CN103792206A - 在线检测gis中sf6分解组分的内置红外气体传感器 - Google Patents

Abstract

一种在线检测GIS中SF₆分解组分的内置红外气体传感器，属于SF₆气体绝缘设备的绝缘状态在线监测技术领域。本发明主要包括由激光驱动电源和激光温度控制器组成的窄线宽可调谐激光器、法兰盘、光电探测器、数据处理模块等。本发明能在线实时准确地对GIS内部局部放电气体分解组分进行检测，具有结构简单，抗干扰能力强、便于操作、响应时间快、检测的准确性高、精度高等优点，能够及时发现GIS的内部绝缘缺陷。本发明可广泛用于GIS设备中SF₆气体分解组分及其含量的气体检测，特别适合运用于在线对GIS内部SF₆气体分解组分及其含量进行检测。

Description

在线检测GIS中SF6分解组分的内置红外气体传感器

技术领域

本发明属于气体绝缘电气设备中SF₆气体分解组分及其含量在线监测技术领域，具体涉及一种在线检测GIS中SF₆气体分解组分及其含量的内置红外气体传感器。

背景技术

气体绝缘组合电器（简称GIS）具有占地面积小、运行安全可靠、维护工作量少、检修周期长等优点，在电力系统得到了广泛的应用。然而，GIS内部不可避免的绝缘缺陷将导致设备内部电场发生畸变，进而产生局部放电（PD）或出现过热状态，影响GIS的安全稳定运行，进而导致电力系统存在安全隐患。研究表明，PD和过热都会引起GIS内的SF₆绝缘气体发生分解，并且不同的绝缘缺陷可能导致绝缘气体的分解过程、分解速率、分解产物相对含量以及影响因素等不同。据2006年到2012年国家电监会发布重大事故报告表明，GIS出现的绝缘故障率正逐年上升。因此，对SF₆分解组分气体的成分及其含量进行监测，对于衡量GIS内部局部放电总体水平、过热程度的发展趋势至关重要，甚至可以根据其组分及其含量来推断出GIS内部缺陷类型和位置，预防故障的发生，对保证电力系统的安全运行有重要的作用。红外气体传感器具有体积小、重量轻、耐高压、耐腐蚀、不受电磁干扰、灵敏度高、响应时间快等一系列优点，是最趋于实用化的一种气体传感技术。它利用被测气体的吸收光谱随被测气体分子的化学结构、浓度而产生不同的特征进行检测，从而具有了选择性、鉴别性和气体浓度的唯一确定性等特点，并且稍加更换特定波长的激光源，就能监测SF₆分解的其他特征组分气体。

现有检测GIS中SF₆分解组分的气体传感器，如2013年6月5日公布号为CN103134769A的“一种红外气体传感器”专利，公开的传感器包括电源、敏感探头、信号接收电路、放大电路、模数转换电路、控制电路以及输出显示电路，所述敏感探头由气室、红外光源、红外接收器及反光镜组成。该传感器的主要缺点是：

1、该传感器红外光线从红外光源出发，经过五个反光镜的反射，回到红外接收器内，形成内切于气室内壁的正五边形光路，此结构中反光镜经过五次反射，会产生较大的反射损耗，对测量结果的精度和准确性有较大的影响，进而会对GIS内部故障出现错报、漏报情况，影响整个电力系统的运行；

2、该传感器只能用于监测矿井，垃圾钻井中的瓦斯浓度；石化行业的炼油厂、输油管道以及天然气管道的监控；公共场所甚至家庭、交通工作等场所的气体监测，不能应用于GIS中SF₆气体分解组分及其含量的监测；

3、该传感器所选材料，特别是聚光杯、集光杯内壁镀钼，未考虑GIS内部电气绝缘要求，用作在线检测GIS内部SF₆气体分解组分及其含量时会带来新的绝缘缺陷，进而会导致GIS产生绝缘故障，影响电力系统的可靠运行；

4、该传感器所使用的红外光源，的光谱范围比较大，但SF₆分解组分气体之间吸收谱带较为接近，因此利用该传感器检测SF₆分解组分气体存在较大的交叉干扰情况。并且该传感器只能检测目标气体的浓度，而不能检测GIS中SF₆气体的分解组分及其含量，因此不能有效的预防GIS故障的发生，进而不能确保电力系统的正常运行。

发明内容

本发明的目的是针对现有检测GIS中SF₆气体分解组分及其含量的气体传感器的不足，提供一种在线检测GIS中SF₆分解组分的内置红外气体传感器。本发明能在线实时准确地对GIS内部局部放电气体分解组分进行检测，具有结构简单，抗干扰能力强、便于操作、响应时间快、检测的准确性高、精度高等优点，能够及时发现GIS的内部绝缘缺陷，保证电力系统的安全运行，提高系统供电的可靠性。

