專利名稱：非共振光聲光譜檢測(cè)分析裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種SF6分解氣體檢測(cè)及內(nèi)部故障分析診斷裝置。
背景技術(shù)：
以六氟化硫氣體(SF6)為絕緣和滅弧介質(zhì)的電氣設(shè)備，如GIS (氣體絕緣開關(guān)設(shè)備，Gas-Insulated Switchgear)、斷路器、變壓器、開關(guān)柜等，以其可靠性高、維護(hù)量小、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)迅速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的高壓和超高壓領(lǐng)域，逐漸成為現(xiàn)代變電站的首選設(shè)備之一。然而，近年來3匕氣體絕緣電氣設(shè)備在運(yùn)行中卻出現(xiàn)了一些問題和事故。根據(jù)幾十年的運(yùn)行情況和故障統(tǒng)計(jì)，以SF6為絕緣氣體的電氣設(shè)備中，絕緣故障發(fā)生的、比例最高(60%以上)。SF6在常溫常壓下是化學(xué)性質(zhì)極穩(wěn)定的合成氣體，其分子結(jié)構(gòu)為單硫多氟對(duì)稱結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的電負(fù)性，絕緣和滅弧性能均十分優(yōu)異。但當(dāng)SF6氣體絕緣電氣設(shè)備出現(xiàn)放電或過熱故障甚至在正常開斷時(shí)，SF6會(huì)分解成低氟硫化物，這些低氟硫化物會(huì)與氣體雜質(zhì)、水分、電極和絕緣材料等進(jìn)一步反應(yīng)生成強(qiáng)毒性和強(qiáng)腐蝕性的氣體和固體化合物，主要的氣體分解物有氟化亞硫酰(SOF2)、氟化硫酰(SO2F2)、四氟化碳(CF4)、十氟化二硫(S2F1CI)、二氧化硫(SO2)等。這些氣體分解物的種類、含量與故障的類型、嚴(yán)重程度等呈定量的對(duì)比關(guān)系，尤其是當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生潛伏性故障時(shí)，此時(shí)設(shè)備仍可運(yùn)行，但SF6氣體已發(fā)生了分解。因此，在線監(jiān)測(cè)SF6氣體絕緣電氣設(shè)備的氣體分解物，可對(duì)潛在故障提前預(yù)警，快速準(zhǔn)確地診斷設(shè)備故障并進(jìn)行故障隔離，避免或延緩事故發(fā)生。專利CN2747583Y “六氟化硫電氣設(shè)備故障檢測(cè)儀的檢測(cè)機(jī)構(gòu)”通過一個(gè)四通接頭連接壓力傳感器、SO2電化學(xué)氣體傳感器和H2S電化學(xué)氣體傳感器，檢測(cè)SO2和H2S的含量并對(duì)設(shè)備內(nèi)部故障進(jìn)行診斷。但是該專利只能檢測(cè)SO2和H2S氣體，檢測(cè)多種氣體組分時(shí)會(huì)受到結(jié)構(gòu)的限制。專利CN101464671A “一種六氟化硫氣體及其分解物監(jiān)測(cè)監(jiān)控的裝置及方法”通過放電電流測(cè)量六氟化硫氣體濃度，并通過so2、h2s、o2電化學(xué)氣體傳感器測(cè)量衍生氣體濃度。當(dāng)氣體濃度超過系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的警示范圍時(shí)，裝置自動(dòng)報(bào)警并對(duì)換氣風(fēng)機(jī)、降溫風(fēng)機(jī)等實(shí)行聯(lián)動(dòng)控制。上述專利主要是通過常見的電化學(xué)氣體傳感器檢測(cè)S02、HF、H2S等氣體分解物，對(duì)重要的分解氣體組分S02F2、SOF2和CF4等則無能為力。并且，電化學(xué)傳感器法存在氣體組分間的干擾問題，不僅選擇性差，而且存在零點(diǎn)易漂移、壽命短等主要缺陷，不適用于SF6氣體絕緣電氣設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)。專利CN101644670A “六氟化硫氣體放電微量組分的紅外檢測(cè)裝置及方法”利用傅立葉紅外光譜的方法對(duì)GIS在局部放電下的SF6分解氣體進(jìn)行檢測(cè)。該裝置通過實(shí)驗(yàn)變壓器在局部放電實(shí)驗(yàn)裝置上模擬局部放電使SF6產(chǎn)生分解，將氣體采集至氣體袋等容器中并通入長光程氣體池，然后采用紅外光譜儀進(jìn)行紅外光譜吸收檢測(cè)。該裝置雖然可檢測(cè)S02F2、SOF2, SO2, HF、S2F10等多種氣體組分，傅立葉紅外法自身具有檢測(cè)精度差、靈敏度低、檢測(cè)時(shí)間長等缺點(diǎn)，適于實(shí)驗(yàn)室中的定性分析，不適于對(duì)SF6氣體絕緣電氣設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)。專利CN10151496A “基于光聲光譜技術(shù)的SF6檢測(cè)系統(tǒng)”在斷路器所在位置附近設(shè)置若干根泄漏氣體采樣管，采集泄漏的SF6氣體至光聲腔體內(nèi)，然后利用CO2激光器產(chǎn)生激光光束通過光聲發(fā)生器的濾光片并入射到光聲腔體，通過檢測(cè)斷路器外部SF6氣體濃度來在線監(jiān)測(cè)SF6氣體泄漏。該專利提及的泄漏氣體采樣管未與SF6斷路器直接連接，受結(jié)構(gòu)限制無法檢測(cè)SF6電氣設(shè)備內(nèi)部的分解氣體。