光谱吸收型光纤传感器检测SF₆分解气体的装置及方法

专利名称：光谱吸收型光纤传感器检测SF₆分解气体的装置及方法
技术领域：
本发明属于SF6气体绝缘电气设备中局部放电分解气体在线监测技术领域，具体涉及用光谱吸收型光纤传感器检测Gis中局部放电的SF6分解气体的装置及方法。
背景技术：
SF6气体绝缘组合电器(GIQ，以SF6气体作为绝缘介质，具有绝缘强度高、运行稳定、占地面积少和维护工作量小等优点，在大中城市城网建设和改造中得到愈来愈广泛的应用。但是从实际运行情况来看，GIS在使用中都出现诸多问题，其中以绝缘故障为主，绝缘故障最通常的特征是GIS中的绝缘介质在完全击穿前发生局部放电。在局部放电的作用下，SF6气体发生分解，SO2、SOF2、SO2F2均为SF6分解所产生的主要组分气体。由于SF6气体中不可避免存在空气和水分等杂质，SOF2, SO2F2等分解产物通过氧化和水解反应之后的最终生成物为和HF，由于HF属于具有强腐蚀性，会与GIS内部金属发生反应生成稳定物质而引起GIS发生故障。因此，对SF6分解组分气体的成分及其含量进行监测，对于衡量局部放电总体水平、发展趋势至关重要，甚至可以根据其组分及其含量来推断出缺陷类型和位置，预防故障的发生，对保证电网的安全运行有重要的作用。光谱吸收型光纤气体传感器具有体积小、重量轻、耐高压、耐腐蚀、不受电磁干扰、 灵敏度高、响应时间快等一系列优点，在许多方面得到广泛应用，并且在气体的在线监测方面具有广阔的应用前景。它利用被测气体的吸收光谱随被测气体分子的化学结构、浓度而产生不同的特征进行检测，从而具有了选择性、鉴别性和气体浓度的唯一确定性等特点。当光源的发射光谱与被测气体的吸收光谱相吻合时，就会发生共振吸收，其吸收强度与该被测气体的浓度有关，通过测量光谱的吸收强度就能测量气体的浓度。光谱吸收型光纤气体传感器的光源，一般选用窄线宽可调谐激光器，激光器输出光功率和波长的稳定性对传感器性能有一定影响；此外，光谱和被测气体相互作用发生在传感器的气室内，因此气室光程长度直接关系到整个光纤气体传感器的体积和检测灵敏度。现有检测GIS局部放电下SF6分解气体的装置和方法，如申请号为 201010295554. 0 “局放下六氟化硫分解组分的红外光声光谱检测装置及方法”专利，公开的装置主要包括感应调压器、无电晕实验变压器、无局部放电保护电阻、标准电容分压器、无感电阻、GIS模拟元件、示波器、红外光声光谱系统等。其红外光声光谱主要由宽谱红外光源、硒化锌透镜、斩波器、斩波器控制器、轮、滤光片、硒化锌窗片、光声池、热电偶、热电偶控制器、压力变送器、微音器、信号电缆、阀门、气管、真空泵、光学支架、锁相放大器及计算机等组成。公开的方法是利用其发明装置，对GIS模拟元件中六氟化硫局部放电分解气体进行红外光声光谱检测。该专利的主要缺点是
⑴该装置所采用的光源为宽谱红外光源，由于光谱的范围比较大，所以用滤光片滤出激发出光声信号所需要的特定波长，操作起来比较繁琐，另外还需定做特定的激光片，滤光效果和稳定性程度差。⑵锁相放大器在检测光声信号过程中需要一个参考信号，因此该专利中装设有斩波器输出一个参考信号，不能保确保斩波器输出参考信号的频率和米样信号的频率趋于一致，也就是不能保证完全发生谐振，产生可供检测的光声信号，从而影响检测的准确性和精度。⑶该方法所检测的信号为光声信号，由于该信号比较微弱，尽管该专利中装设有缓冲气室，考虑到外界噪声以及其他因素的干扰，不能很大程度上减小硒化锌窗片吸收红外光产生的噪声对光声信号造成的干扰，存在比较大的检测误差，检测结果的准确性难以保证。再如《仪表技术与传感器》2007年第3期中的“基于自聚焦透镜的吸收型光纤气体传感器气室设计”一文，公开的传感器采用DFB激光器、90X55X50 (mm)的透射型气室和光电探测器以及后续信号处理电路组成的一套装置。该传感器利用M段外形尺寸Φ15Χ70 (mm)自聚焦透镜气室串联起来组成一个透射型气室，即采用增加气室长度来增加光程的方法提高灵敏度，该传感器的气室的主要缺点是
(1)各单个小气室并排放置，气室内部相互之间不便于连接和通入通出气体，且充气后各单个小气室状态难保持一致。⑵该传感器中的信号处理系统采用带通电路、相敏检测器、移相电路、低通电路、 矢量运算电路等一系列元器件构成，电路结构冗繁复杂而且各个环节中检测信号都易受到噪声干扰，导致最终结果的准确性差。

发明内容
