CN101982759A - 局放下六氟化硫分解组分的红外光声光谱检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种局放下六氟化硫分解组分的红外光声光谱检测装置及方法，属于SF₆气体绝缘电气设备局部放电在线监测技术领域。本发明装置主要包括感应调压器、无电晕实验变压器、无局部放电保护电阻、标准电容分压器、无感电阻、GIS模拟元件、宽频高速超大容量数字存储示波器、红外光声光谱系统；本发明方法是利用本发明装置，对GIS模拟元件中局放下SF₆分解气体进行红外光声光谱检测。本发明灵敏度高，能有效检测低至0.01μL/L的SF₆、CF₄、SO₂F₂、SOF₂、SO₂、HF等气体，用气量少、检测组分多、抗干扰能力强、适合在线检测。本发明可广泛用于SF₆气体绝缘电气设备，特别是GIS设备中SF₆局部放电分解气体检测。

Description

局放下六氟化硫分解组分的红外光声光谱检测装置及方法

技术领域

本发明属于六氟化硫(SF₆)气体绝缘电气设备中局部放电(PD)在线监测技术领域，特别是涉及GIS中局部放电(简称局放)下SF₆分解组分的红外光声光谱检测装置及方法。

背景技术

气体绝缘组合电器(GIS)，以SF₆气体作为绝缘介质，具有绝缘强度高、运行稳定、占地面积少和维护工作量小等优点，在电力系统中，尤其在大中城市城网建设和改造中得到愈来愈广泛的应用。但是从近年来的运行情况来看，国内外的GIS在使用中都出现了许多问题，其中以绝缘故障为主，绝缘故障最通常的特征是：GIS中的绝缘介质在完全击穿前发生局部放电。在局部放电的作用下，SF₆气体发生分解，并与杂质中的氧气(O₂)、水(H₂O)以及有机物发生复杂的化学反应，生成的主要产物有二氧化硫(SO₂)、氟化亚硫酰(SOF₂)、氟化硫酰(SO₂F₂)、四氟化碳(CF₄)及氟化氢(HF)等，因此，可定期对GIS中的SF₆气体进行气体组分分析，从而判断GIS的设备的绝缘状况，避免大停电事故的发生，所以研究局放下六氟化硫分解组分的检测装置及方法是保证电力系统安全运行的重要手段之一。

现有的局放下六氟化硫分解组分的检测装置及方法，如2010年2月10日公开的公开号为CN 101644670A的“六氟化硫气体放电微量组分的红外检测装置及方法”专利，公开的装置主要包括感应调压器、无电晕实验变压器、无局部放电保护电阻、标准电容分压器、GIS模拟元件、无感电阻、傅里叶变换红外光谱仪、宽频高速超大容量数字存储示波器等，公开的方法是利用其发明装置对局放下六氟化硫分解组分进行红外光谱检测。该专利的主要缺点是：

(1)红外光谱检测是通过对比入射的红外光和经过气体吸收后的出射红外光的光强变化来检测气体浓度的，由于局放下六氟化硫分解组分浓度较小，一般为0.01μL/L～10μL/L量级，所以入射的红外光和经过分解气体吸收后的出射红外的光强变化较小，再加上目前检测红外光强所用的红外检测器灵敏度低，从而导致红外光谱检测灵敏度较低，即使采用该公开专利所述的长气体池，灵敏度也只有零点几μL/L。

(2)由于红外光谱检测灵敏度较低，要到达一定的检测灵敏度，就必须选择局放下六氟化硫分解组分的较强的红外吸收峰作为特征吸收峰，由于局放下六氟化硫分解组分较为复杂，各组分的红外吸收峰存在交叉重叠，检测时会造成交叉干扰，致使红外光谱检测精度大大降低。

(3)红外光谱检测所用的红外检测器温度稳定性较差，整套实验设备只适宜放置在实验室恒温环境中使用，不适合实际现场检测。

(4)该专利中所使用的球面抛物镜尺寸为89mm*52mm和60mm*25mm，表面积较大(约为4628mm²和1500mm²)，易因光学表面污染而造成测量误差，且气体池为长光程气体池，外形为Φ104mm*500mm的圆柱体，气体池体积较大(约为4.25L)，每次测量需大量样气，增加了测量成本和难度。

发明内容

本发明目的在于针对现有的局放下六氟化硫分解组分的检测装置及方法的不足之处，提供一种局放下六氟化硫分解组分的红外光声光谱检测装置及方法，具有灵敏度高、精度高、稳定性好，消耗样气少、多组分检测、抗干扰能力强、适合于在线检测等特点。

本发明机理为：当物质受到强度周期性调制的光照射时，会产生声信号，这种现象即为物质的光声效应。本质上，光声效应是由于物质吸收被调制光能后产生的周期性无辐射驰豫过程，宏观上表现为气体压力的周期性变化。总的来说，分子吸收光子被激发后，有三种退激释放能量的方式：无辐射跃迁(无辐射驰豫)、辐射跃迁和化学变化。若不发生化学反应，退激的方式主要取决于所吸收的光能。在可见光和紫外光区，分子激发后处于电子激发态，分子主要以辐射跃迁的方式退激；而在红外波段，分子激发后处于震动激发态，主要以无辐射跃迁的方式退激，因此，气体光声检测主要在红外区段进行。气体光声效应具体过程如下所示：气体分子吸收光子能量由基态跃迁至激发态，处于激发态的气体分子发生无辐射驰豫，使吸收的光子能量转换为分子的平动动能，气体内能增加，在体积一定的条件下，内能增加导致温度升高，压强增大；若按一定频率对光源强度进行调制，气体压强便会出现与调制频率一致的周期性变化，如果此频率处于声频范围内，就会出现声信号，即光声信号；通过高灵敏度的微音器检测光声信号，气体浓度不同时，光声信号的强度也会不同，通过测得的光声信号的强度便可得到气体的浓度值，由于不同种类的气体其红外吸收峰的波长不同，通过吸收峰波长便可判断气体的种类。

