CN113092410A - 多层多光程腔及电气绝缘设备运行状态监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多层多光程腔及电气绝缘设备运行状态监测系统，多层多光程腔包括多个自下而上累叠且相通的多光程腔，多个多光程腔采用以下方式之一构成：多个采用TDLAS方法的多光程腔，或者多个采用DOAS方法的多光程腔，或者至少一个采用TDLAS方法的多光程腔和至少一个采用DOAS方法的多光程腔的组合。采用本发明能够同时在线监测电气绝缘设备中绝缘介质释放的多种痕量气体浓度。

Description

多层多光程腔及电气绝缘设备运行状态监测系统
技术领域
本发明涉及气体吸收光谱定量分析技术领域，特别涉及一种多层多光程腔及电气绝缘设备运行状态监测系统。
背景技术
在一般电气绝缘设备中，包括断路器(高压开关)、互感器、避雷器、变压器、封闭式组合电气等，用于绝缘和灭弧作用的介质主要有两种，一种是变压器油，一种是纯净的SF6气体。
变压器油具有比空气高得多的绝缘强度和优异的导热性能，在电气绝缘设备中，不仅可提高绝缘强度，而且还可以起到散热作用和灭弧作用，是一种常用的高压电气设备绝缘介质。SF6作为新一代的电气绝缘介质，已被广泛应用在电气设备的各个领域。
变压器油和SF6气体在常温常压下化学性质稳定，具有良好的绝缘和灭弧性能。但当电气绝缘设备发生局部放电、电弧、电火花等内部故障时，变压器油和SF6气体都会分解产生多种痕量气体。通过对这些所产生气体的种类和浓度进行实时监测，就可以判断SF6气体的绝缘性能变化，从而达到监测电力设备安全运行的目的。
在一般电气绝缘设备中，检测绝缘介质分解产物浓度的方法主要有电化学传感器法，气相色谱法、拉曼光谱技术、傅里叶红外吸收光谱法、光声光谱法、可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)和差分吸收光谱法(DOAS)等。其中，TDLAS和DOAS方法相较于其它几种方法，具有一定优势。
TDLAS方法根据气体分子对激光能量的“选频吸收”进行气体浓度的测量，对气体的实际在线原位分析中，它利用“单线光谱”及调制光谱技术，避免了杂质气体的交叉干扰，并可以利用补偿技术对待测物的温度T、压力P等参数进行修正，对现场待测气体进行连续检测；DOAS技术通过区分吸收谱的高频成分和低频成分，获得痕量气体的吸收光谱，实时测量分解气体的浓度。
TDLAS和DOAS技术对痕量气体浓度都具有很高的测量灵敏度，可以探测体积分数在百万分之一(ppm)到十亿分之一(ppb)的痕量气体浓度，甚至可以达到亚ppb量级；同时具有高选择性、实时、动态快速(毫秒量级)、多组分同时测量的优点，它们都是不需定标的直接测量技术。
气体吸收光谱测量法是痕量气体浓度的重要方法，其原理一般基于Beer-Lambert定律，即当一束平行光通过某一均匀非散射吸光物质时(如待测痕量气体)，其吸光度A(λ)与待测吸光物质的浓度C及探测光在吸光物质中通过的光程l成正比。通过的光程越长，吸收越充分，则可探测到气体浓度越低。因此光束在气体吸收池中的光程越长越好。
TDLAS和DOAS技术仪器实现在多种气体线监测的关键在于低成本、更实用的长光程气体吸收腔的实现。
电气绝缘设备运行状态，可以根据电气绝缘设备中绝缘介质(变压器油或SF6气体)分解产物的浓度(体积分数)进行判断，由于这些分解物的产生过程(化学反应)通常比较复杂，所以需要同时测量多种分解物气体的浓度。当采用灵敏度最高的TDLAS方法测量时，现有的几种气体腔都难以同时完成。当采用DOAS方法时，由于探测器响应范围的限制，单个吸收腔(对应单个探测器)也难以覆盖多波段的气体吸收峰，不能同时测量多种气体成分。
因此，如何同时测量电气绝缘设备中绝缘介质释放的多种痕量气体浓度，实现对于电气绝缘设备运行状态的高灵敏度实时监测，是需要解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的发明目的是：同时在线监测电气绝缘设备中绝缘介质释放的多种痕量气体浓度。
为达到上述目的，本发明的技术方案具体实现如下：
