張曉星 任江波 胡耀垓,2 唐 炬 孟凡生

（1.重慶大學(xué)輸變電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室 重慶 400044 2. 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 武漢 430079）

1 引言

氣體絕緣組合電器（Gas Insulated Switchgear，GIS）內(nèi)可能因生產(chǎn)或長期運(yùn)行中出現(xiàn)的絕緣缺陷而導(dǎo)致不同程度的局部放電（PD）。在放電的作用下，SF6氣體發(fā)生分解，主要分解產(chǎn)物有 SOF2、SO2F2、CF4、SO2、SOF4、S2F10等[1-5]，可用通過對SF6氣體組分分析，判斷設(shè)備內(nèi)部絕緣情況。目前的分析方法主要是氣相色譜法和紅外吸收光譜法，其中紅外吸收光譜法采用傅里葉變換紅外光譜儀，具有檢測時間短、無需前處理、可同時完成多個組分檢測的優(yōu)點(diǎn)，在各電力試驗研究單位得到廣泛應(yīng)用。

由于SF6分解產(chǎn)物濃度很低，為μL/L量級，而紅外光源一般較弱、紅外檢測器靈敏度較低，造成微量氣體組分的檢測非常困難。為了提高檢測限，有效的途徑就是提高光程長。

自1942年John U. White提出懷特池原理以來[6]，國內(nèi)外專家針對如何提高光程長，減少紅外光的損耗進(jìn)行了大量的研究[7-12]。R. Kurte先后用0.1m、0.22m光程氣體池對SF6分解組分進(jìn)行分析[13]，M.Piemontesi也曾經(jīng)用0.175m、11.25m光程長兩種氣體池對其進(jìn)行分析[14,15]。研制能量衰減小、體積小的長光程氣體池，成為整個紅外檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵及難點(diǎn)所在。

本文從增加紅外吸收光譜法的光程長入手，依據(jù)朗伯-比爾定律和懷特池原理，研制了一種用于分析 SF6局部放電分解組分的長光程氣體池，并對長短光程氣體池下 SF6局部放電分解組分紅外吸收光譜信息進(jìn)行了對比分析。

2 長短光程氣體池的設(shè)計

2.1 光程長的選擇

紅外吸收光譜法定量分析理論基礎(chǔ)是朗伯-比爾定律（Lambert-Beer’s Law）。其表述為：當(dāng)一束紅外光通過樣品時，任意波長光的吸收強(qiáng)度與樣品中各組分的濃度成正比，與光程長成反比。即

式中，A為吸光度；I0為背景光強(qiáng)；It為采樣光強(qiáng)；T為透射率；a為吸光系數(shù)；b為光程長；c為組分濃度。在溫度和氣體壓強(qiáng)一定的情況下吸光系數(shù)是一個常數(shù)，因此，用同一臺儀器測某種物質(zhì)的檢測限時，物質(zhì)濃度和光程長呈反比，這也是氣體池設(shè)計時進(jìn)行所需光程長計算的理論依據(jù)。

圖1為利用0.1m光程氣體池（天津天光光學(xué)儀器有限公司，型號 HF—11）檢測 100μL/L的 SO2標(biāo)氣、22μL/L的SO2F2標(biāo)氣得到的紅外標(biāo)準(zhǔn)譜圖。從圖中可見，兩種標(biāo)氣的吸收峰并不是十分明顯，檢測效果不佳，為了提高檢測限必須增加光程長。

圖1 0.1m光程氣體池測得標(biāo)準(zhǔn)圖Fig.1 Standard spectrum for 0.1 meter gas cell

SF6局部放電分解特征組分含量較低，檢測限必須達(dá)到 0.5μL/L量級。按濃度光程積不變，換算到檢測限為0.5μL/L時，氣體池所需光程長見表1，SO2相對 SO2F2需更長的光程，因此氣體池光程長確定為20m。

表1 檢測限為0.5μL/L所需光程長Tab.1 Detection limit of 0.5μL/L required for the optical path length

2.2 長光程氣體池原理

在提高氣體池光程長度時，應(yīng)最大限度地降低紅外光能損耗，同時也要最大量地縮小氣體池本體體積，以減少采氣量。要在有限體積的氣體池內(nèi)實現(xiàn)光程加長，可以利用光的反射技術(shù)使光在池內(nèi)多次折返，為保證能量盡可能少的損失，應(yīng)利用具有匯聚作用的球面鏡作為反射元件。