并且CO2激光器的激光波長范圍在9 V- nTll V- m,不能覆蓋SF6分解氣體的全部波長范圍，且不連續(xù)可調(diào)，還會(huì)引起吸收的交叉干涉，因此受檢測(cè)手段的限制也無法全面地檢測(cè)和分辨SF6的分解氣體。專利CN101982759A “局放下六氟化硫分解組分的紅外光聲光譜檢測(cè)裝置及方法”采用紅外光聲光譜的方法，將特定波段內(nèi)的光入射到共振型光聲池中產(chǎn)生光聲信號(hào)，用以檢測(cè)局部放電下3 6、0 4、50#2、5(^、502和冊(cè)氣體的濃度。然而，由于紅外非相干光源是面光源，輸出功率和福射強(qiáng)度低，且光源信號(hào)發(fā)散大，此時(shí)穿入至光聲池的光信號(hào)功率很低，導(dǎo)致產(chǎn)生的光聲信號(hào)強(qiáng)度很弱，易受周圍噪聲的干擾，不易分離出所需信號(hào)，其檢測(cè)精度較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可用于定量、精確、少維護(hù)或免維護(hù)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的在線監(jiān)測(cè)六氟化硫(SF6)氣體絕緣電氣設(shè)備的SF6氣體分解物檢測(cè)裝置。本發(fā)明根據(jù)六氟化硫氣體絕緣電氣設(shè)備在放電故障局部放電、電弧放電、火花放電等和局部過熱故障時(shí)SF6氣體分解的原理，采用橢球面反光鏡將紅外非相干光源輻射的紅外光信號(hào)變?yōu)榫劢构馐?，可有效將面光源產(chǎn)生的發(fā)散光聚焦，從而增強(qiáng)了入射光的功率密度，最后利用非共振光聲光譜的方法，在一定的波長范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)制，檢測(cè)SF6特征分解氣體的組分和含量，并依此分析和判斷電氣設(shè)備的內(nèi)部異常情況。本發(fā)明具有用氣量少、檢測(cè)精度高、檢測(cè)時(shí)間間隔短、零點(diǎn)不漂移、多組份同時(shí)檢測(cè)、維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)，適用于電氣設(shè)備內(nèi)部故障的在線連續(xù)監(jiān)測(cè)。本發(fā)明采用非共振紅外光聲光譜技術(shù)，將紅外光源經(jīng)橢球面反光鏡聚焦到非共振光聲池中，產(chǎn)生的光聲信號(hào)經(jīng)由微音器及信號(hào)處理組件檢測(cè)，從而獲取光聲池內(nèi)SF6及其分解氣體的成分及含量等信息。光聲光譜是基于光聲效應(yīng)的技術(shù)，其機(jī)理是氣體分子吸收周期性調(diào)制的光能后受到激發(fā)，隨即以釋放熱能的方式退激，釋放出的熱能使氣體產(chǎn)生壓力波，壓力波的強(qiáng)度與氣體分子的濃度成比例關(guān)系，通過檢測(cè)壓力波的強(qiáng)度便可得到氣體組分的濃度。不同的氣體組分吸收不同波長的光能，通過改變?nèi)肷涔獠ǖ牟ㄩL來選擇氣體的不同組分。非共振光聲光譜的原理是當(dāng)入射光的調(diào)制頻率遠(yuǎn)低于光聲池最低階簡(jiǎn)正模式的共振頻率時(shí)，光聲池工作于非共振模式，此時(shí)聲波的波長遠(yuǎn)大于光聲池的腔體尺寸，無法建立行波場(chǎng)和駐波場(chǎng)，光聲池內(nèi)各處聲壓基本相等并隨著入射光的調(diào)制頻率的變化而變化。本發(fā)明的特征在于針對(duì)紅外光源易發(fā)散的缺陷，采用橢球面反光鏡將光輻射聚焦到光聲池內(nèi)，增強(qiáng)了腔內(nèi)光功率；而采用的非共振光聲池具有體積小、檢測(cè)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，并且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便的特點(diǎn)易于儀器小型化設(shè)計(jì)。針對(duì)SF6及其分解氣體的紅外吸收峰存在交叉重疊的問題，采用光聲光譜法同時(shí)在線監(jiān)測(cè)sf6、CF4, SO2F2, SOF2, SO2, SF4,H2O等多種氣體的含量，并依此分析SF6分解氣體組分、濃度與設(shè)備內(nèi)部故障的定量對(duì)比關(guān)系，診斷SF6氣體絕緣電氣設(shè)備的內(nèi)部故障并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。本發(fā)明對(duì)氣體紅外吸收峰的選擇要求低，可有效排除多種氣體的交叉干擾，檢測(cè)精度高、分辨率高。
本發(fā)明檢測(cè)分析裝置主要用于檢測(cè)待檢測(cè)模塊故障后的SF6分解氣體。待檢測(cè)模塊可為SF6氣體絕緣電氣設(shè)備或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)的絕緣故障模擬系統(tǒng)。待檢測(cè)模塊的氣室接口通過氣體管與流量計(jì)和光聲光譜檢測(cè)模塊連接，流量計(jì)用于測(cè)量通入氣體。本發(fā)明檢測(cè)分析裝置主要由光聲光譜檢測(cè)模塊組成。所述的光聲光譜檢測(cè)模塊的特征在于能夠覆蓋SF6及其分解氣體的紅外吸收峰，并可以通過濾光器件排除各氣體存在的交叉重疊，也有效排除其他氣體的交叉干擾，分辨率高。所述的光聲光譜檢測(cè)模塊主要包括光源模塊、光聲信號(hào)產(chǎn)生模塊、光功率測(cè)量模塊和故障診斷分析模塊。光源模塊產(chǎn)生具有SF6分解物特征吸收峰波長的光；包括S0F2、SO2, CF4, SO2F2, H2S和CO2等。