張曉星，周 紅，崔兆侖，李亞龍，李 新

(1. 武漢大學 電氣工程學院，湖北 武漢 430072；2. 國網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司，湖南 長沙 410007)

0 引言

SF6氣體具有良好的絕緣性能和滅弧性能，以SF6為絕緣介質(zhì)的電氣設備，如氣體絕緣組合電器GIS(Gas Insulated Switchgear)、氣體絕緣變壓器GIT(Gas Insulated Transformer)和氣體絕緣線路GIL(Gas Insulated Line)等，已經(jīng)逐漸成為城市電網(wǎng)和超/特高壓輸電系統(tǒng)中的主要裝備，其安全可靠運行既是保障大中城市供電可靠性的基礎，也是保障社會穩(wěn)定的基石[1]。

然而，SF6氣體絕緣電氣設備在生產(chǎn)及使用過程中，極易出現(xiàn)毛刺、金屬顆粒物等絕緣缺陷，這些缺陷進一步導致局部放電PD(Partial Discharge)；同時，SF6氣體絕緣電氣設備因接觸不良等原因，會產(chǎn)生觸頭位置接觸電阻過大的問題，導致局部溫度升高，進而導致接觸電阻進一步變大，從而造成局部過熱性故障POF(Patial Overthermal Fault)[2]。PD和POF會使SF6發(fā)生分解反應，生成一系列的低氟硫化物，這些低氟硫化物進一步與GIS中的微H2O、微O2以及有機物等雜質(zhì)反應，生成如SO2F2、SOF2、SO2等特征分解組分[3]。分解組分將加速絕緣老化，加劇PD或POF過程，最終給設備整體的安全可靠性能帶來嚴重威脅。

另一方面，通過對組分的含量與生成速率進行監(jiān)測，可以為SF6氣體絕緣電氣設備的絕緣狀況進行評估、為故障診斷提供有效性依據(jù)。目前，SF6組分檢測的主要手段包括化學法和光學法。化學法，如氣相色譜法等，檢測準確度高，檢測氣體種類多，但其檢測時間較長，不易實現(xiàn)氣體的在線監(jiān)測[4]。光學法包括光聲光譜法、吸收光譜法和紫外熒光法等，這些方法憑借響應快、靈敏度高等優(yōu)點在環(huán)境監(jiān)測領域得到了成熟的運用。近年來，中科院、重慶大學、武漢大學等研究機構(gòu)和高校的學者將光聲光譜法、吸收光譜法引入SF6特征分解組分的檢測，取得了較高的檢測精度和靈敏度[5]。在大氣環(huán)境監(jiān)測中，紫外熒光法相對其他光學檢測手段具有更低的檢測極限，而關于紫外熒光法在SF6氣體絕緣電氣設備的絕緣監(jiān)測領域的研究報道尚未出現(xiàn)。

SO2為SF6氣體絕緣電氣設備最常見的分解組分之一，其含量越高，表征設備內(nèi)部放電量越大，放電時間越長，絕緣劣化越嚴重[6]。2013年國家電網(wǎng)頒布的企業(yè)標準Q/GDW 1896—2013《SF6氣體分解產(chǎn)物檢測技術(shù)現(xiàn)場應用導則》給出了SO2組分的檢測指標與評價結(jié)果的判斷標準。實際運行中SF6氣體的其他特征產(chǎn)物如SO2F2、SOF2與SO2不存在重疊的紫外吸收峰，可排除其他主要特征產(chǎn)物的交叉干擾。

本文基于氣體分子的紫外熒光理論，設計了一套SF6氣體特征分解組分SO2的定量檢測系統(tǒng)，通過試驗確定了SO2的體積分數(shù)與其紫外激發(fā)的光子計數(shù)之間的線性關系，同時開展了一系列針對溫度、壓強等影響因素的研究。本文研究成果為紫外熒光氣體測量技術(shù)應用于SF6氣體絕緣電氣設備的組分檢測提供了參考。