本文采用懷特池[9-12]原理來實現(xiàn)長光程氣體池的設(shè)計，如圖2所示，M1、M2、M3三鏡系統(tǒng)中，M1、M2為物鏡，M3為場鏡，三球面反射鏡的曲率半徑相同，兩物鏡的曲率中心在場鏡的前反射表面上（CA,CA′），場鏡的曲率中心位于兩物鏡正中（O），該系統(tǒng)在反射面之間構(gòu)成了一個共軛系統(tǒng)：M1上任意一點(diǎn)發(fā)射的光經(jīng)M3聚焦到M2上，M2上相應(yīng)的點(diǎn)又經(jīng)M3聚焦到M1上的起始點(diǎn)，同樣M3上出射到M1或M2上的光會被聚焦到M3上，像點(diǎn)有一定的偏移，偏移的大小由兩物鏡曲率中心間的距離來確定。由反射球面鏡的特殊光線可知入射光線和反射光線關(guān)于主光軸對稱，而球面鏡上任意點(diǎn)到曲率中心的連線都為主光軸，入射光點(diǎn)與像點(diǎn)關(guān)于相應(yīng)球面鏡的曲率中心對稱分布。

圖2 懷特池光路圖Fig.2 Optical path graph of White cell

三鏡系統(tǒng)中入射光線首先被M1反射到M3上再被反射到M2上，M2上的反射光再次入射到M3上，再到M1上，如此反復(fù)的反射便可提高光程長。調(diào)節(jié)光程長主要是通過改變物鏡曲率中心間的距離和場鏡M3的幾何尺寸。氣體池的內(nèi)體積與反射次數(shù)相互限制，所以必須綜合取值。

式中，x為場鏡 M3的半長；n為反射次數(shù)；a為兩物鏡曲率中心間的距離。隨著反射次數(shù)的增加，場鏡M3的尺寸增大，氣體池體積增大，紅外光在反射時的能量衰減也增大，為此，要選擇最佳的反射次數(shù)和氣體池內(nèi)體積。

2.3 入射方式的選擇

氣體池的入射光有兩種入射方式：①如圖 3a所示，入射光與兩物鏡的曲率中心不在一條直線上，此入射方式下場鏡上會出現(xiàn)兩行平行的像點(diǎn)；②如圖3b所示，入射光與兩物鏡的曲率中心在一條直線上，此入射方式下場鏡上只有一行像點(diǎn)。圖中的數(shù)字表示第幾個像點(diǎn)，由圖可見以第一種方式入射時更能夠充分地利用好場鏡M3的空間，為了在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)最多次的反射次數(shù)，最終選擇第一種入射方式。

圖3 入射光的兩種入射方式Fig.3 Two methods of incident light

圖4為設(shè)計的氣體池場鏡M3表面的像點(diǎn)分布圖，圖中數(shù)字同樣表示第幾個像點(diǎn)，同排兩相鄰像點(diǎn)之間的間距為物鏡曲率中心間距的2倍，因此調(diào)節(jié)物鏡曲率中心距離a的大小可以改變像點(diǎn)之間的距離，在像點(diǎn)不重合的情況下，最大反射次數(shù)是唯一的。在選擇反射次數(shù)時要綜合考慮物鏡曲率中心距離和場鏡尺寸大小。

圖4 場鏡像點(diǎn)圖Fig.4 Imaging point of field mirror

2.4 氣體池結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)

氣體池的設(shè)計需遵循以下原則：①選用材料應(yīng)對中紅外波段有良好的透過性能及高反射率，實現(xiàn)光的高透過率；②在尺寸、像質(zhì)和加工工藝許可的范圍內(nèi)，應(yīng)使接受口徑盡可能大，保證足夠大的光通過率以使檢測器接收到足夠的能量。

圖5為氣體池的結(jié)構(gòu)示意圖。SF6分解組分由進(jìn)樣閥門進(jìn)入氣體池，可以通過內(nèi)襯特氟隆的軟管連接分解裝置采氣閥和氣體池進(jìn)樣閥門，也可采用內(nèi)襯特氟隆的采氣袋進(jìn)樣。

