CN105203499A - 一种sf6气体成分在线实时监测的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SF₆气体成分在线实时监测的装置及方法，其中，该装置包括：控制电路、光源电路、光电检测电路和SF₆电气设备；控制电路与光源电路相连，用于通过控制光源电路的温度、电流和脉宽来调谐光源电路产生的量子级联激光的波长；SF₆电气设备的两侧设有透明窗，光源电路产生的量子级联激光依次通过SF₆电气设备两侧的透明窗后发射至光电检测电路的接收端；控制电路对光电检测电路发送的信号进行采样，获取激光吸收谱数据，并根据激光吸收谱确定SF₆气体和/或SF₆分解产物的浓度。该装置可采用激光吸收谱检测技术对SF₆电气设备中的气体成分进行非接触式的在线监测，实现实时监测SF₆气体成分。

Description

一种SF6气体成分在线实时监测的装置及方法

技术领域

本发明涉及气体成分监测技术领域，具体地，涉及一种SF₆气体成分在线实时监测的装置及方法。

背景技术

SF₆气体作为优良的绝缘介质和灭弧介质，在高压电力设备绝缘领域得到越来越广泛的应用，SF₆封闭式组合电器(GIS)等气体绝缘电气设备由于其体积小、环境依赖程度低、运行安全可靠、配置灵活、检修周期长和安装方便等优点，已广泛应用于高压输变电系统中，成为当前高电压设备绝缘的一个发展方向。GIS不仅在高压、超高压领域被广泛应用，而且在特高压领域变电站也被使用，在我国63—500kV电力系统中，GIS的应用已经相当广泛。随着电力系统向超高压、高可靠性和紧凑性发展，以及GIS制造技术的不断改进和发展，GIS在未来电力系统中的使用将越来越广泛。

SF₆电气设备的稳定性及可靠性完全取决于SF₆气体的纯度，如果SF₆气体中混有杂质，达不到规定标准，那么它的灭弧和绝缘特性就会大大下降，对SF₆气体的纯度进行实时监测可以直接判断SF₆绝缘电气设备当前的绝缘状况，以及判断运行时间很长的SF₆绝缘电气设备是否需要更换和维修。同时，为判断SF₆绝缘电气设备已发生的故障类型、潜在的故障隐患，有必要对SF₆气体的分解产物进行监测，从而综合判断SF₆绝缘电气设备的绝缘状况。因此，必须严格监控SF₆气体的纯度，保证电气设备的安全运行。

传统的SF₆气体监测方法主要有红外检测法、紫外荧光法及电化学检测法，中红外检测法简单但是精度不足；紫外荧光法精度高但是设备体积大、成本高；电化学检测法需要对气体采样分析难以实现实时在线监测。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中SF₆气体不能实时监测的缺陷，根据本发明的一个方面，提出一种SF₆气体成分在线实时监测的装置。

本发明实施例提供的一种SF₆气体成分在线实时监测的装置，包括：控制电路、光源电路、光电检测电路和SF₆电气设备；

控制电路与光源电路相连，用于通过控制光源电路的温度、电流和脉宽来调谐光源电路产生的量子级联激光的波长；

SF₆电气设备的两侧设有透明窗，光源电路产生的量子级联激光依次通过SF₆电气设备两侧的透明窗后发射至光电检测电路的接收端；

光电检测电路与控制电路相连，并对接收的量子级联激光进行放大处理后传输至控制电路；控制电路对光电检测电路发送的信号进行采样，获取激光吸收谱数据，并根据激光吸收谱确定SF₆气体和/或SF₆分解产物的浓度。