1 紫外熒光法檢測機理

在一定波長的激發(fā)光的照射下，氣體分子將由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的分子是不穩(wěn)定的，一般要通過釋放吸收的能量以一定的速率躍遷回基態(tài)，同時發(fā)出一定波長的光，這就是物質(zhì)分子的光致發(fā)光過程[7]。

熒光為光致發(fā)光的一種，其輻射強度If與物質(zhì)所吸收的激發(fā)光的強度正相關，即：

If=ψ(I0-I)

(1)

其中，I0為激發(fā)光的強度；I為光通過光程為l的氣體池之后的強度；ψ為常數(shù)，由熒光量子效率決定。

由式(1)和比爾朗博定律[8]可建立If與發(fā)光物質(zhì)體積分數(shù)之間的關系，如式(2)所示。

(2)

其中，c為吸光介質(zhì)的體積分數(shù)；ε為氣體分子的摩爾吸收系數(shù)；εlc為吸光度。

在低體積分數(shù)的情況下，由式(1)、(2)可得：

If=ψI0(1-10-εlc)=

2.3ψεlcI0εlc<0.05

(3)

當I0恒定時，則有：

If=Kc

(4)

其中，n為單波光種類總數(shù)；K為與氣體類型、氣體池光程以及光源強度相關的常數(shù)。

由理論推導可知，對于低體積分數(shù)的SO2氣體，在單波長的激發(fā)光的照射下，其體積分數(shù)與激發(fā)產(chǎn)生的熒光強度存在線性關系。

目前商用的濾光手段，如濾光片等，其透過的激發(fā)光都具有一定的光譜寬度，因此有必要分析多波長激發(fā)光照射情況下氣體的熒光激發(fā)規(guī)律。

由式(3)可知，某個特定波長λk下的熒光激發(fā)規(guī)律為：

Idf(λk)=2.3ψλkελklcI0(λk)

(5)

其中，ψλk、ελk、I0(λk)為特定波長λk下的對應參數(shù)值。

由吸光度的加和性可知[9]，在寬光譜光源的照射下，氣體激發(fā)產(chǎn)生的總的熒光為各單波光激發(fā)產(chǎn)生的熒光之和，即：

(6)

其中，在光源、氣體池及氣體類型確定的情況下，Ω為常數(shù)。

因此，氣體分子在單波長下的熒光規(guī)律同樣適用于多波長的情況，且選用多波長激發(fā)光源，有利于提高熒光效率，增強檢測信號，這為本文的光源選擇提供了理論依據(jù)。

2 試驗系統(tǒng)及測量步驟

依據(jù)紫外光激發(fā)氣體分子產(chǎn)生熒光的檢測機理，本文設計了SF6組分的紫外熒光試驗平臺，其在線監(jiān)測裝置及實驗室裝置的示意圖如圖1所示?，F(xiàn)場裝置包括采樣氣路、紫外熒光檢測裝置及驅(qū)動控制電路等部分。由于氣體絕緣電氣設備內(nèi)部的氣壓高于檢測裝置內(nèi)的氣壓，所以在采氣時需要進行減壓，在測量后送回氣體時需要進行升壓。通過與控制電路的配合，可完成采氣、檢測分析、送回的自動化過程。

圖1 SO2紫外熒光檢測平臺Fig.1 Ultraviolet fluorescence detection system of SO2

①—2×10-6,②—5×10-6,③—1×10-5圖2 190～400nm SO2的吸收光譜Fig.2 Absorption spectra of SO2 in 190～400nm

①—CO2(0.1254～201.6nm),②—SO2F2(0.1254～201.6nm)③—SF6(19.7～248nm),④—CF4(6.2～174nm)⑤—SOF2(123～195nm),⑥—SO2(183～350nm)圖3 SF6特征分解產(chǎn)物的吸收光譜Fig.3 Absorption spectra of SF6 characteristic decomposition products

