苑吉河1，張 曦1，李新田，赫樹開，曾曉哲，岳運(yùn)奇

(1.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司 南岸供電分公司，重慶 400060； 2.河南省日立信股份有限公司，河南 鄭州 450001)

氣體絕緣金屬封閉式組合電器(Gas Insulated Switch-gear,GIS)中對(duì)SF6氣體的微水含量作了嚴(yán)格規(guī)定，微水含量超標(biāo)使得高壓開關(guān)絕緣能力降低，易于導(dǎo)致高壓擊穿事故，嚴(yán)重影響電力設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。因此，對(duì)GIS氣室中SF6氣體微水含量實(shí)施在線監(jiān)測(cè)確保設(shè)備安穩(wěn)運(yùn)行意義重大。目前電力系統(tǒng)采用微水檢測(cè)的常用方法有光譜法、露點(diǎn)法，但光譜法在分解產(chǎn)物組分較多情況下存在譜線交叉干擾嚴(yán)重、準(zhǔn)確性低的問題，露點(diǎn)法存在工作溫度低、高濕測(cè)不準(zhǔn)、耗時(shí)長(zhǎng)等缺點(diǎn)[3-4]?？烧{(diào)諧二極管激光吸收光譜 (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技術(shù)利用半導(dǎo)體激光的窄帶寬和可調(diào)諧特性，具有高靈敏、快速響應(yīng)和高選擇性的特點(diǎn)，是克服電力系統(tǒng)多變環(huán)境，實(shí)現(xiàn)SF6氣體微水測(cè)量的理想方法之一[5-6]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)微水的TDLAS檢測(cè)技術(shù)的研究已做了不少工作，但側(cè)重于對(duì)HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)微水氣體光譜吸收參數(shù)進(jìn)行修正及在氣象領(lǐng)域微水監(jiān)測(cè)的應(yīng)用，而針對(duì)SF6斷路器濕度監(jiān)測(cè)技術(shù)，中科院電工研究所初步對(duì)TDLAS吸收信號(hào)進(jìn)行了討論[7-9,12]?？傊?，不同的應(yīng)用領(lǐng)域氣體的譜線選擇、氣室結(jié)構(gòu)及光路設(shè)計(jì)差異較大，針對(duì)TDLAS技術(shù)的GIS氣室SF6氣體濕度檢測(cè)尚缺乏系統(tǒng)的標(biāo)定及應(yīng)用研究。

基于上述認(rèn)識(shí)，本工作在前期不停電SF6氣體除濕技術(shù)研究應(yīng)用的基礎(chǔ)上進(jìn)行，旨在滿足智能化電網(wǎng)的發(fā)展需求?；赥DLAS技術(shù)，結(jié)合GIS氣室SF6氣體的微水環(huán)境，精心選擇1392 nm作為H2O分子的中心吸收波段，設(shè)計(jì)了便攜式SF6微水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以濕度發(fā)生器為微水氣源，373系列鏡面露點(diǎn)儀為校準(zhǔn)溯源工具，對(duì)-50～-10 ℃條件下的9個(gè)不同露點(diǎn)值進(jìn)行穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，同時(shí)搭建GIS模擬氣室，優(yōu)化光路系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步探究系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 基本原理

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)是利用激光器發(fā)出特定波長(zhǎng)的光被待測(cè)氣體吸收后導(dǎo)致光強(qiáng)衰減，光強(qiáng)的衰減程度與氣體濃度成正比，它遵循朗伯-比爾定律(Lambert-Beer Law):

(1)

式中，A為吸光強(qiáng)度；α(v)為氣體在頻率v處的吸收截面(cm2/mol)；c為待測(cè)氣體的濃度(mol/cm3)；L為光路長(zhǎng)度(cm)；I0為入射光強(qiáng)；I為透射光強(qiáng)度。