在上述技术方案中，控制电路包括：控制器、调制信号源、脉冲信号源、温控电路和数据采集电路；控制器分别与调制信号源、脉冲信号源、温控电路和数据采集电路相连；

调制信号源、脉冲信号源与光源电路相连，用于为光源电路提供电流脉冲；

温控电路与光源电路相连，用于控制光源电路的温度；

数据采集电路与光电检测电路相连，用于接收光电检测电路进行放大处理后的信号。

在上述技术方案中，光源电路包括：量子级联激光器、电流脉冲驱动电路和温度电路；

电流脉冲驱动电路与调制信号源和脉冲信号源相连；温度电路与温控电路相连。

在上述技术方案中，光电检测电路包括：检测电路和放大器；

检测电路用于接收光源电路产生的量子级联激光，放大器用于将量子级联激光进行放大，并传输至数据采集电路。

在上述技术方案中，控制电路还包括通信电路；通信电路用于将采集到的吸收光谱数据上报至上位机或主站。

在上述技术方案中，光源电路产生的量子级联激光的波长与SF₆气体和/或SF₆分解产物的检测波长相对应。

基于同样的发明构思，本发明实施例还提供一种基于上述任一装置的SF₆气体成分在线实时监测的方法，包括：

确定待测气体位于相对应的待定频率的吸收谱线，待测气体为SF₆电气设备中的气体，包括SF₆气体和/或SF₆分解产物；

通过调制光源电路的温度、电流和脉宽使光源电路产生的量子级联激光的波长扫描过吸收谱线，调谐光源电路产生的量子级联激光的波长与待测气体的检测波长相对应；

量子级联激光通过SF₆电气设备后产生激光吸收谱，对激光吸收谱进行采样后确定单线吸收光谱；

将单线吸收光谱与标准激光吸收谱进行比对，确定检测气体中包含的气体成分及其浓度。

在上述技术方案中，确定检测气体中的气体成分的浓度，包括：

根据以下公式确定检测气体中的气体成分的浓度：

I_IN＝I_OUT·exp(-α_mCL)；

其中，I_IN为输入光强度，I_OUT为输出光强度，ɑ_m为摩尔分子吸收系数，L为光源到光电检测器的距离长度，C为待测气体的浓度。

在上述技术方案中，根据气体分子红外吸收谱线数据库HITRAN中的吸收光谱数据确定标准激光吸收谱。

在上述技术方案中，当待测气体为SF₆时，检测波长为10.5±0.1μm；

当SF₆分解产物为SO₂时，检测波长为7.43±0.01μm。

本发明实施例提供的一种SF₆气体成分在线实时监测的装置，充分利用量子级联激光技术的先进成果，以实现对SF₆气体成分的高精度在线测量。SF₆电气设备的两侧设有透明窗，采用激光吸收谱检测技术对SF₆电气设备中的气体成分进行非接触式的在线监测，实现实时监测SF₆气体成分；控制电路可对量子级联激光器光源进行连续调谐，还可以在线监测SF₆分解产物，同时保证了在线监测效果的稳定性。本发明实施例克服了使用寿命短、体积庞大、稳定性差等缺点，具有精度高、实时性好、成本适中等优点，具备较高的应用价值。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中SF₆气体成分在线实时监测的装置的第一结构图；

图2为本发明实施例中SF₆气体成分在线实时监测的装置的第二结构图；

图3为本发明实施例中SF₆气体成分在线实时监测的装置的第三结构图；

图4为本发明实施例中SF₆气体成分在线实时监测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

根据本发明实施例，提供了一种SF₆气体成分在线实时监测的装置，参见图1所示，该装置包括：控制电路10、光源电路20、光电检测电路30和SF₆电气设备40。

具体的，控制电路10与光源电路20相连，用于通过控制光源电路20的温度、电流和脉宽来调谐光源电路20产生的量子级联激光的波长。其中，光源电路20产生的量子级联激光的波长与SF₆气体和/或SF₆分解产物的检测波长相对应。

如图1所示，SF₆电气设备40的两侧设有透明窗(对应图1中SF₆电气设备40左右两侧的两个椭圆)，光源电路20产生的量子级联激光依次通过SF₆电气设备40两侧的透明窗后发射至光电检测电路30的接收端。

光电检测电路30与控制电路10相连，并对接收的量子级联激光进行放大处理后传输至控制电路10；控制电路10对光电检测电路30发送的信号进行采样，获取激光吸收谱数据，并根据激光吸收谱确定SF₆气体和/或SF₆分解产物的浓度。

本发明实施例提供的一种SF₆气体成分在线实时监测的装置，SF₆电气设备的两侧设有透明窗，采用激光吸收谱检测技术对SF₆电气设备中的气体成分进行非接触式的在线监测，实现实时监测SF₆气体成分；控制电路可对量子级联激光器光源进行连续调谐，还可以在线监测SF₆分解产物，同时保证了在线监测效果的稳定性。

优选的，参见图2所示，控制电路10包括：控制器、调制信号源、脉冲信号源、温控电路和数据采集电路；控制器分别与调制信号源、脉冲信号源、温控电路和数据采集电路相连。

调制信号源、脉冲信号源与光源电路20相连，用于为光源电路20提供电流脉冲。温控电路与光源电路20相连，用于控制光源电路20的温度。数据采集电路与光电检测电路30相连，用于接收光电检测电路30进行放大处理后的信号。

