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专利名称：六氟化硫分解组分的自动恒温型光声检测装置及实验方法
技术领域：
本发明属于六氟化硫(SF6)气体绝缘电气设备局部放电(PD)的在线监测技术领域，具体涉及GIS中SF6局部放电下分解组分的自动恒温型光声光谱检测装置及实验方法。
背景技术：
气体绝缘组合电器(GIS)，以SF6气体作为绝缘介质，具有绝缘强度高、运行稳定、 占地面积少和维护工作量小等优点，在电力系统中，尤其在大中城市城网建设和改造中得到愈来愈广泛的应用。但从近年来的运行情况看，国内外的GIS在使用中都出现了许多问题，其内部不可避免的缺陷会引起故障并随着运行时间的增长而不断扩大，其中突出表现为绝缘缺陷引起的故障。绝缘缺陷在引起绝缘介质的贯穿性故障之前会出现局部放电现象，在局部放电发生时，SF6气体在热、电的作用下会发生分解，并与GIS设备内部存在的微水(H2O)、微氧(O2)等杂质发生反应，生成一些对故障类型判断有价值的特征气体，如二氧化硫(SO2)、氟化亚硫酰(SOF2)、氟化硫酰(SAF2)、氟化氢(HF)等，如果局部放电的位置出现在固体绝缘介质附近，还会有二氧化碳(CO2)、四氟化碳(CF4)等成分产生。因此，可以通过对SF6气体进行检测和组分分析，通过气体组分的类型和含量来判断绝缘缺陷的类型和程度，为GIS设备的绝缘水平的判断和状态检修提供依据，从而避免严重故障和大停电事故的发生，所以研究六氟化硫局部放电下分解组分的检测装置和实验方法是保证电力系统安全运行，保证国民生产正常进行的重要手段之一。现有六氟化硫局部放电下分解组分的光声检测装置和实验方法申请号为 201010295554. 0的专利“局放下六氟化硫分解组份的红外光声光谱检测装置及方法”，公开的装置主要包括无电晕实验变压器、感应调压器、无局部放电保护电阻、无感电阻、标准电容分压器、GIS模拟元件、宽频高速超大容量数字存储示波器、红外光声光谱系统等；公开的实验方法包括(1)检测前的准备；( 检测局放下六氟化硫分解组分的浓度；C3)清洗及维护。该专利的主要缺点是其所采用的红外光声光谱系统是开放式装置，不能自动恒温， 在实际现场检测时受环境温度的影响较大，光声检测装置的稳定性、检测的准确性和精度得不到保证，不适用于在线监测。

发明内容
本发明的目的在于针对现有的六氟化硫局部放电下分解组分的光声检测装置及方法的不足之处，提供一种六氟化硫分解组分的自动恒温型光声检测装置及实验方法，具有灵敏度高、检测范围宽、检测速度快、检测精度高、不需要消耗载气、能自动恒温而不受外界环境影响、特别适合于在线监测等优点，为进一步完善和改进SF6局部放电分解组分的光声光谱在线监测系统奠定了基础。本发明的主要特点是在现有红外光声光谱检测系统中增设自动恒温装置，其自动恒温的原理在于通过检测光声池内部的温度信号来控制加热回路的通断，以达到恒温的目的。由于光声光谱气体检测法本质上是利用了气体红外热吸收效应和光声池的声学理论，温度的变化会影响气体的红外吸收效应和光声池的各种性能参数，从而影响到光声光谱检测系统的检测精度和稳定性，因此本发明为现有的红外光声光谱检测系统添加了自动恒温装置，使系统恒定在预设的温度，有利于提高红外光声光谱检测系统的稳定性和检测的准确性。实现本发明目的的技术方案是一种六氟化硫分解组分的自动恒温型光声检测装置，主要包括无晕实验变压器、调压器、无局放保护电阻、无感电阻、电容分压器、GIS模拟元件、宽频高速超大容量数字存储示波器、红外光声光谱检测系统、自动恒温系统等。其中所述的红外光声光谱检测系统，主要由宽频红外光源、硒化锌透镜、机械斩波器、斩波器控制器、滤光片轮、滤光片、硒化锌窗片、光声池、气压表、微音器、信号传输电缆、气体阀门、输气管、真空泵、光学支架、锁相放大器及计算机等组成。本发明的特征是在所述的红外光声光谱检测系统中的光声池的外部装设自动恒温系统。所述的自动恒温系统主要由开关电源、 固态继电器、智能数显温度调节仪、环形加热带、热电偶等组成。所述的开关电源为市购产品，输出电压为60V，最大电流为5A，所述开关电源的输入端通过导线与220V/50HZ的电源连接，所述开关电源的输出端的正极通过导线与所述固态继电器输出端的正极连接后，所述固态继电器输出端的负极通过导线与所述的环形加热带正接线柱连接，所述的开关电源的输出端的负极通过导线与所述的环形加热带负接线柱连接，用来为装设在光声池外表面的所述的环形加热带提供直流电源，以便对所述的光声池加热。所述的固态继电器为市购产品，所述的固态继电器的受控端通过导线与所述的智能数显温度调节仪的控制信号输出端连接，用以接收智能数显温度调节仪的输出控制信号，从而控制所述开关电源和所述环形加热带所组成的加热回路的工作状态达到调节所述光声池内部温度的目的。