CN114659989A - 一种应用于断路器sf6气体高灵敏度检测的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种应用于断路器SF6气体高灵敏度检测的装置及方法，它包括激光器、半反半透镜、前探测器、后探测器、气体波导传感组件和控制器，所述激光器射出的光线经过半反半透镜形成反射光路和透射光路，所述前探测器设置在反射光路上，所述气体波导传感组件和后探测器沿透射光路依次设置，所述前探测器、气体波导传感组件和后探测器均与控制器电性连接。本发明通过控制器控制气体波导传感组件转动，进行入射光角度扫描，采用对波导透射光进行探测，利用平板波导方式，实现微量SF6气体的检测，并能给出浓度值，灵敏度高，结构简单，适用性强。
Description
技术领域
本申请涉及断路器气体泄露检测，具体涉及一种应用于断路器SF6气体高灵敏度检测的装置及方法。
背景技术
SF6是一种优于空气和油之间的新一代超高压绝缘介质材料，电力系统中断路器采用具有优良灭弧性能和绝缘性能的SF6气体作为灭弧介质，则称为SF6断路器，适用于频繁操作及要求高速开断的场合。
纯净的SF6是一种无色、无嗅、无毒的气体，断路器中充有SF6气体，当断路器的开关动作时产生电弧，分解后产生气体和固体分解物，例如：SO2、CF4、HF、SOF2、SF4、CO2、SF2、SOF4、COF2、CO等，具有较高的毒性，其放电分解产物一般具有较高的化学活性和腐蚀性，从而会引发断路器设备故障。
另外，在断路器中如果有SF6发生泄漏，也会伴随着其分解物的泄漏，SF6会往工业现场低层空间聚积，会造成局部缺氧和毒性，泄漏的其他分解产物也将对进入工业现场的工作人员生命安全构成了严重的威胁，极微量的泄漏可危及人的生命。
所以，对于SF6断路器的泄漏检测，不仅关系到设备的性能和运行，也关系到维护人员的身体健康和生命安全。如果在工业现场检测到SF6气体，则也意味着其他有毒分解物的泄漏，因此对SF6气体绝缘开关泄露的检测很有必要。
随着研究的不断发展，目前对SF6气体成分检测分析方法，包括气相色谱法、红外吸收光谱法、气相色谱质量分析法、半导体传感器法、拉曼分光法等多种方法开始被广泛地应用于SF6气体分解产物的检测之中。这些方法中各有优缺点，而建立稳定、可靠且适合于现场检测的方法是今后的一个重要研究方向。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种应用于断路器SF6气体高灵敏度检测的装置及方法，利用平板波导方式，实现微量SF6气体的检测，并能给出浓度值，灵敏度高，结构简单，适用性强。
本发明采取的一种技术方案是：一种应用于断路器SF6气体高灵敏度检测的装置，包括激光器、半反半透镜、前探测器、后探测器、气体波导传感组件和控制器，所述激光器射出的光线经过半反半透镜形成反射光路和透射光路，所述前探测器设置在反射光路上，所述气体波导传感组件和后探测器沿透射光路依次设置，所述前探测器、气体波导传感组件和后探测器均与控制器电性连接；
所述气体波导传感组件包括转台、上层紧固件、下层紧固件和波导室，所述上层紧固件和下层紧固件设置在所述转台上，所述转台与所述控制器电性连接，所述上层紧固件和下层紧固件之间通过装卸螺杆连接，并设置有安装凹槽和密封圈，所述波导室设置在所述安装凹槽中；所述上层紧固件上设置有入射光孔，所述下层紧固件上设置有进气孔、尾气孔和透射光孔；所述波导室包括上层玻璃和下层玻璃，所述上层玻璃和下层玻璃内侧设置有银膜，两层银膜之间设置有间隙，形成波导腔。
进一步地，所述激光器和半反半透镜之间、半反半透镜和气体波导传感组件之间均设置有光学小孔。
进一步地，所述透射光路与波导室的入射角为2～5°
进一步地，所述激光器射出的光线波长为10.6μm，所述上层玻璃和下层玻璃的厚度为3mm，所述银膜之间的间隙为2mm。
本发明采取的另一技术方案是：一种应用于断路器SF6气体高灵敏度检测的方法，用于操作上述技术方案所述检测装置，具体步骤如下：
步骤S1：向气体波导传感组件中通入高纯度的氮气，并打开激光器，对高纯度氮气的气体波导进行角度扫描，得到高纯度氮气的透射谱曲线；
步骤S2：对SF6断路器的周边气体进行采样，将采样气体抽入气体波导传感组件的波导腔中，采样结束后停止进气，通过控制器控制转台转动，改变透射光路与波导室的入射角度，完成对SF6断路器的周边采样的气体进行角度扫描，得到SF6断路器的周边气体的透射谱曲线；