优选的，参见图2所示，光源电路20包括：量子级联激光器、电流脉冲驱动电路和温度电路；具体的，电流脉冲驱动电路与调制信号源和脉冲信号源相连；温度电路与温控电路相连。

优选的，光电检测电路30包括：检测电路和放大器；检测电路用于接收光源电路20产生的量子级联激光，放大器用于将量子级联激光进行放大，并传输至数据采集电路。

具体的，本发明实施例提供的SF6气体成分在线实时监测的装置的工作过程具体如下：首先选择待测气体位于待定频率(该待定频率与量子级联激光的波长相对应)的某一吸收谱线，通过调制量子级联激光器的工作电流使激光波长扫描过该吸收谱线，通过检测激光经过SF6电气设备后所产生的激光吸收谱，对其进行高精度信号采样和提取，从而获得“单线吸收光谱”数据，与标准的激光吸收谱(目前常用的气体分子红外吸收谱线数据库HITRAN中已包含常见气体的吸收光谱数据)进行比对，最后根据比尔朗伯定理，通过以下公式计算出电气设备中气体成分及其浓度。

I_IN＝I_OUT·exp(-α_mCL)；

其中，I_IN为输入光强度，I_OUT为输出光强度，ɑ_m为摩尔分子吸收系数，L为光源到光电检测器的距离长度，C为待测气体的浓度。

因此，只需要测得I_IN和I_OUT，根据已知的常数L和ɑ_m，即可计算出待测气体浓度C的值。

本发明实施例中采用量子级联激光器作为激光光源。量子级联激光器在脉冲模式下工作，激光器温度和电流调节控制部分电路通过改变量子级联激光器的温度、电流和脉宽来调谐激光波长，使得在一个脉冲内激光的波长范围Δλ内含有被测气体的吸收谱线。例如波长7.43μm可检测SO2，而波长10.5μm可检测SF6。

本发明实施例提供的一种SF6气体成分在线实时监测的装置，调制信号源为脉冲信号源为光源电路20提供电流脉冲，控制光源电路的工作电流和脉冲宽度，通过温控电路控制光源电路的温度，从而使量子级联激光器产生所需波长的量子级联激光，在确定待测气体的吸收光谱后即可确定SF₆的浓度，从而不需要对气体采样即可实现实时监测SF₆气体成分。

优选的，参见图3所示，控制电路10还包括通信电路；该通信电路用于将采集到的吸收光谱数据上报至上位机或主站。上位机或主站通过通信电路与本发明实施例提供的装置进行指令传输和数据交互，从而实现远端在线实时操作。

基于同样的发明构思，本发明实施例还提供一种基于上述装置的SF₆气体成分在线实时监测的方法，具体的，参见图4所示，包括：

步骤401：确定待测气体位于相对应的待定频率的吸收谱线。

其中，待测气体为SF₆电气设备中的气体，包括SF₆气体和/或SF₆分解产物。

步骤402：通过调制光源电路的温度、电流和脉宽使光源电路产生的量子级联激光的波长扫描过吸收谱线，调谐光源电路产生的量子级联激光的波长与待测气体的检测波长相对应。

步骤403：量子级联激光通过SF₆电气设备后产生激光吸收谱，对激光吸收谱进行采样后确定单线吸收光谱。

步骤404：将单线吸收光谱与标准激光吸收谱进行比对，确定检测气体中包含的气体成分及其浓度。

其中，根据气体分子红外吸收谱线数据库HITRAN中的吸收光谱数据确定标准激光吸收谱。

具体的，步骤404中确定检测气体中的气体成分的浓度，包括：

根据以下公式确定检测气体中的气体成分的浓度：

I_IN＝I_OUT·exp(-α_mCL)；

其中，I_IN为输入光强度，I_OUT为输出光强度，ɑ_m为摩尔分子吸收系数，L为光源到光电检测器的距离长度，C为待测气体的浓度。

优选的，当待测气体为SF₆时，检测波长为10.5±0.1μm；当SF₆分解产物为SO₂时，检测波长为7.43±0.01μm。

本发明实施例提供的一种SF₆气体成分在线实时监测的装置，充分利用量子级联激光技术的先进成果，以实现对SF₆气体成分的高精度在线测量。SF₆电气设备的两侧设有透明窗，采用激光吸收谱检测技术对SF₆电气设备中的气体成分进行非接触式的在线监测，实现实时监测SF₆气体成分；控制电路可对量子级联激光器光源进行连续调谐，还可以在线监测SF₆分解产物，同时保证了在线监测效果的稳定性。本发明实施例克服了使用寿命短、体积庞大、稳定性差等缺点，具有精度高、实时性好、成本适中等优点，具备较高的应用价值。

