专利名称：Gis开关内气体含量全息检测装置及方法
技术领域：
本发明涉及电气设备中特征气体组分检测领域，尤其涉及一种GIS开关内气体含量全息检测装置及方法。
背景技术：
自20世纪70年代后，以六氟化硫(SF6)气体作为绝缘介质的电气设备得到广泛应用。但是由于设计、材质、工艺和维护等方面的盲目性，使设备内部有可能存在局部的绝缘缺陷，在热和电的作用下，SF6气体和固体绝缘材料不断分解，绝缘性能随之不断下降，甚至导致事故发生。所以，如何尽早发现电气设备内部潜在的故障与危险，降低事故发生率一直是电力工作者的重点研究方向之一。研究发现，当SF6电气设备内部发生故障时，故障区域会产生S02、S0F2、H2S、C0、HF 和CF4等特征组分，其中首先出现的是氟化氢(HF)气体，故可以通过检测HF气体的含量来判断电气设备内部有无故障。GIS开关，即气体绝缘开关设备(Gas Insulated Switchgear)，就是一种以六氟化硫(SF6)气体作为绝缘介质的组合电气设备。现有技术中检测GIS开关内部HF气体的方法为用取样袋在GIS开关的取样口取得样本气体，再用相应的检测仪表检测样本气体中HF 的含量。但由于GIS开关体积庞大、内部温差小，气体流动性差，所以从距离电气设备主体较远的取样口取出的少量样本气体代表性不强，用其检测出的结果误差较大，难以反映GIS 开关内部的真实情况，从而不能及时发现GIS开关内的潜伏性故障。另外，由于取样周期过长(一般春秋各取样一次)，更不可能及时检测出GIS开关内的潜伏性故障。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例目的在于提供一种GIS开关内气体含量全息检测装置及方法，以解决现有的取样袋方法因取样口远离设备主体导致的取得的样本气体代表性不强，检测结果误差大的问题。为实现上述目的，本发明实施例提供如下方案一种GIS开关内气体含量全息检测装置，包括激光器和数据处理系统，所述激光器包括激光发射器和激光接收器；所述激光发射器和所述激光接收器通过法兰固定于GIS 开关的取样口处，并通过光缆与所述数据处理系统相连接；其中，所述激光发射器用于，向所述GIS开关内部发射激光束；所述激光接收器用于，接收由所述激光发射器发射的、来自所述GIS开关内部的激光束；所述数据处理系统用于，根据所述激光发射器发射的激光束的光强，以及所述激光接收器接收到的激光束的光强，计算出所述GIS开关内部氟化氢气体的含量。优选地，所述GIS开关内气体含量全息检测装置还包括激光器辅助单元，所述激光器辅助单元包括温度控制模块、电流控制模块和信号发生器。
优选地，所述激光发射器为中心波长为M76nm的可调谐半导体激光器。优选地，所述数据处理系统为与所述可调谐半导体激光器相适配的中央处理系统。优选地，所述激光发射器和所述激光接收器固定于同一个或分别固定于不同的取样口处。一种GIS开关内气体含量全息检测方法，包括向GIS开关内部发射激光束；接收来自所述GIS开关内部的激光束；根据发射的激光束的光强，以及接收到的激光束的光强，计算出所述GIS开关内部氟化氢气体的含量。优选地，所述发射的激光束射入所述GIS开关内部后，经过所述GIS开关内壁反射后射出。优选地，所述激光束的波长范围为M76士 lnm。优选地，所述向GIS开关内部发射激光束的具体实现方式包括利用激光器辅助单元将可调谐半导体激光器输出激光束的波长调谐到 M76士 lnm，并由所述可调谐半导体激光器向所述GIS开关内部发射波长范围为M76士 Inm 的激光束。优选地，所述根据发射的激光束的光强，以及接收到的激光束的光强，计算出所述 GIS开关内部氟化氢气体的含量的具体实现方式包括获取所述发射的激光束的光强Itl和所述接收到的激光束的光强I ；计算激光束在所述GIS开关内部经过的光路的总长度L ；根据C = ln(IQ/I)/a (A)L计算上述GIS开关内部的氟化氢气体的含量，其中， λ为所述激光束的波长，α (λ)为单位长度单位浓度氟化氢气体的吸收系数。从上述的技术方案可以看出，本发明实施例利用激光发射器将激光束射入GIS开关内部，上述入射的激光束最后由激光接收器接收。数据处理系统利用发射和接收的激光束的光强就可以计算出GIS开关内部氟化氢气体的含量，达到采样目的；同时，由于激光束的光路贯穿了 GIS内部，所以该计算结果误差很小，能够反映出GIS开关内部的真实情况。 另外，本发明操作简单，且不受GIS开关内的压力影响，可以一直处于工作状态，可为及时检测出GIS开关内部的潜伏性故障提供准确的原始数据。
图1为本发明实施例提供的GIS开关内气体含量全息检测装置的结构示意图；图2为本发明实施例提供的GIS开关内气体含量全息检测装置的安装示意图；图3为本发明实施例提供的计算激光束的特定入射角的示意图；图4为本发明实施例提供的GIS开关内气体含量全息检测装置的另一结构示意图；图5为本发明实施例提供的计算激光束的特定入射角的示意图；图6为本发明实施例提供的GIS开关内气体含量全息检测方法的流程图；图7为本发明实施例提供的计算氟化氢气体含量的流程图。
