張 爽，江 翼，姜 萌，張 靜，黃勤清，楊 旭，周 文

(1.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢 430050；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北武漢 430074；3.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 100854)

0 引言

SF6氣體具備出色的絕緣和滅弧性能，已廣泛應(yīng)用于SF6氣體絕緣組合電器、斷路器、變壓器等電力設(shè)備中。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，生成HF、SO2、H2S和CO等典型產(chǎn)物?；赟F6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)。

SF6分解產(chǎn)物檢測(cè)方法[1-2]如檢測(cè)管法、氣相色譜法、質(zhì)譜法以及電化學(xué)法等存在信號(hào)交叉干擾、檢測(cè)精度不高、難以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)，因此近來年出現(xiàn)了多種光學(xué)的檢測(cè)方法。

張潮海等[3]針對(duì)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)，設(shè)計(jì)了基于CRDS技術(shù)的SF6電氣設(shè)備分解產(chǎn)物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)，包括光腔匹配技術(shù)和抗干擾技術(shù)，以提高檢測(cè)精確度和可靠性。

光聲光譜技術(shù)也被應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)多組分SF6分解產(chǎn)物檢測(cè)[4]，采用中紅外寬譜光源配合窄帶濾波片方式。但SOF2、SO2、CF4、S2F10、H2O和H2S等氣體在中紅外區(qū)域7.6～7.9 μm光譜存在交叉干擾，以SF6作為高濃度背景氣體時(shí)，受到濾波片參數(shù)限制，難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量。近年來也有研究機(jī)構(gòu)采用近紅外或者中紅外的半導(dǎo)體激光器通過EDFA放大光功率從而提高光聲信號(hào)強(qiáng)度的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)SF6分解氣中單組分的檢測(cè)[5]。

本文采用可調(diào)諧激光吸收光譜的方式實(shí)現(xiàn)分解氣檢測(cè)[6-7]。主要解決CO以及H2兩種氣體的吸收線強(qiáng)較弱的問題。根據(jù)以往研究可知，可調(diào)諧激光吸收光譜TDLAS檢測(cè)技術(shù)，無法通過提高激光器功率來提高靈敏度，過高的光信號(hào)和電信號(hào)強(qiáng)度會(huì)造成檢測(cè)電路信號(hào)飽和。只能通過提高吸收光程來增強(qiáng)吸收，從而增大諧波信號(hào)強(qiáng)度。本系統(tǒng)采用3種近紅外波段的半導(dǎo)體激光器，通過分時(shí)復(fù)用的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)3種氣體組分(H2S、CO和HF)的同時(shí)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)高靈敏度檢測(cè)，檢測(cè)精度滿足國家電網(wǎng)的應(yīng)用需求。

本文提出采用3個(gè)單獨(dú)的探測(cè)放大電路模塊，針對(duì)不同吸收線強(qiáng)氣體，通過不同跨阻來設(shè)置放大倍數(shù)，以提高信號(hào)強(qiáng)度。其中CO的放大倍數(shù)最大，而HF的放大倍數(shù)最小。其次，H2S對(duì)光的散射系數(shù)較強(qiáng)，長光程吸收氣室充入硫化氫氣體時(shí)光束偏離導(dǎo)致信號(hào)幅度降低，因此本系統(tǒng)采用3米光程氣室來實(shí)現(xiàn)3種氣體組分的同時(shí)測(cè)量。

1 系統(tǒng)搭建

通過HITRAN數(shù)據(jù)庫，得到HF、CO和H2S3種氣體的特征吸收峰譜線，分別選擇HF氣體的吸收峰1 273.97 nm，吸收線強(qiáng)為10-20cm·mol-1，CO選擇1 568 nm，吸收線強(qiáng)為10-23cm·mol-1，H2S為1 578.13 nm，線強(qiáng)為10-22cm·mol-1量級(jí)。采用Thorlabs OSA203光譜分析儀。3個(gè)激光器經(jīng)過光開關(guān)存在光功率損耗，經(jīng)過通道切換的激光器光譜和光功率如圖1所示，其中H2S(1 578 nm)的輸出光功率最弱-3.3 dBm，CO激光器和HF激光器的光功率基本相同，進(jìn)入到氣室的光功率為0 dBm左右，也就是1 mW，波長經(jīng)過光譜儀測(cè)量與設(shè)置的工作波長一致。

(a)CO 1 568 nm

針對(duì)上述3種待測(cè)氣體，系統(tǒng)分別采用3個(gè)DFB半導(dǎo)體激光器針對(duì)3種待測(cè)氣體H2S、CO和HF的特征吸收峰實(shí)現(xiàn)對(duì)濃度的檢測(cè)，同時(shí)集成多參量變送器，實(shí)現(xiàn)對(duì)多組分氣體濃度和溫度、壓強(qiáng)、微水等參量的同時(shí)監(jiān)測(cè)。

