一种基于红外光谱法的SF6分解产物监测系统及使用方法 专利技术说明

测量装置的制造及其应用技术一种基于红外光谱法的sf6分解产物监测系统及使用方法技术领域1.本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种基于红外光谱法的sf6分解产物监测系统及使用方法。背景技术：2.六氟化硫气体因其优异的绝缘性能及灭弧性能，被广泛用于各种气体绝缘电气设备中。然而在制造和安装过程中遗留的绝缘缺陷如安装划痕、固定突起、金属粉末残留物等会引起设备内部的局部放电（pd）现象的发生，加速绝缘劣化进而引起设备故障。sf6气体在不同的放电条件及温度条件下会产生得到如sf2，sf3，sf4等低氟硫化物。但由于实际工业设备中不可避免的会存在微量的水，氧气以及其他杂质，微量水和氧产生的自由基可以与低氟硫化物反应，进而产生酸性物质如so2、h2s、hf，以及有毒物质如sf4、sof2、sf2和so2f2。由于常见的绝缘设备往往内部结构比较复杂，发生故障后的检修十分困难，因此通过对绝缘气体sf6分解产物进行持续性检测从而识别早期潜伏性故障具有十分重要的意义。3.实验证明，在电晕放电的情况下，混合气体中的so2f2浓度会大大提高。且放电时间与混合气体中so2f2浓度呈现线性关系，放电时间越长so2f2浓度的浓度会逐步提高。硫酰氟so2f2作为sf6在局部放电情况下分解产生的重要特征组分，通过红外光谱技术对其浓度进行检测分析可为设备的绝缘状态的评估提供依据，从而避免长期局部放电造成严重绝缘损害带来的巨大经济损失。4.大量的实验研究证明，六氟化硫分解产生的so2、sof2和so2f2的比例与电气设备的放电程度极为相关，放电强度越大，所产生的so2f2的体积分数越多。5.目前国内外对于六氟化硫分解产物so2f2的分析方法报道较少，常用的有气相色谱法和质谱法。气相色谱法具有多成分检测、检测灵敏度高、定量准确的优点，是目前在六氟化硫分解成分检测领域中应用最广泛的方法，该方法可同时检测cf4、so2f2、sof2、so2等气体组分，但目前气相色谱检测技术需要将气体采集后送往实验室检测，目前还没有现场和在线检测应用，因此检测效率较低，且成本昂贵；而质谱法价格昂贵且操作复杂，难以实现现场在线监测。技术实现要素：6.本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种基于红外光谱技术实现对绝缘气体sf6分解产物硫酰氟so2f2的在线监测，造价低，检测效率高，检测精度优良，可实现现场连续监测的基于红外光谱法的sf6分解产物监测系统及使用方法。7.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于红外光谱法的sf6分解产物监测系统，包括待测装置、气体采集模块、气体检测模块和气体回充模块，所述待测装置中填充有绝缘气体sf6，所述气体采集模块包括气体采集室、气体采集管路、气体采集端口和气体控制组件，所述气体采集端口设置于待测装置的气体出口端，所述气体采集管路一端连通气体出口端，另一端连通至气体采集室，所述气体控制组件设置于气体采集管路上，所述气体检测模块包括检测器组件、红外光谱检测组件和信息处理器，所述检测器组件设置于气体采集室，所述红外光谱检测组件设置于气体采集室的出口端并将采集数据输入至信息处理器，所述气体回充模块连接气体采集室和待测装置的气体回充端口。8.进一步地，所述红外光谱检测组件包括辐射源、气体试管、过滤轮和红外光谱检测装置，所述气体试管将气体采集室内采集到的待检测气体通入红外光谱检测装置，所述气体试管设置有连通其内的加压装置，所述过滤轮设置于红外光谱检测装置的气体通入口处，所述辐射源发出的红外光经气体试管和过滤轮进入红外光谱检测装置，所述红外光谱检测装置包括壳体、入射狭缝、准直镜、微镜元件、衍射光栅、球面镜和出射狭缝，所述辐射源设置于入射狭缝前侧，所述准直镜与出射狭缝同侧设置，所述微镜元件和球面镜与入射狭缝同侧设置，所述出射狭缝的后侧设置有探测器元件，所述微镜元件可旋转地设置，所述红外光谱检测组件和信息处理器之间通过光纤连接，所述准直镜为球面准直镜，所述气体试管由耐高压玻璃制成。设置加压装置可增加压强，从而提高气体检测灵敏度。