苑吉河1，張 曦1，李新田，赫樹開，曾曉哲，岳運奇

(1.國網(wǎng)重慶市電力公司 南岸供電分公司，重慶 400060； 2.河南省日立信股份有限公司，河南 鄭州 450001)

氣體絕緣金屬封閉式組合電器(Gas Insulated Switch-gear,GIS)中對SF6氣體的微水含量作了嚴(yán)格規(guī)定，微水含量超標(biāo)使得高壓開關(guān)絕緣能力降低，易于導(dǎo)致高壓擊穿事故，嚴(yán)重影響電力設(shè)備安全穩(wěn)定運行[1-2]。因此，對GIS氣室中SF6氣體微水含量實施在線監(jiān)測確保設(shè)備安穩(wěn)運行意義重大。目前電力系統(tǒng)采用微水檢測的常用方法有光譜法、露點法，但光譜法在分解產(chǎn)物組分較多情況下存在譜線交叉干擾嚴(yán)重、準(zhǔn)確性低的問題，露點法存在工作溫度低、高濕測不準(zhǔn)、耗時長等缺點[3-4]?？烧{(diào)諧二極管激光吸收光譜 (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技術(shù)利用半導(dǎo)體激光的窄帶寬和可調(diào)諧特性，具有高靈敏、快速響應(yīng)和高選擇性的特點，是克服電力系統(tǒng)多變環(huán)境，實現(xiàn)SF6氣體微水測量的理想方法之一[5-6]。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對微水的TDLAS檢測技術(shù)的研究已做了不少工作，但側(cè)重于對HITRAN數(shù)據(jù)庫微水氣體光譜吸收參數(shù)進(jìn)行修正及在氣象領(lǐng)域微水監(jiān)測的應(yīng)用，而針對SF6斷路器濕度監(jiān)測技術(shù)，中科院電工研究所初步對TDLAS吸收信號進(jìn)行了討論[7-9,12]?？傊煌膽?yīng)用領(lǐng)域氣體的譜線選擇、氣室結(jié)構(gòu)及光路設(shè)計差異較大，針對TDLAS技術(shù)的GIS氣室SF6氣體濕度檢測尚缺乏系統(tǒng)的標(biāo)定及應(yīng)用研究。

基于上述認(rèn)識，本工作在前期不停電SF6氣體除濕技術(shù)研究應(yīng)用的基礎(chǔ)上進(jìn)行，旨在滿足智能化電網(wǎng)的發(fā)展需求?；赥DLAS技術(shù)，結(jié)合GIS氣室SF6氣體的微水環(huán)境，精心選擇1392 nm作為H2O分子的中心吸收波段，設(shè)計了便攜式SF6微水實時監(jiān)測系統(tǒng)，以濕度發(fā)生器為微水氣源，373系列鏡面露點儀為校準(zhǔn)溯源工具，對-50～-10 ℃條件下的9個不同露點值進(jìn)行穩(wěn)定性實驗，同時搭建GIS模擬氣室，優(yōu)化光路系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步探究系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 基本原理

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)是利用激光器發(fā)出特定波長的光被待測氣體吸收后導(dǎo)致光強衰減，光強的衰減程度與氣體濃度成正比，它遵循朗伯-比爾定律(Lambert-Beer Law):

(1)

式中，A為吸光強度；α(v)為氣體在頻率v處的吸收截面(cm2/mol)；c為待測氣體的濃度(mol/cm3)；L為光路長度(cm)；I0為入射光強；I為透射光強度。

采用波長調(diào)制技術(shù)與諧波檢測技術(shù)相結(jié)合，可以大幅降低低頻噪音干擾，提高檢測的靈敏度。對低頻鋸齒波電流進(jìn)行調(diào)制，得到激光的發(fā)射頻率v為

v=v0+σvcos2πft

(2)

式中，v0為中心頻率；σv為調(diào)制信號幅值；f為調(diào)制頻率。對式(2)進(jìn)行傅里葉級數(shù)展開，可以得到：

(3)

式中，An(v0)為激光器透射光的n次余弦傅里葉級數(shù)展開系數(shù)，氣體吸收后的衰減光信號由光電探測器接收，經(jīng)過鎖相放大后得到二次諧波幅值表達(dá)式為

(4)

因此可通過光強直流分量I0及二次諧波幅值就可以反演得到待測氣體的濃度：

(5)