本发明提供了一种多层多光程腔，包括多个自下而上累叠且相通的多光程腔，多个多光程腔采用以下方式之一构成：多个采用可调谐二极管激光吸收光谱法TDLAS方法的多光程腔，或者多个采用差分吸收光谱法DOAS方法的多光程腔，或者至少一个采用TDLAS方法的多光程腔和至少一个采用DOAS方法的多光程腔的组合。
本发明还提供了一种基于所述多层多光程腔的电气绝缘设备运行状态监测系统，该系统包括：前置光学子系统、多层多光程腔和后置光学子系统；
所述前置光学子系统包括：与每一个多光程腔对应的光源和第一聚焦透镜；
所述后置光学子系统包括：与每一个多光程腔对应的第二聚焦透镜和探测器；
光源发出的光束经准直后出射到第一聚焦透镜上；
第一聚焦透镜，用于将所述准直光束进行聚焦后水平入射到所述多光程腔中；
多光程腔，用于增加光的吸收光程，将聚焦后的光束通过入射孔水平入射至腔内，经腔内壁多次反射后，从出射孔出射；
第二聚焦透镜，用于将出射光束聚焦到探测器上；
探测器，用于在采用TDLAS方法的多光程腔时得到腔内气体吸收光谱的电信号；或者在采用DOAS方法的多光程腔时在所述探测器前面增加分光元件，得到腔内气体的吸收光谱的电信号。
由上述的技术方案可见，本发明的多层多光程腔，包括多个自下而上累叠且相通的多光程腔，多个多光程腔采用以下方式之一构成：多个采用可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)方法的多光程腔，或者多个采用差分吸收光谱法(DOAS)方法的多光程腔，或者至少一个采用TDLAS方法的多光程腔和至少一个采用DOAS方法的多光程腔的组合。从而基于TDLAS和/或DOAS同时测量电气绝缘设备中绝缘介质释放的多种痕量气体浓度，实现对于电气绝缘设备运行状态的高灵敏度实时监测。
附图说明
图1为一种多光程环形腔的结构示意图。
图2为另一种多光程环形腔的结构示意图。
图3为一个环形腔采用TDLAS方法测量一种气体的光学结构示意图。
图4为一个环形腔采用DOAS方法测量多种气体的光学结构示意图。
图5为本发明优选实施例基于多层多光程环形腔的SF6气体绝缘设备运行状态监测系统结构示意图。
图6为本发明优选实施例4对环形球面镜组成的多层多光程环形腔结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
本发明公开一种多层多光程腔，包括多个自下而上累叠且相通的多光程腔，多个多光程腔采用以下方式之一构成：多个采用TDLAS方法的多光程腔，或者多个采用DOAS方法的多光程腔，或者至少一个采用TDLAS方法的多光程腔和至少一个采用DOAS方法的多光程腔的组合。由上述可以看出，本发明将内径相同的多个多光程腔上下堆叠在一起，每个多光程腔组成一个完整光路，可以用TDLAS方法测量一种气体，也可以用DOAS方法测量多种气体，各个多光程腔之间方法独立，既可以都用TDLAS方法，也可以都用DOAS方法，或者两种方法都用。从而同时测量气体绝缘介质分解的多种不同痕量气体含量，根据各种气体组分的浓度所占比例，判断电气绝缘设备运行状态，在基本不增加电气绝缘设备体积和重量的前提下，实现电气绝缘设备运行状态的在线监测。
本发明所采用的多光程腔包括环形腔、赫里奥特(Herriott)型腔、怀特(White)型腔、或Chernin型腔。其中环形腔是光程-体积比最大的一种腔型，即可以在相同的体积内实现最大的光程。环形腔又有单层环形腔和多层环形腔之分，对于多层环形腔的设计方法，可参考发明专利(ZL201810025402.5和ZL201811207808.1)。
本发明的优选实施例就是利用前两个专利方法设计的环形腔构成电气绝缘设备运行状态监测系统。当所述多光程腔为环形腔时，每个多光程腔为两个内表面为球面，外表面为圆柱面的环形球面镜，分别为第一环形球面镜和第二环形球面镜，所述第一环形球面镜和第二环形球面镜的曲率半径相同。每对采用TDLAS方法的环形球面镜根据痕量气体吸收峰的中心波长对应测量一种痕量气体的含量；每对采用DOAS方法的环形球面镜对应测量同一个波段的多种痕量气体的含量。
在一可选实施例中，图1为一种多光程环形腔的结构示意图。该多光程环形腔包括：两个内表面为球面，外表面为圆柱面的环形球面镜，分别为第一环形球面镜M1和第二环形球面镜M2，且自下而上累叠。
