面向SF6气体绝缘设备故障检测的光声CO气体传感器设计和优化*

尹旭坤 董磊 武红鹏 刘丽娴 邵晓鹏‡

1) (西安电子科技大学, 西安市计算成像重点实验室, 西安 710071)

2) (西安电子科技大学物理与光电工程学院, 西安 710071)

3) (山西大学, 激光光谱研究所, 量子光学与光量子器件国家重点实验室, 太原 030006)

针对电力系统对六氟化硫电气绝缘设备中气体衍生物的在线高精度探测需要, 提出了差分双通道结构的光声池作为光声探测模块, 并使用中心波长为2.3 µm的分布式反馈(distributed feedback laser, DFB)激光器作为激励光源, 搭建了一款工作在高浓度六氟化硫背景气体中的一氧化碳气体传感器.通过光声共振理论模拟和设计, 在纯六氟化硫气体中光声池的品质因子为84, 相对于在氮气载气中的品质因子提高了约4倍.经实验验证, 差分结构光声池的最大气体流速较单共振腔光声池提高了6倍, 且具有较强的噪声免疫能力.在对传感器系统的共振频率、气流速度和工作压强等参数优化后, 在1 s的积分时间下, 获得一氧化碳气体的探测灵敏度为体积分数1.18 × 10–6, 对应的归一化噪声等效浓度(1σ)为3.68 × 10–8 cm–1·W·Hz–1/2.该传感器的灵敏度高, 选择性好且噪声免疫能力强, 可以为电力系统中潜在性绝缘故障诊断提供一种在线探测技术,具有重要的应用前景.

1 引 言

随着特高压、新能源汽车充电桩、5G基站等“新基建”战略的提出和发展, 电能以核心能源形式将贯穿“新基建”始终, 助力高耗能基础设施的建设与运行, 因此高电压等级的变电站纷纷建立.因为六氟化硫(SF6)气体是一种具有强电负性的惰性气体, 在均匀电场中的绝缘强度是空气的2.5倍,灭弧能力达到空气100倍, 因此以SF6气体为绝缘介质材料的电气设备得到广泛应用.纯净的SF6气体是无色、无味、无毒的, 且化学性质十分稳定, 不易分解.但是在高电压电气设备的长时间运行过程中, 由于电机氧化、绝缘子击穿、触头接触不良等多种绝缘故障的出现, 会在设备中出现局部过热,并出现电晕、电火花和电弧等放电现象, 并将SF6气体分解为低硫氟化物SFx(x = 1—5)和F原子.在电气设备中会不可避免的存在水汽(H2O)、氧气(O2)和氮气(N2)等气体杂质, 并与低硫氟化物发生一系列复杂的化学反应生成一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、硫化氢(H2S)、四氟化碳(CF4)、二氧化硫(SO2)、二硫化碳(CS2)等有毒或有腐蚀性的气体[1−4].这些气体衍生物的积累和化学反应会降低电气设备中的SF6气体纯度, 并腐蚀电极绝缘材料, 使其沿面闪洛电压降低, 形成更严重的绝缘故障, 甚至可能会发生爆炸, 造成大面积停电, 对仪器设备和生产人员形成安全威胁.经研究发现, 不同SF6气体衍生物的组分、生成速率及浓度等信息与电气设备中绝缘故障的类型相关,因此可以通过检测这些气体衍生物的浓度信息来判断设备内部的运行状态.例如, 在气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear, GIS)中CO气体的体积分数一般小于 20 × 10–6, 其主要来源是绝缘纸、互感器和涂料等有机绝缘材料过热故障.因此可以通过检测CO气体的浓度和生成速率对电气设备的内部绝缘状态和运行时间进行判断.

