CN110553986A - 一种多功能sf6气体中分解产物各组分的综合分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能SF6气体中分解产物各组分的综合分析仪，包括进气及过滤组件、气体分路计量组件、光谱组件、电化学组件、冷镜微水组件、数据处理组件和总数据输出组件，待测气体通过进气管路连接进气及过滤组件，进气及过滤组件连接气体分路计量组件，气体分路计量组件分别连接光谱组件和冷镜微水组件，光谱组件连接电化学组件，电化学组件和冷镜微水组件一起电连接于数据处理组件，数据处理组件电连接于总数据输出组件。本发明采用红外吸收光谱技术和紫外吸收光谱技术，结合电化学传感器技术，来检测SF6气体内微量的CF4气体组分含量和其余分解产物组分含量，实现对SF6气体分解产物组分精确检测的目的。

Description

一种多功能SF6气体中分解产物各组分的综合分析仪

技术领域

本发明涉及SF6电气分解设备技术领域，特别涉及一种多功能SF6气体中分解产物各组分的综合分析仪。

背景技术

目前SF6电气设备分解产物的检测方法有电化学法、化学比色法、色谱法、电离法、动态离子法和红外法。以上检测方法，可以检测除CF4以外的其他组分含量，但是CF4含量对于判断SF6设备有重要的作用，因此以上方法无法满足当前的检测需求。

近年来电化学传感技术得到了很大的发展，其灵敏度、稳定性和使用寿命都有了很大的提高，使SF6气体分解产物的检测水平得以提高，最小检出量大大降低，耗气量也大大减少，是当前使用最广泛的检测技术，大部分SF6分解产物测试仪均为采用此种电化学技术方案来实现检测。但是这项技术使用的是电化学传感器，对于分解产物中的CF4，由于其化学性质稳定，含量极其微小，因此现有技术对此成分无法检出。

现有技术对CF4成分的检测分析，通常采用红外光谱吸收法，能够实现检测目的，但是现有的CF4检测设备存在着无法检测其他分解成分的缺陷，同时存在CF4的红外吸收光谱曲线与其他成分的红外光谱曲线的吸收峰重合的问题，导致检测出现偏差乃至无法检出。

现有技术暂时没有集多种分析检测技术于一套系统内，对SF6分解产物各种成分进行检测分析的分析技术和设备，也没有利用紫外吸收光谱对SF6气体组分含量进行加强分析的设备。

当SF6电气设备内部存在故障时，故障区域的SF6气体和固体绝缘材料以及导体在热和电的作用下发生裂解，产生多种硫化物、氟化物和碳化物等化合物。经大量的试验和故障实例验证后发现，SF6电气设备分解产物主要包括：SO2、H2S、CO、CO2、CF4、AlF3、CuF2等成分。这些分解产物也将缓慢的溶解、扩散到SF6气体中，会导致SF6气体性能变差，绝缘性能劣化，最终导致绝缘失效从而造成更加严重的事故。SF6分解产物中的CF4组分含量极少，且化学性质稳定，无法采用化学方式检出，同时此组分含量对于设备故障的分析判断有重要作用。

综上，现有技术均存在的缺陷如下：

(1)稳定性差，稳定时间长。现有技术要基于纯净的SF6每次开机20分钟后要用纯净的SF6气体进行标定，合格后才能将被测气体引入进行检测。

(2)灵敏度低。由于稳定性差，本身噪声大，其最小检出量为1-15μL/L以上。

(3)检测耗气量大。每次检测用1000～2000毫升，不利于环保。

(4)仪器笨重，使用携带不便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多功能SF6气体中分解产物各组分的综合分析仪，本发明采用红外吸收光谱技术和紫外吸收光谱技术，结合电化学传感器技术，来检测SF6气体内微量的CF4气体组分含量和其余分解产物组分含量，同时利用高低两频段光谱技术，来进行辅助含量分析，实现对SF6气体分解产物组分精确检测的目的，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多功能SF6气体中分解产物各组分的综合分析仪，包括进气及过滤组件、气体分路计量组件、光谱组件、电化学组件、冷镜微水组件、数据处理组件和总数据输出组件，待测气体通过进气管路连接进气及过滤组件，进气及过滤组件连接气体分路计量组件，气体分路计量组件分别连接光谱组件和冷镜微水组件，所述光谱组件连接电化学组件，电化学组件和冷镜微水组件一起电连接于数据处理组件，所述数据处理组件电连接于总数据输出组件，其中，

