SF6局部放電分解組分長光程紅外檢測

張曉星 任江波 胡耀垓,2 唐 炬 孟凡生

（1.重慶大學輸變電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室 重慶 400044 2. 武漢大學電子信息學院 武漢 430079）

1 引言

氣體絕緣組合電器（Gas Insulated Switchgear，GIS）內可能因生產或長期運行中出現的絕緣缺陷而導致不同程度的局部放電（PD）。在放電的作用下，SF6氣體發生分解，主要分解產物有 SOF2、SO2F2、CF4、SO2、SOF4、S2F10等[1-5]，可用通過對SF6氣體組分分析，判斷設備內部絕緣情況。目前的分析方法主要是氣相色譜法和紅外吸收光譜法，其中紅外吸收光譜法采用傅里葉變換紅外光譜儀，具有檢測時間短、無需前處理、可同時完成多個組分檢測的優點，在各電力試驗研究單位得到廣泛應用。

由于SF6分解產物濃度很低，為μL/L量級，而紅外光源一般較弱、紅外檢測器靈敏度較低，造成微量氣體組分的檢測非常困難。為了提高檢測限，有效的途徑就是提高光程長。

自1942年John U. White提出懷特池原理以來[6]，國內外專家針對如何提高光程長，減少紅外光的損耗進行了大量的研究[7-12]。R. Kurte先后用0.1m、0.22m光程氣體池對SF6分解組分進行分析[13]，M.Piemontesi也曾經用0.175m、11.25m光程長兩種氣體池對其進行分析[14,15]。研制能量衰減小、體積小的長光程氣體池，成為整個紅外檢測系統的關鍵及難點所在。

本文從增加紅外吸收光譜法的光程長入手，依據朗伯-比爾定律和懷特池原理，研制了一種用于分析 SF6局部放電分解組分的長光程氣體池，并對長短光程氣體池下 SF6局部放電分解組分紅外吸收光譜信息進行了對比分析。

2 長短光程氣體池的設計

2.1 光程長的選擇

紅外吸收光譜法定量分析理論基礎是朗伯-比爾定律（Lambert-Beer’s Law）。其表述為：當一束紅外光通過樣品時，任意波長光的吸收強度與樣品中各組分的濃度成正比，與光程長成反比。即

式中，A為吸光度；I0為背景光強；It為采樣光強；T為透射率；a為吸光系數；b為光程長；c為組分濃度。在溫度和氣體壓強一定的情況下吸光系數是一個常數，因此，用同一臺儀器測某種物質的檢測限時，物質濃度和光程長呈反比，這也是氣體池設計時進行所需光程長計算的理論依據。

圖1為利用0.1m光程氣體池（天津天光光學儀器有限公司，型號 HF—11）檢測 100μL/L的 SO2標氣、22μL/L的SO2F2標氣得到的紅外標準譜圖。從圖中可見，兩種標氣的吸收峰并不是十分明顯，檢測效果不佳，為了提高檢測限必須增加光程長。

圖1 0.1m光程氣體池測得標準圖Fig.1 Standard spectrum for 0.1 meter gas cell

SF6局部放電分解特征組分含量較低，檢測限必須達到 0.5μL/L量級。按濃度光程積不變，換算到檢測限為0.5μL/L時，氣體池所需光程長見表1，SO2相對 SO2F2需更長的光程，因此氣體池光程長確定為20m。

表1 檢測限為0.5μL/L所需光程長Tab.1 Detection limit of 0.5μL/L required for the optical path length

2.2 長光程氣體池原理

在提高氣體池光程長度時，應最大限度地降低紅外光能損耗，同時也要最大量地縮小氣體池本體體積，以減少采氣量。要在有限體積的氣體池內實現光程加長，可以利用光的反射技術使光在池內多次折返，為保證能量盡可能少的損失，應利用具有匯聚作用的球面鏡作為反射元件。

本文采用懷特池[9-12]原理來實現長光程氣體池的設計，如圖2所示，M1、M2、M3三鏡系統中，M1、M2為物鏡，M3為場鏡，三球面反射鏡的曲率半徑相同，兩物鏡的曲率中心在場鏡的前反射表面上（CA,CA′），場鏡的曲率中心位于兩物鏡正中（O），該系統在反射面之間構成了一個共軛系統：M1上任意一點發射的光經M3聚焦到M2上，M2上相應的點又經M3聚焦到M1上的起始點，同樣M3上出射到M1或M2上的光會被聚焦到M3上，像點有一定的偏移，偏移的大小由兩物鏡曲率中心間的距離來確定。由反射球面鏡的特殊光線可知入射光線和反射光線關于主光軸對稱，而球面鏡上任意點到曲率中心的連線都為主光軸，入射光點與像點關于相應球面鏡的曲率中心對稱分布。

