陳 鵬，王先培，張 軍，鄧 楊，肖 偉，胡明宇，周 瑋

(1.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢 430072；2.中國電力科學(xué)研究院，湖北武漢 430074)

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GIS中SO2氣體紫外光譜檢測及數(shù)據(jù)處理

陳 鵬1，王先培1，張 軍2，鄧 楊1，肖 偉1，胡明宇1，周 瑋2

(1.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢 430072；2.中國電力科學(xué)研究院，湖北武漢 430074)

氣體絕緣組合電器(GIS)設(shè)備內(nèi)發(fā)生的局部放電會使絕緣氣體SF6分解，從而導(dǎo)致設(shè)備安全性下降。針對此問題選取SO2作為局放檢測的特征標(biāo)識物，依據(jù)紫外光譜檢測法對SO2進行定量檢測并搭建實驗平臺，該方法便于實現(xiàn)現(xiàn)場快速檢測。為提高設(shè)備精度，首先利用奇異值分解原理對光譜數(shù)據(jù)進行濾波處理，為減小系統(tǒng)誤差選取3個特定波長點的吸光度作為SO2檢測依據(jù)進行聯(lián)合檢測體積分?jǐn)?shù)。實驗結(jié)果表明，應(yīng)用紫外檢測SO2體積分?jǐn)?shù)誤差率在5%以內(nèi)，滿足現(xiàn)場檢測要求。

紫外光譜；二氧化硫；快速檢測；信號去噪；奇異值分解

0 引言

氣體絕緣開關(guān)裝置(gas insulated switchgear,GIS)因其具有密閉性好，可靠性高等特點被廣泛用于電力行業(yè)中[1-2]。其內(nèi)SF6氣體具有穩(wěn)定的化學(xué)特性，電絕緣性以及優(yōu)異的滅弧性能，但GIS內(nèi)部發(fā)生的局部放電，火花放電等會使SF6與其他雜質(zhì)氣體發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生活性氣體，進而腐蝕金屬表面降低其絕緣性能，危害電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。因此對GIS內(nèi)的放電現(xiàn)象進行快速檢測具有重要的意義。SO2是SF6在放電條件下產(chǎn)生的穩(wěn)定氣體衍生物，對GIS內(nèi)SO2的檢測可以直觀地反映出SF6氣體的異常狀況，以此判斷設(shè)備的運行狀態(tài)和故障情況，可以為電力檢修人員的后續(xù)工作提供一定的參考意見。目前對GIS氣體衍生物檢測主要有氣相色譜法[3]、電化學(xué)傳感器法[4]，紅外光譜吸收法[5]等。氣相色譜法能檢測多種分解產(chǎn)物，但需要定時清理，檢測時間過長，無法做到實時快速檢測；電化學(xué)傳感器具有快速檢測能力，但多種氣體檢測特征接近，容易產(chǎn)生交叉干擾；相比于以上2種方法，光譜檢測法具有易于維護，能夠快速檢測，壽命長，體積小，不需消耗被測氣體和載氣等優(yōu)點，其中紅外光譜對于各氣體的吸收峰值十分接近，影響氣體定性以及定量檢測，而紫外光譜造價低廉對于SO2的吸收峰附近不存在其他衍生物的吸收，相比于其他方法具有明顯優(yōu)勢[6]，因此本工作選用紫外檢測SO2作為GIS內(nèi)部放電評估的快速檢測方法。

紫外光譜數(shù)據(jù)容易常受到低頻基線以及高頻噪聲的干擾，系統(tǒng)受到現(xiàn)場振動、光譜熱噪聲等因素的影響產(chǎn)生一定的噪聲信號[7]，因此首先需要對光譜信號進行去噪。紫外光譜檢測信號時，系統(tǒng)會受到現(xiàn)場振動、光譜熱噪聲等因素的影響產(chǎn)生一定的噪聲信號，因此首先需要對光譜信號進行去噪?，F(xiàn)有的光譜信號去噪方法有小波變換，小波包變換，Savitzky-Golay濾波等，但這些方法都需要人工選取相關(guān)濾波參數(shù)，不適用于現(xiàn)場快速檢測。作為一種自適應(yīng)的，數(shù)據(jù)驅(qū)動式信號處理技術(shù)，奇異值分解理論(Singular Valu Decomposition,SVD)對信號的識別和描述采用時域性的頻域分析方式，它無需對信號和噪聲特性做出先驗假設(shè)，對非線性、非平穩(wěn)的信號也具有較好的去噪效果[8-9]，基于此本工作選用奇異值分解作為現(xiàn)場快速檢測的去噪方法。

