SF6分解气的近红外在线检测技术研究

赵 坤，姜 萌，李 磐，张潮海，李梦齐

（1．国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉430074；2．北京航天控制仪器研究所北京市光纤传感系统工程技术研究中心，北京100094）

SF6分解气的近红外在线检测技术研究

赵 坤1，姜 萌2，李 磐2，张潮海1，李梦齐1

（1．国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉430074；2．北京航天控制仪器研究所北京市光纤传感系统工程技术研究中心，北京100094）

为满足SF6绝缘电气设备故障监测与预警的实际需求，分析了国内分解气检测研究现状。对比近红外与中红外吸收光谱检测技术，提出近红外吸收光谱技术在线检测的技术方案。计算分析待测气体特征谱线的吸收系数、吸收光程和电路信噪比对精度的影响，完成系统参数设计。提出SF6分解气在线检测系统方案，实现对H2S、HF和CO这3种气体测量。数据分析表明，系统检测精度优于5×10-7，表明该系统满足电力行业在线测量的需求。

SF6分解气；红外吸收光谱；检测精度

0 引言

SF6电气设备（气体绝缘组合电器GIS、气体绝缘变压器GIT、长距离气体绝缘管线GIL、气体绝缘断路器GCB、电缆GIC等）因其良好的绝缘、灭弧介质特性，并且具有占地面积小、运行安全可靠、检修周期长等突出优势而广泛应用于输配电设备领域，工作电压覆盖35kV～1200kV的所有等级。目前SF6电气设备已经占有绝对优势，并且还有扩大应用范围的趋势。SF6电气设备是电力系统的基本组成元件，其工作状况直接关系到电力系统的安全经济运行。

作为电能输送枢纽的SF6电气设备中流过的电流往往高达数千安培，当如此高的电流流过接触电阻过大处时，会产生不正常发热，引发设备产生局部故障。SF6电气设备内部出现早期潜伏性绝缘故障时，常伴随不同形式和强度的电位差或者局部过热等物理现象。进而使SF6发生不同程度的分解，产生多种分解产物。因此，基于SF6气体分解产物的在线监测可以为气体绝缘电气设备故障诊断和预警提供手段，成为当前研究热点。

本文采用一种近红外吸收光谱的SF6分解气检测技术，同时对H2S、HF和CO这3种气体进行检测，提供高精度测量关键技术和解决方案，可对SF6设备进行在线检测，实时监测设备运行过程中气体成分的变化，提供故障信息，并可对故障进行预报警。

1 SF6分解产物检测现状分析

SF6在放电条件可能分解或与其他物质反应产物有SOF4、SO2F2、SOF2、SO2、CF4、HF、H2S、S2F10、CO、CO2、CS2等十几种［1］。近年来，国内多家研究机构尝试通过SF6热分解模拟试验等方式，获得SF6在不同故障温度下分解产物组分和规律［2］。也有通过它统计获得不同故障情况下出现分解特征气体的概率，以此建立各故障模式下的分解特征气体参考范围，建立分解产物与设备故障的对应关系，为运行开关设备内部故障类型判断提供依据。

目前，国内针对SF6混合气体的故障特性研究已经开始逐步开展，但是国内尚处在用分析仪器的实验室研究阶段，针对分解产物在线监测技术研究较少［3-5］。SF6分解产物在绝缘电气中含量较低，缺乏一种高灵敏度、快速响应的多种分解组分浓度在线检测技术。

当前，SF6分解气组分在线检测技术分为中红外和近红外波段。中红外是气体分子谱的基频“指纹区”，吸收强烈，容易实现高浓度检测。但主要存在2个关键问题：首先，SOF2、SO2、CF4、S2F10和SF6等气体在中红外区域7．6μm～7．9μm光谱交叉干扰，以SF6作为高浓度背景气体时，采用中红外宽谱光源配合窄带滤波片方式，受到滤波片参数限制，难以实现准确测量；其次，采用中红外量子级联激光器作为光源，精确对准气体分子谱振转能级在中红外区域的基频特征谱线，实现对多种气体组分的高精度测量，但缺点是中红外量子级联激光器价格昂贵。