实现本发明目的的技术方案是：一种局放下六氟化硫分解组分的红外光声光谱检测装置，主要包括感应调压器、无电晕实验变压器、无局部放电保护电阻、标准电容分压器、无感电阻、GIS模拟元件、宽频高速超大容量数字存储示波器、红外光声光谱系统等。特征是：所述红外光声光谱系统，主要由宽谱红外光源、硒化锌透镜、斩波器、斩波器控制器、滤光片轮、滤光片、硒化锌窗片、光声池、热电偶、热电偶控制器、压力变送器、微音器、信号电缆、阀门、气管、真空泵、光学支架、锁相放大器及计算机等组成。所述的宽谱红外光源和光声池分别装设在三维调整光学支架上，所述的硒化锌透镜、斩波器和滤光片轮分别装设在升降光学支架上，要求宽谱红外光源、光声池、硒化锌透镜、斩波器及滤光片轮的中心在一条水平线上，以便宽谱红外光源发出的红外光能够准确直射透过上述各个器件。

所述的宽谱红外光源为市购产品，发出的红外光波长范围为0.6μm～25μm，用以产生所需的红外光。

所述的硒化锌透镜为市购产品，透光范围0.45μm～25μm，用以将宽谱红外光源发出的红外光聚焦后透射至斩波器。

所述的斩波器和斩波器控制器为市购产品，斩波器内孔斩波频率范围为4.0Hz～500Hz，斩波器外孔斩波频率范围为40Hz～5000Hz，斩波器通过信号电缆与斩波器控制器连接，斩波器在斩波器控制器的控制下，通过外孔将光强度连续的红外光斩成光强度断续的红外光脉冲后透射至滤光片。

所述的滤光片和滤光片轮为市购产品，滤光片安装在滤光片轮的滤光片孔中，滤光片轮通过步进电机驱动旋转，用以切换不同的滤光片到光路中，滤光片轮上各滤光片中心波长分别为16390nm(SF₆吸收峰波长)、7790nm(CF₄吸收峰波长)、18550nm(SO₂F₂吸收峰波长)、18860nm(SOF₂吸收峰波长)、7350nm(SO₂吸收峰波长)、2740nm(HF吸收峰波长)，用以分别只允许其中心波长的红外光通过，滤掉剩余波长的红外光，滤光片轮通过信号电缆与计算机连接，计算机发出控制信号，控制滤光片轮内的步进电机旋转，进而控制不同波长的红外光，分别通过滤光片，经硒化锌窗片射入光声池内。

所述的光声池为一阶纵向共振光声池，光声池的外形为一圆柱体，材质为黄铜，圆柱体外径为40～60mm、长度为200～230mm，在光声池的圆柱体内的轴向中心处设置有长度为80～120mm、内径为6～12mm的谐振腔，谐振腔的内壁经抛光处理，用以产生光声信号。在谐振腔的两端分别设置有长度为40～60mm、内径为35～45mm的左、右两个圆柱形的缓冲气室，用以减小硒化锌窗片吸收红外光产生的噪声对光声信号造成的干扰。在左、右缓冲气室外侧光声池的圆柱体轴向中心处，分别设置一内径为15～25mm的通孔，在该左、右通孔外侧面上分别固接有硒化锌窗片，该左、右硒化锌窗片分别将光声池圆柱体两端的通孔进行密封。前述的滤光片透过的红外光先经左端的硒化锌窗片透过后，再经左端的缓冲气室进入谐振腔，向谐振腔提供产生光声信号所需的红外光，然后经右端的缓冲气室后，从右端的硒化锌窗片透过后射出。在左缓冲气室上方的光声池圆柱体处设置一内径为15～25mm的通孔，压力变送器固接在该通孔处，将左缓冲气室密封并检测光声池腔内SF₆气体分解组分的压力。在左缓冲气室下方的光声池圆柱体处设置一内径为1～3mm的通孔，进气管的一端经进气阀门固接在该通孔上，进气管的另一端与前述的GIS模拟元件连通，GIS模拟元件中的局放下六氟化硫分解组分，经过进气管和进气阀门进入左缓冲气室后，再进入前述的谐振腔内，在不同波长的红外光的作用下，产生相应的光声信号。在右缓冲气室下方的光声池圆柱体处设置一内径为1～3mm的通孔，出气管的一端经出气阀门固接在该通孔上，出气管的另一端与真空泵固接，用以检测完毕后，抽出光声池内的局放下六氟化硫分解组分。在右缓冲气室外侧上方的光声池圆柱体处设置一内径2～4mm的通孔，热电偶装设在该通孔内，并通过信号电缆与热电偶控制器连接，热电偶用以检测光声池腔内局放下六氟化硫分解组分的温度。在谐振腔中部上方的圆柱体处设置一直径为8～15mm的通孔，微音器通过螺纹固接在该通孔内，并通过信号电缆与锁相放大器的输入端连接，微音器将谐振腔产生的光声信号转换成电信号后通过信号电缆传输给锁相放大器进行检测，锁相放大器的参考端通过信号电缆与斩波器控制器连接，用以将参考信号由斩波器控制器传输至锁相放大器，锁相放大器的输出端通过串联接口数据线与计算机连接，将检测到的光声信号值传输至计算机，计算机运用计算程序将光声信号值转换成气体浓度值。

