CN107843576A - 用于测量六氟化硫分解气体中二氧化硫浓度的装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

用于测量六氟化硫分解气体中二氧化硫浓度的装置及其测量方法，属于光电技术检测技术领域。本发明是为了解决现有用来测量SF₆分解气体中SO₂浓度的装置及方法存在相应速度慢、测量精度低的问题。本发明先后分别将样品池中充入大气和SF₆分解气体，用激光器控制器控制1350cm^‑1激光器发出1350cm^‑1波段的激光，根据光谱仪先后得到大气的光谱和1350cm^‑1波段的激光吸收的SO₂的光谱，然后利用比尔定律最终获得充入样品池中的SO₂气体的浓度。本发明用于对SF₆分解气体中的SO₂气体进行浓度测量。

Description

用于测量六氟化硫分解气体中二氧化硫浓度的装置及其测量 方法

技术领域

本发明属于光电技术检测技术领域。

背景技术

SF₆是一种物化性质优良的绝缘物质，广泛应用于电力设备中，但是当设备出现绝缘隐患时会对电力设备造成损害。黑龙江地区拥有丰富的煤炭和风能资源，是我国重要的能源基地。独特的地理位置和资源禀赋，决定了黑龙江电网不仅是满足辖区内经济社会发展用电需求的服务型电网，同时也是能源外送的重要基地和通道。在电网日常运行中，若不能及时地发现电力设备的故障情况，将会给工农业生产和人们的日常生活带来了巨大的经济损失。因此实时监控SF₆的浓度对预防电力设备的损害以及电网的安全运行有重要意义。

纯净的SF₆是无色、无毒、无味、不燃的惰性气体，在温度为150℃及以下时不易与其它物质发生化学反应，正常运行时分解产物极少或不分解。当SF₆设备中发生绝缘隐患或故障时，无论是局部、电晕、火花或是电弧放电，都必然会引起能量释放，这些能量会使SF₆气体发生分解反应，生成H₂S、SO₂、HF、SOF₂、SF₄、等多种低氟硫化物。SF₆分解组分会加速GIS内绝缘的老化和金属材料表面的腐蚀，加重局部放电程度，严重时还会导致GIS发生突发性绝缘故障。

目前国内外均有大量商业化的SF₆检测器，归纳起来主要有4种测量方法：

高压击穿法、色谱法、离子移动度计和红外光吸收谱法。

高压击穿法主要是根据待测SF₆击穿电压的变化来进行定性测量，并不能定量给出SF₆气体浓度，而且不能实时在线监测。

色谱法：气相色谱法是一种利用不同物质在不同的相中溶解度不同的原理进行物理分析分离技术。当被检测混合气体流过色谱柱时，由于溶解度的原因，会有一部分被测气体溶解或吸附在色谱柱上，随着气相流动的进行，吸附到色谱柱上的被测物质也会重新从色谱柱上挥发至气相流内，最终两种作用达到平衡。流经色谱柱的被测气体随即进入检测器，检测器可以将进入其内部的被测气体含量转变为电信号，得到的电信号与被测气体的浓度值为一定的比例关系，将获得的电信号记录形成气相色谱图，根据气相色谱图呈现情况进行分析测量。气相色谱法灵敏度高，具有较高的可靠性，在许多气体组分测试中得到应用，但由于测试时需要进行采样过程，期间可能造成采样样品浓度发生变化，进而影响测试精度。另外，由于样气要流经含有色谱柱的气室与其进行反应，这使得这种方法的分析时间增加，无法实现对测试气体的在线实时测量。

化学反应法是将采样得到的待测气体通入检测装置，使其与内部的化学试剂发生特定的化学反应。根据反应生成物的某些特征(如颜色或质量)来分析被测气体组分含量。这种方法与人为操作的流速快慢以及催化剂的催化作用有关，因此随机误差大，另外实验仪器的使用寿命仅为一次，不能重复利用，需要不断更换，化学反应有一定的时间过程，因此它的响应速度非常慢。

发明内容

本发明是为了解决现有用来测量SF₆分解气体中SO₂浓度的装置及方法存在相应速度慢、测量精度低的问题。现提供用于测量六氟化硫分解气体中二氧化硫浓度的装置及其测量方法。

用于测量六氟化硫分解气体中二氧化硫浓度的装置，它包括数字锁相放大器、激光器控制器、1350cm^-1激光器、第一聚光镜、样品池、第二聚光镜、光谱仪和计算机；

样品池用于填充SF₆分解气体；

数字锁相放大器输出信号进入激光器控制器，激光器控制器根据接收到的信号控制1350cm^-1激光器发出1350cm^-1波段的激光，该激光经过第一聚光镜透射至样品池中，