进气及过滤组件过滤可能的大颗粒杂质，以免杂质对后续气路及检测组件产生破坏，进气及过滤组件为物理过滤，对气体内各组分无任何影响，不影响组分分析数据；

气体分路计量组件气路分为两路，一路为组分分析气路，一路为水分检测气路，每条气路单独计量气量；

样气在光谱组件内，经双波段光线照射，检出CF和预判其余组分含量；

光谱组件之后的样气进入电化学组件，如果样气含有某分解产物组分，则相应电化学传感器会输出对应的信号；

单独的一路样气经过冷镜微水组件，在仪器控制下持续降温，直到由光学传感器检测到镜面结露，则当时温度为露点数据，根据不同露点对应不同含水量，得出含水量数据；

数据处理组件和总数据输出组件将各传感器和组件的数据进行分析处理并输出。

进一步地，所述气体分路计量组件包括成分计量通道和微水计量通道，成分计量通道与样气在光谱组件连接，微水计量通道和冷镜微水组件连接。

进一步地，所述光谱组件包括光源组件、分光组件、吸收组件和检测组件A，红外光源和紫外光源经过光源组件的处理进入侧面的分光组件，经过分光组件的反射将红外光束和紫外光束投射到吸收组件，吸收组件的下方设置检测组件A。

进一步地，所述光源组件包括反射镜A、狭缝光栅A、衍射光栅和狭缝光栅B；

所述分光组件包括反射镜B、半反射镜、反射镜C和反射镜D；

所述吸收组件内置吸收池；

所述检测组件A包括晶体滤镜A、晶体滤镜B、光电检测A和光电检测B。

进一步地，所述电化学组件包括气体分路和计量组件、气体通道、传感器阵列和数据输出组件，样气通道依次经过气体分路和计量组件、气体通道和传感器阵列，最后经过数据输出组件。

进一步地，所述传感器阵列现阶段预置种，现装种，三种传感器位置预留。

进一步地，所述冷镜微水组件由冷镜组件和检测组件组成。

进一步地，所述冷镜组件由组件基座、半导体制冷片、导热测温组件和制冷镜面组成，所述制冷镜面粘贴在导热测温组件上，导热测温组件粘贴在半导体制冷片上，半导体制冷片设置在组件基座上。

进一步地，所述检测组件B由照射光源、均光组件、光学结露检测组件组成，均光组件和光学结露检测组件粘贴在一起，均光组件的上方设置照射光源。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的多功能SF6气体中分解产物各组分的综合分析仪，本发明结合光谱吸收技术和电化学传感器技术，实现了CF4和分解产物组分的同时检测。

2、本发明的多功能SF6气体中分解产物各组分的综合分析仪，本发明在SF6气体分解产物检测技术中，增加了紫外光谱吸收技术，利用统一物质在不通频段光谱的光谱曲线不同的特性，寻找对称光谱即为同一组分的曲线，能够准确判断分析各种组分含量。

3、本发明的多功能SF6气体中分解产物各组分的综合分析仪，本发明整合了低温制冷光学系统，能够在同一次测试中同时检测含水量。

附图说明

图1为本发明分析仪整机结构示意图；

图2为本发明光谱吸收组件示意图；

图3为本发明电化学组件结构示意图；

图4为本发明微水检测组件示意图。

图中：1、进气及过滤组件；2、气体分路计量组件；3、光谱组件；31、光源组件；311、反射镜A；312、狭缝光栅A；313、衍射光栅；314、狭缝光栅B；32、分光组件；321、反射镜B；322、半反射镜；323、反射镜C；324、反射镜D；33、吸收组件；331、吸收池；34、检测组件A；341、晶体滤镜A；342、晶体滤镜B；343、光电检测A；344、光电检测B；4、电化学组件；41、气体分路和计量组件；42、气体通道；43、传感器阵列；44、数据输出组件；5、冷镜微水组件；51、冷镜组件；511、组件基座；512、半导体制冷片；513、导热测温组件；514、制冷镜面；52、检测组件B；521、照射光源；522、均光组件；523、光学结露检测组件；6、数据处理组件；7、总数据输出组件。

具体实施方式

下面将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做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。

参阅图1，一种多功能SF6气体中分解产物各组分的综合分析仪，包括进气及过滤组件1、气体分路计量组件2、光谱组件3、电化学组件4、冷镜微水组件5、数据处理组件6和总数据输出组件7，待测气体通过进气管路连接进气及过滤组件1，进气及过滤组件1连接气体分路计量组件2，气体分路计量组件2分别连接光谱组件3和冷镜微水组件5，光谱组件3连接电化学组件4，电化学组件4和冷镜微水组件5一起电连接于数据处理组件6，数据处理组件6电连接于总数据输出组件7，其中：

待测气体通过专用管路和接头接入进气及过滤组件1，其作用为过滤可能的大颗粒杂质，以免杂质对后续气路及检测组件产生破坏，此过滤组件为物理过滤，对气体内各组分无任何影响，不影响组分分析数据。