1 SO2產(chǎn)生原理與檢測原理

GIS中SF6在常溫常壓下具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，正常的電弧現(xiàn)象下，由于滅弧室的存在，SF6分解后會在極短時間內(nèi)復(fù)原，而在發(fā)生故障時，故障電流及其產(chǎn)生的高溫環(huán)境會使SF6，與設(shè)備內(nèi)少量的H2O，O2發(fā)生反應(yīng)生成各種分解產(chǎn)物。放電會使設(shè)備內(nèi)部分SF6，H2O，O2發(fā)生電離產(chǎn)生氟離子，各種低氟硫化物，氫離子，氧離子以及氫氧離子等，這些離子相互之間會發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，生成SOF2，SO2F2，HF，SO2等分解產(chǎn)物，其中部分離子會與設(shè)備內(nèi)有機絕緣介質(zhì)以及金屬反應(yīng)生成CF4，CO，CO2等。根據(jù)相關(guān)文獻可知SO2F2，SOF2，SO2，HF是SF6的主要衍生物，由于HF具有腐蝕性，對于檢測設(shè)備要求高，不適合快速檢測，SO2F2，SOF2快速檢測設(shè)備成本過高，紫外設(shè)備價格低廉[10]，而SO2作為主要衍生物之一，能夠直觀反映設(shè)備內(nèi)SF6純凈度，因此選用SO2作為檢測對象。

SF6衍生物中SO2在紫外光區(qū)200～400 nm之間存在特定的吸收區(qū)域，而其它衍生物在此區(qū)域內(nèi)不存在特征吸收，因此紫外吸收光的波長和強度，可以直接表征SO2體積分?jǐn)?shù)。由朗伯-比爾定律

I(λ)=I0(λ)exp(σ(λ)cL)

(1)

式中：I(λ)為透射光強；I0(λ)為入射光強；σ(λ)為吸收系數(shù)由環(huán)境因素(溫度，壓力)決定；c為吸收氣體在單位體積內(nèi)體積分?jǐn)?shù)；L為光程長度。

環(huán)境條件確定后σ(λ)可以視為定值，光程L以及入射光強均可確定，則吸光度與氣體體積分?jǐn)?shù)關(guān)系如式(2)所示。

(2)

由此可知吸光度A(λ)與氣體體積分?jǐn)?shù)c成線性關(guān)系，此為SO2定量檢測的理論依據(jù)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

紫外光譜檢測系統(tǒng)如圖1所示，根據(jù)待測氣體下的紫外光譜數(shù)據(jù)，實現(xiàn)SO2定量檢測，整個裝置包括氣體采樣池，紫外光源，紫外光譜儀，壓力傳感器，溫度傳感器，待測氣體，氣泵以及上位機。

圖1 紫外檢測SO2系統(tǒng)框圖

紫外光源，光纖，光譜儀，準(zhǔn)直鏡均由Avantes提供，在氣體采樣池上的兩個準(zhǔn)直鏡，具有維持紫外光的準(zhǔn)直性的作用，利于減少系統(tǒng)噪聲。氣體采樣池全長1 m，容積為35 mL，具有抗震性，耐腐蝕性等特點，不銹鋼材料制成，內(nèi)壁附有聚四氟乙烯，能夠較好的避免氣體吸附，同時采樣池的圓柱形構(gòu)造減小了光線在傳播過程中的損耗。

由于氣體測量易受到環(huán)境干擾，實驗過程中將溫度維持在25 ℃，壓強維持在104±5 kPa。為減小實驗誤差，在每次進行實驗前采樣池需要用氮氣反復(fù)進行沖洗，每次沖洗后再用氣泵對其抽真空。將待測氣體經(jīng)進氣口充入采樣池，當(dāng)采樣池內(nèi)壓強在104 kPa左右時，停止充氣，采集光譜數(shù)據(jù)并對其進行數(shù)據(jù)去噪及后續(xù)處理。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 信號去噪

奇異值分解理論是指對于任意一個m×n維實矩陣A，存在有m×m維正交矩陣U以及n×n維正交矩陣V使得

A=USVT

(3)

式中：U，V分別為A的左右奇異矩陣；而S是A的奇異值矩陣。

矩陣S的秩rank(S)與矩陣A的秩rank(A)存在等價關(guān)系即rank(S)=rank(A)=k，且矩陣S可以表示為

(4)