采用波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)與諧波檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，可以大幅降低低頻噪音干擾，提高檢測(cè)的靈敏度。對(duì)低頻鋸齒波電流進(jìn)行調(diào)制，得到激光的發(fā)射頻率v為

v=v0+σvcos2πft

(2)

式中，v0為中心頻率；σv為調(diào)制信號(hào)幅值；f為調(diào)制頻率。對(duì)式(2)進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開，可以得到：

(3)

式中，An(v0)為激光器透射光的n次余弦傅里葉級(jí)數(shù)展開系數(shù)，氣體吸收后的衰減光信號(hào)由光電探測(cè)器接收，經(jīng)過鎖相放大后得到二次諧波幅值表達(dá)式為

(4)

因此可通過光強(qiáng)直流分量I0及二次諧波幅值就可以反演得到待測(cè)氣體的濃度：

(5)

式中，v0為選定激光器中心頻率；K為標(biāo)定常數(shù)。通過式(5)可以看出，氣體濃度c正比于二次諧波幅值。通過標(biāo)準(zhǔn)氣體標(biāo)定，可以反演得到確定的氣體濃度[10]。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 特征吸收譜線的選擇

TALAS技術(shù)進(jìn)行氣體檢測(cè)時(shí)，特征吸收譜線的選擇至關(guān)重要。通過查詢HITRAN2012譜庫(kù)可知，水分子在中紅外波段2.57 μm附近有強(qiáng)的特征吸收，但工作在該波段的激光器價(jià)格高昂，而近紅外波段激光器成本經(jīng)濟(jì)合理，技術(shù)更加成熟，適合規(guī)?；瘧?yīng)用。因此，選擇近紅外6500～7500 cm-1波段作為重點(diǎn)研究對(duì)象?？紤]到高壓開關(guān)氣室中SF6氣體的其他分解產(chǎn)物如CO2、H2S、CO、SO2、HF等氣體干擾，在水分子吸收較強(qiáng)的位置對(duì)上述氣體的吸光度也做了研究，其中CO和SO2并無吸收，圖1為CO2、H2S、HF及H2O在溫度為300 K，1個(gè)大氣壓，光程100 cm，100ppm(1ppm=10-6)時(shí)的吸光強(qiáng)度。

圖2為CO2、H2S、CO、SO2、HF和H2O在7181.14 cm-1，300 K，1個(gè)大氣壓，光程100 cm附近的Lorentz線型仿真光譜圖，為了便于譜圖識(shí)別，該處H2O體積分?jǐn)?shù)為1×10-6，其他均為10000×10-6。在體積濃度為1×10-6時(shí)，H2O的吸收最強(qiáng)，吸光強(qiáng)度為1.2×10-4，此處CO2和H2S雖有微弱吸收，但吸光強(qiáng)度分別為2.1×10-12及4.9×10-12，強(qiáng)度量級(jí)相差較遠(yuǎn)，而其他氣體均無吸收，因此選擇中心波長(zhǎng)在1392.5 nm即7181.14 cm-1作為H2O的特征吸收波段。

圖2 H2O、CO2、H2S、HF、SO2、CO氣體的近紅外波段的紅外光譜

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)搭建TDLAS微水測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示，可分為濕度發(fā)生裝置、檢測(cè)溯源校準(zhǔn)裝置、TDLAS分析系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)終端處理系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)過程中，在恒定壓力下利用濕度發(fā)生裝置制備-80.02 ℃、-60.09 ℃、-50.3 ℃、-45.65 ℃、-40.66 ℃、-35.75 ℃、-30.54 ℃、-25.71 ℃、-20.92 ℃、-15.1 ℃和-10.06 ℃ 共11個(gè)露點(diǎn)下的微水氣體。首先，利用便攜式373系列鏡面露點(diǎn)儀作為檢測(cè)溯源校準(zhǔn)裝置對(duì)濕度發(fā)生器的準(zhǔn)確性校驗(yàn)，確保設(shè)定的每個(gè)露點(diǎn)值下保持充分時(shí)間達(dá)到示數(shù)穩(wěn)定平衡。經(jīng)過鏡面露點(diǎn)儀校驗(yàn)準(zhǔn)確無誤后，打開TDLAS微水傳感器的進(jìn)氣串口，進(jìn)行不同露點(diǎn)條件下實(shí)驗(yàn)，每個(gè)露點(diǎn)下采集86組數(shù)據(jù)。