建立直角坐标系，以第一环形球面镜的曲率中心O1和第二环形球面镜的曲率中心O2的连线与两镜接合面垂直相交的交点为原点，以O1 O2的连线为y轴，以两镜接合面为xoz平面，且光束的入射方向与z轴平行；
将波长范围覆盖待测痕量气体吸收峰的激光光源的出射光聚焦后通过第一环形球面镜M1上的入射孔入射至充满待测痕量气体的密闭多光程气体吸收腔内，在腔内y方向上的上下两个平面来回渡越2p-1次，形成p等分两个环形球面镜圆周的两排在y方向上分开的反射光斑，其轨迹呈上下两层的p角星形状，从第二环形球面镜M2上的出射孔出射。
由上述可以确定，光束在腔内的通过次数从传统多光程环形腔的p增加到最多2p-1次，从而实现较长的吸收光程。
在另一可选实施例中，图2为另一种多光程环形腔的结构示意图。该多光程环形腔包括：两个内表面为球面，外表面为圆柱面的环形球面镜，分别为第一环形球面镜M1和第二环形球面镜M2，第一环形球面镜M1和第二环形球面镜M2的曲率半径相同，且自下而上累叠，第一环形球面镜M1的曲率中心Pc1位于两镜接合面之下，第二环形球面镜M1的曲率中心Pc2位于两镜接合面之上。
建立直角坐标系，以第一环形球面镜M1的曲率中心Pc1和第二环形球面镜M2的曲率中心Pc2的连线与光束的入射平面(入射光所在的水平面)垂直相交的交点为原点，以Pc1Pc2的连线为y轴，以光束的入射平面为xoz平面，且光束的入射方向与z轴平行；
将波长范围覆盖待测痕量气体吸收峰的激光光源的出射光聚焦后通过第一环形球面镜M1上的入射孔水平入射至充满待测痕量气体的密闭多光程气体吸收腔内，从第二环形球面镜上的出射孔出射，在腔内y方向上的上下两个平面至多来回渡越Np-N+1次，N>2，形成至多在y方向上分开的N排，各自p等分所在环形球面镜圆周的反射光斑，其轨迹为在y方向上不同的N个平面上分别分布的N个p角星形。
由上述可以确定，光束在腔内的通过次数从传统多光程环形腔的p增加到最多Np-N+1次，从而实现较长的吸收光程。
当采用灵敏度最高的TDLAS方法测量时，如图3所示，每一个环形腔对应测量一种气体。根据待测痕量气体吸收峰的中心波长位置选择一种分布式反馈半导体激光器(DFB)作为光源，通过在半导体激光器驱动端注入低频的锯齿波叠加高频的正弦波电流信号，达到改变激光器波长的目的，使其波长扫描范围覆盖气体吸收峰的宽度。DFB发出的光通过入射孔射入环形腔，在环形腔内多次反射，经过被特征波长的气体充分吸收后，从出射孔射出，各个出射孔窗口对应一个探测器，探测器接收到的光强信号转变为电信号，由数据采集卡输入到计算机内，通过TDLAS分析程序计算出气体体积分数。
当采用DOAS方法时，每一个环形腔对应一个波段的吸收气体，如分别对应紫外波段、可见光波段、近红外波段和中红外波段的吸收气体，可以采用4个环形腔结构，相应地需要使用对应波段的宽带辐射体(灯或者辐射黑体)作为光源。宽带光源发的光经过聚焦从入射孔射入环形腔，在环形腔内多次反射，经过被多种特征波长的气体充分吸收后，从出射孔射出，出射光由一个对应波段的小型光谱仪接收，各个波长的分光强度分布(光谱)信号由数据采集卡输入到计算机，用DOAS分析方法，计算每种气体的体积分数，如图4所示。
本发明基于多层多光程腔的电气绝缘设备运行状态监测系统包括：前置光学子系统、多层多光程腔和后置光学子系统；
所述前置光学子系统包括：与每一个多光程腔对应的光源和第一聚焦透镜；
所述后置光学子系统包括：与每一个多光程腔对应的第二聚焦透镜和探测器；
光源发出的光束经准直后出射到第一聚焦透镜上；
第一聚焦透镜，用于将所述准直光束进行聚焦后水平入射到所述多光程腔中；
多光程腔，用于增加光的吸收光程，将聚焦后的光束通过入射孔水平入射至腔内，经腔内壁多次反射后，从出射孔出射；
第二聚焦透镜，用于将出射光束进行聚焦后发送到探测器上；
探测器，用于在采用TDLAS方法的多光程腔时得到腔内气体的吸收光谱的电信号；或者在采用DOAS方法的多光程腔时在所述探测器前面增加分光元件，得到腔内气体的吸收光谱的电信号。
在采用TDLAS方法的多光程腔时，所述光源为激光光源，所述激光光源的中心波长对应痕量气体吸收峰的中心波长；