利用红外光谱技术对绝缘气体sf6分解产物中的硫酰氟so2f2进行检测分析，可实时准确的对分解产物中硫酰氟so2f2的浓度进行测定，方便及时识别气体绝缘电气设备早期潜伏性故障，避免造成严重故障带来经济损失，相比于目前的气相色谱法以及质谱法而言，本套系统所用设备较少，便于移动携带，且设备易于获得，降低了监测成本，可实现同步在线监测，实时上传浓度含量。9.进一步地，所述微镜元件为mems振荡镜，所述mems振荡镜进行正弦运动。优选为根据机械鲁棒性设计而成的用本体硅技术制造的mems振荡镜，它的大表面积允许高光学吞吐量，其以高机械精度进行正弦运动，使波长轴具有高稳定性，其中的单晶硅即使在恶劣的环境条件下也能保证长寿命的无磨损运行。mems振荡镜具有重量轻，体积小，易于大批量生产，生产成本低的优点，使整套系统更直观、简单，能够实现现场监测，实时监测设备内的绝缘气体组分，以早期掌握潜伏性故障，避免造成严重损失，可以通过mems振荡镜振幅的适当参数化来选择性地将波长间隔限制到实际使用的范围，以通过延长保留时间实现更长的信号平均。10.进一步地，所述探测器元件包括热电探测器和光电探测器。采用两级冷却汞镉碲化锌（mczt）传感器作为热电探测器，具有不同的截止波长，其外壳比在nir组件中实现的两级冷却的铟砷化镓（ingaas）探测器略大一些，热电探测器冷却的散热作用是通过红外光谱检测装置的外壳来实现的，优选热电探测器的标称冷却目标为-10°c。11.进一步地，所述壳体为铝制壳体。铝制壳体价格低，重量轻，且耐腐蚀性能好，使整套系统更易实现现场在线监测并将检测数据实时上传，能够节约制造成本，经济实用。12.进一步地，所述辐射源包括用于提供红外辐射的kanthal白炽灯发射器及用于聚焦辐射源的金属反射镜。kanthal白炽灯发射器能够在高达1275°c（1548k）的温度下工作，利用金属反射镜将辐射源直接聚焦在红外光谱检测装置的入射狭缝上，从而获得最佳的辐射耦合。13.进一步地，所述检测器组件包括压强检测器和温度检测器。优选温度检测器的检测范围为298k~348k，通过温度检测器与压强检测器实现对气体采集室内气体温度和压强的检测，防止过热或过压对整套检测系统带来不利的影响。14.进一步地，所述气体控制组件包括压力调节阀、流量计、气泵、第一真空隔离阀和第二真空隔离阀，所述气泵连通气体采集室并控制其内气体分解产物运动方向，所述第一真空隔离阀设置于气体采集管路，所述第二真空隔离阀设置于气泵和气体采集室之间。利用压力调节阀接收工业自动化控制系统的信号来驱动阀门，改变阀芯和阀座之间的截面积大小以控制输入整套系统的气体流量，实现自动化调节，气泵一方面将待测装置中的绝缘气体分解产物泵送至气体采集室内，另一方面在检测完毕后将气体采集室内剩余的气体回充至待测装置中，实现了气体的循环检测。15.进一步地，所述气体回充模块包括气体回充管路和第三真空隔离阀，所述气体回充管路两端分别连通气体采集室和气体回充端口，所述第三真空隔离阀设置于气体回充管路。气体回充模块可在检测完毕后将气体采集室内剩余的气体回充至待测装置中，而并非直接排入大气中，实现了气体的循环检测，避免对环境造成污染，绿色环保。16.本发明还设计了一种基于红外光谱法的sf6分解产物监测系统的使用方法，包括以下步骤：s1、启动红外光谱检测组件；s2、利用气体控制组件将待测装置中的待检测气体通过气体采集端口通入到气体采集室中；s3、对气体采集室中采集到的气体利用红外光谱检测组件进行光谱测定；s4、将红外光谱检测组件检测得出的结果实时上传至信息处理器中，分析得到绝缘气体sf6分解产物中硫酰氟气体so2f2的浓度；s5、将分析完成后的多余气体通过气体回充模块和气体回充端口回充至待测装置中。17.与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明基于红外光谱技术实现对绝缘气体sf6分解产物硫酰氟so2f2的在线监测，造价低，检测效率高，检测精度优良，可实现现场连续监测。