一种偏心结构的紫外荧光检测装置的制造方法
【专利摘要】一种偏心结构的紫外荧光检测装置，装置包括感应调压器、无电晕实验变压器、无局部放电保护电阻、标准电容分压器、无感电阻、GIS模拟元件、数字存储示波器，设置紫外荧光系统，所述紫外荧光系统，包括荧光激发组件、荧光捕集组件、气路组件；检测时先进行系统性能参数测量，然后进行检测六氟化硫气体放电微量组分的浓度。本装置可以长时间实时、在线、连续监测，综合性强，可广泛用于SF6气体绝缘电气设备，特别是GIS设备中局放下六氟化硫分解组分的检测。
【专利说明】
一种偏心结构的紫外荧光检测装置
技术领域
[0001] 本实用新型属于气体绝缘电气设备的绝缘状态在线监测技术领域，尤其涉及一种 偏心结构的紫外荧光检测装置。
【背景技术】
[0002] 气体绝缘组合电器（简称GIS)具有占地面积小、运行安全可靠、维护工作量少、检 修周期长等优点，在电力系统得到了广泛的应用。然而，GIS内部不可避免的绝缘缺陷会逐 步扩展并导致故障发生，最常见的电气故障特征是在绝缘完全击穿或闪络前发生局部放电 (简称ro)。研究表明，ro会引起绝缘气体SF 6发生分解，并与杂质中的O2、H2O以及有机物发生 复杂的化学反应，生成如30?2、3(^2、30?4、3〇2、0?4、0)2、册、!123等产物，这些生成物会进一步 加剧绝缘缺陷的劣化，从而使设备的整体绝缘性能降低，危及设备的安全运行。因此，十分 有必要对SF 6气体绝缘电气设备的早期绝缘状况进行有效的评估和预警。现代测试分析技 术的发展，使得通过测试SF6分解产物的类型和含量来诊断设备内部是否存在故障，并对放 电的类型进行模式识别，进而对设备运行状态进行诊断和评估成为可能。本实用新型针对 SF6电气设备中故障气体的紫外荧光效应，设计了六氟化硫气体放电微量组分的紫外荧光 检测装置，其检测限度可达到PPb级别，对于保证GIS的安全可靠运行，实现对GIS绝缘缺陷 引起突发性故障的早期诊断和预测有着十分重要的意义。
[0003] 现有的GIS PD放电分解组分的检测装置和方法，如公开号为CN101644670A的"六 氟化硫气体放电微量组分的红外检测装置及方法"专利，公开的装置主要包括感应调压器、 无电晕实验变压器、无局放放电保护电阻、标准电容分压器、GIS模拟元件、无感电阻、傅里 叶变换红外光谱仪、宽频高速超大容量数字存储示波器等，公开的方法是利用其实用新型 装置对ro下SF 6分解组分进行红外光谱检测。该专利的主要缺点是：
[0004] (1)红外光谱检测是通过对比入射的红外光和经过气体吸收后的出射红外光的光 强变化来检测气体浓度的，由于ro下SF 6分解组分浓度较小，一般为0.01yL/L-10yL/L量级， 所以入射的红外光和经过分解气体吸收后的出射红外光的光强变化较小，再加上目前检测 红外光强所用的红外检测器灵敏度低，从而导致红外光谱检测灵敏度较低，即使采用该公 开专利所述的长气体池，灵敏度也只有yL/L级别。
[0005] (2)由于红外光谱检测灵敏度较低，要达到一定的检测灵敏度，就必须选择PD下 SF6分解组分的较强吸收峰作为特征吸收峰，由于下SF6分解组分较为复杂，各组分的红外 吸收峰存在交叉重叠，检测时会造成交叉干扰，致使红外光谱检测精度大大降低。
[0006] (3)该专利中所使用的气体池为长光程气体池，外形为Φ 104mm*500mm的圆柱体， 气体池体积较大(约为4.25L)，每次测量需大量样气，增加了测量的成本和难度。 【实用新型内容】
[0007] 本实用新型的目的在于解决目前国内现有技术和设计原理在该领域的缺陷和不 足，根据现代分析化学和仪器分析的最新发展成果提出一种偏心结构的紫外荧光检测装 置，具有灵敏度高、精度高、稳定性好、消耗样气少、无需任何化学试剂，可以长时间连续实 时在线监测等特点。
[0008] 本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
[0009] -种偏心结构的紫外荧光检测装置，包括感应调压器、无电晕实验变压器、无局部 放电保护电阻、标准电容分压器、无感电阻、GIS模拟元件、数字存储示波器，设置紫外荧光 系统，所述紫外荧光系统，包括荧光激发组件、荧光捕集组件、气路组件；