所述的硒化锌窗片为市购产品，透光范围0.45μm～20μm。

所述的热电偶和热电偶控制器为市购产品，热电偶使用环境温度为-20～70℃，基本误差为±0.2％，液晶显示。

所述的压力变送器为市购产品，测量范围0～1MPa，测量精度±0.25％FS，使用温度-20～85℃。

所述的微音器为市购产品，测量频率范围20Hz～20kHz，灵敏度50mV/Pa。

所述的进、出气阀门为市购产品，均为不锈钢材质，耐腐蚀。

所述气管为市购产品，聚四氟乙烯材质，耐压和耐腐蚀性能好。

所述真空泵为市购产品，功率为150W，抽气速率3.6m³/h，极限真空5Pa。

所述的锁相放大器为市购产品，测量范围2nV～1V，精度±1％，积分时间10μs～30ks，测量频率范围1mHz～102.4kHz 。

所述的光声池的外形，除前述的圆柱体外，还可为长方体、正方体等。

一种局放下六氟化硫分解组分的红外光声光谱检测方法，利用本发明装置，对其GIS模拟元件中的局放下六氟化硫分解组分进行红外光声光谱检测的具体步骤如下：

(1)检测前的准备

①清洗和调试

首先用无水酒精清洗光声池的内壁，除去池内杂质，待光声池风干后，再安装微音器、压力变送器、热电偶、进气管、出气管、硒化锌窗片等部件，在安装硒化锌窗片时，在硒化锌窗片与光声池接触处先垫硅胶片后用螺栓压紧。在各螺纹连接处加生料带及密封胶，保证使光声池有良好的气密性，然后调整宽谱红外光源和光声池的三维调整光学支架、硒化锌透镜和斩波器及滤光片轮的升降光学支架，保证宽谱红外光源、硒化锌透镜、斩波器、滤光片轮以及光声池的中心在同一水平线上，以便红外光能够准确直射透过各个部件；最后通过进、出气阀门和进、出气管以及真空泵，先利用氮气对光声池进行清洗2～3次，清洗后通过真空泵将光声池抽真空，最后通过进气管和进气阀门将待检测的GIS模拟元件中的SF₆局部放电分解气体通入光声池左端的缓冲气室中。

②系统性能参数测量

第(1)-①完成后，打开宽谱红外光源、斩波器、滤光片轮、压力变送器、微音器、热电偶及锁相放大器的电源，在光声池左端缓冲气室的充气压力0.1MPa、锁相放大器积分时间1s时测量如下参数：

先测量光声池的共振频率。调节斩波器的频率调节旋钮，并观察锁相放大器显示的光声信号，当锁相放大器显示的光声信号最大时，记录此时斩波器显示的频率，即为光声池的共振频率。

再测量噪声。先测量环境噪声值：将宽谱红外光源及斩波器的电源关闭，记录此时锁相放大器显示的值，即为环境噪声值。再测量斩波器噪声值：保持宽谱红外光源关闭并打开斩波器，调节斩波器的频率至共振频率，记录此时锁相放大器显示值，该记录值减去环境噪声值即为斩波器噪声值。然后测量窗片吸收和光声池内壁吸收造成的噪声值：通过进气管将光声池中充入高纯氮，打开斩波器及宽谱红外光光源，记录此时锁相放大器显示的数值，即为系统总体噪声，最后用总体噪声减去环境噪声值和斩波器噪声值即为窗片吸收和池壁吸收造成的噪声值。

然后测量响应因子λ。用配气装置将所要测量的气体配比成不同浓度的标准气体，分别通过进气管和进气阀门充入光声池，记录各种浓度标准气体下锁相放大器测得的光声信号值，采用线性拟合的方式计算出气体浓度与光声信号之间的线性系数，即响应因子λ。

最后计算系统最低检测限。用响应因子λ乘以系统总体噪声即可得系统最低检测限。

(2)检测局放下六氟化硫分解组分的浓度

第(1)步完成后，先通过出气管、出气阀门及真空泵将光声池抽成真空，后通过进气管和进气阀门充入待测的GIS模拟元件中的六氟化硫分解组分，再通过计算机程序控制滤光片轮旋转，依次将中心波长分别为16390nm(SF₆吸收峰波长)、7790nm(CF₄吸收峰波长)、18550nm(SO₂F₂吸收峰波长)、18860nm(SOF₂吸收峰波长)、7350nm(SO₂吸收峰波长)、2740nm(HF吸收峰波长)的滤光片旋转至光路中，并依次记下每个滤光片所对应的锁相放大器测得的光声信号值S_i(i＝1，...，6)，最后利用计算机程序将锁相放大器测得的光声信号值读入计算机，在计算机上通过公式C_i＝λ*S_i，(i＝1，...，6)进行计算(式中λ为响应因子，S_i为光声信号值)，得出准确的SF₆、CF₄、SO₂F₂、SOF₂、SO₂、HF浓度值C_i，(i＝1，...，6)。

(3)清洗及维护

在第(2)步完成后，先打开出气阀门和真空泵，将光声池中的气体抽至室外排放，后关闭出气阀门和真空泵，再打开进气阀门充入氮气，然后依次打开出气阀门和真空泵，将光声池中的气体抽至室外排放。重复以上操作2～3次，将光声池用氮气清洗干净。最后将硒化锌透镜、滤光片和硒化锌窗片取下，放入干燥的塑料袋中密封保存，防止水解和污染。