利用红外光谱技术对绝缘气体sf6分解产物硫酰氟so2f2进行检测分析，可实时准确的对分解产物中的硫酰氟so2f2浓度进行测定，检测灵敏度高，分辨率高，保证了检测精度和检测质量；相较于气相色谱法和质谱法，体积更小，所涉及的检测部件更少，使用灵活方便，易于实现现场同步在线检测，并将硫酰氟so2f2浓度含量实时上传至信息处理器，可快速排查设备早期存在的潜伏性故障，避免造成更大的经济损失，检测效率高，整个系统所需设备均易于获得且成本低廉，具有造价低的优势；待测装置内的气体进入气体采集室后，气体检测模块对其内的硫酰氟so2f2气体浓度实时监测，检测完毕后的剩余气体通过气体回充装置充回待测装置内，实现了气体的循环检测，避免直接将其排入大气中对空气造成污染，绿色环保。附图说明18.图1为本发明监测系统整体示意图。19.图2为本发明红外光谱检测装置内部结构示意图。20.图3为本发明辐射源位置示意图。21.其中，1-待测装置，2-压力调节阀，3-流量计，4-气泵，5-气体采集室，6-红外光谱检测装置，61-入射狭缝，62-准直镜，63-mems振荡镜，64-衍射光栅，65-球面镜，66-出射狭缝，67-金属反射镜，7-信息处理器，8-压强检测器，9-温度检测器，10-气体采集端口，11-气体回充端口，12-第一真空隔离阀，13-第二真空隔离阀，14-第三真空隔离阀，15-气体试管，16-过滤轮，17-加压装置，18-辐射源，19-气体入口。具体实施方式22.下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。23.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。24.下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。25.图中所示的基于红外光谱法的sf6分解产物监测系统，包括待测装置1、气体采集模块、气体检测模块和气体回充模块，待测装置1中填充有待检测的绝缘气体sf6，气体采集模块包括气体采集室5、气体采集管路、气体采集端口10和气体控制组件，气体采集端口10设置于待测装置1的气体出口端，气体采集管路一端连通气体出口端，另一端连通至气体采集室5，气体控制组件设置于气体采集管路上，气体检测模块包括检测器组件、红外光谱检测组件和信息处理器7，检测器组件设置于气体采集室5，红外光谱检测组件设置于气体采集室5的出口端并将采集数据输入至信息处理器7，气体回充模块连接气体采集室5和待测装置1的气体回充端口11。利用红外光谱技术对绝缘气体sf6中的分解产物硫酰氟so2f2进行检测分析，可实时准确的对分解产物中的硫酰氟so2f2浓度进行测定，检测灵敏度高，分辨率高，保证了检测精度和检测质量；相较于气相色谱法和质谱法，体积更小，所涉及的检测部件更少，使用灵活方便，易于实现现场同步在线检测，并将硫酰氟so2f2浓度含量实时上传至信息处理器，可快速排查设备早期存在的潜伏性故障，避免造成更大的经济损失，检测效率高，且整个系统所需设备均易于获得且成本低廉，具有造价低的优势；待测装置内的气体进入气体采集室后，气体检测模块对其内的硫酰氟so2f2气体浓度进行实时监测，检测完毕后的剩余气体通过气体回充装置充回待测装置内，实现了气体的循环检测，避免直接将其排入大气中对空气造成污染，绿色环保。本发明基于红外光谱技术实现对绝缘气体sf6分解产物硫酰氟so2f2的在线监测，造价低，检测效率高，检测精度优良，可实现现场连续监测。26.作为优选，红外光谱检测组件包括辐射源18、气体试管15、过滤轮16和红外光谱检测装置6，气体试管15将气体采集室5内采集到的待检测气体通入红外光谱检测装置6，气体试管15设置有连通其内的加压装置17，过滤轮16设置于红外光谱检测装置6的气体通入口处，辐射源18发出的红外光经气体试管15和过滤轮16进入红外光谱检测装置6，红外光谱检测装置6包括壳体、入射狭缝61、准直镜62、微镜元件、衍射光栅64、球面镜65和出射狭缝66，辐射源18设置于入射狭缝61前侧，准直镜62与出射狭缝66同侧设置，微镜元件和球面镜65与入射狭缝61同侧设置，出射狭缝66的后侧设置有探测器元件，微镜元件可旋转地设置，红外光谱检测组件和信息处理器7之间通过光纤连接，准直镜62为球面准直镜，气体试管15由耐高压玻璃制成且其上设置有气体入口19。设置加压装置可在气体检测模块增加压强，从而提高气体检测灵敏度。