馮新文，李文震，陳師寬，王遠(yuǎn)東，張杰，李飛

(1.國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，呼和浩特 010000；2. 國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074)

0 引 言

SF6氣體絕緣設(shè)備中可能存在絕緣缺陷引起的局部放電或過(guò)熱故障，導(dǎo)致SF6分解。在微氧和微水等雜質(zhì)作用下，生成SO2、HF、H2S、CO、CF4、SOF2、SO2F2、SOF4等特征氣體。通過(guò)檢測(cè)SF6分解產(chǎn)物的含量和變化趨勢(shì)，判斷引起局放的原因和放電量，是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1-4]。

SF6/N2混合氣體在低溫下不易液化，在不均勻電場(chǎng)下?lián)舸﹫?chǎng)強(qiáng)更高，作為SF6的替代氣體在長(zhǎng)距離輸電管道中應(yīng)用廣泛[5-9]。然而混合氣體中SF6分解產(chǎn)物的濃度更低，對(duì)檢測(cè)的靈敏度要求也更高。

目前已有大量關(guān)于SF6分解產(chǎn)物檢測(cè)方法的研究。半導(dǎo)體氣體傳感器選擇性差、易中毒、探頭需定期更換、壽命短[10]；檢定管檢測(cè)種類(lèi)有限，需定期查看；氣相色譜法從取樣到得到分析結(jié)果時(shí)間較長(zhǎng)，不能實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，而且在測(cè)量時(shí)需要選取合適的色譜柱和載氣流速，多次重復(fù)測(cè)量才能確保測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確[11]；氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法能夠檢出多種氣體，樣品用量少、靈敏度較高，但取樣水平會(huì)直接影響檢測(cè)結(jié)果[12]，光聲光譜法的容易受到干擾，靈敏度也不高[13]。激光光腔衰蕩光譜法(Cavity Ring Down Spectroscopy, CRDS)氣體組分檢測(cè)技術(shù)選擇性好，精度高(1 μL/L)，響應(yīng)時(shí)間快(<5 s)，可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)[14]。

本文針對(duì)CRDS檢測(cè)法開(kāi)展了以下研究：設(shè)計(jì)了SF6氣體絕緣電氣設(shè)備組分檢測(cè)裝置總體框架，對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵部件進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)，最終完成基于CRDS的氣體在線檢測(cè)裝置，并在國(guó)網(wǎng)特高壓實(shí)驗(yàn)基地試運(yùn)行一年，對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

1 CRDS的檢測(cè)原理

1.1 光子的選擇吸收特性

不同的氣體由于分子結(jié)構(gòu)不同，對(duì)不同頻率光子的吸收也各不相同。當(dāng)光子能量剛好等于氣體分子中某兩個(gè)能級(jí)之差時(shí)才會(huì)被吸收,稱(chēng)為光子的選擇吸收特性。

氣體分子吸收光子能量后躍遷到激發(fā)態(tài),然后又返回到穩(wěn)定狀態(tài),并釋放出光子。此時(shí)由于分子的不斷運(yùn)動(dòng),釋放光子的出射方向是任意方向,相當(dāng)于入射的光子被散射。氣體的吸收光譜和吸收系數(shù)與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。測(cè)量氣體的吸收光譜就可以判斷氣體的組分;測(cè)量吸收光譜的強(qiáng)度可以定量分析各組分的濃度。

1.2 光子的吸收定律

假定入射光有I0個(gè)光子,通過(guò)厚度為的介質(zhì)后光子被介質(zhì)不斷吸收,離開(kāi)介質(zhì)后還剩I個(gè)光子。根據(jù)比爾朗伯吸收定律：

I=I0e-Nσl

(1)

式中N為單位體積介質(zhì)內(nèi)分子數(shù)量；σ為光子通過(guò)單位面積的介質(zhì)后被一個(gè)分子吸收的概率。對(duì)于一定的介質(zhì)和入射光，N和σ為常數(shù)。當(dāng)介質(zhì)的吸收系數(shù)和入射光的光強(qiáng)已知時(shí)，通過(guò)測(cè)量入射光通過(guò)介質(zhì)后的衰減量，可以得到介質(zhì)的分子濃度。

2 SF6氣體分解產(chǎn)物特性

2.1 主要分解產(chǎn)物

SF6氣體絕緣設(shè)備中的絕緣材料不僅有SF6，還有環(huán)氧樹(shù)脂、聚四氟乙烯和絕緣紙等各種固體絕緣材料。當(dāng)設(shè)備發(fā)生局部放電和過(guò)熱故障時(shí)，SF6和固體絕緣材料會(huì)在高溫作用下分解，主要分解產(chǎn)物有SO2、H2S、CO和HF等。通過(guò)檢測(cè)分解產(chǎn)物，就可以判斷設(shè)備內(nèi)部是否發(fā)生局部放電或過(guò)熱故障。當(dāng)使用SF6/N2混合氣體代替SF6時(shí)，SF6的濃度會(huì)降低，因此分解產(chǎn)物的濃度會(huì)也會(huì)相對(duì)降低，對(duì)檢測(cè)裝置的靈敏度要求也更高。

