SF6局部放电分解组分长光程红外检测

张晓星 任江波 胡耀垓,2 唐 炬 孟凡生

（1.重庆大学输变电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 重庆 400044 2. 武汉大学电子信息学院 武汉 430079）

1 引言

气体绝缘组合电器（Gas Insulated Switchgear，GIS）内可能因生产或长期运行中出现的绝缘缺陷而导致不同程度的局部放电（PD）。在放电的作用下，SF6气体发生分解，主要分解产物有 SOF2、SO2F2、CF4、SO2、SOF4、S2F10等[1-5]，可用通过对SF6气体组分分析，判断设备内部绝缘情况。目前的分析方法主要是气相色谱法和红外吸收光谱法，其中红外吸收光谱法采用傅里叶变换红外光谱仪，具有检测时间短、无需前处理、可同时完成多个组分检测的优点，在各电力试验研究单位得到广泛应用。

由于SF6分解产物浓度很低，为μL/L量级，而红外光源一般较弱、红外检测器灵敏度较低，造成微量气体组分的检测非常困难。为了提高检测限，有效的途径就是提高光程长。

自1942年John U. White提出怀特池原理以来[6]，国内外专家针对如何提高光程长，减少红外光的损耗进行了大量的研究[7-12]。R. Kurte先后用0.1m、0.22m光程气体池对SF6分解组分进行分析[13]，M.Piemontesi也曾经用0.175m、11.25m光程长两种气体池对其进行分析[14,15]。研制能量衰减小、体积小的长光程气体池，成为整个红外检测系统的关键及难点所在。

本文从增加红外吸收光谱法的光程长入手，依据朗伯-比尔定律和怀特池原理，研制了一种用于分析 SF6局部放电分解组分的长光程气体池，并对长短光程气体池下 SF6局部放电分解组分红外吸收光谱信息进行了对比分析。

2 长短光程气体池的设计

2.1 光程长的选择

红外吸收光谱法定量分析理论基础是朗伯-比尔定律（Lambert-Beer’s Law）。其表述为：当一束红外光通过样品时，任意波长光的吸收强度与样品中各组分的浓度成正比，与光程长成反比。即

式中，A为吸光度；I0为背景光强；It为采样光强；T为透射率；a为吸光系数；b为光程长；c为组分浓度。在温度和气体压强一定的情况下吸光系数是一个常数，因此，用同一台仪器测某种物质的检测限时，物质浓度和光程长呈反比，这也是气体池设计时进行所需光程长计算的理论依据。

图1为利用0.1m光程气体池（天津天光光学仪器有限公司，型号 HF—11）检测 100μL/L的 SO2标气、22μL/L的SO2F2标气得到的红外标准谱图。从图中可见，两种标气的吸收峰并不是十分明显，检测效果不佳，为了提高检测限必须增加光程长。

图1 0.1m光程气体池测得标准图Fig.1 Standard spectrum for 0.1 meter gas cell

SF6局部放电分解特征组分含量较低，检测限必须达到 0.5μL/L量级。按浓度光程积不变，换算到检测限为0.5μL/L时，气体池所需光程长见表1，SO2相对 SO2F2需更长的光程，因此气体池光程长确定为20m。

表1 检测限为0.5μL/L所需光程长Tab.1 Detection limit of 0.5μL/L required for the optical path length

2.2 长光程气体池原理

在提高气体池光程长度时，应最大限度地降低红外光能损耗，同时也要最大量地缩小气体池本体体积，以减少采气量。要在有限体积的气体池内实现光程加长，可以利用光的反射技术使光在池内多次折返，为保证能量尽可能少的损失，应利用具有汇聚作用的球面镜作为反射元件。

本文采用怀特池[9-12]原理来实现长光程气体池的设计，如图2所示，M1、M2、M3三镜系统中，M1、M2为物镜，M3为场镜，三球面反射镜的曲率半径相同，两物镜的曲率中心在场镜的前反射表面上（CA,CA′），场镜的曲率中心位于两物镜正中（O），该系统在反射面之间构成了一个共轭系统：M1上任意一点发射的光经M3聚焦到M2上，M2上相应的点又经M3聚焦到M1上的起始点，同样M3上出射到M1或M2上的光会被聚焦到M3上，像点有一定的偏移，偏移的大小由两物镜曲率中心间的距离来确定。由反射球面镜的特殊光线可知入射光线和反射光线关于主光轴对称，而球面镜上任意点到曲率中心的连线都为主光轴，入射光点与像点关于相应球面镜的曲率中心对称分布。

