基于CRDS的SF6分解產物檢測裝置研究

2018-10-25 01:51:04馮新文李文震陳師寬王遠東張杰李飛

電測與儀表 2018年19期

馮新文，李文震，陳師寬，王遠東，張杰，李飛

(1.國網內蒙古東部電力有限公司，呼和浩特 010000；2. 國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，武漢 430074)

0 引言

SF6氣體絕緣設備中可能存在絕緣缺陷引起的局部放電或過熱故障，導致SF6分解。在微氧和微水等雜質作用下，生成SO2、HF、H2S、CO、CF4、SOF2、SO2F2、SOF4等特征氣體。通過檢測SF6分解產物的含量和變化趨勢，判斷引起局放的原因和放電量，是國內外研究的熱點[1-4]。

SF6/N2混合氣體在低溫下不易液化，在不均勻電場下擊穿場強更高，作為SF6的替代氣體在長距離輸電管道中應用廣泛[5-9]。然而混合氣體中SF6分解產物的濃度更低，對檢測的靈敏度要求也更高。

目前已有大量關于SF6分解產物檢測方法的研究。半導體氣體傳感器選擇性差、易中毒、探頭需定期更換、壽命短[10]；檢定管檢測種類有限，需定期查看；氣相色譜法從取樣到得到分析結果時間較長，不能實現在線檢測，而且在測量時需要選取合適的色譜柱和載氣流速，多次重復測量才能確保測量結果準確[11]；氣相色譜-質譜聯用法能夠檢出多種氣體，樣品用量少、靈敏度較高，但取樣水平會直接影響檢測結果[12]，光聲光譜法的容易受到干擾，靈敏度也不高[13]。激光光腔衰蕩光譜法(Cavity Ring Down Spectroscopy, CRDS)氣體組分檢測技術選擇性好，精度高(1 μL/L)，響應時間快(<5 s)，可實現在線監測[14]。

本文針對CRDS檢測法開展了以下研究：設計了SF6氣體絕緣電氣設備組分檢測裝置總體框架，對系統關鍵部件進行了選型設計，最終完成基于CRDS的氣體在線檢測裝置，并在國網特高壓實驗基地試運行一年，對長期運行數據進行了分析。

1 CRDS的檢測原理

1.1 光子的選擇吸收特性

不同的氣體由于分子結構不同，對不同頻率光子的吸收也各不相同。當光子能量剛好等于氣體分子中某兩個能級之差時才會被吸收,稱為光子的選擇吸收特性。

氣體分子吸收光子能量后躍遷到激發態,然后又返回到穩定狀態,并釋放出光子。此時由于分子的不斷運動,釋放光子的出射方向是任意方向,相當于入射的光子被散射。氣體的吸收光譜和吸收系數與分子結構有關。測量氣體的吸收光譜就可以判斷氣體的組分;測量吸收光譜的強度可以定量分析各組分的濃度。

1.2 光子的吸收定律

假定入射光有I0個光子,通過厚度為的介質后光子被介質不斷吸收,離開介質后還剩I個光子。根據比爾朗伯吸收定律：

I=I0e-Nσl

(1)

式中N為單位體積介質內分子數量；σ為光子通過單位面積的介質后被一個分子吸收的概率。對于一定的介質和入射光，N和σ為常數。當介質的吸收系數和入射光的光強已知時，通過測量入射光通過介質后的衰減量，可以得到介質的分子濃度。

2 SF6氣體分解產物特性

2.1 主要分解產物

SF6氣體絕緣設備中的絕緣材料不僅有SF6，還有環氧樹脂、聚四氟乙烯和絕緣紙等各種固體絕緣材料。當設備發生局部放電和過熱故障時，SF6和固體絕緣材料會在高溫作用下分解，主要分解產物有SO2、H2S、CO和HF等。通過檢測分解產物，就可以判斷設備內部是否發生局部放電或過熱故障。當使用SF6/N2混合氣體代替SF6時，SF6的濃度會降低，因此分解產物的濃度會也會相對降低，對檢測裝置的靈敏度要求也更高。

