一种检测SF6混合气体成分的装置及方法与流程

本发明涉及混合气体成分检测
技术领域：
，尤其涉及一种检测sf6混合气体成分的装置及方法。
背景技术：
：sf6混合气体相对于纯sf6能有效减少电气开关设备中sf6气体的温室效应作用，并能较好的克服外界环境温度过低造成纯sf6气体液化的缺陷，可有效作为纯sf6替代气体在电气开关中的使用。但混合气体工作气压为0.6mpa～0.7mpa，在设备长时间运行过程中会存在泄露及成份发生变化等缺陷，对电气设备绝缘强度造成极大影响，由于气体成份的变化造成各混合气体填充比例难以确定，需对混合气体的成份进行鉴定。目前对sf6混合气体纯度检测的方法主要有微型热导池及红外线吸收法。热导池检测器的检测原理是基于不同组分与载气之间有不同的热导系数，热导池检测工作时，接通载气并保持池体恒温，此时流经的载气成份和流量都是稳定的。流经热敏元件电流也是稳定的，由热敏元件组成的电桥处于平衡状态。当经色谱柱分离后的组份被载气带入热导池中由于组份和载气的热传导率不同，因而使热敏元件温度发生变化，并导致电阻发生变化，从而导致电桥不平衡，输出电压信号，此信号的大小与被测组份的浓度成函数关系，再由记录仪或色谱数据处理机进行换算从而得到气体的组分。微型热导池具有较高的测量精度，但易受环境温度的影响，即使增加了温度补偿，使用一段时间后也会出现零点漂移现象。红外线吸收法原理是根据不同组分气体对不同波长的红外线具有选择性吸收的特性而工作的分析仪表。测量这种吸收光谱可判别出气体的种类，测量吸收强度可确定被测气体的浓度。超声波法具有较好的稳定性，但测量精度低。技术实现要素：针对现有技术的缺陷，本发明提供一种检测sf6混合气体成分的装置及方法，将待测混合气体充入测量罐中，通过高压直流电击穿气体，采用光谱检测系统测量sf6混合气体放电等离子体光谱特性，来检测sf6气体成分。检测时所需待测气体样品量小，并且装置的操作简便，对后期数据的处理过程所需时间较短，对设备的正常工作几乎没有影响，能对长期运行的高压产品中的sf6混合气体电介质成分变化进行检测。一方面，本发明提供一种检测sf6混合气体成分的装置，包括高压直流电源、待检测气体测量罐和光谱检测系统；所述高压直流电源包括工频调压器、工频试验变压器、两个限流电阻、高压硅堆和高压电容器；所述工频调压器与工频试验变压器相连后与第一限流电阻、高压硅堆、高压电容器串联，经整流电路设计为电压为0～100kv的可调高压直流电源，待测气体测量罐与第二限流电阻串联后再并联在高压电容器的两端，组成气体击穿回路；所述待检测气体测量罐作为采样容器，与高压直流电源连接构成气体击穿回路，包括高纯硅玻璃罐壁、两个相对的铝平板电极和上下密封盖；所述两个相对的铝平板电极密封于所述高纯硅玻璃罐壁内部，并分别通过设有调距旋钮的金属螺杆固定于上下密封盖上，金属螺杆作为待检测气体测量罐与高压直流电源的连接端；两个铝平板电极之间设有一定间隙，设有调距旋钮的金属螺杆用于调节两个铝平板电极间的间隙大小；下密封盖上设有连接气管的通气口，通气口用来作为抽真空连接口，经过抽真空处理后作为待测气体进气口；所述气管上设有气压表和阀门，用于待检测气体测量罐内混合气体的气压调节，提取待测气体时需对气体通道进行抽真空处理；所述光谱检测系统与气体击穿回路相独立设置，包括光触发装置、光纤光谱仪和上位机，所述光触发装置连接光纤光谱仪的输入端，光纤光谱仪的输出端连接上位机，将测得的光谱特性信息传输给上位机；检测时，光纤光谱仪的光纤探头上的光接收口对准待检测气体测量罐中两个铝平板电极的间隙，两者处于同一水平线上；所述上位机用于根据光谱特性计算气体放电过程中的电子数密度和电子温度，结合光谱特性信息对待测气体成分比例进行综合分析。进一步地，所述光谱检测系统中光纤光谱仪和上位机要进行如下的抗干扰处理：对光纤光谱仪除导线外的其他部位用金属材质材料进行包裹，对上位机除显示屏和电源线的其他部位进行相同处理。