基于CRDS的SF6分解產(chǎn)物檢測裝置研究

馮新文，李文震，陳師寬，王遠東，張杰，李飛

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

0 引 言

SF6氣體絕緣設備中可能存在絕緣缺陷引起的局部放電或過熱故障，導致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。通過檢測SF6分解產(chǎn)物的含量和變化趨勢，判斷引起局放的原因和放電量，是國內(nèi)外研究的熱點[1-4]。

SF6/N2混合氣體在低溫下不易液化，在不均勻電場下?lián)舸﹫鰪姼撸鳛镾F6的替代氣體在長距離輸電管道中應用廣泛[5-9]。然而混合氣體中SF6分解產(chǎn)物的濃度更低，對檢測的靈敏度要求也更高。

目前已有大量關(guān)于SF6分解產(chǎn)物檢測方法的研究。半導體氣體傳感器選擇性差、易中毒、探頭需定期更換、壽命短[10]；檢定管檢測種類有限，需定期查看；氣相色譜法從取樣到得到分析結(jié)果時間較長，不能實現(xiàn)在線檢測，而且在測量時需要選取合適的色譜柱和載氣流速，多次重復測量才能確保測量結(jié)果準確[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，但取樣水平會直接影響檢測結(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)氣體組分檢測技術(shù)選擇性好，精度高(1 μL/L)，響應時間快(<5 s)，可實現(xiàn)在線監(jiān)測[14]。

本文針對CRDS檢測法開展了以下研究：設計了SF6氣體絕緣電氣設備組分檢測裝置總體框架，對系統(tǒng)關(guān)鍵部件進行了選型設計，最終完成基于CRDS的氣體在線檢測裝置，并在國網(wǎng)特高壓實驗基地試運行一年，對長期運行數(shù)據(jù)進行了分析。

1 CRDS的檢測原理

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，對不同頻率光子的吸收也各不相同。當光子能量剛好等于氣體分子中某兩個能級之差時才會被吸收,稱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。此時由于分子的不斷運動,釋放光子的出射方向是任意方向,相當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)。測量氣體的吸收光譜就可以判斷氣體的組分;測量吸收光譜的強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個光子,通過厚度為的介質(zhì)后光子被介質(zhì)不斷吸收,離開介質(zhì)后還剩I個光子。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為光子通過單位面積的介質(zhì)后被一個分子吸收的概率。對于一定的介質(zhì)和入射光，N和σ為常數(shù)。當介質(zhì)的吸收系數(shù)和入射光的光強已知時，通過測量入射光通過介質(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氣體絕緣設備中的絕緣材料不僅有SF6，還有環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯和絕緣紙等各種固體絕緣材料。當設備發(fā)生局部放電和過熱故障時，SF6和固體絕緣材料會在高溫作用下分解，主要分解產(chǎn)物有SO2、H2S、CO和HF等。通過檢測分解產(chǎn)物，就可以判斷設備內(nèi)部是否發(fā)生局部放電或過熱故障。當使用SF6/N2混合氣體代替SF6時，SF6的濃度會降低，因此分解產(chǎn)物的濃度會也會相對降低，對檢測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Hitran數(shù)據(jù)庫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，以此對特征組份波長和氣體類型進行選擇。

(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，不適合低濃度氣體檢測；中紅外波段在1 300 cm-1～1 400 cm-1波段有著較強的吸收，但是考慮到市場購買此波段激光器價格昂貴，因此暫時不對SO2進行檢測。

(2)CO。

CO是SF6氣體絕緣設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，可以適合低濃度氣體檢測；中紅外波段在2 000 cm-1～2 300 cm-1波段有著較強的吸收，可以考慮在該波段進行更低濃度的檢測。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進行該氣體的檢測。

(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，適合低濃度氣體檢測；中紅外波段在多個波段有著較強的吸收，可以考慮在該波段進行更低濃度的檢測?？紤]到價格成本問題，采用CRDS在近紅外波段對其進行檢測。

(4)SF6。

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

基于以上原因，最終我們選擇了1 576 nm的波長作為H2S的吸收譜線。

3 CRDS檢測裝置

3.1 裝置設計

氣體特征組分檢測裝置結(jié)構(gòu)采用三層模塊式設計思路，整個檢測機柜共分為三層，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檢測層，主要集成了H2S檢測系統(tǒng)。其設計框圖如圖1所示。

設計低損耗、高穩(wěn)定的光學無源腔是實現(xiàn)CRDS系統(tǒng)高靈敏度測量的重要基礎(chǔ)。光學無源腔的設計主要是設計腔體結(jié)構(gòu)和腔鏡參數(shù)。

