基于QCLAS技术的SF6分解产物检测装置及方法与流程

文档序号：20912982发布日期：2020-05-29 13:10阅读：400来源：国知局

本发明涉及sf6分解产物检测领域，具体涉及基于qclas技术的sf6分解产物检测装置及方法。

背景技术：

六氟化硫(sf6)气体作为优良的绝缘和灭弧介质，被广泛应用于断路器、气体绝缘组合电器(gasiusulatedsubstation，gis)、变压器、互感器、电力电缆等各种电气设备中。从上个世纪80年代后，sf6电气设备逐渐取代传统的充油电气设备，为电力系统的安全稳定、经济运行取得很好的效果。

充sf6电气设备在正常工况下，sf6是较为理想的绝缘及灭弧介质。但在电弧、电火花和电晕放电的作用下，会发生分解，而且其分解产物还可与设备中的微量水分、电极和固体绝缘材料发生反应，产生氟化氢(hf)、二氧化硫(so2)、硫化氢(h2s)、一氧化碳(co)、氟化亚硫酰(sof2)、氟化硫酰(so2f2)等化合物。这些分解产物的成分和含量与故障类型、位置及程度有直接关系，因此对电气设备潜在故障的判断具有重要意义；同时这些分解产物，大多是剧毒物质，会对人体的不同部位产生危害，严重时会威胁到人的生命。目前对六氟化硫气体中分解产物的分析方法包括质谱、色谱、光谱和核磁共振谱技术，但是核磁共振谱技术只在德国的相关实验室进行了一些研究，不具备实用价值；而现有的色谱、质谱、光谱等精密仪器价格昂贵、操作专业性强，仅应用于实验室，不具备现场使用条件；适合现场使用的电化学原理检测方法，在实际应用中存在诸多局限性，如检测范围窄、灵敏度低、使用寿命短(最长约3年)，检测数据易发生漂移、交叉干扰强、易中毒失效等问题。因此寻找一种新的sf6气体分解产物so2和h2s现场测量技术，实现对充sf6电气设备高精确检测，是十分迫切的。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是如何对sf6气体在高能放电作用下分解得到的分解产物进行精准的检测，从而提高sf6电力设备的安全和可靠运行的问题，目的在于提供一种基于qclas技术的sf6分解产物检测装置及方法，解决上述问题。

本发明通过下述技术方案实现：

基于qclas技术的sf6分解产物检测装置，包括控制模块、激光模块、激光驱动模块、气体光路模块、锁相放大模块、探测模块和qclas检测模块；

所述控制模块输入波形信号和温度信号给所述激光驱动模块；

所述激光驱动模块接收所述控制模块传输的波形信号产生可调谐电流信号从而驱动所述激光模块产生波长可变的激光源；

所述激光驱动模块接收所述温度信号产生温度控制信号控制及调节所述激光模块的工作温度；

所述激光模块接收所述激光驱动模块传输的可调谐电流信号产生波长可变的激光源，并接收所述温度控制信号进行工作温度的调节；

所述气体光路模块接收待测气体及所述波长可变的激光源，并对所述波长可变的激光源进行多次反射形成多程折返光路；

所述探测模块接收所述多程折返光路并进行激光信号的检测，并将检测后的激光检测信号传输给所述锁相放大模块；

所述锁相放大模块接收所述激光检测信号并进行放大和谐波提取，并将放大和谐波提取后的谐波信号传输给所述qclas检测模块；

所述qclas检测模块对所述谐波信号进行气体含量的换算。

本发明采用的检测方法为激光检测，激光检测的理论基础是比尔朗伯定律，原理为：当半导体激器发射的激光光束穿过检测管中的被测气体时，激光束能量被所测气体分子吸收而衰减，接收单元探测到的激光强度发射的衰减和被测气体浓度成正比，从而可以获得被测气体的浓度，具有响应快速、适用范围广、精度和可靠性高、维护量较小等优点。

可调谐量子级联激光吸收光谱技术(qclas)是一种广泛应用的痕量级气体成分检测技术，它利用激光能量被气体分子“选频”吸收形成的吸收光谱原理来测量气体浓度，具有测量精度高、体积小巧、可在线工作的特点，且近年来，随着激光器技术的飞速发展，特别是红外波段的icl、qcl激光器技术的突破，使得qclas技术的可测量气体种类与测量精度都得到了大幅度提高，是实现sf6电力设备精确监测的最佳解决方案。