圖3 微水TDLAS檢測(cè)系統(tǒng)圖

TDLAS傳感系統(tǒng)使用DDS發(fā)生芯片AD9850產(chǎn)生的正弦調(diào)制信號(hào)被疊加到鋸齒波上，用于驅(qū)動(dòng)激光器。DFB激光器中心波長(zhǎng)約為1392 nm，典型發(fā)光閾值驅(qū)動(dòng)電流為15 mA，最大驅(qū)動(dòng)電流為120 mA。采用波長(zhǎng)計(jì)(KEYSIGHT 86120D)對(duì)激光器調(diào)諧范圍進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置激光器溫度為29.47 ℃，改變注入電流，分別測(cè)量中心波長(zhǎng)，測(cè)量結(jié)果如圖4所示，計(jì)算電流及溫度調(diào)諧系數(shù)分別為0.01 nm/mA和0.1 nm/℃，H2O分子在1.392 μm處對(duì)應(yīng)調(diào)諧電流35 mA，掃描鋸齒波頻率1 Hz。由HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)可知H2O分子在1.392 μm處，峰寬為0.3 nm，激光器調(diào)諧波長(zhǎng)掃描范圍可覆蓋該處氣體吸收峰。波形發(fā)生、A/D采集、過流保護(hù)及溫控難以使用主控制器同步完成，系統(tǒng)采用亞德諾公司的ADSP-403模擬控制器作為協(xié)處理器完成上述操作。鎖相功能完全由軟件完成，最終光譜圖像在電腦終端顯示。

圖4 激光器發(fā)射波長(zhǎng)曲線(t=29.47 ℃)

為了提高檢測(cè)靈敏度，采用Herriott長(zhǎng)程池的光學(xué)系統(tǒng)，光程池兩端的鍍金凹面鏡可增加反光性能，經(jīng)過多次反射后亦提高光程長(zhǎng)度。本系統(tǒng)選擇光學(xué)軟件TRACEPRO來完成氣室內(nèi)部光路設(shè)計(jì)，綜合考慮光電探測(cè)器的封裝尺寸及光損耗，確定光學(xué)氣室尺寸。氣室長(zhǎng)度為20 cm，吸收路徑長(zhǎng)度為1 m，激光器與光電探測(cè)器位于氣室同側(cè)，其內(nèi)部光線追蹤如圖5所示。

圖5 氣室光路結(jié)構(gòu)仿真圖

2.3 檢測(cè)系統(tǒng)溯源標(biāo)定

應(yīng)用TDLAS系統(tǒng)對(duì)微水含量進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于濕度發(fā)生裝置及測(cè)量系統(tǒng)本身存在誤差，為了確保實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，需要在實(shí)驗(yàn)之前對(duì)濕度發(fā)生裝置進(jìn)行標(biāo)定。如圖3所示，設(shè)定一定露點(diǎn)值的濕度發(fā)生裝置產(chǎn)生的微水氣流分別經(jīng)過便攜式373系列鏡面露點(diǎn)儀與TDLAS測(cè)量系統(tǒng)，以鏡面露點(diǎn)儀作為測(cè)量的溯源校準(zhǔn)設(shè)備。在測(cè)試之前，通入TDLAS測(cè)量系統(tǒng)氣路串口關(guān)閉，對(duì)濕度發(fā)生裝置分別從低到高設(shè)定-80～-10 ℃共11個(gè)不同露點(diǎn)值，觀察顯示器的示數(shù)變化，待其穩(wěn)定后，擬合出露點(diǎn)值變化對(duì)應(yīng)微水濃度變化的曲線，如圖6所示，利用Matlab軟件擬合出非線性表達(dá)式，如式(6)所示，該溯源結(jié)果與國(guó)標(biāo)非常吻合[11]，可以作為實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)溯源的依據(jù)?？衫迷撉€對(duì)TDLAS檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性進(jìn)行溯源判定。