本发明采用上述技术方案后，主要有以下特点：

(1)本发明装置的灵敏度高，能有效检测出低至0.01μL/L的SF₆、CF₄、SO₂F₂、SOF₂、SO₂、HF等气体组分，能够对局部放电下六氟化硫分解组分进行准确的多组分的定性和定量分析。

(2)现有的局放下六氟化硫分解组分红外光谱检测方法，因灵敏度低，必须选择较强的红外吸收峰作为检测用的吸收峰，存在吸收峰交叉干扰的问题，而本发明装置因为灵敏度高，可选择无交叉重叠的红外吸收峰进行检测，有效的避免了吸收峰的交叉干扰问题，提高了检测精度。

(3)本发明装置的检测器为电容型驻极微音器，在常温条件下，其灵敏度漂移可保证在200年内小于1％，稳定性远超出现有的局放下六氟化硫分解组分红外光谱检测方法，进一步提高了检测的精确度。

(4)本发明装置每次检测仅需样气约0.13L(光声池内腔体积)，远小于现有的局放下六氟化硫分解组分红外光谱检测方法的4.25L，节约了用气，减小了采气和检测难度；且本发明装置中光学器件表面积较小，可有效避免因光学表面污染而带来的检测误差，进一步提高了检测的精确度。

本发明可广泛用于SF₆气体绝缘电气设备，特别是GIS设备中局放下六氟化硫分解组分的检测，为科研、教学、研究院，设备制造厂家及电力系统中对GIS设备SF₆状态检测的理论分析和应用研究提供了一种简便可靠的方法。

附图说明

图1为本发明装置的原理接线图；

图2为本发明装置中红外光声光谱系统的原理示意图；

图3为图2中光声池放大的结构图；

图4为本实施列4的微音器输出的光声信号波形图；

图5为本实施列4的光声池频率响应特性曲线；

图中：1感应调压器；2无晕实验变压器；3无局部放电保护电阻；4标准电容分压器；5无感电阻；6GIS模拟元件；7红外光声光谱系统；8宽频高速超大容量数字存储示波器；9宽谱红外光源；10硒化锌透镜；11斩波器；12斩波器控制器；13滤光片轮；14滤光片；15硒化锌窗片；16光声池；17热电偶；18热电偶控制器；19压力变送器；20微音器；21信号电缆；22进气阀门；23出气阀门；24进气管；25出气管；26真空泵；27光学支架；28锁相放大器；29计算机

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步说明本发明。

实施例1

如图1-3所示，一种局放下六氟化硫分解组分的红外光声光谱检测装置，主要包括感应调压器1、无电晕实验变压器2、无局部放电保护电阻3、标准电容分压器4、无感电阻5、GIS模拟元件6、宽频高速超大容量数字存储示波器7、红外光声光谱系统8等。特征是：所述红外光声光谱系统8，主要由宽谱红外光源9、硒化锌透镜10、斩波器11、斩波器控制器12、滤光片轮13、滤光片14、硒化锌窗片15、光声池16、热电偶17、热电偶控制器18、压力变送器19、微音器20、信号电缆21、进气阀门22、出气阀门23、进气管24、出气管25、真空泵26、光学支架27、锁相放大器28及计算机29等组成。所述的宽谱红外光源9和光声池16分别装设在三维调整光学支架27上，所述的硒化锌透镜10、斩波器11和滤光片轮13分别装设在升降光学支架27上，要求宽谱红外光源9、光声池16、硒化锌透镜10、斩波器11及滤光片轮13的中心在一条水平线上，以便宽谱红外光源9发出的红外光能够准确直射透过上述各个器件。

所述的宽谱红外光源9为市购产品，型号为GY-3，发出的红外光波长范围为0.6μm～25μm，用以产生所需的红外光。

所述的硒化锌透镜10为市购产品，直径20mm，厚度2mm，透光范围0.45μm～25μm，用以将宽谱红外光源9发出的红外光聚焦后透射至斩波器11。

所述的斩波器11和斩波器控制器12为市购产品，型号为C-995，斩波器11内孔斩波频率范围为4.0Hz～500Hz，斩波器11外孔斩波频率范围为40Hz～5000Hz，斩波器11通过信号电缆21与斩波器控制器12连接，斩波器11在斩波器控制器12的控制下，通过外孔将光强度连续的红外光斩成光强度断续的红外光脉冲后透射至滤光片14。

所述的滤光片14和滤光片轮13为市购产品，滤光片轮13型号为Lambda 10-3，滤光片14直径为20mm，滤光片14安装在滤光片轮13的滤光片14孔中，滤光片轮13通过步进电机驱动旋转，用以切换不同的滤光片14到光路中，滤光片轮13上各滤光片14中心波长分别为16390nm(SF₆吸收峰波长)、7790nm(CF₄吸收峰波长)、18550nm(SO₂F₂吸收峰波长)、18860nm(SOF₂吸收峰波长)、7350nm(SO₂吸收峰波长)、2740nm(HF吸收峰波长)，用以分别只允许其中心波长的红外光通过，滤掉剩余波长的红外光，滤光片轮13通过信号电缆21与计算机29连接，计算机29发出控制信号，控制滤光片轮13内的步进电机旋转，进而控制不同波长的红外光，分别通过滤光片14，经硒化锌窗片15射入光声池16内。