本发明的目的是针对现有检测GIS局部放电下SF6分解气体的装置和方法的不足之处，提供一种光谱吸收型光纤传感器检测SF6分解气体的装置及方法，具有体积小、结构简单、耦合损耗小、便于操作、响应时间快、检测的准确性高、精度高等特点。本发明机理基于比尔一朗伯定律和气体分子吸收光谱理论，即当一定波长的激光在充有待测气体的气室中传播距离L后，其吸收后的光强为
权利要求
1.一种光谱吸收型光纤传感器检测SF6分解气体的装置，主要包括感应调压器(1)、 无晕实验变压器(2)、无局部放电保护电阻(3)、标准电容分压器G)、GIS模拟元件(5)、 无感电阻(6)、示波器(10)、光谱吸收型光纤传感器；感应调压器(1)的原边通过导线与 220V/50HZ市电连接，感应调压器(1)的副边通过导线与无晕实验变压器(2)原边连接，无局部放电保护电阻(3)通过导线与标准电容分压器串联后，再与无晕实验变压器(2) 的副边并联，GIS模拟元件(5)通过导线与无感电阻(6)串联后，再与标准电容分压器(2) 并联，光谱吸收型传感器的气室(8)通过导管和进气控制阀(13)的导管与GIS模拟元件 (5)的采气阀出口的导管相接，示波器(10)的输入端通过电缆线与光谱吸收型光纤传感器的光电探测器(9)的输出端连接；其特征在于所述的光谱吸收型光纤传感器，主要由激光器(7)包括激光器驱动电源(7-1)和温度控制器(7-2)、气室(8)、光电探测器(9)组成；所述的激光器(7)由激光器驱动电源(7-1)和温度控制器(7- 组成，所述的温度控制器(7- 通过连接线与激光器驱动电源连接(7-1)，所述的激光驱动电源(7-1)通过光纤接口和单模光纤(14)与所述气室(8)的第一个光纤准直器00)的输入端连接；所述的光电探测器(9)的输入端通过光纤接口和单模光纤(18)与所述气室(8)的第五个光纤耦合器09)的输出端连接；所述的气室(8)，主要由外壳(19)、气体流量计(12)、数显压力真空表(17)、进气控制阀(13)、出气控制阀(16)、光纤准直器(20、23、24、27、28)、光纤耦合器(21、22、25、沈、29) 组成；所述的外壳(19)为不锈钢的开口长方形壳体，所述的外壳(19)长度为200-250mm、 宽度为110-140 mm、高度为50_70mm、壁厚4_5mm ；在所述外壳(19)的开口处长方形密封圈固接不锈钢密封片；在所述外壳(19)的内壁表面上涂覆一层聚四氟乙烯材料的涂层；所述气室(8)的材料为不锈钢；在所述外壳(19)的一侧面上的一端部设置直径为6-8mm进气孔，所述的GIS模拟元件(5)的采气阀出口的导气管通过所述气室(5)的气体流量计(11) 和进气控制阀(1 及导气管与所述的进气孔固接；在所述外壳(19)的对应的另一侧面上的另一端部处设置直径为6-8mm的出气孔，所述的真空泵通过出气导管(11)和出气控制阀 (16)及数显压力真空表(17)与所述的出气孔固接；在所述外壳(19)内的底面上，固接一厚度为5-8mm绝缘板；在所述外壳(19)内底面的绝缘板的一端均勻相间的设置第一光纤准直器(20)、第二光纤耦合器(22)、第三光纤准直器04)以及第四光纤耦合器06)、第五光纤准直器( )，第一光纤准直器OO)的输入端通过光纤接口和单模光纤(14、18)与所述的激光器(7)的激光驱动电源(7-1)上激光发射模块(7- 连接，第二光纤耦合器02)和第三光纤准直器(M)、第四光纤耦合器06)和第五光纤准直器(观)，分别通过自带的尾纤和光纤接口连接；在所述外壳(19)内底面的绝缘板的另一端均勻相间并与对侧绝缘板上的光纤准直器O0、23、24、27、28)或光纤耦合器Ql、22、25J6、29)相对应地设置第一光纤耦合器、第二光纤准直器、第三光纤耦合器0 、第四光纤准直器07)、第五光纤耦合器( )，第一光纤耦合器和第二光纤准直器以及第三光纤耦合器05)和第四光纤准直器(27)，分别通过自带的尾纤和光纤接口连接，第五光纤耦合器09)的输出端通过光纤接口和单模光纤(18)与所述光电探测器(9)的输入端连接；所述的气体流量计 (12)和进气控制阀(1 通过导气管与所述的进气孔固接；所述的数显压力真空表(17)通过导气管与现述出气口处的导气管连通。
