基于SF6氣體分解物檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

林海淵，林碧鶯，張秀霞

（國網(wǎng)福建省電力有限公司 檢修分公司，福建 福州 350000）

SF6氣體具有良好的絕緣特性，以SF6氣體為絕緣方式的電力設(shè)備在我國已大規(guī)模使用，如高壓斷路器、變壓器、互感器、接觸器和熔斷器等。近年來，SF6氣體絕緣類設(shè)備發(fā)生了多起因氣體質(zhì)量問題導(dǎo)致的設(shè)備故障與事故，直接威脅到電網(wǎng)的運(yùn)行安全，如何判斷設(shè)備內(nèi)部SF6氣體狀況已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。

SF6氣體自身化學(xué)性能非常穩(wěn)定，但其作為絕緣介質(zhì)在使用過程中，會因大功率電弧、火花放電或電暈等作用，引起一系列復(fù)雜的氣體分子電離和分解過程，形成SO2F2、SOF2、SOF4、S2OF10、SF4、H2S、HF及CF4等分解氣體，這些氣體均具有毒性及較強(qiáng)的腐蝕性，可對金屬件、絕緣件具有一定損傷，尤其對現(xiàn)場運(yùn)行人員的人身安全存在隱患。通過SF6氣體分解物檢測評估SF6氣體絕緣類設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)已成為該領(lǐng)域新的研究方向，國內(nèi)外已開展了大量實(shí)驗(yàn)室對比與模擬研究[1-3]，但限于SF6氣體分解物穩(wěn)定性差及標(biāo)氣獲取困難等諸多實(shí)際問題，其現(xiàn)場檢測難度太大。針對此問題，若能實(shí)現(xiàn)SF6氣體分解產(chǎn)物在線監(jiān)測，結(jié)合電氣設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況，則可大幅提升SF6氣體絕緣類設(shè)備的狀態(tài)評估與故障診斷水平，為保障SF6電氣設(shè)備的安全運(yùn)行起到積極的作用。

在分析現(xiàn)有SF6氣體分解物檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文提出一套適用于現(xiàn)場使用的SF6分解物光譜檢測系統(tǒng)，利用標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)紅外光源產(chǎn)生的寬譜光，經(jīng)過分光系統(tǒng)衍射成產(chǎn)生單色光，單色光經(jīng)過被測氣體，通過測定氣體的吸收峰值波長（或波數(shù)）及吸收強(qiáng)度，來檢測氣體成分和濃度。由于系統(tǒng)動件比較少，可以實(shí)現(xiàn)全固態(tài)化，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，工作穩(wěn)定，可對SF6設(shè)備進(jìn)行在線帶電檢測，實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行過程中氣體成分的變化，及時(shí)提供故障信息，并可對故障進(jìn)行預(yù)報(bào)警。

1 SF6氣體產(chǎn)物檢測方法分析

相關(guān)研究結(jié)果表明[4-5]，在SF6電氣設(shè)備內(nèi)部故障時(shí)，放電分解組分復(fù)雜，分解產(chǎn)物含量相對較少，且不穩(wěn)定，主要的SF6氣體分解產(chǎn)物有四氟化硫（SF4）、二氧化硫（SO2）、氟化亞硫酰（SOF2）、二氟化硫酰（SO2F2）、四氟化亞硫酰（SOF4）、十氟化硫（S2F10）及氟化氫（HF）等。SF6氣體物理、化學(xué)及復(fù)雜的分解特性均為現(xiàn)場SF6分解物檢測形成了一定的困難。現(xiàn)有幾種SF6氣體分解產(chǎn)物檢測技術(shù)有[6-9]：氣體檢測管法，氣相色譜法（Gas chromatography，GC），紅外光譜法（Infrared spectroscopy，IR），傅里葉變換紅外光譜儀（Fourier trannsfrom infrared spectrometer，F(xiàn)TIR），氣體傳感器，離子移動度計(jì)（Ion mobility spectrometry，IMS）及色譜-質(zhì)譜法（Gas chromatography mass spectrometer，GC-MS）等，表1給出了現(xiàn)有方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較。