本发明能有多种不同形式的具体实施方式，上面以图1-图4为例结合附图对本发明的技术方案作举例说明，这并不意味着本发明所应用的具体实例只能局限在特定的流程或实施例结构中，本领域的普通技术人员应当了解，上文所提供的具体实施方案只是多种优选用法中的一些示例，任何体现本发明权利要求的实施方式均应在本发明技术方案所要求保护的范围之内。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种SF₆气体成分在线实时监测的装置，其特征在于，包括：控制电路、光源电路、光电检测电路和SF₆电气设备；

所述控制电路与所述光源电路相连，用于通过控制所述光源电路的温度、电流和脉宽来调谐所述光源电路产生的量子级联激光的波长；

所述SF₆电气设备的两侧设有透明窗，所述光源电路产生的量子级联激光依次通过所述SF₆电气设备两侧的透明窗后发射至所述光电检测电路的接收端；

所述光电检测电路与所述控制电路相连，并对接收的量子级联激光进行放大处理后传输至所述控制电路；所述控制电路对所述光电检测电路发送的信号进行采样，获取激光吸收谱数据，并根据所述激光吸收谱确定SF₆气体和/或SF₆分解产物的浓度。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制电路包括：控制器、调制信号源、脉冲信号源、温控电路和数据采集电路；所述控制器分别与所述调制信号源、脉冲信号源、温控电路和数据采集电路相连；

所述调制信号源、脉冲信号源与所述光源电路相连，用于为所述光源电路提供电流脉冲；

所述温控电路与所述光源电路相连，用于控制所述光源电路的温度；

所述数据采集电路与所述光电检测电路相连，用于接收所述光电检测电路进行放大处理后的信号。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光源电路包括：量子级联激光器、电流脉冲驱动电路和温度电路；

所述电流脉冲驱动电路与所述调制信号源和脉冲信号源相连；所述温度电路与所述温控电路相连。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光电检测电路包括：检测电路和放大器；

所述检测电路用于接收所述光源电路产生的量子级联激光，所述放大器用于将所述量子级联激光进行放大，并传输至所述数据采集电路。

5.根据权利要求2-4任一所述的装置，其特征在于，所述控制电路还包括通信电路；所述通信电路用于将采集到的吸收光谱数据上报至上位机或主站。

6.根据权利要求1-4任一所述的装置，其特征在于，所述光源电路产生的量子级联激光的波长与所述SF₆气体和/或SF₆分解产物的检测波长相对应。

7.一种基于如权利要求1-6任一所述装置的SF₆气体成分在线实时监测的方法，其特征在于，包括：

确定待测气体位于相对应的待定频率的吸收谱线，所述待测气体为SF₆电气设备中的气体，包括SF₆气体和/或SF₆分解产物；

通过调制光源电路的温度、电流和脉宽使所述光源电路产生的量子级联激光的波长扫描过所述吸收谱线，调谐所述光源电路产生的量子级联激光的波长与所述待测气体的检测波长相对应；

所述量子级联激光通过SF₆电气设备后产生激光吸收谱，对所述激光吸收谱进行采样后确定单线吸收光谱；

将所述单线吸收光谱与标准激光吸收谱进行比对，确定所述检测气体中包含的气体成分及其浓度。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，确定所述检测气体中的气体成分的浓度，包括：

根据以下公式确定所述检测气体中的气体成分的浓度：

I_IN＝I_OUT·exp(-α_mCL)；

其中，I_IN为输入光强度，I_OUT为输出光强度，ɑ_m为摩尔分子吸收系数，L为光源到光电检测器的距离长度，C为待测气体的浓度。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，根据气体分子红外吸收谱线数据库HITRAN中的吸收光谱数据确定标准激光吸收谱。

10.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，当所述待测气体为SF₆时，所述检测波长为10.5±0.1μm；

当所述SF₆分解产物为SO₂时，所述检测波长为7.43±0.01μm。