所述的环形加热带为定制产品，数目为2飞个，每个环形加热带宽度为2(T50mm、 厚度为广1. 5mm、内径与所述光声池的外径相匹配，所述的环形加热带分别装设在所述光声池的外表面，每个环形加热带的两端接头通过导线分别与所述固态继电器和所述开关电源相连接，用于直接对光声池进行加热，加热功率10(T250W。所述的热电偶为市购产品，由热电偶温度传感器和热电偶控制器构成，所述的热电偶装设在所述光声池的外表面上，所述热电偶的热电偶温度传感器的输入端通过导线与热电偶控制器的输出端连接，热电偶温度传感器的输出端与所述智能数显温度调节仪的输入端连接，用于检测光声池内部温度，将温度信号传递给智能数显温度调节仪并显示出来并作为所述固态继电器的控制信号。所述的智能数显温度调节仪为市购产品，所述智能数显温度调节仪的输入端通过导线与所述的热电偶连接，用以接收所述的热电偶检测到的光声池温度信号，所述的智能数显温度调节仪的输出端通过导线与所述的固态继电器的输入端连接，用以控制固态继电器的导通与关断。所述的滤光片和滤光片轮为市购产品，滤光片安装在滤光片轮的孔中，滤光片轮通过步进电机驱动旋转，用以切换不同的特征滤光片到光路中，滤光片轮上各滤光片中心波长分别为7350nm(Sh吸收峰中心波长)、似60nm(0)2吸收峰中心波长)、7780nm(CF4吸收峰中心波长)、18550nm(SO2F2吸收峰中心波长)、7440nm(S0F2吸收峰中心波长)，只允许其中心波长的红外光通过，滤掉剩余频带的红外光，通过信号电缆将滤光片轮与计算机连接， 计算机发出信号控制滤光片轮内的步进电机旋转，进而控制不同特征波长的红外光通过滤光片经硒化锌窗片射入光声池内，在不同波长下的检测即反映了不同气体组分的含量。一种六氟化硫分解组分的自动恒温型光声检测的实验方法，利用本发明装置，对 GIS模拟元件中的SF6气体的局部放电分解组分进行检测的具体步骤如下
(1)实验准备
①光声池和自动恒温系统部件安装调试
首先用无水酒精清洗光声池的内壁，除去池内壁的杂质，待光声池风干后，再安装微音器、热电偶、气压表、进出气管、进出气阀、硒化锌窗口片等部件，在安装硒化锌窗口片时，在硒化锌窗口片与光声池接触处先垫硅胶片后用螺栓压紧。在各螺纹连接处加生料带及密封胶，以保证光声池有良好的气密性；然后调整宽频红外光源和光声池的三维调整光学支架、 斩波器、滤光片轮、硒化锌透镜的升降光学支架，保证各部件和光声池的中心在同一水平线上，使得红外光能够准确直射透过各个部件，射入光声池。将自动恒温系统的加热回路和控制回路分别通过导线依次连接好，接上电源，确认各元件正常工作，环形加热带装设在光声池外表面，拧紧螺丝，保证环形加热带紧贴在光声池外表面。②气密性测试
在(1)一①步完成后，首先关闭进气阀门，打开出气阀门，然后启动本装置的真空泵，对光声池抽真空，当本装置的气压表显示气压为0. 005 0. OlMPa时，依次关闭出气阀门和真空泵，静置光声池10 15小时，再去观察气压表示数，如基本保持不变，则说明本装置的光声池在真空下的气密性良好；打开本装置的进气阀门和氮气(N2)瓶阀门，向光声池内冲入 N2气体至气压表示数为0. 2 0. 25MPa，依次关闭进气阀门和N2瓶阀门，静置光声池10 15小时，再去观察气压表示数，如基本保持不变，则说明本装置的光声池在高气压的情况下气密性良好。③清洗光声池
在(1)一②步完成后，先打开出气阀门，启动所述的真空泵，对所述的光声池抽真空， 当所述的光声池真空度为0. 005 0. OlMPa时，依次关闭出气阀门和真空泵，再打开所述的SF6气瓶的阀门和进气阀门，向所述的光声池内充入SF6气体，直到光声池内气压值为 0. 2 0. 25MPa时为止，然后依次关闭SF6气瓶的阀门和进气阀门，对所述的光声池进行清洗。接着按前述操作步骤，先抽真空，再充入SF6气体清洗，如此重复冲洗2 4次，清洗后通过真空泵将光声池抽真空，最后通过进气管和进气阀门将待检测的GIS模拟元件中的SF6 局部放电分解气体组分通入光声池中。(2)恒定温度下的参数测量