式中Sk=diag(σ1,σ2,……,σk)，其對角線元素σ1>σ2>σ3……>σk。

對于含噪信號X(N)，首先需要對其進行相空間重構(gòu)，構(gòu)造Hankle矩陣Am×n：

(5)

(6)

式中：Sk為有效信號的奇異值；Sω為噪聲信號的奇異值。

將噪聲信號奇異值均改為0，即得達到去噪效果,此處對有效奇異值即奇異譜階數(shù)選擇關(guān)系到奇異譜去噪效果的好壞，當(dāng)所選階數(shù)過小，會使信號不夠完整丟失部分有效信號，當(dāng)所選階數(shù)過大，則會將噪聲信號包含進濾波信號中達不到去噪效果。奇異值大小與信號相關(guān)性成正比，由于有效信號信息與噪聲信號之間存在則差異性，因此反映有效信號的奇異值與噪聲信號的奇異值必存在突變，基于此本工作采用最大差分原理來完成階數(shù)選擇。令δi=|σi+1-σi|(i=1,2,…n)，利用δi構(gòu)成差分譜，其最大峰值所對應(yīng)的階次則是有效奇異值點，令其后奇異值均為0得到新對角矩陣S′,根據(jù)S′重構(gòu)得出新的Hankel矩陣A′，最后利用A′得出去噪信號。

由于光譜信號的原始信號以及噪聲未知，無法充分說明奇異譜去噪原理，因此構(gòu)造信號x(t)=sin(13πt)+cos(15πt)，對其加入SNR為9的高斯白噪聲，原始信號以及含噪信號分別如圖2、圖3所示。

圖2 原始信號

圖3 含噪信號

圖4 奇異值曲線圖

分別構(gòu)造含噪信號與原始信號的Hankel矩陣，并對其進行奇異譜分解，提取奇異值構(gòu)造如圖4所示的奇異值曲線，由圖4可知兩曲線有效奇異值主要集中在前面部分且在同一點處產(chǎn)生突變，突變后原始信號奇異值全為0，含噪信號奇異值快速減小且非0。因此選取前50個奇異值進行一階差分運算，奇異差分譜曲線如圖5所示。選取差分譜中峰值最高點處為奇異值去噪階次。

圖5 奇異值一階差分譜曲線

依據(jù)奇異譜去噪處理后的消噪信號與原始信號如圖6所示。可知依據(jù)最大差分原理選取的奇異譜階次所作信號截斷之后，重構(gòu)得到的消噪信號與原始信號基本吻合，具有良好的去噪效果。

圖6 消噪信號與原始信號對比圖

選取含有5 μL/L SO2的SF6氣體特征吸收波290～310 nm差分吸收譜為例，對其進行奇異譜去噪，原始信號與去噪信號分別如圖7、圖8所示。

圖7 光譜信號差分圖

圖8 光譜去噪圖

3.2 SO2定量檢測

選取99.99%純凈SF6，以及分別含有20 μL/L，40 μL/L，60 μL/L，70 μL/L SO2的SF6氣體，在25 ℃，104 kPa環(huán)境下進行光譜定量實驗，選取200～330 nm之間的光譜圖如圖9所示。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)氣體紫外光譜圖

由圖中可以看出純凈SF6在紫外波段光譜曲線接近平滑，且其吸光度趨近于零，即作為背景氣體的SF6對SO2吸光度不存在影響。SO2在紫外波段存在兩個特征吸收區(qū)域，在209～219 nm及295～305 nm波段內(nèi)SO2呈現(xiàn)出明顯的吸收峰谷特性且SO2吸光度隨著體積分?jǐn)?shù)的增加而增大，符合上述朗伯-比爾定律。在環(huán)境條件一定的情況下，對于不同體積分?jǐn)?shù)的SO2，不同的波段處的吸光度為定值，通過SO2體積分?jǐn)?shù)測量實驗，可以得出不同波段SO2吸光度與體積分?jǐn)?shù)相互對應(yīng)的樣本集，通過樣本集可對SO2定量檢測。

SO2快速檢測的作用是對GIS內(nèi)的故障作早期預(yù)警，對于體積分?jǐn)?shù)低于100 μL/LSO2測量要求較高，因此選用SO2含量在100 μL/L以下標(biāo)準(zhǔn)氣體8組以及200 μL/L，300 μL/L標(biāo)氣各一組進行多次標(biāo)定實驗。為減小實驗誤差，首先對所得到的吸光度數(shù)據(jù)截取特征吸收區(qū)290～310 nm之間的數(shù)據(jù)，分別進行奇異譜去噪預(yù)處理；其次為防止偶然因素對單一測點造成干擾，選取具有代表性的299.0 nm，300.0 nm，302.1 nm 3個測點處的吸光度作為SO2定量檢測的特征點。對同一體積分?jǐn)?shù)標(biāo)氣實驗所得的數(shù)據(jù)取平均，在扣除背景干擾前提下，將3個特征點體積分?jǐn)?shù)與吸光度數(shù)據(jù)線性擬合，擬合曲線如圖10中曲線1，曲線2，曲線3所示。

