变热，直到达到新的稳态条件。在时刻t2对压力P2和温度T2的第二次测量对应于这些新的稳态条件。箱1内没有风扇。箱1内部的传热不涉及强制对流。
根据本方法的一个方面，选择第一时刻t1和第二时刻t2以使得第二时刻t2和第一时刻t1之间的差值高于第一预定阈值Th1。第一预定阈值Th1例如为3小时。例如，t1和t2之间的持续时间满足以下条件：(t2–t1)>3小时。t1和t2之间的其他最小持续时间是可能的。将t1和t2之间的持续时间选择为足够长，以便在执行第二温度T2和第二压力P2的测量时达到新的热平衡。
此外，选择第一时刻t1和第二时刻t2以使得：所获取的第二温度T2与所获取的第一温度T1之间的差值高于第二预定阈值Th2。第二预定阈值Th2例如为5℃。例如，对应于时刻t2的温度T2满足以下条件：T2–T1>5℃。这种温度差表明，第一状态和第二状态之间的转变具有足够的幅度，以与稳态操作的背景噪声区分开来。图3表示在时刻t1和时刻t2之间温度升高的情况。在时刻t1和时刻t2之间温度降低的转变可以同样用于模型的校准阶段。
第一时刻t1和第二时刻t2还被选择为使得：所获取的第二温度T2与第二环境温度Tamb2之间的差值高于第三预定阈值Th3。第三预定阈值Th3例如为5℃。对应于时刻t2的温度T2也满足以下条件：(T2–Tamb2)>5℃。如前所述，这种温度差表明第一状态和第二状态之间的转变具有足够的幅度，以允许准确地识别模型参数。
上面列出的三个条件是累积的，这意味着它们必须同时满足。
在该方法的实施例中，迭代子步骤(iii1)、(iii2)和(iii3)以确定箱热交换的稳态模型M。为此，可以执行连续的电流阶跃。因此，模型参数识别的一致性可以被检查。
例如，电流强度第一次增加以获取箱1的新热平衡。电流修改之前和之后的压力和温度用于计算比值R1/R2的值，如方程5所示。然后可以执行第二电流修改，并且随后达到新的热平衡。可以根据新获取的数据执行比值R1/R2的新计算。
例如，比值R1/R2初始为1.25。当满足计算该比值的条件时，然后根据方程5的计算更新比值R1/R2的基线值。
图4说明了该方法的测量阶段的结果。在图4上，曲线40指示所确定的等效压力P0的演变，曲线34指示由气体压力传感器4测量的气体压力Psens。为了比较，曲线39是根据压力Psens的原始测量值和原始测量温度Tsens执行的等效气体压力的计算，换句话说，不对箱传热进行建模。时刻t3和t4是操作条件修改和箱压力增加的时刻，这反映了曲线的演变。演化在两个小时的时间窗中表示，从0到8000秒。时刻t5和t6是操作条件修改和箱1的内部压力降低的时刻。由于对影响气体温度测量的热传递的建模，可以观察到曲线40的波动比曲线39的波动小得多。换句话说，对影响气体温度测量的箱传热的建模提高了压力确定(以及因此气体的量)的准确性。
本公开还涉及一种用于检测气体绝缘开关设备2的箱1中的气体泄漏的方法，方法包括以下步骤：
-通过前述方法确定箱1中所含气体G的量n，
-基于气体的量n随时间的演变来检测气体泄漏。
箱泄漏检测方法一般是基于对箱内压力的监测。由于这种压力受气体温度的影响，因此所观察的压力下降不一定是由泄漏引起的，也可能是由温度下降引起的。类似地，如果气体温度同时升高并且倾向于保持现有压力，则实际泄漏的影响可能仍然未被检测到。使用气体的量作为监测参数可提高泄漏检测方法的准确性。故障检测可能更快，因为可以减少被加入以避免错误检测的安全裕度。
气体压力测量的采样频率可包含在0.01Hz和1Hz之间。当气体泄漏检测方法被激活时，比值R1/R2保持恒定。
在实施例中，方法包括以下步骤：
-确定作为时间函数的气体的量n的滤波值Nfilt，
-基于气体的量n的滤波值Nfilt随时间的演变来检测气体泄漏。
使用滤波值有助于证明箱内气体含量的长期演变，而与操作条件(如电流强度)变化引起的短期波动无关。
根据该方法的实施方式，气体的量n的滤波值Nfilt是气体的量n在预定持续时间T内的滑动平均值。预定持续时间T高于10天，甚至高于20天。
在该方法的变体中，气体的量n的滤波值Nfilt通过施加到气体的量D的一阶滤波器获得。例如，一阶滤波器的时间常数介于1小时和6小时之间。当然，其他滤波方法也是可能的。
该方法包括以下步骤：
-计算气体的量n的滤波值Nfilt的平均斜率S，