在(1)步完成后，首先打开宽频红外光源、斩波控制器、斩波器、滤光片轮、微音器、气压表、热电偶、开关电源、固态继电器、智能数显温度调节仪及锁相放大器，锁相放大器积分时间Is。再控制光声池内的温度，使其恒定在30°C 50°C之间。即通过所述的智能数显温度调节仪输出方波信号控制所述的固态继电器的导通与关断，所述的固态继电器的导通与关断又控制本装置的开关电源的输出端向所述的环形加热带输送低压直流电能的多少，从而使光声池内的温度随之升高或降低，手动调节所述的智能数显温度调节仪设定值为t1;所述的热电偶将检测到光声池内实际温度信号t2传输给所述的智能数显温度调节仪进行显示和比较当Pt1 (即光声池内温度的实际值 > 设定值)时，所述的智能数显温度调节仪输出的方波信号控制所述的固态继电器的导通时间变短，使输送给环形加热带的低压直流电能减少，从而使光声池温度降低；反之，当、<、(即光声池内温度的实际值 < 设定值)时， 所述的智能数显温度调节仪输出的方波信号控制所述的固态继电器的导通时间变长，使输送给环形加热带的低压直流电能增多，从而使光声池温度升高，此比较过程不断重复，直到光声池温度稳定在设定值、(即t1=t2)为止，从而达到了光声池恒温的目的。然后在温度恒定后，测量光声池的各项参数性能。首先测量光声池的共振频率/， 调节斩波控制器的频率，同时观察锁相放大器显示的光声信号，当锁相放大器显示的光声信号达到最大时，记录此时斩波控制器显示的频率，即为光声池在此温度下的共振频率八接着测量光声池的各种噪声。先测量外部环境噪声值将宽频红外光源及斩波器关闭，记录此时锁相放大器显示的值，即为环境噪声值；再测量斩波器噪声值保持宽谱红外光源关闭并打开斩波器，调节斩波器的频率至共振频率，记录此时锁相放大器的示数，该示数减去环境噪声值即为斩波器噪声值。最后测量由硒化锌窗口片吸收和光声池内壁吸收所造成的噪声值通过进气管将光声池中充入高纯氮气，打开斩波器及宽频红外光源，记录此时锁相放大器显示的数值，即为系统总体噪声，用系统总体噪声减去环境噪声和斩波器噪声即为硒化锌窗口片吸收和光声池内壁吸收造成的噪声值。再测量气体光声信号与气体浓度的关系系数即响应系数h用配气系统将所要测量的气体配成不同浓度的标准气体，分别通过进气管和进气阀门充入光声池，记录各种浓度气体下锁相放大器测得的光声信号值，采用一元线性回归拟合的方式计算出气体浓度与光声信号之间的关系系数，即响应系数左。最后计算光声检测系统的最低检测限。对于六氟化硫局部放电分解气体组分，用系统总体噪声除以各自的响应系数A即可得各种气体组分的最低检测限。(3)六氟化硫局部放电分解组分浓度的检测
第( 步完成后，在其条件下，先通过出气管、出气阀门和真空泵将光声池抽成真空， 后通过进气管和进气阀门充入待检测的GIS模拟元件中的六氟化硫局部放电分解组分，气压为0. IMPa，再通过计算机控制滤光片轮旋转，依次将中心波长分别为7350nm(SA吸收峰中心波长)、4260nm(C02吸收峰中心波长)、7780nm(CF4吸收峰中心波长)、18550nm(S02F2吸收峰中心波长)、7440nm(S0F2吸收峰中心波长)的滤光片旋转至光路中，并依次记下各特征滤光片所对应的光声信号值A (i=l，…，6)，最后将锁相放大器测得的光声信号值输入计算机，在计算机上通过公式5；.功*进行计算(式中A为响应系数，&为光
声信号值，J为截距，即各种气体组分光声信号与气体浓度关系直线与纵坐标的交点，纵坐标为光声信号值)，得到准确的SO2, CO2, CF4, SO2F2, SOF2浓度值Ci, (i=l, ...，6)。(4)设备维护
在第C3)步完成后，先打开出气阀门和真空泵，将光声池中的气体抽至室外排放，然后关闭出气阀门和真空泵，打开氮气瓶阀门和进气阀门充入氮气，然后依次打开出气阀门和真空泵，将光声池中的气体抽至室外排放，重复以上操作2 4次，用氮气将光声池清洗干净，防止SF6局部放电分解组分中的酸性气体腐蚀光声池。本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果(1)本发明装置的灵敏度高，能有效检测出低至0. 01 μ L/L的S02、CO2, CF4, SO2F2, SOF2 等气体组分，能够对六氟化硫局部放电下分解组分进行准确的定性和定量分析，准确性高。(2)本发明装置是自动恒温型光声光谱检测装置，能根据预设的温度值自动调节光声池的温度，使其恒定在预设值，其优点在于一是消除了光声检测系统外部环境对其检测精度的影响，相对于现有的光声光谱检测装置，检测精度和稳定性都有较大的提高；二是可以自动调节光声池温度为分解组分的光声检测最适宜温度。(3)本发明装置采用的固态继电器的性能稳定，正常工作条件下能开断100万次， 能长期有效工作，为保证自动恒温系统长期有效的工作打下基础。本发明可广泛用于SF6气体绝缘电气设备中局部放电的在线监测，特别适用于GIS 设备中SF6气体局部放电分解组分的检测，为科研院所和电力系统对GIS设备SF6状态检测的理论分析和应用研究提供了一种简单可靠的方法和实验平台。


