基于现有配网自动化建设体系的配电网站房六氟化硫气体在线监测的研究

黄亭玉

（国网浙江省电力有限公司平阳县供电公司）

0 引言

六氟化硫气体以其优异的绝缘性能， 已广泛应用于高压电力设备的绝缘材料领域， 如气体绝缘开关设备。然而， 六氟化硫气体可能因排放或过热而分解，并产生一系列气体， 例如 SO2、 SF4、 HF 和CF4等。这些分解气体对电气设备乃至操作人员的安全构成严重威胁。因此， 对六氟化硫分解气体的监测已经成为关键问题之一。

在SF6分解气体的监测方面已经做了大量的工作。然而， 由于这些分解气体的不稳定性和气体采样的困难， 现有的监测方法仍然不能达到理想的效果，更不用说在线监测了。在这种情况下， SF6分解气体在线监测技术对于高压设备甚至电网系统的状态评估和故障诊断水平具有重要意义。

针对上述问题， 本文在现有配网自动化建设体系下， 在配电网站房条件下， 提出了一种基于量子级联激光吸收光谱的SF6分解气体在线监测系统。在该系统中， 标准激光器产生的宽光谱光转换成均匀光， 经过气体进行测试。通过测量波长的吸收峰值和吸收强度， 可以得到各种气体的组成和浓度。该系统结构简单， 能够对SF6分解气体进行在线监测， 具有较高的稳定性和准确性。

1 监测技术分析

由于六氟化硫分解气体具有复杂的物理、 化学因素特性， 对这些气体进行在线监测是一个很大的问题。

传统检测方法是利用气压计测量SF6气体， 与密度继电器测量法一起完成监测工作。该方法的工作原理是通过气压计测量气体产生的压力， 然后得到空气中 SF6气体的含量。然而， 这种方法有很多局限性，只能在温度变化不大， 泄漏现象非常明显的环境中使用。此外， 如果变电站使用这种方法， 应配备操作和维护人员观察气压计， 不能应用于无人值守的变电站。此外， 这种方法也有很大的缺点。密度继电器属于机械设备， 精度不高， 抗震能力不强。除非气体泄漏已不足以到达安全线， 否则气压计的变化不明显，操作维护人员难以及时监测气体泄漏。

超声波检测是另一种常用方法。操作和维护人员可以采用超声波测速法测量SF6气体的泄漏量。该方法的原理是： 气体的摩尔质量存在差异， 超声波在其中的传播速度也会受到一定程度的影响[1-3］。声波是一种纵波， 在弹性介质中传播。超声波测速方法具有操作维护人员可以控制超声波长度、 定向发射超声波等优点， 而且介质的特性和状态与超声波的传播速度有关。

到目前为止， 已经报道了几种气体检测技术， 包括气体检测管 （gdT） 、 气相色谱法 （GC） 、 红外光谱学 （ⅠR） 、 傅里叶变换红外光谱仪 （FTⅠR） 、 气体传感器 （GS） 和气相色谱法质谱仪 （gcMS） 等。此外， 现有的大多数气体检测方法不能实现SF6分解气体的在线监测， 其原因是多方面的[4-5］。其中一些工作的准确性很差， 或者使用条件很苛刻。另一个重要原因是高成本或复杂性。此外， 这些气体监测技术使用上述方法不能检测分解气体的成分和分解过程， 不能及时进行在线操作。因此， 对高压电力设备中的SF6分解气体进行在线监测是重要的。随着激光光谱技术的迅速发展， 在气体检测和分析领域显示出巨大的可能性和潜力。

量子级联激光器作为一种新兴的激光技术， 其工作波长范围从3m 到100m 不等。其输出功率可达1瓦， 在连续工作模式下， 电光转换效率可达50%以上。

实际上， 这种量子级联激光器是一种单极光学器件， 它基于量子及中子带间的电子跃迁来发光。它的波长不再受半导体带隙宽度的限制， 能带工程切割量子阱， 极大地扩展了光波的范围。这使得量子级联激光器成为远红外气体探测领域的主要光源之一。量子级联激光器的多级级联结构使其激光效率大大提高。与传统的子带化合物半导体激光器相比， 量子级联激光器具有无可比拟的优越性。远红外光谱特性可用于有毒气体和化学品的检测， 窄的线宽使它们在气体检测领域非常有吸引力， 直接强度调制带宽使它们在强度调制光通信系统中十分有效。许多应用显示了对研究和设计量子级联激光器极其重要的科学价值和商业价值。基于量子级联激光的光谱检测技术一般可分为直接光谱检测和间接光谱检测两大类。间接光谱检测包括相位调制光谱检测、 光声调制光谱检测和法拉第旋光检测。此外， 波长扫描可以通过三种方法实现：工作温度调谐、 电流加热和外部谐振腔调谐。

2 SF6在线监测系统

2.1 计算分析

事实上， 根据公式 （1） 中给出的理论， 存在一个几乎覆盖所有气体的吸收光谱的中红外光谱区 （3~14um） 。

式中，Iout为输出光强，a为每摩尔气体的吸收系数。C为气体浓度，L为从激光源到光子探测器的距离。因此， 以上这些特点和优点使其非常适合于SF6分解气体的在线监测。

