CN201368850Y - 基于光声光谱技术的sf6检测系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于光声光谱技术的SF6检测系统，它包括封闭气室、SF6断路器、若干根泄漏气体采样管、自动控制阀、多路集气总管和SF6检测系统控制电路，其特点是：还包括光声发生器、激光器，光声发生器的结构是，在壳体内设有光声腔，光声腔的前端密封置有滤光片，在壳体上设置与光声腔相接触的传声器，光声腔与采样泵的出气口连接，采样泵的进气口与多路集气总管连接，在壳体上设置与光声腔连通的排气口，在相对光声发生器的滤光片一侧设置激光器。光声发生器的清洗进气口与清洗泵连接。具有灵敏度高，长期工作稳定可靠，结构简单，体积小，适用于SF6断路器等SF6开关设备及全密封组合电器SF6气体泄漏的在线监测。
Description
技术领域
本实用新型涉及测试技术领域，是一种基于光声光谱技术的SF6检测系统。
背景技术
电力系统的安全运行关系到整个国民经济的发展和人民生活的稳定。随着现代电力向着高电压、大机组、大容量的迅速发展，对电力系统供电可靠性的要求也越来越高。随着科技及经济的发展，以具有优良的电气绝缘能力和灭弧性能的SF6气体为绝缘灭弧介质的SF6开关设备及全密封组合电器GIS已在电力系统广泛使用。正在逐步取代以前的多油式、少油式、真空式断路器，它具有体积小、重量轻、容量大、维修周期长等优点。在大城市和工业密集区的中心变电站，地区险峻的山区变电站，超、特高压输电等场合得到了极其广泛的应用。尤其是近年来SF6开关室、GIS组合电器越来越普遍地应用于城区变电站。由于制造、安装等质量差异以及材料老化等因素，SF6断路器等SF6高压开关设备SF6气体泄漏时有发生。当有大电流开断时，由于强烈的电弧放电会在泄漏现场中产生一些含硫的低氟化物。这些物质反应能力较强，当有水和氧气时又会与电极材料、水分子进一步反应，从而分解产生有毒或剧毒气体。这些有毒气体主要损害人体的呼吸系统，中毒后会出现类似于感冒、皮肤过敏、恶心呕吐、疲劳等不良反应，吸入剂量大时，会出现更加严重的后果。另外由于SF6气体比重比空气大，泄漏易聚集，易造成低层空间缺氧，造成现场工作人员窒息。同时，SF6气体是公认的温室效应气体，对红外线吸收能力是CO2的上千倍。因此，准确检测空气中SF6气体浓度是设备安全可靠运行的保障，并且其安全性也受到全球性的关注。现有技术检测SF6气体浓度通常采用气相色谱法、导热系数法、电子漂移法、光谱法、负电晕放电法等。但这些方法都需要昂贵的仪器设备，并要求操作者具有相当高的操作水平，显然都不适宜。现行的用于高压变电现场的六氟化硫检测系统多基于以下原理，一种是基于高压电晕放电的原理，由于SF6气体和空气的绝缘性不同，两个电极间高压放电通过的电流也将不同，通过检测该电流的大小，开判断是否有SF6气体存在以及其浓度。此类设备体积小，便于构建网络，但其高压电晕放电传感器寿命较短，不能长期稳定的工作，而且难于达到较高的稳定性，其标定工作也比较困难。另一种是利用SF6气体对红外具有强烈的吸收作用的特征，来定性或定量地检测SF6的泄漏，也存在着结构复杂，检测气室短时不适合高精度检测，且成本很高。
实用新型内容
本实用新型的目的是，克服现有技术的缺点，提供一种灵敏度高，长期工作稳定可靠，结构简单，体积小的基于光声光谱技术的SF6检测系统。
本实用新型的目的是由以下技术方案来实现的：一种基于光声光谱技术的SF6检测系统，它包括在封闭的气室1内置有SF6断路器2，在SF6断路器2所在位置附近设置若干根泄漏气体采样管3，若干根泄漏气体采样管3分别通过各自管路上置的自动控制阀20与多路集气总管4连接，SF6检测系统控制电路7，其特征是：还包括光声发生器5、激光器6，所述光声发生器5的结构是，具有壳体11，在壳体11内设有光声腔12，光声腔12的前端密封置有滤光片13，光声腔12的后端密封置有堵塞14，在壳体11上设置与光声腔12相接触的传声器8，传声器8与SF6检测系统控制电路7电连接，光声腔12通过其壳体11上设置的进气口15与采样泵9的出气口连接，采样泵9的进气口与多路集气总管4连接，采样泵9与SF6检测系统控制电路7电连接，自动控制阀20与SF6检测系统控制电路7电连接，在壳体11上设置与光声腔12连通的排气口16，在相对光声发生器5的滤光片13一侧设置激光器6。
