面向SF6氣體絕緣設備故障檢測的光聲CO氣體傳感器設計和優化*

尹旭坤 董磊 武紅鵬 劉麗嫻 邵曉鵬?

1) (西安電子科技大學, 西安市計算成像重點實驗室, 西安 710071)

2) (西安電子科技大學物理與光電工程學院, 西安 710071)

3) (山西大學, 激光光譜研究所, 量子光學與光量子器件國家重點實驗室, 太原 030006)

針對電力系統對六氟化硫電氣絕緣設備中氣體衍生物的在線高精度探測需要, 提出了差分雙通道結構的光聲池作為光聲探測模塊, 并使用中心波長為2.3 μm的分布式反饋(distributed feedback laser, DFB)激光器作為激勵光源, 搭建了一款工作在高濃度六氟化硫背景氣體中的一氧化碳氣體傳感器.通過光聲共振理論模擬和設計, 在純六氟化硫氣體中光聲池的品質因子為84, 相對于在氮氣載氣中的品質因子提高了約4倍.經實驗驗證, 差分結構光聲池的最大氣體流速較單共振腔光聲池提高了6倍, 且具有較強的噪聲免疫能力.在對傳感器系統的共振頻率、氣流速度和工作壓強等參數優化后, 在1 s的積分時間下, 獲得一氧化碳氣體的探測靈敏度為體積分數1.18 × 10–6, 對應的歸一化噪聲等效濃度(1σ)為3.68 × 10–8 cm–1·W·Hz–1/2.該傳感器的靈敏度高, 選擇性好且噪聲免疫能力強, 可以為電力系統中潛在性絕緣故障診斷提供一種在線探測技術,具有重要的應用前景.

1 引 言

隨著特高壓、新能源汽車充電樁、5G基站等“新基建”戰略的提出和發展, 電能以核心能源形式將貫穿“新基建”始終, 助力高耗能基礎設施的建設與運行, 因此高電壓等級的變電站紛紛建立.因為六氟化硫(SF6)氣體是一種具有強電負性的惰性氣體, 在均勻電場中的絕緣強度是空氣的2.5倍,滅弧能力達到空氣100倍, 因此以SF6氣體為絕緣介質材料的電氣設備得到廣泛應用.純凈的SF6氣體是無色、無味、無毒的, 且化學性質十分穩定, 不易分解.但是在高電壓電氣設備的長時間運行過程中, 由于電機氧化、絕緣子擊穿、觸頭接觸不良等多種絕緣故障的出現, 會在設備中出現局部過熱,并出現電暈、電火花和電弧等放電現象, 并將SF6氣體分解為低硫氟化物SFx(x = 1—5)和F原子.在電氣設備中會不可避免的存在水汽(H2O)、氧氣(O2)和氮氣(N2)等氣體雜質, 并與低硫氟化物發生一系列復雜的化學反應生成一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、硫化氫(H2S)、四氟化碳(CF4)、二氧化硫(SO2)、二硫化碳(CS2)等有毒或有腐蝕性的氣體[1?4].這些氣體衍生物的積累和化學反應會降低電氣設備中的SF6氣體純度, 并腐蝕電極絕緣材料, 使其沿面閃洛電壓降低, 形成更嚴重的絕緣故障, 甚至可能會發生爆炸, 造成大面積停電, 對儀器設備和生產人員形成安全威脅.經研究發現, 不同SF6氣體衍生物的組分、生成速率及濃度等信息與電氣設備中絕緣故障的類型相關,因此可以通過檢測這些氣體衍生物的濃度信息來判斷設備內部的運行狀態.例如, 在氣體絕緣開關設備(gas insulated switchgear, GIS)中CO氣體的體積分數一般小于 20 × 10–6, 其主要來源是絕緣紙、互感器和涂料等有機絕緣材料過熱故障.因此可以通過檢測CO氣體的濃度和生成速率對電氣設備的內部絕緣狀態和運行時間進行判斷.

