趙 坤，姜 萌，李 磐，張潮海，李夢(mèng)齊

（1．國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢430074；2．北京航天控制儀器研究所北京市光纖傳感系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京100094）

SF6分解氣的近紅外在線檢測(cè)技術(shù)研究

趙 坤1，姜 萌2，李 磐2，張潮海1，李夢(mèng)齊1

（1．國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢430074；2．北京航天控制儀器研究所北京市光纖傳感系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京100094）

為滿足SF6絕緣電氣設(shè)備故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警的實(shí)際需求，分析了國(guó)內(nèi)分解氣檢測(cè)研究現(xiàn)狀。對(duì)比近紅外與中紅外吸收光譜檢測(cè)技術(shù)，提出近紅外吸收光譜技術(shù)在線檢測(cè)的技術(shù)方案。計(jì)算分析待測(cè)氣體特征譜線的吸收系數(shù)、吸收光程和電路信噪比對(duì)精度的影響，完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)。提出SF6分解氣在線檢測(cè)系統(tǒng)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)H2S、HF和CO這3種氣體測(cè)量。數(shù)據(jù)分析表明，系統(tǒng)檢測(cè)精度優(yōu)于5×10-7，表明該系統(tǒng)滿足電力行業(yè)在線測(cè)量的需求。

SF6分解氣；紅外吸收光譜；檢測(cè)精度

0 引言

SF6電氣設(shè)備（氣體絕緣組合電器GIS、氣體絕緣變壓器GIT、長(zhǎng)距離氣體絕緣管線GIL、氣體絕緣斷路器GCB、電纜GIC等）因其良好的絕緣、滅弧介質(zhì)特性，并且具有占地面積小、運(yùn)行安全可靠、檢修周期長(zhǎng)等突出優(yōu)勢(shì)而廣泛應(yīng)用于輸配電設(shè)備領(lǐng)域，工作電壓覆蓋35kV～1200kV的所有等級(jí)。目前SF6電氣設(shè)備已經(jīng)占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，并且還有擴(kuò)大應(yīng)用范圍的趨勢(shì)。SF6電氣設(shè)備是電力系統(tǒng)的基本組成元件，其工作狀況直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

作為電能輸送樞紐的SF6電氣設(shè)備中流過(guò)的電流往往高達(dá)數(shù)千安培，當(dāng)如此高的電流流過(guò)接觸電阻過(guò)大處時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不正常發(fā)熱，引發(fā)設(shè)備產(chǎn)生局部故障。SF6電氣設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)早期潛伏性絕緣故障時(shí)，常伴隨不同形式和強(qiáng)度的電位差或者局部過(guò)熱等物理現(xiàn)象。進(jìn)而使SF6發(fā)生不同程度的分解，產(chǎn)生多種分解產(chǎn)物。因此，基于SF6氣體分解產(chǎn)物的在線監(jiān)測(cè)可以為氣體絕緣電氣設(shè)備故障診斷和預(yù)警提供手段，成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

本文采用一種近紅外吸收光譜的SF6分解氣檢測(cè)技術(shù)，同時(shí)對(duì)H2S、HF和CO這3種氣體進(jìn)行檢測(cè)，提供高精度測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)和解決方案，可對(duì)SF6設(shè)備進(jìn)行在線檢測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中氣體成分的變化，提供故障信息，并可對(duì)故障進(jìn)行預(yù)報(bào)警。

1 SF6分解產(chǎn)物檢測(cè)現(xiàn)狀分析

SF6在放電條件可能分解或與其他物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)物有SOF4、SO2F2、SOF2、SO2、CF4、HF、H2S、S2F10、CO、CO2、CS2等十幾種［1］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)嘗試通過(guò)SF6熱分解模擬試驗(yàn)等方式，獲得SF6在不同故障溫度下分解產(chǎn)物組分和規(guī)律［2］。也有通過(guò)它統(tǒng)計(jì)獲得不同故障情況下出現(xiàn)分解特征氣體的概率，以此建立各故障模式下的分解特征氣體參考范圍，建立分解產(chǎn)物與設(shè)備故障的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為運(yùn)行開關(guān)設(shè)備內(nèi)部故障類型判斷提供依據(jù)。