(6)

圖6 露點(diǎn)與微水濃度的關(guān)系曲線

3 結(jié)果與討論

3.1 TDLAS微水系統(tǒng)的可靠性驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)過程中濕度發(fā)生裝置露點(diǎn)間隔為5℃，分別設(shè)定-50 ℃、-45 ℃、-40 ℃、-35 ℃、-30 ℃、-25 ℃、-20 ℃、-15 ℃和-10 ℃共9個(gè)露點(diǎn)值對(duì)TDLAS系統(tǒng)進(jìn)行輸出驗(yàn)證。測(cè)得的上述氣源吸收諧波信號(hào)如圖7(a)所示，激光器的波長(zhǎng)調(diào)制范圍覆蓋水分子的特征吸收波段，諧波幅值隨著露點(diǎn)增高、微水濃度增大而升高，將不同露點(diǎn)下對(duì)應(yīng)示波器顯示的微水濃度處的諧波最大吸收峰值提取出來，做線性擬合，如圖7(b)所示，擬合線性系數(shù)R2=0.9996，說明二次諧波信號(hào)強(qiáng)度與測(cè)量微水濃度有非常好的線性關(guān)系。

每個(gè)露點(diǎn)下實(shí)驗(yàn)采集86組數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果均值如表1所示，濕度發(fā)生器產(chǎn)生的微水氣源穩(wěn)定可靠，與溯源標(biāo)定擬合的指數(shù)函數(shù)表達(dá)式(6)一致。通過Matlab計(jì)算得到TDLAS測(cè)量的露點(diǎn)曲線如圖8(a)所示，最小二乘線性擬合函數(shù)表達(dá)式為y=5.0685x-55.84，線性系數(shù)R2=0.9991，與濕度發(fā)生器設(shè)定及顯示的露點(diǎn)線形有很好的一致性。從圖中可以看出，該擬合直線在-35 ℃以上擬合較好，隨著露點(diǎn)溫度降低，和擬合函數(shù)存在一定殘差，-35 ℃時(shí)存在最大殘差為0.798 ℃，最大測(cè)量誤差為1.98%，驗(yàn)證了檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性。

同時(shí)對(duì)TDLAS系統(tǒng)示波器檢測(cè)到的露點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的濃度值進(jìn)行指數(shù)擬合計(jì)算，如圖8(b)所示，濕度發(fā)生裝置與TDLAS檢測(cè)濃度擬合曲線一致性良好。用一定的指數(shù)函數(shù)去對(duì)濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，線性系數(shù)R2=0.99904，得到的擬合函數(shù)就是系統(tǒng)的檢測(cè)露點(diǎn)與微

濕度發(fā)生裝置TDLAS系統(tǒng)設(shè)定露點(diǎn)值/℃顯示示數(shù)/℃體積濃度/ppm輸出露點(diǎn)/℃輸出體積濃度/ppm-50-50.0838.80-50.8640.05-45-45.0571.13-45.8972.66-40-40.03127.00-40.66120.09-35-35.02222.50-34.77210.35-30-30.06376.00-30.54350.25-25-25.03630.00-25.71635.96-20-20.011021.00-20.091010.35-15-15.061639.00-15.81659.87-10-10.022572.00-10.092601.41

水濃度的指數(shù)函數(shù)表達(dá)式，如式(7)所示，亦與式(6)趨于一致，最大測(cè)量誤差為2.25%，證明了檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性。

(7)