图1为现有红外光声光谱检测的整体接线图； 图2为现有红外光声光谱检测系统的原理示意图； 图3为实施例1的自动恒温系统结构图。图中1感应调压器；2无晕实验变压器；3无局部放电保护电阻；4标准电容分压器；5无感电阻；6 GIS模拟元件；7红外光声光谱系统和自动恒温系统；8宽频高速超大容量数字存储示波器；9宽谱红外光源；10硒化锌透镜；11斩波器；12斩波器控制器；13滤光片轮；14滤光片；15硒化锌窗口片；16光声池；17热电偶温度传感器；18气压表；19微音器；20信号电缆；21进气阀门；22出气阀门；23进气管；24出气管；25真空泵J6光学支架；27锁相放大器；观计算机；四开关电源；30固态继电器；31智能数显温度调节仪；32环形加热带。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
，进一步说明本发明。实施例1
如图广3所示，一种六氟化硫分解组分的自动恒温型光声检测装置，主要包括无晕实验变压器2、感应调压器1、无局部放电保护电阻3、标准电容分压器4、无感电阻5、GIS模拟元件6、宽频高速超大容量数字存储示波器8、自动恒温系统7、红外光声光谱检测系统7 等。其中所述的红外光声光谱检测系统，主要由宽频红外光源9、硒化锌透镜10、机械斩波器11、斩波器控制器12、滤光片轮13、滤光片14、硒化锌窗口片15、光声池16、气压表18、微音器19、信号电缆20、进气阀门21、出气阀门22、进气管23、出气管M、真空泵25、光学支架 26、锁相放大器27及计算机观等组成。本发明的特征是在所述的红外光声光谱检测系统中的光声池的外部装设自动恒温系统。所述的自动恒温系统主要由开关电源四、固态继电器30、智能数显温度调节仪31、环形加热带32、热电偶17等组成。所述的开关电源四为市购产品，输出电压为60V，最大电流为5A，开关电源四的输入端通过导线与220V/50HZ的电源连接，所述开关电源四的输出端的正极通过导线与所述固态继电器30输出端的正极连接后，所述固态继电器30输出端的负极通过导线与所述的环形加热带32正接线柱连接，所述的开关电源四的输出端的负极通过导线与所述的环形加热带32负接线柱连接，用来为装设在光声池16外表面的所述环形加热带32提供直流电源，以便对所述的光声池16加热。所述的固态继电器30为市购产品，所述的固态继电器30的受控端通过导线与所述的智能数显温度调节仪31的控制信号输出端连接，用以接收智能数显温度调节仪31的输出控制信号，从而控制所述开关电源四和所述环形加热带32所组成的加热回路的工作状态达到调节所述光声池16内部温度的目的。所述的环形加热带32为定制产品，数目为2个，每个环形加热带32的宽度为 50mm、厚度为1. 5mm、内径与所述光声池16的外径相匹配，所述环形加热带32分别装设在所述光声池16的外表面，每个环形加热带32的两端接头通过导线分别与所述固态继电器30 和所述开关电源四相连接，用于直接对光声池16进行加热，加热功率250W。所述的热电偶17为市购产品，由热电偶温度传感器和热电偶控制器构成，所述的热电偶17装设在光声池的外表面上，所述热电偶17的热电偶温度传感器的输入端通过导线与热电偶控制器的输出端连接，热电偶温度传感器的输出端与所述智能数显温度调节仪 31的输入端连接，用于检测所述光声池16内部温度，将温度信号传递给智能数显温度调节仪31并显示出来并作为所述固态继电器30的控制信号。所述的智能数显温度调节仪31为市购产品，所述智能数显温度调节仪31的输入端通过导线与所述的热电偶17连接，用于接收所述的热电偶17检测到的所述光声池16的温度信号，所述的智能数显温度调节仪31的输出端通过导线与所述的固态继电器30的输入端连接，用以控制固态继电器30的导通与关断。所述的滤光片14和滤光片轮13为市购产品，滤光片14安装在滤光片轮13的孔中，滤光片轮13通过步进电机驱动旋转，用以切换不同的特征滤光片到光路中，滤光片轮 13上各滤光片14中心波长分别为7350nm(SA吸收峰中心波长)、4260nm(0)2吸收峰中心波长)、7780nm(CF4吸收峰中心波长)、I855Onm(SC)2F2吸收峰中心波长)、7440nm(S0F2吸收峰中心波长)，只允许其中心波长的红外光通过，滤掉剩余频带的红外光，通过信号电缆20 将滤光片轮13与计算机观连接，计算机观发出信号控制滤光片轮13内的步进电机旋转， 进而控制不同特征波长的红外光通过滤光片14经硒化锌窗片15射入所述的光声池16内， 在不同波长下的检测即反映了不同气体组分的含量。实施例2
一种六氟化硫分解组分的自动恒温型光声检测装置，同实施例1，其中所述的环形加热带32个数为4个，每个环形加热带32的宽度为40mm、厚度为1. 2mm、内径与光声池16的外径相匹配，加热功率为200W。实施例3