目前, 在电力系统和国标GB/T 18667-2014中主要采用气相色谱仪来测定SF6载气中的痕量气体组分浓度.该方法检测灵敏度高, 可以对多种气体组分进行检测, 但是在检测过程中会混入水分造成部分气体组分水解, 且仪器造价高, 检测时间长, 无法提供在线测量数据, 比较适用于实验室环境的应用场景.随着光学技术的快速发展, 已有多种光学痕量气体传感器被设计和应用到SF6气体衍生物探测领域.例如: Zhang等[5]和Heise等[6]利用傅里叶红外光谱仪(Fourier transform infrared spectrometer, FTIR)测量了H2S和CS2等气体组分; Wang等[7]采用腔增强型拉曼光谱技术测量了CO2和CO等多种气体组分浓度; Cui等[8]使用14.3 m的多通池气体吸收光谱技术测量了CO气体.这些直接吸收光谱技术的探测灵敏度高,但传感系统体积大、成本高、容易受到探测器的功率极限和探测波长等性能的限制.而光声光谱技术[9−14]以无波长选择性、无背景信号、探测灵敏度与激励光功率成正比等优势, 已被应用大气污染物监测、无创医疗诊断、工业过程控制等多个领域.在电气设备气体分解物检测领域, Chen 等[15]利用近红外DFB光源结合光声光谱技术测量了H2S气体, 在100 s的积分时间下传感器灵敏度的体积分数为15 × 10–9; Zhang等[16]使用悬臂梁增强的光声光谱仪在SF6载气下测得H2S气体的探测灵敏度的体积分数为1.75 × 10–6; Luo等[17]使用中红外宽谱光源和非共振光声池测量了CO, SO2和CF4气体, 对应的探测灵敏度的体积分数为5.9 ×10–6, 8.3 × 10–6和5.5 × 10–6, 但不能满足电力行业对气体衍生物高探测灵敏度的需求; Sun等[18]基于大振臂的T型石英音叉在10 s的积分时间下获得了CO气体的灵敏度的体积分数为1 0 × 10–9,但是自制石英音叉的价格比较高, 在纯SF6载气中长期稳定性比较差, 不利于电力系统现场应用;Yin等[19]使用输出功率为10 W的光纤放大器结合光声池测得了CO气体的探测灵敏度的体积分数为110 × 10–9, 但是高功率的激励光源带来准直难度大、背景噪声强等问题, 且需要光垃圾池等配件, 系统比较复杂, 维修成本较高.其他已报道的CO光声气体传感器都是以N2或空气为载气[20,21],而电气设备中载气是纯SF6气体, 载气的变化会影响传感器的性能.例如石英增强光声光谱技术的信号幅值是与音叉式石英晶振的品质因数Q成正比的, 而在高浓度的SF6载气中, 由于受到较强的气体阻尼, 音叉式石英晶振的Q值下降为在空气中的1/5, 导致传感器的探测灵敏度下降, 因此这些CO气体传感器不能直接用于电气绝缘故障检测中[3,22,23].

光声光谱技术的一个特性是探测灵敏度与待测气体的吸收线强度成正比[24−26], 因此本项研究选择2.33 µm的DFB激光器作为激励光源来探测CO气体, 具有较强的吸收线强度且可以避开高浓度SF6气体在中红外波长区域的吸收干扰.此外, 相对于N2气体, SF6气体的相对分子质量和密度比较大, 容易引起气流噪声, 因此设计了双通道差分结构的光声池来减小SF6气体带来的气流噪声, 并减低传感器响应时间, 在对传感系统的压强、气流速度等工作条件优化后, 获得了体积分数为10–6量级的探测灵敏度, 可以满足电力系统中的应用需求, 为我国智能电网、特高压、新基建等领域的发展奠定技术基础.