光源模塊產(chǎn)生的光入射至光聲信號(hào)產(chǎn)生模塊中的非共振光聲池中。光聲信號(hào)產(chǎn)生模塊用于產(chǎn)生SF6及其分解氣體的光聲信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。所述的非共振光聲池出射的光束由光功率測(cè)量模塊感應(yīng)并檢測(cè)光束的平均功率。光聲信號(hào)產(chǎn)生模塊和光功率測(cè)量模塊經(jīng)電纜與故障診斷分析模塊相連，經(jīng)光聲信號(hào)產(chǎn)生模塊和光功率測(cè)量模塊采集和處理的信號(hào)通過RS322/485線傳入故障診斷分析模塊中，用于計(jì)算SF6及其分解氣體的濃度，并分析SF6分解氣體組分、濃度，診斷SF6氣體絕緣電氣設(shè)備的內(nèi)部故障并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。所述的光源模塊包括紅外非相干光源、橢球面反光鏡、光學(xué)斬波器的斬波刀片和斬波控制器、信號(hào)電纜、濾光片輪及窄帶濾光片。其中，橢球面反光鏡的長軸線上有兩個(gè)幾何焦點(diǎn)，所述的紅外非相干光源置于橢球面反光鏡的近端焦點(diǎn)上，窄帶濾光片安裝在所述的濾光片輪上的濾光片孔中，斬波刀片位于紅外非相干光源和窄帶濾光片之間。所述的橢球面反光鏡把紅外非相干光源輻射的紅外光束匯聚于橢球面反光鏡長軸線的遠(yuǎn)端焦點(diǎn)處，從而增強(qiáng)了入射光的功率密度。所述的斬波控制器的控制端口通過信號(hào)電纜與斬波刀片相連，斬波控制器的輸出端口與光聲信號(hào)產(chǎn)生模塊的鎖相放大器通過信號(hào)電纜相連，斬波刀片的斬波頻率作為參考頻率由斬波控制器的輸出端口傳送到鎖相放大器。經(jīng)橢球面反光鏡聚焦后的光束經(jīng)所述斬波刀片調(diào)制成具有一定頻率的紅外光脈沖，繼而由窄帶濾光片濾波形成特定波長的單色光。紅外非相干光源、斬波刀片的斬波孔、窄帶濾光片的軸心共線準(zhǔn)直。所述的橢球面反光鏡的反射鏡面鍍有一層紅外波段的增反膜，增反膜使入射光大部分或幾乎全部光反射回去；所述的窄帶濾光片可使某一波段范圍的光透過而其它波段范圍的光被截止，使入射到光聲池中的光與SF6某分解物的特征吸收峰的波長范圍一致。根據(jù)SF6及其分解氣體的紅外吸收特征波峰，所述的窄帶濾光片的中心波長分別為5848i!m(SF6),6658 um (SO2F2),7463 u m (SOF2),8680 u m (SO2),7824 u m (CF4)'11223 y m (SF4)和7143 um (H2OX如增加其它分解物的濾光片，只需根據(jù)該氣體的紅外吸收特征波峰進(jìn)行相應(yīng)的窄帶濾光片選擇即可。所述的斬波刀片配有低頻斬波刀片和高頻斬波刀片，其斬波頻率的范圍為400Hz 3. 7kHz。所述的光聲信號(hào)產(chǎn)生模塊主要包括非共振光聲池、微音器和鎖相放大器。其中，微音器包括前置放大器和傳聲器，固定在非共振光聲池的殼體上用于將光聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，微音器的輸出端通過電源、信號(hào)電纜與鎖相放大器相連，鎖相放大器對(duì)微音器輸出的電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理和噪聲處理。由于紅外非相干光源是發(fā)散的面光源，光信號(hào)衰減大，為縮 短光程，所述的非共振光聲池采用緊湊型小尺寸結(jié)構(gòu)。所述的非共振光聲池主要包括光聲腔體、入光窗片、出光窗片、壓力表計(jì)和閥門等，其具體結(jié)構(gòu)為光聲腔體為圓柱形腔體；光聲腔體的軸向兩端開有圓形通孔，分別為入光口和出光口，入光窗片和出光窗片分別用法蘭固定在所述的圓形通孔上；垂直于光聲腔體軸向的一端開有圓形通孔，為進(jìn)出氣口，進(jìn)出氣口與焊接有鋼管的法蘭連接，鋼管外端接有聚四氟乙烯軟管和三通接頭，壓力表計(jì)與三通接頭的一端相連，三通接頭的另一端通過球閥密封；光聲腔體的內(nèi)壁中部上方設(shè)有圓形通孔，微音器用法蘭固定和密封在所述的圓形通孔上。入光口、出光口和光聲腔體的軸向中心在同一條水平線上。所述入射窗片和出射窗片的透過波長范圍分別為IynTgilm和liinT23iim，透光率大于90%。所述微音器的頻率響應(yīng)范圍是20Hz 20kHz，靈敏度為50mV/Pa。所述鎖相放大器的頻率范圍為ImHz 102. 4kHz，靈敏度為2n疒IV，增益精確度為±1%，動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)>100dB，穩(wěn)定性為5ppm/°C，GPIB和RS232兩種接口。光源模塊中的斬波控制器的輸出端口與所述的鎖相放大器通過信號(hào)電纜相連，光源模塊中斬波刀片的斬波頻率作為參考頻率由斬波控制器的輸出端口傳送到鎖相放大器。所述的光功率測(cè)量模塊包括光功率傳感器和光功率計(jì)。光功率傳感器通過光纖與光功率計(jì)連接，用于檢測(cè)光信號(hào)的平均輸出功率。所述光功率傳感器和光功率計(jì)的光譜響應(yīng)范圍為190nnT20iim，功率量測(cè)范圍為5(Mr300W，適于光信號(hào)的平均功率測(cè)量。所述光功率測(cè)量模塊位于光聲信號(hào)產(chǎn)生模塊中非共振光聲池出射窗片的外側(cè)，所述的光源模塊位于光聲信號(hào)產(chǎn)生模塊中非共振光聲池入射窗片的外側(cè)。光源模塊中的紅外非相干光源、斬波刀片的斬光孔、窄帶濾光片以及光功率測(cè)量模塊中的光功率傳感器檢測(cè)口，四者的軸心與非共振光聲池的軸心共線準(zhǔn)直。