专利名称：非共振光声光谱检测分析装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种SF6分解气体检测及内部故障分析诊断装置。
背景技术：
以六氟化硫气体(SF6)为绝缘和灭弧介质的电气设备，如GIS (气体绝缘开关设备，Gas-Insulated Switchgear)、断路器、变压器、开关柜等，以其可靠性高、维护量小、占地面积小等优点迅速发展，并广泛应用于电力系统的高压和超高压领域，逐渐成为现代变电站的首选设备之一。然而，近年来3匕气体绝缘电气设备在运行中却出现了一些问题和事故。根据几十年的运行情况和故障统计，以SF6为绝缘气体的电气设备中，绝缘故障发生的、比例最高(60%以上)。SF6在常温常压下是化学性质极稳定的合成气体，其分子结构为单硫多氟对称结构，具有很强的电负性，绝缘和灭弧性能均十分优异。但当SF6气体绝缘电气设备出现放电或过热故障甚至在正常开断时，SF6会分解成低氟硫化物，这些低氟硫化物会与气体杂质、水分、电极和绝缘材料等进一步反应生成强毒性和强腐蚀性的气体和固体化合物，主要的气体分解物有氟化亚硫酰(SOF2)、氟化硫酰(SO2F2)、四氟化碳(CF4)、十氟化二硫(S2F1CI)、二氧化硫(SO2)等。这些气体分解物的种类、含量与故障的类型、严重程度等呈定量的对比关系，尤其是当电气设备发生潜伏性故障时，此时设备仍可运行，但SF6气体已发生了分解。因此，在线监测SF6气体绝缘电气设备的气体分解物，可对潜在故障提前预警，快速准确地诊断设备故障并进行故障隔离，避免或延缓事故发生。专利CN2747583Y “六氟化硫电气设备故障检测仪的检测机构”通过一个四通接头连接压力传感器、SO2电化学气体传感器和H2S电化学气体传感器，检测SO2和H2S的含量并对设备内部故障进行诊断。但是该专利只能检测SO2和H2S气体，检测多种气体组分时会受到结构的限制。专利CN101464671A “一种六氟化硫气体及其分解物监测监控的装置及方法”通过放电电流测量六氟化硫气体浓度，并通过so2、h2s、o2电化学气体传感器测量衍生气体浓度。当气体浓度超过系统预先设定的警示范围时，装置自动报警并对换气风机、降温风机等实行联动控制。上述专利主要是通过常见的电化学气体传感器检测S02、HF、H2S等气体分解物，对重要的分解气体组分S02F2、SOF2和CF4等则无能为力。并且，电化学传感器法存在气体组分间的干扰问题，不仅选择性差，而且存在零点易漂移、寿命短等主要缺陷，不适用于SF6气体绝缘电气设备的在线监测。专利CN101644670A “六氟化硫气体放电微量组分的红外检测装置及方法”利用傅立叶红外光谱的方法对GIS在局部放电下的SF6分解气体进行检测。该装置通过实验变压器在局部放电实验装置上模拟局部放电使SF6产生分解，将气体采集至气体袋等容器中并通入长光程气体池，然后采用红外光谱仪进行红外光谱吸收检测。该装置虽然可检测S02F2、SOF2, SO2, HF、S2F10等多种气体组分，傅立叶红外法自身具有检测精度差、灵敏度低、检测时间长等缺点，适于实验室中的定性分析，不适于对SF6气体绝缘电气设备的现场在线监测。专利CN10151496A “基于光声光谱技术的SF6检测系统”在断路器所在位置附近设置若干根泄漏气体采样管，采集泄漏的SF6气体至光声腔体内，然后利用CO2激光器产生激光光束通过光声发生器的滤光片并入射到光声腔体，通过检测断路器外部SF6气体浓度来在线监测SF6气体泄漏。该专利提及的泄漏气体采样管未与SF6断路器直接连接，受结构限制无法检测SF6电气设备内部的分解气体。并且CO2激光器的激光波长范围在9 V- nTll V- m,不能覆盖SF6分解气体的全部波长范围，且不连续可调，还会引起吸收的交叉干涉，因此受检测手段的限制也无法全面地检测和分辨SF6的分解气体。