2 传感系统设计

2.1 CO气体探测波长和激励光源的选择

根据HITRAN数据库, CO分子在红外波长区域有三个比较强的吸收带, 分别位于波长1.56,2.33和4.7 µm附近, 其中4.7 µm是CO分子的基频吸收带, 吸收线强度最高.此外, SF6分子仅在10—17.2 µm波长区域有强的υ3, υ4和υ4+ υ6– υ6吸收带, 在波长小于10 µm的区域没有吸收, 因此为获得最佳的CO气体探测灵敏度, 应选择基频吸收带作为探测波长.但是在电气设备中载气SF6的浓度高于99.8%, SF6分子在中红外区域原本较弱的吸收线会对其他气体衍生物的探测造成干扰.图1展示的是将纯SF6气体和浓度为0.1%的CO/N2标准气分别通入到吸收路径为9.5 m的多通池后, 并利用FTIR(Thermofisher Nicolet IS50)测量获得的红外吸收谱线图.从图1中看出在波长大于3.3 µm(尤其在5.5—10.0 µm)区域, SF6分子出现连续且较强的吸收谱线.尽管CO分子在4.7 µm附近有最强的基频吸收带, 但是在电气设备中SF6气体浓度的微弱变化都会对光声信号造成干扰, 影响传感器在实际应用中的测量精度.图1插图中展示了SF6分子在2.33 µm附近对CO的探测没有吸收干扰, 且CO分子吸收线强度在2.33 µm附近比在1.56 µm附近强两个数量级, 因此选择波长2.33 µm作为CO气体的目标吸收线.

图1 纯SF6气体和0.1% CO/N2气体混合物在1—10 µm波长区域的红外吸收谱线; 插图: 在2.28—2.42 µm波长区域放大的吸收谱线Fig.1.The infrared absorbance spectrum cures of pure SF6 and 0.1% CO/N2 gas mixture between 1–10 µm wavelength region; Insert: The enlarged view of absorbance spectrum between 2.28–2.42 µm region.

一个单模的DFB激光器(nanoplus nanosystems and technologies)被选择作为激励光源, 输出波数为4285 cm–1, 对应的吸收线强度为3.4 ×10–21cm/molecule.根据HITAN数据库, SO2, CO2,CF4和H2S等常见的SF6气体衍生物在波数为4260—4305 cm–1之间没有明显的吸收线, 而从图2中可以看出, H2O分子(4282.4 cm–1)的吸收线强度比CO分子在第一泛频吸收带附近的吸收线强度弱三个数量级, 因此CO分子的探测不受常见的SF6气体衍生物和水汽的影响.经实验测量, 激光器的电流和温度调制系数分别为–0.049 cm–1/mA和–0.403 cm–1/℃.当激光器的温度设定为29.8 ℃, 输入电流为90 mA时, 输出的激光功率为2.3 mW.

图2 CO和H2O气体在4260—4308 cm–1波数范围的吸收线位置和对应的吸收线强度Fig.2.The absorption line positions and line strengths of CO and H2O gas between 4260–4308 cm–1.

2.2 实验系统设计

基于光声光谱法的CO气体传感系统示意图如图3所示.一瓶纯SF6和一瓶体积分数为1000 ×10–6的CO/SF6标准气输入到配气系统后, 用于制作不同浓度的CO/SF6气体.在光声池的进气口和出气口通过压力控制器、隔膜气泵及针阀来控制和维持整个系统的压强和气体流速.光声池由两个尺寸完全一样的光学谐振腔(尺寸为φ90 mm ×8 mm)、两个气体缓冲室(φ20 mm × 10 mm)及两片光学窗口(φ25.4 mm × 5 mm)构成.在每一个谐振腔的中间部位开一个小孔, 并安装一个高灵敏的驻极体麦克风来探测在声学腔中积累的光声信号.两个麦克风的尺寸大小为6.0 mm × 2.7 mm,灵敏度为(–40 ± 2) dB, 且在频率1 kHz附近的响应几乎一样.从麦克风输出的电流信号输入到一个自制的差分放大电路后, 输送给锁相放大器(Stanford, SR830)进行解调.由于采用了结构完全对称的光声池, 在没有激励光通过光声池时, 麦克风探测到的气流噪声和环境噪声等技术噪声的幅值和相位相同, 因此可以通过差分电路降低系统的背景噪声.锁相放大器的积分时间设置为1 s, 滤波器斜率为12 dB/oct, 对应的探测带宽 ∆ f=0.25 Hz.

图3 在SF6载气下的CO气体传感器装置示意图Fig.3.Schematic of CO gas sensor system in SF6 buffer gas.

