基于中红外TDLAS的SF6、H2S背景下SO2浓度检测

程 绳 王身丽 董晓虎 罗 浪 王勇杰 时伟君 林 磊

（国网湖北省电力有限公司检修公司，武汉 430051）

SF6电气设备具有检修周期长、运行可靠、占地面积与空间体积小等优点，使其在电力工业中占据重要地位。在现代电力系统中具有广泛的应用[1,2]。SF6电气设备的绝缘与灭弧性能主要源于其内部充入的SF6气体，SF6是现今电力工业使用最为广泛的绝缘气体，其具有优异的绝缘与灭弧性能[3]。但SF6电气设备内部出现绝缘缺陷时，绝缘缺陷导致设备内部电场发生变化，导致设备发生局部放电、过热及电弧等现象[4]。这些现象会导致设备内部SF6发生分解生成低氟化合物，这些低氟化合物与设备内部的H2O与O2反应，生成SO2等SF6分解组分[5,6]，这些分解组分在绝缘与灭弧性能方面低于SF6导致设备绝缘性能下降。因此，针对SF6分解组分SO2的有效检测，可有效了解SF6电气设备内部SF6的分解情况，对SF6设备的内部情况评估具有重要意义。

针对SO2检测方面，目前主流的检测方法有化学检测与光学检测两种检测方法。在这之中，化学检测法主要有检测管法、气相色谱法[7-13]等。这些方法能对SO2气体进行有效的检测，但检测时间长，对待测样品可能造成损伤，不适用于现场检测。光学检测法主要有傅里叶红外光谱法、可调谐激光光谱法等。傅里叶红外光谱法可对多种SF6分解组分进行检测，但易受到组分间的交叉背景。近年来可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）的发展使得在SO2气体检测方面具有更多方法。可调谐二极管激光吸收光谱技术属于痕量气体分析检测方法，通过改变注入的电流和温度来调控可调谐半导体激光器的线宽和波长，针对检测气体的特定波段范围进行精确扫描，可对测量气体分子之间难以分辨的吸收线进行有效检测，检测后信号通过朗伯比尔定律可计算出待测气体浓度[14-17]。与其他气体检测方法相比，光学法中的TDLAS技术精度高、响应时间短、灵敏度高、选择性强等优点，在现场气体检测中具有较好前景[18-21]。目前，TDLAS在痕量气体检测方面具有较多的研究与应用。赵成龙等人采用TDLAS技术在2004nm波段对CO2进行检测，检测下限达到214.28ppmv[22]。王彪等人采用TDLAS技术并结合VCSEL光源对H2S进行检测，检测下限达到9g/m3[23]。高彦伟等人使用TDLAS技术在1.28μm处对HF进行检测，系统极限达到1.12ppm-m[24]。曲世敏等人在1332.8cm-1波段对CH4进行检测，最低检测下限达到40×10-9[25]。TDLAS技术进行痕量气体检测在电力及其他领域均有相应的研究，但在电力领域方面，所进行检测气体研究的背景为N2等气体，在SF6背景以及分解组分背景下的检测研究较少。而在现场环境下，SF6电气设备充有大量的SF6气体，在SF6背景下对SO2进行检测更加符合现场实际检测情况。

针对SF6背景以及分解组分背景下的检测SO2，本工作对SF6设备内部发生SF6分解时设备内部的环境情况，开展了SF6与H2S背景下SO2检测研究，选择受影响较少的1300～1400cm-1波段作为SO2检测波段，搭建了基于TDLAS技术的SF6、H2S背景平台，模拟SF6设备内部情况，在SF6、H2S背景下对不同浓度SO2气体进行检测，研究TDLAS技术在SF6、H2S背景下对SO2气体的检测能力。

1 检测原理

1.1 SO2、SF6、H2S光谱研究

当SF6设备内SF6发生分解时，设备内部会含有多种SF6分解产物以及设备内部填充的SF6气体。为对设备内部SO2进行有效检测，本研究采用NIST光谱图库[26]对SF6、SO2、H2S的红外光谱进行分析，各气体光谱如图1所示。

