GIS气室SF6气体微水激光检测系统的设计及溯源实验研究

苑吉河1，张 曦1，李新田，赫树开，曾晓哲，岳运奇

(1.国网重庆市电力公司 南岸供电分公司，重庆 400060； 2.河南省日立信股份有限公司，河南 郑州 450001)

气体绝缘金属封闭式组合电器(Gas Insulated Switch-gear,GIS)中对SF6气体的微水含量作了严格规定，微水含量超标使得高压开关绝缘能力降低，易于导致高压击穿事故，严重影响电力设备安全稳定运行[1-2]。因此，对GIS气室中SF6气体微水含量实施在线监测确保设备安稳运行意义重大。目前电力系统采用微水检测的常用方法有光谱法、露点法，但光谱法在分解产物组分较多情况下存在谱线交叉干扰严重、准确性低的问题，露点法存在工作温度低、高湿测不准、耗时长等缺点[3-4]。可调谐二极管激光吸收光谱 (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技术利用半导体激光的窄带宽和可调谐特性，具有高灵敏、快速响应和高选择性的特点，是克服电力系统多变环境，实现SF6气体微水测量的理想方法之一[5-6]。目前，国内外学者针对微水的TDLAS检测技术的研究已做了不少工作，但侧重于对HITRAN数据库微水气体光谱吸收参数进行修正及在气象领域微水监测的应用，而针对SF6断路器湿度监测技术，中科院电工研究所初步对TDLAS吸收信号进行了讨论[7-9,12]。总之，不同的应用领域气体的谱线选择、气室结构及光路设计差异较大，针对TDLAS技术的GIS气室SF6气体湿度检测尚缺乏系统的标定及应用研究。

基于上述认识，本工作在前期不停电SF6气体除湿技术研究应用的基础上进行，旨在满足智能化电网的发展需求。基于TDLAS技术，结合GIS气室SF6气体的微水环境，精心选择1392 nm作为H2O分子的中心吸收波段，设计了便携式SF6微水实时监测系统，以湿度发生器为微水气源，373系列镜面露点仪为校准溯源工具，对-50～-10 ℃条件下的9个不同露点值进行稳定性实验，同时搭建GIS模拟气室，优化光路系统内部结构，进一步探究系统的稳定性和可靠性。

1 基本原理

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)是利用激光器发出特定波长的光被待测气体吸收后导致光强衰减，光强的衰减程度与气体浓度成正比，它遵循朗伯-比尔定律(Lambert-Beer Law):

(1)

式中，A为吸光强度；α(v)为气体在频率v处的吸收截面(cm2/mol)；c为待测气体的浓度(mol/cm3)；L为光路长度(cm)；I0为入射光强；I为透射光强度。

采用波长调制技术与谐波检测技术相结合，可以大幅降低低频噪音干扰，提高检测的灵敏度。对低频锯齿波电流进行调制，得到激光的发射频率v为

v=v0+σvcos2πft

(2)

式中，v0为中心频率；σv为调制信号幅值；f为调制频率。对式(2)进行傅里叶级数展开，可以得到：

(3)

式中，An(v0)为激光器透射光的n次余弦傅里叶级数展开系数，气体吸收后的衰减光信号由光电探测器接收，经过锁相放大后得到二次谐波幅值表达式为

(4)

因此可通过光强直流分量I0及二次谐波幅值就可以反演得到待测气体的浓度：

(5)

式中，v0为选定激光器中心频率；K为标定常数。通过式(5)可以看出，气体浓度c正比于二次谐波幅值。通过标准气体标定，可以反演得到确定的气体浓度[10]。

2 实验部分

2.1 特征吸收谱线的选择

TALAS技术进行气体检测时，特征吸收谱线的选择至关重要。通过查询HITRAN2012谱库可知，水分子在中红外波段2.57 μm附近有强的特征吸收，但工作在该波段的激光器价格高昂，而近红外波段激光器成本经济合理，技术更加成熟，适合规模化应用。因此，选择近红外6500～7500 cm-1波段作为重点研究对象。考虑到高压开关气室中SF6气体的其他分解产物如CO2、H2S、CO、SO2、HF等气体干扰，在水分子吸收较强的位置对上述气体的吸光度也做了研究，其中CO和SO2并无吸收，图1为CO2、H2S、HF及H2O在温度为300 K，1个大气压，光程100 cm，100ppm(1ppm=10-6)时的吸光强度。

