CN103868853A - 用于六氟化硫气体分解过程实时监测的径向共振光声池 - Google Patents

用于六氟化硫气体分解过程实时监测的径向共振光声池 Download PDF

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Abstract

一种用于六氟化硫气体分解过程实时监测的径向共振光声池；主要包括共振腔、前端缓冲腔、后端缓冲腔、入射窗片、出射窗片、进气口、出气口、高灵敏度传声器、高压电极，以及接地电极。入射窗片和出射窗片分别在前端和后端缓冲腔上；两个缓冲腔分别在共振腔的两侧，依共振腔几何中心对称。两个缓冲腔的侧面分别有进气口和出气口。共振腔的轴向中心一端固定有高灵敏度传声器；共振腔几何中心的径向端有高压电极和接地电极，可以产生放电使SF6气体发生分解。本发明可实时定量检测HF、SF5、SF4、SF2、SOF4、SO2F2、SOF2、SO2、CF4、CO2、H2O等多种气体，而且特别适于化学性质不稳定的SF6分解物实时定量测量分析。

Description

用于六氟化硫气体分解过程实时监测的径向共振光声池
技术领域
本发明属于电力设备状态监测技术领域，具体涉及六氟化硫气体分解过程监测技术。
背景技术
以六氟化硫气体（SF6）为绝缘和灭弧介质的电气设备，如GIS（气体绝缘开关设备，Gas-Insulated Switchgear）、断路器、变压器、开关柜等，以其可靠性高、维护量小、占地面积小等优点迅速发展，并广泛应用于电力系统的高压和超高压领域，逐渐成为现代变电站的首选设备之一。然而，近年来SF6气体绝缘电气设备在运行中却出现了一些问题和事故。根据几十年的运行情况和故障统计，以SF6为绝缘气体的电气设备中，绝缘故障发生的比例最高（60%以上）。SF6在常温常压下是化学性质极稳定的合成气体，其分子结构为单硫多氟对称结构，具有很强的电负性，绝缘和灭弧性能均十分优异。但当SF6气体绝缘电气设备出现放电或过热故障甚至在正常开断时，SF6首先会分解成低氟硫化物，如SF5（五氟化硫）、SF4（四氟化硫）和SF2（二氟化硫）等，这些低氟硫化物会与气体杂质、水分、电极和绝缘材料等进一步反应生成强毒性和强腐蚀性的气体和固体化合物，主要的气体分解物有氟化亚硫酰（SOF2）、氟化硫酰（SO2F2）、四氟化硫酰（SOF4）、四氟化碳（CF4）、十氟化二硫（S2F10）、二氧化硫（SO2）、HF（氟化氢）和CO2（二氧化碳）等。这些气体分解物的种类、含量与故障的类型、严重程度等呈定性、定量的对比关系，尤其是当电气设备发生潜伏性故障时，此时设备仍可运行，但SF6气体已发生了分解。对SF6气体绝缘电气设备的气体分解物进行在线监测，可对潜在故障提前预警，快速准确地诊断设备故障并进行故障隔离，避免或延缓事故发生。
专利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”采用红外光声光谱的方法，将特定波段内的光入射到共振型光声池中产生光声信号，用以检测局部放电下SF6、CF4、SO2F2、SOF2、SO2和HF等次级产物气体组分的浓度。而且由于红外非相干光源是面光源，输出功率和辐射强度低，且光源信号发散大，此时穿入至光声池的光信号功率很低，导致产生的光声信号强度很弱，易受周围噪声的干扰，不易分离出所需信号，其检测精度较低。此外HF气体化学性质极为活泼，浓度很容易发生变化，如果非实时监测难以准确定量。
专利CN101644670A“六氟化硫气体放电微量组分的红外检测装置及方法”利用傅立叶红外光谱的方法对GIS在局部放电下的SF6分解气体进行检测。该装置通过实验变压器在局部放电实验装置上模拟局部放电使SF6产生分解，将气体采集至气体袋等容器中并通入长光程气体池，然后采用红外光谱仪进行红外光谱吸收检测。该装置虽称可检测SO2F2、SOF2、SO2、HF、S2F10等多种气体组分，但傅立叶红外法自身具有检测精度差、灵敏度低、检测时间长等缺点，适于实验室中的定性分析，不适于对SF6气体绝缘电气设备的现场在线监测。而且该方法采用气体袋采集样品，仅仅适用于检测一些较为稳定的次级产物，难以检测存在时间较短的初级产物，同时也难以准确定量HF等化学性质活泼的气体组分。