步骤S3：观察步骤S2中的到的SF6断路器的周边气体的透射谱曲线，如果透射谱曲线仅沿角度方向移动，无峰值变化，则说明SF6断路器没有发生SF6气体泄漏；如果透射谱曲线不仅沿角度方向移动，还存在峰值变化，则说明SF6断路器发生SF6气体泄漏。
进一步地，所述透射光路与波导室的入射角为2～5°，所述激光器射出的光线波长为10.6μm。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明检测SF6断路器泄漏气体的灵敏度高，检测范围为50～500ppm；在进行入射光角度扫描时，对二次透射光进行探测，后探测器位置固定，克服了现有技术因探测二次反射光而需要设置使后探测器跟随反射光角度变化的复杂控制部件的缺陷；采用小角度入射光，激发出的超高阶导模，不需要专门设定入射光的偏振，从而简化了光路；
(2)激光器的输出波长为10.6μm的激光，此波长的激光只对SF6气体具有特征吸收峰，其分解产物SO2、CF4、SOF2、CO2、SOF4、HF等在波长10.6μm处均无特征吸收峰，便于识别检测SF6气体；对于非SF6气体的波导，即使浓度不同导致表现出的折射率不同，也只会使得波导透射谱峰值在角度方向发生移动，不会有峰值的衰减，因此可实现对SF6气体的选择性识别。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例气体波导传感组件的剖面示意图；
图3为本发明实施例上层紧固件的侧面示意图；
图4为本发明实施例下层紧固件的侧面示意图；
图5为本发明实施例检测SF6气体波导特征吸收时不同浓度透射谱曲线；
图6为本发明实施例检测SO2气体波导时不同浓度透射谱曲线。
附图标记解释：1-激光器，2-半反半透镜，3-前探测器，4-后探测器，5-控制器，6-转台，7-上层紧固件，8-下层紧固件，9-装卸螺杆，10-安装凹槽，11-密封圈，12-入射光孔，13-进气孔，14-尾气孔，15-透射光孔，16-上层玻璃，17-下层玻璃，18-银膜，19-波导腔，20-光学小孔，21-进气管，22-尾气管。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所述领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
如图1～图4所示，一种应用于断路器SF6气体高灵敏度检测的装置，包括激光器1、半反半透镜2、前探测器3、后探测器4、气体波导传感组件和控制器5，所述激光器1射出的光线经过半反半透镜2形成反射光路和透射光路，所述前探测器3设置在反射光路上，前探测器3将反射光转化为电信号，并发送给控制器5。所述气体波导传感组件和后探测器4沿透射光路依次设置，透射光经过气体波导传感组件后，由后探测器4转化为电信号并发送给控制器5；所述前探测器3、气体波导传感组件和后探测器4均与控制器5电性连接，所述控制器5内设置有放大电路、数据处理模块和转台6控制电路，放大电路用于放大前探测器3和后探测器4传输过来的信号，数据处理模块用于得到透射谱曲线，转台6控制电路则用于控制气体波导传感组件转动。
所述气体波导传感组件包括转台6、上层紧固件7、下层紧固件8和波导室，所述上层紧固件7和下层紧固件8设置在所述转台6上。所述转台6与所述控制器5电性连接，通过转台6控制电路控制转台6转动，改变透射光与波导室之间的入射角θ。所述上层紧固件7和下层紧固件8之间通过装卸螺杆9连接，并设置有安装凹槽10和密封圈11，所述波导室设置在所述安装凹槽10中，密封圈11则用于在测试过程中防止气体泄露，影响检测精度，通过装卸螺杆9和密封圈11可调节气体波导传感组件的气密性。所述上层紧固件7上设置有入射光孔12，经半反半透镜2形成的透射光通过入射光孔12进入波导室，形成二次反射光和二次透射光。所述下层紧固件8上设置有进气孔13、尾气孔14和透射光孔15；进气孔13和尾气孔14分别连接进气管21和尾气管22，用于充入检测气体和排出检测气体，二次透射光则通过透射光孔15射向后探测器4。所述波导室包括上层玻璃16和下层玻璃17，所述上层玻璃16和下层玻璃17分别粘贴在上层紧固件7和下层紧固件8上，所述上层玻璃16和下层玻璃17内侧设置有银膜18，两层银膜18之间设置有间隙，形成波导腔19，所述间隙的宽度可通过装卸螺杆9来调节。