所述的光声池16为一阶纵向共振光声池16，光声池16的外形为一圆柱体，材质为黄铜，圆柱体外径为50mm、长度为215mm，在光声池16圆柱体内的轴向中心处设置有长度为100mm、内径为8mm的谐振腔，谐振腔的内壁经抛光处理，用以产生光声信号。在谐振腔的两端，分别设置有长度为50mm、内径为40mm的左、右两个圆柱形的缓冲气室，用以减小硒化锌窗片15吸收红外光产生的噪声对光声信号造成的干扰。在左、右缓冲气室外侧光声池16的圆柱体轴向中心处，分别设置一内径为20mm的通孔，在该左、右通孔外侧面上分别固接有硒化锌窗片15，该左、右硒化锌窗片15分别将光声池16圆柱体两端的通孔进行密封。前述的滤光片14透过的红外光先经左端的硒化锌窗片15透过后，再经左端的缓冲气室进入谐振腔，向谐振腔提供产生光声信号所需的红外光，然后经右端的缓冲气室后，从右端的硒化锌窗片15透过后射出。在左缓冲气室上方的圆柱体处设置一内径为20mm的通孔，压力变送器19固接在该通孔处，将左缓冲气室密封并检测光声池16腔内SF₆气体分解组分的压力。在左缓冲气室下方的光声池16圆柱体处设置一内径为2mm的通孔，进气管24的一端经进气阀门22固接在该通孔上，进气管24的另一端与前述的GIS模拟元件连通，GIS模拟元件中的局放下六氟化硫分解组分，经过进气管24和进气阀门22进入左缓冲气室后，再进入前述的谐振腔内，在不同波长的红外光的作用下，产生相应的光声信号。在右缓冲气室下方的光声池16圆柱体处设置一内径为2mm的通孔，出气管25的一端经出气阀门23固接在该通孔上，出气管25的另一端与真空泵26固接，用以检测完毕后，抽出光声池16内的局放下六氟化硫分解组分。在右缓冲气室外侧上方的光声池16圆柱体处设置一内径3mm的通孔，热电偶17装设在该通孔内，并通过信号电缆21与热电偶控制器18连接，热电偶17用以检测光声池16腔内局放下六氟化硫分解组分的温度。在谐振腔中部上方的圆柱体处设置一直径为13mm的通孔，微音器20通过螺纹固接在该通孔内，并通过信号电缆21与锁相放大器28的输入端连接，微音器20将谐振腔产生的光声信号转换成电信号后通过信号电缆21传输给锁相放大器28进行检测，锁相放大器28的参考端通过信号电缆21与斩波器控制器12连接，用以将参考信号由斩波器控制器12传输至锁相放大器28，锁相放大器28的输出端通过串联接口数据线与计算机29连接，将检测到的光声信号值传输至计算机29，计算机29运用计算程序将光声信号值转换成气体浓度值。

所述的硒化锌窗片15为市购产品，直径20mm，厚度2mm，透光范围0.45μm～20μm。

所述的热电偶17和热电偶控制器18为市购产品，型号为dIIBT4，热电偶17使用环境温度为-20～70℃，基本误差为±0.2％，液晶显示。

所述的压力变送器19为市购产品，型号为PT500-503S，测量范围0～1MPa，测量精度±0.25％FS，使用温度-20～85℃。

所述的微音器20为市购产品，型号为MPA201，测量频率范围20Hz～20kHz，灵敏度50mV/Pa。

所述的进气阀门22、出气阀门23为市购产品，均为不锈钢材质，耐腐蚀。

所述进气管24、出气管25为市购产品，内径2mm，聚四氟乙烯材质，耐压和耐腐蚀性能好。

所述真空泵26为市购产品，型号VP-1，功率为150W，抽气速率3.6m³/h，极限真空5Pa。

所述的锁相放大器28为市购产品，型号为SR830，测量范围2nV～1V，精度±1％，积分时间10μs～30ks，测量频率范围1mHz～102.4kHz。

实施例2

一种局放下六氟化硫分解组分的红外光声光谱检测装置，同实施例1，其中：所述的光声池16的圆柱体外径为40mm、长度为200mm，谐振腔长度为80mm、直径为6mm，谐振腔两端的圆柱形缓冲气室长度为40mm、内径为35mm，左缓冲气室及右缓冲气室外侧圆柱体中心处的通孔内径为15mm，左缓冲气室上方的圆柱体处的通孔内径为15mm，左缓冲气室下方的圆柱体处的通孔内径为1mm，右缓冲气室下方的圆柱体处的通孔内径为1mm，右缓冲气室外侧上方的圆柱体处的通孔内径为2mm，谐振腔中部上方的圆柱体处的通孔直径为8mm。

实施例3

一种局放下六氟化硫分解组分的红外光声光谱检测装置，同实施例1，其中：所述的光声池16的圆柱体外径为60mm、长度为230mm，谐振腔长度为120mm、直径为12mm，谐振腔两端的圆柱形缓冲气室长度为60mm、内径为45mm，左缓冲气室及右缓冲气室外侧圆柱体中心处的通孔内径为25mm，左缓冲气室上方的圆柱体处的通孔内径为25mm，左缓冲气室下方的圆柱体处的通孔内径为3mm，右缓冲气室下方的圆柱体处的通孔内径为3mm，右缓冲气室外侧上方的圆柱体处的通孔内径为4mm，谐振腔中部上方的圆柱体处的通孔直径为15mm。