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)SF6混合氣體的故障特性研究已經(jīng)開始逐步開展，但是國(guó)內(nèi)尚處在用分析儀器的實(shí)驗(yàn)室研究階段，針對(duì)分解產(chǎn)物在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究較少［3-5］。SF6分解產(chǎn)物在絕緣電氣中含量較低，缺乏一種高靈敏度、快速響應(yīng)的多種分解組分濃度在線檢測(cè)技術(shù)。

當(dāng)前，SF6分解氣組分在線檢測(cè)技術(shù)分為中紅外和近紅外波段。中紅外是氣體分子譜的基頻“指紋區(qū)”，吸收強(qiáng)烈，容易實(shí)現(xiàn)高濃度檢測(cè)。但主要存在2個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：首先，SOF2、SO2、CF4、S2F10和SF6等氣體在中紅外區(qū)域7．6μm～7．9μm光譜交叉干擾，以SF6作為高濃度背景氣體時(shí)，采用中紅外寬譜光源配合窄帶濾波片方式，受到濾波片參數(shù)限制，難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量；其次，采用中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器作為光源，精確對(duì)準(zhǔn)氣體分子譜振轉(zhuǎn)能級(jí)在中紅外區(qū)域的基頻特征譜線，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體組分的高精度測(cè)量，但缺點(diǎn)是中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器價(jià)格昂貴。

近紅外光譜區(qū)域?yàn)榉肿诱?轉(zhuǎn)能級(jí)的泛頻帶，吸收弱于中紅外區(qū)域，張潮海等［6］提出了基于光腔衰蕩光譜（Cavity Ring-down Spectroscopy，CRDS）的SF6電氣設(shè)備分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)。激光腔衰蕩光譜技術(shù)核心是高精細(xì)吸收腔加工技術(shù)，這需要依托于高精細(xì)腔鏡加工組裝平臺(tái)和設(shè)計(jì)能力。CRDS技術(shù)近期在國(guó)內(nèi)隨著激光陀螺慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展而具有可靠的技術(shù)、設(shè)備、工藝的保障，采用長(zhǎng)吸收光程的近紅外分解組分在線檢測(cè)技術(shù)逐漸走向成熟。

2 提高檢測(cè)精度關(guān)鍵技術(shù)

SF6電氣設(shè)備在局部放電發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生對(duì)故障類型判斷有價(jià)值的SF6分解產(chǎn)物H2S、CO、HF在近紅外有較強(qiáng)吸收譜線。吸收譜線的選擇影響系統(tǒng)的激光器波長(zhǎng)、檢測(cè)精度等。

輸出光強(qiáng)I與輸入光強(qiáng)I0之間滿足Beer-Lambert定律：

其中，α（υ）為氣體在頻率υ處的吸收系數(shù)，單位為cm-1/atm（1atm＝101．325kPa），P為壓強(qiáng)，單位為atm；C為吸收氣體的體積濃度百分比；L為總的氣體吸收光程，單位為cm。最終經(jīng)過(guò)吸收后探測(cè)器得到的信號(hào)為：

從式（2）可以看出，探測(cè)器獲得的信號(hào)S與氣體濃度C、吸收光程L以及吸收系數(shù)α成正比，意味著提高檢測(cè)精度需要從光路上選擇吸收系數(shù)強(qiáng)的譜線，提高吸收光程，提升電路信噪比等。

2.1 吸收譜線選擇

查詢HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)，繪制H2S、CO、HF光譜曲線如圖1所示。可以看出3種氣體在近紅外區(qū)域存在較強(qiáng)特征吸收峰，從中選擇吸收線強(qiáng)度最強(qiáng)、與其他氣體無(wú)交叉的譜線。