DFB激光器的温度由台式温度控制器(Thorlabs, TED200C)控制, 在实验中设置为29.8 ℃.为实施2f 波长调制技术来获得较高的探测灵敏度,激光器的电流由电流驱动器(Newport, ILX3220)控制.从信号发生器(Agilent, 33500B)输出一路锯齿波信号和一路正弦波信号, 并通过自制加法器输入到电流驱动器来扫描激光器的波长.锯齿波信号的周期为扫描一个完整二次谐波信号所需时间,正弦波信号的频率为光声池共振频率的一半, 峰峰值为激光器的调制深度.从DFB激光器输出的激光输入到一个光纤准直器(Thorlabs, F810APC),输出的束腰直径为7.3 mm, 光束发散全角是0.02°,因此激光可以在不碰到共振腔壁的情况下洁净地通过光声池.

3 传感系统优化

3.1 光声共振频率

光声池的共振频率 f 一般可以用f=ν/(2L)计算所得, 式中 ν 是声速, L 是共振腔长度.在标准大气压和20 ℃时, 在N2中的声速为340 m/s, 在SF6气体中的声速为133 m/s, 因此需要对光声池的频率进行测量标定.光声光谱技术的信号幅值S是与光声池常数C, 激励光功率P及目标气体分子的吸收系数α成正比的, 即S = CαP.在选定了激励光源和目标吸收线后, 可以通过提高光声池的品质因数Q来获得较高的光声池常数C.共振光声池的Q值可以用粘性边界层厚度 dv和热边界层厚度 dh来计算:

式中, R是光声共振腔的半径; γ是指在恒定压力和恒定体积中的气体比热容; dv=(µ/ρ0πf)1/2,dh=(κM/cpρ0πf)1/2, µ 是气体黏性, ρ0是气体密度, κ 是气体导热系数, M 是摩尔质量, cp是指在恒压下气体混合物的比热容.因此可以通过代入SF6气体的物理常数以及光声共振腔的尺寸, 计算得到在SF6载气中Q值为81.如图4所示, 将浓度为0.1%的CO/SF6和CO/N2气体分别通入到光声池中, DFB激光器的输出波长锁定在CO气体的吸收线(4285 cm–1)上, 并以0.1 Hz的步进扫描正弦波的频率即可获得光声池的共振频率响应曲线.根据实验结果和Q值计算公式Q=f/∆f得到, 在0.1% CO/N2气体中光声池的共振频率f2为1722.5 Hz, 线宽 ∆ f2为77.07 Hz, 计算得品质因数Q2为23, 在0.1% CO/SF6气体中, 光声池的共振频率 f1为683.7 Hz, 线宽 ∆ f1为8.04 Hz, 品质因数Q1为85, 与理论计算值基本一致.光声光谱技术的信号幅值是与品质因数成正比的, 因此在SF6载气中采用光声池可以获得较高的探测灵敏度.

图4 在0.1% CO/SF6和0.1% CO/N2载气下的光声池频率响应曲线Fig.4.Frequency response curves of photoacoustic cell in 0.1% CO/SF6 and 0.1% CO/N2.

3.2 气体流速

光声气体传感器的响应时间是指加入目标待测气体后, 达到信号稳定幅值的90%所需时间.响应时间主要是受目标气体与光声池壁的吸附退吸时间和气体在光声池里的交换时间影响, 可以通过对光声池加热、表面抛光、选不易吸附的材料及增加气体流速来降低传感器的响应时间.对于CO气体来说, 气体与池壁的吸附与退吸附过程快, 可以瞬间达到动态平衡, 吸附时间可以忽略不计.传感器系统的换气时间主要与气流速度和光声池体积有关, 因此在实验中可以通过增加气体流速来减低传感器的响应时间.但由于SF6气体的密度和相对分子质量分别是N2的5.6和5.2倍, 因此随着气体流速的增加, 光声池的气流噪声会急剧增加.如图5所示是在不同的SF6气体流速下单通道和双通道光声池的噪声和信号幅值变化曲线.单通道光声池的共振腔与双通道光声池共振腔的尺寸一样,内径为8 mm, 长度为90 mm.从图5中可以看出,在高浓度的SF6气体中, 当气流速度> 20 sccm时, 单通道光声池的背景噪声开始急剧增长, 而双通道光声池的噪声在流速> 120 sccm后开始增长.此外, 在体积分数为500 × 10–6的CO/SF6气体中, 双通道和单通道光声池的信号幅值几乎相等,且随着气体流速的增加基本保持不变.因此, 双通道差分结构的光声池对传感器系统流速噪声有很强的抑制作用.为获得较快的系统响应时间, 在后续的实验中传感器系统的气流速度都设置为100 sccm.