实施例4

一种局放下六氟化硫分解组分的红外光声光谱检测方法，具体步骤如下：

(1)检测前的准备

①清洗和调试

首先用无水酒精清洗光声池16的内壁，除去池内杂质，待光声池16风干后，再安装微音器20、压力变送器19、热电偶17、进气管24、出气管25、硒化锌窗片15等部件，在安装硒化锌窗片15时，在硒化锌窗片15与光声池16接触处先垫硅胶片后用螺栓压紧。在各螺纹连接处加生料带及密封胶，保证使光声池16有良好的气密性，然后调整宽谱红外光源9和光声池16的三维调整光学支架27、硒化锌透镜10和斩波器11及滤光片轮13的升降光学支架27，保证宽谱红外光源9、硒化锌透镜10、斩波器11、滤光片轮13以及光声池16的中心在同一水平线上，以便红外光能够准确直射透过各个部件；最后通过进、出气阀门23和进、出气管25以及真空泵26，先利用氮气对光声池16进行清洗2～3次，清洗后通过出气管25、出气阀门23和真空泵26将光声池16抽真空，最后通过进气管24和进气阀门22将待检测的GIS模拟元件6中的SF₆气体局部放电分解气体通入光声池16左端的缓冲气室中。

②系统性能参数测量

第(1)-①完成后，打开宽谱红外光源9、斩波器11、滤光片轮13、压力变送器19、微音器20、热电偶17及锁相放大器28的电源，在光声池16左端缓冲气室充气压力0.1MPa、锁相放大器28积分时间1s时测量如下参数：

先测量光声池16的共振频率。调节斩波器11的频率调节旋钮，并观察锁相放大器28显示的光声信号，当锁相放大器28显示的光声信号最大时，记录此时斩波器11显示的频率，即为光声池16的共振频率。

再测量噪声。先测量环境噪声值：将宽谱红外光源9及斩波器11的电源关闭，记录此时锁相放大器28显示的值，即为环境噪声值；再测量斩波器11噪声值：保持宽谱红外光源9关闭并打开斩波器11，调节斩波器11的频率至共振频率，记录此时锁相放大器28显示值，该记录值减去环境噪声值即为斩波器11噪声值；然后测量窗片吸收和光声池壁吸收造成的噪声值：通过进气管24将光声池16中充入高纯氮，打开斩波器11及宽谱红外光光源，记录此时锁相放大器28显示的数值，即为系统总体噪声，最后用总体噪声减去环境噪声值和斩波器11噪声值即为窗片吸收和池壁吸收造成的噪声值。

然后测量响应因子λ的。用配气装置将所要测量的气体配比成不同浓度的标准气体，分别通过进气管24充入光声池16，记录各种浓度标准气体下锁相放大器28测得的光声信号值，采用数据拟合的方式计算出气体浓度与光声信号之间的线性系数，即响应因子。

最后计算系统最低检测限。用响应因子λ乘以系统总体噪声即可得系统最低检测限。

(2)检测局放下六氟化硫分解组分的浓度

第(1)步完成后，先通过出气管25、出气阀门23及真空泵26将光声池16抽成真空，后通过进气管24和进气阀门22充入待测的GIS模拟元件6中的局放下六氟化硫分解组分，再通过计算机程序控制滤光片轮13旋转，依次将中心波长分别为16390nm(SF₆吸收峰波长)、7790nm(CF₄吸收峰波长)、18550nm(SO₂F₂吸收峰波长)、18860nm(SOF₂吸收峰波长)、7350nm(SO₂吸收峰波长)、2740nm(HF吸收峰波长)的滤光片14旋转至光路中，并依次记下每个滤光片14所对应的锁相放大器28测得的光声信号值S_i(i＝1，...，6)，最后利用计算机程序将锁相放大器28测得的光声信号值读入计算机29，在计算机29上通过公式C_i＝λ*S_i，(i＝1，...，6)进行计算，得出准确的SF₆、CF₄、SO₂F₂、SOF₂、SO₂、HF浓度值C_i，(i＝1，...，6)，式中λ为响应因子，S_i(i＝1，...，6)为光声信号值。

(3)清理及维护

在第(2)步完成后，先依次出气阀门23和真空泵26，将光声池16中的气体抽至室外排放，后关闭出气阀门23和真空泵26，再打开进气阀门22充入氮气，然后依次打开出气阀门23和真空泵26，将光声池16中的气体抽至室外排放，重复以上操作2～3次，将光声池16用氮气清洗干净。最后将硒化锌透镜10、滤光片14和硒化锌窗片15取下，放入干燥的塑料袋中密封保存，防止水解和污染。

Claims (5)

1.一种局放下六氟化硫分解组分的红外光声光谱检测装置，主要包括感应调压器(1)、无电晕实验变压器(2)、无局部放电保护电阻(3)、标准电容分压器(4)、无感电阻(5)、GIS模拟元件(6)、宽频高速超大容量数字存储示波器(7)、红外光声光谱系统(8)，其特征在于所述红外光声光谱系统(8)，主要由宽谱红外光源(9)、硒化锌透镜(10)、斩波器(11)、斩波器控制器(12)、滤光片轮(13)、滤光片(14)、硒化锌窗片(15)、光声池(16)、热电偶(17)、热电偶控制器(18)、压力变送器(19)、微音器(20)、信号电缆(21)、进气阀门(22)、出气阀门(23)、进气管(24)、出气管(25)、真空泵(26)、光学支架(27)、锁相放大器(28)及计算机(29)组成，所述的宽谱红外光源(9)和光声池(16)分别装设在三维调整光学支架(27)上，所述的硒化锌透镜(10)、斩波器(11)和滤光片轮(13)分别装设在升降光学支架(27)上，要求宽谱红外光源(9)、光声池(16)、硒化锌透镜(10)、斩波器(11)及滤光片轮(13)的中心在一条水平线上，以便宽谱红外光源(9)发出的红外光能够准确直射透过上述各个器件；