[0010]所述的荧光激发组件包括紫外光源9、激发光滤光片10、石英透镜11、荧光气室12、 消光锥13、光电管14和温度控制器15,紫外光源9发出的激发光依次经过激发光滤光片10和 石英透镜11的聚焦后，进入荧光气室12,所述的荧光气室12尾部设有消光锥13、光电管14， 顶部设有温度控制器15;所述的荧光气室12为单光程气室，进入荧光气室12的激发光束采 用偏心结构，使紫外光源9、激发光滤光片10和石英透镜11的中心在同一条水平线上，而这 条水平线偏离气室的轴线更靠近荧光捕集室16;光电管14与入射光线的中心在同一直线 上。
[0011]而且，所述的荧光捕集组件包括荧光捕集室16、聚焦镜17、荧光滤光片18、光电倍 增管19和单光子计数系统20,在荧光气室12的前侧设有圆柱形的荧光捕集室16,所述的荧 光捕集室16内部依次安装有聚焦镜17、荧光滤光片18、光电倍增管19,光电倍增管19与外部 的单光子计数系统20相连。
[0012] 而且，所述的单光子计数系统20包括依次连接的放大器27、甄别器28和计数器29。 [0013] 而且，所述的气路组件包括进气口 21、进气阀22、流量计23、出气口 24、出气阀25、 抽气栗26构成，在荧光气室12的顶部设有进气口 21和出气口 24，所述进气口 21通过进气阀 22，一侧连接被测气体，另一侧连接流量计23，所述出气口 24通过出气阀25连接抽气栗26。
[0014] 而且，水平线偏离气室的轴线的角度为5至15度。
[0015] 本实用新型的特点与有益效果是：
[0016] (1)本实用新型装置的灵敏度高，能有效检测出低至PPb级别的S02、N0等气体组 分，能够对局放下六氟化硫特征分解组分进行定性和定量分析。
[0017] (2)现有的局放下六氟化硫分解组分红外光谱检测方法，因灵敏度低，必须选用较 强的红外吸收峰作为检测用的吸收峰，存在吸收峰交叉干扰的问题，而本实用新型装置采 用紫外荧光法，选择性强，有效的避免了吸收峰的交叉干扰问题，提高了装置的检测精度。
[0018] (3)本实用新型装置每次检测仅需样气0.36L(荧光气室的内腔体积），远小于现有 的局放下六氟化硫分解组分红外光谱检测方法的4.25L，节约了用气，减小了采气和检测难 度，节省大量人力物力成本。
[0019] 本实用新型可以长时间实时、在线、连续监测，综合性强，可广泛用于SF6气体绝缘 电气设备，特别是GIS设备中局放下六氟化硫分解组分的检测，为科研、教学、研究院，设备 制造厂家及电力系统中对GIS设备SF 6状态检测的理论分析和应用研究提供了一种简便可 靠的方法。
【附图说明】
[0020] 图1为本实用新型实施例装置的原理接线图；
[0021] 图2为本实用新型实施例装置中紫外荧光系统的结构示意图；
[0022] 图3为本实用新型实施例装置中单光子技术系统的结构图；
[0023] 图中：1感应调压器;2无电晕实验变压器;3无局部放电保护电阻;4标准电容分压 器;5无感电阻;6GIS模拟元件;7紫外荧光系统;8宽频高速超大容量数字存储示波器;9紫外 光源；10激发滤光片；11石英透镜；12荧光气室；13消光锥;14温度控制器;16荧光捕集室；17 聚焦镜；18荧光滤光片；19光电倍增管;20单光子计数系统;21进气口； 22进气阀；23流量计； 24出气口； 25出气阀；26抽气栗;27放大器;28甄别器;29计数器。
【具体实施方式】
[0024] 下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。
[0025] 本实用新型首创提出在气体绝缘电气设备的绝缘状态检测领域使用紫外荧光的 方式，机理为:在紫外光照射下，特征气体分子会吸收紫外光跳跃至激发态，处于激发态的 分子很不稳定，又会回到基态，并放射出荧光，激发出的荧光强度与特征气体的浓度成正 比，使用光电倍增管测量出荧光强度即可确定SF 6分解组分的浓度。由于不同种类的气体其 紫外吸收峰的波长不同，激发产生的荧光波长也不同，通过吸收峰波长和荧光波长便可判 断气体的种类。