圖2 懷特池光路圖Fig.2 Optical path graph of White cell

三鏡系統中入射光線首先被M1反射到M3上再被反射到M2上，M2上的反射光再次入射到M3上，再到M1上，如此反復的反射便可提高光程長。調節光程長主要是通過改變物鏡曲率中心間的距離和場鏡M3的幾何尺寸。氣體池的內體積與反射次數相互限制，所以必須綜合取值。

式中，x為場鏡 M3的半長；n為反射次數；a為兩物鏡曲率中心間的距離。隨著反射次數的增加，場鏡M3的尺寸增大，氣體池體積增大，紅外光在反射時的能量衰減也增大，為此，要選擇最佳的反射次數和氣體池內體積。

2.3 入射方式的選擇

氣體池的入射光有兩種入射方式：①如圖 3a所示，入射光與兩物鏡的曲率中心不在一條直線上，此入射方式下場鏡上會出現兩行平行的像點；②如圖3b所示，入射光與兩物鏡的曲率中心在一條直線上，此入射方式下場鏡上只有一行像點。圖中的數字表示第幾個像點，由圖可見以第一種方式入射時更能夠充分地利用好場鏡M3的空間，為了在有限的空間內實現最多次的反射次數，最終選擇第一種入射方式。

圖3 入射光的兩種入射方式Fig.3 Two methods of incident light

圖4為設計的氣體池場鏡M3表面的像點分布圖，圖中數字同樣表示第幾個像點，同排兩相鄰像點之間的間距為物鏡曲率中心間距的2倍，因此調節物鏡曲率中心距離a的大小可以改變像點之間的距離，在像點不重合的情況下，最大反射次數是唯一的。在選擇反射次數時要綜合考慮物鏡曲率中心距離和場鏡尺寸大小。

圖4 場鏡像點圖Fig.4 Imaging point of field mirror

2.4 氣體池結構設計及參數

氣體池的設計需遵循以下原則：①選用材料應對中紅外波段有良好的透過性能及高反射率，實現光的高透過率；②在尺寸、像質和加工工藝許可的范圍內，應使接受口徑盡可能大，保證足夠大的光通過率以使檢測器接收到足夠的能量。

圖5為氣體池的結構示意圖。SF6分解組分由進樣閥門進入氣體池，可以通過內襯特氟隆的軟管連接分解裝置采氣閥和氣體池進樣閥門，也可采用內襯特氟隆的采氣袋進樣。

由于鍍鋁膜和銀膜的反射鏡對紅外波段的反射率小于95%，又因SF6的部分分解組分有腐蝕性，所以本文采用在紅外波段反射率高達98%的鍍金反射鏡，其最佳反射次數由公式（3）決定。

式中，T為窗片材料的透過率；R為反射材料的反射率；n為反射次數；e為自然常數。氣體池窗片采用 KBr材料，其透過率大于 92%。由式（3）計算得反射40次達到最佳效率，為此取三鏡的曲率半徑為500mm，反射次數為40次，便可實現光程長20m。為了實時觀察氣體池內的透射情況，氣體池的主體部分采用高硼硅玻璃材料密封，實驗中先抽真空，再注入不超過一個大氣壓的被測氣體進行分析，因此只需承受負壓，承受外壓氣體池壁厚的計算公式為

圖5 氣體池設計結構圖1—M1鏡 2—M2鏡 3—M3鏡 4,5—KBr窗片6—螺釘和螺母 7—密封圈 8—入射、出射鏡 9—調節螺母10—真空表 11—出氣閥門 12—進樣閥門Fig.5 Structural pattern of gas-cell

式中，S0為容器的壁厚，mm；D為容器的中間面直徑，mm；Pcr為臨界壓力，N/m2；E為使用材料的彈性模量，N/m2，硼硅玻璃 E為 67kN/mm2，在承受一個大氣壓時壁厚 S0=4mm。實際中，絕對的真空是無法達到的，臨界壓力小于一個大氣壓，所以要求的壁厚應該小于4mm，但是SF6氣體分解物具有一定的腐蝕性，所以在此基礎上要加一定的強度裕度，壁厚取4mm合適。

3 長短光程氣體池實測數據分析

3.1 試驗裝置及檢測條件

作者采用 SF6氣體分解試驗裝置進行 SF6局部放電分解試驗[16]，試驗接線如圖6所示。試驗采用針–板電極缺陷模型，針電極半徑為 0.3mm，其尖端部分的錐形尖角為 30o，接地的平板電極為一個直徑60mm的羅科夫斯基電極，針板材料為黃銅，電極間距為 10 mm。將試驗裝置抽真空后充0.25MPa的SF6氣體，施加電壓22kV，放電時間為96h，采氣間隔為12h。