目前, 在電力系統和國標GB/T 18667-2014中主要采用氣相色譜儀來測定SF6載氣中的痕量氣體組分濃度.該方法檢測靈敏度高, 可以對多種氣體組分進行檢測, 但是在檢測過程中會混入水分造成部分氣體組分水解, 且儀器造價高, 檢測時間長, 無法提供在線測量數據, 比較適用于實驗室環境的應用場景.隨著光學技術的快速發展, 已有多種光學痕量氣體傳感器被設計和應用到SF6氣體衍生物探測領域.例如: Zhang等[5]和Heise等[6]利用傅里葉紅外光譜儀(Fourier transform infrared spectrometer, FTIR)測量了H2S和CS2等氣體組分; Wang等[7]采用腔增強型拉曼光譜技術測量了CO2和CO等多種氣體組分濃度; Cui等[8]使用14.3 m的多通池氣體吸收光譜技術測量了CO氣體.這些直接吸收光譜技術的探測靈敏度高,但傳感系統體積大、成本高、容易受到探測器的功率極限和探測波長等性能的限制.而光聲光譜技術[9?14]以無波長選擇性、無背景信號、探測靈敏度與激勵光功率成正比等優勢, 已被應用大氣污染物監測、無創醫療診斷、工業過程控制等多個領域.在電氣設備氣體分解物檢測領域, Chen 等[15]利用近紅外DFB光源結合光聲光譜技術測量了H2S氣體, 在100 s的積分時間下傳感器靈敏度的體積分數為15 × 10–9; Zhang等[16]使用懸臂梁增強的光聲光譜儀在SF6載氣下測得H2S氣體的探測靈敏度的體積分數為1.75 × 10–6; Luo等[17]使用中紅外寬譜光源和非共振光聲池測量了CO, SO2和CF4氣體, 對應的探測靈敏度的體積分數為5.9 ×10–6, 8.3 × 10–6和5.5 × 10–6, 但不能滿足電力行業對氣體衍生物高探測靈敏度的需求; Sun等[18]基于大振臂的T型石英音叉在10 s的積分時間下獲得了CO氣體的靈敏度的體積分數為1 0 × 10–9,但是自制石英音叉的價格比較高, 在純SF6載氣中長期穩定性比較差, 不利于電力系統現場應用;Yin等[19]使用輸出功率為10 W的光纖放大器結合光聲池測得了CO氣體的探測靈敏度的體積分數為110 × 10–9, 但是高功率的激勵光源帶來準直難度大、背景噪聲強等問題, 且需要光垃圾池等配件, 系統比較復雜, 維修成本較高.其他已報道的CO光聲氣體傳感器都是以N2或空氣為載氣[20,21],而電氣設備中載氣是純SF6氣體, 載氣的變化會影響傳感器的性能.例如石英增強光聲光譜技術的信號幅值是與音叉式石英晶振的品質因數Q成正比的, 而在高濃度的SF6載氣中, 由于受到較強的氣體阻尼, 音叉式石英晶振的Q值下降為在空氣中的1/5, 導致傳感器的探測靈敏度下降, 因此這些CO氣體傳感器不能直接用于電氣絕緣故障檢測中[3,22,23].

光聲光譜技術的一個特性是探測靈敏度與待測氣體的吸收線強度成正比[24?26], 因此本項研究選擇2.33 μm的DFB激光器作為激勵光源來探測CO氣體, 具有較強的吸收線強度且可以避開高濃度SF6氣體在中紅外波長區域的吸收干擾.此外, 相對于N2氣體, SF6氣體的相對分子質量和密度比較大, 容易引起氣流噪聲, 因此設計了雙通道差分結構的光聲池來減小SF6氣體帶來的氣流噪聲, 并減低傳感器響應時間, 在對傳感系統的壓強、氣流速度等工作條件優化后, 獲得了體積分數為10–6量級的探測靈敏度, 可以滿足電力系統中的應用需求, 為我國智能電網、特高壓、新基建等領域的發展奠定技術基礎.

