一种基于长光程TDLAS技术的SF6分解物在线监测装置的制作方法

一种基于长光程tdlas技术的sf6分解物在线监测装置
技术领域
[0001]
本发明涉及电力安全领域，尤其是涉及一种基于长光程tdlas技术的sf6分解物在线监测装置。


背景技术：

[0002]
近年来，sf6变电设备的数量逐渐增多，gis(gas insulated switchgear，气体绝缘金属封闭开关设备)设备被大规模采用。gis设备属于高电压设备，在生产、运输过程中可能造成其内部绝缘缺陷，在高电压作用下，绝缘缺陷出现局部放电击穿。当gis气体绝缘设备内部出现较为严重局部放电(partial discharge，pd)或局部过热(partial over-thermal，pot)时，设备中的sf6气体会发生有一定规律的分解。分解生成的低氟化物(sf
x
，x＝1、2、3
…
)再与设备内固有存在的微量h2o和o2等反应后进一步生成如so2、hf、so2f2、sof2、sof4和h2s等特征组分，不仅造成gis设备绝缘性能降低，还可能引发严重的故障。
[0003]
现有技术中，常常通过检测sf6分解后产生的微量特征组分，对设备进行绝缘故障诊断与维护。但是，使用色谱技术进行特征组分检测时，需要载气和色谱柱等易耗品，且检测时间较长，不适于连续的现场检测。非分光红外检测的精度不够，有交叉干扰现象，无法满足gis内部分解产物气体浓度精确检测的需求。
[0004]
公开号为cn209372685u的中国实用新型专利公开了一种基于物联网技术的 sf6分解物分析仪，结合光谱和声波进行测量，光谱传感器与红外光源一一对应，提高了测量精度，但是，该装置没有解决自动取气回气问题，且检测精度仍有待提高。
[0005]
tdlas(tunable diode laser absorption spectroscopy)技术是可调谐二极管激光吸收光谱技术的简称，是吸收光谱技术的一种，可以实现对特定气体浓度的精确测量。与传统吸收光谱技术相比，可调谐二极管激光器可以发出单一频率的窄带激光并通过波长调谐扫描某一气体吸收线，且发出的激光频率对注入激光器电流和工作温度非常敏感。在激光器发出激光波长稳定在气体吸收峰后，可以通过改变注入电流和工作温度，实现电流调谐频率使其扫描过气体吸收谱线，该方法避免了其它背景气体对检测结果造成干扰。通过该方法，待测气体受激吸收使得激光光强发生衰减，对吸收后的光谱信号进行采集和处理，得到含有气体浓度信息的数据，该技术具有抗电磁干扰、检测精度高、可靠性好、环境适应能力强等优点。但是，受设备限值，对于浓度较低的气体，tdlas技术的检测精度不够理想。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于长光程 tdlas技术的sf6分解物在线监测装置，基于tdlas技术进行sf6分解物的检测，降低了成本和气路控制系统的复杂度，提高了测量精度；在红外吸收腔体两端分别设置锯齿状全反射镜，极大的增加了光程，提高了对于浓度较低的气体的检测精度；当压力达到一定值时，第二电磁阀开启，密闭气体缓冲室内的气体自动回到gis 设备，结构简单，实现了自动回气。
[0007]
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008]
一种基于长光程tdlas技术的sf6分解物在线监测装置，用于监测gis设备中的sf6分解物的浓度，包括：
[0009]
阀组，用于控制所述sf6分解物在线监测装置中不同位置的气体通路的流通或阻断；
[0010]
tdlas检测模块，用于检测气体样品内各类气体的浓度，包括光路单元和电路单元，所述气体样品为自gis设备中获取的sf6气体；
[0011]
密闭气体缓冲室，用于存放检测后的气体样品，与阀组配合，用于实现气体样品回流至gis设备；
[0012]