图2 怀特池光路图Fig.2 Optical path graph of White cell

三镜系统中入射光线首先被M1反射到M3上再被反射到M2上，M2上的反射光再次入射到M3上，再到M1上，如此反复的反射便可提高光程长。调节光程长主要是通过改变物镜曲率中心间的距离和场镜M3的几何尺寸。气体池的内体积与反射次数相互限制，所以必须综合取值。

式中，x为场镜 M3的半长；n为反射次数；a为两物镜曲率中心间的距离。随着反射次数的增加，场镜M3的尺寸增大，气体池体积增大，红外光在反射时的能量衰减也增大，为此，要选择最佳的反射次数和气体池内体积。

2.3 入射方式的选择

气体池的入射光有两种入射方式：①如图 3a所示，入射光与两物镜的曲率中心不在一条直线上，此入射方式下场镜上会出现两行平行的像点；②如图3b所示，入射光与两物镜的曲率中心在一条直线上，此入射方式下场镜上只有一行像点。图中的数字表示第几个像点，由图可见以第一种方式入射时更能够充分地利用好场镜M3的空间，为了在有限的空间内实现最多次的反射次数，最终选择第一种入射方式。

图3 入射光的两种入射方式Fig.3 Two methods of incident light

图4为设计的气体池场镜M3表面的像点分布图，图中数字同样表示第几个像点，同排两相邻像点之间的间距为物镜曲率中心间距的2倍，因此调节物镜曲率中心距离a的大小可以改变像点之间的距离，在像点不重合的情况下，最大反射次数是唯一的。在选择反射次数时要综合考虑物镜曲率中心距离和场镜尺寸大小。

图4 场镜像点图Fig.4 Imaging point of field mirror

2.4 气体池结构设计及参数

气体池的设计需遵循以下原则：①选用材料应对中红外波段有良好的透过性能及高反射率，实现光的高透过率；②在尺寸、像质和加工工艺许可的范围内，应使接受口径尽可能大，保证足够大的光通过率以使检测器接收到足够的能量。

图5为气体池的结构示意图。SF6分解组分由进样阀门进入气体池，可以通过内衬特氟隆的软管连接分解装置采气阀和气体池进样阀门，也可采用内衬特氟隆的采气袋进样。

由于镀铝膜和银膜的反射镜对红外波段的反射率小于95%，又因SF6的部分分解组分有腐蚀性，所以本文采用在红外波段反射率高达98%的镀金反射镜，其最佳反射次数由公式（3）决定。

式中，T为窗片材料的透过率；R为反射材料的反射率；n为反射次数；e为自然常数。气体池窗片采用 KBr材料，其透过率大于 92%。由式（3）计算得反射40次达到最佳效率，为此取三镜的曲率半径为500mm，反射次数为40次，便可实现光程长20m。为了实时观察气体池内的透射情况，气体池的主体部分采用高硼硅玻璃材料密封，实验中先抽真空，再注入不超过一个大气压的被测气体进行分析，因此只需承受负压，承受外压气体池壁厚的计算公式为

图5 气体池设计结构图1—M1镜 2—M2镜 3—M3镜 4,5—KBr窗片6—螺钉和螺母 7—密封圈 8—入射、出射镜 9—调节螺母10—真空表 11—出气阀门 12—进样阀门Fig.5 Structural pattern of gas-cell

式中，S0为容器的壁厚，mm；D为容器的中间面直径，mm；Pcr为临界压力，N/m2；E为使用材料的弹性模量，N/m2，硼硅玻璃 E为 67kN/mm2，在承受一个大气压时壁厚 S0=4mm。实际中，绝对的真空是无法达到的，临界压力小于一个大气压，所以要求的壁厚应该小于4mm，但是SF6气体分解物具有一定的腐蚀性，所以在此基础上要加一定的强度裕度，壁厚取4mm合适。

3 长短光程气体池实测数据分析

3.1 试验装置及检测条件

作者采用 SF6气体分解试验装置进行 SF6局部放电分解试验[16]，试验接线如图6所示。试验采用针–板电极缺陷模型，针电极半径为 0.3mm，其尖端部分的锥形尖角为 30º，接地的平板电极为一个直径60mm的罗科夫斯基电极，针板材料为黄铜，电极间距为 10 mm。将试验装置抽真空后充0.25MPa的SF6气体，施加电压22kV，放电时间为96h，采气间隔为12h。