一种六氟化硫分解组分的自动恒温型光声检测装置，同实施例1，其中所述的环形加热带32个数为6个，每个环形加热带32的宽度为20mm、厚度为1mm、内径与光声池16的外径相匹配，加热功率为100W。实施例4
一种六氟化硫分解组分的自动恒温型光声检测的实验方法，具体步骤如下 (1)实验准备
①光声池和自动恒温系统部件安装调试首先用无水酒精清洗光声池16的内壁，除去池内壁的杂质，待光声池16风干后，再安装微音器19、热电偶17、气压表18、进气管23、出气管M、进气阀门21、出气阀门22、硒化锌窗口片15等部件，在安装硒化锌窗口片15时，在硒化锌窗口片15与光声池16接触处先垫硅胶片后用螺栓压紧。在各螺纹连接处加生料带及密封胶，以保证光声池16有良好的气密性；然后调整宽频红外光源9和光声池16的三维调整光学支架、斩波器11、滤光片轮13、硒化锌透镜10的升降光学支架，保证各部件和光声池16的中心在同一水平线上，使得红外光能够准确直射透过各个部件，射入光声池16。将自动恒温系统的加热回路和控制回路分别通过导线依次连接好，接上电源，确认各元件正常工作，环形加热带32装设在光声池16的外表面上，拧紧螺丝，保证环形加热带32紧贴在光声池16外表面。②气密性测试
在(1)一①步完成后，首先关闭进气阀门21，打开出气阀门22，然后启动本装置的真空泵25，对光声池16抽真空，当本装置的气压表18显示气压为0. 005MPa时，依次关闭出气阀门22和真空泵25，静置光声池12小时，再去观察气压表18示数，如基本保持不变，则说明本装置的光声池16在真空下的气密性良好；打开本装置的进气阀门21和氮气(N2)瓶阀门，向光声池16内冲入N2气体至气压表18示数为0. 2MPa，依次关闭进气阀门21和N2瓶阀门，静置光声池12小时，再去观察气压表18示数，如基本保持不变，则说明本装置的光声池16在高气压的情况下气密性良好。③清洗光声池
在(1)一②步完成后，先打开出气阀门22，启动所述的真空泵25，对所述的光声池16抽真空，当所述的光声池16真空度为0. 005MPa时，依次关闭出气阀门22和真空泵25，再打开所述的SF6气瓶的阀门和进气阀门21，向所述的光声池16内充入SF6气体，直到光声池 16内气压值为0. 2MPa时为止，然后依次关闭SF6气瓶的阀门和进气阀门21，对所述的光声池16进行清洗。接着按前述操作步骤，先抽真空，再充入SF6气体清洗，如此重复冲洗2 4次，清洗后通过真空泵25将光声池16抽真空，最后通过进气管23和进气阀门21将待检测的GIS模拟元件6中的SF6局部放电分解气体组分通入光声池16中。(2)恒定温度下的参数测量
在(1)步完成后，首先打开宽频红外光源9、斩波控制器12、斩波器11、滤光片轮13、微音器19、气压表18、热电偶17、开关电源29、固态继电器30、智能数显温度调节仪31及锁相放大器27，锁相放大器积分时间Is。再控制光声池16内的温度，使其恒定在30°C 50°C之间。即通过所述的智能数显温度调节仪31输出方波信号控制所述的固态继电器30的导通与关断，所述的固态继电器 30的导通与关断又控制本装置的开关电源四的输出端向所述的环形加热带32输送低压直流电能的多少，从而使光声池16内的温度随之升高或降低，手动调节所述的智能数显温度调节仪31设定值为t1;所述的热电偶17将检测到光声池16内实际温度信号t2传输给所述的智能数显温度调节仪31进行显示和比较当t2>ti (即光声池内温度的实际值 > 设定值)时，所述的智能数显温度调节仪31输出的方波信号控制所述的固态继电器30的导通时间变短，使输送给环形加热带32的低压直流电能减少，从而使光声池16温度降低；反之，当 、<、(即光声池内温度的实际值 < 设定值)时，所述的智能数显温度调节仪31输出的方波信号控制所述的固态继电器30的导通时间变长，使输送给环形加热带32的低压直流电能增多，从而使光声池16温度升高，此比较过程不断重复，直到光声池16温度稳定在设定值 、(即t1=t2)为止，从而达到了光声池16恒温的目的。然后在温度恒定后，测量光声池16的各项参数性能。首先测量光声池16的共振频率/，调节斩波控制器12的频率，同时观察锁相放大器27显示的光声信号，当锁相放大器27显示的光声信号达到最大时，记录此时斩波控制器12显示的频率，即为光声池16在此温度下的共振频率八接着测量光声池16的各种噪声。先测量外部环境噪声值将宽频红外光源9及斩波器11关闭，记录此时锁相放大器27显示的值，即为环境噪声值；再测量斩波器11噪声值保持宽谱红外光源9关闭并打开斩波器11，调节斩波器11的频率至共振频率，记录此时锁相放大器27的示数，该示数减去环境噪声值即为斩波器噪声值。