进一步地，在气体击穿放电时，光纤探头通过直线光纤与光纤光谱仪相连，光纤探头与光纤光谱仪之间的直线距离为6m～10m，即光纤通道为6m～10m；根据测量罐中气体放电的实际情况，人为调整光纤探头上的光接收口与待检测气体测量罐中两个铝平板电极的间隙的距离，以保证光纤光谱仪能采集到有效光谱信息。另一方面，本发明还提供一种采用上述的装置进行检测sf6混合气体成分的方法，包括以下步骤：步骤1：对待检测气体测量罐进行抽真空处理，将待检测气体充入待检测气体测量罐，通过待检测气体测量罐上的气压表读取提取的待检测气体气压，当气压达到预设压强值时停止充气；步骤2：根据待检测气体测量罐中铝平板电极间隙的位置安装光触发装置8和光纤光谱仪9的位置，并设置光谱采集参数，用于获得光谱分析的光谱特性信息；步骤3：在各个仪器正常工作后，调节工频调压器，均匀缓慢地增加待检测气体测量罐两端电压，直到待检测气体测量罐中气体击穿产生电弧；步骤4：当气体击穿出现电弧时，立即停止升压，将待检测气体测量罐两端电压降至为零，关闭高压直流电源；步骤5：光触发装置将光信号通过光纤光谱仪上传给上位机，自动采集含有光谱特性信息的光谱图像；步骤6：上位机提取光谱图像中铝原子相关谱线的光谱特性信息，并计算待测气体击穿时的电子数密度与电子温度，将光谱特性信息及得到的电子数密度与电子温度与已知的初始成分比例气体的对应参数进行对比，经过对上位机光谱图像、电子数密度与电子温度计算结果的综合分析后，确定待测气体混合比例。进一步地，步骤1中对待检测气体测量罐进行抽真空处理时，将输气装置、待检测气体测量罐及真空泵经密封连接好，打开待检测气体测量罐上的阀门，然后进行抽真空处理，当真空度达到20pa以下时，关闭阀门，停止抽真空处理；对经过抽真空处理的待检测气体测量罐充入待测气体时，重新打开待检测气体测量罐上的阀门和输气装置的阀门，向待检测气体测量罐充入待测气体。进一步地，步骤2中光触发装置安装前，需经过光纤激光校准，使光触发装置光的接收口、光纤探头的光纤通道口与待检测气体测量罐的铝平板电极间隙保持在同一水平线上，同时光触发装置与待检测气体测量罐保持40cm～60cm的距离。进一步地，步骤5中光谱图像的采集重复进行多次，直到出现不受电磁干扰的有效光谱图像；判断是否为不受电磁干扰的有效光谱图像的方法为：判断示踪原子相应谱线的光强幅值是否接近于零，若是，则光谱图受到电磁干扰，否则，若出现较高的幅值时，为有效的光谱图像；其中较高的幅值的标准为50个相对光强以上。进一步地，步骤6中计算待测气体击穿时的电子温度时，根据气体放电理论和原子发射光谱理论，采用多谱线斜率法计算电子温度，并选取铝原子为示踪原子，根据铝原子谱线进行电子温度的计算，具体方法为：根据公式(1)转化得到公式(2)；其中，i表示测得的铝原子等离子体辐射光强，n表示待测气体的分子总数，v表示铝原子谱线频率，g、a、g和e分别为铝原子核外电子相关谱线的统计权重、跃迁几率、配分函数和相应能级的激发能，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，te为等离子体中的电子温度；c为常数，选取多条铝原子核外电子相关谱线，并以ln(iλ/ga)值为纵坐标，以e为横坐标，将得到一系列离散的点，通过线性曲线拟合，得到曲线的斜率，即-1/kte，进而得到等离子体的电子温度te。进一步地，步骤6中计算待测气体击穿时的电子数密度时，根据受激原子核外电子跃迁测得的原子谱线展宽为相邻带电粒子对受激原子作用的结果，谱线的展宽是电子数密度的函数，如式(3)所示，采用平方stark展宽法求解该函数，并使用铝原子相关参数计算sf6气体放电时形成的等离子导电通道的电子数密度；其中，δλw为谱线峰值的半高宽度，即谱线半宽度；te为等离子体的电子温度，ω为铝原子电子碰撞半宽度(nm)，α为铝离子的离子展宽参数，ne为电子数密度；根据测到的电子温度和铝原子的谱线信息，采用stark展宽法得到电子数密度ne。由上述技术方案可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的一种检测sf6混合气体成分的装置及方法，将待测混合气体充入测量罐中，通过高压直流电击穿气体，采用光谱检测系统测量sf6混合气体放电等离子体光谱特性，来检测sf6气体成分。