专利CN101982759A “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”采用红外光声光谱的方法，将特定波段内的光入射到共振型光声池中产生光声信号，用以检测局部放电下3 6、0 4、50#2、5(^、502和册气体的浓度。然而，由于红外非相干光源是面光源，输出功率和福射强度低，且光源信号发散大，此时穿入至光声池的光信号功率很低，导致产生的光声信号强度很弱，易受周围噪声的干扰，不易分离出所需信号，其检测精度较低。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种可用于定量、精确、少维护或免维护、结构简单的在线监测六氟化硫(SF6)气体绝缘电气设备的SF6气体分解物检测装置。本发明根据六氟化硫气体绝缘电气设备在放电故障局部放电、电弧放电、火花放电等和局部过热故障时SF6气体分解的原理，采用椭球面反光镜将红外非相干光源辐射的红外光信号变为聚焦光束，可有效将面光源产生的发散光聚焦，从而增强了入射光的功率密度，最后利用非共振光声光谱的方法，在一定的波长范围内实现连续调制，检测SF6特征分解气体的组分和含量，并依此分析和判断电气设备的内部异常情况。本发明具有用气量少、检测精度高、检测时间间隔短、零点不漂移、多组份同时检测、维护量小等优点，适用于电气设备内部故障的在线连续监测。本发明采用非共振红外光声光谱技术，将红外光源经椭球面反光镜聚焦到非共振光声池中，产生的光声信号经由微音器及信号处理组件检测，从而获取光声池内SF6及其分解气体的成分及含量等信息。光声光谱是基于光声效应的技术，其机理是气体分子吸收周期性调制的光能后受到激发，随即以释放热能的方式退激，释放出的热能使气体产生压力波，压力波的强度与气体分子的浓度成比例关系，通过检测压力波的强度便可得到气体组分的浓度。不同的气体组分吸收不同波长的光能，通过改变入射光波的波长来选择气体的不同组分。非共振光声光谱的原理是当入射光的调制频率远低于光声池最低阶简正模式的共振频率时，光声池工作于非共振模式，此时声波的波长远大于光声池的腔体尺寸，无法建立行波场和驻波场，光声池内各处声压基本相等并随着入射光的调制频率的变化而变化。本发明的特征在于针对红外光源易发散的缺陷，采用椭球面反光镜将光辐射聚焦到光声池内，增强了腔内光功率；而采用的非共振光声池具有体积小、检测灵敏度高等优点，并且其结构简单、使用方便的特点易于仪器小型化设计。针对SF6及其分解气体的红外吸收峰存在交叉重叠的问题，采用光声光谱法同时在线监测sf6、CF4, SO2F2, SOF2, SO2, SF4,H2O等多种气体的含量，并依此分析SF6分解气体组分、浓度与设备内部故障的定量对比关系，诊断SF6气体绝缘电气设备的内部故障并发出报警信号。本发明对气体红外吸收峰的选择要求低，可有效排除多种气体的交叉干扰，检测精度高、分辨率高。
本发明检测分析装置主要用于检测待检测模块故障后的SF6分解气体。待检测模块可为SF6气体绝缘电气设备或实验室内的绝缘故障模拟系统。待检测模块的气室接口通过气体管与流量计和光声光谱检测模块连接，流量计用于测量通入气体。本发明检测分析装置主要由光声光谱检测模块组成。所述的光声光谱检测模块的特征在于能够覆盖SF6及其分解气体的红外吸收峰，并可以通过滤光器件排除各气体存在的交叉重叠，也有效排除其他气体的交叉干扰，分辨率高。所述的光声光谱检测模块主要包括光源模块、光声信号产生模块、光功率测量模块和故障诊断分析模块。光源模块产生具有SF6分解物特征吸收峰波长的光；包括S0F2、SO2, CF4, SO2F2, H2S和CO2等。光源模块产生的光入射至光声信号产生模块中的非共振光声池中。光声信号产生模块用于产生SF6及其分解气体的光声信号并转换为电信号。所述的非共振光声池出射的光束由光功率测量模块感应并检测光束的平均功率。光声信号产生模块和光功率测量模块经电缆与故障诊断分析模块相连，经光声信号产生模块和光功率测量模块采集和处理的信号通过RS322/485线传入故障诊断分析模块中，用于计算SF6及其分解气体的浓度，并分析SF6分解气体组分、浓度，诊断SF6气体绝缘电气设备的内部故障并发出报警信号。