由前文的理論推導可知，采用多波長光源可增強熒光激發(fā)。SO2在190～230nm波段具有最強的吸收峰，在250～320nm波段具有較強的吸收峰，在340～390nm波段具有較弱的吸收峰[10]，圖2為2×10-6、5×10-6、1×10-5的SO2標氣的吸收譜圖，反映不同體積分數(shù)的SO2氣體吸光度隨波長的變化關系，其中，吸光度表征介質(zhì)對光的吸收程度，無量綱，用入射光與透射光比值的對數(shù)表示。340～390nm波段吸收強度太弱，不足以激發(fā)可供測量的熒光；250～320 nm波段能激發(fā)一定強度的熒光，但該波段易發(fā)生N2、O2的淬滅效應。綜合考慮紫外吸收特性以及淬滅效應的影響，激發(fā)波長選擇為190～230nm波段吸收區(qū)。此外，SF6以及SO2F2、SOF2等SF6特征分解產(chǎn)物(紫外吸收譜圖如圖3所示，數(shù)據(jù)來自MPI數(shù)據(jù)庫)[11]在190～230nm波段不存在特征吸收峰，從而排除了這些氣體成分在現(xiàn)場檢測中對SO2檢測的交叉干擾。為了與引用數(shù)據(jù)庫單位相統(tǒng)一，此處氣體的吸光特性用吸收截面表示，單位為 cm2/molecule，氣體體積分數(shù)以molecule/cm3為單位，molecule表征分子個數(shù)。

本文選用深紫外氘燈光源，可輸出190～400nm波段內(nèi)的穩(wěn)定紫外光譜，光源的峰-峰穩(wěn)定性小于0.005 %，每小時的漂移為 ±0.5 %[12]。紫外光經(jīng)光纖輸入，經(jīng)過濾光和準直后傳輸?shù)阶孕性O計的氣體吸收池內(nèi)，光纖的傳輸效率高達80 %，濾光片的濾光范圍為192～236nm，其最大透過率可達24.28%。激發(fā)生成的熒光經(jīng)氣室側(cè)面的石英透鏡匯聚，透鏡后裝有濾光范圍為240～400nm的濾光片，以排除激發(fā)光源散射對測量結(jié)果的影響，此濾光片的透過率最高可達81.94%。熒光最終被垂直于氣室的光子計數(shù)探頭接收，由光電倍增管轉(zhuǎn)化為電信號后，經(jīng)放大、篩選，最終呈現(xiàn)為光子計數(shù)。氣體吸收池的光程為0.2m、體積為360mL，檢測時僅需少量的氣體，不會對設備內(nèi)部的氣壓造成影響，進而破壞其絕緣性能。

整個裝置置于自行設計的遮光盒中，氣室內(nèi)部涂有特氟龍，其他與氣體接觸的部件均由不銹鋼材料及特氟龍管構(gòu)成。

試驗所涉及的不同體積分數(shù)的樣氣由配氣儀配制。在完成儀器的預熱后，向氣體池中通入1個大氣壓的SF6氣體，測量此時的暗計數(shù)和本底計數(shù)，然后從低向高依次測量不同體積分數(shù)的SO2熒光計數(shù)。在進行計數(shù)之前，需要用對應體積分數(shù)的樣氣對吸收池進行充分的沖洗，對所獲得的熒光計數(shù)扣除本底后，計算得到不同體積分數(shù)與熒光信號的對應關系。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 SO2熒光信號的測量及定量分析

良好的光密性是試驗順利進行的先決條件，為排除環(huán)境光線對測試的干擾，本文自行設計了遮光盒對檢測裝置進行密封，計數(shù)門時限為1s，連續(xù)測量1000s，圖4為有無遮光盒情況下的裝置測得的暗計數(shù)。

圖4 遮光盒效果圖Fig.4 Effect of blackout box

由圖4可見，加遮光措施前，裝置的暗計數(shù)高達十萬級別，且波動極大，加入遮光盒后，暗計數(shù)降到了幾十，隨時間的推移，計數(shù)較為穩(wěn)定，低于計數(shù)器的出廠值(50～100)，可初步認為裝置的光密性達到試驗要求。