所述的故障診斷分析模塊主要包括嵌入式主機(jī)、監(jiān)測(cè)分析單元、顯示屏、存儲(chǔ)器和報(bào)警器。其中，嵌入式主機(jī)經(jīng)RS485/232電纜與鎖相放大器相連輸出處理后光聲信號(hào)，同時(shí)通過USB接線與光功率計(jì)相連，輸出平均的光功率信號(hào)，并通過嵌入式主機(jī)內(nèi)含的監(jiān)測(cè)分析單元計(jì)算各組分的氣體濃度值以及分析SF6氣體絕緣電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；顯示屏和存儲(chǔ)器分別經(jīng)電纜與嵌入式主機(jī)相連，用以顯示和保存監(jiān)測(cè)分析單元的計(jì)算分析結(jié)果；報(bào)警器經(jīng)電纜與嵌入式主機(jī)相連，一旦監(jiān)測(cè)分析單元的計(jì)算分析結(jié)果超過設(shè)定的閾值，啟動(dòng)報(bào)警器報(bào)警。本發(fā)明主要特點(diǎn)如下(I)帶有紅外非相干光源的光源模塊可有效增強(qiáng)光信號(hào)，性能穩(wěn)定、壽命長且衰減小，可實(shí)現(xiàn)sf6、CF4, SO2F2, SOF2, SO2, S2F10, SF4, H2O等多種氣體的定量檢測(cè)，檢測(cè)精度高且可
靠性高。(2)本發(fā)明檢測(cè)出的各組份濃度在I 500ppm范圍內(nèi)能呈現(xiàn)良好線性關(guān)系，靈敏度高，最小檢測(cè)限彡o. 05ppm ( u 1/L)。(3)本發(fā)明對(duì)氣體的紅外吸收峰的選擇要求低，相關(guān)光源的透過帶寬窄，多組氣體存在交叉重疊時(shí)可有效排除相互干擾進(jìn)行高精度檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)多組份氣體的同時(shí)檢測(cè)。(4)本發(fā)明裝置無零點(diǎn)漂移，無需周期性標(biāo)定，對(duì)環(huán)境檢測(cè)無特殊要求，可做到免維護(hù)甚至少維護(hù)，長期工作穩(wěn)定可靠，儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。(5)本發(fā)明裝置兩次檢測(cè)的時(shí)間間隔短，所需樣氣少，可有效用于SF6氣體絕緣電氣設(shè)備的在線連續(xù)監(jiān)測(cè)。(6)本發(fā)明可廣泛用于SF6氣體絕緣電氣設(shè)備或?qū)嶒?yàn)?zāi)M裝置的局部放電、火花放電、電弧放電和局部過熱等絕緣故障下的SF6及其分解氣體的檢測(cè)和絕緣故障的分析診斷，適用于電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)、科研、制造生產(chǎn)廠商的設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和故障機(jī)理分析等。


圖1-1實(shí)驗(yàn)室模擬絕緣故障時(shí)的SF6及其分解產(chǎn)物的檢測(cè)示意圖；圖1-2SF6氣體絕緣電氣設(shè)備的SF6及其分解產(chǎn)物的檢測(cè)示意圖；圖2-1光聲光譜檢測(cè)模塊8的接線圖；圖2-2光聲光譜檢測(cè)模塊8的原理圖；圖3非共振光聲池14的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4故障診斷分析模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5局部放電和火花放電故障時(shí)SF6及其分解產(chǎn)物檢測(cè)的原理圖；圖6電弧放電故障時(shí)SF6及其分解產(chǎn)物檢測(cè)的原理圖；圖7局部過熱故障時(shí)SF6及其分解產(chǎn)物檢測(cè)的原理圖；圖中1實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的絕緣故障模擬系統(tǒng)，2同軸電纜，3示波器，4閥門，5氣體管，6流量計(jì)，7真空泵，8光聲光譜檢測(cè)模塊，9SF6氣體絕緣電氣設(shè)備，2-1光源模塊，2-2光聲信號(hào)產(chǎn)生模塊，2-3光功率測(cè)量模塊,2-4故障診斷分析模塊,10紅外非相干光源，11橢球面反光鏡，12斬波刀片，13信號(hào)電纜，14斬波控制器，15濾光片輪及窄帶濾光片，16信號(hào)電纜，17非共振光聲池，18微音器，19信號(hào)電纜，20鎖相放大器，21光功率傳感器，22光纖23光功率計(jì)，24USB接線，25嵌入式主機(jī)，26RS485/232電纜，27入射窗片，28光聲腔體，29出射窗片，30進(jìn)出氣口，31監(jiān)測(cè)分析單元，32顯示屏，33存儲(chǔ)器，34報(bào)警器，35局部放電或火花放電發(fā)生模塊，36放電模擬裝置，37電弧放電發(fā)生裝置，38電弧放電模擬裝置，39溫度指示儀，40鉬絲過熱件，41實(shí)驗(yàn)箱，42局部過熱模塊。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。本發(fā)明檢測(cè)分析裝置主要包括待檢測(cè)模塊和光聲光譜檢測(cè)模塊8。待檢測(cè)模塊可為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的絕緣故障模擬系統(tǒng)I或SF6氣體絕緣電氣設(shè)備9。待檢測(cè)模塊的氣室接口通過氣體管5與流量計(jì)6和光聲光譜檢測(cè)模塊8連接，流量計(jì)6用于測(cè)量通入氣體管5的氣體流量。