基于SF6气体分解物检测系统设计与开发

林海渊，林碧莺，张秀霞

（国网福建省电力有限公司 检修分公司，福建 福州 350000）

SF6气体具有良好的绝缘特性，以SF6气体为绝缘方式的电力设备在我国已大规模使用，如高压断路器、变压器、互感器、接触器和熔断器等。近年来，SF6气体绝缘类设备发生了多起因气体质量问题导致的设备故障与事故，直接威胁到电网的运行安全，如何判断设备内部SF6气体状况已成为一个研究热点。

SF6气体自身化学性能非常稳定，但其作为绝缘介质在使用过程中，会因大功率电弧、火花放电或电晕等作用，引起一系列复杂的气体分子电离和分解过程，形成SO2F2、SOF2、SOF4、S2OF10、SF4、H2S、HF及CF4等分解气体，这些气体均具有毒性及较强的腐蚀性，可对金属件、绝缘件具有一定损伤，尤其对现场运行人员的人身安全存在隐患。通过SF6气体分解物检测评估SF6气体绝缘类设备运行状态已成为该领域新的研究方向，国内外已开展了大量实验室对比与模拟研究[1-3]，但限于SF6气体分解物稳定性差及标气获取困难等诸多实际问题，其现场检测难度太大。针对此问题，若能实现SF6气体分解产物在线监测，结合电气设备实际运行情况，则可大幅提升SF6气体绝缘类设备的状态评估与故障诊断水平，为保障SF6电气设备的安全运行起到积极的作用。

在分析现有SF6气体分解物检测技术的基础上，本文提出一套适用于现场使用的SF6分解物光谱检测系统，利用标准远红外光源产生的宽谱光，经过分光系统衍射成产生单色光，单色光经过被测气体，通过测定气体的吸收峰值波长（或波数）及吸收强度，来检测气体成分和浓度。由于系统动件比较少，可以实现全固态化，系统结构紧凑，工作稳定，可对SF6设备进行在线带电检测，实时监测设备运行过程中气体成分的变化，及时提供故障信息，并可对故障进行预报警。

1 SF6气体产物检测方法分析

相关研究结果表明[4-5]，在SF6电气设备内部故障时，放电分解组分复杂，分解产物含量相对较少，且不稳定，主要的SF6气体分解产物有四氟化硫（SF4）、二氧化硫（SO2）、氟化亚硫酰（SOF2）、二氟化硫酰（SO2F2）、四氟化亚硫酰（SOF4）、十氟化硫（S2F10）及氟化氢（HF）等。SF6气体物理、化学及复杂的分解特性均为现场SF6分解物检测形成了一定的困难。现有几种SF6气体分解产物检测技术有[6-9]：气体检测管法，气相色谱法（Gas chromatography，GC），红外光谱法（Infrared spectroscopy，IR），傅里叶变换红外光谱仪（Fourier trannsfrom infrared spectrometer，FTIR），气体传感器，离子移动度计（Ion mobility spectrometry，IMS）及色谱-质谱法（Gas chromatography mass spectrometer，GC-MS）等，表1给出了现有方法的优缺点比较。

表1 7种检测技术的优缺点比较Tab. 1 The advantages and disadvantages of the seven kinds of detection technology

现有SF6气体分解物的检测方法有的检测灵敏度低，有的价格昂贵、体积庞大，有的使用条件苛刻，或者使用过程繁琐，均无法实现对SF6设备的实时在线检测。因此，测量结果既不能准确客观反映设备内气体成分和变化的实际过程，也无法对设备的运行状况和内部缺陷进行及时准确判断，从而不能对设备进行故障诊断和报警。红外分光谱法是目前最先进的气体检测方法，在气体检测中得到广泛应用[11-14]，是通过检测气体的吸收特性来检出被测气体成分及其浓度的。