2.一种光谱吸收型光纤传感器检测SF6分解气体的方法，其特征在于其具体步骤如下:1)、实验准备①、检查气室的密封性先关闭进气控制阀(13)，后打开出气控制阀(16)，再启动真空泵对气室(8)抽真空；并观察数显压力真空表(17)读数，抽真空完毕后关闭出气控制阀(16)和真空泵，静置1小时， 再检查气室(8)的密封性良好；②、清洗气室第⑴-①步完成后，在气室(8)的密封性良好的条件下，将进气导管(11)的一端与SF6 瓶的出气控制阀连通，打开气室进气控制阀(13)和出气控制阀(16)和SF6气瓶的出气控制阀，通过进气导管(11)上的气体流量计(12)控制，SF6气体在0. 5L/min 一 1. 5L/min的流速下，对气室进行冲洗IOmin - 15min ；然后关闭SF6气瓶的出气控制阀和气室(8)上的进气控制阀(13)，最后打开真空泵针阀和真空表针阀，启动真空泵，对气室(8)抽真空；当被测气体抽净后，关闭的真空泵针阀和真空泵；③、光路调试第⑴-②步完成后，在未通入待测气体的前提下，打开窄带可调谐激光器(7)的激光驱动电源(7- 1)和温度控制器(7- 开关、光电探测器(9)和示波器(10)，检测光路在气室 (8)内传输是否畅通当光路传输良好时示波器(10)会显示相应示数；当光路传输不畅通时，示波器(10)显示读数偏低，则需打开外壳(19)，通过调节光纤准直器(20,23,24,27, 28)和光纤耦合器Ol、22、25J6、29)下面的安装支架，来调整光纤准直器(20、23、对、27、 28)和光纤耦合器01、22、25、沈、29)的相对位置，直至光路传输畅通且效果良好，示波器 (10)显示读数正常为止；(2)、SF6分解气体检测第⑴步完成后，选取的激光器(7)波长分别为与SF6分解气体的标气对应检测波长范围，关闭气室(8)的出气控制阀(16)并打开SF6气瓶的出气控制阀注入SF6气体作为载气， 直至数显压力真空表(17)的读数为1. 7个标准大气压为止，记录此时未注入待检测气体时示波器(10)所显示的光强数值即为初始光强数值，移开SF6气瓶，将配置好的SF6分解气体不同浓度的标气通过气室(8)与进气控制阀(13)连接的气体流量计(12)控制并注入到气室(8)中进行检测，在检测过程中，配置好被测标气的浓度分别为10ppm、20ppm、30ppm、 40ppm、50ppm，每注入一个浓度的标气，即通过示波器(10)记录一次气室(8)内被测气体吸收后的光强读数；从而检测到一系列的被测气体吸收后的光强读数，检测完毕后，关闭示波器(10);通过操作人员将检测的被测气体吸收后一系列光强读数经处理后绘制成在恒波长条件下，SF6分解气体不同浓度的标气与吸光度的吸收特性曲线，即可完成SF6分解气体其中一种气体进行检测，此后只需将GIS模拟元件(5)的采气阀出口的导气管与所述气室(8) 的进气端的进气导管(11)连通后，更换不同波长的激光光源，即可实现对SF6分解气体的检测；⑶、实验结束第⑵步完成后，先关闭GIS模拟元件(5)采气阀，后将气室(8)的进气导管(11)的一端与SF6气瓶的出气控制阀连通，再打开气室(8)的进气控制阀(13)和出气控制阀(16)以及 SF6气瓶的出气控制阀，通过进气导管(11)上的气体流量计(12)控制SF6气体的进气流量在SF6在0. 5L/min 一 1. 5L/min的流速下，对气室(8)进行冲洗IOmin — 15min ；然后先关闭SF6瓶的出气控制阀以及气室(8)上的进气控制阀(13)，打开所述的真空泵针阀和真空表针阀，再启动所述的真空泵，对气室(8)抽真空；当被测气体抽净后，关闭真空泵针阀和真空泵。
全文摘要
一种光谱吸收型光纤传感器检测SF6分解气体的装置及方法，属于SF6气体绝缘电气设备局部放电在线监测技术领域。本发明装置主要包括感应调压器、无电晕实验变压器、无局部放电保护电阻、标准电容分压器、GIS模拟元件、无感电阻、示波器、光谱吸收型光纤传感器等；本发明方法是利用本发明装置，在恒波长下，对GIS模拟元件中局放下SF6分解气体不同浓度的标气与吸光度的吸收特性进行实验。本发明具有体积小、结构简单、耦合损耗小、便于操作、响应时间快、检测的准确性高、精度高等特点。本发明可广泛用于SF6气体绝缘电气设备，特别是GIS设备中SF6局部放电分解气体检测。
文档编号G01N21/39GK102507496SQ201110310580
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月14日 优先权日2011年10月14日
发明者冯波, 周倩, 唐炬, 张晓星, 李剑, 谢彦斌, 陈伟根 申请人:重庆大学