圖1 3種待測(cè)氣體紅外吸收譜圖Fig.1 Absorption spectra of CO，H2S and HF

根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)選擇譜線，獲得特征組分線強(qiáng)、特征波長(zhǎng)、譜線自身加寬系數(shù)，對(duì)3種待測(cè)氣體的譜線參數(shù)總結(jié)如表1所示。

表1 SF6分解氣體特征組分紅外吸收譜線Table 1 Feature absorption line of SF6decomposition

從表1中可以看出，在近紅外波段是各種氣體分子的泛頻吸收帶，因此吸收強(qiáng)度S都比較微弱，根據(jù)表1數(shù)據(jù)計(jì)算吸收系數(shù)α：

N為單位壓強(qiáng)、單位體積內(nèi)的氣體分子密度，單位為mol·cm-3/atm。常溫300K時(shí)，N＝2．438× 1019mol·cm-3/atm；S為譜線強(qiáng)度，單位為cm-2/（mol·cm-1），吸收線的半高半寬γ為：

其中，γself和Pself是自展寬系數(shù)與壓強(qiáng)，γijPij是空氣展寬系數(shù)與壓強(qiáng)。將表1數(shù)據(jù)帶入式（2）可以推導(dǎo)得到3種氣體的吸收系數(shù)，CO為0．00134cm-1，H2S為0．00434cm-1，HF為0．636cm-1。可以看出CO氣體吸收系數(shù)最弱，同樣吸收光程和濃度下，可實(shí)現(xiàn)CO檢測(cè)精度最差。

2.2 弱信號(hào)檢測(cè)

提高系統(tǒng)檢測(cè)精度，除上述譜線選擇，選擇較大吸收系數(shù)譜線外，還需要提升系統(tǒng)弱信號(hào)檢測(cè)能力，即提高鎖相檢測(cè)電路的增益帶寬和信噪比。

鎖相檢測(cè)利用待測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)的互相關(guān)檢測(cè)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的窄帶化處理，能有效地抑制噪聲，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)幅度的檢測(cè)和提取。采用FPGA自己產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)，提供給鎖相的參考端，提供兩通道的數(shù)字鎖相輸出，輸出信號(hào)為一次諧波信號(hào)和二次諧波信號(hào)。具體如圖2所示。

系統(tǒng)采用FPGA產(chǎn)生正弦、余弦、鋸齒和直流偏置信號(hào)并疊加，通過(guò)差分DA芯片輸出。將上述調(diào)制信號(hào)加載在激光器獲得調(diào)制的波長(zhǎng)輸出，經(jīng)過(guò)氣體吸收后的光信號(hào)通過(guò)探測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。首先將電信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器處理，以取出窄帶寬內(nèi)的微弱信號(hào)。再將信號(hào)通過(guò)AD進(jìn)入FPGA進(jìn)行數(shù)字鎖相計(jì)算，該數(shù)字鎖相的低通濾波器的帶寬為系統(tǒng)的解調(diào)帶寬，該濾波器的帶外抑制能力決定了系統(tǒng)對(duì)抗帶外干擾的能力，所以該數(shù)字濾波器的性能對(duì)系統(tǒng)極為關(guān)鍵。為了在FPGA中實(shí)現(xiàn)最終的設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了2個(gè)FIR低通濾波器級(jí)聯(lián)進(jìn)行級(jí)聯(lián)。第一級(jí)濾波器的信號(hào)輸入頻率和ADC采樣率一致，第二級(jí)濾波器的輸入頻率是ADC采樣率分頻的結(jié)果。

圖2 數(shù)字鎖相檢測(cè)示意圖Fig.2 Schematic of lock in amplifier

表2 鎖相濾波滾降時(shí)間與時(shí)間常數(shù)關(guān)系Table 2 Relationship between slope of lock in and time constant