图1 SF6各分解组分在500～1700cm-1红外光谱图

由图1可以看到，在500～1700cm-1波段范围内H2S基本无吸收，SF6在此范围内具有一个吸收峰其位于600cm-1附近，CO2在600～750cm-1波段内有吸收峰，CF4在1200～1300cm-1波段范围内有吸收峰，SO2F2在500～600cm-1、800～900cm-1、1220～1300cm-1、1450～1550cm-1波段处有吸收峰。SO2在此范围内具有3个吸收峰，位于500～600cm-1、1100～1200cm-1以及1300～1400cm-1波段。对比分析6种气体的光谱，H2S在此波段虽有吸收峰但其吸光度小于SO2的吸光度。SO2在1100～1200cm-1以及1300～1400cm-1波段距SF6的吸收峰较远，影响较小。CO2、CF4、SO2F2在此波段无吸收峰。基于上述分析，可在1100～1200cm-1以及1300～1400cm-1波段对SO2进行检测，可有效避免SF6与H2S的干扰。但由于高浓度SF6会导致光谱饱和影响其他气体的光谱，因此还需要通过实验对SF6背景下的SO2进行检测研究。

1.2 TDLAS-WMS原理

激光器输出激光的中心频率vc受到频率为ω的余弦波调制信号调制时，其瞬时频率可以表示为[27,28]

式中：vf为波长调制系数。激光通过待测气体时受比尔朗伯定律与洛伦兹线型的影响其光强可以用I(v,t)表示

式中：a0为纯气体在吸收线中心的吸收截面，vc为中心吸收峰，Δv为吸收线半高全宽。当激光光源输出中心波长在气体吸收峰处时，v0=vc。将其傅里叶展开可以得到二次谐波项：

由此可以得到与气体浓度C相关的二次谐波I2f。

2 实验平台

本研究搭建了基于TDLAS技术的SF6、H2S实验平台，实验平台主要由SO2检测系统、配气装置、尾气处理装置组成。实验平台结构如图2所示。

图2 基于TDLAS技术的SF6、H2S实验平台

SO2检测系统由激光器、激光器驱动、TDLAS控制器、计算机、光电探测器、气体池组成。SO2激光器采用日本滨松公司的L12007-1354H-C量子级联激光器。气体池采用Herriot式结构，总光程长为15m。激光器驱动用以控制激光器输出温度与驱动电流，调节激光器的输出波长。TDLAS控制器用以处理由计算机输入的控制指令，处理并转换为相应信号传输至激光器驱动，同时将光电探测器所检测到的信号进行采集处理传送至计算机。采用TDLAS技术并结合波长调制技术提高对SO2的检测能力。SO2的检测波段选择为1300～1400cm-1波段，此波段SO2具有较高的吸收强度。实验气体采用纽瑞德公司生产SO2、SF6、H2S标准气体。配气系统采用质量流量配气仪具有较高的配制精度。He气体作为实验前与实验后清洗气体池的气体。

3 实验结果分析

3.1 SF6背景下的研究

在1.1节中针对SO2、SF6进行了分析，在1300～1400cm-1SO2的检测受SF6影响较小，为验证SF6对于检测的影响，本节对SF6背景影响进行实验研究。

实验以47.5μL/L的SO2作为标准气体，采用纯SF6气体作为载气，配制浓度为20、15、10、5、1μL/L的SO2实验气体进行检测研究。实验气体检测过程中保持流速为500mL/min的恒定流速通入气体池中，采集光强信号并提取二次谐波信号，每个浓度SO2的二次谐波峰值采集1000个数据并取平均值作为该浓度的二次谐波峰值，各浓度SO2二次谐波峰值如表1所示。