实现本发明目的的技术方案是：一种在线检测GIS中SF₆分解组分的内置红外气体传感器，主要包括由激光驱动电源和激光温度控制器组成的窄线宽可调谐激光器、法兰盘、光电探测器、数据处理模块等。将本发明传感器的所述法兰盘替换GIS的任一法兰盘，由所述窄线宽可调谐激光器发射出一定功率、特定波长的激光经单模光纤进入所述法兰盘一端的光纤准直器，所述光纤准直器将光纤出射的光经准直后变为平行光，经三个反射镜形成正方形光路将平行光反射至光纤耦合器，所述光纤耦合器将激光耦合到单模光纤并传输到光电探测器中，然后由数据处理模块检测光强信号变化实时显示GIS内部SF₆气体分解组分及其含量，从而判断运行中GIS运行状态及故障类型。

所述的法兰盘主要由底座、光纤准直器、光纤耦合器、反射镜和单模光纤组成。所述底座的材料为厚度为10－15mm不锈钢或铝镁合金板，所述法兰盘的形状为外径与GIS上法兰盘的外径相匹配的圆盘形，以便替换GIS的任一法兰盘，能承受GIS运行过程中的3－4个大气压，确保检测设备的安全运行。在所述圆盘形的底座的表面上涂覆一层厚度为1－3mm的聚四氟乙烯材料或黑色绝缘漆，用以使所述圆盘形的底座的外表面不吸收外红线光、且不与SF₆分解组分气体成分发生化学反应，保证检测的精确度。在所述圆盘形底座的内侧面的边缘处，设置一孔径为3－5mm的通孔。在所述底座上并位于所述通孔下方，分别固接一个所述的光纤耦合器和一个所述的光纤准直器。在所述圆盘形的底座上并位于所述光纤耦合器和光纤准直器的另三方的边缘处，分别固接一个所述的反射镜，并要求所述的光纤耦合器和光纤准直器与三个所述的反射镜在所述的圆盘形底座上形成正方形的光路。两根所述的单模光纤通过密封胶穿过并固接在所述的通孔中。一根所述的单模光纤的一端与所述的窄线宽可调谐激光器的输出端固接，另一端与所述的光纤准直器的输入端固接，用以将窄线宽可调谐激光器发射出的红外激光经所述的单模光纤传送至所述的光纤准直器转换成平行光发射出去。另一根所述的单模光纤的一端与所述的光纤耦合器的输出端固接，另一端与所述的光电探测器的输入端固接，用以反射后的光线通过所述的光纤耦合器耦合后经所述的单模光纤传送至所述的光电探测器进行处理分析。所述的反射镜为市购产品，反射波长为1000.00-1500.00nm，反射率大于99%，用以将激光反射至所要求的位置。所述的光纤准直器为市购产品，工作波长1250.00-1650.00nm，用以将光纤内传输的光变成准直光（平行光）。所述的光纤耦合器为市购产品，工作波长1250.00-1650.00nm，用以将光纤准直器通过的准直光耦合到单模光纤中。所述的单模光纤为市购产品，工作波长1300.00-1550.00nm，用以激光的传输通道。

所述的窄线宽可调谐激光器为由激光器驱动电源和激光器温度控制器组成的市购产品，主要是可以产生调谐波长为1250.00-1600.00nm红外窄带激光，功率在10－20mw以上，带宽为0.1－0.5nm，用以提供检测待测气体所需要的特定波长的红外激光。所述的激光器温度控制器通过数据连接线与所述的激光器驱动电源连接，用以控制所述窄线宽可调谐激光器的输出波长。所述的激光器驱动电源通过单模光纤与所述光纤准直器的输入端连接，用以调节输出电流的大小来控制所述窄线宽可调谐激光器输出功率。

所述的光电探测器为市购产品，检测波长范围为800.00-1700.00nm、响应率为0.9*10⁷/10⁶V/W。所述的光电探测器的输入端通过单模光纤与所述的光纤耦合器的输出端连接，用以吸收待测的SF₆分解气体红外激光光强信号传输给所述光电探测器进行检测，并将所得红外激光光强信号强度传输给所述数据处理模块进一步进行处理。