表1 7種檢測技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)比較Tab. 1 The advantages and disadvantages of the seven kinds of detection technology

現(xiàn)有SF6氣體分解物的檢測方法有的檢測靈敏度低，有的價(jià)格昂貴、體積龐大，有的使用條件苛刻，或者使用過程繁瑣，均無法實(shí)現(xiàn)對SF6設(shè)備的實(shí)時(shí)在線檢測。因此，測量結(jié)果既不能準(zhǔn)確客觀反映設(shè)備內(nèi)氣體成分和變化的實(shí)際過程，也無法對設(shè)備的運(yùn)行狀況和內(nèi)部缺陷進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確判斷，從而不能對設(shè)備進(jìn)行故障診斷和報(bào)警。紅外分光譜法是目前最先進(jìn)的氣體檢測方法，在氣體檢測中得到廣泛應(yīng)用[11-14]，是通過檢測氣體的吸收特性來檢出被測氣體成分及其濃度的。

2 基于紅外光譜技術(shù)的SF6氣體分解檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了SF6氣體分解物檢測系統(tǒng)，主要包括紅外光源、分光系統(tǒng)、氣池和探測器等幾個(gè)部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。紅外光源產(chǎn)生的光經(jīng)過球面反射鏡，會聚到分光系統(tǒng)的入射狹縫，然后在分光系統(tǒng)中形成單色光，單色光經(jīng)出射狹縫后，通過氣池。由于氣池內(nèi)氣體的不同，會產(chǎn)生不同的吸收，光電探測器對光信號進(jìn)行采集，從而得出吸收曲線。根據(jù)曲線吸收峰的位置及峰值大小，即可測出氣體成分和濃度。

圖1 SF6氣體分解物紅外光譜檢測系統(tǒng)Fig. 1 An infrared spectrum detection system for SF6 decomposed gases

2.1 紅外光源選擇

紅外光譜儀中的紅外光源，要求具有輻射性能好、輻射強(qiáng)度大、體積小、操作方便和使用壽命長等特點(diǎn)?，F(xiàn)在國內(nèi)外各類紅外儀器中常用的紅外光源有：能斯脫燈、硅碳棒、P-E光源和氮化硅陶瓷等。因在線式光譜檢測系統(tǒng)需要在現(xiàn)場工作，采用的紅外光源必須具有啟動快，工作電流小，不易氧化等特點(diǎn)，所以在該系統(tǒng)中，采用了氮化硅光源，光源尺寸為Φ5 mm×20 mm，工作電流為2～3 A，工作溫度為800 ℃左右。

2.2 分光系統(tǒng)

目前較為常用的基于平面光柵的光譜儀光學(xué)結(jié)構(gòu)主要有：艾伯特-法斯提（Ebert-Fastie）、切爾尼-特納（Czerny-Turner）和李特洛（Littrow）自準(zhǔn)直系統(tǒng)。切爾尼-特納系統(tǒng)用2塊相同的小凹面反射鏡作為準(zhǔn)直鏡和成像鏡，代替一塊大的凹面反射鏡。2個(gè)反射鏡從中間分開，曲率中心重合，既可以避免二次衍射和多次衍射，同時(shí)又方便反射鏡的加工和裝調(diào)。光柵采用表面鍍金反射式閃耀光柵，如圖2所示，其主要參數(shù)為：閃耀波長8 000 nm，光柵刻線數(shù)75 line/mm，光柵尺寸68 mm×68 mm，工作波長范圍為4 ～17 μm。