在本发明实施例中，所述激光器1的输出波长为10.6μm，由于10.6μm波长的激光只对SF6气体具有特征吸收峰，而SF6的分解产物SO2、CF4、SOF2、CO2、SOF4、HF等在波长10.6μm处均无特征吸收峰，因此可以有效识别检测SF6气体。所述上层玻璃16和下层玻璃17的厚度为3mm，所述银膜18之间的间隙为2mm。上层玻璃16和下层玻璃17太厚和间隙太薄均会导致检测灵敏度降低，玻璃太薄容易使波导室发生机械形变而损坏，间隙太厚时，导波层模序数太密集，检测气体浓度的覆盖范围变窄。
所述激光器1和半反半透镜2之间、半反半透镜2和气体波导传感组件之间均设置有光学小孔20，光学小孔20用于对光路进行准直整形。所述透射光路与波导室的入射角θ为2～5°，有利于高灵敏度气体检测：入射角θ大于5°时，透射谱曲线过于密集，不利于检测的操作；入射角θ小于2°时透射谱曲线半宽度过大，气体检测时灵敏度不高。
本发明实施例的工作原理是基于导波光学的平板波导理论，将波导层厚度增加到毫米量级，波导层内填充SF6气体。入射到气体波导传感组件中的激光束采用小角度入射方式，选择合适的入射光角度，满足相位匹配条件时，则可以让平面波导中的气体导波层产生导模共振，从而将入射光的能量大部分耦合到气体导波层中，此时的导波层光场密度非常高，导模的模数达到2000以上，属于超高阶导模。
本发明实施例的气体波导有效折射率为N，待测气体形成的导波层折射率为n1，P为入射光功率，P1为导波层光功率，则本发明实施例的传感器灵敏度为：
灵敏度与有效折射率N成反比，对超高阶导模来说N→0，因此有n1/N>>1，当P1/P≈1时，本发明实施例的传感器灵敏度可以为很大的值，即本发明实施例的灵敏度是将不受限制的，因此该特性可在SF6气体传感检测中获得应用。
对于提出的波导，波导本征损耗为Im(β0)，波导辐射损耗为Im(ΔβL)，选择合适的波导耦合层金属膜的厚度值，此时波导的反射率为Rmin：
上式中，当波导的本征损耗与泄漏损耗相等时，即Im(β0)＝Im(ΔβL)时，有
Rmin＝0
此时气体波导获得最大的透射率，因此，选择好波导层两侧金属膜的厚度值，可以获得最大的波导透射光。对于该波导，Im(β0)与Im(ΔβL)直接影响入射激光束能量的耦合，影响透射光的强度。
将SF6气体利用气泵抽入到波导腔19中，形成导模共振的SF6气体光波导，将10.6μm波长入射光束耦合到气体波导，SF6气体浓度的不同会引起导波层折射率变化，从而引起透射光的透射率改变，以此可以高灵敏度检测SF6气体。
当气泵抽入的待检气体中有SF6气体微量成分时，该气体波导中的10.6μm波长导波光产生吸收，使得波导透射谱峰值发生衰减，同时不同浓度的SF6气体的折射率不同，也就是影响波导的光学参数变化，使得波导透射谱峰值在角度方向发生移动。由于透射谱峰值的极大值与SF6气体的波导光学参数密切相关，可通过透射谱峰值的变化实现微量SF6气体的浓度检测。
本发明实施例用于检测SF6气体泄露浓度的具体步骤如下：
步骤S1：向气体波导传感组件中通入高纯度的氮气，并打开激光器1，对高纯度氮气的气体波导进行角度扫描，得到高纯度氮气的透射谱曲线，即图5和图6中的曲线A；
将氮气作为背景气体，保证波导腔体的气压，避免进气和抽气过程中波导形变；氮气的透射谱曲线用于待检气体的定标起始点。
步骤S2：对SF6断路器的周边气体进行采样，将采样气体抽入气体波导传感组件的波导腔19中，采样结束后停止进气，通过控制器5控制转台6转动，改变透射光路与波导室的入射角度，完成对SF6断路器的周边采样的气体进行角度扫描，得到SF6断路器的周边气体的透射谱曲线；
步骤S3：观察步骤S2中的到的SF6断路器的周边气体的透射谱曲线，如果透射谱曲线仅沿角度方向移动，无峰值变化，则说明SF6断路器没有发生SF6气体泄漏；如果透射谱曲线不仅沿角度方向移动，还存在峰值变化，则说明SF6断路器发生SF6气体泄漏。
图5为本发明实施例检测SF6气体波导特征吸收时不同浓度透射谱曲线，对波导进行角度扫描，SF6气体浓度为76ppm的透射谱曲线为曲线B，逐次增加SF6气体的浓度，继续重复角度扫描，得到SF6气体浓度为131ppm的透射谱曲线为曲线C，SF6气体浓度为187ppm的透射谱曲线为曲线D，SF6气体浓度为245ppm的透射谱曲线为曲线E，SF6气体浓度为298ppm的透射谱曲线为曲线F。