2.2 结构分析

在此基础上， 提出并设计了一种基于量子级联激光吸收光谱技术的SF6分解气体在线监测系统， 该系统分为两个部分： 控制装置和气体检测组件集（GⅠCS） 。前者对GⅠCS 进行控制， 并对来自GⅠCS 的激光吸收光谱数据进行处理。在GⅠCS 部分， 量子级联激光器在控制装置的控制下工作。然后， 从量子级联激光器触发的光波通过GⅠS 装置中的一对光学透镜， 被电光子探测器接收， 以便进一步发展。

通过这种新的方法， 可以直接对六氟化硫分解气体进行在线监测， 实时采集气体参数， 特别是当GⅠS设备中的高压电气设备进行任何操作时。这意味着GⅠS 设备中的任何气体变化都将一直处于监控之下。该方法保证了监测的高精度， 大大提高了设备和操作人员的安全水平。

2.3 理论分析

气体检测信号水平传播的建模如图1 所示， 其中GⅠS 设备的输入表示为S(λ，T)， 输出O(λ) 可以通过检 测 直 接 获 取，O(λ) =S(λ，T)⋅P(λ，T′) 。由 于S(λ) 和O(λ) 很容易被检测到， 因此可以通过计算得到光谱响应曲线P(λ) 。

图1 气体探测信号

根据这种气体检测信号水平传播， 设计了相应的控制软件， 对于实现高速实时数据采集和高精度计算具有重要意义。因此， 软件设计采用三个独立的线程， 利用内部接口实现线程之间的同步和交互。这三个线程是： 主线程、 数据收集线程和数据处理线程。其主要职能如下： 1） 主线程， 打开或关闭软件， 生成线程中断事件， 控制数据采集线程， 控制数据处理线程， 记录历史数据等。2） 数据采集线程： 触发激光源产生光波， 驱动电光探测器进行光信号采集， 启动或关闭光波采集事件等。3） 数据处理线程： 读取原始数据， 从原始数据中提取特征数据， 记录特征数据等。通过标定计算。

本文提出的SF6分解气体在线监测方法能够得到多种SF6分解气体的含量。

该SF6分解气体在线监测系统在读取吸光度数据后， 处理软件将启动处理程序。包括相关SF6分解气体吸光度数据的预处理、 适配区域内的数据吸收、 SF6电气设备的数据分析和状态判断。

实际上， 数据分析和状态判断的模型可以用公式（2） 来表示：

式中，A(λ) 是适当匹配区域的总吸收率， 而ASF6(λ) 、ASO2(λ) 和Aothers(λ) 为SF6气体、 SO2气体和其他气体的吸收率。

3 实验结果及分析

为了评价所提出的SF6分解气体在线监测系统的有效性和可行性， 建立了如图2 所示的试验台。该实验台包括控制装置、 激光源、 电光探测器和GⅠS 装置， 其中具有高压开关的GⅠS 装置可根据实验需要调节温度和气体压力。试验是在触发GⅠS装置中的高压开关并立即发生电弧放电时进行的。

图2 试验台架构

同时， SF6分解气体在线监测系统对采集器数据进行在线监测。从而验证了SF6分解气体在线监测的有效性。这个测试重复7次。

为了方便起见， 本文采用所谓的吸收系数来表示位置和吸收强度。式 （2） 根据文献给出了单一吸收谱线的吸收系数。

式中，i表示波数，i0表示中心波数，Pa表示气体压力，N表示摩尔数，S表示吸收谱线的气体强度。T是温度值， 296 是参考温度。进一步， 在式 （3） 中可以得到所有光谱线的吸收系数

本文选择了四种气体进行研究， 包括SO2气体、H2S气体、 HF气体和CO气体等。

为了进一步评价， 本文对SF6综合测试仪（STP1000A 装置） 和本文提出的系统进行了比较。测试对象为电流互感器装置， 工作时存在异常噪声。该电流互感器装置在投入使用前， 经过耐压试验， 工作正常， 没有出现其它异常情况。因此， 在这个比较中使用了组合气体的体积分数， 比较结果如表1所示。

表1 组合气体体积分数的比较

根据数据作出判断， 各种气体已超过阈值， 该电流互感器装置存在严重的放电现象。

比较结果表明， SO2、 CO、 H2S 气体可以看作SF6的稳定组合气体， 判断SF6 电气设备是否存在故障。此外， 所提出的SF6 分解气体在线监测系统与STP1000ASF6 综合测试仪表具有相似的性能。此外，本文提出的SF6分解气体在线监测系统能够进行实时在线监测， 而STP1000A 装置无法做到这一点。因此， 该系统能够对SF6分解气体进行高精度的在线监测， 保证了较高的安全性。

4 结束语

高压电力设备放电时SF6气体的分解会产生各种气体， 严重影响GⅠS 等高压电力设备的绝缘性能。现有的大多数检测方法仍不能对SF6分解气体进行在线监测。针对这一问题， 本文基于现有配电网自动化建设体系下的配电网站房， 提出了一种基于量子级联激光吸收光谱技术的六氟化硫分解气体在线监测系统。在该系统中， 通过测量波长的吸收峰值和吸收强度，可以得到各种气体的组成和浓度。实验结果表明， 该方法能够对SF6分解气体进行高精度的在线监测， 具有较好的安全性。