基于中紅外TDLAS的SF6、H2S背景下SO2濃度檢測(cè)

程 繩 王身麗 董曉虎 羅 浪 王勇杰 時(shí)偉君 林 磊

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，武漢 430051）

SF6電氣設(shè)備具有檢修周期長(zhǎng)、運(yùn)行可靠、占地面積與空間體積小等優(yōu)點(diǎn)，使其在電力工業(yè)中占據(jù)重要地位。在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用[1,2]。SF6電氣設(shè)備的絕緣與滅弧性能主要源于其內(nèi)部充入的SF6氣體，SF6是現(xiàn)今電力工業(yè)使用最為廣泛的絕緣氣體，其具有優(yōu)異的絕緣與滅弧性能[3]。但SF6電氣設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)絕緣缺陷時(shí)，絕緣缺陷導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部電場(chǎng)發(fā)生變化，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生局部放電、過(guò)熱及電弧等現(xiàn)象[4]。這些現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部SF6發(fā)生分解生成低氟化合物，這些低氟化合物與設(shè)備內(nèi)部的H2O與O2反應(yīng)，生成SO2等SF6分解組分[5,6]，這些分解組分在絕緣與滅弧性能方面低于SF6導(dǎo)致設(shè)備絕緣性能下降。因此，針對(duì)SF6分解組分SO2的有效檢測(cè)，可有效了解SF6電氣設(shè)備內(nèi)部SF6的分解情況，對(duì)SF6設(shè)備的內(nèi)部情況評(píng)估具有重要意義。

針對(duì)SO2檢測(cè)方面，目前主流的檢測(cè)方法有化學(xué)檢測(cè)與光學(xué)檢測(cè)兩種檢測(cè)方法。在這之中，化學(xué)檢測(cè)法主要有檢測(cè)管法、氣相色譜法[7-13]等。這些方法能對(duì)SO2氣體進(jìn)行有效的檢測(cè)，但檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)待測(cè)樣品可能造成損傷，不適用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。光學(xué)檢測(cè)法主要有傅里葉紅外光譜法、可調(diào)諧激光光譜法等。傅里葉紅外光譜法可對(duì)多種SF6分解組分進(jìn)行檢測(cè)，但易受到組分間的交叉背景。近年來(lái)可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)（TDLAS）的發(fā)展使得在SO2氣體檢測(cè)方面具有更多方法。可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)屬于痕量氣體分析檢測(cè)方法，通過(guò)改變注入的電流和溫度來(lái)調(diào)控可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的線寬和波長(zhǎng)，針對(duì)檢測(cè)氣體的特定波段范圍進(jìn)行精確掃描，可對(duì)測(cè)量氣體分子之間難以分辨的吸收線進(jìn)行有效檢測(cè)，檢測(cè)后信號(hào)通過(guò)朗伯比爾定律可計(jì)算出待測(cè)氣體濃度[14-17]。與其他氣體檢測(cè)方法相比，光學(xué)法中的TDLAS技術(shù)精度高、響應(yīng)時(shí)間短、靈敏度高、選擇性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)氣體檢測(cè)中具有較好前景[18-21]。目前，TDLAS在痕量氣體檢測(cè)方面具有較多的研究與應(yīng)用。趙成龍等人采用TDLAS技術(shù)在2004nm波段對(duì)CO2進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)下限達(dá)到214.28ppmv[22]。王彪等人采用TDLAS技術(shù)并結(jié)合VCSEL光源對(duì)H2S進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)下限達(dá)到9g/m3[23]。高彥偉等人使用TDLAS技術(shù)在1.28μm處對(duì)HF進(jìn)行檢測(cè)，系統(tǒng)極限達(dá)到1.12ppm-m[24]。曲世敏等人在1332.8cm-1波段對(duì)CH4進(jìn)行檢測(cè)，最低檢測(cè)下限達(dá)到40×10-9[25]。TDLAS技術(shù)進(jìn)行痕量氣體檢測(cè)在電力及其他領(lǐng)域均有相應(yīng)的研究，但在電力領(lǐng)域方面，所進(jìn)行檢測(cè)氣體研究的背景為N2等氣體，在SF6背景以及分解組分背景下的檢測(cè)研究較少。而在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，SF6電氣設(shè)備充有大量的SF6氣體，在SF6背景下對(duì)SO2進(jìn)行檢測(cè)更加符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)情況。