式中，v0為選定激光器中心頻率；K為標(biāo)定常數(shù)。通過式(5)可以看出，氣體濃度c正比于二次諧波幅值。通過標(biāo)準(zhǔn)氣體標(biāo)定，可以反演得到確定的氣體濃度[10]。

2 實驗部分

2.1 特征吸收譜線的選擇

TALAS技術(shù)進(jìn)行氣體檢測時，特征吸收譜線的選擇至關(guān)重要。通過查詢HITRAN2012譜庫可知，水分子在中紅外波段2.57 μm附近有強的特征吸收，但工作在該波段的激光器價格高昂，而近紅外波段激光器成本經(jīng)濟合理，技術(shù)更加成熟，適合規(guī)模化應(yīng)用。因此，選擇近紅外6500～7500 cm-1波段作為重點研究對象?？紤]到高壓開關(guān)氣室中SF6氣體的其他分解產(chǎn)物如CO2、H2S、CO、SO2、HF等氣體干擾，在水分子吸收較強的位置對上述氣體的吸光度也做了研究，其中CO和SO2并無吸收，圖1為CO2、H2S、HF及H2O在溫度為300 K，1個大氣壓，光程100 cm，100ppm(1ppm=10-6)時的吸光強度。

圖2為CO2、H2S、CO、SO2、HF和H2O在7181.14 cm-1，300 K，1個大氣壓，光程100 cm附近的Lorentz線型仿真光譜圖，為了便于譜圖識別，該處H2O體積分?jǐn)?shù)為1×10-6，其他均為10000×10-6。在體積濃度為1×10-6時，H2O的吸收最強，吸光強度為1.2×10-4，此處CO2和H2S雖有微弱吸收，但吸光強度分別為2.1×10-12及4.9×10-12，強度量級相差較遠(yuǎn)，而其他氣體均無吸收，因此選擇中心波長在1392.5 nm即7181.14 cm-1作為H2O的特征吸收波段。

圖2 H2O、CO2、H2S、HF、SO2、CO氣體的近紅外波段的紅外光譜

2.2 實驗系統(tǒng)

實驗搭建TDLAS微水測量系統(tǒng)如圖3所示，可分為濕度發(fā)生裝置、檢測溯源校準(zhǔn)裝置、TDLAS分析系統(tǒng)及計算機終端處理系統(tǒng)。實驗過程中，在恒定壓力下利用濕度發(fā)生裝置制備-80.02 ℃、-60.09 ℃、-50.3 ℃、-45.65 ℃、-40.66 ℃、-35.75 ℃、-30.54 ℃、-25.71 ℃、-20.92 ℃、-15.1 ℃和-10.06 ℃ 共11個露點下的微水氣體。首先，利用便攜式373系列鏡面露點儀作為檢測溯源校準(zhǔn)裝置對濕度發(fā)生器的準(zhǔn)確性校驗，確保設(shè)定的每個露點值下保持充分時間達(dá)到示數(shù)穩(wěn)定平衡。經(jīng)過鏡面露點儀校驗準(zhǔn)確無誤后，打開TDLAS微水傳感器的進(jìn)氣串口，進(jìn)行不同露點條件下實驗，每個露點下采集86組數(shù)據(jù)。

圖3 微水TDLAS檢測系統(tǒng)圖

TDLAS傳感系統(tǒng)使用DDS發(fā)生芯片AD9850產(chǎn)生的正弦調(diào)制信號被疊加到鋸齒波上，用于驅(qū)動激光器。DFB激光器中心波長約為1392 nm，典型發(fā)光閾值驅(qū)動電流為15 mA，最大驅(qū)動電流為120 mA。采用波長計(KEYSIGHT 86120D)對激光器調(diào)諧范圍進(jìn)行測試，設(shè)置激光器溫度為29.47 ℃，改變注入電流，分別測量中心波長，測量結(jié)果如圖4所示，計算電流及溫度調(diào)諧系數(shù)分別為0.01 nm/mA和0.1 nm/℃，H2O分子在1.392 μm處對應(yīng)調(diào)諧電流35 mA，掃描鋸齒波頻率1 Hz。由HITRAN數(shù)據(jù)庫可知H2O分子在1.392 μm處，峰寬為0.3 nm，激光器調(diào)諧波長掃描范圍可覆蓋該處氣體吸收峰。波形發(fā)生、A/D采集、過流保護及溫控難以使用主控制器同步完成，系統(tǒng)采用亞德諾公司的ADSP-403模擬控制器作為協(xié)處理器完成上述操作。鎖相功能完全由軟件完成，最終光譜圖像在電腦終端顯示。