能对长期运行的高压产品中的sf6混合气体电介质成分变化进行检测，当气体成分发生较大变化时，可根据高电压绝缘专业知识对以混合气体充当绝缘介质的产品进行维护。同时本发明的装置操作简便，对从产品中提取的待检测气体量十分小，对待检测设备的运行几乎没有影响；对混合气体进行光谱测量及利用光谱信息进行相关参数的计算的处理过程所需时间较短，可在两小时内对混合气体成分的变化进行有效评估，有效的避免了对以混合气体为电介子的高电压产品在进行气体成份检测时对工程较长时间的影响。附图说明图1为本发明实施例提供的检测sf6混合气体成分的装置结构示意图；图2为本发明实施例提供的待检测气体测量罐的结构示意图；图3为本发明实施例提供的铝原子的stark展宽参数与电子温度的关系曲线图；其中，(a)为离子展宽参数与电子温度的关系曲线图；(b)为电子碰撞半宽度与电子温度的关系曲线图；图4为本发明实施例提供的0.1mpa时50％sf6/50％cf4混合气体击穿光谱图。图中：1、待检测气体测量罐；101、高纯硅玻璃罐壁；102、铝平板电极；103、上密封盖；104、下密封盖；105、拉杆；106、调剂旋钮；107、通气口；8、光触发装置；9、光纤光谱仪；10、上位机；11、光纤探头。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。一种检测sf6混合气体成分的装置，如图1所示，包括高压直流电源、待检测气体测量罐1和光谱检测系统。高压直流电源包括工频调压器t1、工频试验变压器t2、两个限流电阻r1与r2、高压硅堆d和高压电容器c。工频调压器t1与工频实试验变压器t2相连后与第一限流电阻r1、高压硅堆d、高压电容器c串联，经整流电路设计为电压为0～100kv的可调高压直流电源，待测气体测量罐与第二限流电阻r2串联后再并联在高压电容器c的两端，组成气体击穿回路。本实施例中，工频调压器t1为220v/252v型调压器，工频实试验变压器t2为252v/100kv型变压器，限流电阻r1和r2为用去离子水制成的水电阻，阻值为2mω，高压硅堆d为100kv、1a型，线路经过限流电阻r1和高压硅堆d组成的整流电路向型号为120kv、0.26μf的高压电容器c进行充电。待检测气体测量罐1作为采样容器，可移动，检测时与高压直流电源连接构成气体击穿回路，如图2所示，包括高纯硅玻璃罐壁101、两个相对的铝平板电极102和上下密封盖103和104，其中高纯硅玻璃罐壁101的内半径为3cm，高为10cm，铝平板电极102为经过倒角处理的平面电极，为高4.5cm、半径2.6cm的圆柱体。两个相对的铝平板电极密封于高纯硅玻璃罐壁101内部，并分别通过设有调距旋钮106的金属螺杆105固定于上下密封盖上，金属螺杆105作为待检测气体测量罐1与高压直流电源的连接端；两个铝平板电极102之间设有一定间隙，设有调距旋钮106的金属螺杆105用于调节两个铝平板电极102间的间隙大小，本实施例中，在检测时铝平板电极间距设定为2mm。下密封盖上设有连接气管的通气口107，，通气口用来作为抽真空连接口，经过抽真空处理后作为待测气体进气口，气管的另一端连接气体充放与回收装置，实验时，待测气体测量罐已充入待测气体，需要断开与气体充放与回收装置的连接。气管上设有气压表g1和阀门k1，用于待检测气体测量罐1内混合气体的气压调节，提取待测气体时需对气体通道进行抽真空处理。光谱检测系统与气体击穿回路相独立设置，包括光触发装置8、光纤光谱仪9和上位机10，光触发装置8连接光纤光谱仪9的输入端，光纤光谱仪9的输出端连接上位机10，光纤光谱仪9与上位机10之间的距离很小，通过一根数据线进行连接，光纤光谱仪9将测得的光谱特性信息传输给上位机10。检测时，光纤光谱仪9的光纤探头11上的光接收口对准待检测气体测量罐1中两个铝平板电极102的间隙，两者处在于同一水平线上，本实施例中，保持光接收口与电极间隙0.5m的直线距离。