針對(duì)SF6背景以及分解組分背景下的檢測(cè)SO2，本工作對(duì)SF6設(shè)備內(nèi)部發(fā)生SF6分解時(shí)設(shè)備內(nèi)部的環(huán)境情況，開(kāi)展了SF6與H2S背景下SO2檢測(cè)研究，選擇受影響較少的1300～1400cm-1波段作為SO2檢測(cè)波段，搭建了基于TDLAS技術(shù)的SF6、H2S背景平臺(tái)，模擬SF6設(shè)備內(nèi)部情況，在SF6、H2S背景下對(duì)不同濃度SO2氣體進(jìn)行檢測(cè)，研究TDLAS技術(shù)在SF6、H2S背景下對(duì)SO2氣體的檢測(cè)能力。

1 檢測(cè)原理

1.1 SO2、SF6、H2S光譜研究

當(dāng)SF6設(shè)備內(nèi)SF6發(fā)生分解時(shí)，設(shè)備內(nèi)部會(huì)含有多種SF6分解產(chǎn)物以及設(shè)備內(nèi)部填充的SF6氣體。為對(duì)設(shè)備內(nèi)部SO2進(jìn)行有效檢測(cè)，本研究采用NIST光譜圖庫(kù)[26]對(duì)SF6、SO2、H2S的紅外光譜進(jìn)行分析，各氣體光譜如圖1所示。

圖1 SF6各分解組分在500～1700cm-1紅外光譜圖

由圖1可以看到，在500～1700cm-1波段范圍內(nèi)H2S基本無(wú)吸收，SF6在此范圍內(nèi)具有一個(gè)吸收峰其位于600cm-1附近，CO2在600～750cm-1波段內(nèi)有吸收峰，CF4在1200～1300cm-1波段范圍內(nèi)有吸收峰，SO2F2在500～600cm-1、800～900cm-1、1220～1300cm-1、1450～1550cm-1波段處有吸收峰。SO2在此范圍內(nèi)具有3個(gè)吸收峰，位于500～600cm-1、1100～1200cm-1以及1300～1400cm-1波段。對(duì)比分析6種氣體的光譜，H2S在此波段雖有吸收峰但其吸光度小于SO2的吸光度。SO2在1100～1200cm-1以及1300～1400cm-1波段距SF6的吸收峰較遠(yuǎn)，影響較小。CO2、CF4、SO2F2在此波段無(wú)吸收峰。基于上述分析，可在1100～1200cm-1以及1300～1400cm-1波段對(duì)SO2進(jìn)行檢測(cè)，可有效避免SF6與H2S的干擾。但由于高濃度SF6會(huì)導(dǎo)致光譜飽和影響其他氣體的光譜，因此還需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)SF6背景下的SO2進(jìn)行檢測(cè)研究。

1.2 TDLAS-WMS原理

激光器輸出激光的中心頻率vc受到頻率為ω的余弦波調(diào)制信號(hào)調(diào)制時(shí)，其瞬時(shí)頻率可以表示為[27,28]

式中：vf為波長(zhǎng)調(diào)制系數(shù)。激光通過(guò)待測(cè)氣體時(shí)受比爾朗伯定律與洛倫茲線型的影響其光強(qiáng)可以用I(v,t)表示

式中：a0為純氣體在吸收線中心的吸收截面，vc為中心吸收峰，Δv為吸收線半高全寬。當(dāng)激光光源輸出中心波長(zhǎng)在氣體吸收峰處時(shí)，v0=vc。將其傅里葉展開(kāi)可以得到二次諧波項(xiàng)：

由此可以得到與氣體濃度C相關(guān)的二次諧波I2f。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本研究搭建了基于TDLAS技術(shù)的SF6、H2S實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由SO2檢測(cè)系統(tǒng)、配氣裝置、尾氣處理裝置組成。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于TDLAS技術(shù)的SF6、H2S實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