2.2 主要分解產(chǎn)物的吸收光譜

根據(jù)光子的選擇吸收特性和吸收定律，多數(shù)氣體分子都有特定的吸收譜線，因此，選定一種特征氣體和吸收譜線就成為必須要做的選擇。

通過(guò)Hitran數(shù)據(jù)庫(kù)我們分析從近紅外和中紅外分析SF6幾種典型特征組份的光譜特效，以此對(duì)特征組份波長(zhǎng)和氣體類(lèi)型進(jìn)行選擇。

(1)SO2。

SO2是SF6最典型的分解產(chǎn)物，在近紅外波段SO2有豐富的吸收譜線，但是吸收系數(shù)普遍較低，在10-24的量級(jí)，不適合低濃度氣體檢測(cè)；中紅外波段在1 300 cm-1～1 400 cm-1波段有著較強(qiáng)的吸收，但是考慮到市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)此波段激光器價(jià)格昂貴，因此暫時(shí)不對(duì)SO2進(jìn)行檢測(cè)。

(2)CO。

CO是SF6氣體絕緣設(shè)備中絕緣子因放電或高溫裂解的典型的特征產(chǎn)物，在近紅外波段CO具有豐富的吸收譜線，且吸收系數(shù)適中，在10-21的量級(jí)，可以適合低濃度氣體檢測(cè)；中紅外波段在2 000 cm-1～2 300 cm-1波段有著較強(qiáng)的吸收，可以考慮在該波段進(jìn)行更低濃度的檢測(cè)。但CO是固體絕緣材料的分解產(chǎn)物，不能代表SF6的分解特性。因此雖然吸收譜線合適，但不考慮用CRDS進(jìn)行該氣體的檢測(cè)。

(3)H2S。

H2S也是是SF6的典型分解產(chǎn)物，在近紅外波段也有豐富的吸收譜線，且吸收系數(shù)適中，在10-21的量級(jí)，適合低濃度氣體檢測(cè)；中紅外波段在多個(gè)波段有著較強(qiáng)的吸收，可以考慮在該波段進(jìn)行更低濃度的檢測(cè)?？紤]到價(jià)格成本問(wèn)題，采用CRDS在近紅外波段對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。

(4)SF6。

在SF6氣體絕緣設(shè)備中，所有的分解產(chǎn)物的檢測(cè)都是以SF6為背景。因此，在選擇吸收峰的時(shí)要避免SF6吸收譜線的干擾。通過(guò)HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)查詢可知，SF6的吸收譜線在10.1 μm左右有一個(gè)很強(qiáng)的吸收峰，在其他近紅外位置并無(wú)吸收。

基于以上原因，最終我們選擇了1 576 nm的波長(zhǎng)作為H2S的吸收譜線。

3 CRDS檢測(cè)裝置

3.1 裝置設(shè)計(jì)

氣體特征組分檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)采用三層模塊式設(shè)計(jì)思路，整個(gè)檢測(cè)機(jī)柜共分為三層，第一層是電路層，主要集成了電路控制部分。第二層是氣路層，主要集成了微水傳感、純度傳感等傳感器模塊，并集成了減壓閥、電磁閥氣路連接閥。第三層為CRDS檢測(cè)層，主要集成了H2S檢測(cè)系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

設(shè)計(jì)低損耗、高穩(wěn)定的光學(xué)無(wú)源腔是實(shí)現(xiàn)CRDS系統(tǒng)高靈敏度測(cè)量的重要基礎(chǔ)。光學(xué)無(wú)源腔的設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)腔體結(jié)構(gòu)和腔鏡參數(shù)。

(1)腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

光學(xué)無(wú)源腔根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為直腔(兩鏡腔)、折疊腔和環(huán)形腔(多鏡腔)。直腔的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，腔體的制作和調(diào)節(jié)也更加簡(jiǎn)單，而且直腔只需要兩片腔鏡，成本更低。

只有當(dāng)激光在腔體內(nèi)形成穩(wěn)定的諧振，連續(xù)波腔衰蕩光譜才能夠進(jìn)行測(cè)量，這就要求腔體有極高的穩(wěn)定度。因此，選用鈦合金座位腔體的材料。無(wú)源腔實(shí)物圖如圖2所示，腔長(zhǎng)360 mm，內(nèi)孔直徑1 mm，腔體兩端拋光，用光膠將腔鏡固定在兩端。通過(guò)計(jì)算，激光在腔體內(nèi)基本上不會(huì)因?yàn)榍粌?nèi)徑約束產(chǎn)生衍射損耗。

圖2 無(wú)源腔實(shí)物圖

(2)腔鏡參數(shù)設(shè)計(jì)。

腔鏡參數(shù)設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)高反膜的中心波長(zhǎng)和選擇合適的的曲率半徑。選擇高反膜的中心波長(zhǎng)時(shí)主要考慮被測(cè)介質(zhì)的光譜特性。由于本文選擇H2S在1 576 nm的吸收譜線進(jìn)行檢測(cè)，因此高反膜的中心波長(zhǎng)應(yīng)在1 576 nm附近。利用離子濺射鍍膜法鍍制高反膜，實(shí)物圖如圖3所示。利用Lambda-950分光光度計(jì)測(cè)量的高反膜透射損耗譜曲線如圖4所示，高反膜的中心波長(zhǎng)為1 548 nm，透射率小于0.05%。