1350cm^-1波段的激光用于吸收样品池中SF₆分解气体中的SO₂气体，被吸收的SO₂气体通过1350cm^-1波段的激光输送至第二聚光镜上，第二聚光镜将该激光输送至光谱仪的入射狭缝中，由光谱仪得到SO₂气体的光谱，将该光谱传输至数字锁相放大器中，由数字锁相放大器存储得到的SO₂气体的光谱和样品池中充入大气时的大气光谱，去除系统中的噪声干扰，将两个光谱传输至计算机，计算机利用比尔定律获得充入样品池中的SO₂气体的浓度；

所述光谱仪的入射狭缝位于第二聚光镜的焦点处。

优选的是，所述第一聚光镜和第二聚光镜均为石英透镜。

优选的是，1350cm^-1激光器发出的激光经过第一石英聚光镜后，获得的输出光为平行光。

优选的是，样品池为两端密封的圆筒结构。

优选的是，样品池的内径为30mm，长度为40mm。

六氟化硫分解气体中二氧化硫浓度的测量方法，该方法是根据所述用于测量六氟化硫分解气体中二氧化硫浓度的装置实现的，所述方法包括：

步骤一：在样品池中充入大气，打开1350cm^-1激光器，通过光谱仪获得大气的光谱I₀(λ)，并将该光谱传输至数字锁相放大器中进行存储；

步骤二：关闭1350cm^-1激光器，在样品池中充入待检测的SF₆分解气体，再打开1350cm^-1激光器，通过光谱仪获得SF₆分解气体的光谱I(λ)，并将该光谱传输至数字锁相放大器中进行存储；

步骤三：数字锁相放大器将存储的大气的光谱I₀(λ)和SF₆分解气体的光谱I(λ)传输至计算机，计算机利用比尔定律获得充入样品池中的待测SO₂气体的浓度N。

优选的是，获得充入样品池中的待测SO₂气体的浓度N的公式为：

I(λ)＝I₀(λ)e^σN，

式中，σ为待测SO₂气体在1350cm^-1激光下的吸收截面。

本发明的有益效果为：

本发明先后分别将样品池中充入大气和SF₆分解气体，用激光器控制器控制1350cm^-1激光器发出1350cm^-1波段的激光，根据光谱仪先后得到大气的光谱和1350cm^-1波段的激光吸收的SO₂的光谱，然后利用比尔定律最终获得充入样品池中的SO₂气体的浓度，

本发明六氟化硫分解气体中二氧化硫浓度的测量方法相比现有的测量方式测量速度提高了5倍以上，测量SO₂气体浓度的准确性提高了5倍以上。

附图说明

图1为用于测量六氟化硫分解气体中二氧化硫浓度的装置的结构示意图；

图2为利用图1所述装置实现六氟化硫分解气体中二氧化硫浓度的测量方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的用于测量六氟化硫分解气体中二氧化硫浓度的装置，它包括数字锁相放大器1、激光器控制器2、1350cm^-1激光器3、第一聚光镜4、样品池5、第二聚光镜6、光谱仪7和计算机8；

样品池5用于填充SF₆分解气体；

数字锁相放大器1输出信号进入激光器控制器2，激光器控制器2根据接收到的信号控制1350cm^-1激光器3发出1350cm^-1波段的激光，该激光经过第一聚光镜4透射至样品池5中，

1350cm^-1波段的激光用于吸收样品池5中SF₆分解气体中的SO₂气体，被吸收的SO₂气体通过1350cm^-1波段的激光输送至第二聚光镜6上，第二聚光镜6将该激光输送至光谱仪7的入射狭缝中，由光谱仪7得到SO₂气体的光谱，将该光谱传输至数字锁相放大器1中，由数字锁相放大器1存储得到的SO₂气体的光谱和样品池5中充入大气时的大气光谱，去除系统中的噪声干扰，将两个光谱传输至计算机8，计算机8利用比尔定律获得充入样品池5中的SO₂气体的浓度；

所述光谱仪7的入射狭缝位于第二聚光镜6的焦点处。

本实施方式中，所述光谱仪7的入射狭缝与第二聚光镜6的焦点相对应，这样就能够保证最强光入射至光谱仪7。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的用于测量六氟化硫分解气体中二氧化硫浓度的装置作进一步说明，本实施方式中，所述第一聚光镜4和第二聚光镜5均为石英透镜。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的用于测量六氟化硫分解气体中二氧化硫浓度的装置作进一步说明，本实施方式中，1350cm^-1激光器3发出的激光经过第一聚光镜4后，获得的输出光为平行光。

由于1350cm^-1激光器3发出的激光经过第一聚光镜4后，获得的输出光为平行光，因此，第一聚光镜4和样品池5之间的距离能够适当调节，而对检测结果无影响。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一、二或三所述的用于测量六氟化硫分解气体中二氧化硫浓度的装置作进一步说明，本实施方式中，样品池5为两端密封的圆筒结构。

所述样品池5两端采用透光材料实现密封。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的用于测量六氟化硫分解气体中二氧化硫浓度的装置作进一步说明，本实施方式中，样品池5的内径为30mm，长度为40mm。