目前，通过SF6气体分解物诊断电气设备的故障类型、严重程度的研究多集中于分析放电后形成的次级产物如SOF4、SO2F2、SOF2、SO2、CF4、CO2和HF等，主要是这些次级产物大多化学性质较为稳定，也有一些产物化学形式活泼如SOF4和HF等。然而，这些次级产物的形成决定于初级产物（如SF5、SF4、SF2等）的形成。因此，放电过程中这些初级产物的形成过程至关重要。但是，这些初级产物化学性质非常活泼，存在时间很短，常规的检测手段捉襟见肘，难以使用。以往常规的光声光谱气体检测方式是基于相互独立的腔室，即用于检测气体成分和含量的光声池与用于产生分解气体的气室分立，通过管路相互连接或者以气体袋等方式取样。这样结构的检测方式对化学性质非常活泼的SF6初级分解物（如SF5、SF4、SF2等）以及SOF4和HF等易于分解或与其他物质反应的分解物的检测难以准确定量或无能为力。因此，非常有必要设计并开发一种能够胜任实时检测痕量气体组分含量的装置，以达到定量检测化学性质活泼的气体组分。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术手段不能实时监测SF6气体分解过程以及难以对化学性质非常活泼的产物准确定量的局限，提供一种径向共振光声池。本发明结构简单、灵敏度高、可实时定量检测HF、SF5、SF4、SF2、SOF4、SO2F2、SOF2、SO2、CF4、CO2、H2O等多种气体，而且特别适于化学性质不稳定的SF6气体分解过程实时定量测量分析。
光声池是光声光谱检测技术的核心模块，是光声效应的发生场所。光声效应是由气体分子吸收电磁波而产生，气体分子吸收特定波长的电磁波后至激发态，随即以释放热能的方式退激，释放出的热能在气体中产生压力波，压力波的强度与气体分子的浓度成比例，通过检测吸收不同波长而产生的压力波的强度可得到不同气体组分的浓度。
本发明用于六氟化硫气体分解过程实时监测的径向共振光声池主要包括共振腔、前端缓冲腔、后端缓冲腔、入射窗片、出射窗片、进气口、出气口、高灵敏度传声器、高压电极，以及接地电极。
所述的入射窗片和出射窗片分别位于前端缓冲腔和后端缓冲腔上。前端缓冲腔和后端缓冲腔分别位于共振腔的两侧，与共振腔连通；前端缓冲腔和后端缓冲腔关于共振腔的几何中心中心对称。前端缓冲腔的侧面开有进气口，后端缓冲腔的侧面开有出气口；共振腔的轴向中心一端固定有高灵敏度传声器；共振腔几何中心径向方向的一端有高压电极，共振腔几何中心径向方向的另一端有接地电极，可以产生放电使SF6气体发生分解。高压电极与接地电极相对布置。
光源发出的红外光通过入射窗片射入，经过前端缓冲腔进入共振腔，再透过后端缓冲腔经出射窗片射出光声池；红外光在共振腔内产生径向共振模式的光声信号。所产生的光声信号被高灵敏度传声器所接收。SF6气体通过进气口进入光声池，出气口排出；在共振腔内的高压电极和接地电极两端加高电压产生放电使SF6气体发生分解，形成分解产物。通过转换不同的激光的辐射波长可以实时测量不同种类的气体。
不同于以往的光声池，本发明特别针对现有检测手段难以检测化学性质非常不稳定的某些SF6气体分解物，将共振光声池和放电气室合二为一，并结合信噪比非常高，品质因数可以达到1000甚至以上，的径向共振模式，使光声池具有极高的检测灵敏度来完成放电下SF6气体分解物的实时定量分析。同时考虑到光声池既作为光声效应的发生场所又作为放电气室，所以需要考虑光声信号产生以及电气绝缘等几个重要方面。因此共振腔和前后两端缓冲腔采用聚四氟乙烯、聚乙烯等有机材料。
附图说明
图1为本发明用于六氟化硫气体分解过程实时监测的径向共振光声池的示意图；
图中：1共振腔、2高压电极、3接地电极、4进气口、5出气口、6高灵敏度传声器、7前端缓冲腔、8后端缓冲腔、9入射窗片、10出射窗片。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步描述。
如图1所示，本发明的径向共振光声池包括共振腔1、高压电极2、接地电极3、进气口4、出气口5、高灵敏度传声器6、前端缓冲腔7、后端缓冲腔8、入射窗片9、出射窗片10。
所述的入射窗片9和出射窗片10分别位于前端缓冲腔7和后端缓冲腔8上。前端缓冲腔7和后端缓冲腔8分别位于共振腔1的两侧，与共振腔1连通，关于共振腔1的几何中心中心对称。前端缓冲腔7的侧面开有进气口4，后端缓冲腔8的侧面开有出气口5；共振腔1的轴向中心一端固定有高灵敏度传声器6；共振腔几何中心径向方向的一端有高压电极2，共振腔几何中心径向方向的另一端有接地电极3，高压电极2与接地电极3相对布置，可以产生放电使SF6气体发生分解。
光源发出的红外光通过入射窗片9射入，经过前端缓冲腔7进入共振腔1，再透过后端缓冲腔8经出射窗片10射出光声池；红外光在共振腔1内产生径向共振模式的光声信号。所产生的光声信号被高灵敏度传声器6所接收。SF6气体通过进气口4进入光声池，出气口5排出；在共振腔1内的高压电极2和接地电极3两端加高电压产生放电使SF6气体发生分解，形成分解产物。通过转换不同的激光的辐射波长可以实时测量不同种类的气体。
前端缓冲腔7和后端缓冲腔8的轴线共线且经过共振腔1的几何中心，入射窗片9、出射窗片10的几何中心也同时在前端缓冲腔7和后端缓冲腔8的轴线上。
共振腔1、前端缓冲腔7和后端缓冲腔8采用聚四氟乙烯、聚乙烯等有机材料制作。