图2为CO2、H2S、CO、SO2、HF和H2O在7181.14 cm-1，300 K，1个大气压，光程100 cm附近的Lorentz线型仿真光谱图，为了便于谱图识别，该处H2O体积分数为1×10-6，其他均为10000×10-6。在体积浓度为1×10-6时，H2O的吸收最强，吸光强度为1.2×10-4，此处CO2和H2S虽有微弱吸收，但吸光强度分别为2.1×10-12及4.9×10-12，强度量级相差较远，而其他气体均无吸收，因此选择中心波长在1392.5 nm即7181.14 cm-1作为H2O的特征吸收波段。

图2 H2O、CO2、H2S、HF、SO2、CO气体的近红外波段的红外光谱

2.2 实验系统

实验搭建TDLAS微水测量系统如图3所示，可分为湿度发生装置、检测溯源校准装置、TDLAS分析系统及计算机终端处理系统。实验过程中，在恒定压力下利用湿度发生装置制备-80.02 ℃、-60.09 ℃、-50.3 ℃、-45.65 ℃、-40.66 ℃、-35.75 ℃、-30.54 ℃、-25.71 ℃、-20.92 ℃、-15.1 ℃和-10.06 ℃ 共11个露点下的微水气体。首先，利用便携式373系列镜面露点仪作为检测溯源校准装置对湿度发生器的准确性校验，确保设定的每个露点值下保持充分时间达到示数稳定平衡。经过镜面露点仪校验准确无误后，打开TDLAS微水传感器的进气串口，进行不同露点条件下实验，每个露点下采集86组数据。

图3 微水TDLAS检测系统图

TDLAS传感系统使用DDS发生芯片AD9850产生的正弦调制信号被叠加到锯齿波上，用于驱动激光器。DFB激光器中心波长约为1392 nm，典型发光阈值驱动电流为15 mA，最大驱动电流为120 mA。采用波长计(KEYSIGHT 86120D)对激光器调谐范围进行测试，设置激光器温度为29.47 ℃，改变注入电流，分别测量中心波长，测量结果如图4所示，计算电流及温度调谐系数分别为0.01 nm/mA和0.1 nm/℃，H2O分子在1.392 μm处对应调谐电流35 mA，扫描锯齿波频率1 Hz。由HITRAN数据库可知H2O分子在1.392 μm处，峰宽为0.3 nm，激光器调谐波长扫描范围可覆盖该处气体吸收峰。波形发生、A/D采集、过流保护及温控难以使用主控制器同步完成，系统采用亚德诺公司的ADSP-403模拟控制器作为协处理器完成上述操作。锁相功能完全由软件完成，最终光谱图像在电脑终端显示。

图4 激光器发射波长曲线(t=29.47 ℃)

为了提高检测灵敏度，采用Herriott长程池的光学系统，光程池两端的镀金凹面镜可增加反光性能，经过多次反射后亦提高光程长度。本系统选择光学软件TRACEPRO来完成气室内部光路设计，综合考虑光电探测器的封装尺寸及光损耗，确定光学气室尺寸。气室长度为20 cm，吸收路径长度为1 m，激光器与光电探测器位于气室同侧，其内部光线追踪如图5所示。

图5 气室光路结构仿真图

2.3 检测系统溯源标定

应用TDLAS系统对微水含量进行标定实验时，由于湿度发生装置及测量系统本身存在误差，为了确保实验系统的准确性，需要在实验之前对湿度发生装置进行标定。如图3所示，设定一定露点值的湿度发生装置产生的微水气流分别经过便携式373系列镜面露点仪与TDLAS测量系统，以镜面露点仪作为测量的溯源校准设备。在测试之前，通入TDLAS测量系统气路串口关闭，对湿度发生装置分别从低到高设定-80～-10 ℃共11个不同露点值，观察显示器的示数变化，待其稳定后，拟合出露点值变化对应微水浓度变化的曲线，如图6所示，利用Matlab软件拟合出非线性表达式，如式(6)所示，该溯源结果与国标非常吻合[11]，可以作为实验校准溯源的依据。可利用该曲线对TDLAS检测系统的准确性进行溯源判定。

(6)

图6 露点与微水浓度的关系曲线

3 结果与讨论

3.1 TDLAS微水系统的可靠性验证

实验过程中湿度发生装置露点间隔为5℃，分别设定-50 ℃、-45 ℃、-40 ℃、-35 ℃、-30 ℃、-25 ℃、-20 ℃、-15 ℃和-10 ℃共9个露点值对TDLAS系统进行输出验证。测得的上述气源吸收谐波信号如图7(a)所示，激光器的波长调制范围覆盖水分子的特征吸收波段，谐波幅值随着露点增高、微水浓度增大而升高，将不同露点下对应示波器显示的微水浓度处的谐波最大吸收峰值提取出来，做线性拟合，如图7(b)所示，拟合线性系数R2=0.9996，说明二次谐波信号强度与测量微水浓度有非常好的线性关系。