所述的光源模块包括红外非相干光源、椭球面反光镜、光学斩波器的斩波刀片和斩波控制器、信号电缆、滤光片轮及窄带滤光片。其中，椭球面反光镜的长轴线上有两个几何焦点，所述的红外非相干光源置于椭球面反光镜的近端焦点上，窄带滤光片安装在所述的滤光片轮上的滤光片孔中，斩波刀片位于红外非相干光源和窄带滤光片之间。所述的椭球面反光镜把红外非相干光源辐射的红外光束汇聚于椭球面反光镜长轴线的远端焦点处，从而增强了入射光的功率密度。所述的斩波控制器的控制端口通过信号电缆与斩波刀片相连，斩波控制器的输出端口与光声信号产生模块的锁相放大器通过信号电缆相连，斩波刀片的斩波频率作为参考频率由斩波控制器的输出端口传送到锁相放大器。经椭球面反光镜聚焦后的光束经所述斩波刀片调制成具有一定频率的红外光脉冲，继而由窄带滤光片滤波形成特定波长的单色光。红外非相干光源、斩波刀片的斩波孔、窄带滤光片的轴心共线准直。所述的椭球面反光镜的反射镜面镀有一层红外波段的增反膜，增反膜使入射光大部分或几乎全部光反射回去；所述的窄带滤光片可使某一波段范围的光透过而其它波段范围的光被截止，使入射到光声池中的光与SF6某分解物的特征吸收峰的波长范围一致。根据SF6及其分解气体的红外吸收特征波峰，所述的窄带滤光片的中心波长分别为5848i!m(SF6),6658 um (SO2F2),7463 u m (SOF2),8680 u m (SO2),7824 u m (CF4)'11223 y m (SF4)和7143 um (H2OX如增加其它分解物的滤光片，只需根据该气体的红外吸收特征波峰进行相应的窄带滤光片选择即可。所述的斩波刀片配有低频斩波刀片和高频斩波刀片，其斩波频率的范围为400Hz 3. 7kHz。所述的光声信号产生模块主要包括非共振光声池、微音器和锁相放大器。其中，微音器包括前置放大器和传声器，固定在非共振光声池的壳体上用于将光声信号转换为电信号，微音器的输出端通过电源、信号电缆与锁相放大器相连，锁相放大器对微音器输出的电信号进行信号调理和噪声处理。由于红外非相干光源是发散的面光源，光信号衰减大，为缩 短光程，所述的非共振光声池采用紧凑型小尺寸结构。所述的非共振光声池主要包括光声腔体、入光窗片、出光窗片、压力表计和阀门等，其具体结构为光声腔体为圆柱形腔体；光声腔体的轴向两端开有圆形通孔，分别为入光口和出光口，入光窗片和出光窗片分别用法兰固定在所述的圆形通孔上；垂直于光声腔体轴向的一端开有圆形通孔，为进出气口，进出气口与焊接有钢管的法兰连接，钢管外端接有聚四氟乙烯软管和三通接头，压力表计与三通接头的一端相连，三通接头的另一端通过球阀密封；光声腔体的内壁中部上方设有圆形通孔，微音器用法兰固定和密封在所述的圆形通孔上。入光口、出光口和光声腔体的轴向中心在同一条水平线上。所述入射窗片和出射窗片的透过波长范围分别为IynTgilm和liinT23iim，透光率大于90%。所述微音器的频率响应范围是20Hz 20kHz，灵敏度为50mV/Pa。所述锁相放大器的频率范围为ImHz 102. 4kHz，灵敏度为2n疒IV，增益精确度为±1%，动态存储>100dB，稳定性为5ppm/°C，GPIB和RS232两种接口。光源模块中的斩波控制器的输出端口与所述的锁相放大器通过信号电缆相连，光源模块中斩波刀片的斩波频率作为参考频率由斩波控制器的输出端口传送到锁相放大器。所述的光功率测量模块包括光功率传感器和光功率计。光功率传感器通过光纤与光功率计连接，用于检测光信号的平均输出功率。所述光功率传感器和光功率计的光谱响应范围为190nnT20iim，功率量测范围为5(Mr300W，适于光信号的平均功率测量。所述光功率测量模块位于光声信号产生模块中非共振光声池出射窗片的外侧，所述的光源模块位于光声信号产生模块中非共振光声池入射窗片的外侧。