近红外光谱区域为分子振/转能级的泛频带，吸收弱于中红外区域，张潮海等［6］提出了基于光腔衰荡光谱（Cavity Ring-down Spectroscopy，CRDS）的SF6电气设备分解产物检测技术。激光腔衰荡光谱技术核心是高精细吸收腔加工技术，这需要依托于高精细腔镜加工组装平台和设计能力。CRDS技术近期在国内随着激光陀螺惯性导航技术的发展而具有可靠的技术、设备、工艺的保障，采用长吸收光程的近红外分解组分在线检测技术逐渐走向成熟。

2 提高检测精度关键技术

SF6电气设备在局部放电发生时，产生对故障类型判断有价值的SF6分解产物H2S、CO、HF在近红外有较强吸收谱线。吸收谱线的选择影响系统的激光器波长、检测精度等。

输出光强I与输入光强I0之间满足Beer-Lambert定律：

其中，α（υ）为气体在频率υ处的吸收系数，单位为cm-1/atm（1atm＝101．325kPa），P为压强，单位为atm；C为吸收气体的体积浓度百分比；L为总的气体吸收光程，单位为cm。最终经过吸收后探测器得到的信号为：

从式（2）可以看出，探测器获得的信号S与气体浓度C、吸收光程L以及吸收系数α成正比，意味着提高检测精度需要从光路上选择吸收系数强的谱线，提高吸收光程，提升电路信噪比等。

2.1 吸收谱线选择

查询HITRAN数据库，绘制H2S、CO、HF光谱曲线如图1所示。可以看出3种气体在近红外区域存在较强特征吸收峰，从中选择吸收线强度最强、与其他气体无交叉的谱线。

图1 3种待测气体红外吸收谱图Fig.1 Absorption spectra of CO，H2S and HF

根据HITRAN数据库中数据选择谱线，获得特征组分线强、特征波长、谱线自身加宽系数，对3种待测气体的谱线参数总结如表1所示。

表1 SF6分解气体特征组分红外吸收谱线Table 1 Feature absorption line of SF6decomposition

从表1中可以看出，在近红外波段是各种气体分子的泛频吸收带，因此吸收强度S都比较微弱，根据表1数据计算吸收系数α：

N为单位压强、单位体积内的气体分子密度，单位为mol·cm-3/atm。常温300K时，N＝2．438× 1019mol·cm-3/atm；S为谱线强度，单位为cm-2/（mol·cm-1），吸收线的半高半宽γ为：

其中，γself和Pself是自展宽系数与压强，γijPij是空气展宽系数与压强。将表1数据带入式（2）可以推导得到3种气体的吸收系数，CO为0．00134cm-1，H2S为0．00434cm-1，HF为0．636cm-1。可以看出CO气体吸收系数最弱，同样吸收光程和浓度下，可实现CO检测精度最差。

2.2 弱信号检测

提高系统检测精度，除上述谱线选择，选择较大吸收系数谱线外，还需要提升系统弱信号检测能力，即提高锁相检测电路的增益带宽和信噪比。

锁相检测利用待测信号和参考信号的互相关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效地抑制噪声，实现对信号幅度的检测和提取。采用FPGA自己产生的数字信号，提供给锁相的参考端，提供两通道的数字锁相输出，输出信号为一次谐波信号和二次谐波信号。具体如图2所示。

系统采用FPGA产生正弦、余弦、锯齿和直流偏置信号并叠加，通过差分DA芯片输出。将上述调制信号加载在激光器获得调制的波长输出，经过气体吸收后的光信号通过探测信号转换成电信号。首先将电信号经过带通滤波器处理，以取出窄带宽内的微弱信号。再将信号通过AD进入FPGA进行数字锁相计算，该数字锁相的低通滤波器的带宽为系统的解调带宽，该滤波器的带外抑制能力决定了系统对抗带外干扰的能力，所以该数字滤波器的性能对系统极为关键。为了在FPGA中实现最终的设计要求，本系统设计了2个FIR低通滤波器级联进行级联。第一级滤波器的信号输入频率和ADC采样率一致，第二级滤波器的输入频率是ADC采样率分频的结果。

图2 数字锁相检测示意图Fig.2 Schematic of lock in amplifier

表2 锁相滤波滚降时间与时间常数关系Table 2 Relationship between slope of lock in and time constant