選擇腔鏡的曲率半徑時(shí)應(yīng)考慮無(wú)源腔的長(zhǎng)度。根據(jù)激光參數(shù)和模式耦合公式，針對(duì)所設(shè)計(jì)的360 mm腔體，選擇曲率半徑為10 m的腔鏡時(shí)耦合效率最高。

圖3 高反膜實(shí)物圖

圖4 高反膜的透射損耗譜曲線

3.2 精度校驗(yàn)

在完成對(duì)衰蕩腔反射模式匹配的調(diào)整后，就可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。配置不同濃度的H2S/SF6混合氣體對(duì)檢測(cè)裝置的精度進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 H2S實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，H2S濃度在1 ppm～10 ppm范圍內(nèi)測(cè)量誤差在1 ppm以下，10 ppm～50 ppm范圍內(nèi)測(cè)量相對(duì)誤差在10%以下，滿足DL/T 1205-2013《六氟化硫電氣設(shè)備分解產(chǎn)物試驗(yàn)方法》要求。

4 運(yùn)行數(shù)據(jù)

SF6/N2混合氣體特征組分檢測(cè)裝置在國(guó)家電網(wǎng)特高壓試驗(yàn)基地的GIL管道掛網(wǎng)試驗(yàn)運(yùn)行。圖5為實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行照片。

圖5 SF6/N2混合氣體檢測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行圖

在現(xiàn)場(chǎng)安裝前對(duì)管道中SF6混合氣體的微水和純度進(jìn)行了離線測(cè)量，其中微水測(cè)試儀采用興迪電子DP99mini數(shù)字露點(diǎn)儀進(jìn)行測(cè)量、純度測(cè)試儀采用RA500FP純度分析儀進(jìn)行測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)離線測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 離線現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)

SF6/N2混合氣體特征組分在線檢測(cè)裝置安裝后對(duì)GIL管道實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，檢測(cè)周期為1小時(shí)，安裝三小時(shí)后讀取其檢測(cè)數(shù)據(jù)表3所示。

表3 SF6/N2混合氣體在線檢測(cè)裝置測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)在線檢測(cè)數(shù)據(jù)與離線檢測(cè)數(shù)據(jù)比較可以看出，在線檢測(cè)數(shù)據(jù)基本在誤差允許范圍內(nèi)，檢測(cè)數(shù)據(jù)可靠，可以為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

SF6/N2混合氣體特征組分檢測(cè)在線檢測(cè)裝置在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行每24小時(shí)檢測(cè)一次，目前已經(jīng)運(yùn)行超過(guò)一年，摘取2016年11月3日至2017年9月30日數(shù)據(jù)分析如下。SF6純度運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)圖6,可以看出，SF6純度基本保持不變。維持在26%純度左右，在線檢測(cè)設(shè)備的SF6檢測(cè)誤差在1%以內(nèi)。

圖6 SF6純度長(zhǎng)期運(yùn)行數(shù)據(jù)

SF6微水含量運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7。實(shí)踐證明，即使在封閉氣室內(nèi)，氣體微水含量也會(huì)隨環(huán)境溫度的升高而升高。在測(cè)量中，必須考慮環(huán)境溫度的影響。

圖7 SF6微水長(zhǎng)期運(yùn)行數(shù)據(jù)

SF6分解產(chǎn)物運(yùn)行一年中并未檢測(cè)到H2S，數(shù)據(jù)一致保持為0 ppm。

通過(guò)經(jīng)一年的數(shù)據(jù)分析可知，SF6純度在近一年運(yùn)行中可以看出純度并未有很大變化，微水含量一年來(lái)顯上升趨勢(shì)，微水上升主要是由于設(shè)備密封性存在的外界水分滲入。分解產(chǎn)物含量并未檢出，說(shuō)明設(shè)備運(yùn)行良好，沒(méi)有出現(xiàn)局部放電或者過(guò)熱故障。

5 結(jié)束語(yǔ)

分析了SF6分解產(chǎn)物的吸收光譜特性，并設(shè)計(jì)了基于CRDS的SF6分解產(chǎn)物在線檢測(cè)裝置，對(duì)檢測(cè)裝置的掛網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

(1)綜合考慮SF6各主要分解產(chǎn)物的吸收譜線、吸收系數(shù)、激光源的成本以及SF6吸收峰的干擾等因素，選擇H2S在1 576 nm的吸收譜線作為檢測(cè)參量；

(2)以高穩(wěn)定、低損耗的光學(xué)無(wú)源腔為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了CRDS檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了H2S氣體的高靈敏度測(cè)量，精度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；

(3)檢測(cè)裝置掛網(wǎng)運(yùn)行一年以來(lái)，檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，裝置穩(wěn)定運(yùn)行，為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了可靠依據(jù)。