上位机10用于根据光谱特性计算气体放电过程中的电子数密度和电子温度，结合光谱特性信息对待测气体成分比例进行综合分析。本实施例中，光纤光谱仪9采用avantes-2048型光谱仪，共有八通道输入，可以对200nm-1100nm波段范围的光谱进行采集，分辨率为10-3nm，响应时间1.28μs；光触发装置8为同步触发装置，采用光敏二极管构成，响应时间为1μs。光谱检测系统中光纤光谱仪9和上位机10要进行如下的抗干扰处理：对光纤光谱仪9除导线外的其他部位用金属材质材料进行包裹，对上位机10除显示屏和电源线的其他部位进行相同处理，以免在气体放电过程中受到电磁干扰无法采集到正确的光谱信息。在气体击穿放电时，光纤探头11通过直线光纤与光纤光谱仪9相连，光纤探头与光纤光谱仪的直线距离为6m-10m，即之间的光纤通道根据放电情况选择6m～10m的合适距离，使得气体击穿放电时，测量回路中产生的电磁干扰与光谱检测系统中的各测量仪器保持一定的距离。根据测量罐中气体放电的实际情况，人为调整光纤探头11上的光接收口与待检测气体测量罐中两个铝平板电极的间隙的距离，以保证光纤光谱仪9能采集到有效的光谱信息。本实施例中，采用上述装置对含有cf4的sf6混合气体sf6/cf4进行光谱采集及气体击穿时形成的等离子体通道中电子温度和电子数密度的计算，进而分析待测气体的成分比例的变化。在检测之前，装置中的高压直流电源回路要经过安全评估，在回路周围设置安全隔离区域，以免测量光谱时对人体产生危害，各个连接处及仪器进行牢固处理，检测过程中避免较大的电动力使得线路抖动而破坏检测或对设备造成损坏。对一种待检测sf6/cf4混合气体比例成分的方法具体包括如下步骤。步骤1：对待检测气体测量罐1进行抽真空处理，将待检测气体sf6/cf4充入待检测气体测量罐1，通过待检测气体测量罐1上的气压表g1读取提取的待检测气体气压，当气压达到预设压强值时停止充气。对待检测气体测量罐1进行抽真空处理时，将输气装置、待检测气体测量罐1及真空泵经密封连接好。具体实施中，在气管的末端连接三通，以同时连接输气装置和真空泵，或者当输气装置和真空泵作为一体形成一个气体充放与回收装置时，可以将气管直接与气体充放与回收装置连接。连接好后，打开待检测气体测量罐1上的阀门k1，然后进行抽真空处理，当真空度达到20pa以下时，关闭阀门k1，停止抽真空处理。对经过抽真空处理的待检测气体测量罐1充入待测气体时，重新打开待检测气体测量罐1上的阀门k1和输气装置的放气阀门，向待检测气体测量罐1缓慢充入待测的混合比例的气体sf6/cf4，当气压表g1读数为0.1mpa时，关闭阀门k1，停止充气。步骤2：根据待检测气体测量罐1中铝平板电极间隙的位置安装光触发装置8和光纤光谱仪9的位置，并设置光触发装置触发后光谱采集开始时间及光谱采集时间段等参数，用于获得光谱分析的光谱特性信息。光触发装置8安装前，需经过光纤激光校准，使光纤探头11的光接收口即光纤通道口对准待检测气体测量罐1的铝平板电极间隙，两者保持在同一水平线上，同时光触发装置8与待检测气体测量罐1保持40cm～60cm的距离。光纤光谱仪9在与光纤连接后应用专业的光源进行光谱校准，同时光纤的长度要达到相应的要求，光纤光谱仪9及与其相连的上位机10都要进行电磁干扰屏蔽。步骤3：在各个仪器正常工作后，调节工频调压器t1，均匀缓慢地增加待检测气体测量罐1两端电压，直到待检测气体测量罐1中气体击穿产生电弧。步骤4：当气体击穿出现电弧时，立即停止升压，将待检测气体测量罐1两端电压降至为零，关闭高压直流电源。步骤5：光触发装置8将光信号通过光纤光谱仪9上传给上位机10，通过avasoft软件自动采集含有光谱特性信息的光谱图像。光谱图像的采集重复进行至少五次，直到出现不受电磁干扰的有效光谱图像；判断是否为不受电磁干扰的有效光谱图像的方法为：判断示踪原子相应谱线的光强幅值是否接近于零，若是，则光谱图受到电磁干扰，否则，若出现较高的幅值时，为有效的光谱图像；其中较高的幅值的标准为50个相对光强以上。本实施例中，示踪原子为铝原子。