表1 纯SF6背景下不同浓度SO2对应二次谐波峰值测量平均值

根据表1数据，对纯SF6背景下不同浓度SO2二次谐波峰值平均值进行曲线拟合，拟合结果如图3所示。拟合曲线表达式为：

图3 SF6背景下不同浓度SO2对应二次谐波峰值平均值对应关系

可以看到在纯SF6背景SO2浓度与二次谐波峰值平均值具有较好的线性关系，拟合优度达到R2=0.997。

由表1数据对SO2气体的二次谐波峰值平均值带入的拟合关系式进行计算，得到在SF6背景下不同浓度SO2浓度拟合值反演结果，反演结果如表2所示。

表2 纯SF6背景下不同浓度SO2误差分析

由表2可以看出，纯SF6背景下，浓度为1.15、5.10、10.06、15.01、19.95μL/L的SO2实验气体其实际值与拟合曲线拟合所得到的SO2测量值的误差最大为0.653μL/L。由上述实验可以得到在SF6背景下TDLAS检测装置可以对SO2进行有效检测。

3.2 H2S背景下的研究

在《国家电网公司变电检测管理规定》中，针对SF6气体成分H2S与SO2的含量进行了明确的规定，规定细则如表3所示。

表3 SF6气体分解组分含量标准

由规定所示，正常运行SF6电气设备中SO2与H2S含量应小于1μL/L。为更好的分析在含有H2S的情况下，SO2的检测效果，本研究采用5、25、50μL/L 3个浓度梯度的H2S作为背景源对20、15、10、5、1μL/L的SO2实验气体进行检测，检测结果如表4。

续表4

表4 5、25、50µL/L H2S背景下不同浓度SO2对应二次谐波峰值平均值

根据表4数据，不同浓度H2S背景下，各浓度SO2与二次谐波峰值平均值的差异较小。对不同浓度H2S背景下各浓度SO2二次谐波峰值平均值进行曲线拟合，拟合结果如图4所示。可以看到在H2S背景SO2浓度与二次谐波峰值平均值具有较好的线性关系，拟合优度达到R2=0.997、0.996、0.995。

图4 5、25、50µL/L H2S背景下不同浓度SO2对应二次谐波峰值平均值对应关系

表4数据对SO2气体的二次谐波峰值平均值带入式（4）线性关系式进行计算，得到在H2S背景下不同浓度SO2反演结果，反演结果如图4所示。

由表5可以看出，在5μL/L、25μL/L、50μL/L H2S背景下，1、5、10、15、20μL/L SO2实验气体其测量值与拟合曲线拟合所得到的SO2测量值的误差均不超过1.5μL/L，其中5μL/L、25μL/L、50μL/L H2S背景下最大误差分别为0.724μL/L、0.821μL/L、1.225μL/L。在不同浓度H2S背景下，实验平台仍能对对SO2进行有效的检测。

表5 5µL/L、25µL/L、50µL/L H2S背景下不同浓度SO2误差分析

本检测平台与检测方法在纯SF6以及H2S背景下对SO2进行有效的检测，可用于对SF6气体绝缘设备的SO2检测应用的技术参考与支持。

4 结论

搭建了基于TDLAS的SF6、H2S背景下的实验平台，对不同浓度SO2气体进行检测。采用纯SF6与5、25、50μL/L H2S作为背景对不同浓度SO2进行检测研究，得到以下结论。

1）通过NIST红外数据库在500～1700cm-1波段范围内对SO2、SF6、H2S的红外光谱进行分析，在1300～1400cm-1波段内SO2具有较高的红外吸收峰并在此范围内受SF6、H2S影响较少，可在此波段对SO2进行检测研究。

2）在SF6背景下的研究中，采用纯SF6作为背景源对1.15、5.10、10.06、15.01、19.95μL/L的SO2实验气体进行检测研究。实测SO2配气仪标称值和与拟合曲线拟合所得到的SO2测量值的误差均小于1μL/L，最大误差为0.653μL/L。

3）在H2S背景下的研究中，采用5、25、50μL/L H2S作为背景源对1.13、5.09、10.06、15.01、19.97μL/L的SO2实验气体进行检测研究。5、25、50μL/L H2S背景下，SO2配气仪标称值与拟合曲线拟合所得到的SO2测量值的误差均不超过1.5μL/L，其中5μL/L、25μL/L、50μL/LH2S背景下最大误差分别为0.724μL/L、0.821μL/L、1.225μL/L。