利用红外光谱技术对绝缘气体sf6分解产物硫酰氟so2f2进行检测分析，可实时准确的对分解产物中硫酰氟so2f2的浓度进行测定，方便及时识别气体绝缘电气设备早期潜伏性故障，避免造成严重故障带来经济损失，相比于目前的气相色谱法以及质谱法而言，本套系统所用设备较少，便于移动携带，且设备易于获得，降低了监测成本，可实现同步在线监测，实时上传浓度含量。27.作为优选，微镜元件为mems振荡镜63，mems振荡镜63进行正弦运动。mems振荡镜具有重量轻，体积小，易于大批量生产，生产成本低的优点，使整套系统更直观、简单，能够实现现场监测，实时监测设备内的绝缘气体组分，以早期掌握潜伏性故障，避免造成严重损失，用mems振荡镜研制的红外光谱检测装置具有宽光谱范围、高分辨率、高信噪比的特点，极大程度上减少了其他特征气体对于检测的干扰，提高了检测的准确度，可以通过mems振荡镜振幅的适当参数化来选择性地将波长间隔限制到实际使用的范围，以通过延长保留时间实现更长的信号平均。28.作为优选，探测器元件包括热电探测器和光电探测器。采用两级冷却汞镉碲化锌（mczt）传感器作为热电探测器，具有不同的截止波长，其外壳比在nir组件中实现的两级冷却的铟砷化镓（ingaas）探测器略大一些，热电探测器冷却的散热作用是通过红外光谱检测装置的外壳来实现的，优选热电探测器的标称冷却目标为-10°c。29.作为优选，壳体为铝制壳体。铝制壳体价格低，重量轻，且耐腐蚀性能好，使整套系统更易实现现场在线监测并将检测数据实时上传，可节约制造成本，经济实用。30.作为优选，辐射源18包括用于提供红外辐射的kanthal白炽灯发射器及用于聚焦辐射源的金属反射镜67。kanthal白炽灯发射器能够在高达1275°c（1548k）的温度下工作，利用金属反射镜将辐射源直接聚焦在红外光谱检测装置的入射狭缝上，从而获得最佳的辐射耦合。31.作为优选，检测器组件包括压强检测器8和温度检测器9。优选温度检测器的检测范围为298 k~348k，通过温度检测器与压强检测器实现对气体采集室内气体温度和压强的检测，防止过热或过压对整套检测系统带来不利的影响。32.作为优选，气体控制组件包括压力调节阀2、流量计3、气泵4、第一真空隔离阀12和第二真空隔离阀13，气泵4连通气体采集室5并控制其内气体分解产物运动方向，第一真空隔离阀12设置于气体采集管路，第二真空隔离阀13设置于气泵4和气体采集室5之间。利用压力调节阀接收工业自动化控制系统的信号来驱动阀门改变阀芯和阀座之间的截面积大小，以控制输入整套系统的气体流量，实现自动化调节，气泵一方面将待测装置中的绝缘气体分解产物泵送至气体采集室内，另一方面在检测完毕后将气体采集室内剩余的气体回充至待测装置中，实现了气体的循环检测。33.作为优选，气体回充模块包括气体回充管路和第三真空隔离阀14，气体回充管路两端分别连通气体采集室5和气体回充端口11，第三真空隔离阀14设置于气体回充管路。气体回充模块可在检测完毕后将气体采集室内剩余的气体回充至待测装置中，而并非直接排入大气中，实现了气体的循环检测，避免对环境造成污染，绿色环保。34.本发明还提供一种基于红外光谱法的sf6分解产物监测系统的使用方法，包括以下步骤：s1、启动红外光谱检测组件；s2、利用气体控制组件将待测装置1中的待检测气体通过气体采集端口10通入到气体采集室5中；s3、对气体采集室5中采集到的气体利用红外光谱检测组件进行光谱测定；s4、将红外光谱检测组件检测得出的结果实时上传至信息处理器7中，分析得到绝缘气体sf6分解产物中硫酰氟气体so2f2的浓度；s5、将分析完成后的多余气体通过气体回充模块和气体回充端口11回充至待测装置1中。35.当一定频率（能量）的红外光照射分子时，如果分子中某个基团的振动频率和外界红外辐射频率一致时，光的能量通过分子偶极矩的变化而传递给分子，这个基团就吸收一定频率的红外光，产生振动跃迁。将分子吸收红外光的情况用仪器记录就得到该试样的红外吸收光谱图，利用光谱图中吸收峰的波长、强度和形状来判断分子中的基团，对分子进行结构分析。由辐射源发出的红外光经由金属反射镜聚焦至入射狭缝，通过入射狭缝后照射到球面准直镜上，利用球面准直镜并行化后，将待测量的辐射光定向到衍射光栅。其中，光谱分解是通过色散来进行的，衍射光栅的入射角取决于mems振荡镜镜面的旋转情况。因此，辐射的衍射方式是不同的。由此得到的光谱通过球面镜指向出口狭缝。此时，窄带辐射光被光电探测器检测到，该光电探测器直接位于出口狭缝的后面。