基于激光吸收光谱的SF6/N2混合气分解产物同时检测

张 爽，江 翼，姜 萌，张 静，黄勤清，杨 旭，周 文

(1.武汉船舶职业技术学院电气与电子工程学院，湖北武汉 430050；2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北武汉 430074；3.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 100854)

0 引言

SF6气体具备出色的绝缘和灭弧性能，已广泛应用于SF6气体绝缘组合电器、断路器、变压器等电力设备中。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，生成HF、SO2、H2S和CO等典型产物。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。

SF6分解产物检测方法[1-2]如检测管法、气相色谱法、质谱法以及电化学法等存在信号交叉干扰、检测精度不高、难以实现在线监测的缺点，因此近来年出现了多种光学的检测方法。

张潮海等[3]针对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，设计了基于CRDS技术的SF6电气设备分解产物在线监测系统，分析了系统设计中的关键技术，包括光腔匹配技术和抗干扰技术，以提高检测精确度和可靠性。

光声光谱技术也被应用于实现多组分SF6分解产物检测[4]，采用中红外宽谱光源配合窄带滤波片方式。但SOF2、SO2、CF4、S2F10、H2O和H2S等气体在中红外区域7.6～7.9 μm光谱存在交叉干扰，以SF6作为高浓度背景气体时，受到滤波片参数限制，难以实现准确测量。近年来也有研究机构采用近红外或者中红外的半导体激光器通过EDFA放大光功率从而提高光声信号强度的方式，实现对SF6分解气中单组分的检测[5]。

本文采用可调谐激光吸收光谱的方式实现分解气检测[6-7]。主要解决CO以及H2两种气体的吸收线强较弱的问题。根据以往研究可知，可调谐激光吸收光谱TDLAS检测技术，无法通过提高激光器功率来提高灵敏度，过高的光信号和电信号强度会造成检测电路信号饱和。只能通过提高吸收光程来增强吸收，从而增大谐波信号强度。本系统采用3种近红外波段的半导体激光器，通过分时复用的技术，实现对3种气体组分(H2S、CO和HF)的同时测量，实现高灵敏度检测，检测精度满足国家电网的应用需求。

本文提出采用3个单独的探测放大电路模块，针对不同吸收线强气体，通过不同跨阻来设置放大倍数，以提高信号强度。其中CO的放大倍数最大，而HF的放大倍数最小。其次，H2S对光的散射系数较强，长光程吸收气室充入硫化氢气体时光束偏离导致信号幅度降低，因此本系统采用3米光程气室来实现3种气体组分的同时测量。

1 系统搭建

通过HITRAN数据库，得到HF、CO和H2S3种气体的特征吸收峰谱线，分别选择HF气体的吸收峰1 273.97 nm，吸收线强为10-20cm·mol-1，CO选择1 568 nm，吸收线强为10-23cm·mol-1，H2S为1 578.13 nm，线强为10-22cm·mol-1量级。采用Thorlabs OSA203光谱分析仪。3个激光器经过光开关存在光功率损耗，经过通道切换的激光器光谱和光功率如图1所示，其中H2S(1 578 nm)的输出光功率最弱-3.3 dBm，CO激光器和HF激光器的光功率基本相同，进入到气室的光功率为0 dBm左右，也就是1 mW，波长经过光谱仪测量与设置的工作波长一致。

(a)CO 1 568 nm

针对上述3种待测气体，系统分别采用3个DFB半导体激光器针对3种待测气体H2S、CO和HF的特征吸收峰实现对浓度的检测，同时集成多参量变送器，实现对多组分气体浓度和温度、压强、微水等参量的同时监测。

基于激光吸收光谱的多组分气体检测，系统示意图如图2所示，SF6及其分解气组分经过多参量变送器、减压阀减压之后进入到吸收气室中。吸收气室中的气体在一个检测流程完毕后，经过加压泵送回到隔离开关设备中，完成一次闭式循环取气检测。3个激光器输出波长针对3种待测气体特征吸收峰，激光器发出的光经过信号发生器产生的调制信号的调制进入到光开关中，光开关的具体选通通道由总调度板控制。光开关将选通的光路接入气室，气室将经过吸收后的光信号输出给探测器，探测器将接收含气体信息的光信号转换成电信号，经过锁相电路分别实现浓度检测。计算出的浓度传输给总调度板，总调度板将数据进一步打包处理上传给上位机显示输出。

图2 基于激光吸收光谱的多组分气体检测系统

工作时总调度板设定好3套激光器的光路通道选择顺序，让代表HF、H2S和CO的3种气体的激光依次通过光开关，激光通过光开关后进入气室被探测器接收，探测器的放大电路根据3种待测气体的不同吸收系数，设置的放大倍数不同。这样探测器会依次接收到3种调制信号的光信号。由于光信号是同时被3块锁相板采集的，因此需要总调度板采集与光开关同步开启的通道串口信息，另外2个关闭的锁相板送来的串口数据不予接收。通过3个串口依次接收到3种气体的浓度信息并存储打包，以固定格式发送给上位机，上位机接收到串口数据根据协议解调数据就能够得到3种气体的实时浓度值。采用MEMS光开关(1×4 )，通光范围满足1 200～1 700 nm，切换频率设置为0.5 s，切换通道延时0.5 s，系统刷新时间为3 s。三通道的气体检测样机实物如图3所示。采用光开光和耦合器分别实现对三路光和探测器信号的分时复用测量，三套解调电路控制3个激光器，共用一个3 m气室。通过串口向检测端发送浓度数据，其余参量由多参量变送器(维萨拉DPT145)通过RS485发送(微水、SF6纯度和温度压力等)。

图3 三组分同时测量样机实物

2 实验结果分析

吸收气室分别充入不同浓度的标准物质，其中H2S和CO分别为H2S/SF6混合气，CO/SF6混合气，而HF气体与SF6存在反应，因此配比标准物质采用HF/N2混合气(二级标准物)。实验得到HF、CO和H2S3气体的不同浓度下二次谐波曲线如图4所示，根据波峰波谷差值来标定气体浓度。图4中，1 ppm=10-6。

(a)HF二次谐波曲线(0 ppm、10 ppm、50 ppm和100 ppm浓度)

图4中横坐标为一个锯齿波调制范围内的信号采集点数。可以看出，同样100 ppm的气体，HF的二次谐波曲线峰值最高，为18 000 mV，而CO和H2S的二次谐波信号幅度较低，分别为800 mV和600 mV，差了2个数量级，而且硫化氢信号的基线波动较大。这是因为所选上述3种气体的特征峰吸收系数不同导致。

研制的SF6/N2混合气分解气组分多参量综合检测系统样机的各个参量的显示界面如图5所示。

图5 SF6/N2混合气分解气组分多参量综合检测

经过测试得到的3种气体的检测限按照，按照国标规定，输出波动为输入量和影响量不变情况下，输出峰峰值的偏差的2倍为检测限，可以得到该系统的检测限为CO 10 ppm，H2S 4 ppm，HF 1 ppm。浓度值随时间变化的曲线如图6所示。

图6 SF6/N2混合气分解气组分测试数据

3 结论

本系统基于可调谐激光吸收光谱技术，采用时分复用的方案实现对SF6/N2混合气中SF6分解气组分的在线检测。通过光开关的切换实现3通道测量控制，针对CO和H2S两种吸收谱线较弱的气体，设计单独的放大电路提高信噪比，从而实现CO、H2S和HF的检测限分别为10 ppm、4 ppm和1 ppm，每通道刷新时间为3 s，可以满足国家电网对GIS设备故障预警的要求。