2.3 光電探測器

紅外光電探測器分為光伏型和光導(dǎo)型，光伏型波長范圍在0.5～5.5 μm之間，不同型號的探測器截止波長分別為2.8 μm、5.0 μm和5.5 μm；光導(dǎo)型波長范圍在2～26 μm，不同型號的截止波長分別為5 μm、12 μm和26 μm?？紤]到工作波長范圍、整機(jī)體積要求、現(xiàn)場工作環(huán)境等，選用美國EOS公司熱釋電探測器LT-020-H，該探測器響應(yīng)靈敏度高，工作波長范圍寬，可在常溫下工作。該探測器工作波長2～16 μm，響應(yīng)度105 V/W，NEP<10-9。在系統(tǒng)中，通過斬波器對光源光進(jìn)行調(diào)制，調(diào)試頻率為22 Hz。

圖2 光柵分光系統(tǒng)Fig. 2 Grating diffracting system

3 基于紅外光譜技術(shù)的SF6氣體分解檢測系統(tǒng)開發(fā)

3.1 硬件部分

該系統(tǒng)整個(gè)氣體檢測系統(tǒng)的信號傳輸過程如圖3所示。具體的測量過程為：

圖3 氣體檢測系統(tǒng)信號傳輸過程Fig. 3 Signal transmission process of gas detection system

1）在不放置氣池的情況下，用光柵多次掃描，測量并記錄單色儀輸出，即S（λ）、G（λ），記錄數(shù)據(jù)存儲到計(jì)算機(jī)中；

2）如果在測量過程中，發(fā)現(xiàn)輸出信號過大或過小時(shí)，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)狹縫旋鈕，直到輸出適中位置；

3）將氣池放入測試架中，用光柵多次掃描，重復(fù)測量系統(tǒng)輸出，即O（λ）=S（λ）G（λ）P（λ）；

4）通過計(jì)算，得出被測氣體的光譜響應(yīng)曲線P（λ），即P（λ）=O（λ）/S（λ）G（λ）。

為了實(shí)現(xiàn)如上檢測流程，開發(fā)了專用控制系統(tǒng)，如圖4所示。

3.2 軟件部分

軟件系統(tǒng)作為SF6氣體分解物檢測系統(tǒng)的一部分，為SF6氣體分解物檢測儀提供具備高速同步采集、數(shù)據(jù)精確計(jì)算和顯示功能的綜合人機(jī)交互界面。軟件系統(tǒng)驅(qū)動SF6氣體分解物檢測儀在6 000 nm至14 000 nm的范圍內(nèi)獲取設(shè)備氣室內(nèi)SF6氣體光譜數(shù)據(jù)，通過標(biāo)定計(jì)算獲取氣室內(nèi)SF6氣體中四氟化硫酰（SOF4）、氟化亞硫酰（SOF2）、氟化硫酰（SO2F2）和二氧化硫（SO2）4種氣體分解物的含量。

圖4 SF6氣體分解物檢測系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)Fig. 4 Electrical control system of the detection system for SF6 decomposed gases

為合理分配主控平臺的系統(tǒng)資源，本套系統(tǒng)的軟件部分分為3個(gè)線程獨(dú)立運(yùn)行，線程間通過內(nèi)部接口實(shí)現(xiàn)同步和通信，主要包括主線程、采集線程和處理線程。

1）主線程主要功能包括：啟動和關(guān)閉軟件；生成線程中斷事件；監(jiān)視用戶操作，啟動和關(guān)閉采集和處理線程；監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行情況，啟動和關(guān)閉采集和處理線程；歷史數(shù)據(jù)瀏覽；分解物含量計(jì)算等。

2）采集線程主要功能包括：驅(qū)動光源輸出指定波長的單色光；驅(qū)動采集模塊完成光信號采集；將原始數(shù)據(jù)保存至緩存；生成當(dāng)前波長采集完畢事件，啟動掛起中的處理線程；生成波段（6 000 nm至14 000 nm）采集完畢事件，向主線程申請自動關(guān)閉等。