光源模块中的红外非相干光源、斩波刀片的斩光孔、窄带滤光片以及光功率测量模块中的光功率传感器检测口，四者的轴心与非共振光声池的轴心共线准直。所述的故障诊断分析模块主要包括嵌入式主机、监测分析单元、显示屏、存储器和报警器。其中，嵌入式主机经RS485/232电缆与锁相放大器相连输出处理后光声信号，同时通过USB接线与光功率计相连，输出平均的光功率信号，并通过嵌入式主机内含的监测分析单元计算各组分的气体浓度值以及分析SF6气体绝缘电气设备的运行状态；显示屏和存储器分别经电缆与嵌入式主机相连，用以显示和保存监测分析单元的计算分析结果；报警器经电缆与嵌入式主机相连，一旦监测分析单元的计算分析结果超过设定的阈值，启动报警器报警。本发明主要特点如下(I)带有红外非相干光源的光源模块可有效增强光信号，性能稳定、寿命长且衰减小，可实现sf6、CF4, SO2F2, SOF2, SO2, S2F10, SF4, H2O等多种气体的定量检测，检测精度高且可
靠性高。(2)本发明检测出的各组份浓度在I 500ppm范围内能呈现良好线性关系，灵敏度高，最小检测限彡o. 05ppm ( u 1/L)。(3)本发明对气体的红外吸收峰的选择要求低，相关光源的透过带宽窄，多组气体存在交叉重叠时可有效排除相互干扰进行高精度检测，可实现多组份气体的同时检测。(4)本发明装置无零点漂移，无需周期性标定，对环境检测无特殊要求，可做到免维护甚至少维护，长期工作稳定可靠，仪器结构简单，适于现场检测。(5)本发明装置两次检测的时间间隔短，所需样气少，可有效用于SF6气体绝缘电气设备的在线连续监测。(6)本发明可广泛用于SF6气体绝缘电气设备或实验模拟装置的局部放电、火花放电、电弧放电和局部过热等绝缘故障下的SF6及其分解气体的检测和绝缘故障的分析诊断，适用于电网现场、科研、制造生产厂商的设备的状态监测、故障诊断和故障机理分析等。
图1-1实验室模拟绝缘故障时的SF6及其分解产物的检测示意图；图1-2SF6气体绝缘电气设备的SF6及其分解产物的检测示意图；图2-1光声光谱检测模块8的接线图；图2-2光声光谱检测模块8的原理图；图3非共振光声池14的结构示意图；
图4故障诊断分析模块的结构示意图；图5局部放电和火花放电故障时SF6及其分解产物检测的原理图；图6电弧放电故障时SF6及其分解产物检测的原理图；图7局部过热故障时SF6及其分解产物检测的原理图；图中1实验室内的绝缘故障模拟系统，2同轴电缆，3示波器，4阀门，5气体管，6流量计，7真空泵，8光声光谱检测模块，9SF6气体绝缘电气设备，2-1光源模块，2-2光声信号产生模块，2-3光功率测量模块,2-4故障诊断分析模块,10红外非相干光源，11椭球面反光镜，12斩波刀片，13信号电缆，14斩波控制器，15滤光片轮及窄带滤光片，16信号电缆，17非共振光声池，18微音器，19信号电缆，20锁相放大器，21光功率传感器，22光纤23光功率计，24USB接线，25嵌入式主机，26RS485/232电缆，27入射窗片，28光声腔体，29出射窗片，30进出气口，31监测分析单元，32显示屏，33存储器，34报警器，35局部放电或火花放电发生模块，36放电模拟装置，37电弧放电发生装置，38电弧放电模拟装置，39温度指示仪，40钼丝过热件，41实验箱，42局部过热模块。
具体实施例方式下面结合附图及具体实施方式
对本发明做进一步描述。本发明检测分析装置主要包括待检测模块和光声光谱检测模块8。待检测模块可为实验室内的绝缘故障模拟系统I或SF6气体绝缘电气设备9。待检测模块的气室接口通过气体管5与流量计6和光声光谱检测模块8连接，流量计6用于测量通入气体管5的气体流量。如图1-1所示，实验室内的绝缘故障模拟系统I主要包括故障发生模块和故障模拟装置。实验室绝缘故障模拟系统I经阀门4连接气体管5，然后气体管5通过阀门分别与真空泵7和与光声池的进出气口 30相连，用于抽真空或检测SF6及其分解气体的浓度。