控制板，与阀组、tdlas检测模块通信连接，用于控制阀组和tdlas检测模块。
[0013]
进一步的，所述sf6分解物在线监测装置还包括上位机和信号采集模块，所述信号采集模块采集tdlas检测模块的光强电信号并传输至上位机，所述上位机与控制板通信连接，用于发送控制命令和实时计算并显示各类sf6分解物的浓度。
[0014]
进一步的，所述阀组包括：
[0015]
手动阀，包括第一端口和第二端口，所述手动阀的第一端口与gis设备连接，用于控制gis设备与sf6分解物在线监测装置之间气体通路的流通或阻断；
[0016]
减压阀，设于手动阀的第二端口和第一电磁阀之间，用于调节气体通路中气体样品的压力；
[0017]
第一电磁阀，设于减压阀与tdlas检测模块之间，用于控制由减压阀至 tdlas检测模块之间气体通路的流通或阻断；
[0018]
单向阀，设于tdlas检测模块与和密闭气体缓冲室之间，用于实现由tdlas 检测模块至密闭气体缓冲室之间气体通路的单向导通；
[0019]
第二电磁阀，设于密闭气体缓冲器与手动阀的第二端口之间，用于控制由密闭气体缓冲室至gis设备之间气体通路的流通或阻断。
[0020]
更进一步的，所述sf6分解物在线监测装置还包括：
[0021]
流量计，设于第一电磁阀与tdlas检测模块之间，用于测量流经tdlas检测模块的气体样品的流量；
[0022]
压力气泵，设于tdlas检测模块与单向阀之间，用于将气体通路中的气体样品压入密闭气体缓冲室；
[0023]
压力传感器，与密闭气体缓冲室连接，用于测量密闭气体缓冲室内的压力。
[0024]
更进一步的，所述sf6分解物在线监测装置还包括两位三通电磁阀，所述两位三通电磁阀设于压力气泵与单向阀之间，用于进行sf6分解物在线监测装置安装时装置内气体的排出。
[0025]
进一步的，所述sf6分解物在线监测装置还包括机箱，所述机箱用于放置sf6分解物在线监测装置。
[0026]
更进一步的，所述sf6分解物在线监测装置还包括报警单元和气体浓度检测单元，所述气体浓度检测单元用于检测机箱内sf6气体的浓度，所述报警单元与控制板通信连接，用于获取气体浓度检测单元的输出和报警。
[0027]
更进一步的，所述气体浓度检测单元为1个或多个设于机箱内的非分光红外传感
器。
[0028]
进一步的，所述tdlas检测模块的光路单元包括激光器组、输入切换器、光纤、红外吸收腔体、锯齿状全反射镜和聚焦器，所述激光器组包括多个激光器，各激光器发射不同波长的激光，分别用来检测气体样品中各类sf6分解物，各激光器发射的激光经输入切换器调整方向后沿光纤射入红外吸收腔体的入射口，对称设于红外吸收腔体两端的锯齿状全反射镜对激光进行反射，多次反射后激光射入设于红外吸收腔体出射口的聚焦器。
[0029]
进一步的，所述tdlas检测模块的电路单元包括探测器、前置放大器、锁相放大器和a/d转换器，所述探测器接收经聚焦器聚焦的激光并得到光强信号，所述光强信号依次通过前置放大器、锁相放大器和a/d转换器，得到光强电信号。
[0030]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0031]
(1)基于tdlas技术进行sf6分解物的检测，相较于在线色谱技术，tdlas 不消耗被测样品，不需要惰性载气和易污染老化的色谱柱，降低成本，同时降低了气路控制系统的复杂度，消除背景气体交叉干扰，可以测量多种气体成分。
[0032]
(2)对tdlas进行了改进，在红外吸收腔体两端分别设置锯齿状全反射镜，极大的增加了光程，提高了对于浓度较低的气体的检测精度，后续经过聚焦器、探测器、前置放大器、锁相放大器和a/d转换器得到光强电信号，并由信号采集模块传输至上位机，上位机实时计算并显示各类sf6分解物的浓度，自动化程度高。
[0033]