在所述光声发生器5的壳体11上设置与光声腔12连通的清洗进气口17，清洗进气口17与清洗泵10连接，清洗泵10与在SF6检测系统控制电路7电连接。
本实用新型的基于光声光谱技术的SF6检测系统的优点体现在：
(1)由于是直接测量气体对光的吸收所产生的声音，光声检测精确和可靠性高；
(2)几乎没有零点漂移现象，没有被测气体时，不会产生声信号；
(3)由于光声发生器的特定结构，适于激光的调制频率100HZ～10KHZ，便于光声信号传递；
(4)由于采集气体采用多路选择，能够实现在一个光声发生器的光声腔内可以监测多路气体；
(5)由于采用声信号检测，其灵敏度高，最小检测能力为0.05ppm；
(6)适用于SF6断路器等SF6开关设备及全密封组合电器SF6气体泄漏的在线监测；
(7)长期工作稳定可靠，结构简单，体积小。
附图说明
图1是基于光声光谱技术的SF6检测系统结构示意图。
图2是图1中光声发生器5结构示意图。
图3是图1中SF6检测系统控制电路7电路原理示意图。
图4是SF6检测系统控制电路7的DSP数据采集与处理电路21原理示意图。
图5是SF6检测系统控制电路7的信号调理电路22的前置放大电路23原理示意图。
图6是SF6检测系统控制电路7的信号调理电路22的电压抬升电路24原理示意图。
图7是SF6检测系统控制电路7的信号调理电路22的双向限幅电路25原理示意图。
图8是SF6检测系统控制电路7的存储器19的原理示意图。
图9是SF6检测系统控制电路7的多路自动控制阀驱动电路31原理示意图。
图10是SF6检测系统控制电路7的采样泵驱动电路32原理示意图。
图11是SF6检测系统控制电路7的清洗泵驱动电路33原理示意图。
图12是SF6检测系统控制电路7的报警与显示电路34原理示意图。
图13是基于光声光谱技术的SF6检测系统主程序流程图。
图中：1气室，2 SF6断路器，3若干根泄漏气体采样管，4多路集气总管，5光声发生器，6激光器，7SF6检测系统控制电路，8传声器，9采样泵，10清洗泵，11壳体，12光声腔，13滤光片，14堵塞，15进气口，16排气口，17清洗进气口，19存储器，20自动控制阀，20-1第一自动控制阀，20-2第二自动控制阀，20-3第三自动控制阀，20-4第四自动控制阀，20-5第五自动控制阀，20-6第六自动控制阀，20-7第七自动控制阀，20-8第八自动控制阀，21DSP数据采集与处理电路，22信号调理电路，23前置放大电路，24电压抬升电路，25双向限幅电路，31多路自动控制阀驱动电路，32采样泵驱动电路，33清洗泵驱动电路，34报警与显示电路。
具体实施方式
下面利用附图和实施例对本实用新型作进一步描述。
参照图1和2，本实用新型的基于光声光谱技术的SF6检测系统包括在封闭的气室1内置的SF6断路器2，在SF6断路器2所在位置附近设置若干根泄漏气体采样管3，若干根泄漏气体采样管3分别通过各自管路上置的自动控制阀20与多路集气总管4连接，SF6检测系统控制电路7，还包括光声发生器5、激光器6，所述光声发生器5的结构是，具有壳体11，在壳体11内设有光声腔12，光声腔12的前端密封置有滤光片13，光声腔12的后端密封置有堵塞14，在壳体11上设置与光声腔12相接触的传声器8，传声器8与SF6检测系统控制电路7电连接，光声腔12通过其壳体11上设置的进气口15与采样泵9的出气口连接，采样泵9的进气口与多路集气总管4连接，采样泵9与SF6检测系统控制电路7电连接，自动控制阀20与SF6检测系统控制电路7电连接，在壳体11上设置与光声腔12连通的排气口16，在相对光声发生器5的滤光片13一侧设置激光器6。在所述光声发生器5的壳体11上设置与光声腔12连通的清洗进气口17，清洗进气口17与清洗泵10连接，清洗泵10与在SF6检测系统控制电路7电连接。
激光器6的功能是产生调制的激光光束，通过光声发生器5的滤光片13入射到光声腔12以产生光声信号；光声腔12和传声器8将光声信号放大且使其转换成电信号；再将传声器8产生的电压信号经过SF6检测系统控制电路7的信号调理电路22调理之后供DSP数据采集与处理电路21进行处理后发生报警信号。SF6检测系统控制电路7与若干根泄漏气体采样管3各自的自动控制阀20电连接，能够通过SF6检测系统控制电路7按设定程序每开启其中一根泄漏气体采样管3的自动控制阀20，而关闭其它泄漏气体采样管3的自动控制阀20来实现SF6断路器2多点泄漏气体的采集。