图6 SF6局部放电分解实验装置Fig.6 Test device of SF6 discharge decomposition

红外检测时先将气体池抽至真空，检测无残余组分时，通入高纯 SF6，采集背景光谱，再抽至真空，之后通入放电分解后的SF6气体。

傅里叶变换红外光谱仪采用尼高力6 700，分辨率为0.5cm-1，扫描次数32，环境温度25℃，利用系统自带软件扣除了环境影响。

3.2 两种气体池检测光谱图的对比分析

为测试研制的长光程气体池特性，采用了长短光程两种气体池对相同分解组分进行检测。短光程气体池采用上述0.1m光程气体池。

图7为SF6局部放电96h后分别用两种光程长气体池进行检测得到的红外吸收光谱图。由图7a所示，0.1m的短光程气体池能够检测到SF6，其中出现的峰均为SF6的吸收峰，但对微量的分解组分检测效果不明显；由图7b所示，20m长光程气体池检测到了分解组分的吸收峰，SF6的吸收峰也比0.1m光程长检测得到的要密集，这是红外线充分吸收的表征。由于分解组分含量非常小，SF6的含量远大于其他组分，所以SF6特征峰均饱和，分解组分的峰值小，不便于观察，为此本文采用区段图的方法来分析检测结果。

图7 SF6放电分解96h长短光程检测的光谱图Fig.7 Spectrum of discharge 96 hours’ SF6 decomposition products detected by two gas cell

SF6局部放电分解组分分布在中红外的各个区段，例如 520cm-1～570cm-1、720cm-1～760cm-1、1 096cm-1～1 104cm-1、1 156cm-1～1 186cm-1、1 320cm-1～1 360cm-1等，每个区段有不同分解物。SOF2、SO2F2为 SF6局部放电的特征气体，其分布区段为520cm-1～570cm-1，为此，选用该光谱段为例来进行长短光程的对比分析。图 8a该谱段 0.1m光程长光谱图，由图可见，SOF2、SO2F2的吸收峰勉强可辨，信噪比较低；图8b为该谱段20m光程长光谱图，不难发现，SOF2、SO2F2的吸收峰信噪比高，对称性强，分辨率好，大大提高了检测限，可以利用其实现SF6局部放电分解组分的定量。

图8 SF6放电分解96h长短光程检测的区段图Fig.8 Section spectrum of discharge 96 hours’ SF6 decomposition products detected by two gas cell

3.3 两种光程检测数据的分析

SF6局部放电最稳定的特征气体为 SOF2、SO2F2、SO2，能检测到的中间衍生气体为 SOF4、SF4[13-15,17-20]。由红外吸收原理可知每种物质的都有多个红外吸收峰，为此，用于定量分析的吸收峰都选择对浓度变化灵敏的吸收峰。

利用傅里叶变换红外吸收光谱仪配套的检测软件 OMNIC读取各吸收峰的峰值并加以校正，得到能表征各组分浓度变化的数据。表2为0.1m短光程长气体池检测结果，表3为20m长光程气体池检测结果。

表2 0.1m光程长气体池的检测数据Tab.2 Detected data of 0.1m gas cell

表3 20m光程长气体池检测数据Tab.3 Detected data of 20m gas cell

对比两表可以发现，短光程气体池的检测稳定度不够，时而有时而无，准确度差。SO2为最终生成物，化学性质比较稳定，其浓度应为增长趋势，但是在实验时却有两次数据相对前一次减小；对中间衍生物不能检测，SF4为中间生成物，化学性质极不稳定，其浓度随放电时间有所变化，但短光程的检测结果不能体现。20m长光程气体池的检测结果表明：中间衍生物SF4、SOF4不稳定、浓度小、与放电时间没有固定的关联比对；而SOF2、SO2F2、SO2的变化趋势明显，均为随着放电时间的增加而增多，可利用其浓度变化规律来表征其放电特征。

4 结论

本文依据朗伯-比尔定律，分析气体池原理及内部结构，设计了一种长光程气体池，用于 SF6放电分解气体的红外检测，取得了以下研究成果：

（1）气体池采用怀特池结构原理，入射光选取与两物镜曲率中心不在一条直线上的入射方式，反射镜用高反射率的黄金镀膜，反射次数提高到 40次，有效地增加光程长至20m。

（2）通过长短光程气体池对 SF6局部放电分解组分检测结果的分析表明，短光程气体池检测的精度、稳定性、信噪比均不够，不能达到检测的目的；20m长光程气体池检测的光谱图分辨率高、信噪比高、稳定性好、线性性好、能够实现 SF6局放微量组分的在线监测。

（3）20m长光程气体池的检测结果表明：各组分浓度随着放电时间的增加而增大，中间衍生物SF4、SOF4不稳定、浓度小、与放电时间没有固定的关联比对；而 SOF2、SO2F2、SO2的变化趋势明显，均为随着放电时间的增加而增多，可利用其浓度变化规律来表征其放电特征。

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