(3)压力气泵将气体回收至密闭气体缓冲室，压力传感器检测密闭气体缓冲室的压力，当压力达到一定值时，第二电磁阀开启，气体自动回到gis设备，结构简单，实现了自动回气。
[0034]
(4)设置1个或多个非分光红外传感器检测机箱内sf6气体的浓度，判断是否发生泄漏，若检测到发生泄漏，则立即报警，并通过控制板阻断密闭气体缓冲室至gis设备之间的气体通路，提升了安全性。
[0035]
(5)设置流量计，测量流入tdlas检测模块的气体流量，根据压力气泵和压力传感器实时计算装置内的气体流量，通过比较，可以进一步判断是否发生泄漏，进一步提升了安全性。
[0036]
(6)设置两位三通电磁阀，在装置安装时，可以通过开关两位三通电磁阀排出装置内的气体，防止破坏gis设备。
附图说明
[0037]
图1为本发明的结构示意图；
[0038]
图2为tdlas检测模块的结构示意图；
[0039]
附图标记：1、手动阀，2、减压阀，3、第一电磁阀，4、流量计，5、tdlas 检测模块，501、激光器组，502、输入切换器，503、光纤，504、红外吸收腔体， 505、锯齿状全反射镜，506、聚焦器，507、探测器，508、前置放大器，509、锁相放大器，510、a/d转换器，6、气体浓度检测单元，7、压力气泵，8、两位三通电磁阀，9、单向阀，10、密闭气体缓冲室，11、压力传感器，12、第二电磁阀。
具体实施方式
[0040]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0041]
实施例1：
[0042]
gis故障统计表明，绝缘事故占了很大的比重，因此要想对gis进行有效的监测，必须深入研究其绝缘性能以及对绝缘故障进行及时的监测和诊断，实现状态维修，从而确保电力系统的安全可靠运行。
[0043]
sf6(六氟化硫)在电弧和加热作用下会分解成单原子，这些单原子中的少部分与游离的金属原子、水和氧发生化学反应，产生金属氟化物及氧、硫的氟化物。这些sf6分解物浓度很低，通过tdlas技术对sf6微量(ppm)分解产物的检测，可以推断gis气室发生电弧的情况和由此引起的绝缘故障类型。
[0044]
一种基于长光程tdlas技术的sf6分解物在线监测装置，用于监测gis设备中的sf6分解物的浓度，整体结构如图1所示，包括阀组、tdlas检测模块5、密闭气体缓冲室10、控制板(图中未标出)。密闭气体缓冲室10用于存放检测后的气体样品，与阀组配合，用于实现气体样品回流至gis设备。控制板与阀组、 tdlas检测模块5通信连接，用于控制阀组和tdlas检测模块5。
[0045]
其中，阀组用于控制sf6分解物在线监测装置中不同位置的气体通路的流通或阻断。阀组包括：
[0046]
手动阀1，包括第一端口和第二端口，手动阀1的第一端口与gis设备连接，用于控制gis设备与sf6分解物在线监测装置之间气体通路的流通或阻断；
[0047]
减压阀2，设于手动阀1的第二端口和第一电磁阀3之间，用于调节气体通路中气体样品的压力；
[0048]
第一电磁阀3，设于减压阀2与tdlas检测模块5之间，用于控制由减压阀 2至tdlas检测模块5之间气体通路的流通或阻断；
[0049]
单向阀9，设于tdlas检测模块5与和密闭气体缓冲室10之间，用于实现由 tdlas检测模块5至密闭气体缓冲室10之间气体通路的单向导通；
[0050]
第二电磁阀12，设于密闭气体缓冲器与手动阀1的第二端口之间，用于控制由密闭气体缓冲室10至gis设备之间气体通路的流通或阻断。
[0051]
sf6分解物在线监测装置还包括流量计4、压力气泵7和压力传感器11。流量计4设于第一电磁阀3与tdlas检测模块5之间，用于测量流经tdlas检测模块5的气体样品的流量。压力气泵7设于tdlas检测模块5与单向阀9之间，用于将气体通路中的气体样品压入密闭气体缓冲室10。压力传感器11与密闭气体缓冲室10连接，用于测量密闭气体缓冲室10内的压力。