SO2檢測(cè)系統(tǒng)由激光器、激光器驅(qū)動(dòng)、TDLAS控制器、計(jì)算機(jī)、光電探測(cè)器、氣體池組成。SO2激光器采用日本濱松公司的L12007-1354H-C量子級(jí)聯(lián)激光器。氣體池采用Herriot式結(jié)構(gòu)，總光程長(zhǎng)為15m。激光器驅(qū)動(dòng)用以控制激光器輸出溫度與驅(qū)動(dòng)電流，調(diào)節(jié)激光器的輸出波長(zhǎng)。TDLAS控制器用以處理由計(jì)算機(jī)輸入的控制指令，處理并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)信號(hào)傳輸至激光器驅(qū)動(dòng)，同時(shí)將光電探測(cè)器所檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行采集處理傳送至計(jì)算機(jī)。采用TDLAS技術(shù)并結(jié)合波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)提高對(duì)SO2的檢測(cè)能力。SO2的檢測(cè)波段選擇為1300～1400cm-1波段，此波段SO2具有較高的吸收強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)氣體采用紐瑞德公司生產(chǎn)SO2、SF6、H2S標(biāo)準(zhǔn)氣體。配氣系統(tǒng)采用質(zhì)量流量配氣儀具有較高的配制精度。He氣體作為實(shí)驗(yàn)前與實(shí)驗(yàn)后清洗氣體池的氣體。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 SF6背景下的研究

在1.1節(jié)中針對(duì)SO2、SF6進(jìn)行了分析，在1300～1400cm-1SO2的檢測(cè)受SF6影響較小，為驗(yàn)證SF6對(duì)于檢測(cè)的影響，本節(jié)對(duì)SF6背景影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

實(shí)驗(yàn)以47.5μL/L的SO2作為標(biāo)準(zhǔn)氣體，采用純SF6氣體作為載氣，配制濃度為20、15、10、5、1μL/L的SO2實(shí)驗(yàn)氣體進(jìn)行檢測(cè)研究。實(shí)驗(yàn)氣體檢測(cè)過(guò)程中保持流速為500mL/min的恒定流速通入氣體池中，采集光強(qiáng)信號(hào)并提取二次諧波信號(hào)，每個(gè)濃度SO2的二次諧波峰值采集1000個(gè)數(shù)據(jù)并取平均值作為該濃度的二次諧波峰值，各濃度SO2二次諧波峰值如表1所示。

表1 純SF6背景下不同濃度SO2對(duì)應(yīng)二次諧波峰值測(cè)量平均值

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，對(duì)純SF6背景下不同濃度SO2二次諧波峰值平均值進(jìn)行曲線擬合，擬合結(jié)果如圖3所示。擬合曲線表達(dá)式為：

圖3 SF6背景下不同濃度SO2對(duì)應(yīng)二次諧波峰值平均值對(duì)應(yīng)關(guān)系

可以看到在純SF6背景SO2濃度與二次諧波峰值平均值具有較好的線性關(guān)系，擬合優(yōu)度達(dá)到R2=0.997。

由表1數(shù)據(jù)對(duì)SO2氣體的二次諧波峰值平均值帶入的擬合關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算，得到在SF6背景下不同濃度SO2濃度擬合值反演結(jié)果，反演結(jié)果如表2所示。

表2 純SF6背景下不同濃度SO2誤差分析

由表2可以看出，純SF6背景下，濃度為1.15、5.10、10.06、15.01、19.95μL/L的SO2實(shí)驗(yàn)氣體其實(shí)際值與擬合曲線擬合所得到的SO2測(cè)量值的誤差最大為0.653μL/L。由上述實(shí)驗(yàn)可以得到在SF6背景下TDLAS檢測(cè)裝置可以對(duì)SO2進(jìn)行有效檢測(cè)。

3.2 H2S背景下的研究

在《國(guó)家電網(wǎng)公司變電檢測(cè)管理規(guī)定》中，針對(duì)SF6氣體成分H2S與SO2的含量進(jìn)行了明確的規(guī)定，規(guī)定細(xì)則如表3所示。

表3 SF6氣體分解組分含量標(biāo)準(zhǔn)