本文以純度為99.99 %的SF6標準樣氣作為背景氣體，使用配氣儀從低到高分別配制體積分數(shù)為5×10-7、1×10-6、2×10-6、5×10-6、8×10-6、1×10-5的SO2測試樣氣，測得不同體積分數(shù)下SO2的熒光強度，對不同體積分數(shù)的SO2熒光信號進行本底扣除，并用最小二乘法對運算結(jié)果進行線性擬合，結(jié)果如表1所示，其中，計數(shù)門時限為1s，60點取平均，測試溫度為25 ℃，氣壓為0.1MPa。圖5為線性擬合的曲線。

表1 不同體積分數(shù)SO2的熒光信號Table 1 Fluorescence signals of SO2 with different concentrations

圖5 SO2熒光信號的線性擬合結(jié)果Fig.5 Linear fitting results of fluorescence signals of SO2

經(jīng)擬合得到該波段處SO2的反演方程為：

y=898.29x-79.64

(7)

其中，y為譜圖中的熒光計數(shù)(單位為個)；x為SO2的體積分數(shù)。

線性度是體現(xiàn)測量方法對測量值的修正能力及定標準確性的重要參數(shù)，裝置的擬合線性度高達0.996 7，可認為在測定的體積分數(shù)范疇內(nèi)，SO2氣體的體積分數(shù)與其激發(fā)的熒光之間存在良好的線性關系[13]。同時，最大線性偏差(以擬合值為參考值)為8.66%，接近配氣儀的不確定度(±1%F.S，F(xiàn).S表示配氣儀的最大測量值)，測量具有較高的可靠性。

檢測極限體現(xiàn)了測量技術(shù)的靈敏度，根據(jù)信噪比衡量標準，若信號計數(shù)遠小于背景計數(shù)，則測量無意義，因此，設定信噪比為1dB來計算最低可探測體積分數(shù)[14]。由式(8)計算得SO2的檢測極限為1.109 4×10-6，具有較高的靈敏度，適用于SF6氣體絕緣組合電器中的SO2組分的檢測。最終檢測裝置的各項參數(shù)信息如表2所示。

(8)

其中，Nph為扣除本底后的熒光計數(shù)；T為積分時間；Nb+Nd為本底計數(shù)。

表2 SO2熒光信號的定量分析Table 2 Quantitative analysis of SO2 fluorescence signals

3.2 溫度對熒光信號的影響

溫度和壓強等環(huán)境因素會影響SO2氣體分子的吸光度和熒光量化產(chǎn)率，從而影響其熒光強度，因此有必要研究溫度及壓強對SO2氣體熒光效應的影響。

由于裝置中的光子計數(shù)探頭緊密固定在氣體池垂直出口處，直接給氣體池加熱將影響光子計數(shù)探頭的工作狀態(tài)，因此試驗采取樣氣預控溫的方式達到測量不同溫度下輸出的目的。將氣管螺旋放置于恒溫水浴鍋中，氣管中通入特定體積分數(shù)的樣氣，待水溫穩(wěn)定在設定值附近后，再將特定溫度的氣體通入氣體池中進行檢測，測量該溫度下的熒光信號值。

試驗共設置0、20℃、40℃、60℃、80℃這5組溫度[15]，每組溫度分別對純SF6以及5×10-7、1×10-6、2×10-6這3種體積分數(shù)的SO2樣氣進行測量。由于控溫處與氣體池的距離較短，控溫處的水溫可大致反映氣體池內(nèi)樣氣的溫度。通入氣體時氣體池內(nèi)氣壓通過流量計均嚴格控制在0.1MPa，整個測量過程可以視作氣壓恒定，計數(shù)門時限設置為1s，60點取平均，測量得到的熒光計數(shù)溫度趨勢如圖6所示。