[0052]
sf6分解物在线监测装置还包括机箱、报警单元和气体浓度检测单元6，机箱用于放置sf6分解物在线监测装置，气体浓度检测单元6用于检测机箱内sf6气体的浓度，报警单元与控制板通信连接，用于获取气体浓度检测单元6的输出和报警。气体浓度检测单元6为1个或多个设于机箱内的非分光红外传感器。本实施例中，气体浓度检测单元6为1个设于机箱内的非分光红外传感器，报警单元即报警器。
[0053]
在使用sf6分解物在线监测装置时，如果装置内部连接松动或破损会导致泄漏，为了避免sf6气体泄漏，提供了两种检测方式。可以直接通过非分光红外传感器检测机箱内sf6气体的浓度，如果出现泄漏，非分光红外传感器将检测到机箱内sf6气体的浓度，报警器会报警，通过控制板关闭第二电磁阀，出气口关闭，停止检测。也可以读取流量计4测量的进入tdlas检测模块5的气体样品的流量，再根据压力气泵7和压力传感器11实时计算装置内的气体流量，通过比较，可以进一步判断是否发生泄漏，进一步提升了安全性。
[0054]
sf6分解物在线监测装置还包括两位三通电磁阀8，两位三通电磁阀8设于压力气泵7与单向阀9之间，用于进行sf6分解物在线监测装置安装时装置内气体的排出。
[0055]
tdlas检测模块5用于检测气体样品内各类气体的浓度，气体样品为自gis 设备中获取的sf6气体，如图2所示，tdlas检测模块5包括光路单元和电路单元。
[0056]
tdlas技术是是吸收光谱技术的一种，可调谐二极管激光器可以发出单一频率的窄带激光并通过波长调谐扫描某一气体吸收线，且发出的激光频率对注入激光器电流和工作温度非常敏感。在激光器发出激光波长稳定在气体吸收峰后，可以通过改变注入电流和工作温度，实现电流调谐频率使其扫描过气体吸收谱线。待测气体吸收激光，使得激光光强发生衰减，对吸收后的光谱信号进行采集和处理，可以得到含有气体浓度信息的数据。为了增强对浓度较低的气体的检测精度，本申请设置了两个锯齿状全反射镜505对激光进行反射，增加了光程，检测结果更精确。
[0057]
tdlas检测模块5的光路单元包括激光器组501、输入切换器502、光纤503、红外吸收腔体504、锯齿状全反射镜505和聚焦器506，激光器组501包括多个激光器，各激光器发射不同波长的激光，分别用来检测气体样品中各类sf6分解物，各激光器发射的激光经输入切换器502调整方向后沿光纤503射入红外吸收腔体 504的入射口，对称设于红外吸收腔体504两端的锯齿状全反射镜505对激光进行反射，多次反射后激光射入设于红外吸收腔体504出射口的聚焦器506。
[0058]
本实施例中，设置5个激光器，分别检测hf，so2，h2s，co，h2o这5种 sf6分解物，发射的激光的波长分别为1278nm，2460nm，1578nm，1567nm，1393nm。在检测时，每个激光器发出的激光用来检测一类sf6分解物。在其他实施方式中，也可以使用更多的激光器来检测其他sf6分解物。
[0059]
tdlas检测模块5的电路单元包括探测器507、前置放大器508、锁相放大器 509和a/d转换器510，探测器507接收经聚焦器506聚焦的激光并得到光强信号，光强信号依次通过前置放大器508、锁相放大器509和a/d转换器510，得到光强电信号。
[0060]
sf6分解物在线监测装置还包括上位机和信号采集模块，信号采集模块采集 tdlas检测模块的光强电信号并传输至上位机，上位机与控制板通信连接，用于发送控制命令和实时计算并显示各类sf6分解物的浓度。
[0061]
使用sf6分解物在线监测装置主要操作如下：
[0062]
先排空装置内的空气，可以用n2冲洗装置和气体通路，在安装前再用sf6气体冲洗装置和通路，通过开关两位三通电磁阀8，把n2冲洗后的气体排出，把sf6气体排入回收罐，防止破坏gis设备。