2.2 主要分解產物的吸收光譜

根據光子的選擇吸收特性和吸收定律，多數氣體分子都有特定的吸收譜線，因此，選定一種特征氣體和吸收譜線就成為必須要做的選擇。

通過Hitran數據庫我們分析從近紅外和中紅外分析SF6幾種典型特征組份的光譜特效，以此對特征組份波長和氣體類型進行選擇。

(1)SO2。

SO2是SF6最典型的分解產物，在近紅外波段SO2有豐富的吸收譜線，但是吸收系數普遍較低，在10-24的量級，不適合低濃度氣體檢測；中紅外波段在1 300 cm-1～1 400 cm-1波段有著較強的吸收，但是考慮到市場購買此波段激光器價格昂貴，因此暫時不對SO2進行檢測。

(2)CO。

CO是SF6氣體絕緣設備中絕緣子因放電或高溫裂解的典型的特征產物，在近紅外波段CO具有豐富的吸收譜線，且吸收系數適中，在10-21的量級，可以適合低濃度氣體檢測；中紅外波段在2 000 cm-1～2 300 cm-1波段有著較強的吸收，可以考慮在該波段進行更低濃度的檢測。但CO是固體絕緣材料的分解產物，不能代表SF6的分解特性。因此雖然吸收譜線合適，但不考慮用CRDS進行該氣體的檢測。

(3)H2S。

H2S也是是SF6的典型分解產物，在近紅外波段也有豐富的吸收譜線，且吸收系數適中，在10-21的量級，適合低濃度氣體檢測；中紅外波段在多個波段有著較強的吸收，可以考慮在該波段進行更低濃度的檢測?？紤]到價格成本問題，采用CRDS在近紅外波段對其進行檢測。

(4)SF6。

在SF6氣體絕緣設備中，所有的分解產物的檢測都是以SF6為背景。因此，在選擇吸收峰的時要避免SF6吸收譜線的干擾。通過HITRAN數據庫查詢可知，SF6的吸收譜線在10.1 μm左右有一個很強的吸收峰，在其他近紅外位置并無吸收。

基于以上原因，最終我們選擇了1 576 nm的波長作為H2S的吸收譜線。

3 CRDS檢測裝置

3.1 裝置設計

氣體特征組分檢測裝置結構采用三層模塊式設計思路，整個檢測機柜共分為三層，第一層是電路層，主要集成了電路控制部分。第二層是氣路層，主要集成了微水傳感、純度傳感等傳感器模塊，并集成了減壓閥、電磁閥氣路連接閥。第三層為CRDS檢測層，主要集成了H2S檢測系統。其設計框圖如圖1所示。

設計低損耗、高穩定的光學無源腔是實現CRDS系統高靈敏度測量的重要基礎。光學無源腔的設計主要是設計腔體結構和腔鏡參數。

(1)腔體結構設計。

圖1 系統總體設計框圖

光學無源腔根據結構可分為直腔(兩鏡腔)、折疊腔和環形腔(多鏡腔)。直腔的結構簡單，腔體的制作和調節也更加簡單，而且直腔只需要兩片腔鏡，成本更低。

只有當激光在腔體內形成穩定的諧振，連續波腔衰蕩光譜才能夠進行測量，這就要求腔體有極高的穩定度。因此，選用鈦合金座位腔體的材料。無源腔實物圖如圖2所示，腔長360 mm，內孔直徑1 mm，腔體兩端拋光，用光膠將腔鏡固定在兩端。通過計算，激光在腔體內基本上不會因為腔內徑約束產生衍射損耗。

圖2 無源腔實物圖

(2)腔鏡參數設計。

腔鏡參數設計主要是設計高反膜的中心波長和選擇合適的的曲率半徑。選擇高反膜的中心波長時主要考慮被測介質的光譜特性。由于本文選擇H2S在1 576 nm的吸收譜線進行檢測，因此高反膜的中心波長應在1 576 nm附近。利用離子濺射鍍膜法鍍制高反膜，實物圖如圖3所示。利用Lambda-950分光光度計測量的高反膜透射損耗譜曲線如圖4所示，高反膜的中心波長為1 548 nm，透射率小于0.05%。

選擇腔鏡的曲率半徑時應考慮無源腔的長度。根據激光參數和模式耦合公式，針對所設計的360 mm腔體，選擇曲率半徑為10 m的腔鏡時耦合效率最高。