如圖1-1所示，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的絕緣故障模擬系統(tǒng)I主要包括故障發(fā)生模塊和故障模擬裝置。實(shí)驗(yàn)室絕緣故障模擬系統(tǒng)I經(jīng)閥門4連接氣體管5，然后氣體管5通過閥門分別與真空泵7和與光聲池的進(jìn)出氣口 30相連，用于抽真空或檢測(cè)SF6及其分解氣體的濃度。流量計(jì)6用于測(cè)量通入氣體管5的氣體流量。在實(shí)驗(yàn)室模擬絕緣故障時(shí)，檢測(cè)前，真空泵7對(duì)實(shí)驗(yàn)室絕緣故障模擬系統(tǒng)I的故障模擬裝置進(jìn)行抽真空和清洗。清洗完畢后，向?qū)嶒?yàn)室絕緣故障模擬系統(tǒng)的故障模擬裝置內(nèi)通入SF6氣體。然后，進(jìn)行相關(guān)的絕緣故障模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，打開閥門4，根據(jù)流量計(jì)6的氣體流量指示將氣體通入光聲光譜檢測(cè)模塊8進(jìn)行電弧放電下的SF6及其分解氣體的濃度檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，打開閥門4，根據(jù)流量計(jì)6的氣體流量指示將氣體通入光聲光譜檢測(cè)模塊8進(jìn)行電弧放電下的SF6及其分解氣體的濃度檢測(cè)。如圖1-2所示，SF6氣體絕緣電氣設(shè)備9的氣室接口通過氣體管5與流量計(jì)6和光聲光譜檢測(cè)模塊8連接，用于SF6氣體絕緣電氣設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)。具體為，SF6氣體絕緣電氣設(shè)備1-1的氣室接口通過氣體管5與流量計(jì)6、共振光聲池14的進(jìn)出氣口 30連接，流量計(jì)用于測(cè)量氣體流量。如圖2-1所示，所述光聲光譜檢測(cè)模塊主要包括光源模塊2-1、光聲信號(hào)產(chǎn)生模塊
2-2、光功率測(cè)量模塊2-3和故障診斷分析模塊2-4。光源模塊2-1中的紅外非相干光源輻射的紅外光信號(hào)經(jīng)反光鏡聚焦、光學(xué)斬波器的斬波刀片12調(diào)制、窄帶濾光片15過濾后形成特定波長的光，然后入射至光聲信號(hào)產(chǎn)生模塊2-2，光聲信號(hào)產(chǎn)生模塊2-2經(jīng)電纜與故障診斷分析模塊2-4連接，光功率測(cè)量模塊2-3經(jīng)USB接線與計(jì)算機(jī)連接。光源模塊2-1用于產(chǎn)生覆蓋SF6及其分解氣體紅外吸收波段的聚焦光束，光聲信號(hào)產(chǎn)生模塊2-2是發(fā)生和處理SF6及其分解氣體的光聲信號(hào)的場(chǎng)所，光功率測(cè)量模塊2-3用于感應(yīng)并檢測(cè)聚焦光束的平均功率，故障診斷分析模塊2-4用于計(jì)算SF6及其分解氣體的濃度以及診斷SF6氣體絕緣電氣設(shè)備的內(nèi)部故障并報(bào)警。 如圖2-2所示，所述的光源模塊包括紅外非相干光源10、橢球面反光鏡11、光學(xué)斬波器的斬波刀片12和斬波控制器14、信號(hào)電纜13和16、濾光片輪及窄帶濾光片15。其中，橢球面反光鏡11的長軸線上有兩個(gè)幾何焦點(diǎn)，所述的紅外非相干光源10置于橢球面反光鏡11的近端焦點(diǎn)上，窄帶濾光片15安裝在所述的濾光片輪上的濾光片孔中，斬波刀片12位于紅外非相干光源10和窄帶濾光片15之間。所述的橢球面反光鏡11把紅外非相干光源10輻射的紅外光束匯聚于橢球面反光鏡11長軸線的遠(yuǎn)端焦點(diǎn)處，從而增強(qiáng)了入射光的功率密度。所述的斬波控制器14的控制端口通過信號(hào)電纜13與斬波刀片相連，斬波控制器14的輸出端口與光聲信號(hào)產(chǎn)生模塊的鎖相放大器20通過信號(hào)電纜16相連,斬波刀片12的斬波頻率作為參考頻率由斬波控制器14的輸出端口傳送到鎖相放大器20。經(jīng)橢球面反光鏡11聚焦后的光束經(jīng)所述斬波刀片12調(diào)制成具有一定頻率的紅外光脈沖，繼而由窄帶濾光片15濾波形成特定波長的單色光。紅外非相干光源10、斬波刀片12的斬波孔、窄帶濾光片15的軸心共線準(zhǔn)直。所述的光聲信號(hào)產(chǎn)生模塊主要包括非共振光聲池17、微音器18、信號(hào)電纜19、鎖相放大器20。其中，微音器18通過螺栓固定在共振光聲池17中光聲腔體28的殼體上,微音器18的輸入端通過信號(hào)電纜19與光聲腔體28連接，微音器18用于將SF6及其分解氣體光聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后輸出至鎖相放大器20進(jìn)行信號(hào)調(diào)理和噪聲處理。所述的光功率測(cè)量模塊包括光功率傳感器21、光纖22、光功率計(jì)23和USB接線24，光功率傳感器21經(jīng)光纖22與光功率計(jì)23連接，檢測(cè)光信號(hào)的平均輸出功率。非相干紅外光源10、窄帶濾光片15、光功率傳感器21的檢測(cè)口軸心與非共振光聲池17的軸心共線準(zhǔn)直。嵌入式主機(jī)25的經(jīng)RS485/232電纜26與鎖相放大器20相連輸出處理后光聲信號(hào)，同時(shí)嵌入式主機(jī)25通過USB接線24與光功率計(jì)23相連輸出平均功率信號(hào)，然后故障診斷分析模塊2-4利用監(jiān)測(cè)分析單元31結(jié)合光聲信號(hào)、光信號(hào)的平均輸出功率等計(jì)算各組分的氣體濃度值，診斷內(nèi)部故障并報(bào)警。