[0026] 实现本实用新型目的的技术方案是:一种偏心结构的紫外荧光检测装置，主要包 括感应调压器1、无电晕实验变压器2、无局部放电保护电阻3、标准电容分压器4、无感电阻 5、GIS模拟元件6、宽频高速超大容量数字存储示波器8、紫外荧光系统7等。所述紫外荧光系 统7,主要由荧光激发组件、荧光捕集组件、气路组件和相互连接构成。感应调压器1的副边 与无电晕实验变压器2的原边相连，无电晕实验变压器2的副边与无局部放电保护电阻3的 一端连接，标准电容分压器4的一端和GIS模拟元件的一端均与无局部放电保护电阻3的另 一端连接，标准电容分压器4的另一端接地，GIS模拟元件6的另一端连接无感电阻5的一端， 无感电阻5的另一端接地，GIS模拟元件6的另一端还与宽频高速超大容量数字存储示波器8 连接。
[0027] 如图1所示，实施例提供的一种偏心结构的紫外荧光检测装置，是在现有的绝缘气 体局部放电分解组分检测方法的基础上，引进紫外荧光法，设计荧光激发组件和荧光捕集 组件，可对电气设备实现在线监测的高精度装置。
[0028]所述的荧光激发组件是由紫外光源9、激发光滤光片10、石英透镜11、荧光气室12、 消光锥13、光电管14、温度控制器15构成。紫外光源9、激发光滤光片10、石英透镜11、荧光气 室12依次连接，紫外光源9发出的激发光依次经过激发光滤光片10和石英透镜11的聚焦后， 进入荧光气室12。所述的荧光气室为不锈钢长方体，尾部设有消光锥13、光电管14,顶部设 有温度控制器15。
[0029]所述的紫外光源9为市购产品，选用波长范围为190_400nm的氘灯光源，激发光通 过SMA905光纤输出，其峰-峰稳定性小于0.005%，漂移仅为+/-0.5%每小时，强度大、稳定 性高。实施例中，所述的紫外光源9采用美国海洋光学公司生产的D-2000-DUV氘灯光源。 [0030] 所述的激发光滤光片10为市购产品，研究表明，超过230nm时，SO2、N0等分解组分 对紫外线的吸收极弱，因此本装置选用190_230nm的激发光滤光片，滤掉超出波长范围的紫 外光，减少对荧光检测的干扰。实施例中，所述的激发光滤光片10选用美国Andover 214?32175滤光片，滤镜的直径为25111111，其透过率在213.7511111处可达到24.2829%，超过 240nm时透过率降到0.7 %以下，滤光效果良好。
[0031]所述的石英透镜11为市购产品，其光斑直径为43mm，大光斑有利于被测气体与激 发光充分接触，从而提高装置的检测精度。
[0032] 所述的荧光气室12为单光程气室，光程为20CM，主腔体尺寸为200*65*65mm，内径 为Φ48πιπι，容积为360mL。底部平面安装，4个Φ6长圆孔呈四角分布;腔体采用特种铝合金， 内部镀黑色特氟纶处理，以减少内壁对气体分子的吸收。气室的耐压为1.5个大气压，耐温 为50°C。进入荧光气室的激发光束采用偏心结构，即紫外光源、激发光滤光片和石英透镜的 中心在同一条水平线(水平轴线)上，而这条水平线偏离气室的轴线，更靠近荧光捕集室16， 相对于传统荧光气室的对称结构，这一设计更有利于降低光电倍增管19的本底计数率，从 而提高检测的精度。建议水平线偏离气室的轴线的角度为5至15度。实施例中石英透镜的水 平轴线偏离气室的轴线5mm。
[0033] 荧光气室尾部设有消光锥13,对激发光具有强吸收作用，减少反射，从而减小激发 光对荧光检测的干扰。光电管14嵌入消光锥13中，光电管14与入射光线的中心在同一直线 上，可接收紫外光源9的激发光强，用于补偿由于光源起伏对测量的影响。通过气室顶部设 有温度控制器15，气室内的温度得到检测。
[0034] 所述的荧光捕集组件是由荧光捕集室16、聚焦镜17、荧光滤光片18、光电倍增管 19、单光子计数系统20构成。在荧光气室12的前侧设有圆柱形的荧光捕集室16,所述的荧光 捕集室的收光孔径大小为Φ40,内部依次安装有聚焦镜17、荧光滤光片18和光电倍增管19， 光电倍增管19与外部的单光子计数系统20相连。光电倍增管19将荧光信号转换为脉冲电信 号，通过单光子计数系统20,实现对电脉冲的计数。