3.2 GIS氣室SF6氣體微水濕度模擬實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述TDLAS系統(tǒng)的抗干擾性能以及一定濕度的SF6背景的氣體的響應(yīng)情況，搭建了高壓開關(guān)SF6氣體模擬氣室，如圖9所示，利用SF6分

圖8 TDLAS系統(tǒng)露點(diǎn)及濃度可靠性實(shí)驗(yàn)

解產(chǎn)物多組分配氣系統(tǒng)依次配制以SF6氣體為背景的100ppm CO、CO2、HF、H2S、SO2和CF4等干擾氣體，充入GIS模擬氣室，高純SF6氣體已預(yù)先充入，濕度通過與氣室接口連接的微水氣源調(diào)節(jié)。經(jīng)過模擬氣室氣體的測(cè)量出口采用鎖母接口連接，轉(zhuǎn)接至TDLAS微水卡套接口，經(jīng)過SF6報(bào)警器測(cè)試氣密性良好，TDLAS諧波信號(hào)如圖10所示，與HITRAN光譜數(shù)據(jù)庫(kù)及圖7(a)中H2O分子波形一致，可見干擾及背景SF6等氣體并未對(duì)微水吸收帶來干擾。但值得注意的是諧波信號(hào)幅值明顯過高，與氣室微水濕度并不匹配，并不能很好地檢測(cè)出氣室微水實(shí)際體積濃度。

經(jīng)過比對(duì)分析，發(fā)現(xiàn)TDLAS檢測(cè)裝置DFB激光器輸出光纖與準(zhǔn)直器連接部位有裸露存在，導(dǎo)致較低露點(diǎn)范圍內(nèi)，二次諧波幅值受到環(huán)境濕度的影響，即使穩(wěn)定較長(zhǎng)時(shí)間，也未能反演出氣室理想的露點(diǎn)值與微水濕度。在使用不銹鋼密封套對(duì)光程池完全封裝之后，消除環(huán)境濕度的影響，達(dá)到理想的檢測(cè)效果。如圖11所示，分別進(jìn)行5組100次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，保持氣室背景氣不變，利用微水氣源分階段增加氣室微水濃度，體積濃度有明顯的相應(yīng)增加，測(cè)試結(jié)果顯示在低濃度30ppm時(shí)測(cè)量誤差最大為1.89%，絕對(duì)誤差小于5ppm。

圖9 GIS氣室SF6氣體微水濕度模擬實(shí)驗(yàn)

圖10 實(shí)驗(yàn)采集氣室中SF6氣體微水諧波吸收信號(hào)

4 結(jié)束語

基于TDLAS技術(shù)研制了一種便攜式SF6微水在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過濕度發(fā)生器及鏡面露點(diǎn)儀對(duì)該系統(tǒng)在-50～-10 ℃共9個(gè)不同的露點(diǎn)溫度及微水含量進(jìn)行了溯源標(biāo)定，校準(zhǔn)評(píng)價(jià)了該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及可靠性。進(jìn)一步搭建GIS模擬氣室，利用SF6分解產(chǎn)物多組分配氣系統(tǒng)配制氣室氣體模擬環(huán)境，優(yōu)化光學(xué)氣室結(jié)構(gòu)，對(duì)SF6氣體的微水濕度及檢測(cè)系統(tǒng)抗干擾能力進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)，微水濃度測(cè)量誤差小于2%，準(zhǔn)確可靠，為GIS氣室SF6氣體現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。下一步將結(jié)合高壓電器開關(guān)設(shè)備微水監(jiān)測(cè)的現(xiàn)實(shí)需求，逐步拓展該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，不斷優(yōu)化升級(jí)，進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)精度，真正實(shí)現(xiàn)SF6氣體微水監(jiān)測(cè)智能化發(fā)展。

圖11 TDLAS系統(tǒng)測(cè)得高壓開關(guān)氣室中SF6氣體不同濕度條件下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)