图5 单通道和双通道光声池在不同SF6气体流速下的信号和噪声响应Fig.5.Sensor system noise and signal amplitude of the single-resonator and the double-resonator photoacoustic cells in different SF6 gas flow rate.

3.3 气体压强

对于光声光谱技术, 光声池的Q值, 目标气体分子的吸收系数α, 最佳的激光调制深度等参数是与传感器的工作压强相关的, 因此需要在不同的压强下对光声传感器的性能进行优化.将体积分数为500 × 10–6的CO/SF6气体通入了光声池后,在200—760 Torr (1 Torr = 1.33 × 102Pa)的工作压强范围内, 对每个压强下激光器的调制深度进行了优化, 并记录传感器最高的光声信号幅值, 如图6所示.从图6可以看出, 随着压强的增加, 传感器的信号幅值呈正比例的增长, 因此为获得最佳的探测灵敏度, 后面的实验中, 传感器的工作压强都保持在760 Torr.

图6 在体积分数为500 × 10–6的CO/SF6气体中光声信号与气体压强的线性响应图Fig.6.Linear response of photoacoustic signal and gas pressure in the volume fraction of 500 × 10–6 CO/SF6 gas.

4 传感器性能评估

为评估传感系统的灵敏度, 体积分数为0—300 × 10–6的CO/SF6混合气体被依次通入到光声池中, 在光声信号稳定后(约2 min), 连续记录100 s光声信号幅值, 并展示在图7中.以体积分数为50 × 10–6的CO/SF6混合气体为例, 光声信号幅值为19.6 µV, 计算得到1σ探测信噪比为27.1,在1 s的积分时间下获得传感器的探测灵敏度的体积分数为1.85 × 10–6, 对应的归一化噪声等效浓度为3.68 × 10–8cm–1·W·Hz–1/2.

图7 不同CO/SF6气体浓度下的光声信号幅值响应Fig.7.Photoacoustic signal in different CO/SF6 gas concentrations.

为评估传感器的响应线性度, 不同浓度的CO/SF6混合气体(体积分数为0—1000 × 10–6)被依次通入到光声池中, 待信号稳定后记录每个浓度下的最高信号幅值.如图8所示, 通过线性拟合获得传感器的R2值为0.9997, 证明该传感器具有优异的线性响应性能.

图8 CO/SF6气体传感器的响应线性度Fig.8.Linearity of CO/SF6 gas sensor system.

5 结 论

在电力系统中可以通过检测SF6电气绝缘设备中CO气体的浓度和生成速率来对电气设备内部潜在性绝缘状态和设备运行时间进行判断, 本文中使用波数为4285 cm–1的DFB激光器作为激励光源, 避开了高浓度SF6在中外波长区域的吸收干扰, 且吸收线强度比在1.56 µm波长附近强两个数量级.利用SF6气体的物理特性设计了高Q值的光声池, 经过实验测量比在N2中Q值高了约4倍, 与理论结果一致.此外, 差分结构的双通道光声池可以将系统最大气流速度提高到120 sccm,降低了传感系统响应时间, 且具有较强的噪声免疫能力.在对传感器系统的共振频率和压强优化后,在SF6载气下获得了CO气体最佳探测灵敏度的体积分数为1.18 × 10–6, 归一化噪声等效浓度(1σ)为3.68 × 10–8cm–1·W·Hz–1/2.下一步工作可以通过使用更高功率的激励光源来进一步提高CO气体的探测灵敏度, 并设计长度较短的谐振腔来进一步提高Q值并缩短系统响应时间.