例如：第一自动控制阀20-1开启，第二自动控制阀20-2、第三自动控制阀20-3、第四自动控制阀20-4、第五自动控制阀20-5、第六自动控制阀20-6、第七自动控制阀20-7和第八自动控制阀20-8关闭。第二自动控制阀20-2开启，第一自动控制阀20-1开启、第三自动控制阀20-3、第四自动控制阀20-4、第五自动控制阀20-5、第六自动控制阀20-6、第七自动控制阀20-7和第八自动控制阀20-8关闭。以此类推。SF6检测系统控制电路7与采样泵9电连接，能够通过控制采样泵9的开启或关闭实现SF6断路器2的泄漏气体按设定程序进入光声发生器5的光声腔12。SF6检测系统控制电路7与清洗泵10电连接，当光声发生器5的光声腔12清洗时，SF6检测系统控制电路7控制使采样泵9关闭，而使关闭的清洗泵10开启，清洗泵10将清洗气体压入光声发生器5的光声腔12，清洗后的气体再经排气口16排出光声腔12腔外。自动控制阀20采用市售电磁阀。
因为SF6气体在10.6μm波长处有较强的吸收，所以选择的激励光源的发光波长为10.6μm。激光器6选用CO2激光器，这种激光器利用同一电子态内各振动能级的跃迁，起振荡波长在9.6um和10.6um附近的几十条谱线上。由于作为激光工作能级的这些振动----转动能级距基态很近，因此器件的能量转换效率较高，达20％---25％。本实用新型所用激光器6采用二氧化碳射频激光器，其调制频率为100HZ～10KHZ。滤光片13是窄带滤光片，只对在峰值透射波长附近的光波段有较高的透射作用，在其它波段都表现为高反射，所以选用的滤光片峰值透射波长为对应SF6气体的特征频率，并且透过带宽较窄，以便排出非检测气体的干扰。滤光片峰值透射波长选择10.29um至10.85um。光声发生器5的光声腔12是本实用新型基于光声光谱技术的SF6检测系统的核心部分，光声发生器5的光声腔12是样品气体在其中吸收光能后通过无辐射驰豫过程散发热能而产生压力波，并由传声器8转换成电信号的部分。其几何结构和材料对检测灵敏度有着重要的作用。传声器8是把光声发生器5的光声腔12内产生的声能转化为电能的部分，它必须要能准确地反映出压力的变化，传声器8选用灵敏度高、低频响应好的传声器。本实用新型光声发生器5的壳体11采用不锈钢或黄铜镀铬，壳体11内设置的光声腔12直径10mm，腔长100mm。滤光片13材料采用ZnSe晶体，按布儒斯特角安装，因为它符合CO2激光器的谱线输出范围，且不易潮解，性能稳定。
ZnSe晶体的滤光片13特性见下表
参照图3，SF6检测系统控制电路7为现有公知电路的组合，是本领域技术人员不经创造性劳动就能实现的，SF6检测系统控制电路7选择TMS320LF2407DSP芯片作为数据采集与处理的主控芯片，DSP芯片是16位定点数字信号处理器，适用于执行复杂算法，例如适应控制、卷积、相关、FFT等。本实用新型的SF6检测系统控制电路7包括DSP数据采集与处理电路21、信号调理电路22、存储器19及报警与显示电路34。光声信号经传声器8采集后转变为电压信号，经信号调理电路22隔离放大后输入DSP数据采集与处理电路21进行采样。系统的控制与分析软件存贮在DSP片内自带的闪存中，对离散化的电压信号进行FFT分析。
参照图4，SF6检测系统控制电路7的DSP数据采集与处理电路21是一个能使DSP正常工作的最基本DSP系统。DSP数据采集与处理电路21以TMS320LF2407芯片为核心，在其外围扩展存储器、时钟电路、复位电路等。时钟电路外部时钟输入，时钟频率为20MHz。复位电路使用一片MAX708电源监控芯片。TMS320LF2407芯片内自带的ADC模块是一个带内置采样/保持(S/H)的10位串行A/D转换器。模拟电压输入范围为0V～3.3V，高于3.3V的输入即为满量程的输出。
参照图5-7，信号调理电路22主要包括前置放大电路23、电压抬升电路24及电压双向限幅电路25。
参照图5前置放大电路23采用三级反相放大，运算放大器采用型号为OP07集成运算放大器，它是适合作为微弱信号检测的放大器。