流量计6用于测量通入气体管5的气体流量。在实验室模拟绝缘故障时，检测前，真空泵7对实验室绝缘故障模拟系统I的故障模拟装置进行抽真空和清洗。清洗完毕后，向实验室绝缘故障模拟系统的故障模拟装置内通入SF6气体。然后，进行相关的绝缘故障模拟实验。实验结束后，打开阀门4，根据流量计6的气体流量指示将气体通入光声光谱检测模块8进行电弧放电下的SF6及其分解气体的浓度检测。实验结束后，打开阀门4，根据流量计6的气体流量指示将气体通入光声光谱检测模块8进行电弧放电下的SF6及其分解气体的浓度检测。如图1-2所示，SF6气体绝缘电气设备9的气室接口通过气体管5与流量计6和光声光谱检测模块8连接，用于SF6气体绝缘电气设备的在线监测。具体为，SF6气体绝缘电气设备1-1的气室接口通过气体管5与流量计6、共振光声池14的进出气口 30连接，流量计用于测量气体流量。如图2-1所示，所述光声光谱检测模块主要包括光源模块2-1、光声信号产生模块
2-2、光功率测量模块2-3和故障诊断分析模块2-4。光源模块2-1中的红外非相干光源辐射的红外光信号经反光镜聚焦、光学斩波器的斩波刀片12调制、窄带滤光片15过滤后形成特定波长的光，然后入射至光声信号产生模块2-2，光声信号产生模块2-2经电缆与故障诊断分析模块2-4连接，光功率测量模块2-3经USB接线与计算机连接。光源模块2-1用于产生覆盖SF6及其分解气体红外吸收波段的聚焦光束，光声信号产生模块2-2是发生和处理SF6及其分解气体的光声信号的场所，光功率测量模块2-3用于感应并检测聚焦光束的平均功率，故障诊断分析模块2-4用于计算SF6及其分解气体的浓度以及诊断SF6气体绝缘电气设备的内部故障并报警。 如图2-2所示，所述的光源模块包括红外非相干光源10、椭球面反光镜11、光学斩波器的斩波刀片12和斩波控制器14、信号电缆13和16、滤光片轮及窄带滤光片15。其中，椭球面反光镜11的长轴线上有两个几何焦点，所述的红外非相干光源10置于椭球面反光镜11的近端焦点上，窄带滤光片15安装在所述的滤光片轮上的滤光片孔中，斩波刀片12位于红外非相干光源10和窄带滤光片15之间。所述的椭球面反光镜11把红外非相干光源10辐射的红外光束汇聚于椭球面反光镜11长轴线的远端焦点处，从而增强了入射光的功率密度。所述的斩波控制器14的控制端口通过信号电缆13与斩波刀片相连，斩波控制器14的输出端口与光声信号产生模块的锁相放大器20通过信号电缆16相连,斩波刀片12的斩波频率作为参考频率由斩波控制器14的输出端口传送到锁相放大器20。经椭球面反光镜11聚焦后的光束经所述斩波刀片12调制成具有一定频率的红外光脉冲，继而由窄带滤光片15滤波形成特定波长的单色光。红外非相干光源10、斩波刀片12的斩波孔、窄带滤光片15的轴心共线准直。所述的光声信号产生模块主要包括非共振光声池17、微音器18、信号电缆19、锁相放大器20。其中，微音器18通过螺栓固定在共振光声池17中光声腔体28的壳体上,微音器18的输入端通过信号电缆19与光声腔体28连接，微音器18用于将SF6及其分解气体光声信号转换为电信号，然后输出至锁相放大器20进行信号调理和噪声处理。所述的光功率测量模块包括光功率传感器21、光纤22、光功率计23和USB接线24，光功率传感器21经光纤22与光功率计23连接，检测光信号的平均输出功率。非相干红外光源10、窄带滤光片15、光功率传感器21的检测口轴心与非共振光声池17的轴心共线准直。嵌入式主机25的经RS485/232电缆26与锁相放大器20相连输出处理后光声信号，同时嵌入式主机25通过USB接线24与光功率计23相连输出平均功率信号，然后故障诊断分析模块2-4利用监测分析单元31结合光声信号、光信号的平均输出功率等计算各组分的气体浓度值，诊断内部故障并报警。如图3所示，非共振光声池17主要包括入光窗片27、光声腔体28、出光窗片29和进出气口 30等。具体结构为光声腔体28为圆柱形腔体，其材料为黄铜或不锈钢。