光谱采集时间为4 ms，由镜像共振频率约为250 hz给出。无测量装置的红外光谱检测装置尺寸为140 x 90 x 70 mm。衍射光栅和探测器覆盖了2.5~9.9µm的不同波长，可以通过减小狭缝宽度，来提高光谱分辨率，且可通过mems振荡镜振幅的适当参数化来选择性地将波长间隔限制到实际使用的范围，以通过延长保留时间实现更长的信号平均。36.由于sf6分解气体中除硫酰氟气体so2f2气体外还存在其他分解产物如h2s、hf、so2，co等气体，但通过仿真实验研究表明，在2700~2 800 cm^(-1)波段范围内，co无吸收，so2和h2s存在不同程度的光谱吸收，在波数为2763cm^(-1)处，so2f2的吸光度为0.2，so2和 h2s的吸光强度分别为3.62×10-4与2.44×10-4，so2f2气体与 so2、h2s之间吸光强度量级具有一定差距，交叉干扰现象可忽略，因此优选波数为2763cm^(-1)作为so2f2气体红外吸收特性研究的特征吸收谱线。通过将衍射光栅、球面准直镜、mems振荡镜相结合，通过对光路进行优化，使其具有更好的光学性能，杂散光小、信噪比高，使整体结构紧凑、空间利用率高、制造成本低。可用不同的探测器与衍射光栅与习惯的线数导致不同的实现变量，通过对红外光谱检测装置本身参数化的设置，可改变其波长检测区域，实现对so2f2的浓度检测，除了检测绝缘设备中so2f2的浓度外，还可以在不同的波长范围内检测sf6浓度以及其余可用红外检测的sf6分解产物的浓度，实现多场景下的应用。通过利用对气体注入前后处于波数为2763cm^(-1)的红外吸收谱线的差异性进行分析计算，进而可据此分析测得绝缘气体sf6分解产物硫酰氟so2f2的浓度。37.在利用红外光谱检测装置检测出气体的吸光强度后，可根据硫酰氟气体浓度x与吸光度y之间存在的关系式：y=0.000782x+0.02353来确定待检测气体中的硫酰氟气体浓度含量。利用硫酰氟so2f2的浓度与放电强度的关系来作为设备是否处于正常运行状态的判断依据。通过将在线检测到的so2f2气体浓度与实际gis设备正常状态下可能存在的so2f2气体浓度进行对比。设定一定的阈值，当实际检测到的浓度超出阈值范围时，信息处理器会发出警告，为实际gis设备里可能潜在的局部放电等故障提供依据，以便提前安排人员对设备进行检修等操作。38.s5中进行气体回充时，关闭第一真空隔离阀12，打开第二真空隔离阀13和第三真空隔离阀14，通过气泵4的加压使得气体采集室5中的剩余气体压回到待测装置1中，完成检测后通过控制系统自动关闭第二真空隔离阀13和第三真空隔离阀14，打开第一真空隔离阀12，进行新一轮的气体检测。39.以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。









图片声明：本站部分配图来自人工智能系统AI生成,觅知网授权图片,PxHere摄影无版权图库。本站只作为美观性配图使用,无任何非法侵犯第三方意图,一切解释权归图片著作权方,本站不承担任何责任。如有恶意碰瓷者,必当奉陪到底严惩不贷!




内容声明：本文中引用的各种信息及资料（包括但不限于文字、数据、图表及超链接等）均来源于该信息及资料的相关主体（包括但不限于公司、媒体、协会等机构）的官方网站或公开发表的信息。部分内容参考包括:(百度百科,百度知道,头条百科,中国民法典,刑法,牛津词典,新华词典,汉语词典,国家院校,科普平台)等数据,内容仅供参考使用,不准确地方联系删除处理！本站为非盈利性质站点,发布内容不收取任何费用也不接任何广告!




免责声明：我们致力于保护作者版权，注重分享，被刊用文章因无法核实真实出处，未能及时与作者取得联系，或有版权异议的，请联系管理员，我们会立即处理，本文部分文字与图片资源来自于网络，部分文章是来自自研大数据AI进行生成,内容摘自(百度百科,百度知道,头条百科,中国民法典,刑法,牛津词典,新华词典,汉语词典,国家院校,科普平台)等数据,内容仅供学习参考,不准确地方联系删除处理!的,若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益，请立即通知我们，情况属实，我们会第一时间予以删除，并同时向您表示歉意,谢谢!