[0035] 所述的荧光滤光片18的波段由被测气体分子的荧光范围决定，以SO2气体为例，其 气体分子的荧光范围为240nm~420nm，在320nm处达到最大值，针对SO 2气体，本装置选用美 国THORLABS FGUVl 1滤光片，滤镜的直径为25mm，其透过率在320nm处可达到81.55398 %。
[0036] 所述的光电倍增管19为市购产品，将SF6气体放电分解组分受激发后产生的微弱 荧光信号转化为电信号，其工作电压为±15V，控制电压调节范围为+0.25V-+0.9V。实施例 中，本装置选用H9656-02型光电倍增管转换光电信号，采用22HP-10多圈电位器，由SAKAE公 司生产，其阻值为IOk Ω，阻值公差为± 5 % (标准级）。
[0037] 所述的单光子计数系统20包括依次连接的放大器27、甄别器28和计数器29,所述 的放大器27为市购产品，本装置选用MAX4414放大器，其小信号时的3dB带宽为400MHz。所述 甄别器28为市购产品，本装置选用MAX9012作为鉴别器，该芯片含有两片高速比较器，延时 为5ns。所述计数器29为单片机计数，本装置选用的单片机型号为MSP430F149。
[0038] 所述的气路组件是由进气口 21、进气阀22、流量计23、出气口 24、出气阀25、抽气栗 26构成。在荧光气室12的顶部设有进气口 21和出气口 24,直径为Φ6_，不锈钢材质，耐腐蚀 性好。所述进气口 21通过进气阀22，一侧连接被测气体，另一侧连接流量计23。所述出气口 通过出气阀25连接抽气栗26。气路各组件由耐压和耐腐蚀性能较好的聚四氟乙烯软管连 接。即转接口为聚四氟乙烯材质，耐压和耐腐蚀性能好。
[0039] 所述的进气口 21和出气口 24，直径均为Φ 6mm，不锈钢材质，耐腐蚀性好。
[0040]所述的进气阀22和出气阀25为市购产品，聚四氟乙烯材质，耐压和耐腐蚀性能好。 [0041 ] 所述的真空栗为市购产品，功率为150W，抽气速率为3.6m3/h，极限真空5Pa。
[0042] 所述的荧光气室的外形，除前述的长方体外，还可为圆柱体、正方体等。
[0043] 为便于本领域技术人员使用参考期间，利用本实用新型装置，对其GIS模拟元件中 的SF6分解组分进行紫外荧光检测的具体步骤如下：
[0044] (1)检测前的准备
[0045]①清洗和调试
[0046]首先用无水酒精清洗荧光气室12的内壁，除去气室内杂质，待荧光气室12风干后， 再安装激发光滤光片10、石英透镜11、光电管14、聚焦镜17、荧光滤光片18、光电倍增管19等 部件，安装各工装组件时，各螺纹连接处需加生料带及密封胶，保证荧光气室12有良好的气 密性。最后通过进、出气口 21/24和进、出气阀22/25以及抽气栗26,先利用氮气对荧光气室 12进行2-3次清洗，清洗后通过抽气栗26将荧光气室12抽真空。
[0047]②系统性能参数测量
[0048] 首先是光电倍增管19的暗计数测量。建议保证开机时间为1小时，在室温和光电倍 增管的温度恒定、室内湿度恒定的情况下，不开灯、不通气，测得光电倍增管19的本底计数， 即为暗计数。
[0049] 在光电倍增管19的暗计数趋于稳定之后，打开氘灯，待氘灯稳定之后，才能进行下 一步操作。一般测试前，氘灯开灯时间都要维持在20分钟。
[0050] 接着是装置的本底测量。在激发光源稳定的情况下，通入零气，测得本底计数率。 零气选用高纯氮，通过鼓风机其流量控制在lL/min左右，建议为0.8-1.2L/min。装置的本底 测量对后续实验影响很大，直接反应在净信号的准确度上。
[0051] 然后测量响应因子λ。包括用配气装置将所要测量的气体配成不同浓度的标准气 体，分别通过进气口 21和进气阀门22充入荧光气室12;采用光子计数系统20进行单光子计 数，例如计数门时间ls，60点取平均，得到不同浓度标准气体下光电倍增管19测得的平均总 信号，扣除本底计数之后，得到净信号N ph，净信号值与对应的气体浓度的比值，即为响应因 子λ O
[0052] 最后计算装置最低检测限，由现有的信噪比公 获 取累计时间T内系统的探测极限。
[0053] (2)检测六氟化硫气体放电微量组分的浓度