所述的数据处理模块由单片机、输入模块、显示模块组成，用以根据操作人员输入的所述窄线宽可调谐激光器的波长和功率数值及所检测GIS内部气压和温度状态，按照出厂前的设置的相关算法对所述光电探测器传输的红外激光光电信号进行数据统计、处理及显示。所述的输入模块为市购产品，与所述的单片机相连，用以将所述窄线宽可调谐激光器的波长和功率数值及所检测GIS内部气压和温度状态。所述单片机为市购产品，与所述的光电探测器和所述的输入模块相连，用以根据所述输入模块输入的参数根据出厂前预先设置的相关算法将所述的光电探测器的信号进行统计、分析处理成SF₆分解气体组分及含量数据，传送至所述的显示模块。所述显示模块为市购产品，与所述的单片机相连接，用以将分析计算出的SF₆分解气体组分及含量数据显示出来，便于用户读取。

本发明的工作过程：先将本发明传感器的法兰盘替换在GIS中的任一法兰盘，由窄线宽可调谐激光器的激光驱动电源实时依次发射出检测SF₆分解组分（即SO₂、SOF₂、SO₂F₂、CO₂、CF₄等）波长的激光，依次通过单模光纤输入装设于所述法兰盘上的光纤准直器。所述的光纤准直器将入射光变换成平行光后，依次通过三个反射镜形成正方形光路后，反射至光纤耦合器耦合，并经单模光纤传输到光电探测器中，然后由数据处理模块依次分别检测该光强信号，经处理分析后实时显示GIS中SF₆气体分解组分及其含量，从而能判断GIS的运行状态及对其故障的预判。

本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果：

（1）本发明传感器中采用了三个反射镜对入射光进行反射，形成了正方形光路，具有精简的系统结构，具有较小的反射损耗，将大大提高对SF₆分解组分气体浓度测量的准确性和精度，确保了利用结果对GIS内部缺陷诊断的准确性；

（2）本发明为内置式传感器，能有效的对GIS内部由于局部放电或过热状态导致的SF₆气体分解组分及其含量进行测量，直接向外传输光信号，不需要将内部分解气体导出，几乎没有检测时延，做到了实时在线监测，能有效避免外界其他因素的干扰，从而进一步提高检测结果的稳定性和准确性高；

（3）本发明测量采用的是物理方法，对SF₆分解组分气体性质不产生任何改变，也没有任何气体损耗，从而对GIS内部状态不产生任何影呼响。并且由于传感器检测部分体积小，且涂覆一层聚四氟乙烯材料涂层，不改变GIS内部电场分布，从而保证了GIS自身及其他检测装置的正常运行；

（4）本发明利于不同气体具有不同波长的特征吸收峰，从而即能区分SF₆分解组分种类，也能对每种组分浓度进行精确测量，从而能够更加有效的判断GIS内部缺陷类型。

本发明可广泛用于GIS设备中SF₆气体分解组分及其含量的气体检测，特别适用于在线对GIS内部SF₆气体分解组分及其含量进行检测。同时也可应用于科研、教学、研究院所对红外气体传感器用以气体检测的分析和应用。

附图说明

图1为本发明在线检测GIS中SF₆分解组分的内置红外气体传感器原理框图；

图2为图1中气体传感器法兰盘的结构示意图。

图中：1激光器温度控制器，2数据处理模块，3激光器驱动光源，4光电探测器，5法兰盘，6底座，7通孔——8单模光纤，9光纤耦合器，10光纤准直器，11反射镜。

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、2所示，一种在线检测GIS中SF₆分解组分的内置红外气体传感器，主要包括由激光驱动电源3和激光温度控制器1组成的窄线宽可调谐激光器、法兰盘5、光电探测器4、数据处理模块2等。将本发明传感器的法兰盘5替换GIS的任一法兰盘，由所述窄线宽可调谐激光器发射出一定功率、特定波长的激光经单模光纤8进入所述法兰盘一端的光纤准直器10，所述光纤准直器10将光纤出射的光经准直后变为平行光，经三个反射镜11形成正方形光路将平行光反射至光纤耦合器9，所述光纤耦合器9将激光耦合到所述单模光纤8并传输到所述光电探测器4中，然后由所述数据处理模块2检测光强信号变化实时显示GIS内部SF₆分解气体组分及含量，从而判断运行中GIS运行状态及故障类型。