具体实施例方式下面结合本发明实施例中的附图，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。本发明实施例公开了一种GIS开关内气体含量全息检测装置及方法，以解决现有的取样袋方式因取样口远离设备主体而造成的检测误差大，不能及时GIS开关内的潜伏性故障的问题。图1示出了上述GIS开关内气体含量全息检测装置的一种结构，包括激光器和数据处理系统，该激光器包括激光发射器1和激光接收器3 ；该激光发射器1和激光接收器3 通过法兰固定于GIS开关的取样口 4处，并通过光缆2与数据处理系统相连接。其中，激光发射器1可用于向上述GIS开关内部发射激光束；激光接收器3可用于接收由上述激光发射器1发射的、来自上述GIS开关内部的激光束；数据处理系统用于，根据上述激光发射器1发射的激光束的光强，以及上述激光接收器3接收到的激光束的光强， 计算出上述GIS开关内部氟化氢气体的含量。图2示出了上述装置的安装方式用螺栓将固定有激光发射器1和激光接收器3 的法兰盘和取样口 4处的法兰紧固在一起。可以看出，本发明实施例利用激光发射器将激光束射入GIS开关内部，上述入射的激光束最后由激光接收器接收。数据处理系统利用发射和接收的激光束的光强就可以计算出GIS开关内部氟化氢气体的含量，达到采样目的；同时，由于激光束的光路贯穿了 GIS 内部，所以该计算结果误差很小，能够反映出GIS开关内部的真实情况。另外，上述装置操作简单，且不受GIS开关内的压力影响，可以一直处于工作状态，可为及时检测出GIS开关内部的潜伏性故障提供准确的原始数据。在本发明其他实施例中，上述实施例中的GIS开关内气体含量全息检测装置还可包括激光器辅助单元，该激光器辅助单元包括温度控制模块、电流控制模块和信号发生器， 分别用于为激光器提供补偿、控制和激励。由于HF气体在M76士 Inm波长范围内吸收性能良好，且不受背景气体SF6的干扰，所以上述激光发射器1具体可选用中心波长为M76nm的可调谐半导体激光器。基于上述激光器辅助单元和可调谐半导体激光器，激光束波长调谐方式具体包括利用温度控制模块和电流控制模块将可调谐半导体激光器输出波长调谐到M76nm附近；信号发生器输出一路频率为50Hz的锯齿波信号，将该信号叠加在可调谐激光器的驱动电流上，使可调谐半导体激光器在M76士 Inm范围内进行波长扫描，从而发射出波长在 M76士 Inm范围内的激光束。在本发明其他实施例中，上述所有实施例中的数据处理系统具体可为与所述可调谐半导体激光器相适配的中央处理系统。在本发明其他实施例中，仍请参见图1，上述所有实施例中的激光发射器1和激光接收器3可通过法兰固定在同一个取样口 4处。激光发射器1发射的激光束经过GIS开关内部的反射面5单次反射后射出，然后由激光接收器3接收。
由于装置安装完成后，激光发射器1和激光接收器3相对位置也固定不可变，所以为保证激光接收器3能接收到单次反射后的激光束，激光发射器1在发射该激光束时要保证该激光束的入射角为一个特定的角度a。该特定入射角a的角度计算方法如下参照图3，设H为激光发射器1和激光接收器3的中心距离，L为H的中点到发射面的垂直距离，显然，在装置安装完成后，H、L固定不变，并为已知量。根据光的反射定律 (反射光线与入射光线、法线在同一平面上；反射光线和入射光线分居在法线的两侧；反射角等于入射角)可得，上述特定入射角a的角度Z a = acrtan(0. 5H/L)。此外，在本发明的其他实施例中，激光发射器1和激光接收器3还可固定在不同的取样口处。这样，激光发射器1发射的激光束可在经过GIS开关内壁N(N为奇数)次反射后射出，然后由激光接收器3接收。相应的，上述特定入射角a的角度Z a = acrtan[H/ ((N 士 1)L)]。例如N = 3，即经过三次反射时，参照图4和图5，相应入射角a的角度Z a = acrtan(0. 25H/L)。与上述装置相对应，参见图6，本发明实施例还提供了一种GIS开关内气体含量全息检测方法，其至少包括如下步骤Sl 向GIS开关内部发射激光束；S2 接收来自上述GIS开关内部的激光束；S3:根据发射的激光束的光强，以及接收到的激光束的光强，计算出上述GIS开关内部氟化氢气体的含量。上述方法中，发射的激光束的波长为M76 士 lnm，该激光束射入GIS开关内部后， 经过上述GIS开关内壁反射后射出。其中，向GIS开关内部发射波长为M76士 Inm的激光束的具体实现方式为利用激光器辅助单元(该激光器辅助单元包括温度控制模块、电流控制模块和信号发生器)，将可调谐半导体激光器输出中心波长调谐到2476±lnm，并由该可调谐半导体激光器向上述 GIS开关内部发射波长为M76 士 Inm的激光束。在本发明其他实施例中，上述步骤S3具体实现方式可包括采用与上述可调谐半导体激光器相适配的中央处理系统根据发射的激光束的光强，以及接收到的激光束的光强，计算出GIS开关内部氟化氢气体的含量。