[0063]
手动阀1的第一端口与gis设备连接，开启手动阀1，sf6气体自gis设备中流出，通过减压阀2使其为常压状态，第一电磁阀3开启，气体流入tdlas检测模块5。
[0064]
启动单个激光器，如检测hf时，启动激光波长为1278nm的激光器，检测co 时，则启动激光波长为1567nm的激光器，设于不同位置的激光器发射的激光经输入切换器502调整方向，沿光纤503射入红外吸收腔体504的入射口。本实施例中，锯齿状全反射镜505的锯齿角度为90度，射入红外吸收腔体504的激光与水平方向成45度夹角，这样，激光在红外吸收腔体504内经两个锯齿状全反射镜505来回反射，极大的增加了光程。多次反射后激光射入设于红外吸收腔体504出射口的聚焦器506。
[0065]
探测器507即光功率探测器(pd)探测经过红外吸收腔体504内的气体样品吸收后的激光信号，并经过前置放大器508、锁相放大器509和a/d转换器510 转换为模拟电信号，即光强电信号。
[0066]
依次启动激光器，完成对hf，so2，h2s，co，h2o这5种sf6分解物的检测。
[0067]
信号采集模块采集光强电信号并在上位机上以波形显示，同时上位机根据光强电信号计算各类sf6分解物的浓度。
[0068]
本实施例中，上位机即工控机，工控机与控制板采用modbus rtu方式通信通过设置寄存器开断第一电磁阀3、第二电磁阀12、启动压力气泵7等。工控机上可以实现多种通信协议，在其他实施方式中，也可以采用modbus tcp协议和 iec61850协议等方式与控制板通信，适用于多种系统。
[0069]
信号采集模块为ni采集卡和锁相放大器，通过ni采集卡采集tdlas检测模块5得到的光强电信号，该信号经过锁相放大器，实现信号的提取，锁相放大器计算公式如下：
[0070][0071]
其中，v
o
为求得的光强信号，显示在工控机上，v
s
为ni采集卡采集的光强电信号，v
r
为参考信号，为ni采集卡采集的光强电信号与参考信号的相位差，当 ni采集卡采集的光强电信号与参考信号同频率时，v
o
与ni采集卡采集的光强电信号的幅度有关，也与ni采集卡采集的光强电信号与参考信号的相位差有关，调整参考信号的相位当ni采集卡采集的光强电信号的相位时，v
o
与待测信号的幅度成正比。
[0072]
根据激光的衰减测定气体浓度，测量原理的依据是吸收光谱的beer-lambert 定律：
[0073]
i
t
(λ)＝i0(λ)exp-[α(λ)cl]＝i0(λ)exp-[δ(λ)nl]
[0074]
其中，i0(λ)是入射光光强，i
t
(λ)是透射光光强，δ(λ)是气体分子的截面c为气体的体积分数，n为气体的分子数密度，l是气体吸收光路的吸收光程。
[0075]
本实施方式中，通过beer-lambert定律演变得到气体浓度的计算公式：
[0076][0077]
其中，c为气体浓度，i0为激光的初始光强，i为穿过待测气体后的激光光强， s(t)为谱线线型强度，为吸收系数，p为气体压强，l为通过待测气体气室的光程。
[0078]
气体流出tdlas检测模块5后，压力气泵7将气体通路中的气体样品压入密闭气体缓冲室10，单向阀9实现由tdlas检测模块5至密闭气体缓冲室10之间气体通路的单向导通，压力传感器11检测密闭气体缓冲室10的压力，当密闭气体缓冲室10内的压力达到一定值
时，第二电磁阀12开启，气体自动回到gis设备，结构简单，实现了自动回气。
[0079]
在检测时，气体浓度检测单元6实时检测是否存在泄漏，对比流量计4的测量值和根据压力气泵7和压力传感器11计算的气体流量判断是否发生泄漏，一旦发生泄漏，报警器报警，通过控制板关闭电磁阀12。
[0080]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。