由于鍍鋁膜和銀膜的反射鏡對紅外波段的反射率小于95%，又因SF6的部分分解組分有腐蝕性，所以本文采用在紅外波段反射率高達(dá)98%的鍍金反射鏡，其最佳反射次數(shù)由公式（3）決定。

式中，T為窗片材料的透過率；R為反射材料的反射率；n為反射次數(shù)；e為自然常數(shù)。氣體池窗片采用 KBr材料，其透過率大于 92%。由式（3）計算得反射40次達(dá)到最佳效率，為此取三鏡的曲率半徑為500mm，反射次數(shù)為40次，便可實現(xiàn)光程長20m。為了實時觀察氣體池內(nèi)的透射情況，氣體池的主體部分采用高硼硅玻璃材料密封，實驗中先抽真空，再注入不超過一個大氣壓的被測氣體進(jìn)行分析，因此只需承受負(fù)壓，承受外壓氣體池壁厚的計算公式為

圖5 氣體池設(shè)計結(jié)構(gòu)圖1—M1鏡 2—M2鏡 3—M3鏡 4,5—KBr窗片6—螺釘和螺母 7—密封圈 8—入射、出射鏡 9—調(diào)節(jié)螺母10—真空表 11—出氣閥門 12—進(jìn)樣閥門Fig.5 Structural pattern of gas-cell

式中，S0為容器的壁厚，mm；D為容器的中間面直徑，mm；Pcr為臨界壓力，N/m2；E為使用材料的彈性模量，N/m2，硼硅玻璃 E為 67kN/mm2，在承受一個大氣壓時壁厚 S0=4mm。實際中，絕對的真空是無法達(dá)到的，臨界壓力小于一個大氣壓，所以要求的壁厚應(yīng)該小于4mm，但是SF6氣體分解物具有一定的腐蝕性，所以在此基礎(chǔ)上要加一定的強(qiáng)度裕度，壁厚取4mm合適。

3 長短光程氣體池實測數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗裝置及檢測條件

作者采用 SF6氣體分解試驗裝置進(jìn)行 SF6局部放電分解試驗[16]，試驗接線如圖6所示。試驗采用針–板電極缺陷模型，針電極半徑為 0.3mm，其尖端部分的錐形尖角為 30o，接地的平板電極為一個直徑60mm的羅科夫斯基電極，針板材料為黃銅，電極間距為 10 mm。將試驗裝置抽真空后充0.25MPa的SF6氣體，施加電壓22kV，放電時間為96h，采氣間隔為12h。

圖6 SF6局部放電分解實驗裝置Fig.6 Test device of SF6 discharge decomposition

紅外檢測時先將氣體池抽至真空，檢測無殘余組分時，通入高純 SF6，采集背景光譜，再抽至真空，之后通入放電分解后的SF6氣體。

傅里葉變換紅外光譜儀采用尼高力6 700，分辨率為0.5cm-1，掃描次數(shù)32，環(huán)境溫度25℃，利用系統(tǒng)自帶軟件扣除了環(huán)境影響。

3.2 兩種氣體池檢測光譜圖的對比分析

為測試研制的長光程氣體池特性，采用了長短光程兩種氣體池對相同分解組分進(jìn)行檢測。短光程氣體池采用上述0.1m光程氣體池。

圖7為SF6局部放電96h后分別用兩種光程長氣體池進(jìn)行檢測得到的紅外吸收光譜圖。由圖7a所示，0.1m的短光程氣體池能夠檢測到SF6，其中出現(xiàn)的峰均為SF6的吸收峰，但對微量的分解組分檢測效果不明顯；由圖7b所示，20m長光程氣體池檢測到了分解組分的吸收峰，SF6的吸收峰也比0.1m光程長檢測得到的要密集，這是紅外線充分吸收的表征。由于分解組分含量非常小，SF6的含量遠(yuǎn)大于其他組分，所以SF6特征峰均飽和，分解組分的峰值小，不便于觀察，為此本文采用區(qū)段圖的方法來分析檢測結(jié)果。

圖7 SF6放電分解96h長短光程檢測的光譜圖Fig.7 Spectrum of discharge 96 hours’ SF6 decomposition products detected by two gas cell