如圖3所示，非共振光聲池17主要包括入光窗片27、光聲腔體28、出光窗片29和進(jìn)出氣口 30等。具體結(jié)構(gòu)為光聲腔體28為圓柱形腔體，其材料為黃銅或不銹鋼。光聲腔體28的軸向兩端開有圓形通孔，分別為入光口和出光口，入光窗片27和出光窗片29分別用法蘭固定在所述的入光口和出光口上；垂直于光聲腔體軸向的一端開有圓形通孔，為進(jìn)出氣口 30，進(jìn)出氣口 30與焊接有鋼管的法蘭連接，鋼管外端接有聚四氟乙烯軟管和三通接頭，壓力表計(jì)與三通接頭的一端相連，三通接頭的另一端通過球閥密封；光聲腔體28的內(nèi)壁中部上方設(shè)有圓形通孔，微音器16用法蘭固定和密封在所述的圓形通孔上。入光口、出光口和光聲腔體的軸向中心在同一條水平線上。所述入射窗片和出射窗片的材料為氟化鈣(CaF2)或硒化鋅(ZnSe)，其透過波長范圍分別為I y nT9 y m和I y nT23 u m，透光率大于90%。如圖4所示，故障診斷分析模塊2-4主要包括嵌入式主機(jī)25、監(jiān)測(cè)分析單元31、顯示屏32、存儲(chǔ)器33和報(bào)警器34。其中，監(jiān)測(cè)分析單元31內(nèi)含在嵌入式主機(jī)25中，用于計(jì) 算SF6及其分解氣體的濃度。并根據(jù)相關(guān)的中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，分析SF6分解氣體與設(shè)備運(yùn)行、檢修等狀況的對(duì)應(yīng)關(guān)系，診斷SF6氣體絕緣電氣設(shè)備的內(nèi)部故障。顯示屏32和存儲(chǔ)器33分別經(jīng)電纜與嵌入式主機(jī)25相連，用以顯示和保存監(jiān)測(cè)分析單元31的計(jì)算分析結(jié)果；報(bào)警器34經(jīng)電纜與嵌入式主機(jī)25相連，一旦監(jiān)測(cè)分析單元31的計(jì)算分析結(jié)果超過設(shè)定的閾值，報(bào)警器34啟動(dòng)并報(bào)警。檢測(cè)時(shí)，紅外非相干光源10產(chǎn)生的光經(jīng)過橢球面反光鏡11、光學(xué)斬波器的斬波刀片12和窄帶濾光片15后形成特定波長的光，然后經(jīng)入射窗片27入射到非共振光聲池17內(nèi)，在經(jīng)氣體管5、進(jìn)出氣口 29通入非共振光聲池17的氣體上產(chǎn)生光聲信號(hào)。光聲信號(hào)經(jīng)微音器18放大后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后經(jīng)信號(hào)電纜19傳送到鎖相放大器20進(jìn)行信號(hào)調(diào)理和濾除噪聲，斬波刀片12的斬波頻率作為參考頻率由斬波控制器14的輸出端口通過信號(hào)電纜16傳送到鎖相放大器20,鎖相放大器20處理后的信號(hào)經(jīng)RS485/232電纜26與嵌入式主機(jī)25相連輸出光聲信號(hào)。同時(shí),入射到非共振光聲池的光穿過出射窗片29后由光功率傳感器21經(jīng)光纖22與光功率計(jì)23相連，測(cè)量光信號(hào)的平均輸出功率，光功率計(jì)23通過USB接線24與嵌入式主機(jī)25相連輸出功率信號(hào)。嵌入式主機(jī)25內(nèi)含的監(jiān)測(cè)分析單兀31結(jié)合光聲信號(hào)、光信號(hào)輸出功率等計(jì)算各組分的氣體濃度值和診斷分析設(shè)備的故障，計(jì)算分析結(jié)果分別顯示和儲(chǔ)存在顯示屏32和存儲(chǔ)器33上。一旦監(jiān)測(cè)分析單元31的計(jì)算分析結(jié)果超過設(shè)定的閾值，報(bào)警器34啟動(dòng)并報(bào)警。檢測(cè)結(jié)束后，打開連接在進(jìn)出氣口 30的閥門，將非共振光聲池17中的氣體通過進(jìn)出氣口 30排出，然后將真空泵7通過氣體管與非共振光聲池17的進(jìn)出氣口 30相連，清洗非共振光聲池。當(dāng)發(fā)生局部放電或火花放電故障時(shí)，SF6氣體會(huì)分解產(chǎn)生SF4、SOF2, CF4, SO2F2和S2F10等氣體，如果設(shè)備中含有水分H2O,則SOF2會(huì)進(jìn)一步分解為S02。因此，當(dāng)SF6氣體絕緣電氣設(shè)備發(fā)生局部放電或火花放電故障時(shí)，或者參照?qǐng)D5在實(shí)驗(yàn)室中模擬局部放電或火花放電故障時(shí)，通過光聲光譜檢測(cè)模塊8對(duì)SF6和H2O進(jìn)行檢測(cè)，可分析SF6氣體的純度和雜質(zhì)含量，對(duì)SF4、SOF2, CF4, SO2F2、和SO2進(jìn)行檢測(cè)，可分析SF6氣體絕緣設(shè)備是否產(chǎn)生了局部放電或火花放電故障及故障嚴(yán)重程度。圖5為實(shí)驗(yàn)室模擬局部放電或火花放電時(shí)的檢測(cè)原理圖。參照如圖5，局部放電或火花放電發(fā)生模塊35與放電模擬裝置36相連，放電模擬裝置36通過閥門4和氣體管5與真空泵7相連，同時(shí)通過另一根氣體管5與流量計(jì)6和光聲光譜檢測(cè)模塊8連接。當(dāng)發(fā)生電弧放電故障時(shí)，SF6氣體會(huì)分解產(chǎn)生SF4、SOF2, CF4, SO2F2等氣體，如果設(shè)備中含有水分H2O,則SOF2會(huì)進(jìn)一步分解為S02。