2 傳感系統設計

2.1 CO氣體探測波長和激勵光源的選擇

根據HITRAN數據庫, CO分子在紅外波長區域有三個比較強的吸收帶, 分別位于波長1.56,2.33和4.7 μm附近, 其中4.7 μm是CO分子的基頻吸收帶, 吸收線強度最高.此外, SF6分子僅在10—17.2 μm波長區域有強的υ3, υ4和υ4+ υ6– υ6吸收帶, 在波長小于10 μm的區域沒有吸收, 因此為獲得最佳的CO氣體探測靈敏度, 應選擇基頻吸收帶作為探測波長.但是在電氣設備中載氣SF6的濃度高于99.8%, SF6分子在中紅外區域原本較弱的吸收線會對其他氣體衍生物的探測造成干擾.圖1展示的是將純SF6氣體和濃度為0.1%的CO/N2標準氣分別通入到吸收路徑為9.5 m的多通池后, 并利用FTIR(Thermofisher Nicolet IS50)測量獲得的紅外吸收譜線圖.從圖1中看出在波長大于3.3 μm(尤其在5.5—10.0 μm)區域, SF6分子出現連續且較強的吸收譜線.盡管CO分子在4.7 μm附近有最強的基頻吸收帶, 但是在電氣設備中SF6氣體濃度的微弱變化都會對光聲信號造成干擾, 影響傳感器在實際應用中的測量精度.圖1插圖中展示了SF6分子在2.33 μm附近對CO的探測沒有吸收干擾, 且CO分子吸收線強度在2.33 μm附近比在1.56 μm附近強兩個數量級, 因此選擇波長2.33 μm作為CO氣體的目標吸收線.

圖1 純SF6氣體和0.1% CO/N2氣體混合物在1—10 μm波長區域的紅外吸收譜線; 插圖: 在2.28—2.42 μm波長區域放大的吸收譜線Fig.1.The infrared absorbance spectrum cures of pure SF6 and 0.1% CO/N2 gas mixture between 1–10 μm wavelength region; Insert: The enlarged view of absorbance spectrum between 2.28–2.42 μm region.

一個單模的DFB激光器(nanoplus nanosystems and technologies)被選擇作為激勵光源, 輸出波數為4285 cm–1, 對應的吸收線強度為3.4 ×10–21cm/molecule.根據HITAN數據庫, SO2, CO2,CF4和H2S等常見的SF6氣體衍生物在波數為4260—4305 cm–1之間沒有明顯的吸收線, 而從圖2中可以看出, H2O分子(4282.4 cm–1)的吸收線強度比CO分子在第一泛頻吸收帶附近的吸收線強度弱三個數量級, 因此CO分子的探測不受常見的SF6氣體衍生物和水汽的影響.經實驗測量, 激光器的電流和溫度調制系數分別為–0.049 cm–1/mA和–0.403 cm–1/℃.當激光器的溫度設定為29.8 ℃, 輸入電流為90 mA時, 輸出的激光功率為2.3 mW.

圖2 CO和H2O氣體在4260—4308 cm–1波數范圍的吸收線位置和對應的吸收線強度Fig.2.The absorption line positions and line strengths of CO and H2O gas between 4260–4308 cm–1.

2.2 實驗系統設計

基于光聲光譜法的CO氣體傳感系統示意圖如圖3所示.一瓶純SF6和一瓶體積分數為1000 ×10–6的CO/SF6標準氣輸入到配氣系統后, 用于制作不同濃度的CO/SF6氣體.在光聲池的進氣口和出氣口通過壓力控制器、隔膜氣泵及針閥來控制和維持整個系統的壓強和氣體流速.光聲池由兩個尺寸完全一樣的光學諧振腔(尺寸為φ90 mm ×8 mm)、兩個氣體緩沖室(φ20 mm × 10 mm)及兩片光學窗口(φ25.4 mm × 5 mm)構成.在每一個諧振腔的中間部位開一個小孔, 并安裝一個高靈敏的駐極體麥克風來探測在聲學腔中積累的光聲信號.兩個麥克風的尺寸大小為6.0 mm × 2.7 mm,靈敏度為(–40 ± 2) dB, 且在頻率1 kHz附近的響應幾乎一樣.從麥克風輸出的電流信號輸入到一個自制的差分放大電路后, 輸送給鎖相放大器(Stanford, SR830)進行解調.由于采用了結構完全對稱的光聲池, 在沒有激勵光通過光聲池時, 麥克風探測到的氣流噪聲和環境噪聲等技術噪聲的幅值和相位相同, 因此可以通過差分電路降低系統的背景噪聲.鎖相放大器的積分時間設置為1 s, 濾波器斜率為12 dB/oct, 對應的探測帶寬 ? f=0.25 Hz.

圖3 在SF6載氣下的CO氣體傳感器裝置示意圖Fig.3.Schematic of CO gas sensor system in SF6 buffer gas.