最后测量由硒化锌窗口片15吸收和光声池16内壁吸收所造成的噪声值通过进气管23将光声池16中充入高纯氮气，打开斩波器11及宽频红外光源9，记录此时锁相放大器27显示的数值，即为系统总体噪声，用系统总体噪声减去环境噪声和斩波器噪声即为硒化锌窗口片15吸收和光声池 16内壁吸收造成的噪声值。再测量气体光声信号与气体浓度的关系系数即响应系数h用配气系统将所要测量的气体配成不同浓度的标准气体，分别通过进气管23和进气阀门21充入光声池16，记录各种浓度气体下锁相放大器27测得的光声信号值，采用一元线性回归拟合的方式计算出气体浓度与光声信号之间的关系系数，即响应系数左。最后计算光声检测系统的最低检测限。对于六氟化硫局部放电分解气体组分，用系统总体噪声除以各自的响应系数A即可得各种气体组分的最低检测限。(3)六氟化硫局部放电分解组分浓度的检测
第(2)步完成后，在其条件下，先通过出气管对、出气阀门22和真空泵25将光声池16 抽成真空，后通过进气管23和进气阀门21充入待检测的GIS模拟元件6中的六氟化硫局部放电分解组分，气压为0. IMPa，再通过计算机观控制滤光片轮13旋转，依次将中心波长分别为7350nm(S&吸收峰中心波长)、似60nm(0)2吸收峰中心波长)、7780nm(CF4吸收峰中心波长)、18550nm (SO2F2吸收峰中心波长)、7440nm(S0F2吸收峰中心波长)的滤光片14旋转至光路中，并依次记下各特征滤光片14所对应的光声信号值& (i=l，…，6)，最后将锁相放大器27测得的光声信号值输入计算机观，在计算机观上通过公式5；.功* C^dQ=I,…，6) 进行计算(式中A为响应系数，Si为光声信号值，^/为截距，即各种气体组分光声信号与气体浓度关系直线与纵坐标的交点，纵坐标为光声信号值)，得到准确的S02、CO2, CF4, SO2F2, SOF2 浓度值 G，(i=l,…，6)。(4)设备维护
在第( 步完成后，先打开出气阀门22和真空泵25，将光声池16中的气体抽至室外排放，然后关闭出气阀门22和真空泵25，打开氮气瓶阀门和进气阀门21充入氮气，然后依次打开出气阀门22和真空泵25，将光声池16中的气体抽至室外排放，重复以上操作2 4 次，用氮气将光声池16清洗干净，防止SF6局部放电分解组分中的酸性气体腐蚀光声池16。
权利要求
1.一种六氟化硫分解组分的自动恒温型光声检测装置，主要包括无晕实验变压器 O)、感应调压器(1)、无局部放电保护电阻(3)、标准电容分压器0)、无感电阻(5)、GIS 模拟元件(6)、宽频高速超大容量数字存储示波器(8)、自动恒温系统(7)、红外光声光谱检测系统(7)，其中所述的红外光声光谱检测系统，主要由宽频红外光源(9)、硒化锌透镜(10)、机械斩波器(11)、斩波器控制器(12)、滤光片轮(13)、滤光片(14)、硒化锌窗口片(15)、光声池(16)、气压表(18)、微音器(19)、信号电缆(20)、进气阀门(21)、出气阀门 (22)、进气管(23)、出气管(M)、真空泵(25)、光学支架( )、锁相放大器、2Τ)及计算机(28)等组成，其特征在于，在所述的红外光声光谱检测系统中的光声池(16)的外部装设自动恒温系统，所述的自动恒温系统主要由开关电源( )、固态继电器(30)、智能数显温度调节仪(31)、环形加热带(32)、热电偶(17)等组成；所述的开关电源0 的输入端通过导线与220V/50HZ的电源连接，所述开关电源09) 的输出端的正极通过导线与所述固态继电器(30)输出端的正极连接后，所述固态继电器 (30)输出端的负极通过导线与所述的环形加热带(32)正接线柱连接，所述的开关电源(29)的输出端的负极通过导线与所述的环形加热带(32)负接线柱连接；所述的固态继电器(30)的受控端通过导线与所述的智能数显温度调节仪(31)的控制信号输出端连接；所述的环形加热带(3 的数目为2飞个，每个环形加热带(3 的宽度为2(T50mm、厚度为广1.5mm、内径与所述光声池(16)的外径相匹配，所述环形加热带(3 分别装设在所述光声池(16)的外表面，每个环形加热带(3 的两端接头通过导线分别与所述固态继电器(30)和所述开关电源09)相连接，加热功率10(T250W;所述的热电偶(17)由热电偶温度传感器和热电偶控制器构成，所述的热电偶(17)装设在光声池的外表面上，所述热电偶(17)的热电偶温度传感器的输入端通过导线与热电偶控制器的输出端连接，热电偶温度传感器的输出端与所述智能数显温度调节仪(31)的输入端连接，将温度信号传递给智能数显温度调节仪(31)进行显示并作为所述固态继电器(30)的控制信号；所述的智能数显温度调节仪(31)的输入端通过导线与所述的热电偶(17)连接，所述的智能数显温度调节仪(31)的输出端通过导线与所述的固态继电器(30)的输入端连接；所述的滤光片(14)安装在所述滤光片轮(1 