因此，當(dāng)SF6氣體絕緣電氣設(shè)備發(fā)生局部放電或火花放電故障時(shí)，或者參照?qǐng)D6在實(shí)驗(yàn)室中模擬電弧放電故障時(shí)，通過光聲光譜檢測(cè)模塊8對(duì)SF6和H2O進(jìn)行檢測(cè)可分析SF6氣體的純度和雜質(zhì)含量，對(duì)SF4、SOF2、CF4、SO2F2、SO2和S2Fltl進(jìn)行檢測(cè)可分析SF6氣體絕緣設(shè)備是否產(chǎn)生了電弧放電故障及故障嚴(yán)重程度。圖6為實(shí)驗(yàn)室模擬電弧放電時(shí)的檢測(cè)原理圖。如圖6所示，電弧放電發(fā)生裝置37與電弧放電模擬裝置38相連，電弧放電模擬裝置37通過閥門4和氣體管5與真空泵7相連，同時(shí)通過另外的閥門4和另一根氣體管5與流量計(jì)6和光聲光譜檢測(cè)模塊8連接。當(dāng)發(fā)生局部過熱故障時(shí)，SF6氣體會(huì)分解產(chǎn)生SF4、SOF2, SO2F2等氣體，如果設(shè)備中含有水分H2O,則SOF2會(huì)進(jìn)一步分解為S02。因此，當(dāng)SF6氣體絕緣電氣設(shè)備發(fā)生局部過熱故障時(shí)，或者參照?qǐng)D7在實(shí)驗(yàn)室中模擬局部過熱故障時(shí)，通過光聲光譜檢測(cè)模塊8對(duì)SF6和H2O進(jìn)行檢測(cè)，可分析SF6氣體的純度和雜質(zhì)含 量，對(duì)SF4、SOF2, SO2F2和SO2進(jìn)行檢測(cè)，可分析SF6氣體絕緣設(shè)備是否產(chǎn)生了局部過熱故障及故障嚴(yán)重程度。圖7為實(shí)驗(yàn)室模擬局部過熱故障時(shí)的檢測(cè)原理圖。參照?qǐng)D7，局部過熱模塊42中，鉬絲過熱件40位于實(shí)驗(yàn)箱41內(nèi)并與電源相連，對(duì)鉬絲過熱件40通入電流可模擬局部過熱故障，溫度指示儀39用來測(cè)量鉬絲過熱件40的溫度。局部過熱模塊42的實(shí)驗(yàn)箱41通過閥門4和氣體管5與真空泵7相連，同時(shí)通過另外的閥門4和另一根氣體管5與流量計(jì)6和光聲光譜檢測(cè)模塊8連接。
權(quán)利要求
1.ー種非共振光聲光譜檢測(cè)分析裝置，其特征在于，所述的檢測(cè)裝置由光聲光譜檢測(cè)模塊(8)組成；所述的光聲光譜檢測(cè)模塊(8)包括光源模塊(2-1)、光聲信號(hào)產(chǎn)生模塊(2-2)、光功率測(cè)量模塊(2-3)和故障診斷分析模塊(2-4);所述的光源模塊(2-1)產(chǎn)生的光束入射至光聲信號(hào)產(chǎn)生模塊(2-2)的非共振光聲池中，光聲信號(hào)產(chǎn)生模塊(2-2)用于產(chǎn)生SF6及其分解氣體的光聲信號(hào)并將所述的光聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，所述的非共振光聲池出射的光束由光功率測(cè)量模塊(2-3)感應(yīng)并檢測(cè)光束的平均功率；所述的光聲信號(hào)產(chǎn)生模塊(2-2)和光功率測(cè)量模塊(2-3)與故障診斷分析模塊(2-4)相連，經(jīng)光聲信號(hào)產(chǎn)生模塊(2-2)和光功率測(cè)量模塊(2-3)采集和處理的信號(hào)傳輸至故障診斷分析模塊(2-4)中，故障診斷分析模塊(2-4 )計(jì)算SF6及其分解氣體的濃度，并分析SF6分解氣體組分、濃度,診斷SF6氣體絕緣電氣設(shè)備的內(nèi)部故障并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非共振光聲光譜檢測(cè)分析裝置，其特征在于，所述的光源模塊(2-1)包括紅外非相干光源(10)、橢球面反光鏡(11)、光學(xué)斬波器、濾光片輪和窄帶濾光片組(15);所述的紅外非相干光源置于橢球面反光鏡的長軸線上的近端焦點(diǎn)上；一組窄帶濾光片安裝在所述的濾光片輪上的濾光片孔中；光學(xué)斬波器包括斬波刀片(12)和斬波控制器(14)，斬波刀片(12)位于紅外非相干光源和窄帶濾光片之間，斬波控制器(14)的控制端ロ通過信號(hào)電纜與斬波刀片(12)相連；所述的橢球面反光鏡的反射鏡面鍍有一層紅外波段的增反膜，把紅外非相干光源輻射的紅外光束匯聚于橢球面反光鏡長軸線的遠(yuǎn)端焦點(diǎn)處；紅外非相干光源、光學(xué)斬波器的斬波孔、窄帶濾光片的軸心共線準(zhǔn)直。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非共振光聲光譜檢測(cè)分析裝置，其特征在于，所述的斬波控制器(14)的輸出端ロ與光聲信號(hào)產(chǎn)生模塊(2-2)的鎖相放大器通過信號(hào)電纜相連,斬波刀片的斬波頻率作為參考頻率由斬波控制器的輸出端ロ傳送到鎖相放大器；經(jīng)橢球面反光鏡聚焦后的光束經(jīng)所述斬波刀片調(diào)制成具有一定頻率的紅外光脈沖，由所述的窄帶濾光片濾波形成特定波長的単色光。