圖4 激光器發(fā)射波長曲線(t=29.47 ℃)

為了提高檢測靈敏度，采用Herriott長程池的光學(xué)系統(tǒng)，光程池兩端的鍍金凹面鏡可增加反光性能，經(jīng)過多次反射后亦提高光程長度。本系統(tǒng)選擇光學(xué)軟件TRACEPRO來完成氣室內(nèi)部光路設(shè)計，綜合考慮光電探測器的封裝尺寸及光損耗，確定光學(xué)氣室尺寸。氣室長度為20 cm，吸收路徑長度為1 m，激光器與光電探測器位于氣室同側(cè)，其內(nèi)部光線追蹤如圖5所示。

圖5 氣室光路結(jié)構(gòu)仿真圖

2.3 檢測系統(tǒng)溯源標(biāo)定

應(yīng)用TDLAS系統(tǒng)對微水含量進(jìn)行標(biāo)定實驗時，由于濕度發(fā)生裝置及測量系統(tǒng)本身存在誤差，為了確保實驗系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，需要在實驗之前對濕度發(fā)生裝置進(jìn)行標(biāo)定。如圖3所示，設(shè)定一定露點值的濕度發(fā)生裝置產(chǎn)生的微水氣流分別經(jīng)過便攜式373系列鏡面露點儀與TDLAS測量系統(tǒng)，以鏡面露點儀作為測量的溯源校準(zhǔn)設(shè)備。在測試之前，通入TDLAS測量系統(tǒng)氣路串口關(guān)閉，對濕度發(fā)生裝置分別從低到高設(shè)定-80～-10 ℃共11個不同露點值，觀察顯示器的示數(shù)變化，待其穩(wěn)定后，擬合出露點值變化對應(yīng)微水濃度變化的曲線，如圖6所示，利用Matlab軟件擬合出非線性表達(dá)式，如式(6)所示，該溯源結(jié)果與國標(biāo)非常吻合[11]，可以作為實驗校準(zhǔn)溯源的依據(jù)?？衫迷撉€對TDLAS檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性進(jìn)行溯源判定。

(6)

圖6 露點與微水濃度的關(guān)系曲線

3 結(jié)果與討論

3.1 TDLAS微水系統(tǒng)的可靠性驗證

實驗過程中濕度發(fā)生裝置露點間隔為5℃，分別設(shè)定-50 ℃、-45 ℃、-40 ℃、-35 ℃、-30 ℃、-25 ℃、-20 ℃、-15 ℃和-10 ℃共9個露點值對TDLAS系統(tǒng)進(jìn)行輸出驗證。測得的上述氣源吸收諧波信號如圖7(a)所示，激光器的波長調(diào)制范圍覆蓋水分子的特征吸收波段，諧波幅值隨著露點增高、微水濃度增大而升高，將不同露點下對應(yīng)示波器顯示的微水濃度處的諧波最大吸收峰值提取出來，做線性擬合，如圖7(b)所示，擬合線性系數(shù)R2=0.9996，說明二次諧波信號強度與測量微水濃度有非常好的線性關(guān)系。

每個露點下實驗采集86組數(shù)據(jù)，實驗結(jié)果均值如表1所示，濕度發(fā)生器產(chǎn)生的微水氣源穩(wěn)定可靠，與溯源標(biāo)定擬合的指數(shù)函數(shù)表達(dá)式(6)一致。通過Matlab計算得到TDLAS測量的露點曲線如圖8(a)所示，最小二乘線性擬合函數(shù)表達(dá)式為y=5.0685x-55.84，線性系數(shù)R2=0.9991，與濕度發(fā)生器設(shè)定及顯示的露點線形有很好的一致性。從圖中可以看出，該擬合直線在-35 ℃以上擬合較好，隨著露點溫度降低，和擬合函數(shù)存在一定殘差，-35 ℃時存在最大殘差為0.798 ℃，最大測量誤差為1.98%，驗證了檢測系統(tǒng)的可靠性。

同時對TDLAS系統(tǒng)示波器檢測到的露點所對應(yīng)的濃度值進(jìn)行指數(shù)擬合計算，如圖8(b)所示，濕度發(fā)生裝置與TDLAS檢測濃度擬合曲線一致性良好。用一定的指數(shù)函數(shù)去對濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，線性系數(shù)R2=0.99904，得到的擬合函數(shù)就是系統(tǒng)的檢測露點與微

