基于SF6氣體分解物檢測系統設計與開發

林海淵，林碧鶯，張秀霞

（國網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備在我國已大規模使用，如高壓斷路器、變壓器、互感器、接觸器和熔斷器等。近年來，SF6氣體絕緣類設備發生了多起因氣體質量問題導致的設備故障與事故，直接威脅到電網的運行安全，如何判斷設備內部SF6氣體狀況已成為一個研究熱點。

SF6氣體自身化學性能非常穩定，但其作為絕緣介質在使用過程中，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的腐蝕性，可對金屬件、絕緣件具有一定損傷，尤其對現場運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氣體絕緣類設備運行狀態已成為該領域新的研究方向，國內外已開展了大量實驗室對比與模擬研究[1-3]，但限于SF6氣體分解物穩定性差及標氣獲取困難等諸多實際問題，其現場檢測難度太大。針對此問題，若能實現SF6氣體分解產物在線監測，結合電氣設備實際運行情況，則可大幅提升SF6氣體絕緣類設備的狀態評估與故障診斷水平，為保障SF6電氣設備的安全運行起到積極的作用。

在分析現有SF6氣體分解物檢測技術的基礎上，本文提出一套適用于現場使用的SF6分解物光譜檢測系統，利用標準遠紅外光源產生的寬譜光，經過分光系統衍射成產生單色光，單色光經過被測氣體，通過測定氣體的吸收峰值波長（或波數）及吸收強度，來檢測氣體成分和濃度。由于系統動件比較少，可以實現全固態化，系統結構緊湊，工作穩定，可對SF6設備進行在線帶電檢測，實時監測設備運行過程中氣體成分的變化，及時提供故障信息，并可對故障進行預報警。

1 SF6氣體產物檢測方法分析

相關研究結果表明[4-5]，在SF6電氣設備內部故障時，放電分解組分復雜，分解產物含量相對較少，且不穩定，主要的SF6氣體分解產物有四氟化硫（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、化學及復雜的分解特性均為現場SF6分解物檢測形成了一定的困難。現有幾種SF6氣體分解產物檢測技術有[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，FTIR），氣體傳感器，離子移動度計（Ion mobility spectrometry，IMS）及色譜-質譜法（Gas chromatography mass spectrometer，GC-MS）等，表1給出了現有方法的優缺點比較。

表1 7種檢測技術的優缺點比較Tab. 1 The advantages and disadvantages of the seven kinds of detection technology

現有SF6氣體分解物的檢測方法有的檢測靈敏度低，有的價格昂貴、體積龐大，有的使用條件苛刻，或者使用過程繁瑣，均無法實現對SF6設備的實時在線檢測。因此，測量結果既不能準確客觀反映設備內氣體成分和變化的實際過程，也無法對設備的運行狀況和內部缺陷進行及時準確判斷，從而不能對設備進行故障診斷和報警。紅外分光譜法是目前最先進的氣體檢測方法，在氣體檢測中得到廣泛應用[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 基于紅外光譜技術的SF6氣體分解檢測系統設計

本文設計并開發了SF6氣體分解物檢測系統，主要包括紅外光源、分光系統、氣池和探測器等幾個部分，其系統結構如圖1所示。紅外光源產生的光經過球面反射鏡，會聚到分光系統的入射狹縫，然后在分光系統中形成單色光，單色光經出射狹縫后，通過氣池。由于氣池內氣體的不同，會產生不同的吸收，光電探測器對光信號進行采集，從而得出吸收曲線。根據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、輻射強度大、體積小、操作方便和使用壽命長等特點。現在國內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需要在現場工作，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，所以在該系統中，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

目前較為常用的基于平面光柵的光譜儀光學結構主要有：艾伯特-法斯提（Ebert-Fastie）、切爾尼-特納（Czerny-Turner）和李特洛（Littrow）自準直系統。切爾尼-特納系統用2塊相同的小凹面反射鏡作為準直鏡和成像鏡，代替一塊大的凹面反射鏡。2個反射鏡從中間分開，曲率中心重合，既可以避免二次衍射和多次衍射，同時又方便反射鏡的加工和裝調。光柵采用表面鍍金反射式閃耀光柵，如圖2所示，其主要參數為：閃耀波長8 000 nm，光柵刻線數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。考慮到工作波長范圍、整機體積要求、現場工作環境等，選用美國EOS公司熱釋電探測器LT-020-H，該探測器響應靈敏度高，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，響應度105 V/W，NEP<10-9。在系統中，通過斬波器對光源光進行調制，調試頻率為22 Hz。

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

3 基于紅外光譜技術的SF6氣體分解檢測系統開發

3.1 硬件部分

該系統整個氣體檢測系統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），記錄數據存儲到計算機中；

2）如果在測量過程中，發現輸出信號過大或過小時，可以適當調節狹縫旋鈕，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，重復測量系統輸出，即O（λ）=S（λ）G（λ）P（λ）；

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

為了實現如上檢測流程，開發了專用控制系統，如圖4所示。

3.2 軟件部分

軟件系統作為SF6氣體分解物檢測系統的一部分，為SF6氣體分解物檢測儀提供具備高速同步采集、數據精確計算和顯示功能的綜合人機交互界面。軟件系統驅動SF6氣體分解物檢測儀在6 000 nm至14 000 nm的范圍內獲取設備氣室內SF6氣體光譜數據，通過標定計算獲取氣室內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的電氣控制系統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資源，本套系統的軟件部分分為3個線程獨立運行，線程間通過內部接口實現同步和通信，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：啟動和關閉軟件；生成線程中斷事件；監視用戶操作，啟動和關閉采集和處理線程；監視設備運行情況，啟動和關閉采集和處理線程；歷史數據瀏覽；分解物含量計算等。

2）采集線程主要功能包括：驅動光源輸出指定波長的單色光；驅動采集模塊完成光信號采集；將原始數據保存至緩存；生成當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據；對原始數據進行特征抑制和特征提取；將光譜特征數據寫入歷史文件；界面顯示當前光源狀態和曲線等。

軟件人機界面由光譜曲線顯示區、實時狀態顯示區、檢測結果顯示區和用戶操作區4個部分組成，分別在不同線程工作時執行監視、顯示和人機交互功能，如圖5所示。

4 檢測與分析

利用本文所開發的在線紅外光譜檢測系統對SO2和CF42種氣體進行測定，2種氣體樣氣由中國計量科學研究院提供，以SF6為基礎氣體。氣體SO2，濃度為3 000×10-6，生產日期為2013年1月5日；氣體CF4，濃度為500×10-6，生產日期為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軟件界面Fig. 5 The software interface of the detection system for SF6 decomposed gases

測試結果如圖6所示，測量環境條件為：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。通過采用信噪比計算法，分別計算出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 分析與結論

本文設計并開發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，儀器結構緊湊，操作方便，適合于SF6設備在線檢測。但是，由于儀器中選用的氣池為單光程結構，光程短，檢測精度低，目前能達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分解物均有多個吸收峰，而且有些氣體的吸收峰會發生重疊，所以，要準確判定混合氣體中氣體成分，需要將多個峰值位置進行考慮。

為了擴大光譜儀的檢測波長范圍，可以采用雙光束結構，可將工作波長范圍擴展為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定帶來的誤差。

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

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