3）處理線程主要功能包括：與采集線程同步從緩存中讀取原始數(shù)據(jù)；對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行特征抑制和特征提??；將光譜特征數(shù)據(jù)寫入歷史文件；界面顯示當(dāng)前光源狀態(tài)和曲線等。

軟件人機(jī)界面由光譜曲線顯示區(qū)、實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示區(qū)、檢測結(jié)果顯示區(qū)和用戶操作區(qū)4個(gè)部分組成，分別在不同線程工作時(shí)執(zhí)行監(jiān)視、顯示和人機(jī)交互功能，如圖5所示。

4 檢測與分析

利用本文所開發(fā)的在線紅外光譜檢測系統(tǒng)對SO2和CF42種氣體進(jìn)行測定，2種氣體樣氣由中國計(jì)量科學(xué)研究院提供，以SF6為基礎(chǔ)氣體。氣體SO2，濃度為3 000×10-6，生產(chǎn)日期為2013年1月5日；氣體CF4，濃度為500×10-6，生產(chǎn)日期為2012年8月22日，有效期均為1年。

圖5 SF6氣體分解物檢測系統(tǒng)軟件界面Fig. 5 The software interface of the detection system for SF6 decomposed gases

測試結(jié)果如圖6所示，測量環(huán)境條件為：溫度21 ℃，濕度30%HR，大氣壓99 kPa。被測氣體壓力為0.1 MPa。

圖6 SO2和CF4 2種氣體光譜曲線Fig. 6 Gas spectral curves of SO2 and CF4

可見，SO2氣體分別在1 380 cm-1、1 170 cm-1、1 080 cm-1、990 cm-1、920 cm-1、800 cm-1等處有吸收峰；CF4氣體分別在1 290 cm-1、1 108 cm-1、1 000 cm-1、930 cm-1、870 cm-1、780 cm-1等處有吸收峰。由于本系統(tǒng)中使用的氣池長度比較短（10 cm），所以分辨率比較低。通過采用信噪比計(jì)算法，分別計(jì)算出2種氣體吸收曲線的噪聲均方差σ，σ（SO2）=0.003 89，σ（CF4）=0.009 23，兩種氣體的最大吸收峰值分別為0.051 3和0.070 6，因此，其信噪比分別為：SNR（SO2）=0.051 3/0.003 89=13.19，SNR（CF4）=0.070 6/0.009 23=7.65。然后將2種氣體的濃度相比，即可得出儀器對2種氣體的檢出限分別為：φ（SO2）=3 000×10-6/13.19=227.45×10-6；φ（CF4）500×10-6/7.65=65.36×10-6。

5 分析與結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種基于光柵分光原理的SF6氣體分解物檢測的紅外光譜儀，儀器結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，適合于SF6設(shè)備在線檢測。但是，由于儀器中選用的氣池為單光程結(jié)構(gòu)，光程短，檢測精度低，目前能達(dá)到的檢出精度為幾十到幾百ppm（1 ppm=10-6）。通過增加氣池光程長度，可以使儀器檢測精度大大提高。SF6分解物均有多個(gè)吸收峰，而且有些氣體的吸收峰會發(fā)生重疊，所以，要準(zhǔn)確判定混合氣體中氣體成分，需要將多個(gè)峰值位置進(jìn)行考慮。

為了擴(kuò)大光譜儀的檢測波長范圍，可以采用雙光束結(jié)構(gòu)，可將工作波長范圍擴(kuò)展為2～25 μm。而且在光路中增加參考光路，可以有效消除光源不穩(wěn)定帶來的誤差。

作為現(xiàn)場在線式儀器，還需要考慮儀器在現(xiàn)場的絕緣措施，避免高電壓對儀器的影響。另外，SF6設(shè)備中氣室的壓力比較大，需要通過減壓機(jī)構(gòu)使進(jìn)入氣池的氣體壓力不要過大，同時(shí)要考慮氣路的密封和氣體回收處理。

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