参照图6，电压抬升电路24，当采用TMS320LF2407的片上ADC转换模块进行A/D采样转换的时候，由于TMS320LF2407的ADC模块是单极性输入，只能对大于0V的信号进行采样，因此需要将交流输入信号抬升为直流信号再进行采样；还由于TMS320LF2407的I/O引脚的接口电压为3.3V，输入信号的电压超过了3.3V则会烧毁DSP芯片，所以，在进行A/D采用之前必须对输入的模拟信号进行电平转换，TMS320LF2407的ADC模块的参考电压为2.5V，必须把输入信号控制在0V～2.5V之间，因此，必须对输入信号首先进行预处理后才能接入TMS320LF2407进行处理，利用型号为OP07运算放大器来抬升电压。其中+12V和-12V电压是运放的工作电源，Uref是用于抬升交流电平时所需要的参考电平，根据已知条件当-5V＜Vin＜+5V时，必须有OV＜VO＜2.5V，只要通过可调电阻R16将Uref的值设定为1V，即可使得输出信号VO的范围在0V～2.5V之间。
参照图7，电压双向限幅电路25将输出电压Vout2精确钳制在0～+2.5V范围内，以保护DSP的芯片。运算放大器A1组成上限幅电路，当输入电压小于+2.5V时，由于此时运算放大器A1的工作处在开环状态。若运算放大器A1为理想运算放大器，则其输出为正无穷大或负无穷大。实际中输出只能是正电源电压或负电源电压值。二极管D1截止，因此Vout2＝Vout1；当输入电压大于+2.5V时，此时A1输出为负电源电压值，因此D1导通，输出电压将被钳制在+2.5V。运算放大器A1、A2的型号均为OP07。
参照图8，存储器19是在TMS320LF2407DSP芯片上扩展一片ISSI61LV6416构成。存储器的读写信号直接与DSP的读写信号相连。存储器的/CE信号由/DS引脚与/PS引脚逻辑与的结果控制，其中/DS引脚接到存储器的A15上，用以区分程序存储空间和数据存储空间的寻址范围。
参照图9，多路自动控制阀驱动电路31，采用的是光继电器AQY274。其驱动电流小，带载能力较强。足以驱动自动控制阀20。而且光电隔离，给系统减小了干扰。
参照图10，采样泵驱动电路32，采用的是光继电器AQY274。其驱动电流小，带载能力较强。足以驱动采样泵9。而且光电隔离，给系统减小了干扰。
参照图11，清洗泵驱动电路33，采用的是光继电器AQY274。其驱动电流小，带载能力较强。足以驱动清洗泵10。而且光电隔离，给系统减小了干扰。
参照图12，人机交流界面是报警与显示电路34。
参照图13，系统软件程序依据计算机处理技术和自动检测技术编制，是本领域技术人员所熟悉的技术。以DSP为核心的数据采集与FFT分析系统的软件分为系统初始化模块、参数输入模块、采集模块、FFT模块及数据传送模块。系统上电后按照程序设定自动初始化DSP，然后可以采用默认设置，即采用程序内预置的参数。设置完成后系统进入等待状态，待接收到信号后启动采样模块开始采样，并将数据存储在DSP的SRAM中。系统程序采取了模块化设计，每个模块可实现一个特定的功能。现场调试时可以根据实际情况方便的增减其中的一些模块。也可以在程序调试的后期适当修改某些模块，而不影响其他块的工作，这可以大大的降低修改程序的工作量。
利用基于光声光谱技术的SF6检测系统经半年对SF6断路器检漏，证明该系统测量结果准确无误，灵敏度高，长期工作稳定可靠，结构简单，体积小等特点。
Claims (2)
1.一种基于光声光谱技术的SF6检测系统，它包括在封闭的气室(1)内置有SF6断路器(2)，在SF6断路器(2)所在位置附近设置若干根泄漏气体采样管(3)，若干根泄漏气体采样管(3)分别通过各自管路上置的自动控制阀(20)与多路集气总管(4)连接，SF6检测系统控制电路(7)，其特征是：还包括光声发生器(5)、激光器(6)，所述光声发生器(5)的结构是，具有壳体(11)，在壳体(11)内设有光声腔(12)，光声腔(12)的前端密封置有滤光片(13)，光声腔(12)的后端密封置有堵塞(14)，在壳体(11)上设置与光声腔(12)相接触的传声器(8)，传声器(8)与SF6检测系统控制电路(7)电连接，光声腔(12)通过其壳体(11)上设置的进气口(15)与采样泵(9)的出气口连接，采样泵(9)的进气口与多路集气总管(4)连接，采样泵(9)与SF6检测系统控制电路(7)电连接，自动控制阀(20)与SF6检测系统控制电路(7)电连接，在壳体(11)上设置与光声腔(12)连通的排气口(16)，在相对光声发生器(5)的滤光片(13)一侧设置激光器(6)。
2.根据权利要求1所述的基于光声光谱技术的SF6检测系统，其特征是：在所述光声发生器(5)的壳体(11)上设置与光声腔(12)连通的清洗进气口(17)，清洗进气口(17)与清洗泵(10)连接，清洗泵(10)与在SF6检测系统控制电路(7)电连接。
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