所述的法兰盘5主要由底座6、光纤准直器10、光纤耦合器9、反射镜11和单模光纤8组成。所述底座6的材料为厚度为13mm不锈钢板，所述法兰盘5的形状为外径与GIS上法兰盘的外径相匹配的圆盘形，以便替换GIS的任一法兰盘，能承受GIS运行过程中的3－4个大气压，确保检测设备的安全运行。在所述圆盘形的底座6的外表面上涂覆一层厚度为2mm的聚四氟乙烯材料或黑色绝缘漆，用以使所述圆盘形的底座6的外表面不吸收外红线光、且不与SF₆分解组分气体成分发生化学反应，保证检测的精确度。在所述圆盘形底座6的内侧面的边缘处，设置一孔径为4mm的通孔。在所述底座6上并位于所述通孔下方，分别固接一个所述的光纤耦合器9和一个所述的光纤准直器10。在所述圆盘形的底座6上并位于所述光纤耦合器9和光纤准直器10的另三方的边缘处，分别固接一个所述的反射镜11，并要求所述的光纤耦合器9和光纤准直器10与三个所述的反射镜11在所述的圆盘形底座6上形成正方形的光路。两根所述的单模光纤8通过密封胶穿过并固接在所述的通孔中。一根所述的单模光纤8的一端与所述的窄线宽可调谐激光器驱动电源3的输出端固接，另一端与所述的光纤准直器10的输入端固接，用以将窄线宽可调谐激光器发射出的红外激光经所述的单模光纤8传送至所述的光纤准直器10转换成平行光发射出去。另一根所述的单模光纤8的一端与所述的光纤耦合器9的输出端固接，另一端与所述的光电探测器4的输入端固接，用以反射后的光线通过所述的光纤耦合器9耦合后经所述的单模光纤8传送至所述的光电探测器4进行处理分析。所述的反射镜11为市购产品，反射波长为1000.00-1500.00nm，反射率大于99%，用以将激光反射至所要求的位置。所述的光纤准直器10为市购产品，工作波长1250.00-1650.00nm，用以将光纤内传输的光变成准直光（平行光）。所述的光纤耦合器9为市购产品，工作波长1250.00-1650.00nm，用以将红外激光耦合到单模光纤中。所述的单模光纤8为市购产品，工作波长1300.00-1550.00nm，用以激光的传输通道。

所述的窄线宽可调谐激光器为由激光器驱动电源3和激光器温度控制器1组成的市购产品，主要是可以产生调谐波长为1250.00-1600.00nm红外窄带激光，功率在15mw，带宽为0.3nm，用以提供检测待测气体所需要的特定波长的红外激光。所述的激光器温度控制器1通过数据连接线与所述的激光器驱动电源3连接，用以控制所述窄线宽可调谐激光器的输出波长。所述的激光器驱动电源3通过单模光纤与所述光纤准直器10的输入端连接，用以调节输出电流的大小来控制所述窄线宽可调谐激光器输出功率。

所述的光电探测器4为市购产品，检测波长范围为800.00-1700.00nm、响应率为0.9*10⁷/10⁶V/W。所述的光电探测器4的输入端通过单模光纤与所述的光纤耦合器9的输出端连接，用以吸收待测的SF₆分解气体红外激光光强信号传输给所述光电探测器4进行检测，并将所得红外激光光强信号强度传输给所述数据处理模块2进一步进行处理。

所述的数据处理模块2由单片机、输入模块、显示模块组成，用以根据操作人员输入的所述窄线宽可调谐激光器的波长和功率数值及所检测GIS内部气压和温度状态，按照出厂前的设置的相关算法对所述光电探测器4传输的红外激光光电信号进行数据统计、处理及显示。所述的输入模块为市购产品，与所述的单片机相连，用以将所述窄线宽可调谐激光器的波长和功率数值及所检测GIS内部气压和温度状态。所述单片机为市购产品，与所述的光电探测器4和所述的输入模块相连，用以根据所述输入模块输入的参数根据出厂前预先设置的相关算法将所述的光电探测器4的信号进行统计、分析处理成SF₆分解气体组分及含量数据，传送至所述的显示模块。所述显示模块为市购产品，与所述的单片机相连接，用以将分析计算出的SF₆分解气体组分及含量数据显示出来，便于用户读取。

实施例2

一种在线检测GIS中SF₆分解组分的内置红外气体传感器，同实施案例1，其中：所述底座6的材料为厚度为10mm不锈钢板；在所述底座6表面上涂覆一层厚度为1mm聚四氟乙烯材料；在所述圆盘形底座6的内侧面边缘处，设置一孔径为3mm的通孔；所述的窄线宽可调谐激光器功率在10mw，带宽为0.1nm。

实施例3

一种在线检测GIS中SF₆分解组分的内置红外气体传感器，同实施案例1，其中：所述底座6的材料为厚度为15mm不锈钢板；在所述底座6表面上涂覆一层厚度为3mm聚四氟乙烯材料；在所述圆盘形底座6的内侧面边缘处，设置一孔径为5mm的通孔；所述的窄线宽可调谐激光器功率在20mw，带宽为0.5nm。