光声腔体28的轴向两端开有圆形通孔，分别为入光口和出光口，入光窗片27和出光窗片29分别用法兰固定在所述的入光口和出光口上；垂直于光声腔体轴向的一端开有圆形通孔，为进出气口 30，进出气口 30与焊接有钢管的法兰连接，钢管外端接有聚四氟乙烯软管和三通接头，压力表计与三通接头的一端相连，三通接头的另一端通过球阀密封；光声腔体28的内壁中部上方设有圆形通孔，微音器16用法兰固定和密封在所述的圆形通孔上。入光口、出光口和光声腔体的轴向中心在同一条水平线上。所述入射窗片和出射窗片的材料为氟化钙(CaF2)或硒化锌(ZnSe)，其透过波长范围分别为I y nT9 y m和I y nT23 u m，透光率大于90%。如图4所示，故障诊断分析模块2-4主要包括嵌入式主机25、监测分析单元31、显示屏32、存储器33和报警器34。其中，监测分析单元31内含在嵌入式主机25中，用于计 算SF6及其分解气体的浓度。并根据相关的中华人民共和国国家标准和电力行业标准，分析SF6分解气体与设备运行、检修等状况的对应关系，诊断SF6气体绝缘电气设备的内部故障。显示屏32和存储器33分别经电缆与嵌入式主机25相连，用以显示和保存监测分析单元31的计算分析结果；报警器34经电缆与嵌入式主机25相连，一旦监测分析单元31的计算分析结果超过设定的阈值，报警器34启动并报警。检测时，红外非相干光源10产生的光经过椭球面反光镜11、光学斩波器的斩波刀片12和窄带滤光片15后形成特定波长的光，然后经入射窗片27入射到非共振光声池17内，在经气体管5、进出气口 29通入非共振光声池17的气体上产生光声信号。光声信号经微音器18放大后转换为电信号后经信号电缆19传送到锁相放大器20进行信号调理和滤除噪声，斩波刀片12的斩波频率作为参考频率由斩波控制器14的输出端口通过信号电缆16传送到锁相放大器20,锁相放大器20处理后的信号经RS485/232电缆26与嵌入式主机25相连输出光声信号。同时,入射到非共振光声池的光穿过出射窗片29后由光功率传感器21经光纤22与光功率计23相连，测量光信号的平均输出功率，光功率计23通过USB接线24与嵌入式主机25相连输出功率信号。嵌入式主机25内含的监测分析单兀31结合光声信号、光信号输出功率等计算各组分的气体浓度值和诊断分析设备的故障，计算分析结果分别显示和储存在显示屏32和存储器33上。一旦监测分析单元31的计算分析结果超过设定的阈值，报警器34启动并报警。检测结束后，打开连接在进出气口 30的阀门，将非共振光声池17中的气体通过进出气口 30排出，然后将真空泵7通过气体管与非共振光声池17的进出气口 30相连，清洗非共振光声池。当发生局部放电或火花放电故障时，SF6气体会分解产生SF4、SOF2, CF4, SO2F2和S2F10等气体，如果设备中含有水分H2O,则SOF2会进一步分解为S02。因此，当SF6气体绝缘电气设备发生局部放电或火花放电故障时，或者参照图5在实验室中模拟局部放电或火花放电故障时，通过光声光谱检测模块8对SF6和H2O进行检测，可分析SF6气体的纯度和杂质含量，对SF4、SOF2, CF4, SO2F2、和SO2进行检测，可分析SF6气体绝缘设备是否产生了局部放电或火花放电故障及故障严重程度。图5为实验室模拟局部放电或火花放电时的检测原理图。参照如图5，局部放电或火花放电发生模块35与放电模拟装置36相连，放电模拟装置36通过阀门4和气体管5与真空泵7相连，同时通过另一根气体管5与流量计6和光声光谱检测模块8连接。当发生电弧放电故障时，SF6气体会分解产生SF4、SOF2, CF4, SO2F2等气体，如果设备中含有水分H2O,则SOF2会进一步分解为S02。因此，当SF6气体绝缘电气设备发生局部放电或火花放电故障时，或者参照图6在实验室中模拟电弧放电故障时，通过光声光谱检测模块8对SF6和H2O进行检测可分析SF6气体的纯度和杂质含量，对SF4、SOF2、CF4、SO2F2、SO2和S2Fltl进行检测可分析SF6气体绝缘设备是否产生了电弧放电故障及故障严重程度。