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激光光声光谱检测技术在六氟化硫检漏工作中的应用摘要本文介绍了激光光声光谱检测技术在电力系统六氟化硫检漏方面的应用效果。
关键词激光；六氟化硫；气体检测0 引言激光光声光谱技术作为一种高灵敏度的微量气体检测技术，已有30多年的历史。
激光光声光谱技术和红外气体检测技术都是利用气体分子吸收红外线的特性，二者的区别在于光源。
红外检测技术是利用红外线做光源，是广谱的光源，所以红外气体传感器的选择性差、灵敏度低。
激光光声光谱技术采用激光器做光源，是单一频谱的光源，光源的频率可以和气体分子的吸收频率一致，所以激光光声光谱技术的特点是选择性好、灵敏度高。
1 激光光声光谱气体检测技术原理光声气体检测技术是基于不同气体在红外波段有不同的特征吸收光谱，例如：一氧化碳（CO）的红外特征光谱是2.32um和4.26um，二氧化碳（CO2）的红外特征光谱是4.65um和14.99um，六氟化硫（SF6）的红外特征光谱在10.55um 附近。
光声气体检测原理是利用气体吸收一支强度随时间变化的光束而被加热时所引起的一系列声效应。
当某个气体分子吸收一个频率为v的光子后，从基态E0跃迁到激发态E1，两能量级的能量差为E1-E0=hv 。
受激气体分子与气体中任何一分子相碰撞，经过无辐射驰豫过程而转变为相撞的两个分子的平均动能，通过这种方式释放能量从而返回基态。
气体通过这种无辐射的驰豫过程把吸收的光能部分地或全部地转换成热能而被加热。
如果入射光强度调制的频率小于该驰豫过程的驰豫频率，则这光强的调制就会在气体中产生相应的温度调制。
根据气体定律，封闭在光声腔内的气体温度就会产生与光强调制频率相同的周期性起伏。
也就是说，强度时变的光束在气体试样内激发出相应的声波，用传声器便可直接检测该信号。
气体光声检测系统通常由激光器（或普通单色光源）、调制器（使光束做强度调制）、充有被测吸收气体和装有检测传声器的光声腔以及信号采集处理系统组成。
利用光声原理实现的气体检测技术是基于气体的特征红外吸收，间接测量气体吸收的能量，因此测量灵敏度高、检测极限低，且不存在传感器老化的问题。
H 2S 及CO 的近红外波段光声光谱检测技术张晓星1，2，陈振伟1，程宏图1，张引2，唐炬1，肖淞1（1.武汉大学电气与自动化学院，湖北武汉430072；2.湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北武汉430068）摘要：SF 6常用于电力设备内部充当绝缘介质，在SF 6绝缘设备内部出现过热或局部放电时，进一步反应后还会出现SO 2、SOF 2、SO 2F 2、H 2S 、CO 等分解产物。
本研究基于光声光谱检测技术对H 2S 、CO 进行定量测量，从理论出发对影响光声信号的因素进行探讨，搭建光声光谱试验平台，根据气体的光声效应对气体进行光声光谱检测。
通过选择合适的气体吸收谱线作为特征谱线进行检测，避免其他组分气体存在潜在的交叉干扰。
根据HITRAN 仿真结果，选定的H 2S 气体特征谱线为6336.6cm -1，CO 气体特征谱线为6380.3cm -1。
结果表明：所测气体CO 、H 2S 的气体浓度与净光声信号幅值之间的线性度非常高，即通过测量气体光声信号值可精确反演计算出气体浓度。
在SF 6作为背景气体情况下，CO 检测下限为9.88×10-6，H 2S 检测下限为1.75×10-6。