[0054]第（1)步完成后，先打开紫外光源9进行预热，接着通过出气口 24、出气阀25以及抽 气栗26将荧光气室12抽成真空，后通过进气口 21、进气阀22充入待测的GIS模拟元件中的 SF6分解组分，记下所对应的单光子计数系统20所对应的荧光脉冲计数，最后可利用计算机 程序将单光子计数系统20测得的荧光脉冲计数i = 1，2，…）读入计算机，在计算机上通 过公式Ci = Si + A，（i = l，2，···）进行计算(式中，λ为响应因子，Si为荧光信号值，标记i表示 第i次），得出准确的SO2浓度值C i (i = 1，2，…）。
[0055]具体实施时，本领域技术人员可根据现有技术自行设置软件实现计算机程序。 [0056] (3)清洗及维护
[0057]第(2)步完成后，先打开出气阀24和抽气栗26,将荧光气室12中的气体抽至废弃池 中排放，后关闭出气阀24和抽气栗26,再打开进气阀22充入氮气，然后依次打开出气阀25和 抽气栗26,将荧光气室12中的气体抽至废弃池中排放。重复以上操作2-3次，将荧光气室用 氮气清洗干净。最后将装置放入干燥的环境中妥善保存。
[0058] 本实用新型要求保护硬件设计，不涉及软件方面的改进。
[0059] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所 属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似 的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
【主权项】
1. 一种偏心结构的紫外荧光检测装置，包括感应调压器、无电晕实验变压器、无局部放 电保护电阻、标准电容分压器、无感电阻、GIS模拟元件、数字存储示波器，其特征在于:设置 紫外荧光系统，所述紫外荧光系统，包括荧光激发组件、荧光捕集组件、气路组件； 所述的荧光激发组件包括紫外光源(9)、激发光滤光片（10)、石英透镜（11)、荧光气室 (12)、消光锥（13)、光电管（14)和温度控制器（15)，紫外光源(9)发出的激发光依次经过激 发光滤光片（10)和石英透镜（11)的聚焦后，进入荧光气室（12)，所述的荧光气室（12)尾部 设有消光锥(13)、光电管（14)，顶部设有温度控制器（15);所述的荧光气室（12)为单光程气 室，进入荧光气室（12)的激发光束采用偏心结构，使紫外光源(9)、激发光滤光片（10)和石 英透镜（11)的中心在同一条水平线上，而这条水平线偏离气室的轴线更靠近荧光捕集室 (16);光电管（14)与入射光线的中心在同一直线上。2. 根据权利要求1所述偏心结构的紫外荧光检测装置，其特征在于:所述的荧光捕集组 件包括荧光捕集室（16)、聚焦镜（17)、荧光滤光片（18)、光电倍增管（19)和单光子计数系统 (20)，在荧光气室（12)的前侧设有圆柱形的荧光捕集室（16)，所述的荧光捕集室（16)内部 依次安装有聚焦镜（17)、荧光滤光片（18)、光电倍增管（19)，光电倍增管（19)与外部的单光 子计数系统(20)相连。3. 根据权利要求2所述偏心结构的紫外荧光检测装置，其特征在于:所述的单光子计数 系统(20)包括依次连接的放大器(27)、甄别器(28)和计数器(29)。4. 根据权利要求1所述偏心结构的紫外荧光检测装置，其特征在于:所述的气路组件包 括进气口（21)、进气阀（22)、流量计（23)、出气口（24)、出气阀（25)、抽气栗（26)构成，在荧 光气室（12)的顶部设有进气口（21)和出气口（24)，所述进气口（21)通过进气阀（22)，一侧 连接被测气体，另一侧连接流量计(23 )，所述出气口（ 24)通过出气阀（25)连接抽气栗(26)。5. 根据权利要求1或2或3或4所述偏心结构的紫外荧光检测装置，其特征在于：水平线 偏离气室的轴线的角度为5至15度。
【文档编号】G01N21/64GK205539338SQ201620289903
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月8日
【发明人】张晓星, 周红, 唐炬, 曾福平, 崔兆仑
【申请人】武汉大学