步骤6：上位机提取光谱图像中铝原子相关谱线的光强值及谱线半高宽度，并计算待测气体击穿时的电子数密度与电子温度，将光谱特性信息及得到的电子数密度与电子温度与已知的初始成分比例气体的对应参数进行对比，经过对上位机光谱图像、电子数密度与电子温度计算结果的综合分析后，确定待测气体混合比例。其中，相关谱线为波长为308.215nm、309.288nm、394.404nm、396.152nm的谱线。计算待测气体击穿时的电子温度时，根据气体放电理论，间隙完全击穿形成的等离子体导电通道内电离和复合达到动态平衡，等离子体可认为近似处于热力学平衡状态(te)，根据原子发射光谱理论，采用多谱线斜率法计算电子温度，计算公式如式(1)所示；其中，i表示测得的铝原子等离子体辐射光强，n表示待测气体的分子总数，v表示铝原子谱线频率，g、a、g和e分别为铝原子核外电子相关谱线的统计权重、跃迁几率、配分函数和相应能级的激发能，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，te为等离子体中的电子温度。选取铝原子为示踪原子，根据铝原子谱线进行电子温度的计算，根据式(1)转化得到公式(2)：其中，c为常数，选取多条铝原子核外电子相关谱线，并以ln(iλ/ga)值为纵坐标，以e为横坐标，将得到一系列离散的点，通过线性曲线拟合，得到曲线的斜率，即-1/kte，进而得到等离子体的电子温度te。表1为铝原子核外电子相关谱线的激发能量、统计权重和跃迁几率相关参数值，其中波长代表一种铝原子核外电子激发方式，即一条特定波长谱线。将光谱检测系统检测的a1原子的核外电子跃迁谱线光强值代入式(2)中，计算得到等离子体通道中的电子温度。表1铝原子的光谱常数波长λ(nm)e(cm-1)ga(108s-1)308.21532435.45340.587309.28832435.45340.116394.40425347.75620.499396.15225347.75620.985计算待测气体击穿时的电子数密度时，根据受激原子核外电子跃迁测得的原子谱线展宽为相邻带电粒子对受激原子作用的结果，谱线的展宽是电子数密度的函数，如式(3)所示，stark展宽的大小取决于等离子体中电子数密度。铝原子属于非氢类原子，采用平方stark展宽法求解该函数，并使用铝原子相关参数计算sf6气体放电时形成的等离子导电通道的电子数密度；其中，δλw为谱线峰值的半高宽度，即谱线半宽度；ω为铝原子电子碰撞半宽度(nm)，α为铝离子的离子展宽参数，ne为电子数密度。根据测到的电子温度和铝原子的谱线信息，采用stark展宽法得到电子数密度ne。al(394.404nm)的stark展宽参数如图3所示。通过本实施例中方法测得的待sf6/cf4混合气体在气压为0.1mpa及电极间距为2mm时气体击穿时测得的光谱图如图4所示。根据图4中的光谱特性信息计算此时电子温度为2.13×104k，电子数密度为2.62×1017m-3。当sf6/cf4混合气体中sf6占48％时，电子温度为2.09×104k，电子数密度为2.71×1017m-3；当sf6混合比例为50％时，电子温度为2.25×104k，电子数密度为2.47×1017m-3。测得电子温度随sf6含量增大而升高而电子数密度呈下降趋势。通过本实施例中待测气体的相关计算数据与已知气体混合比例数据对比，可知待测sf6/cf4混合气体sf6所占比例在48％-50％之间，利用此结果进行设备中混合气体比例成分的校准与修正。本实施例提供的一种检测sf6混合气体成分的装置及方法，装置的操作简便，所需气体体积在15cm3以内，通过装置可对混合气体成份的变化在2小时内检测完毕，对后期数据的处理过程所需时间较短，对待检测气体的装置性能几乎没有影响，可在较短的时间内修正设备中混合气体比例成份，有效的避免了对以混合气体为电介子的高电压产品在进行气体成份检测时对工程较长时间的影响。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。当前第1页12