关键词：气体近红外吸收；光声光谱；痕量气体检测；SF 6分解组分中图分类号：TM213文献标志码：A文章编号：1009-9239（2021）04-0095-07DOI :10.16790/ki.1009-9239.im.2021.04.016Near Infrared Photoacoustic Spectrum Detection Technology ofH 2S and COZHANG Xiaoxing 1,2,CHEN Zhenwei 1,CHENG Hongtu 1,ZHANG Yin 2,TANG Ju 1,XIAO Song 1(1.School of Electrical Engineering and Automation,Wuhan University,Wuhan 430072,China;2.Schoolof Electrical and Electronic Engineering,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China )Abstract :SF 6is often used in GIE as an insulating medium,it will decompose when overheating or appearing partial discharge inside GIE,the decomposition products,such as SO 2,SOF 2,SO 2F 2,H 2S,and CO will produce after further reaction.In this paper,the components H 2S and CO were quantitatively measured by photoacoustic spectroscopy detection technology,and the factors affecting photoacoustic signal were discussed theoretically.A photoacoustic spectrum experiment platform was built,and the gas was measured quantitatively based on the photoacoustic effect.Appropriate gas absorption lines were chosen as characteristic spectrum line to avoid the potential cross-interference of other gas components.According to the results of HITRAN simulation,the characteristic spectrum line of H 2S was chosen as 6336.6cm -1,and the characteristic spectrum line of CO was chosen as 6380.3cm -1.The results show that the linearity between the gas concentration of CO and H 2S and the amplitude of pure photoacoustic signal is extremely high,which suggests that the gas concentration can be accurately calculated through the measurement of photoacoustic signal value of gas.With the background gas of SF 6,the lower limit of detection for CO is 9.88×10-6,and the lower limit of detection for H 2S is 1.75×10-6.Key words:near infrared absorption of gas;photoacoustic spectrum;trace gas detection;SF 6decomposition com ‐ponents引言六氟化硫（SF 6）由于其优良的电气绝缘强度和良好的灭弧性能而常被用作高压电气设备的绝缘介质。