图6为实验室模拟电弧放电时的检测原理图。如图6所示，电弧放电发生装置37与电弧放电模拟装置38相连，电弧放电模拟装置37通过阀门4和气体管5与真空泵7相连，同时通过另外的阀门4和另一根气体管5与流量计6和光声光谱检测模块8连接。当发生局部过热故障时，SF6气体会分解产生SF4、SOF2, SO2F2等气体，如果设备中含有水分H2O,则SOF2会进一步分解为S02。因此，当SF6气体绝缘电气设备发生局部过热故障时，或者参照图7在实验室中模拟局部过热故障时，通过光声光谱检测模块8对SF6和H2O进行检测，可分析SF6气体的纯度和杂质含 量，对SF4、SOF2, SO2F2和SO2进行检测，可分析SF6气体绝缘设备是否产生了局部过热故障及故障严重程度。图7为实验室模拟局部过热故障时的检测原理图。参照图7，局部过热模块42中，钼丝过热件40位于实验箱41内并与电源相连，对钼丝过热件40通入电流可模拟局部过热故障，温度指示仪39用来测量钼丝过热件40的温度。局部过热模块42的实验箱41通过阀门4和气体管5与真空泵7相连，同时通过另外的阀门4和另一根气体管5与流量计6和光声光谱检测模块8连接。
权利要求
1.ー种非共振光声光谱检测分析装置，其特征在于，所述的检测装置由光声光谱检测模块(8)组成；所述的光声光谱检测模块(8)包括光源模块(2-1)、光声信号产生模块(2-2)、光功率測量模块(2-3)和故障诊断分析模块(2-4);所述的光源模块(2-1)产生的光束入射至光声信号产生模块(2-2)的非共振光声池中，光声信号产生模块(2-2)用于产生SF6及其分解气体的光声信号并将所述的光声信号转换为电信号，所述的非共振光声池出射的光束由光功率測量模块(2-3)感应并检测光束的平均功率；所述的光声信号产生模块(2-2)和光功率測量模块(2-3)与故障诊断分析模块(2-4)相连，经光声信号产生模块(2-2)和光功率測量模块(2-3)采集和处理的信号传输至故障诊断分析模块(2-4)中，故障诊断分析模块(2-4 )计算SF6及其分解气体的浓度，并分析SF6分解气体组分、浓度,诊断SF6气体绝缘电气设备的内部故障并发出报警信号。
2.根据权利要求I所述的非共振光声光谱检测分析装置，其特征在于，所述的光源模块(2-1)包括红外非相干光源(10)、椭球面反光镜(11)、光学斩波器、滤光片轮和窄带滤光片组(15);所述的红外非相干光源置于椭球面反光镜的长轴线上的近端焦点上；一组窄带滤光片安装在所述的滤光片轮上的滤光片孔中；光学斩波器包括斩波刀片(12)和斩波控制器(14)，斩波刀片(12)位于红外非相干光源和窄带滤光片之间，斩波控制器(14)的控制端ロ通过信号电缆与斩波刀片(12)相连；所述的椭球面反光镜的反射镜面镀有一层红外波段的增反膜，把红外非相干光源辐射的红外光束汇聚于椭球面反光镜长轴线的远端焦点处；红外非相干光源、光学斩波器的斩波孔、窄带滤光片的轴心共线准直。
3.根据权利要求2所述的非共振光声光谱检测分析装置，其特征在于，所述的斩波控制器(14)的输出端ロ与光声信号产生模块(2-2)的锁相放大器通过信号电缆相连,斩波刀片的斩波频率作为參考频率由斩波控制器的输出端ロ传送到锁相放大器；经椭球面反光镜聚焦后的光束经所述斩波刀片调制成具有一定频率的红外光脉冲，由所述的窄带滤光片滤波形成特定波长的単色光。
4.根据权利要求2所述的非共振光声光谱检测分析装置，其特征在干，所述的椭球面反光镜(11)的反射镜面镀有一层红外波段的增反射膜。
5.根据权利要求I所述的非共振光声光谱检测分析装置，其特征在于，所述的光声信号产生模块(2-2)包括非共振光声池(17)、微音器(18)和锁相放大器(20);所述的微音器(18)固定在非共振光声池(17)中光声腔体(28)的壳体上,微音器(18)的输入端与光声腔体(28)连接,微音器的输出端通过电源、信号电缆与锁相放大器(20)相连,微音器(18)用于将SF6及其分解气体光声信号转换为电信号，然后输出至锁相放大器(20)进行信号调理和噪声处理。