濕度發(fā)生裝置TDLAS系統(tǒng)設(shè)定露點值/℃顯示示數(shù)/℃體積濃度/ppm輸出露點/℃輸出體積濃度/ppm-50-50.0838.80-50.8640.05-45-45.0571.13-45.8972.66-40-40.03127.00-40.66120.09-35-35.02222.50-34.77210.35-30-30.06376.00-30.54350.25-25-25.03630.00-25.71635.96-20-20.011021.00-20.091010.35-15-15.061639.00-15.81659.87-10-10.022572.00-10.092601.41

水濃度的指數(shù)函數(shù)表達(dá)式，如式(7)所示，亦與式(6)趨于一致，最大測量誤差為2.25%，證明了檢測系統(tǒng)的可靠性。

(7)

3.2 GIS氣室SF6氣體微水濕度模擬實驗

為了進(jìn)一步驗證上述TDLAS系統(tǒng)的抗干擾性能以及一定濕度的SF6背景的氣體的響應(yīng)情況，搭建了高壓開關(guān)SF6氣體模擬氣室，如圖9所示，利用SF6分

圖8 TDLAS系統(tǒng)露點及濃度可靠性實驗

解產(chǎn)物多組分配氣系統(tǒng)依次配制以SF6氣體為背景的100ppm CO、CO2、HF、H2S、SO2和CF4等干擾氣體，充入GIS模擬氣室，高純SF6氣體已預(yù)先充入，濕度通過與氣室接口連接的微水氣源調(diào)節(jié)。經(jīng)過模擬氣室氣體的測量出口采用鎖母接口連接，轉(zhuǎn)接至TDLAS微水卡套接口，經(jīng)過SF6報警器測試氣密性良好，TDLAS諧波信號如圖10所示，與HITRAN光譜數(shù)據(jù)庫及圖7(a)中H2O分子波形一致，可見干擾及背景SF6等氣體并未對微水吸收帶來干擾。但值得注意的是諧波信號幅值明顯過高，與氣室微水濕度并不匹配，并不能很好地檢測出氣室微水實際體積濃度。

經(jīng)過比對分析，發(fā)現(xiàn)TDLAS檢測裝置DFB激光器輸出光纖與準(zhǔn)直器連接部位有裸露存在，導(dǎo)致較低露點范圍內(nèi)，二次諧波幅值受到環(huán)境濕度的影響，即使穩(wěn)定較長時間，也未能反演出氣室理想的露點值與微水濕度。在使用不銹鋼密封套對光程池完全封裝之后，消除環(huán)境濕度的影響，達(dá)到理想的檢測效果。如圖11所示，分別進(jìn)行5組100次實驗數(shù)據(jù)采集，保持氣室背景氣不變，利用微水氣源分階段增加氣室微水濃度，體積濃度有明顯的相應(yīng)增加，測試結(jié)果顯示在低濃度30ppm時測量誤差最大為1.89%，絕對誤差小于5ppm。

圖9 GIS氣室SF6氣體微水濕度模擬實驗

圖10 實驗采集氣室中SF6氣體微水諧波吸收信號

4 結(jié)束語

基于TDLAS技術(shù)研制了一種便攜式SF6微水在線實時監(jiān)測系統(tǒng)，通過濕度發(fā)生器及鏡面露點儀對該系統(tǒng)在-50～-10 ℃共9個不同的露點溫度及微水含量進(jìn)行了溯源標(biāo)定，校準(zhǔn)評價了該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及可靠性。進(jìn)一步搭建GIS模擬氣室，利用SF6分解產(chǎn)物多組分配氣系統(tǒng)配制氣室氣體模擬環(huán)境，優(yōu)化光學(xué)氣室結(jié)構(gòu)，對SF6氣體的微水濕度及檢測系統(tǒng)抗干擾能力進(jìn)行一系列實驗，微水濃度測量誤差小于2%，準(zhǔn)確可靠，為GIS氣室SF6氣體現(xiàn)場實時在線監(jiān)測提供實驗依據(jù)。下一步將結(jié)合高壓電器開關(guān)設(shè)備微水監(jiān)測的現(xiàn)實需求，逐步拓展該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，不斷優(yōu)化升級，進(jìn)一步提高監(jiān)測精度，真正實現(xiàn)SF6氣體微水監(jiān)測智能化發(fā)展。

圖11 TDLAS系統(tǒng)測得高壓開關(guān)氣室中SF6氣體不同濕度條件下實驗數(shù)據(jù)