局部放电是指绝缘结构中由于电场分布不均匀、局部场强过高而导致的绝缘介质中局部范围内的放电或击穿现象,是造成绝缘劣化的主要原因,也是劣化的重要征兆和表现形式,与绝缘材料的劣化和击穿密切相关。
因此,对局部放电的有效检测对电力设备的安全稳定运行具有重要意义。
局部放电的检测是以局部放电所产生的各种现象为依据,通过能表述该现象的物理量来表征局部放电的状态及特性。
由于局部放电的过程中会产生电脉冲、电磁辐射、超声波、光以及一些化学生成物,并引起局部过热,相应地出现了脉冲电流法、超高频(UHF)法、超声波法、光测法、化学检测法、红外检测法等多种检测方法。
传统的局部放电检测方法,其测量信号的响应频率一般不超过 1 MHz,易受外界干扰的影响,很难用于电力设备的现场检测。
同传统的检测方法相比,超高频检测技术具有检测频率高、抗干扰性强和灵敏度高等优点,更适合局部放电在线监测,它通过接收电力变压器局部放电产生的超高频电磁波,实现局部放电的检测。
局部放电测量还有助于发现以SF6气体作为绝缘介质的气体绝缘金属封闭开关设备（以下简称GIS，包括HGIS和罐式断路器等）内部的多种绝缘缺陷，是诊断GIS健康状态的重要手段。
在GIS制造、安装、运行和检修的各个环节，凡是具备条件的，都应该进行局部放电检测。
检测原理电气设备在使用过程中，由于某些原因逐步产生缺陷，在局部出现的微小放电的物理状况。
检测局部放电是诊断电力设备绝缘状态的重要办法。
电力变压器内的油纸绝缘，由于自身老化或生产工艺，会导致绝缘缺陷。
绝缘缺陷的存在会造成电场不均匀而产生局部放电，使绝缘介质逐步受到侵蚀和损伤，最终导致变压器出现绝缘性故障,造成巨大的经济损失以及人身伤害。
所以局部放电的检测对电力变压器有着十分重要的意义。
变压器内部的典型局部放电形式有四种，他们分别是油中气隙放电、油纸隔板结构放电、悬浮电极放电和针板电极放电这四种。
我们利用超高频法检测变压器内部的局部放电。
ＤＯＩ:１０.１９３９２/ｊ.ｃｎｋｉ.１６７１￣７３４１.２０１９３５００４基于光声光谱技术的ＳＦ６气体检测及运用罗东君国网河南省电力公司技能培训中心㊀河南郑州㊀４５００００摘㊀要:光声光谱技术的ＳＦ６气体检测是一种有效的技术手段ꎬ在实践中应用广泛ꎮ文章主要对基于光声光谱技术的ＳＦ６气体检测及运用进行了简单的分析论述ꎮ关键词:光声光谱技术ꎻＳＦ６气体ꎻ检测及运用㊀㊀六氟化硫(ＳＦ６)气体具有良好的绝缘以及灭弧性能ꎬ在气体绝缘电器中应用相对较为广泛ꎮ六氟化硫是一种无色㊁无臭㊁无毒㊁不燃的稳定气体ꎮ其在常温常压状态之下呈现气态ꎬ六氟化硫分子结构具有较高的稳定性ꎮ１光声光谱技术的ＳＦ６气体系统总体设计１.１系统组成基于以上原理设计光声光谱ＳＦ６检测系统ꎬ此系统是通过红外热辐射光源㊁滤光片以及自制等共振光声池㊁计算机等中系统构成ꎮ红外热辐射光源发射较为稳定的红外光ꎬ通过特定波段的滤光片则可以形成单色光ꎬ利用斩波器通过ω频率可以实现调制ꎬ然后射入到光声池中ꎬ在产生光声效应之后依旧会发出频率为ω声波ꎮ而通过高灵敏度的微音器可以测得其光声信号ꎮ然后其送入参考信号的频率为ω的锁相放大器进行光声信号检测分析ꎮ通过ＳＴＭ３２单片机对其进行采集分析ꎬ通过上位机对其进行后续的处理ꎮ１.