DFB激光器的溫度由臺式溫度控制器(Thorlabs, TED200C)控制, 在實驗中設置為29.8 ℃.為實施2f 波長調制技術來獲得較高的探測靈敏度,激光器的電流由電流驅動器(Newport, ILX3220)控制.從信號發生器(Agilent, 33500B)輸出一路鋸齒波信號和一路正弦波信號, 并通過自制加法器輸入到電流驅動器來掃描激光器的波長.鋸齒波信號的周期為掃描一個完整二次諧波信號所需時間,正弦波信號的頻率為光聲池共振頻率的一半, 峰峰值為激光器的調制深度.從DFB激光器輸出的激光輸入到一個光纖準直器(Thorlabs, F810APC),輸出的束腰直徑為7.3 mm, 光束發散全角是0.02°,因此激光可以在不碰到共振腔壁的情況下潔凈地通過光聲池.

3 傳感系統優化

3.1 光聲共振頻率

光聲池的共振頻率 f 一般可以用f=ν/(2L)計算所得, 式中 ν 是聲速, L 是共振腔長度.在標準大氣壓和20 ℃時, 在N2中的聲速為340 m/s, 在SF6氣體中的聲速為133 m/s, 因此需要對光聲池的頻率進行測量標定.光聲光譜技術的信號幅值S是與光聲池常數C, 激勵光功率P及目標氣體分子的吸收系數α成正比的, 即S = CαP.在選定了激勵光源和目標吸收線后, 可以通過提高光聲池的品質因數Q來獲得較高的光聲池常數C.共振光聲池的Q值可以用粘性邊界層厚度 dv和熱邊界層厚度 dh來計算:

式中, R是光聲共振腔的半徑; γ是指在恒定壓力和恒定體積中的氣體比熱容; dv=(μ/ρ0πf)1/2,dh=(κM/cpρ0πf)1/2, μ 是氣體黏性, ρ0是氣體密度, κ 是氣體導熱系數, M 是摩爾質量, cp是指在恒壓下氣體混合物的比熱容.因此可以通過代入SF6氣體的物理常數以及光聲共振腔的尺寸, 計算得到在SF6載氣中Q值為81.如圖4所示, 將濃度為0.1%的CO/SF6和CO/N2氣體分別通入到光聲池中, DFB激光器的輸出波長鎖定在CO氣體的吸收線(4285 cm–1)上, 并以0.1 Hz的步進掃描正弦波的頻率即可獲得光聲池的共振頻率響應曲線.根據實驗結果和Q值計算公式Q=f/?f得到, 在0.1% CO/N2氣體中光聲池的共振頻率f2為1722.5 Hz, 線寬 ? f2為77.07 Hz, 計算得品質因數Q2為23, 在0.1% CO/SF6氣體中, 光聲池的共振頻率 f1為683.7 Hz, 線寬 ? f1為8.04 Hz, 品質因數Q1為85, 與理論計算值基本一致.光聲光譜技術的信號幅值是與品質因數成正比的, 因此在SF6載氣中采用光聲池可以獲得較高的探測靈敏度.

圖4 在0.1% CO/SF6和0.1% CO/N2載氣下的光聲池頻率響應曲線Fig.4.Frequency response curves of photoacoustic cell in 0.1% CO/SF6 and 0.1% CO/N2.

3.2 氣體流速

光聲氣體傳感器的響應時間是指加入目標待測氣體后, 達到信號穩定幅值的90%所需時間.響應時間主要是受目標氣體與光聲池壁的吸附退吸時間和氣體在光聲池里的交換時間影響, 可以通過對光聲池加熱、表面拋光、選不易吸附的材料及增加氣體流速來降低傳感器的響應時間.對于CO氣體來說, 氣體與池壁的吸附與退吸附過程快, 可以瞬間達到動態平衡, 吸附時間可以忽略不計.傳感器系統的換氣時間主要與氣流速度和光聲池體積有關, 因此在實驗中可以通過增加氣體流速來減低傳感器的響應時間.但由于SF6氣體的密度和相對分子質量分別是N2的5.6和5.2倍, 因此隨著氣體流速的增加, 光聲池的氣流噪聲會急劇增加.如圖5所示是在不同的SF6氣體流速下單通道和雙通道光聲池的噪聲和信號幅值變化曲線.單通道光聲池的共振腔與雙通道光聲池共振腔的尺寸一樣,內徑為8 mm, 長度為90 mm.從圖5中可以看出,在高濃度的SF6氣體中, 當氣流速度> 20 sccm時, 單通道光聲池的背景噪聲開始急劇增長, 而雙通道光聲池的噪聲在流速> 120 sccm后開始增長.此外, 在體積分數為500 × 10–6的CO/SF6氣體中, 雙通道和單通道光聲池的信號幅值幾乎相等,且隨著氣體流速的增加基本保持不變.因此, 雙通道差分結構的光聲池對傳感器系統流速噪聲有很強的抑制作用.為獲得較快的系統響應時間, 在后續的實驗中傳感器系統的氣流速度都設置為100 sccm.