2 基于红外光谱技术的SF6气体分解检测系统设计

本文设计并开发了SF6气体分解物检测系统，主要包括红外光源、分光系统、气池和探测器等几个部分，其系统结构如图1所示。红外光源产生的光经过球面反射镜，会聚到分光系统的入射狭缝，然后在分光系统中形成单色光，单色光经出射狭缝后，通过气池。由于气池内气体的不同，会产生不同的吸收，光电探测器对光信号进行采集，从而得出吸收曲线。根据曲线吸收峰的位置及峰值大小，即可测出气体成分和浓度。

图1 SF6气体分解物红外光谱检测系统Fig. 1 An infrared spectrum detection system for SF6 decomposed gases

2.1 红外光源选择

红外光谱仪中的红外光源，要求具有辐射性能好、辐射强度大、体积小、操作方便和使用寿命长等特点。现在国内外各类红外仪器中常用的红外光源有：能斯脱灯、硅碳棒、P-E光源和氮化硅陶瓷等。因在线式光谱检测系统需要在现场工作，采用的红外光源必须具有启动快，工作电流小，不易氧化等特点，所以在该系统中，采用了氮化硅光源，光源尺寸为Φ5 mm×20 mm，工作电流为2～3 A，工作温度为800 ℃左右。

2.2 分光系统

目前较为常用的基于平面光栅的光谱仪光学结构主要有：艾伯特-法斯提（Ebert-Fastie）、切尔尼-特纳（Czerny-Turner）和李特洛（Littrow）自准直系统。切尔尼-特纳系统用2块相同的小凹面反射镜作为准直镜和成像镜，代替一块大的凹面反射镜。2个反射镜从中间分开，曲率中心重合，既可以避免二次衍射和多次衍射，同时又方便反射镜的加工和装调。光栅采用表面镀金反射式闪耀光栅，如图2所示，其主要参数为：闪耀波长8 000 nm，光栅刻线数75 line/mm，光栅尺寸68 mm×68 mm，工作波长范围为4 ～17 μm。

2.3 光电探测器

红外光电探测器分为光伏型和光导型，光伏型波长范围在0.5～5.5 μm之间，不同型号的探测器截止波长分别为2.8 μm、5.0 μm和5.5 μm；光导型波长范围在2～26 μm，不同型号的截止波长分别为5 μm、12 μm和26 μm。考虑到工作波长范围、整机体积要求、现场工作环境等，选用美国EOS公司热释电探测器LT-020-H，该探测器响应灵敏度高，工作波长范围宽，可在常温下工作。该探测器工作波长2～16 μm，响应度105 V/W，NEP<10-9。在系统中，通过斩波器对光源光进行调制，调试频率为22 Hz。

图2 光栅分光系统Fig. 2 Grating diffracting system

3 基于红外光谱技术的SF6气体分解检测系统开发

3.1 硬件部分

该系统整个气体检测系统的信号传输过程如图3所示。具体的测量过程为：

图3 气体检测系统信号传输过程Fig. 3 Signal transmission process of gas detection system

1）在不放置气池的情况下，用光栅多次扫描，测量并记录单色仪输出，即S（λ）、G（λ），记录数据存储到计算机中；

2）如果在测量过程中，发现输出信号过大或过小时，可以适当调节狭缝旋钮，直到输出适中位置；

3）将气池放入测试架中，用光栅多次扫描，重复测量系统输出，即O（λ）=S（λ）G（λ）P（λ）；

4）通过计算，得出被测气体的光谱响应曲线P（λ），即P（λ）=O（λ）/S（λ）G（λ）。

为了实现如上检测流程，开发了专用控制系统，如图4所示。

3.2 软件部分

软件系统作为SF6气体分解物检测系统的一部分，为SF6气体分解物检测仪提供具备高速同步采集、数据精确计算和显示功能的综合人机交互界面。软件系统驱动SF6气体分解物检测仪在6 000 nm至14 000 nm的范围内获取设备气室内SF6气体光谱数据，通过标定计算获取气室内SF6气体中四氟化硫酰（SOF4）、氟化亚硫酰（SOF2）、氟化硫酰（SO2F2）和二氧化硫（SO2）4种气体分解物的含量。