6.根据权利要求I所述的非共振光声光谱检测分析装置，其特征在于，所述的光功率测量模块(2-3)主要包括光功率传感器(21)和光功率计(23);光功率传感器(21)经光纤(22)与光功率计(23)连接，感应并检测光信号的平均输出功率；所述的红外非相干光源(10)、窄带滤光片(15)、光功率传感器(21)的检测ロ轴心与所述的非共振光声池(17)的轴心共线准直；嵌入式主机(25)经RS485/232电缆(26)与锁相放大器(20)相连，输出处理后的光声信号，同时嵌入式主机(25 )通过USB接线(24 )与光功率计(23 )相连，输出平均光功率信号，故障诊断分析模块(2-4)利用监测分析単元(31)结合光声信号、光信号的平均功率计算各组分的气体浓度值，在线监测SF6,体绝缘电气设备并进行故障诊断，超过设定阈值时报警。
7.根据权利要求I所述的非共振光声光谱检测分析装置，其特征在于，所述的非共振光声池(17)主要包括入射窗片(27)、光声腔体(28)、出射窗片(29)和进出气ロ(30);光声腔体(28)为圆柱形腔体；光声腔体(28)的轴向两端开有圆形通孔，分别为入光口和出光ロ，入光窗片(27)和出光窗片(29)分别用法兰固定在所述的入光口和出光口上；垂直于光声腔体轴向的一端开有进出气ロ( 30)，进出气ロ( 30)与焊接有钢管的法兰连接，钢管外端接有聚四氟こ烯软管和三通接头，压カ表计与三通接头的一端相连，三通接头的另一端通过球阀密封；光声腔体(28)的内壁中部上方设有圆形通孔，微音器(18)用法兰固定和密封在所述的圆形通孔上；所述的入光ロ、出光口和光声腔体(28)的轴向中心在同一条水平线上。
8.根据权利要求I所述的非共振光声光谱检测分析装置，其特征在于，所述的故障诊断分析模块(2-4)包括嵌入式主机(25)、监测分析単元(31)、显示屏(32)、存储器(33)和报警器(34);所述的监测分析単元(31)内含在嵌入式主机(25)中，用于计算SF6及其分解气 体的浓度，进行故障诊断；所述的报警器(34)与嵌入式主机(25)相连，一旦监测分析単元(31)的计算分析结果超过设定的阈值，报警器(34)启动并报警。
9.根据权利要求I所述的非共振光声光谱检测分析装置，其特征在于，所述的待检测模块为SF6气体绝缘电气设备(1-1 )，所述的SF6气体绝缘电气设备(1-1)的气室接ロ通过气体管(5)、流量计(6)，以及非共振光声池(17)的进出气ロ(30)连接。
10.根据权利要求I所述的非共振光声光谱检测分析装置，其特征在于，所述的待检测模块为实验室内的绝缘故障模拟系统(1-2)，所述的实验室内的绝缘故障模拟系统(1-2)经阀门(4)连接气体管(5)，再由气体管(5)分别与真空泵(7)和与非共振光声池(17)的进出气ロ(30)相连。
全文摘要
一种非共振光声光谱检测分析装置，由光声光谱检测模块(8)组成。光声光谱检测模块(8)包括光源模块(2-1)、光声信号产生模块(2-2)、光功率测量模块(2-3)和故障诊断分析模块(2-4)；光源模块(2-1)中红外非相干光源产生的光信号经椭球面反光镜聚焦后形成聚焦光束，然后经光学斩波器的斩波刀片和滤光片调制成特定频率和波长的光入射到光声信号产生模块(2-2)，待测气体经照射产生的光声信号经故障诊断分析模块(2-4)计算各气体浓度并进行故障诊断和报警。本发明可定量检测SF6、CF4、SO2F2、SOF2、SO2、SF4、H2O等气体，适于现场在线监测。
文档编号G01N21/17GK102661918SQ20121016942
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月28日 优先权日2012年5月28日
发明者张国强, 林涛, 邱宗甲, 韩冬 申请人:中国科学院电工研究所