基于激光吸收光譜的SF6/N2混合氣分解產(chǎn)物同時檢測

張 爽，江 翼，姜 萌，張 靜，黃勤清，楊 旭，周 文

(1.武漢船舶職業(yè)技術學院電氣與電子工程學院，湖北武漢 430050；2.國網(wǎng)電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北武漢 430074；3.北京航天控制儀器研究所(北京市光纖傳感系統(tǒng)工程技術研究中心)，北京 100854)

0 引言

SF6氣體具備出色的絕緣和滅弧性能，已廣泛應用于SF6氣體絕緣組合電器、斷路器、變壓器等電力設備中。SF6電氣設備內(nèi)部出現(xiàn)早期潛伏性絕緣故障時，常伴隨不同形式和強度的電位差或者局部過熱等物理現(xiàn)象。進而使SF6發(fā)生不同程度的分解，產(chǎn)生多種分解產(chǎn)物，生成HF、SO2、H2S和CO等典型產(chǎn)物?；赟F6氣體分解產(chǎn)物的在線監(jiān)測可以為氣體絕緣電氣設備故障診斷和預警提供手段，成為當前研究熱點。

SF6分解產(chǎn)物檢測方法[1-2]如檢測管法、氣相色譜法、質譜法以及電化學法等存在信號交叉干擾、檢測精度不高、難以實現(xiàn)在線監(jiān)測的缺點，因此近來年出現(xiàn)了多種光學的檢測方法。

張潮海等[3]針對提出了基于光腔衰蕩光譜(cavity ring-down spectroscopy,CRDS)的SF6電氣設備分解產(chǎn)物檢測技術，設計了基于CRDS技術的SF6電氣設備分解產(chǎn)物在線監(jiān)測系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)設計中的關鍵技術，包括光腔匹配技術和抗干擾技術，以提高檢測精確度和可靠性。

光聲光譜技術也被應用于實現(xiàn)多組分SF6分解產(chǎn)物檢測[4]，采用中紅外寬譜光源配合窄帶濾波片方式。但SOF2、SO2、CF4、S2F10、H2O和H2S等氣體在中紅外區(qū)域7.6～7.9 μm光譜存在交叉干擾，以SF6作為高濃度背景氣體時，受到濾波片參數(shù)限制，難以實現(xiàn)準確測量。近年來也有研究機構采用近紅外或者中紅外的半導體激光器通過EDFA放大光功率從而提高光聲信號強度的方式，實現(xiàn)對SF6分解氣中單組分的檢測[5]。

本文采用可調諧激光吸收光譜的方式實現(xiàn)分解氣檢測[6-7]。主要解決CO以及H2兩種氣體的吸收線強較弱的問題。根據(jù)以往研究可知，可調諧激光吸收光譜TDLAS檢測技術，無法通過提高激光器功率來提高靈敏度，過高的光信號和電信號強度會造成檢測電路信號飽和。只能通過提高吸收光程來增強吸收，從而增大諧波信號強度。本系統(tǒng)采用3種近紅外波段的半導體激光器，通過分時復用的技術，實現(xiàn)對3種氣體組分(H2S、CO和HF)的同時測量，實現(xiàn)高靈敏度檢測，檢測精度滿足國家電網(wǎng)的應用需求。

本文提出采用3個單獨的探測放大電路模塊，針對不同吸收線強氣體，通過不同跨阻來設置放大倍數(shù)，以提高信號強度。其中CO的放大倍數(shù)最大，而HF的放大倍數(shù)最小。其次，H2S對光的散射系數(shù)較強，長光程吸收氣室充入硫化氫氣體時光束偏離導致信號幅度降低，因此本系統(tǒng)采用3米光程氣室來實現(xiàn)3種氣體組分的同時測量。

1 系統(tǒng)搭建

通過HITRAN數(shù)據(jù)庫，得到HF、CO和H2S3種氣體的特征吸收峰譜線，分別選擇HF氣體的吸收峰1 273.97 nm，吸收線強為10-20cm·mol-1，CO選擇1 568 nm，吸收線強為10-23cm·mol-1，H2S為1 578.13 nm，線強為10-22cm·mol-1量級。采用Thorlabs OSA203光譜分析儀。3個激光器經(jīng)過光開關存在光功率損耗，經(jīng)過通道切換的激光器光譜和光功率如圖1所示，其中H2S(1 578 nm)的輸出光功率最弱-3.3 dBm，CO激光器和HF激光器的光功率基本相同，進入到氣室的光功率為0 dBm左右，也就是1 mW，波長經(jīng)過光譜儀測量與設置的工作波長一致。

(a)CO 1 568 nm

針對上述3種待測氣體，系統(tǒng)分別采用3個DFB半導體激光器針對3種待測氣體H2S、CO和HF的特征吸收峰實現(xiàn)對濃度的檢測，同時集成多參量變送器，實現(xiàn)對多組分氣體濃度和溫度、壓強、微水等參量的同時監(jiān)測。