２谱线选择以及滤光片参数设计分析通过光声光谱技术进行检测分析ꎬ要分析可以满足检测条件的最佳线谱线的位置ꎮ在一般状况之下ＳＦ６气体检测环境中会含有二氧化碳等一些浓度较高的干扰性气体ꎬ利用谱线选择分析可以及时排除存在的干扰性气体则可以有效的提升检测的精度ꎮ通过数据库查询分析ꎬＳＦ６吸收谱线主要集中的区域范围中ꎬ干扰性气体的吸收谱线强度整体上来说分布相对较弱ꎬ也就是说ꎬ进行ＳＦ６气体检测过程中ꎬ虽然在空气中的水分含量高达１％ꎬ但是要选择其作为气体检测的主要吸收区域ꎬ则可以有效表面各种干扰性气体的影响ꎮ滤光片作为一种有效的方式可以有效的在有效宽带之外的波段光的透过ꎬ在进行参数选择过程中要综合气体吸收谱线的特征区域合理选择ꎬ保障其宽度可以覆盖整个区域范围ꎮ１.３光声光谱技术的ＳＦ６气体光源的选择光源是一种光声光谱信号激发源ꎬ对于系统设计来说具有重要的价值与作用ꎮ进行ＳＦ６气体检测开发中ꎬ要保障光源符合检测指标要求ꎬ同时要综合成本㊁体积等因素信息ꎮ因为ＳＦ６检测通过吸收光谱谱线中线位置为９４７.５ｃｍ￣１的位置ꎬ此位置处于中红外ꎬ因此光源要综合分析以二氧化碳激光器㊁量子级联激光器㊁宽带红外热辐射光源ꎮ其中二氧化碳激光器是一种应用较早的气体类型激光器ꎬ主要就是利用９.６μｍ~１０.６μｍ的振波进行处理ꎬ其发射功率相对较高ꎬ可以有效的满足ＳＦ６气体检测的灵敏度要求ꎮ但是此种类型的激光器体积相对较为庞大ꎬ其价格较为昂贵ꎬ在线检测操作较为困难ꎮ量子级联激光器是近些年比较应用的一种宽谱带以及高输出光功率㊁便于调谐㊁体积相对较小的激光器ꎬ其价格相对较为昂贵ꎬ广泛推广相对较为困难ꎮ宽带热辐射光源可以充分的激发１μｍ~２０μｍ的光ꎬ可以有效的满足多数气体分子的检测ꎬ体积相对较小ꎬ成本较为低廉ꎬ此种光源的光功率相对较低ꎮ对此ꎬ主要将红外热辐射光源作为主要光源ꎮ２基于光声光谱技术的ＳＦ６气体检测及运用基于光声光谱技术的ＳＦ６气体检测在实践中具有在线检测的功能ꎬ可以进行现场检测气路ꎬ其主要运用如下:２.１光声光谱技术的ＳＦ６气体在线检测结构通过工控机利用ＮＩ６００８数据采集卡进行气路㊁测量机构以及送回气路控制以及对应的信息数据采集整理ꎬ将采集到的数控通过工控机搭载的软件系统进行各个设备单元的管理ꎬ进行数据汇总分析ꎬ通过测试数据实现综合性的分析ꎬ将在终端的在线检测界面实时传输到局域网的任意计算机中ꎬ则可以实现远程访问ꎮ其主要功能主要有实时化的数据显示ꎬ可以通多次的数据构成趋势图㊁进行历史数据查询与分析ꎬ实现数据标定分析ꎬ根据设定的阈值报警分析ꎬ进行气体组分增长速率计算分析ꎬ实现指导设备的状态检修处理ꎬ可以实现对现场数据的远程化实时性的检测分析ꎮ２.２光声光谱技术的ＳＦ６气体现场检测气路现场测量气路主要通过本体取样ꎬ可以将测量机构检测之后的气体送到设备本体中进行循环的检测分析ꎮ在现场测量中通过自循环气路ꎬ可以有效的保障气体的密封性ꎬ避免出现排放以及泄露等问题ꎬ采取样本具有代表性ꎮ系统利用拓扑机构可以有效的保障现场工矿机采集以及处理数据可以实现实时性的传输ꎬ可以传递给局域网以及任意计算机ꎬ具有远程性的实时查看以及报警等功能ꎮ通过构建生传输线模型ꎬ可以实现对光声腔集合参数信息㊁谐振频率以及品质因子等参数通过计算机进行计算与分析ꎬ可以为优化光声腔提供精准的数据以及理论性支撑ꎬ可以有效的提升装置对痕量气体检测的精准度以及灵敏度ꎮ通过对测量隔室进行恒温处理分析ꎬ扣除噪声背景ꎬ可以获得ＧＩＳ局部的特征ꎬ可以将其分解为ＣＯ㊁ＳＯ２㊁ＣＦ４等线性拟合曲线ꎬ可以实现三种分解组分定量在线检测ꎬ检测极限相对较低ꎮ３结语传统的方式无法分析ＳＦ６故障诊断早期阶段出现的潜伏性绝缘故障ꎬ通过ＧＩＳ内部进行ＳＦ６气体的组分分析ꎬ可以发现设备中的潜伏想故障问题ꎬ可以初步地进行故障定位ꎬ这也是现阶段研究的重点ꎮ参考文献:[１]陈珂ꎬ袁帅ꎬ宫振峰.基于激光光声光谱超高灵敏度检测ＳＦ６分解组分Ｈ＿２Ｓ[Ｊ].中国激光ꎬ２０１８ꎬ４５(０９):１３８￣１４４.[２]郭红ꎬ王新兵ꎬ左都罗.基于可调谐ＣＯ＿２激光器的ＳＦ６差分光声检测研究[Ｊ].激光技术ꎬ２０１８ꎬ４２(０５):１５￣２０.[３]许宁ꎬ李振华.ＧＩＳ气体光声光谱法检测技术研究[Ｊ].通信电源技术ꎬ２０１８ꎬ３５ꎬ１７１(０３):２７￣２９.５㊀科技风２０１９年１２月科技创新。