在采用DOAS方法的多光程腔时，所述光源为宽带光源，所述宽带光源对应同一个波段的多种痕量气体。
当多光程腔为环形腔时，由于在一个环形腔内，入射孔和出射孔分别在上下两个环形球面镜上，既有利于前置光学子系统和后置光学子系统在空间上分开，以避免元件之间的干涉，又可以通过旋转其中一个环形球面镜，调节入射孔和出射孔这两孔相对于球心的夹角，在不改变光束入射角(从而减小光斑间隔，增大干涉噪声)的情况下简单实现光程的等间隔调节，以适应不同种类、浓度的痕量气体测量。而且，各个环形腔光束入射孔相对错开一定角度，可以避免光学元件(光源、探测器等)之间的相互干扰。
其中，SF6气体发生故障时产生的主要气体成分包括：CF4(四氟化碳)、CO(一氧化碳)、HF(氟化氢)、H2S(硫化氢)、SO2(二氧化硫)等；变压器油发生故障挥发主要气体成分包括：CH4(甲烷)、C2H4(乙烯)、C2H2(乙炔)、H2(氢)、C2H6(乙烷)、CO、CO2等。本发明基于多层多光程腔的电气绝缘设备运行状态监测系统通过对这些所产生气体的种类和浓度进行实时监测，就可以判断SF6气体，或者变压器油，或者其他绝缘介质的绝缘性能变化，从而达到监测电力设备安全运行的目的。
本发明优选实施例为基于多层多光程环形腔的SF6气体绝缘设备运行状态监测系统结构示意图如图5所示。
SF6气体绝缘设备与本发明提出的多层多光程环形腔通过气体管线(GasPipelines)连接，并可通过气体阀门(V1-V4)控制其导通状态。实例所示多层多光程环形腔为4对环形球面镜组成的多层多光程环形腔，如图6所示。4对环形球面镜之间相通，最上面和最下面有密封面板，仅留两个气阀(一出气阀一进气阀)与被测气源连通。上面三对使用TDLAS方法，可分别测量SF6分解生成的CF4、CO、HF(均在中红外、近红外波段有强吸收峰)等痕量气体；最下面一对使用TDLAS方法，可同时测量SF6分解生成的SO2、H2S(均在紫外波段有较强吸收峰)等痕量气体。
在TDLAS测量中，三只分布式反馈激光器(DFB1—DFB3)的中心波长分别为7831nm、1567nm、1312nm(对应CF4、CO、HF吸收峰波长)，它们分别通过三根光纤耦合输出，功率各15mW左右。再通过三只光纤连接器(FC1—FC3)耦合为空间光束，经第一聚焦透镜(L1-L3)聚焦后射入多层多光程环形腔，经过在多层多光程环形腔内的多次反射，被气体充分吸收后从出射孔射出，经第二聚焦透镜(L5-L7)聚焦后由三只红外响应的探测器(D1-D3)接收，光强信号转化为电信号，由数据采集卡(DAQ)传入计算机处理运算。DAQ输出给控制电路(C&TControl)一个高频正弦和低频三角叠加的调制信号，作为DFB的驱动电流，实现DFB输出的波长扫描。DFB输出波长的扫描范围分别覆盖CF4、CO、HF吸收峰波长宽度。通过对吸收信号的分析计算获得CF4、CO、HF痕量气体浓度。
在DOAS测量中，宽带光源使用100W氘灯(在紫外部分有较强的输出功率)，其输出的空间光束经第一聚焦透镜(L4)聚焦后射入多层多光程环形腔，经过在多层多光程环形腔内的多次反射，被气体充分吸收后从出射孔射出，经第二聚焦透镜(L8)聚焦后由光纤连接器(FC4)耦合入光纤中，经光纤传输到光纤光谱仪(Spectormeter)，光谱仪输出光谱分布信号经由数据采集卡(DAQ)传入计算机，经数据处理运算得到被测气体浓度。DAQ输出给控制电路(C&T Control)一个反馈信号，控制光源的开与关及功率调节。
根据同时测量得到的SF6气体分解的CF4、CO、HF、SO2、H2S等多种痕量气体的含量(所占体积分数比)，可以判断SF6气体绝缘设备运行状态，有利于实现的SF6气体绝缘设备的小型化、便携化，实现SF6气体绝缘设备运行状态的在线检测。
综上，本发明优选实施例提出的基于多层多光程环形腔的SF6气体绝缘设备运行状态监测系统，将内径相同的多个多光程环形腔堆叠在一起，光源入射孔相对错开一定角度，可以避免光学元件(光源、探测器等)之间的相互干扰，可以同时测量SF6气体分解的多种不同的痕量气体含量。根据各种气体组分的浓度所占比例，判断SF6气体绝缘设备运行状态，在基本不增加SF6气体绝缘设备体积和重量的前提下，实现SF6气体绝缘设备运行状态的在线监测。