的孔中，滤光片轮(1 通过步进电机驱动旋转，滤光片轮(13)上各滤光片(14)中心波长分别为7350nm即吸收峰中心波长、 4260nm即(X)2吸收峰中心波长、7780nm即CF4吸收峰中心波长、18550nm即SO2F2吸收峰中心波长、7440nm即SOF2吸收峰中心波长，只允许其中心波长的红外光通过，滤掉剩余频带的红外光，通过信号电缆00)将滤光片轮(1 与计算机08)连接，计算机08)发出信号控制滤光片轮(1 内的步进电机旋转，进而控制不同特征波长的红外光通过滤光片(14)经硒化锌窗片(1 射入所述的光声池(16)内，在不同波长下的检测即反映了不同气体组分的含量。
2.一种六氟化硫分解组分的自动恒温型光声检测的实验方法，利用权利要求1所述的六氟化硫分解组分的自动恒温型光声检测装置，对GIS模拟元件中的SF6气体的局部放电分解组分进行检测，其特征在于所述方法的具体步骤如下(1)实验准备①光声池和自动恒温系统部件安装调试首先用无水酒精清洗光声池(16)的内壁，除去池内壁的杂质，待光声池(16)风干后， 再安装微音器(19)、热电偶(17)、气压表(18)、进气管03)、出气管(M)、进气阀门01)、 出气阀门(22)、硒化锌窗口片(15)等部件，在安装硒化锌窗口片(15)时，在硒化锌窗口片(15)与光声池(16)接触处先垫硅胶片后用螺栓压紧，在各螺纹连接处加生料带及密封胶， 以保证光声池(16)有良好的气密性，然后调整宽频红外光源(9)和光声池(16)的三维调整光学支架、斩波器(11)、滤光片轮(13)、硒化锌透镜(10)的升降光学支架，保证各部件和光声池(16)的中心在同一水平线上，使得红外光能够准确直射透过各个部件，射入光声池(16)，将自动恒温系统的加热回路和控制回路分别通过导线依次连接好，接上电源，确认各元件正常工作，环形加热带(3 装设在光声池(16)的外表面上，拧紧螺丝，保证环形加热带(32)紧贴在光声池(16)外表面；②气密性测试在(1)一①步完成后，首先关闭进气阀门(21)，打开出气阀门(22)，然后启动本装置的真空泵(25)，对光声池(16)抽真空，当本装置的气压表(18)显示气压为0.005、. OlMPa 时，依次关闭出气阀门02)和真空泵(25)，静置光声池1(Γ15小时，再去观察气压表(18) 示数，如基本保持不变，则说明本装置的光声池(16)在真空下的气密性良好，打开本装置的进气阀门和氮气饥)瓶阀门，向光声池(16)内冲入队气体至气压表(18)示数为 0.2 0.25MPa，依次关闭进气阀门Ql)和N2瓶阀门，静置光声池1(Γ 5小时，再去观察气压表(18)示数，如基本保持不变，则说明本装置的光声池(16)在高气压的情况下气密性良好；③清洗光声池在(1)一②步完成后，先打开出气阀门(22)，启动所述的真空泵(25)，对所述的光声池 (16)抽真空，当所述的光声池(16)真空度为0. 005、. OlMPa时，依次关闭出气阀门Q2)和真空泵(25)，再打开所述的SF6气瓶的阀门和进气阀门(21)，向所述的光声池(16)内充入 SF6气体，直到光声池(16)内气压值为0.2、. 25ΜΙ^时为止，然后依次关闭SF6气瓶的阀门和进气阀门(21)，对所述的光声池(16)进行清洗，接着按前述操作步骤，先抽真空，再充入 SF6气体清洗，如此重复冲洗2 4次，清洗后通过真空泵0 将光声池(16)抽真空，最后通过进气管和进气阀门将待检测的GIS模拟元件(6)中的SF6局部放电分解气体组分通入光声池(16)中；(2)恒定温度下的参数测量在(1)步完成后，首先打开宽频红外光源(9)、斩波控制器(12)、斩波器(11)、滤光片轮(13)、微音器(19)、气压表(18)、热电偶(17)、开关电源09)、固态继电器(30)、智能数显温度调节仪(31)及锁相放大器(27)，锁相放大器积分时间ls，再控制光声池(16)内的温度，使其恒定在30°C 50°C之间，即通过所述的智能数显温度调节仪(31)输出方波信号控制所述的固态继电器(30)的导通与关断，所述的固态继电器(30)的导通与关断又控制本装置的开关电源09)的输出端向所述的环形加热带(3 输送低压直流电能的多少，从而使光声池(16)内的温度随之升高或降低，手动调节所述的智能数显温度调节仪(31)设定值为t1;所述的热电偶(17)将检测到光声池(16)内实际温度信号、传输给所述的智能数显温度调节仪(31)进行显示和比较，当t2>t1;即光声池内温度的实际值〉设定值时，所述的智能数显温度调节仪(31)输出的方波信号控制所述的固态继电器(30)的导通时间变短，使输送给环形加热带(3 