所述的斩波器(11)通过信号电缆(21)与斩波器控制器(12)连接，斩波器(11)在斩波器控制器(12)的控制下，通过外孔将光强度连续的红外光斩成光强度断续的红外光脉冲后透射至滤光片(14)；

所述的滤光片(14)安装在滤光片轮(13)的滤光片(14)孔中，滤光片轮(13)通过步进电机驱动旋转，滤光片轮(13)通过信号电缆(21)与计算机(29)连接，计算机(29)发出控制信号，控制滤光片轮(13)内的步进电机旋转，进而控制不同波长的红外光，分别通过滤光片(14)，经硒化锌窗片(15)射入光声池(16)内；

所述的光声池(16)为一阶纵向共振光声池(16)，光声池(16)的外形为一圆柱体，材质为黄铜，圆柱体外径为40～60mm、长度为200～230mm，在光声池(16)的圆柱体内的轴向中心处设置有长度为80～120mm、内径为6～12mm的谐振腔，谐振腔的内壁经抛光处理，在谐振腔的两端分别设置有长度为40～60mm、内径为35～45mm的左、右两个圆柱形的缓冲气室，在左、右缓冲气室外侧光声池(16)的圆柱体轴向中心处，分别设置一内径为15～25mm的通孔，在该左、右通孔外侧面上固接有硒化锌窗片(15)，该左、右硒化锌窗片(15)分别将光声池(16)圆柱体两端的通孔进行密封，前述的滤光片(14)透过的红外光先经左端的硒化锌窗片(15)透过后，再经左端的缓冲气室进入谐振腔，向谐振腔提供产生光声信号所需的红外光，然后经右端的缓冲气室后，从右端的硒化锌窗片(15)透过后射出，在左缓冲气室上方的光声池(16)圆柱体处设置一内径为15～25mm的通孔，压力变送器(19)固接在该通孔处，将左缓冲气室密封并检测光声池(16)腔内SF₆气体分解组分的压力，在左缓冲气室下方的光声池(16)圆柱体处设置一内径为1～3mm的通孔，进气管(24)的一端经进气阀门(22)固接在该通孔上，进气管(24)的另一端与前述的GIS模拟元件连通，GIS模拟元件中的SF₆局部放电分解气体，经过进气管(24)和进气阀门(22)进入左缓冲气室后，再进入前述的谐振腔内，在不同波长的红外光的作用下，产生相应的光声信号，在右缓冲气室下方的光声池(16)圆柱体处设置一内径为1～3mm的通孔，出气管(25)的一端经出气阀门(23)固接在该通孔上，出气管(25)的另一端与真空泵(26)固接，在右缓冲气室外侧上方的光声池(16)圆柱体处设置一内径2～4mm的通孔，热电偶(17)装设在该通孔内，并通过信号电缆(21)与热电偶控制器(18)连接，在谐振腔中部上方的圆柱体处设置一直径为8～15mm的通孔，微音器(20)通过螺纹固接在该通孔内，并通过信号电缆(21)与锁相放大器(28)的输入端连接，微音器(20)将谐振腔产生的光声信号转换成电信号后通过信号电缆(21)传输给锁相放大器(28)进行检测，锁相放大器(28)的参考端通过信号电缆(21)与斩波器控制器(12)连接锁相放大器(28)的输出端通过串联接口数据线与计算机(29)连接，将检测到的光声信号值传输至计算机(29)，计算机(29)运用计算程序将光声信号值转换成气体浓度值。

2.按照权利要求1所述的局放下六氟化硫分解组分的红外光声光谱检测装置，其特征在于所述的光声池(16)的圆柱体外径为50mm、长度为215mm，谐振腔长度为100mm、直径为8mm，谐振腔两端的圆柱形缓冲气室长度为50mm、内径为40mm，左缓冲气室及右缓冲气室外侧圆柱体中心处的通孔内径为20mm，左缓冲气室上方的圆柱体处的通孔内径为20mm，左缓冲气室下方的圆柱体处的通孔内径为2mm，右缓冲气室下方的圆柱体处的通孔内径为2mm，右缓冲气室外侧上方的圆柱体处的通孔内径为3mm，谐振腔中部上方的圆柱体处的通孔直径为13mm。

3.按照权利要求1所述的局放下六氟化硫分解组分的红外光声光谱检测装置，其特征在于所述的光声池(16)的圆柱体外径为40mm、长度为200mm，谐振腔长度为80mm、直径为6mm，谐振腔两端的圆柱形缓冲气室长度为40mm、内径为35mm，左缓冲气室及右缓冲气室外侧圆柱体中心处的通孔内径为15mm，左缓冲气室上方的圆柱体处的通孔内径为15mm，左缓冲气室下方的圆柱体处的通孔内径为1mm，右缓冲气室下方的圆柱体处的通孔内径为1mm，右缓冲气室外侧上方的圆柱体处的通孔内径为2mm，谐振腔中部上方的圆柱体处的通孔直径为8mm。