由規(guī)定所示，正常運(yùn)行SF6電氣設(shè)備中SO2與H2S含量應(yīng)小于1μL/L。為更好的分析在含有H2S的情況下，SO2的檢測(cè)效果，本研究采用5、25、50μL/L 3個(gè)濃度梯度的H2S作為背景源對(duì)20、15、10、5、1μL/L的SO2實(shí)驗(yàn)氣體進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表4。

續(xù)表4

表4 5、25、50μL/L H2S背景下不同濃度SO2對(duì)應(yīng)二次諧波峰值平均值

根據(jù)表4數(shù)據(jù)，不同濃度H2S背景下，各濃度SO2與二次諧波峰值平均值的差異較小。對(duì)不同濃度H2S背景下各濃度SO2二次諧波峰值平均值進(jìn)行曲線擬合，擬合結(jié)果如圖4所示。可以看到在H2S背景SO2濃度與二次諧波峰值平均值具有較好的線性關(guān)系，擬合優(yōu)度達(dá)到R2=0.997、0.996、0.995。

圖4 5、25、50μL/L H2S背景下不同濃度SO2對(duì)應(yīng)二次諧波峰值平均值對(duì)應(yīng)關(guān)系

表4數(shù)據(jù)對(duì)SO2氣體的二次諧波峰值平均值帶入式（4）線性關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算，得到在H2S背景下不同濃度SO2反演結(jié)果，反演結(jié)果如圖4所示。

由表5可以看出，在5μL/L、25μL/L、50μL/L H2S背景下，1、5、10、15、20μL/L SO2實(shí)驗(yàn)氣體其測(cè)量值與擬合曲線擬合所得到的SO2測(cè)量值的誤差均不超過(guò)1.5μL/L，其中5μL/L、25μL/L、50μL/L H2S背景下最大誤差分別為0.724μL/L、0.821μL/L、1.225μL/L。在不同濃度H2S背景下，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)仍能對(duì)對(duì)SO2進(jìn)行有效的檢測(cè)。

表5 5μL/L、25μL/L、50μL/L H2S背景下不同濃度SO2誤差分析

本檢測(cè)平臺(tái)與檢測(cè)方法在純SF6以及H2S背景下對(duì)SO2進(jìn)行有效的檢測(cè)，可用于對(duì)SF6氣體絕緣設(shè)備的SO2檢測(cè)應(yīng)用的技術(shù)參考與支持。

4 結(jié)論

搭建了基于TDLAS的SF6、H2S背景下的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)不同濃度SO2氣體進(jìn)行檢測(cè)。采用純SF6與5、25、50μL/L H2S作為背景對(duì)不同濃度SO2進(jìn)行檢測(cè)研究，得到以下結(jié)論。

1）通過(guò)NIST紅外數(shù)據(jù)庫(kù)在500～1700cm-1波段范圍內(nèi)對(duì)SO2、SF6、H2S的紅外光譜進(jìn)行分析，在1300～1400cm-1波段內(nèi)SO2具有較高的紅外吸收峰并在此范圍內(nèi)受SF6、H2S影響較少，可在此波段對(duì)SO2進(jìn)行檢測(cè)研究。

2）在SF6背景下的研究中，采用純SF6作為背景源對(duì)1.15、5.10、10.06、15.01、19.95μL/L的SO2實(shí)驗(yàn)氣體進(jìn)行檢測(cè)研究。實(shí)測(cè)SO2配氣儀標(biāo)稱值和與擬合曲線擬合所得到的SO2測(cè)量值的誤差均小于1μL/L，最大誤差為0.653μL/L。

3）在H2S背景下的研究中，采用5、25、50μL/L H2S作為背景源對(duì)1.13、5.09、10.06、15.01、19.97μL/L的SO2實(shí)驗(yàn)氣體進(jìn)行檢測(cè)研究。5、25、50μL/L H2S背景下，SO2配氣儀標(biāo)稱值與擬合曲線擬合所得到的SO2測(cè)量值的誤差均不超過(guò)1.5μL/L，其中5μL/L、25μL/L、50μL/LH2S背景下最大誤差分別為0.724μL/L、0.821μL/L、1.225μL/L。