本发明的有益效果是：基于可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)和/或差分吸收光谱法(DOAS)同时测量电气绝缘设备中绝缘介质释放的多种痕量气体浓度，实现对于电气绝缘设备运行状态的高灵敏度实时监测。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多层多光程腔，其特征在于，包括多个自下而上累叠且相通的多光程腔，多个多光程腔采用以下方式之一构成：多个采用可调谐二极管激光吸收光谱法TDLAS方法的多光程腔，或者多个采用差分吸收光谱法DOAS方法的多光程腔，或者至少一个采用TDLAS方法的多光程腔和至少一个采用DOAS方法的多光程腔的组合。
2.如权利要求1所述的多光程腔，其特征在于，所述多光程腔包括环形腔、赫里奥特型腔、怀特型腔、或Chernin型腔。
3.如权利要求2所述的多光程腔，其特征在于，当所述多光程腔为环形腔时，每个多光程腔为两个内表面为球面，外表面为圆柱面的环形球面镜，分别为第一环形球面镜和第二环形球面镜，所述第一环形球面镜和第二环形球面镜的曲率半径相同。
4.如权利要求3所述的多光程腔，其特征在于，
每对采用TDLAS方法的环形球面镜根据痕量气体吸收峰的中心波长对应测量一种痕量气体的含量；
每对采用DOAS方法的环形球面镜对应测量同一个波段的多种痕量气体的含量。
5.如权利要求3所述的多光程腔，其特征在于，
建立直角坐标系，以第一环形球面镜的曲率中心O1和第二环形球面镜的曲率中心O2的连线与两镜接合面垂直相交的交点为原点，以O1O2的连线为y轴，以两镜接合面为xoz平面，且光束的入射方向与z轴平行；
光束通过第一环形球面镜上的入射孔入射至腔内，在腔内y方向上的上下两个平面来回渡越，在腔内传播的总次数为2p-1次，形成p等分两个环形球面镜圆周的两排在y方向上分开的反射光斑，其轨迹呈上下两层的p角星形状，从第二环形球面镜上的出射孔出射。
6.如权利要求3所述的多光程腔，其特征在于，所述第一环形球面镜的曲率中心Pc1位于两镜接合面之下，所述第二环形球面镜的曲率中心Pc2位于两镜接合面之上；
建立直角坐标系，以所述第一环形球面镜M1的曲率中心Pc1和第二环形球面镜M2的曲率中心Pc2的连线与光束的入射平面垂直相交的交点为原点，以Pc1Pc2的连线为y轴，以所述光束的入射平面为xoz平面，且光束的入射方向与z轴平行；
光束通过第一环形球面镜上的入射孔水平入射至腔内，从第二环形球面镜上的出射孔出射，在腔内y方向上的上下两个平面至多来回渡越Np-N+1次，N>2，形成至多在y方向上分开的N排、各自p等分所在环形球面镜圆周的反射光斑，其轨迹为在y方向上不同的N个平面上分别分布的N个p角星形。
7.一种基于权利要求1所述多层多光程腔的电气绝缘设备运行状态监测系统，其特征在于，该系统包括：前置光学子系统、多层多光程腔和后置光学子系统；
所述前置光学子系统包括：与每一个多光程腔对应的光源和第一聚焦透镜；
所述后置光学子系统包括：与每一个多光程腔对应的第二聚焦透镜和探测器；
光源发出的光束经准直后出射到第一聚焦透镜上；
第一聚焦透镜，用于将所述准直光束进行聚焦后水平入射到所述多光程腔中；
多光程腔，用于增加光的吸收光程，将聚焦后的光束通过入射孔水平入射至腔内，经腔内壁多次反射后，从出射孔出射；
第二聚焦透镜，用于将出射光束聚焦到探测器上；
探测器，用于在采用TDLAS方法的多光程腔时得到腔内气体吸收光谱的电信号；或者在采用DOAS方法的多光程腔时在所述探测器前面增加分光元件，得到腔内气体的吸收光谱的电信号。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，
在采用TDLAS方法的多光程腔时，所述光源为激光光源，所述激光光源的中心波长对应痕量气体吸收峰的中心波长；
在采用DOAS方法的多光程腔时，所述光源为宽带光源，所述宽带光源对应同一个波段的多种痕量气体。
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