2.3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

上述研究表明，為提高檢測(cè)精度，需選擇強(qiáng)吸收系數(shù)譜線，增加吸收腔長(zhǎng)，并且延長(zhǎng)電路系統(tǒng)積分時(shí)間，增加時(shí)間常數(shù)。因此，為滿足DL/T596-1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中對(duì)3種氣體檢測(cè)精度（1σ）±5×10-7的要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)吸收光程長(zhǎng)度≥400m。通過(guò)提高系統(tǒng)鎖相積分時(shí)間從30ms～100ms，可提高精度，并降低對(duì)長(zhǎng)腔的依賴。

因此設(shè)計(jì)系統(tǒng)吸收腔長(zhǎng)大于40m，腔鏡反射率覆蓋1300nm～1600nm，鎖相積分時(shí)間100ms。

3 基于紅外光譜吸收的SF6分解在線檢測(cè)系統(tǒng)

系統(tǒng)原理是基于長(zhǎng)光程吸收的激光吸收光譜檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)波長(zhǎng)調(diào)制獲得諧波信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體濃度檢測(cè)。3個(gè)不同波長(zhǎng)的激光器，發(fā)出與HF、H2S和CO這3種氣體特征吸收譜對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，進(jìn)行吸收檢測(cè)。激光輸出線寬4MHz遠(yuǎn)小于被測(cè)氣體單吸收譜線寬度，從根本上避免了氣體交叉干擾的問(wèn)題。

SF6氣體分解氣檢測(cè)模塊整個(gè)系統(tǒng)的組成如圖3所示。

系統(tǒng)由3個(gè)激光器與驅(qū)動(dòng)模塊、3個(gè)正交矢量鎖相檢測(cè)模塊、長(zhǎng)光程精細(xì)光學(xué)腔、二次電源、濃度反演ARM單元等5部分組成。其中，正交矢量鎖相檢測(cè)模塊包括：FPGA控制電路、DDS輸出放大、高速DAC實(shí)現(xiàn)正弦鋸齒與直流偏置的疊加、前置放大電路、帶通濾波器、AD等6部分組成。

圖3 SF6分解氣檢測(cè)系統(tǒng)組成示意圖Fig.3 Schematic of SF6decomposition detection system

FPGA發(fā)出波長(zhǎng)調(diào)制信號(hào)，將疊加了高頻正弦信號(hào)的鋸齒波加到激光電流上，控制激光器波長(zhǎng)輸出。激光光束經(jīng)過(guò)氣體吸收后進(jìn)入探測(cè)器，探測(cè)器實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，輸出的電信號(hào)被正弦信號(hào)的倍頻信號(hào)相敏相乘，通過(guò)鎖相檢測(cè)就得到與氣體濃度相關(guān)的諧波信號(hào)。

4 測(cè)試結(jié)果分析

在室溫和常壓下，對(duì)2×10-5濃度的H2S、CO和HF這3種待測(cè)氣進(jìn)行濃度檢測(cè)，獲得二次諧波幅值信號(hào)隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)，如圖4所示。

可以看出，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試（＞40min），反演氣體濃度均值約為2×10-5。同時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，系統(tǒng)能夠達(dá)到的檢測(cè)精度（1σ）為≤5×10-7，2σ≤1×10-6。滿足DL/T596-1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中對(duì)3種氣體檢測(cè)精度（1σ）±5×10-7的要求。

圖4 分解氣組分（H2S、HF、CO）濃度檢測(cè)結(jié)果Fig.4 Experiment results of H2S，HF and CO detection

5 結(jié)論

本文提出一種對(duì)SF6分解氣體組分監(jiān)測(cè)的方案。針對(duì)H2S、HF、CO這3種氣體，分析并計(jì)算其近紅外光譜的吸收系數(shù)，推算采用近紅外波長(zhǎng)激光器實(shí)現(xiàn)氣體的檢測(cè)精度。對(duì)于吸收系數(shù)較弱的CO氣體，采用延長(zhǎng)鎖相積分時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)3種氣體的高靈敏度測(cè)量，測(cè)量精度滿足為5×10-7。