实施例4

一种在线检测GIS中SF₆分解组分的内置红外气体传感器，同实施案例1，其中：所述底座6的材料为厚度为13mm铝镁合金板；在所述底座6表面上涂覆一层厚度为2mm黑色绝缘漆；在所述圆盘形底座6的内侧面边缘处，设置一孔径为4mm的通孔；所述的窄线宽可调谐激光器功率在15mw，带宽为0.3nm。

实施例5

一种在线检测GIS中SF₆分解组分的内置红外气体传感器，同实施案例1，其中：所述底座6的材料为厚度为10mm铝镁合金板；在所述底座6表面上涂覆一层厚度为1mm黑色绝缘漆；在所述圆盘形底座6的内侧面边缘处，设置一孔径为3mm的通孔；所述的窄线宽可调谐激光器功率在10mw，带宽为0.1nm。

实施例6

一种在线检测GIS中SF₆分解组分的内置红外气体传感器，同实施案例1，其中：所述底座6的材料为厚度为15mm铝镁合金板；在所述底座6表面上涂覆一层厚度为3mm黑色绝缘漆；在所述圆盘形底座6的内侧面边缘处，设置一孔径为5mm的通孔；所述的窄线宽可调谐激光器功率在20mw，带宽为0.5nm。

Claims (2)

1.一种在线检测GIS中SF₆气体分解组分及其含量的内置红外气体传感器，其特征在于主要包括由激光驱动电源（3）和激光温度控制器（1）组成的窄线宽可调谐激光器、法兰盘（5）、光电探测器（4）、数据处理模块（2），将本发明传感器的法兰盘（5）替换GIS里任一法兰盘；

所述的法兰盘（5）主要由底座（6）、光纤准直器（10）、光纤耦合器（9）、反射镜（11）和单模光纤（8）组成，所述底座（6）的材料为厚度为10－15mm不锈钢或铝镁合金板，所述法兰盘（5）的形状为外径与GIS上法兰盘的外径相匹配的圆盘形，在所述圆盘形的底座（6）的外表面上涂覆一层厚度为1－3mm的聚四氟乙烯材料或黑色绝缘漆，在所述圆盘形的底座（6）的内侧面的边缘处，设置一孔径为3－5mm的通孔，在所述底座（6）上并位于所述通孔的下方，分别固接一个所述的光纤耦合器（9）和一个所述的光纤准直器（10），在所述圆盘形的底座（6）上位于所述光纤耦合器（9）和光纤准直器（10）的另三方的边缘处，分别固接一个所述的反射镜（11），并要求所述的光纤耦合器（9）和光纤准直器（10）与三个所述的反射镜（11）在所述的圆盘形底座（6）上形成正方形的光路，两根所述的单模光纤（8）通过密封胶穿过并固接在所述的通孔中，一根所述的单模光纤（8）的一端与所述的窄线宽可调谐激光器的输出端固接，另一端与所述的光纤准直器（10）的输入端固接，另一根所述的单模光纤（8）的一端与所述的光纤耦合器（9）的输出端固接，另一端与所述的光电探测器（4）的输入端固接；

所述的窄线宽可调谐激光器为由激光器驱动电源（3）和激光器温度控制器（1）组成，所述的激光器温度控制器（1）通过数据连接线与所述的激光器驱动电源（3）连接，所述的激光器驱动电源（3）通过单模光纤与所述光纤准直器（10）的输入端连接；

所述的光电探测器（4）的输入端通过所述单模光纤（8）与所述的光纤耦合器（9）的输出端连接；

所述的数据处理模块（2）由单片机、输入模块、显示模块组成，所述的输入模块（2）与所述的单片机相连，所述单片机与所述的光电探测器（4）和所述的输入模块相连，所述显示模块与所述的单片机相连接。

2.按照权利要求1所述的在线检测GIS中SF₆气体分解组分及其含量的内置红外气体传感器，其特征在于所述的反射镜（11）的反射波长为1000.00-1500.00nm、反射率大于99%；所述的光纤准直器（10）的工作波长1250.00-1650.00nm；所述的光纤耦合器（9）的工作波长1250.00-1650.00nm；所述的单模光纤（8）的工作波长1300.00-1550.00nm；所述的窄线宽可调谐激光器主要是产生调谐波长为1250.00-1600.00nm红外窄带激光、功率在10－20mw以上、带宽为0.1－0.5nm；所述的光电探测器4的检测波长范围为800.00-1700.00nm、响应率为0.9*10⁷/10⁶V/W。

Images