在本发明其他实施例中，参见图7，该中央处理系统计算GIS开关内部氟化氢气体的含量的步骤具体可包括S31 获取发射的激光束和接收到的激光束的光强；S32 计算激光束在GIS开关内部经过的光路的总长度L ；L可由该激光束的入射角a、在GIS开关内部的反射次数N以及激光束的发射点和接收点间的距离H计算得出。S33 根据朗伯-比尔定律计算上述GIS开关内部的氟化氢气体的含量。朗伯-比尔定律I = IQeXp[-ciU)CL]，式中I。为波长为λ的激光在不含待测气体时的光强，C为吸收气体的浓度，α (λ)为单位长度单位浓度气体的吸收系数。由此可得，根据本发明实施例所提供的上述方法，氟化氢气体的浓度C= InacZIVa U)L，其中，I0为发射的激光束的光强；I为接收到的激光束的光强；λ激光束的波长，即M76nm ；L为激光束所经过的光路的总长度，α (λ)为单位长度单位浓度氟化氢气体的吸收系数。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
权利要求
1.一种GIS开关内气体含量全息检测装置，其特征在于，包括激光器和数据处理系统， 所述激光器包括激光发射器和激光接收器；所述激光发射器和所述激光接收器通过法兰固定于GIS开关的取样口处，并通过光缆与所述数据处理系统相连接；其中，所述激光发射器用于，向所述GIS开关内部发射激光束；所述激光接收器用于，接收由所述激光发射器发射的、来自所述GIS开关内部的激光束；所述数据处理系统用于，根据所述激光发射器发射的激光束的光强，以及所述激光接收器接收到的激光束的光强，计算出所述GIS开关内部氟化氢气体的含量。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括激光器辅助单元，所述激光器辅助单元包括温度控制模块、电流控制模块和信号发生器。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光发射器为中心波长为M76nm的可调谐半导体激光器。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述数据处理系统为与所述可调谐半导体激光器相适配的中央处理系统。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光发射器和所述激光接收器固定于同一个或分别固定于不同的取样口处。
6.一种GIS开关内气体含量全息检测方法，其特征在于，包括向GIS开关内部发射激光束；接收来自所述GIS开关内部的激光束；根据发射的激光束的光强，以及接收到的激光束的光强，计算出所述GIS开关内部氟化氢气体的含量。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述发射的激光束射入所述GIS开关内部后，经过所述GIS开关内壁反射后射出。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述激光束的波长范围为M76士lnm。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述向GIS开关内部发射激光束的具体实现方式包括利用激光器辅助单元将可调谐半导体激光器输出激光束的波长调谐到M76士 lnm，并由所述可调谐半导体激光器向所述GIS开关内部发射波长范围为M76士 Inm的激光束。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据发射的激光束的光强，以及接收到的激光束的光强，计算出所述GIS开关内部氟化氢气体的含量的具体实现方式包括获取所述发射的激光束的光强Itl和所述接收到的激光束的光强I ；计算激光束在所述GIS开关内部经过的光路的总长度L ；根据C= InacZIVa (X)L计算上述GIS开关内部的氟化氢气体的含量，其中，λ为所述激光束的波长，α (λ)为单位长度单位浓度氟化氢气体的吸收系数。
全文摘要
本发明实施例公开了一种GIS开关内气体含量全息检测装置，包括激光器和数据处理系统，所述激光器包括激光发射器和激光接收器；所述激光发射器和所述激光接收器通过法兰固定于GIS开关的取样口处，并通过光缆与数据处理系统相连接。本发明实施例还公开了一种GIS开关内气体含量全息检测方法，包括向GIS开关内部发射激光束；接收来自所述GIS开关内部的激光束；根据发射的激光束的光强，以及接收到的激光束的光强，计算出所述GIS开关内部氟化氢气体的含量。本发明实施例中，由于激光束贯穿了GIS开关内部，所以检测结果误差很小，能够反映出GIS开关内部的真实情况。
文档编号G01N21/17GK102323217SQ20111030376
公开日2012年1月18日 申请日期2011年10月9日 优先权日2011年10月9日
发明者侯兴哲, 姚强, 张继菊, 胡晓锐, 苗玉龙, 邱妮 申请人:重庆市电力公司电力科学研究院