差分检测技术的 SF6光学传感器分析

2021-11-22 09:11:30 来源:写作指导

摘要:SF6气体具有良好的绝缘和灭弧性能,在电力系统中得到了广泛的应用,但在应用期间,会因种种因素的影响,导致气体出现泄漏现象。一旦发生气体泄漏问题,不但会降低设备的绝缘性能,还会对环境造成极大的污染,并且还会威胁工作人员的生命健康。因此,对于电力企业而言,加强对 SF6气体绝缘设备的监控十分必要。本文就分析了基于差分检测技术的 SF6光学传感器,仅供参考。

关键词:差分检测技术;SF6气体;光学传感器

SF6气体具有优异的绝缘和灭弧性能,在全球各国的电力系统中都得到了广泛的应用,成为中压、高压及超高压开关中所使用的唯一绝缘和灭弧介质。但在实际使用中,因为种种因素的影响,使用了 SF6气体作为绝缘和灭弧介质的室内开关,会出现气体泄漏问题。一旦 SF6气体发生泄漏,就会在高压电弧的影响下分解成具有腐蚀性的物质,如二氧化硫、氟化硫、硫化氢、四氟化硫以及其他含硫的有害氟化物。同时,泄漏的 SF6气体及分解的气体还会逐渐积聚在室内的底层空间,造成局部的缺氧和带毒。工作人员一旦进入这样的场所开展工作,就会对他们的生命造成严重的威胁。因此,加强对 SF6气体泄漏的监测,对于电力企业而言具有十分重要的现实意义。

1  差分检测技术概述

差分检测技术又被称为差分光学吸收光谱技术,是利用光线在大气传播过程中,受到空气中各种不同气体分子在不同的波段具有剧痛的差分吸收特性,来反演出这些微量气体在某一区域空气中浓度的检测技术。从 20 世纪 80 年代末开始,这一检测技术已经在欧美各国得到了广泛的认可。在实际运用中,工作人员借助差分检测技术可以针对气体的浓度进行检测,消除光源不稳、光束发散以及光路结构差异等因素对测量工作带来的误差,提高传感器测量的精度。在运用差分检测技术时,要用到朗伯比尔定理计算公式, 其 完 整 表 达 式 为:I(λ)=I0(λ)exp[-a(λ)Cl+β(λ)l+γl+δ]A(λ)。式中的 I(λ) 表示透射光的强度,I0(λ)为入射光的强度,a(λ) 是单一气体的吸收系数,C 是待检测气体的浓度,l 为光程,β(λ) 是 Rayleigh  scattering系数,γ 是 Mie  scattering 系数,δ 是气体密度波动吸收系数,A(λ) 是系统传输函数。但在实际测量工作中,会有很多因素影响待测气体的密度,例如,气体的成分、气体扰动以及气压变化等,因此,式中的“δ”是一个随机变量。为了提高计算的准确性,需要对干扰气体测量的各种因素进行偏差消除,这样,工作人员只需要测得测量光束的透射光强和对比参考光束的透射光强,并掌握待测气体的吸收系数,就可以借助相应的计算公式准确计算出待测气体的浓度。目前,将差分检测技术应用于气体浓度检测,测量模型一般分为两种:一种是单波长双光路,另一种是双波长单光路。其系统结构图分别见图 1 和图 2。根据图 1 和图 2 的对比,我们可以看出,单波长双光路系统的光学结构相对较为复杂,需要在检测的过程中运用分光镜以及反射镜来调整光路,一旦在检测过程中,系统存在着任何的偏差,特别是测试光束的角度出现偏差,都会导致测量的结果失真。此外,单波长双光路系统采用了双气室结构,也会因为这两个气室中各种差异的存在影响测量的结果。而双波长单光路采用了单气室,测试光束穿过含有待测气体的气室时被分为两束光,然后分别经过两个不同的窄带滤光片,分别作为测量光束与参考光束,然后分别射在双通道探测器的两个感光窗口上,这样就可以将光信号转化为电信号,及时输出到计算系统进行精准计算。