具体实施方式六：参见图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的六氟化硫分解气体中二氧化硫浓度的测量方法，是根据具体实施方式一所述用于测量六氟化硫分解气体中二氧化硫浓度的装置实现的，所述方法包括：

步骤一：在样品池5中充入大气，打开1350cm^-1激光器3，通过光谱仪7获得大气的光谱I₀(λ)，并将该光谱传输至数字锁相放大器1中进行存储；

步骤二：关闭1350cm^-1激光器3，在样品池5中充入待检测的SF₆分解气体，再打开1350cm-¹激光器3，通过光谱仪7获得SF₆分解气体的光谱I(λ)，并将该光谱传输至数字锁相放大器1中进行存储；

步骤三：数字锁相放大器1将存储的大气的光谱I₀(λ)和SF₆分解气体的光谱I(λ)传输至计算机8，计算机8利用比尔定律获得充入样品池5中的待测SO₂气体的浓度N。

具体实施方式七：实施方式是对具体实施方式六所述的六氟化硫分解气体中二氧化硫浓度的测量方法作进一步说明，本实施方式中，获得充入样品池5中的待测SO₂气体的浓度N的公式为：

I(λ)＝I₀(λ)e^σN，

式中，σ为待测SO₂气体在1350cm^-1激光下的吸收截面。

Claims (7)

1.用于测量六氟化硫分解气体中二氧化硫浓度的装置，其特征在于，它包括数字锁相放大器(1)、激光器控制器(2)、1350cm^-1激光器(3)、第一聚光镜(4)、样品池(5)、第二聚光镜(6)、光谱仪(7)和计算机(8)；

样品池(5)用于填充SF₆分解气体；

数字锁相放大器(1)输出信号进入激光器控制器(2)，激光器控制器(2)根据接收到的信号控制1350cm^-1激光器(3)发出1350cm^-1波段的激光，该激光经过第一聚光镜(4)透射至样品池(5)中，

1350cm^-1波段的激光用于吸收样品池(5)中SF₆分解气体中的SO₂气体，被吸收的SO₂气体通过1350cm^-1波段的激光输送至第二聚光镜(6)上，第二聚光镜(6)将该激光输送至光谱仪(7)的入射狭缝中，由光谱仪(7)得到SO₂气体的光谱，将该光谱传输至数字锁相放大器(1)中，由数字锁相放大器(1)存储得到的SO₂气体的光谱和样品池(5)中充入大气时的大气光谱，去除系统中的噪声干扰，将两个光谱传输至计算机(8)，计算机(8)利用比尔定律获得充入样品池(5)中的SO₂气体的浓度；

所述光谱仪(7)的入射狭缝位于第二聚光镜(6)的焦点处。

2.根据权利要求1所述的用于测量六氟化硫分解气体中二氧化硫浓度的装置，其特征在于，所述第一聚光镜(4)和第二聚光镜(6)均为石英透镜。

3.根据权利要求2所述的用于测量六氟化硫分解气体中二氧化硫浓度的装置，其特征在于，1350cm^-1激光器(3)发出的激光经过第一石英聚光镜(4)后，获得的输出光为平行光。

4.根据权利要求1、2或3所述的用于测量六氟化硫分解气体中二氧化硫浓度的装置，其特征在于，样品池(5)为两端密封的圆筒结构。

5.根据权利要求4所述的用于测量六氟化硫分解气体中二氧化硫浓度的装置，其特征在于，样品池(5)的内径为30mm，长度为40mm。

6.六氟化硫分解气体中二氧化硫浓度的测量方法，该方法是根据权利要求1所述用于测量六氟化硫分解气体中二氧化硫浓度的装置实现的，其特征在于，所述方法包括：

步骤一：在样品池(5)中充入大气，打开1350cm^-1激光器(3)，通过光谱仪(7)获得大气的光谱I₀(λ)，并将该光谱传输至数字锁相放大器(1)中进行存储；

步骤二：关闭1350cm^-1激光器(3)，在样品池(5)中充入待检测的SF₆分解气体，再打开1350cm^-1激光器(3)，通过光谱仪(7)获得SF₆分解气体的光谱I(λ)，并将该光谱传输至数字锁相放大器(1)中进行存储；

步骤三：数字锁相放大器(1)将存储的大气的光谱I₀(λ)和SF₆分解气体的光谱I(λ)传输至计算机(8)，计算机(8)利用比尔定律获得充入样品池(5)中的待测SO₂气体的浓度N。

7.根据权利要求6所述六氟化硫分解气体中二氧化碳浓度的测量方法，其特征在于，获得充入样品池(5)中的待测SO₂气体的浓度N的公式为：

I(λ)＝I₀(λ)e^σN，

式中，σ为待测SO₂气体在1350cm^-1激光下的吸收截面。