2.3 系统参数设计

上述研究表明，为提高检测精度，需选择强吸收系数谱线，增加吸收腔长，并且延长电路系统积分时间，增加时间常数。因此，为满足DL/T596-1996《电力设备预防性试验规程》中对3种气体检测精度（1σ）±5×10-7的要求，设计系统吸收光程长度≥400m。通过提高系统锁相积分时间从30ms～100ms，可提高精度，并降低对长腔的依赖。

因此设计系统吸收腔长大于40m，腔镜反射率覆盖1300nm～1600nm，锁相积分时间100ms。

3 基于红外光谱吸收的SF6分解在线检测系统

系统原理是基于长光程吸收的激光吸收光谱检测技术，通过波长调制获得谐波信号来实现气体浓度检测。3个不同波长的激光器，发出与HF、H2S和CO这3种气体特征吸收谱对应的波长，进行吸收检测。激光输出线宽4MHz远小于被测气体单吸收谱线宽度，从根本上避免了气体交叉干扰的问题。

SF6气体分解气检测模块整个系统的组成如图3所示。

系统由3个激光器与驱动模块、3个正交矢量锁相检测模块、长光程精细光学腔、二次电源、浓度反演ARM单元等5部分组成。其中，正交矢量锁相检测模块包括：FPGA控制电路、DDS输出放大、高速DAC实现正弦锯齿与直流偏置的叠加、前置放大电路、带通滤波器、AD等6部分组成。

图3 SF6分解气检测系统组成示意图Fig.3 Schematic of SF6decomposition detection system

FPGA发出波长调制信号，将叠加了高频正弦信号的锯齿波加到激光电流上，控制激光器波长输出。激光光束经过气体吸收后进入探测器，探测器实现光电转换，输出的电信号被正弦信号的倍频信号相敏相乘，通过锁相检测就得到与气体浓度相关的谐波信号。

4 测试结果分析

在室温和常压下，对2×10-5浓度的H2S、CO和HF这3种待测气进行浓度检测，获得二次谐波幅值信号随时间变化数据，如图4所示。

可以看出，经过长时间测试（＞40min），反演气体浓度均值约为2×10-5。同时数据结果显示，系统能够达到的检测精度（1σ）为≤5×10-7，2σ≤1×10-6。满足DL/T596-1996《电力设备预防性试验规程》中对3种气体检测精度（1σ）±5×10-7的要求。

图4 分解气组分（H2S、HF、CO）浓度检测结果Fig.4 Experiment results of H2S，HF and CO detection

5 结论

本文提出一种对SF6分解气体组分监测的方案。针对H2S、HF、CO这3种气体，分析并计算其近红外光谱的吸收系数，推算采用近红外波长激光器实现气体的检测精度。对于吸收系数较弱的CO气体，采用延长锁相积分时间实现对3种气体的高灵敏度测量，测量精度满足为5×10-7。

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Research on On-line Infrared Spectrometer Measurement for SF6Decomposition Gases

ZHAO Kun1，JIANG Meng2，LI Pan2，ZHANG Chao-hai1，LI Meng-qi1
（1．State Gird Electric Power Research Institute，Wuhan NARI limited liability Company，Wuhan 430074；2．Beijing Optical Fiber Sensing System Engineering Technology Research Center，Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100094）

To meet the actual needs of early warning and monitoring of SF6gas insulated electric equipment，the current research development of domestic decomposition gas measurement was analyzed．Also the near infrared and mid infrared absorption spectroscopy technique were compared in this paper．The technique scheme of online detection in near infrared is presented．The absorption coefficient，the absorption path and signal-to-noise ratio SNR of the feature lines of the gas to be measured are calculated and analyzed，and the key parameters are designed．An SF6decomposition gases on-line detection scheme was proposed to measure the three gases of hydrogen sulfide，hydrogen fluoride and carbon monoxide．The experimental data show that the system detection accuracy is better than 5×10-7，indication that the system meets the power industry testing needs．

SF6decomposition gas；infrared absorption spectroscopy；detection limit

TN2

A

1674-5558（2017）05-01405

10．3969/j．issn．1674-5558．2017．03．015

赵坤，男，博士，工程师，研究方向为高压电器设备绝缘检测与评估诊断。

2017-05-08

国家电网公司科技项目（编号：524625160030）