2  SF6气体对光谱的吸收分析

SF6气体的分子结构是一种正八面体的结构形态,其中,硫原子是气体分子的核心,位于结构的正中心位置,而六粒氟原子则均匀地分布在硫原子的四周。一般来说,光,特别是红外光在含有 SF6气体的空气中进行传播时,因受到 SF6分子的吸收,强度会逐渐衰减。这也是基于差分检测技术运用传感器分析电力企业断路器、GIS 开关、高压变压器、高压传输线、互感器和变电站等电气设备是否发生 SF6气体泄漏问题的主要依据。

3  基于差分检测技术的 SF6光学传感器分析

在实际运用中,传感器对于 SF6气体浓度测量的精度要求极高,设计人员在设计过程中,往往会采用基于差分检测技术的双波长单光路测量方式,其设计方案如图 3 所示。一般来说,光学传感器主要分为光学部分和电路部分,因此,其设计工业也分别针对这两个分类进行分别设计。其中,在进行光路部分的设计工作时,设计人员应该结合双波长单光路差分测量的方式,对这一部分进行科学、合理的设计。具体而言,设计工作者首先应考虑光源电压,选择能够进行 DC-DC 转换的光源外接电压,使其能够满足探测工作的需求。而且,因为光学系统中的探测器输出信号相对比较微弱,还需要进行铝箔和方法处理,这样测量信号才能被 MCU所采集并进行精准计算。因此,基于差分检测技术的 SF6光学传感器中光学系统的设计必须针对光源、光路调节器、测量气室、窄带滤光片和红外探测器等几个部分进行重点关注。其中,进行光源和探测器设计时,尤其是整个系统最关键的部位,设计工作者必须综合考虑其性能、成本以及相互匹配度等问题,合理选择合适的设备;而在进行分光器选择时,应采用两片窄带滤光片,这样可以将透过气室的光束分为波长不同的两束单色光,而且为了提升透射率,应设计光路准直机构,确保入射光的入射角保持 0°或者近似 0°辐射到滤光片上。此外,为了提升在线检测的精度,在设计气室结构时,设计工作者应尽量采用扩散式的结构形式,并且根据量程大小合理设计气室的长度。并且还要考虑被测量其体所含有的腐蚀特性,能够对光源、探测器以及电路具有较强的腐蚀性。为了提升检测的精度,应使用 PVC 材质制造检测器的外壳。因为这种材料着这些方面具有良好的抗性,且无毒无味,不会吸收六氟化硫气体以及红外光,而且,PVC材料相较金属外壳,还具有质量轻、成本低和绝缘的特殊优势,非常适合做传感器的外壳。此外,因为传感器是扩散式的,在气室的表面上形成网格状结构,以便于测量气室与工作环境的气体交换,但在实际运用中,为了避免粉尘等进入气室,影响光学传感器的测量精度,还应该在测量气室的表面设置一层防尘海绵网络装外壳里面。在光源选择方面,其体积应尽可量小型化。而且,选用的光源应具有良好的电调制特性,能够快速响应。同时,还必须确保光源输出的功率比较稳定,且具有良好的抗震性及较长的使用寿命。在探测器选择方面,设计人员还应该选用光电转换精度高、灵敏度高和频率响应特性强的探测器。这样才能检测出光信号的微弱变化,从而便于差分检测技术的实际运用。在软件方面,应尽量采用模块化设计,从而实现传感器对 SF6气体浓度的检测。

4  结语

综上,SF6气体是电力系统广泛使用的绝缘和灭弧介质,在实际运用中难免会出现泄漏的情况。本文就分析了基于差分检测技术的 SF6光学传感器结构和设计过程,希望能对相关电力企业的 SF6气体浓度检测提供参考,更安全地开展工作。

参考文献:

[1] 刘海波 , 杨玉新 , 张英等 . 紫外差分吸收光谱法定量分析 SF6分解物 SO2和 H2S 技术 [J]. 工业安全与环保 ,2019(3):21-27.

[2] 郭红 , 王新兵 , 左都罗等 . 基于可调谐 CO2激光器的 SF6 差分光声检测研究 [J]. 激光技术 ,2018, 42(05):15-20.

作者:侯瀚森 刘海川 刘展羽 单位:欧勒姆电气 ( 珠海 ) 有限公司