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非共振光聲光譜檢測(cè)分析裝置，其特征在干，所述的橢球面反光鏡(11)的反射鏡面鍍有一層紅外波段的增反射膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非共振光聲光譜檢測(cè)分析裝置，其特征在于，所述的光聲信號(hào)產(chǎn)生模塊(2-2)包括非共振光聲池(17)、微音器(18)和鎖相放大器(20);所述的微音器(18)固定在非共振光聲池(17)中光聲腔體(28)的殼體上,微音器(18)的輸入端與光聲腔體(28)連接,微音器的輸出端通過電源、信號(hào)電纜與鎖相放大器(20)相連,微音器(18)用于將SF6及其分解氣體光聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后輸出至鎖相放大器(20)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理和噪聲處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非共振光聲光譜檢測(cè)分析裝置，其特征在于，所述的光功率測(cè)量模塊(2-3)主要包括光功率傳感器(21)和光功率計(jì)(23);光功率傳感器(21)經(jīng)光纖(22)與光功率計(jì)(23)連接，感應(yīng)并檢測(cè)光信號(hào)的平均輸出功率；所述的紅外非相干光源(10)、窄帶濾光片(15)、光功率傳感器(21)的檢測(cè)ロ軸心與所述的非共振光聲池(17)的軸心共線準(zhǔn)直；嵌入式主機(jī)(25)經(jīng)RS485/232電纜(26)與鎖相放大器(20)相連，輸出處理后的光聲信號(hào)，同時(shí)嵌入式主機(jī)(25 )通過USB接線(24 )與光功率計(jì)(23 )相連，輸出平均光功率信號(hào)，故障診斷分析模塊(2-4)利用監(jiān)測(cè)分析単元(31)結(jié)合光聲信號(hào)、光信號(hào)的平均功率計(jì)算各組分的氣體濃度值，在線監(jiān)測(cè)SF6,體絕緣電氣設(shè)備并進(jìn)行故障診斷，超過設(shè)定閾值時(shí)報(bào)警。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非共振光聲光譜檢測(cè)分析裝置，其特征在于，所述的非共振光聲池(17)主要包括入射窗片(27)、光聲腔體(28)、出射窗片(29)和進(jìn)出氣ロ(30);光聲腔體(28)為圓柱形腔體；光聲腔體(28)的軸向兩端開有圓形通孔，分別為入光口和出光ロ，入光窗片(27)和出光窗片(29)分別用法蘭固定在所述的入光口和出光口上；垂直于光聲腔體軸向的一端開有進(jìn)出氣ロ( 30)，進(jìn)出氣ロ( 30)與焊接有鋼管的法蘭連接，鋼管外端接有聚四氟こ烯軟管和三通接頭，壓カ表計(jì)與三通接頭的一端相連，三通接頭的另一端通過球閥密封；光聲腔體(28)的內(nèi)壁中部上方設(shè)有圓形通孔，微音器(18)用法蘭固定和密封在所述的圓形通孔上；所述的入光ロ、出光口和光聲腔體(28)的軸向中心在同一條水平線上。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非共振光聲光譜檢測(cè)分析裝置，其特征在于，所述的故障診斷分析模塊(2-4)包括嵌入式主機(jī)(25)、監(jiān)測(cè)分析単元(31)、顯示屏(32)、存儲(chǔ)器(33)和報(bào)警器(34);所述的監(jiān)測(cè)分析単元(31)內(nèi)含在嵌入式主機(jī)(25)中，用于計(jì)算SF6及其分解氣 體的濃度，進(jìn)行故障診斷；所述的報(bào)警器(34)與嵌入式主機(jī)(25)相連，一旦監(jiān)測(cè)分析単元(31)的計(jì)算分析結(jié)果超過設(shè)定的閾值，報(bào)警器(34)啟動(dòng)并報(bào)警。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非共振光聲光譜檢測(cè)分析裝置，其特征在于，所述的待檢測(cè)模塊為SF6氣體絕緣電氣設(shè)備(1-1 )，所述的SF6氣體絕緣電氣設(shè)備(1-1)的氣室接ロ通過氣體管(5)、流量計(jì)(6)，以及非共振光聲池(17)的進(jìn)出氣ロ(30)連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非共振光聲光譜檢測(cè)分析裝置，其特征在于，所述的待檢測(cè)模塊為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的絕緣故障模擬系統(tǒng)(1-2)，所述的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的絕緣故障模擬系統(tǒng)(1-2)經(jīng)閥門(4)連接氣體管(5)，再由氣體管(5)分別與真空泵(7)和與非共振光聲池(17)的進(jìn)出氣ロ(30)相連。
全文摘要
一種非共振光聲光譜檢測(cè)分析裝置，由光聲光譜檢測(cè)模塊(8)組成。光聲光譜檢測(cè)模塊(8)包括光源模塊(2-1)、光聲信號(hào)產(chǎn)生模塊(2-2)、光功率測(cè)量模塊(2-3)和故障診斷分析模塊(2-4)；光源模塊(2-1)中紅外非相干光源產(chǎn)生的光信號(hào)經(jīng)橢球面反光鏡聚焦后形成聚焦光束，然后經(jīng)光學(xué)斬波器的斬波刀片和濾光片調(diào)制成特定頻率和波長的光入射到光聲信號(hào)產(chǎn)生模塊(2-2)，待測(cè)氣體經(jīng)照射產(chǎn)生的光聲信號(hào)經(jīng)故障診斷分析模塊(2-4)計(jì)算各氣體濃度并進(jìn)行故障診斷和報(bào)警。本發(fā)明可定量檢測(cè)SF6、CF4、SO2F2、SOF2、SO2、SF4、H2O等氣體，適于現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01N21/17GK102661918SQ20121016942
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月28日
發(fā)明者張國強(qiáng), 林濤, 邱宗甲, 韓冬 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電工研究所