每个露点下实验采集86组数据，实验结果均值如表1所示，湿度发生器产生的微水气源稳定可靠，与溯源标定拟合的指数函数表达式(6)一致。通过Matlab计算得到TDLAS测量的露点曲线如图8(a)所示，最小二乘线性拟合函数表达式为y=5.0685x-55.84，线性系数R2=0.9991，与湿度发生器设定及显示的露点线形有很好的一致性。从图中可以看出，该拟合直线在-35 ℃以上拟合较好，随着露点温度降低，和拟合函数存在一定残差，-35 ℃时存在最大残差为0.798 ℃，最大测量误差为1.98%，验证了检测系统的可靠性。

同时对TDLAS系统示波器检测到的露点所对应的浓度值进行指数拟合计算，如图8(b)所示，湿度发生装置与TDLAS检测浓度拟合曲线一致性良好。用一定的指数函数去对浓度数据进行拟合，线性系数R2=0.99904，得到的拟合函数就是系统的检测露点与微

湿度发生装置TDLAS系统设定露点值/℃显示示数/℃体积浓度/ppm输出露点/℃输出体积浓度/ppm-50-50.0838.80-50.8640.05-45-45.0571.13-45.8972.66-40-40.03127.00-40.66120.09-35-35.02222.50-34.77210.35-30-30.06376.00-30.54350.25-25-25.03630.00-25.71635.96-20-20.011021.00-20.091010.35-15-15.061639.00-15.81659.87-10-10.022572.00-10.092601.41

水浓度的指数函数表达式，如式(7)所示，亦与式(6)趋于一致，最大测量误差为2.25%，证明了检测系统的可靠性。

(7)

3.2 GIS气室SF6气体微水湿度模拟实验

为了进一步验证上述TDLAS系统的抗干扰性能以及一定湿度的SF6背景的气体的响应情况，搭建了高压开关SF6气体模拟气室，如图9所示，利用SF6分

图8 TDLAS系统露点及浓度可靠性实验

解产物多组分配气系统依次配制以SF6气体为背景的100ppm CO、CO2、HF、H2S、SO2和CF4等干扰气体，充入GIS模拟气室，高纯SF6气体已预先充入，湿度通过与气室接口连接的微水气源调节。经过模拟气室气体的测量出口采用锁母接口连接，转接至TDLAS微水卡套接口，经过SF6报警器测试气密性良好，TDLAS谐波信号如图10所示，与HITRAN光谱数据库及图7(a)中H2O分子波形一致，可见干扰及背景SF6等气体并未对微水吸收带来干扰。但值得注意的是谐波信号幅值明显过高，与气室微水湿度并不匹配，并不能很好地检测出气室微水实际体积浓度。

经过比对分析，发现TDLAS检测装置DFB激光器输出光纤与准直器连接部位有裸露存在，导致较低露点范围内，二次谐波幅值受到环境湿度的影响，即使稳定较长时间，也未能反演出气室理想的露点值与微水湿度。在使用不锈钢密封套对光程池完全封装之后，消除环境湿度的影响，达到理想的检测效果。如图11所示，分别进行5组100次实验数据采集，保持气室背景气不变，利用微水气源分阶段增加气室微水浓度，体积浓度有明显的相应增加，测试结果显示在低浓度30ppm时测量误差最大为1.89%，绝对误差小于5ppm。

图9 GIS气室SF6气体微水湿度模拟实验

图10 实验采集气室中SF6气体微水谐波吸收信号

4 结束语

基于TDLAS技术研制了一种便携式SF6微水在线实时监测系统，通过湿度发生器及镜面露点仪对该系统在-50～-10 ℃共9个不同的露点温度及微水含量进行了溯源标定，校准评价了该系统的准确性及可靠性。进一步搭建GIS模拟气室，利用SF6分解产物多组分配气系统配制气室气体模拟环境，优化光学气室结构，对SF6气体的微水湿度及检测系统抗干扰能力进行一系列实验，微水浓度测量误差小于2%，准确可靠，为GIS气室SF6气体现场实时在线监测提供实验依据。下一步将结合高压电器开关设备微水监测的现实需求，逐步拓展该系统的应用范围，不断优化升级，进一步提高监测精度，真正实现SF6气体微水监测智能化发展。

图11 TDLAS系统测得高压开关气室中SF6气体不同湿度条件下实验数据