基于激光吸收光譜的多組分氣體檢測，系統(tǒng)示意圖如圖2所示，SF6及其分解氣組分經(jīng)過多參量變送器、減壓閥減壓之后進入到吸收氣室中。吸收氣室中的氣體在一個檢測流程完畢后，經(jīng)過加壓泵送回到隔離開關設備中，完成一次閉式循環(huán)取氣檢測。3個激光器輸出波長針對3種待測氣體特征吸收峰，激光器發(fā)出的光經(jīng)過信號發(fā)生器產(chǎn)生的調制信號的調制進入到光開關中，光開關的具體選通通道由總調度板控制。光開關將選通的光路接入氣室，氣室將經(jīng)過吸收后的光信號輸出給探測器，探測器將接收含氣體信息的光信號轉換成電信號，經(jīng)過鎖相電路分別實現(xiàn)濃度檢測。計算出的濃度傳輸給總調度板，總調度板將數(shù)據(jù)進一步打包處理上傳給上位機顯示輸出。

圖2 基于激光吸收光譜的多組分氣體檢測系統(tǒng)

工作時總調度板設定好3套激光器的光路通道選擇順序，讓代表HF、H2S和CO的3種氣體的激光依次通過光開關，激光通過光開關后進入氣室被探測器接收，探測器的放大電路根據(jù)3種待測氣體的不同吸收系數(shù)，設置的放大倍數(shù)不同。這樣探測器會依次接收到3種調制信號的光信號。由于光信號是同時被3塊鎖相板采集的，因此需要總調度板采集與光開關同步開啟的通道串口信息，另外2個關閉的鎖相板送來的串口數(shù)據(jù)不予接收。通過3個串口依次接收到3種氣體的濃度信息并存儲打包，以固定格式發(fā)送給上位機，上位機接收到串口數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議解調數(shù)據(jù)就能夠得到3種氣體的實時濃度值。采用MEMS光開關(1×4 )，通光范圍滿足1 200～1 700 nm，切換頻率設置為0.5 s，切換通道延時0.5 s，系統(tǒng)刷新時間為3 s。三通道的氣體檢測樣機實物如圖3所示。采用光開光和耦合器分別實現(xiàn)對三路光和探測器信號的分時復用測量，三套解調電路控制3個激光器，共用一個3 m氣室。通過串口向檢測端發(fā)送濃度數(shù)據(jù)，其余參量由多參量變送器(維薩拉DPT145)通過RS485發(fā)送(微水、SF6純度和溫度壓力等)。

圖3 三組分同時測量樣機實物

2 實驗結果分析

吸收氣室分別充入不同濃度的標準物質，其中H2S和CO分別為H2S/SF6混合氣，CO/SF6混合氣，而HF氣體與SF6存在反應，因此配比標準物質采用HF/N2混合氣(二級標準物)。實驗得到HF、CO和H2S3氣體的不同濃度下二次諧波曲線如圖4所示，根據(jù)波峰波谷差值來標定氣體濃度。圖4中，1 ppm=10-6。

(a)HF二次諧波曲線(0 ppm、10 ppm、50 ppm和100 ppm濃度)

圖4中橫坐標為一個鋸齒波調制范圍內(nèi)的信號采集點數(shù)。可以看出，同樣100 ppm的氣體，HF的二次諧波曲線峰值最高，為18 000 mV，而CO和H2S的二次諧波信號幅度較低，分別為800 mV和600 mV，差了2個數(shù)量級，而且硫化氫信號的基線波動較大。這是因為所選上述3種氣體的特征峰吸收系數(shù)不同導致。

研制的SF6/N2混合氣分解氣組分多參量綜合檢測系統(tǒng)樣機的各個參量的顯示界面如圖5所示。

圖5 SF6/N2混合氣分解氣組分多參量綜合檢測

經(jīng)過測試得到的3種氣體的檢測限按照，按照國標規(guī)定，輸出波動為輸入量和影響量不變情況下，輸出峰峰值的偏差的2倍為檢測限，可以得到該系統(tǒng)的檢測限為CO 10 ppm，H2S 4 ppm，HF 1 ppm。濃度值隨時間變化的曲線如圖6所示。

圖6 SF6/N2混合氣分解氣組分測試數(shù)據(jù)

3 結論

本系統(tǒng)基于可調諧激光吸收光譜技術，采用時分復用的方案實現(xiàn)對SF6/N2混合氣中SF6分解氣組分的在線檢測。通過光開關的切換實現(xiàn)3通道測量控制，針對CO和H2S兩種吸收譜線較弱的氣體，設計單獨的放大電路提高信噪比，從而實現(xiàn)CO、H2S和HF的檢測限分別為10 ppm、4 ppm和1 ppm，每通道刷新時間為3 s，可以滿足國家電網(wǎng)對GIS設備故障預警的要求。