图4 SF6气体分解物检测系统的电气控制系统Fig. 4 Electrical control system of the detection system for SF6 decomposed gases

为合理分配主控平台的系统资源，本套系统的软件部分分为3个线程独立运行，线程间通过内部接口实现同步和通信，主要包括主线程、采集线程和处理线程。

1）主线程主要功能包括：启动和关闭软件；生成线程中断事件；监视用户操作，启动和关闭采集和处理线程；监视设备运行情况，启动和关闭采集和处理线程；历史数据浏览；分解物含量计算等。

2）采集线程主要功能包括：驱动光源输出指定波长的单色光；驱动采集模块完成光信号采集；将原始数据保存至缓存；生成当前波长采集完毕事件，启动挂起中的处理线程；生成波段（6 000 nm至14 000 nm）采集完毕事件，向主线程申请自动关闭等。

3）处理线程主要功能包括：与采集线程同步从缓存中读取原始数据；对原始数据进行特征抑制和特征提取；将光谱特征数据写入历史文件；界面显示当前光源状态和曲线等。

软件人机界面由光谱曲线显示区、实时状态显示区、检测结果显示区和用户操作区4个部分组成，分别在不同线程工作时执行监视、显示和人机交互功能，如图5所示。

4 检测与分析

利用本文所开发的在线红外光谱检测系统对SO2和CF42种气体进行测定，2种气体样气由中国计量科学研究院提供，以SF6为基础气体。气体SO2，浓度为3 000×10-6，生产日期为2013年1月5日；气体CF4，浓度为500×10-6，生产日期为2012年8月22日，有效期均为1年。

图5 SF6气体分解物检测系统软件界面Fig. 5 The software interface of the detection system for SF6 decomposed gases

测试结果如图6所示，测量环境条件为：温度21 ℃，湿度30%HR，大气压99 kPa。被测气体压力为0.1 MPa。

图6 SO2和CF4 2种气体光谱曲线Fig. 6 Gas spectral curves of SO2 and CF4

可见，SO2气体分别在1 380 cm-1、1 170 cm-1、1 080 cm-1、990 cm-1、920 cm-1、800 cm-1等处有吸收峰；CF4气体分别在1 290 cm-1、1 108 cm-1、1 000 cm-1、930 cm-1、870 cm-1、780 cm-1等处有吸收峰。由于本系统中使用的气池长度比较短（10 cm），所以分辨率比较低。通过采用信噪比计算法，分别计算出2种气体吸收曲线的噪声均方差σ，σ（SO2）=0.003 89，σ（CF4）=0.009 23，两种气体的最大吸收峰值分别为0.051 3和0.070 6，因此，其信噪比分别为：SNR（SO2）=0.051 3/0.003 89=13.19，SNR（CF4）=0.070 6/0.009 23=7.65。然后将2种气体的浓度相比，即可得出仪器对2种气体的检出限分别为：φ（SO2）=3 000×10-6/13.19=227.45×10-6；φ（CF4）500×10-6/7.65=65.36×10-6。

5 分析与结论

本文设计并开发了一种基于光栅分光原理的SF6气体分解物检测的红外光谱仪，仪器结构紧凑，操作方便，适合于SF6设备在线检测。但是，由于仪器中选用的气池为单光程结构，光程短，检测精度低，目前能达到的检出精度为几十到几百ppm（1 ppm=10-6）。通过增加气池光程长度，可以使仪器检测精度大大提高。SF6分解物均有多个吸收峰，而且有些气体的吸收峰会发生重叠，所以，要准确判定混合气体中气体成分，需要将多个峰值位置进行考虑。

为了扩大光谱仪的检测波长范围，可以采用双光束结构，可将工作波长范围扩展为2～25 μm。而且在光路中增加参考光路，可以有效消除光源不稳定带来的误差。

作为现场在线式仪器，还需要考虑仪器在现场的绝缘措施，避免高电压对仪器的影响。另外，SF6设备中气室的压力比较大，需要通过减压机构使进入气池的气体压力不要过大，同时要考虑气路的密封和气体回收处理。

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