SF6局部放電分解組分分布在中紅外的各個區(qū)段，例如 520cm-1～570cm-1、720cm-1～760cm-1、1 096cm-1～1 104cm-1、1 156cm-1～1 186cm-1、1 320cm-1～1 360cm-1等，每個區(qū)段有不同分解物。SOF2、SO2F2為 SF6局部放電的特征氣體，其分布區(qū)段為520cm-1～570cm-1，為此，選用該光譜段為例來進(jìn)行長短光程的對比分析。圖 8a該譜段 0.1m光程長光譜圖，由圖可見，SOF2、SO2F2的吸收峰勉強(qiáng)可辨，信噪比較低；圖8b為該譜段20m光程長光譜圖，不難發(fā)現(xiàn)，SOF2、SO2F2的吸收峰信噪比高，對稱性強(qiáng)，分辨率好，大大提高了檢測限，可以利用其實現(xiàn)SF6局部放電分解組分的定量。

圖8 SF6放電分解96h長短光程檢測的區(qū)段圖Fig.8 Section spectrum of discharge 96 hours’ SF6 decomposition products detected by two gas cell

3.3 兩種光程檢測數(shù)據(jù)的分析

SF6局部放電最穩(wěn)定的特征氣體為 SOF2、SO2F2、SO2，能檢測到的中間衍生氣體為 SOF4、SF4[13-15,17-20]。由紅外吸收原理可知每種物質(zhì)的都有多個紅外吸收峰，為此，用于定量分析的吸收峰都選擇對濃度變化靈敏的吸收峰。

利用傅里葉變換紅外吸收光譜儀配套的檢測軟件 OMNIC讀取各吸收峰的峰值并加以校正，得到能表征各組分濃度變化的數(shù)據(jù)。表2為0.1m短光程長氣體池檢測結(jié)果，表3為20m長光程氣體池檢測結(jié)果。

表2 0.1m光程長氣體池的檢測數(shù)據(jù)Tab.2 Detected data of 0.1m gas cell

表3 20m光程長氣體池檢測數(shù)據(jù)Tab.3 Detected data of 20m gas cell

對比兩表可以發(fā)現(xiàn)，短光程氣體池的檢測穩(wěn)定度不夠，時而有時而無，準(zhǔn)確度差。SO2為最終生成物，化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，其濃度應(yīng)為增長趨勢，但是在實驗時卻有兩次數(shù)據(jù)相對前一次減?。粚χ虚g衍生物不能檢測，SF4為中間生成物，化學(xué)性質(zhì)極不穩(wěn)定，其濃度隨放電時間有所變化，但短光程的檢測結(jié)果不能體現(xiàn)。20m長光程氣體池的檢測結(jié)果表明：中間衍生物SF4、SOF4不穩(wěn)定、濃度小、與放電時間沒有固定的關(guān)聯(lián)比對；而SOF2、SO2F2、SO2的變化趨勢明顯，均為隨著放電時間的增加而增多，可利用其濃度變化規(guī)律來表征其放電特征。

4 結(jié)論

本文依據(jù)朗伯-比爾定律，分析氣體池原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種長光程氣體池，用于 SF6放電分解氣體的紅外檢測，取得了以下研究成果：

（1）氣體池采用懷特池結(jié)構(gòu)原理，入射光選取與兩物鏡曲率中心不在一條直線上的入射方式，反射鏡用高反射率的黃金鍍膜，反射次數(shù)提高到 40次，有效地增加光程長至20m。

（2）通過長短光程氣體池對 SF6局部放電分解組分檢測結(jié)果的分析表明，短光程氣體池檢測的精度、穩(wěn)定性、信噪比均不夠，不能達(dá)到檢測的目的；20m長光程氣體池檢測的光譜圖分辨率高、信噪比高、穩(wěn)定性好、線性性好、能夠?qū)崿F(xiàn) SF6局放微量組分的在線監(jiān)測。

（3）20m長光程氣體池的檢測結(jié)果表明：各組分濃度隨著放電時間的增加而增大，中間衍生物SF4、SOF4不穩(wěn)定、濃度小、與放電時間沒有固定的關(guān)聯(lián)比對；而 SOF2、SO2F2、SO2的變化趨勢明顯，均為隨著放電時間的增加而增多，可利用其濃度變化規(guī)律來表征其放電特征。

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