基于激光吸收光譜的多組分氣體檢測(cè)，系統(tǒng)示意圖如圖2所示，SF6及其分解氣組分經(jīng)過多參量變送器、減壓閥減壓之后進(jìn)入到吸收氣室中。吸收氣室中的氣體在一個(gè)檢測(cè)流程完畢后，經(jīng)過加壓泵送回到隔離開關(guān)設(shè)備中，完成一次閉式循環(huán)取氣檢測(cè)。3個(gè)激光器輸出波長針對(duì)3種待測(cè)氣體特征吸收峰，激光器發(fā)出的光經(jīng)過信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)的調(diào)制進(jìn)入到光開關(guān)中，光開關(guān)的具體選通通道由總調(diào)度板控制。光開關(guān)將選通的光路接入氣室，氣室將經(jīng)過吸收后的光信號(hào)輸出給探測(cè)器，探測(cè)器將接收含氣體信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過鎖相電路分別實(shí)現(xiàn)濃度檢測(cè)。計(jì)算出的濃度傳輸給總調(diào)度板，總調(diào)度板將數(shù)據(jù)進(jìn)一步打包處理上傳給上位機(jī)顯示輸出。

圖2 基于激光吸收光譜的多組分氣體檢測(cè)系統(tǒng)

工作時(shí)總調(diào)度板設(shè)定好3套激光器的光路通道選擇順序，讓代表HF、H2S和CO的3種氣體的激光依次通過光開關(guān)，激光通過光開關(guān)后進(jìn)入氣室被探測(cè)器接收，探測(cè)器的放大電路根據(jù)3種待測(cè)氣體的不同吸收系數(shù)，設(shè)置的放大倍數(shù)不同。這樣探測(cè)器會(huì)依次接收到3種調(diào)制信號(hào)的光信號(hào)。由于光信號(hào)是同時(shí)被3塊鎖相板采集的，因此需要總調(diào)度板采集與光開關(guān)同步開啟的通道串口信息，另外2個(gè)關(guān)閉的鎖相板送來的串口數(shù)據(jù)不予接收。通過3個(gè)串口依次接收到3種氣體的濃度信息并存儲(chǔ)打包，以固定格式發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)接收到串口數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議解調(diào)數(shù)據(jù)就能夠得到3種氣體的實(shí)時(shí)濃度值。采用MEMS光開關(guān)(1×4 )，通光范圍滿足1 200～1 700 nm，切換頻率設(shè)置為0.5 s，切換通道延時(shí)0.5 s，系統(tǒng)刷新時(shí)間為3 s。三通道的氣體檢測(cè)樣機(jī)實(shí)物如圖3所示。采用光開光和耦合器分別實(shí)現(xiàn)對(duì)三路光和探測(cè)器信號(hào)的分時(shí)復(fù)用測(cè)量，三套解調(diào)電路控制3個(gè)激光器，共用一個(gè)3 m氣室。通過串口向檢測(cè)端發(fā)送濃度數(shù)據(jù)，其余參量由多參量變送器(維薩拉DPT145)通過RS485發(fā)送(微水、SF6純度和溫度壓力等)。

圖3 三組分同時(shí)測(cè)量樣機(jī)實(shí)物

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

吸收氣室分別充入不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，其中H2S和CO分別為H2S/SF6混合氣，CO/SF6混合氣，而HF氣體與SF6存在反應(yīng)，因此配比標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)采用HF/N2混合氣(二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物)。實(shí)驗(yàn)得到HF、CO和H2S3氣體的不同濃度下二次諧波曲線如圖4所示，根據(jù)波峰波谷差值來標(biāo)定氣體濃度。圖4中，1 ppm=10-6。

(a)HF二次諧波曲線(0 ppm、10 ppm、50 ppm和100 ppm濃度)

圖4中橫坐標(biāo)為一個(gè)鋸齒波調(diào)制范圍內(nèi)的信號(hào)采集點(diǎn)數(shù)?？梢钥闯觯瑯?00 ppm的氣體，HF的二次諧波曲線峰值最高，為18 000 mV，而CO和H2S的二次諧波信號(hào)幅度較低，分別為800 mV和600 mV，差了2個(gè)數(shù)量級(jí)，而且硫化氫信號(hào)的基線波動(dòng)較大。這是因?yàn)樗x上述3種氣體的特征峰吸收系數(shù)不同導(dǎo)致。

研制的SF6/N2混合氣分解氣組分多參量綜合檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)的各個(gè)參量的顯示界面如圖5所示。

圖5 SF6/N2混合氣分解氣組分多參量綜合檢測(cè)

經(jīng)過測(cè)試得到的3種氣體的檢測(cè)限按照，按照國標(biāo)規(guī)定，輸出波動(dòng)為輸入量和影響量不變情況下，輸出峰峰值的偏差的2倍為檢測(cè)限，可以得到該系統(tǒng)的檢測(cè)限為CO 10 ppm，H2S 4 ppm，HF 1 ppm。濃度值隨時(shí)間變化的曲線如圖6所示。

圖6 SF6/N2混合氣分解氣組分測(cè)試數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本系統(tǒng)基于可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)，采用時(shí)分復(fù)用的方案實(shí)現(xiàn)對(duì)SF6/N2混合氣中SF6分解氣組分的在線檢測(cè)。通過光開關(guān)的切換實(shí)現(xiàn)3通道測(cè)量控制，針對(duì)CO和H2S兩種吸收譜線較弱的氣體，設(shè)計(jì)單獨(dú)的放大電路提高信噪比，從而實(shí)現(xiàn)CO、H2S和HF的檢測(cè)限分別為10 ppm、4 ppm和1 ppm，每通道刷新時(shí)間為3 s，可以滿足國家電網(wǎng)對(duì)GIS設(shè)備故障預(yù)警的要求。