圖6 溫度對SO2熒光信號的影響Fig.6 Effect of temperature on SO2 fluorescence signals

由圖6可以看出，隨著溫度的升高，SF6氣體的本底計數(shù)有較小的增長，但變化趨勢較小。而SO2氣體受溫度的影響極大，對于低體積分數(shù)的SO2，溫度升高，其熒光計數(shù)將急劇增加。一方面，溫度的升高使得SO2氣體分子更易由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，熒光信號呈現(xiàn)增強的趨勢；另一方面，溫度的升高將增大氣體分子的碰撞概率，促使氣體分子通過無輻射躍的形式由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，使光子計數(shù)呈現(xiàn)減弱的趨勢。而對于低體積分數(shù)的氣體，溫度的增強作用遠大于減弱作用，因此熒光信號整體呈現(xiàn)上升的趨勢。

3.3 壓強對熒光信號的影響

鑒于氣室耐壓值為0.25MPa，通過控制變量法保持氣體溫度在25℃的情況下，設置0.1MPa、0.12 MPa、0.125MPa、0.15MPa、0.175MPa、0.2MPa 6個氣壓梯度[16]，通過試驗分別測得SF6標氣以及5×10-7、1×10-6、2×10-6這3種體積分數(shù)的SO2樣氣的熒光信號，結(jié)果如圖7所示。

圖7 壓強對SO2熒光信號的影響Fig.7 Effect of pressure on SO2 fluorescence signals

由圖7可見：隨著氣壓的升高，本底計數(shù)的變化并不明顯，這說明入光口及熒光出口的濾光處理有效地控制了激發(fā)光散射對測量的影響；隨著氣壓的升高，3組低體積分數(shù)SO2的熒光計數(shù)均呈現(xiàn)上升的趨勢，這主要是由于氣壓的升高導致氣體分子數(shù)密度增大，使得氣體分子對紫外光的吸收增強，熒光強度增加。

SO2的熒光信號對壓力、溫度等因素的反應十分靈敏，為提高測量精度，保證不同環(huán)境下測量結(jié)果的準確性，現(xiàn)場檢測時可將氣體池置于小型恒溫箱中，同時通過流量計控制進氣速率調(diào)節(jié)氣壓，使氣體池內(nèi)溫度恒定在25℃，氣壓恒定在0.1MPa，以保證實驗室得到的標定曲線在現(xiàn)場測量時同樣具有一致性。

4 結(jié)論

本文結(jié)合現(xiàn)有大氣環(huán)境領域中的紫外熒光檢測技術(shù)，開展了SF6氣體背景下的SO2的檢測，設計并搭建了紫外熒光SO2定量檢測平臺，試驗探究了溫度、壓強等因素對信號測量的影響，主要得到了以下結(jié)論。

a. 基于搭建的檢測平臺開展了SF6氣體背景下SO2定量分析研究，對扣除本底信號的熒光信號進行體積分數(shù)反演，結(jié)果表明，在一定的檢測范圍內(nèi)，SO2與其熒光信號之間存在高度線性相關性，線性度達到0.9967，最大線性偏差為8.66 %，引入信噪比為1dB作為能檢測出被檢測物質(zhì)的最低標準，裝置的檢測極限可達到1.1094×10-6。

b. 通過水浴控溫法，試驗探究了SO2氣體熒光信號的溫度效應，結(jié)果表明，隨著溫度的上升，本底計數(shù)受溫度的影響不大，而熒光計數(shù)則靈敏地表現(xiàn)出增大趨勢。

c. 通過控制氣室內(nèi)部氣壓，探究了氣壓對信號測量的影響，結(jié)果表明，本底計數(shù)幾乎不隨氣壓變化，而熒光計數(shù)則隨氣壓的升高而增大。通過控制氣室的溫度和壓強等因素，可以為SF6氣體絕緣電氣設備中SO2的定量檢測提供更為精準的依據(jù)。

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