的低压直流电能减少，从而使光声池(16)温度降低，反之，当 、<、，即光声池内温度的实际值〈设定值时，所述的智能数显温度调节仪(31)输出的方波信号控制所述的固态继电器(30)的导通时间变长，使输送给环形加热带(3 的低压直流电能增多，从而使光声池(16)温度升高，此比较过程不断重复，直到光声池(16)温度稳定在设定值、，即t1=t2时为止，从而达到了光声池(16)恒温的目的，然后在温度恒定后，测量光声池(16)的各项参数性能，首先测量光声池(16)的共振频率/，调节斩波控制器(12)的频率，同时观察锁相放大器(XT)显示的光声信号，当锁相放大器(XT)显示的光声信号达到最大时，记录此时斩波控制器(1 显示的频率，即为光声池(16)在此温度下的共振频率/， 接着测量光声池(16)的各种噪声，先测量外部环境噪声值将宽频红外光源(9)及斩波器 (11)关闭，记录此时锁相放大器(XT)显示的值，即为环境噪声值，再测量斩波器(11)噪声值保持宽谱红外光源(9)关闭并打开斩波器(11)，调节斩波器(11)的频率至共振频率， 记录此时锁相放大器(XT)的示数，该示数减去环境噪声值即为斩波器噪声值，最后测量由硒化锌窗口片(15)吸收和光声池(16)内壁吸收所造成的噪声值通过进气管03)将光声池(16)中充入高纯氮气，打开斩波器(11)及宽频红外光源(9)，记录此时锁相放大器(XT) 显示的数值，即为系统总体噪声，用系统总体噪声减去环境噪声和斩波器噪声即为硒化锌窗口片(15)吸收和光声池(16)内壁吸收造成的噪声值，再测量气体光声信号与气体浓度的关系系数即响应系数t用配气系统将所要测量的气体配成不同浓度的标准气体，分别通过进气管和进气阀门充入光声池(16)，记录各种浓度气体下锁相放大器、2Τ)测得的光声信号值，采用一元线性回归拟合的方式计算出气体浓度与光声信号之间的关系系数，即响应系数t最后计算光声检测系统的最低检测限，对于六氟化硫局部放电分解气体组分，用系统总体噪声除以各自的响应系数A即可得各种气体组分的最低检测限；(3)六氟化硫局部放电分解组分浓度的检测第( 步完成后，在其条件下，先通过出气管(M)、出气阀门0 和真空泵0 将光声池(16)抽成真空，后通过进气管和进气阀门充入待检测的GIS模拟元件(6) 中的六氟化硫局部放电分解组分，气压为0. IMPa，再通过计算机08)控制滤光片轮(13)旋转，依次将中心波长分别为7350nm即吸收峰中心波长、^60nm即(X)2吸收峰中心波长、 7780nm即CF4吸收峰中心波长、18550nm即SO2F2吸收峰中心波长、7440nm即SOF2吸收峰中心波长的滤光片14旋转至光路中，并依次记下各特征滤光片(14)所对应的光声信号值&， i=l,…，6，最后将锁相放大器(XT)测得的光声信号值输入计算机( )，在计算机08)上通过公式Si=I^ Ci^d, i=l,…，6，进行计算，其中式中k为响应系数，Si为光声信号值，d为截距，即各种气体组分光声信号与气体浓度关系直线与纵坐标的交点，纵坐标为光声信号值， 得到准确的 S02、CO2, CF4, SO2F2, SOF2 浓度值 C” i=l, -,6 ；(4)设备维护在第C3)步完成后，先打开出气阀门0 和真空泵(25)，将光声池(16)中的气体抽至室外排放，然后关闭出气阀门0 和真空泵(25)，打开氮气瓶阀门和进气阀门充入氮气，然后依次打开出气阀门0 和真空泵(25)，将光声池(16)中的气体抽至室外排放，重复以上操作2 4次，用氮气将光声池(16)清洗干净，防止SF6局部放电分解组分中的酸性气体腐蚀光声池(16)。
全文摘要
一种六氟化硫分解组分的自动恒温型光声检测装置及实验方法，属于SF6气体绝缘设备局部放电在线监测技术领域。本发明的特点是在现有红外光声光谱监测系统中增设自动恒温系统；本发明的方法是利用本发明装置，在预设温度下自动恒温，对GIS模拟元件中的SF6气体局部放电分解组分进行检测。本发明能排除外部环境的影响，能有效检测出低至0.01μL/L的SO2、CO2、CF4、SO2F2、SOF2等气体组分，准确性、检测精度和稳定性高，固态继电器性能稳定，能保证自动恒温系统长期有效的工作。本发明可广泛应用于SF6气体绝缘设备局部放电在线监测领域，特别适用于GIS中SF6气体局部放电分解组分的检测。
文档编号G01N21/01GK102519904SQ20111041459
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月13日 优先权日2011年12月13日
发明者刘岩, 唐炬, 张晓星, 范敏, 袁静帆, 裘吟君 申请人:重庆大学