圖10 線性擬合曲線圖

4 實驗結(jié)果分析

選取10組不同體積分?jǐn)?shù)標(biāo)氣進行檢測實驗，通過實驗裝置得到氣體吸光度譜圖并利用奇異譜進行信號去噪，選取3個特征點出的吸光度后，帶入各自對應(yīng)的擬合曲線，經(jīng)計算后得出樣品體積分?jǐn)?shù)并對其取平均，最終結(jié)果即為系統(tǒng)最終實測體積分?jǐn)?shù)。實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，紫外光譜檢測SO2體積分?jǐn)?shù)可以達到10-6級具有較高精度，且檢測誤差在±5%范圍內(nèi)，滿足現(xiàn)場快速檢測要求。紫外光譜測氣體體積分?jǐn)?shù)易受到溫度壓強變化的干擾，因此快速檢測時首先要扣除背景氣體以及暗室吸光度，并保持環(huán)境條件恒定。

表1 SO2實驗測量值與誤差

標(biāo)準(zhǔn)體積分?jǐn)?shù)/(μL·L-1)測量值/(μL·L-1)299.0nm300.0nm302.1nm平均值相對誤差/%1010.929.5310.5910.353.52021.6519.4620.3320.482.44042.4438.2642.9541.223.06062.3159.2964.5762.063.47074.3668.5273.2172.032.908081.3575.2378.3978.322.109095.4692.3193.6393.804.22100103.62102.53104.32104.394.39200209.51212.43205.69209.214.61300312.37314.61310.74312.574.19

5 結(jié)束語

依據(jù)SO2在紫外光波段內(nèi)的特征吸收以及瑯伯-比爾定律構(gòu)建了紫外光譜SO2檢測系統(tǒng)，對不同體積分?jǐn)?shù)的SO2標(biāo)準(zhǔn)氣體進行大量實驗，根據(jù)奇異譜分解理論對吸光度數(shù)據(jù)去噪，分別對299.0 nm，300.0 nm，302.1 nm 3個測點處吸光度數(shù)據(jù)進行線性擬合，確定擬合系數(shù)。系統(tǒng)對3個不同測點聯(lián)合檢測SO2，減小偶然誤差，通過標(biāo)氣實驗證明檢測系統(tǒng)具有良好效果，滿足現(xiàn)場快速檢測GIS內(nèi)SO2體積分?jǐn)?shù)的要求。

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Ultraviolet Spectrum Detection of SO2Gas in GIS and Data Processing

CHEN Peng1,WANG Xian-pei1,ZHANG Jun2,DENG Yang1，XIAO Wei1，HU Ming-yu1,ZHOU Wei2

(1.School of Electronic Information,Wuhan University,Wuhan 430072,China；2.China Electric Power Research Institute，Wuhan 430074,China)

Partial discharge of Gas Insulated Switchgear (GIS) brings SF6decomposition,and then the safety of the device declines.To address this problem,the SO2was selected as the feature label of partial discharge detection,then quantitatively the SO2was detected and the experimental platform based on the ultraviolet spectrum detection method was set up.This method was easy to realize rapid on-site test.In order to improve the accuracy of the equipment,firstly,the principle of singular value decomposition (SVD) was used to filter spectral data,then the absorbencies of three special wavelength were chosen as basis of SO2detection to jointly detect the SO2volume fraction to avoid error.The experimental results show that the error of SO2volume fraction is within 5 percent,so it can satisfy the requirements of on-site test.

ultraviolet spectrum;sulfur dioxide;rapid detection;signal denoising;singular value decomposition

國家自然科學(xué)基金資助項目(50677047)；湖北省科學(xué)條件專項(2013BEC010)；中國南方電網(wǎng)科技項目(K-GX2011-019)；湖北省科技支撐計劃項目(2015BCE074)

2015-05-26 收修改稿日期：2015-08-27

TN23

A

1002-1841(2015)12-0042-04

陳鵬(1991—)，碩士研究生，研究方向為光譜法測氣體濃度。 E-mail：chenpeng0903@whu.edu.cn