圖6 SF6局部放電分解實驗裝置Fig.6 Test device of SF6 discharge decomposition

紅外檢測時先將氣體池抽至真空，檢測無殘余組分時，通入高純 SF6，采集背景光譜，再抽至真空，之后通入放電分解后的SF6氣體。

傅里葉變換紅外光譜儀采用尼高力6 700，分辨率為0.5cm-1，掃描次數32，環境溫度25℃，利用系統自帶軟件扣除了環境影響。

3.2 兩種氣體池檢測光譜圖的對比分析

為測試研制的長光程氣體池特性，采用了長短光程兩種氣體池對相同分解組分進行檢測。短光程氣體池采用上述0.1m光程氣體池。

圖7為SF6局部放電96h后分別用兩種光程長氣體池進行檢測得到的紅外吸收光譜圖。由圖7a所示，0.1m的短光程氣體池能夠檢測到SF6，其中出現的峰均為SF6的吸收峰，但對微量的分解組分檢測效果不明顯；由圖7b所示，20m長光程氣體池檢測到了分解組分的吸收峰，SF6的吸收峰也比0.1m光程長檢測得到的要密集，這是紅外線充分吸收的表征。由于分解組分含量非常小，SF6的含量遠大于其他組分，所以SF6特征峰均飽和，分解組分的峰值小，不便于觀察，為此本文采用區段圖的方法來分析檢測結果。

圖7 SF6放電分解96h長短光程檢測的光譜圖Fig.7 Spectrum of discharge 96 hours’ SF6 decomposition products detected by two gas cell

SF6局部放電分解組分分布在中紅外的各個區段，例如 520cm-1～570cm-1、720cm-1～760cm-1、1 096cm-1～1 104cm-1、1 156cm-1～1 186cm-1、1 320cm-1～1 360cm-1等，每個區段有不同分解物。SOF2、SO2F2為 SF6局部放電的特征氣體，其分布區段為520cm-1～570cm-1，為此，選用該光譜段為例來進行長短光程的對比分析。圖 8a該譜段 0.1m光程長光譜圖，由圖可見，SOF2、SO2F2的吸收峰勉強可辨，信噪比較低；圖8b為該譜段20m光程長光譜圖，不難發現，SOF2、SO2F2的吸收峰信噪比高，對稱性強，分辨率好，大大提高了檢測限，可以利用其實現SF6局部放電分解組分的定量。

圖8 SF6放電分解96h長短光程檢測的區段圖Fig.8 Section spectrum of discharge 96 hours’ SF6 decomposition products detected by two gas cell

3.3 兩種光程檢測數據的分析

SF6局部放電最穩定的特征氣體為 SOF2、SO2F2、SO2，能檢測到的中間衍生氣體為 SOF4、SF4[13-15,17-20]。由紅外吸收原理可知每種物質的都有多個紅外吸收峰，為此，用于定量分析的吸收峰都選擇對濃度變化靈敏的吸收峰。

利用傅里葉變換紅外吸收光譜儀配套的檢測軟件 OMNIC讀取各吸收峰的峰值并加以校正，得到能表征各組分濃度變化的數據。表2為0.1m短光程長氣體池檢測結果，表3為20m長光程氣體池檢測結果。

表2 0.1m光程長氣體池的檢測數據Tab.2 Detected data of 0.1m gas cell

表3 20m光程長氣體池檢測數據Tab.3 Detected data of 20m gas cell

對比兩表可以發現，短光程氣體池的檢測穩定度不夠，時而有時而無，準確度差。SO2為最終生成物，化學性質比較穩定，其濃度應為增長趨勢，但是在實驗時卻有兩次數據相對前一次減??；對中間衍生物不能檢測，SF4為中間生成物，化學性質極不穩定，其濃度隨放電時間有所變化，但短光程的檢測結果不能體現。20m長光程氣體池的檢測結果表明：中間衍生物SF4、SOF4不穩定、濃度小、與放電時間沒有固定的關聯比對；而SOF2、SO2F2、SO2的變化趨勢明顯，均為隨著放電時間的增加而增多，可利用其濃度變化規律來表征其放電特征。

4 結論

本文依據朗伯-比爾定律，分析氣體池原理及內部結構，設計了一種長光程氣體池，用于 SF6放電分解氣體的紅外檢測，取得了以下研究成果：

（1）氣體池采用懷特池結構原理，入射光選取與兩物鏡曲率中心不在一條直線上的入射方式，反射鏡用高反射率的黃金鍍膜，反射次數提高到 40次，有效地增加光程長至20m。

（2）通過長短光程氣體池對 SF6局部放電分解組分檢測結果的分析表明，短光程氣體池檢測的精度、穩定性、信噪比均不夠，不能達到檢測的目的；20m長光程氣體池檢測的光譜圖分辨率高、信噪比高、穩定性好、線性性好、能夠實現 SF6局放微量組分的在線監測。

（3）20m長光程氣體池的檢測結果表明：各組分濃度隨著放電時間的增加而增大，中間衍生物SF4、SOF4不穩定、濃度小、與放電時間沒有固定的關聯比對；而 SOF2、SO2F2、SO2的變化趨勢明顯，均為隨著放電時間的增加而增多，可利用其濃度變化規律來表征其放電特征。

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