Claims (4)

1.一种用于六氟化硫气体分解过程实时监测的径向共振光声池，其特征在于，所述的径向共振光声池包括共振腔（1）、高压电极（2）、接地电极（3）、进气口（4）、出气口（5）、高灵敏度传声器（6）、前端缓冲腔（7）、后端缓冲腔（8）、入射窗片（9），以及出射窗片（10）；所述的入射窗片（9）和出射窗片（10）分别位于前端缓冲腔（7）和后端缓冲腔（8）上；前端缓冲腔（7）和后端缓冲腔（8）分别位于共振腔（1）的两侧，与共振腔（1）连通；前端缓冲腔（7）和后端缓冲腔（8）关于共振腔（1）的几何中心对称；前端缓冲腔（7）的侧面开有进气口（4），后端缓冲腔（8）的侧面开有出气口（5）；共振腔（1）的轴向中心一端固定有高灵敏度传声器（6）；共振腔几何中心径向方向的一端有高压电极（2），共振腔几何中心径向方向的另一端有接地电极（3），高压电极（2）与接地电极（3）相对布置。
2.根据权利要求1所述的用于六氟化硫气体分解过程实时监测的径向共振光声池，其特征在于，所述的前端缓冲腔（7）和后端缓冲腔（8）的轴线共线且经过共振腔（1）的几何中心，入射窗片（9）、出射窗片（10）的几何中心均在前端缓冲腔（7）和后端缓冲腔（8）的轴线上。
3.根据权利要求1或2所述的用于六氟化硫气体分解过程实时监测的径向共振光声池，其特征在于，所述的谐振腔（1）工作在径向共振模式下。
4.根据权利要求1或2或3所述的用于六氟化硫气体分解过程实时监测的径向共振光声池，其特征在于，所述的共振腔（1）前端缓冲腔（7）和后端缓冲腔（8）采用聚四氟乙烯、聚乙烯制作。
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