-如果平均斜率S高于预定阈值Smax，则检测为存在泄漏，
-如果平均斜率S低于或等于预定阈值Smax，则检测为箱1密封。
如果检测到泄漏，可以发出警告信号。因此，电气设备的用户可以响应警告信号采取纠正措施。警告信号可以是警告指示灯亮起。警告信号可以是声音指示器。警告信号可以是存储在实施该方法的电子控制单元的永久存储器中的故障代码。
识别到的故障的严重程度可以量化。与检测到的故障相关联的背景，如电流强度、日期和时间、环境温度以及任何其他参数，可以存储在内存中，以便后续分析识别到的故障。
图5说明了在箱密封的情况下，即不存在泄漏的情况下，泄漏检测方法的不同参数。图6说明了实际存在泄漏时的相同参数。水平轴是经过的时间t。显示的时间窗为40天。在图5和图6上，更具体地，通过等效气体压力P0和对应的滤波值Pfilt确定气体的量n和对应的滤波值Nfilt。
在图5上，曲线40_1是通过所提出的方法确定的等效压力P0的时间演变。曲线41_1是滤波压力Pfilt的时间演变。参数S_1表示滤波量41_1的斜率。为了比较，曲线34_1表示测量的压力Psens的时间演变，其标度与量相同。在图6中，不同的曲线由与索引“_2”相关联的相同主数标记。
在图5上，所确定的气体的等效压力的曲线40_1显示由于开关设备2中电流强度的周期性演变而引起的振荡。曲线41_1是所确定的压力的滤波值。这个滤波值几乎是恒定的，它的斜率S_1几乎是零。斜率可以通过曲线41_1的线性回归来确定。这种时间演变表明，在所示时间窗期间没有泄漏。相比之下，曲线34_1表明，测量的压力Psens受到比所确定的量大得多的波动的影响。
在图6上，所确定的等效压力的曲线40_2仍然显示由于电流强度的周期性演变而引起的振荡，与缓慢的长期下降相关联。气体压力的滤波值41_2具有带负斜率S_2的准线性演变。此处的斜率低于阈值Smax，表示为虚线。这表明气体等效压力(以及因此气体的量)比可接受的参考值下降得更快。从而检测到泄漏。曲线34_2说明了测量的压力Psens随时间的变化。为了比较，由曲线34_1表示的无泄漏下的压力变化叠加在同一图上。压力周期变化的幅度远大于缓慢的长期趋势，使泄漏检测更加困难。所提出的方法能够更早、更准确地确认泄漏。

Claims (15)

1.一种用于确定气体绝缘开关设备(2)的箱(1)中包含的气体(G)的量(n)的方法，所述箱(1)包括气体温度传感器(3)和气体压力传感器(4)，所述方法在校准阶段包括以下步骤：
(i)获取所述气体温度传感器(3)分别在第一时刻(t1)和第二时刻(t2)测量的第一温度(T1)和第二温度(T2)，
(ii)获取所述气体压力传感器(4)分别在第一时刻(t1)和第二时刻(t2)测量的第一压力(P1)和第二压力(P2)，
(iii)根据所获取的第一温度(T1)和第二温度(T2)以及根据所获取的第一压力(P1)和第二压力(P2)来确定箱热交换的稳态模型(M)，
所述方法在测量阶段还包括以下步骤：
(iv)获取由所述气体温度传感器(3)测量的气体温度(Tsens)，
(v)获取由气体压力传感器(4)测量的气体压力(Psens)，
(vi)在所述测量阶段获取由所述箱(1)外的环境温度传感器(5)测量的环境温度(Tamb)，
(vii)根据所获取的气体温度(Tsens)、所获取的气体压力(Psens)、所获取的环境温度(Tamb)和所确定的稳态模型(M)来确定所述量(n)。
2.根据权利要求2所述的方法，其中所述稳态模型(M)包括以下二者的比值：
-所述箱(1)中包含的所述气体(G)与所述气体温度传感器(3)之间的第一热阻(R1)，以及
-所述气体温度传感器(3)与所述箱(1)外的环境空气(A)之间的第二热阻(R2)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中根据所获取的气体压力(Psens)和校正的气体温度(Tcor)的比值来确定所述气体的量(n)，所述校正的气体温度(Tcor)从下式计算：
其中
Tcor是箱(1)内气体的校正温度(Tcor)，
Tsens是气体温度传感器(3)测量的气体温度(Tsens)，
R1是箱(1)中包含的气体(G)和气体温度传感器(3)之间的第一热阻(R1)，
R2是气体温度传感器(3)与箱(1)外的环境空气(A)之间的第二热阻(R2)，