4.按照权利要求1所述的局放下六氟化硫分解组分的红外光声光谱检测装置，其特征在于所述的光声池(16)的圆柱体外径为60mm、长度为230mm，谐振腔长度为120mm、直径为12mm，谐振腔两端的圆柱形缓冲气室长度为60mm、内径为45mm，左缓冲气室及右缓冲气室外侧圆柱体中心处的通孔内径为25mm，左缓冲气室上方的圆柱体处的通孔内径为25mm，左缓冲气室下方的圆柱体处的通孔内径为3mm，右缓冲气室下方的圆柱体处的通孔内径为3mm，右缓冲气室外侧上方的圆柱体处的通孔内径为4mm，谐振腔中部上方的圆柱体处的通孔直径为15mm。

5.一种局放下六氟化硫分解组分的红外光声光谱检测方法，其特征在于其具体步骤如下：

(1)检测前的准备

①清洗和调试

首先用无水酒精清洗光声池(16)的内壁，待光声池(16)风干后，再安装微音器(20)、压力变送器(19)、热电偶(17)、进气管(24)、出气管(25)、硒化锌窗片(15)部件，在安装硒化锌窗片(15)时，在硒化锌窗片(15)与光声池(16)接触处先垫硅胶片后用螺栓压紧，在各螺纹连接处加生料带及密封胶，保证使光声池(16)有良好的气密性，然后调整宽谱红外光源(9)和光声池(16)的三维调整光学支架(27)、硒化锌透镜(10)和斩波器(11)及滤光片轮(13)的升降光学支架(27)，保证宽谱红外光源(9)、硒化锌透镜(10)、斩波器(11)、滤光片轮(13)以及光声池(16)的中心在同一水平线上，最后通过进、出气阀门(23)和进、出气管(25)以及真空泵(26)，先利用氮气对光声池(16)进行清洗2～3次，清洗后通过真空泵(26)将光声池(16)抽真空，最后通过进气管(24)和进气阀门(22)将待检测的GIS模拟元件中的SF₆气体局部放电分解气体通入光声池(16)左端的缓冲气室中；

②系统性能参数测量

第(1)-①完成后，打开宽谱红外光源(9)、斩波器(11)、滤光片轮(13)、压力变送器(19)、微音器(20)、热电偶(17)及锁相放大器(28)的电源，在光声池(16)左端缓冲气室的充气压力0.1MPa、锁相放大器(28)积分时间1s时测量如下参数：

先测量光声池(16)的共振频率，调节斩波器(11)的频率调节旋钮，并观察锁相放大器(28)显示的光声信号，当锁相放大器(28)显示的光声信号最大时，记录此时斩波器(11)显示的频率，即为光声池(16)的共振频率；

再测量噪声，先测量环境噪声值：将宽谱红外光源(9)及斩波器(11)的电源关闭，记录此时锁相放大器(28)显示的值，即为环境噪声值，再测量斩波器(11)噪声值：保持宽谱红外光源(9)关闭并打开斩波器(11)，调节斩波器(11)的频率至共振频率，记录此时锁相放大器(28)显示值，该记录值减去环境噪声值即为斩波器(11)噪声值，然后测量窗片吸收和光声池(16)内壁吸收造成的噪声值：通过进气管(24)将光声池(16)中充入高纯氮，打开斩波器(11)及宽谱红外光光源，记录此时锁相放大器(28)显示的数值，即为系统总体噪声，最后用总体噪声减去环境噪声值和斩波器(11)噪声值即为窗片吸收和池壁吸收造成的噪声值；

然后测量响应因子λ，用配气装置将所要测量的气体配比成不同浓度的标准气体，分别通过进气管(24)和进气阀门(22)充入光声池(16)，记录各种浓度标准气体下锁相放大器(28)测得的光声信号值，采用线性拟合的方式计算出气体浓度与光声信号之间的线性系数，即响应因子λ_i，i＝1，...，6；

最后计算系统最低检测限，用响应因子λ乘以系统总体噪声即可得系统最低检测限；

(2)检测SF₆局部放电分解气体的浓度

第(1)步完成后，先通过出气管(25)、出气阀门(23)及真空泵(26)将光声池(16)抽成真空，后通过进气管(24)和进气阀门(22)充入待测的GIS模拟元件中的SF₆局部放电分解气体，再通过计算机(29)程序控制滤光片轮(13)旋转，依次将中心波长分别为16390nm即SF₆吸收峰波长、7790nm即CF₄吸收峰波长、18550nm即SO₂F₂吸收峰波长、18860nm即SOF₂吸收峰波长、7350nm即SO₂吸收峰波长、2740nm即HF吸收峰波长的滤光片(14)旋转至光路中，并依次记下每个滤光片(14)所对应的锁相放大器(28)测得的光声信号值S_i(i＝1，...，6)，最后利用计算机程序将锁相放大器(28)测得的光声信号值读入计算机(29)，在计算机(29)上通过公式C_i＝λ_i*S_i，i＝1，...，6，进行计算(式中λ_i为响应因子，S_i为光声信号值)，得出准确的SF₆、CF₄、SO₂F₂、SOF₂、SO₂、HF浓度值C_i，i＝1，...，6；

(3)清洗及维护

在第(2)步完成后，先打开出气阀门(23)和真空泵(26)，将光声池(16)中的气体抽至室外排放，后关闭出气阀门(23)和真空泵(26)，再打开进气阀门(22)充入氮气，然后依次打开出气阀门(23)和真空泵(26)，将光声池(16)中的气体抽至室外排放，重复以上操作2～3次，最后将硒化锌透镜(10)、滤光片(14)和硒化锌窗片(15)取下，放入干燥的塑料袋中密封保存。

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