(1)腔體結(jié)構(gòu)設計。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

光學無源腔根據(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)簡單，腔體的制作和調(diào)節(jié)也更加簡單，而且直腔只需要兩片腔鏡，成本更低。

只有當激光在腔體內(nèi)形成穩(wěn)定的諧振，連續(xù)波腔衰蕩光譜才能夠進行測量，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。無源腔實物圖如圖2所示，腔長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。通過計算，激光在腔體內(nèi)基本上不會因為腔內(nèi)徑約束產(chǎn)生衍射損耗。

圖2 無源腔實物圖

(2)腔鏡參數(shù)設計。

腔鏡參數(shù)設計主要是設計高反膜的中心波長和選擇合適的的曲率半徑。選擇高反膜的中心波長時主要考慮被測介質(zhì)的光譜特性。由于本文選擇H2S在1 576 nm的吸收譜線進行檢測，因此高反膜的中心波長應在1 576 nm附近。利用離子濺射鍍膜法鍍制高反膜，實物圖如圖3所示。利用Lambda-950分光光度計測量的高反膜透射損耗譜曲線如圖4所示，高反膜的中心波長為1 548 nm，透射率小于0.05%。

選擇腔鏡的曲率半徑時應考慮無源腔的長度。根據(jù)激光參數(shù)和模式耦合公式，針對所設計的360 mm腔體，選擇曲率半徑為10 m的腔鏡時耦合效率最高。

圖3 高反膜實物圖

圖4 高反膜的透射損耗譜曲線

3.2 精度校驗

在完成對衰蕩腔反射模式匹配的調(diào)整后，就可以對整個系統(tǒng)進行測試。配置不同濃度的H2S/SF6混合氣體對檢測裝置的精度進行測試。測試結(jié)果如表1所示。

表1 H2S實驗數(shù)據(jù)

通過實驗數(shù)據(jù)可以看出，H2S濃度在1 ppm～10 ppm范圍內(nèi)測量誤差在1 ppm以下，10 ppm～50 ppm范圍內(nèi)測量相對誤差在10%以下，滿足DL/T 1205-2013《六氟化硫電氣設備分解產(chǎn)物試驗方法》要求。

4 運行數(shù)據(jù)

SF6/N2混合氣體特征組分檢測裝置在國家電網(wǎng)特高壓試驗基地的GIL管道掛網(wǎng)試驗運行。圖5為實際現(xiàn)場運行照片。

圖5 SF6/N2混合氣體檢測裝置現(xiàn)場運行圖

在現(xiàn)場安裝前對管道中SF6混合氣體的微水和純度進行了離線測量，其中微水測試儀采用興迪電子DP99mini數(shù)字露點儀進行測量、純度測試儀采用RA500FP純度分析儀進行測試?，F(xiàn)場離線測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 離線現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)

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

表3 SF6/N2混合氣體在線檢測裝置測試數(shù)據(jù)

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

SF6/N2混合氣體特征組分檢測在線檢測裝置在現(xiàn)場運行每24小時檢測一次，目前已經(jīng)運行超過一年，摘取2016年11月3日至2017年9月30日數(shù)據(jù)分析如下。SF6純度運行數(shù)據(jù)見圖6,可以看出，SF6純度基本保持不變。維持在26%純度左右，在線檢測設備的SF6檢測誤差在1%以內(nèi)。

圖6 SF6純度長期運行數(shù)據(jù)

SF6微水含量運行數(shù)據(jù)見圖7。實踐證明，即使在封閉氣室內(nèi)，氣體微水含量也會隨環(huán)境溫度的升高而升高。在測量中，必須考慮環(huán)境溫度的影響。

圖7 SF6微水長期運行數(shù)據(jù)

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

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

5 結(jié)束語

分析了SF6分解產(chǎn)物的吸收光譜特性，并設計了基于CRDS的SF6分解產(chǎn)物在線檢測裝置，對檢測裝置的掛網(wǎng)運行數(shù)據(jù)進行了分析，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參量；

(2)以高穩(wěn)定、低損耗的光學無源腔為基礎(chǔ)設計了CRDS檢測裝置，實現(xiàn)了H2S氣體的高靈敏度測量，精度滿足相關(guān)標準要求；

(3)檢測裝置掛網(wǎng)運行一年以來，檢測數(shù)據(jù)準確，裝置穩(wěn)定運行，為設備狀態(tài)監(jiān)測提供了可靠依據(jù)。