圖5 單通道和雙通道光聲池在不同SF6氣體流速下的信號和噪聲響應Fig.5.Sensor system noise and signal amplitude of the single-resonator and the double-resonator photoacoustic cells in different SF6 gas flow rate.

3.3 氣體壓強

對于光聲光譜技術, 光聲池的Q值, 目標氣體分子的吸收系數α, 最佳的激光調制深度等參數是與傳感器的工作壓強相關的, 因此需要在不同的壓強下對光聲傳感器的性能進行優化.將體積分數為500 × 10–6的CO/SF6氣體通入了光聲池后,在200—760 Torr (1 Torr = 1.33 × 102Pa)的工作壓強范圍內, 對每個壓強下激光器的調制深度進行了優化, 并記錄傳感器最高的光聲信號幅值, 如圖6所示.從圖6可以看出, 隨著壓強的增加, 傳感器的信號幅值呈正比例的增長, 因此為獲得最佳的探測靈敏度, 后面的實驗中, 傳感器的工作壓強都保持在760 Torr.

圖6 在體積分數為500 × 10–6的CO/SF6氣體中光聲信號與氣體壓強的線性響應圖Fig.6.Linear response of photoacoustic signal and gas pressure in the volume fraction of 500 × 10–6 CO/SF6 gas.

4 傳感器性能評估

為評估傳感系統的靈敏度, 體積分數為0—300 × 10–6的CO/SF6混合氣體被依次通入到光聲池中, 在光聲信號穩定后(約2 min), 連續記錄100 s光聲信號幅值, 并展示在圖7中.以體積分數為50 × 10–6的CO/SF6混合氣體為例, 光聲信號幅值為19.6 μV, 計算得到1σ探測信噪比為27.1,在1 s的積分時間下獲得傳感器的探測靈敏度的體積分數為1.85 × 10–6, 對應的歸一化噪聲等效濃度為3.68 × 10–8cm–1·W·Hz–1/2.

圖7 不同CO/SF6氣體濃度下的光聲信號幅值響應Fig.7.Photoacoustic signal in different CO/SF6 gas concentrations.

為評估傳感器的響應線性度, 不同濃度的CO/SF6混合氣體(體積分數為0—1000 × 10–6)被依次通入到光聲池中, 待信號穩定后記錄每個濃度下的最高信號幅值.如圖8所示, 通過線性擬合獲得傳感器的R2值為0.9997, 證明該傳感器具有優異的線性響應性能.

圖8 CO/SF6氣體傳感器的響應線性度Fig.8.Linearity of CO/SF6 gas sensor system.

5 結 論

在電力系統中可以通過檢測SF6電氣絕緣設備中CO氣體的濃度和生成速率來對電氣設備內部潛在性絕緣狀態和設備運行時間進行判斷, 本文中使用波數為4285 cm–1的DFB激光器作為激勵光源, 避開了高濃度SF6在中外波長區域的吸收干擾, 且吸收線強度比在1.56 μm波長附近強兩個數量級.利用SF6氣體的物理特性設計了高Q值的光聲池, 經過實驗測量比在N2中Q值高了約4倍, 與理論結果一致.此外, 差分結構的雙通道光聲池可以將系統最大氣流速度提高到120 sccm,降低了傳感系統響應時間, 且具有較強的噪聲免疫能力.在對傳感器系統的共振頻率和壓強優化后,在SF6載氣下獲得了CO氣體最佳探測靈敏度的體積分數為1.18 × 10–6, 歸一化噪聲等效濃度(1σ)為3.68 × 10–8cm–1·W·Hz–1/2.下一步工作可以通過使用更高功率的激勵光源來進一步提高CO氣體的探測靈敏度, 并設計長度較短的諧振腔來進一步提高Q值并縮短系統響應時間.