Tamb是在箱(1)外测量的环境温度(Tamb)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定所述箱热交换的稳态模型(M)的步骤(iii)包括以下子步骤：
(iii1)在校准阶段获取分别处于第一时刻(t1)和第二时刻(t2)的第一环境温度(Tamb1)和第二环境温度(Tamb2)，
(iii2)从下式计算所述箱(1)中包含的所述气体(G)与所述气体温度传感器(3)之间的所述第一热阻(R1)以及所述气体温度传感器(3)与所述箱(1)外的所述环境空气(A)之间的所述第二热阻(R2)的比值的更新值：
其中
R1是箱(1)中包含的气体(G)和气体温度传感器(3)之间的第一热阻(R1)，
R2是气体温度传感器(3)与箱(1)外的环境空气(A)之间的第二热阻(R2)，
P1是气体压力传感器(4)在第一时刻(t1)测量的压力(P1)，
P2是气体压力传感器(4)在第二时刻(t2)测量的压力(P2)，
T1是气体温度传感器(3)在第一时刻(t1)测量的第一温度(T1)，
T2是气体温度传感器(3)在第二时刻(t2)测量的第二温度(T2)，
Tamb1是第一时刻(t1)的环境温度(Tamb1)，
Tamb2是第二时刻(t2)的环境温度(Tamb2)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定所述箱(1)热交换的稳态模型(M)的步骤(iii)包括以下子步骤：
(iii3)在获取第一温度(T1)之后和在获取第二温度测量值(T2)之前，修改开关设备(2)中的电流强度，以使得箱(1)中包含的气体的温度被修改。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一时刻(t1)和所述第二时刻(t2)被选择为使得：
第二时刻(t2)和第一时刻(t1)之间的差值高于第一预定阈值。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一时刻(t1)和所述第二时刻(t2)被选择为使得：
所获取的第二温度(T2)与所获取的第一温度(T1)之间的差值高于第二预定阈值。
8.根据前述权利要求中任一项结合权利要求4所述的方法，其中所述第一时刻(t1)和所述第二时刻(t2)被选择为使得：
所获取的第二温度(T2)与所述第二环境温度(Tamb2)之间的差值高于第三预定阈值。
9.根据前述权利要求中任一项结合权利要求4所述的方法，其中迭代所述子步骤(iii1)、(iii2)和(iii3)以确定所述箱热交换的所述稳态模型(M)。
10.一种用于检测气体绝缘开关设备(2)的箱(1)中的气体泄漏的方法，所述方法包括以下步骤：
-通过前述权利要求任一项的方法确定所述箱(1)中所含气体(G)的量(n)，
-基于气体的量(n)随时间的演变来检测气体泄漏。
11.根据权利要求10所述的方法，包括以下步骤：
-确定作为时间函数的所述气体的量(n)的滤波值(Nfilt)，
-基于所述气体的量(n)的所述滤波值(Nfilt)随时间的演变来检测气体泄漏。
12.根据前述权利要求所述的方法，包括以下步骤：
-计算所述气体的量(n)的所述滤波值(Nfilt)的平均斜率(S)，
-如果平均斜率(S)高于预定阈值(Smax)，则检测为存在泄漏，
-如果平均斜率(S)低于或等于预定阈值(Smax)，则检测为箱(1)密封。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述气体的量(n)的所述滤波值(Nfilt)是所述气体的量(n)在预定持续时间(n)内的滑动平均值。
14.根据权利要求11或12所述的方法，其中通过施加到所述气体的量(n)的一阶滤波器来获得所述气体的量(n)的所述滤波值(Nfilt)。
15.一种电气设备(100)，包括开关设备(2)、被配置用于容纳所述开关设备(2)的箱(1)和电子控制单元(15)，所述电子控制单元(15)被配置用于实施根据权利要求1至9中任一项所述的气体的量的确定方法或用于实施根据权利要求10至14中任一项所述的气体泄漏检测方法。
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