从图5中看出透射谱曲线B～F在通入不同浓度SF6气体时，在激光波长10.6μm产生吸收，表现在透射谱曲线的峰值发生光强减弱，根据峰值大小，可判断通入的SF6气体的浓度。另一方面，随着SF6气体浓度的增加，气体导波层的折射率增加，从而影响到波导层的有效折射率，最终使透射谱曲线的峰值在角度上发生移动。
图6为本发明实施例检测SO2气体波导时不同浓度透射谱曲线，SO2气体浓度为59ppm的透射谱曲线为曲线G，SO2气体浓度为111ppm的透射谱曲线为曲线H，SO2气体浓度为165ppm的透射谱曲线为曲线I，SO2气体浓度为218ppm的透射谱曲线为曲线J，SO2气体浓度为273ppm的透射谱曲线为曲线K。
由于入射激光的波长为10.6μm，对于抽入非SF6气体来说是非特征吸收波长，所以波导中的导波光几乎没有吸收，因此透射谱曲线的峰值不会发生变化，不同浓度的非SF6气体因折射率不同，影响的只是透射峰值的移动。
本发明检测SF6断路器泄漏气体的灵敏度高，检测范围为50～500ppm；在进行入射光角度扫描时，采用对波导透射光进行探测，后探测器位置固定，后探测器位置固定，克服了现有技术因探测二次反射光而需要设置使后探测器跟随反射光角度变化的复杂控制部件的缺陷；采用小角度入射光，激发出的超高阶导模，不需要专门设定入射光的偏振，从而简化了光路。
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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (6)
1.一种应用于断路器SF6气体高灵敏度检测的装置，其特征在于，包括激光器、半反半透镜、前探测器、后探测器、气体波导传感组件和控制器，所述激光器射出的光线经过半反半透镜形成反射光路和透射光路，所述前探测器设置在反射光路上，所述气体波导传感组件和后探测器沿透射光路依次设置，所述前探测器、气体波导传感组件和后探测器均与控制器电性连接；
所述气体波导传感组件包括转台、上层紧固件、下层紧固件和波导室，所述上层紧固件和下层紧固件设置在所述转台上，所述转台与所述控制器电性连接，所述上层紧固件和下层紧固件之间通过装卸螺杆连接，并设置有安装凹槽和密封圈，所述波导室设置在所述安装凹槽中；所述上层紧固件上设置有入射光孔，所述下层紧固件上设置有进气孔、尾气孔和透射光孔；所述波导室包括上层玻璃和下层玻璃，所述上层玻璃和下层玻璃内侧设置有银膜，两层银膜之间设置有间隙，形成波导腔。
2.根据权利要求1所述的一种应用于断路器SF6气体高灵敏度检测的装置，其特征在于，所述激光器和半反半透镜之间、半反半透镜和气体波导传感组件之间均设置有光学小孔。
3.根据权利要求1所述的一种应用于断路器SF6气体高灵敏度检测的装置，其特征在于，所述透射光路与波导室的入射角为2～5°。
4.根据权利要求1所述的一种应用于断路器SF6气体高灵敏度检测的装置，其特征在于，所述激光器射出的光线波长为10.6μm，所述上层玻璃和下层玻璃的厚度为3mm，所述银膜之间的间隙为2mm。
5.一种应用于断路器SF6气体高灵敏度检测的方法，其特征在于，用于操作权利要求1～4任一权利要求所述检测装置，具体步骤如下：
步骤S1：向气体波导传感组件中通入高纯度的氮气，并打开激光器，对高纯度氮气的气体波导进行角度扫描，得到高纯度氮气的透射谱曲线；
步骤S2：对SF6断路器的周边气体进行采样，将采样气体抽入气体波导传感组件的波导腔中，采样结束后停止进气，通过控制器控制转台转动，改变透射光路与波导室的入射角度，完成对SF6断路器的周边采样的气体进行角度扫描，得到SF6断路器的周边气体的透射谱曲线；
步骤S3：观察步骤S2中的到的SF6断路器的周边气体的透射谱曲线，如果透射谱曲线仅沿角度方向移动，无峰值变化，则说明SF6断路器没有发生SF6气体泄漏；如果透射谱曲线不仅沿角度方向移动，还存在峰值变化，则说明SF6断路器发生SF6气体泄漏。
6.根据权利要求5所述的一种应用于断路器SF6气体高灵敏度检测的方法，其特征在于，所述透射光路与波导室的入射角为2～5°，所述激光器射出的光线波长为10.6μm。
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