所述控制模块用于输入需要波形信号，温度信号等不同的信号用于调节激光模块以达到气体含量检测的目的，且qcl激光器的整个工作过程只有电子参与，在进行激射时半导体异质结薄层内由量子限制效应引起的分离电子态之间产生粒子数反转，从而实现单电子注入的多光子输出，并且可以轻松得通过改变量子阱层的厚度来改变发光波长；

qcl激光器的特性对温度相当敏感，随着结温的升高，其输出功率将降低，当结温过高时，其输出功率将急剧减小，甚至损坏激光器，另外，随着结温的升高，其门限电流也将增大，噪声增加，波长变化。在实用化的器件中，都装有用于温度控制的半导体致冷器(tec)和热敏电阻对激光器温度进行控制。因此，激光器要能稳定工作需要在控制结温的同时给激光器提供波动系数很小的、具有高电流稳定性的电流，才能够正常使用因此需要激光驱动模块与所述激光模块连接用以控制激光器的温度以及产生可调谐电流信号驱动激光器产生激光源。

根据比尔郎伯定律，气体吸收光谱信号强度由浓度与吸收光程的乘积所决定，为提高系统的检测灵敏度，需设计出长光程的气体光路模块；且为了实际使用方便，气体光路模块采用多次反射式气体吸收结构，为了避免so2或h2s等sf6分解产生的气体对光路器件的腐蚀，气体光路模块采用不锈钢或聚四氟乙烯作为主体，使用蓝宝石窗片作为反射镜和微调镜片的材质，气体光路模块将接收到的激光源通过入射准直器准直成近似平行光后入射，通过多块凹面反射镜对入射光进行多次反射，以及通过微调镜片将入射光传输给探测模块；采用所述气体光路模块可使得入射光在较小的容积下能够达到数十米的光程。

qclas检测的另一主要原理为谐波检测，其基本原理是通过频率调制，正弦调制，使其扫描待测特征信号，并用调制频率或调制频率的倍频信号作为参考信号，通过锁相放大技术，产生强度正比于待测气体浓度的谐波信号，从而实现浓度检测，因此需要设计锁相放大模块提取谐波信号用于浓度检测。

进一步的，所述激光驱动模块包括tec温控模块和所述ldc驱动模块；

tec温控模块进行所述激光模块的温度控制；

ldc驱动模块对所述激光模块提供波动系数很小的、具有较高电流稳定性的电流。

进一步的，所述激光模块包括qcl激光器或icl激光器。

进一步的，所述气体光路模块包括主体、入射准直器、反射镜和微调镜片。

进一步的，所述主体材质为不锈钢或聚四氟乙烯，所述反射镜和微调镜片材质为蓝宝石窗片。

进一步的，所述探测模块包括红外光电探测器和sipd探测器。

进一步的，所述激光模块的波段为7μm～9μm。

进一步的，所述控制模块、激光模块、激光驱动模块、气体光路模块、锁相放大模块和探测模块通过外壳封装于一个主机中，并通过所述主机与所述qclas检测模块连接。

进一步的，所述激光模块和激光驱动模块通过外壳封装于一体，并分别与所述控制模块和所述气体光路模块连接。

一种基于qclas技术的sf6分解产物检测的方法，包括：

输入波形信号和温度信号；

将所述波形信号处理生成可调谐电流信号，将所述温度信号处理生成温度控制信号；

将所述可调谐电流信号处理生成波长可变的激光源，将所述温度控制信号进行工作温度的调节；

将待测气体及所述波长可变的激光源进行多次反射形成多程折返光路；

将所述多程折返光路进行激光信号的检测生成激光检测信号；

将所述激光检测信号进行放大生成放大信号；

将所述放大信号进行二次谐波提取生成气体浓度信号，将所述气体浓度信号进行气体含量的换算。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明基于qclas技术的sf6分解产物检测装置及方法，进行气体检测时响应快速、精度和可靠性高；

2、本发明基于qclas技术的sf6分解产物检测装置及方法，所述qcl激光器提供的光谱范围宽，且对波长的可协调性好，有利于检测sf6的分解产物。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明一实施例整体结构示意图；

图2为本发明另一实施例整体结构示意图；

图3为本发明气体光路模块结构示意图；

图4为本发明so2检测结果；

图5为本发明so2检测结果曲线图；

图6为本发明h2s检测结果；

图7为本发明h2s检测结果曲线；

图8为本发明检测方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1