［1］張曉星，姚堯，唐炬，等．SF6放電分解氣體組分分析的現(xiàn)狀和發(fā)展［J］．高電壓技術(shù)，2008，34（4）：664-669．ZHANG Xiao-xing，YAO Yao，TAN Ju，et al．Actuality and perspective of proximate analysis of SF6decomposed products under partial discharge［J］．High Voltage Engineering，2008，34（4）：664-669．

［2］顏湘蓮，季嚴(yán)松，王承玉，等．氣體絕緣開關(guān)設(shè)備內(nèi)部故障下的SF6氣體分解產(chǎn)物特性研究［J］．智能電網(wǎng)，2016，4（7）：653-660． YAN Xiang-lian，JI Yan-song，WANG Cheng-yu，et al．Research on the characteristics of SF6decomposition products under interior faults in gas insulated switchgear［J］．Smart Grid，2016，4（7）：653-660．

［3］林海淵，林碧鶯，張秀霞．基于SF6氣體分解物檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)［J］．電網(wǎng)與清潔能源，2015，31（1）：81-85．LIN Hai-yuan，LIN Bi-ying，ZHANG Xiu-xia．Design and development of an infrared spectrometer for on-line SF6decomposed gases monitoring［J］．Power System and Clean Energy，2015，31（1）：81-85．

［4］李臻，周舟，龔尚昆，等．SF6分解特性及分解產(chǎn)物檢測(cè)方法研究進(jìn)展［J］．廣東電力，2016，29（5）：67-76．LI Zhen，ZHOU Zhou，GONG Shang-kun，et al．Research development of detection method for SF6decomposition characteristic and decomposition products［J］．Guangdong Electric Power，2016，29（5）：67-76．

［5］毛光輝，朱建軍，王鋒，等．電化學(xué)傳感器檢測(cè)SF6分解產(chǎn)物的影響因素及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用［J］．電力科技與環(huán)保，2016，32（4）：60-62．MAO Guang-hui，ZHU JIan-jun，WANG Feng，et al．Influencing factors and field application of electrochemical sensor method in detecting SF6decomposition products［J］．Electric Power Environmental Protection，2016，32（4）：60-62．

［6］張潮海，史會(huì)軒，覃兆宇，等．基于CRDS的SF6電氣設(shè)備分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)［J］．南方電網(wǎng)技術(shù)，2016，10（5）：68-74．ZHANG Chao-hai，SHI Hui-xuan，QIN Zhao-yu，et al．CRDS based SF6decomposition detection technology for SF6electrical equipment［J］．Southern Power System Technology，2016，10（5）：68-74．

Research on On-line Infrared Spectrometer Measurement for SF6Decomposition Gases

ZHAO Kun1，JIANG Meng2，LI Pan2，ZHANG Chao-hai1，LI Meng-qi1
（1．State Gird Electric Power Research Institute，Wuhan NARI limited liability Company，Wuhan 430074；2．Beijing Optical Fiber Sensing System Engineering Technology Research Center，Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100094）

To meet the actual needs of early warning and monitoring of SF6gas insulated electric equipment，the current research development of domestic decomposition gas measurement was analyzed．Also the near infrared and mid infrared absorption spectroscopy technique were compared in this paper．The technique scheme of online detection in near infrared is presented．The absorption coefficient，the absorption path and signal-to-noise ratio SNR of the feature lines of the gas to be measured are calculated and analyzed，and the key parameters are designed．An SF6decomposition gases on-line detection scheme was proposed to measure the three gases of hydrogen sulfide，hydrogen fluoride and carbon monoxide．The experimental data show that the system detection accuracy is better than 5×10-7，indication that the system meets the power industry testing needs．

SF6decomposition gas；infrared absorption spectroscopy；detection limit

TN2

A

1674-5558（2017）05-01405

10．3969/j．issn．1674-5558．2017．03．015

趙坤，男，博士，工程師，研究方向?yàn)楦邏弘娖髟O(shè)備絕緣檢測(cè)與評(píng)估診斷。

2017-05-08

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（編號(hào)：524625160030）