气体分路计量组件2气路分为两路，气体分路计量组件2包括成分计量通道和微水计量通道，因本分析设备对样气的组分成分和水蒸气含量同时进行检测，因此将气路分为两路，一路为组分分析气路，一路为水分检测气路，每条气路单独计量气量，成分计量通道与样气在光谱组件3连接，微水计量通道和冷镜微水组件5连接。

样气在光谱组件3内，经双波段光线照射，检出CF4和预判其余组分含量。此过程对气体无本质改变。

光谱组件3之后的样气进入电化学组件4，如果样气含有某分解产物组分，则相应电化学传感器会输出对应的信号。

单独的一路样气经过冷镜微水组件5，在仪器控制下持续降温，直到由光学传感器检测到镜面结露，则当时温度为露点数据，根据不同露点对应不同含水量，得出含水量数据。

数据处理组件6和总数据输出组件7将各传感器和组件的数据进行分析处理并输出。

参阅图2，光谱组件3包括光源组件31、分光组件32、吸收组件33和检测组件A34，红外光源和紫外光源经过光源组件31的处理进入侧面的分光组件32，经过分光组件32的反射将红外光束和紫外光束投射到吸收组件33，吸收组件33的下方设置检测组件A34。光源组件31包括反射镜A311、狭缝光栅A312、衍射光栅313和狭缝光栅B314。分光组件32包括反射镜B321、半反射镜322、反射镜C323和反射镜D324。吸收组件33内置吸收池331。检测组件A34包括晶体滤镜A341、晶体滤镜B342、光电检测A343和光电检测B344。

首先，将红外光源(即图2的A)和紫外光源(即图2的B)通过反射镜A311混合，通过狭缝光栅A312、衍射光栅313和狭缝光栅B314进行处理，得到特定频段的照射光源521；然后光线经由反射镜B321反射到半反射镜322，红外光源直接反射到反射镜C323，紫外光源经过半反射镜322折射透过半反射镜322，照射到反射镜D324，反射镜D324投射的是红外光束(即图2的C)，反射镜D324投射的是紫外光束(即图2的D)，至此完成了分光；然后两条频段的光束照射吸收池331里的样气，根据不同组分对光谱的吸收曲线不同，吸收光谱经由晶体滤镜A341、晶体滤镜B342，由光电检测A343和光电检测B344分别检测输出，通过对光谱数据库的特征光谱数据对比，得到样气组分含量的数据。

由于有光谱组件3的检测过程不改变样气的成分和性质，因此样气的组分经过光谱组件3检测，预分析后，进入电化学组件4进行剩余组分含量检测。

参阅图3，电化学组件4包括气体分路和计量组件41、气体通道42、传感器阵列43和数据输出组件44，样气通道依次经过气体分路和计量组件41、气体通道42和传感器阵列43，最后经过数据输出组件44。传感器阵列43现阶段预置10种，现装7种，三种传感器位置预留。电化学组件4在检测过程中，相应的气体分解成分组分会被对应的电化学传感器吸收转化，因此其气体量会有变化。在此组件中，本发明为将样气(图3的M为样气通道)通过气体分路和计量组件41将气体分为多路，每路气体对应一种传感器，如果气体中有与传感器对应的成分，则对应传感器会输出数据。气体分路后，通过独立的气体通道42进入传感器阵列43，传感器阵列43现阶段预置10种，现装7种，三种传感器位置预留(图3的传感器阵列43最下端的3个)，以备将来需要新组分检测传感器安装。传感器阵列43的数据由计算机汇总到数据输出组件44处理输出。

参阅图4，冷镜微水组件5由冷镜组件51和检测组件B52组成。冷镜组件51由组件基座511、半导体制冷片512、导热测温组件513和制冷镜面514组成，制冷镜面514是一个高精度的镜面原件，制冷镜面514粘贴在导热测温组件513上，如果镜面有结露，会被光学检测传感器检测到，导热测温组件513粘贴在半导体制冷片512上，导热测温组件513导热性能好，能够保证冷镜温度与导热组件相同，半导体制冷片512设置在组件基座511上，半导体制冷片512受控降温。

检测组件B52由照射光源521、均光组件522、光学结露检测组件523组成，均光组件522和光学结露检测组件523粘贴在一起，均光组件522的上方设置照射光源521。检测开始时，照射光源521通过均光组件522照射制冷镜面514，以使光学检测组件达到最大检测灵敏度。当检测气体通入样气通道，冷镜组件51开始降温，当光谱组件3检测到出现结露，设备会自动记录此时温度，此温度即为露点，查表即可得到对应的含水量。

本发明的原理：

采用红外光谱吸收技术，检测CF4组分含量。

采用紫外光谱吸收技术，检测SO2、H2S组分含量。

整合电化学检测技术，实现其余气体组分的含量检测。

采用红外光谱和紫外光谱吸收综合方案，实现吸收峰重叠的组分含量检测，并对电化学组分含量检测的数据进行比对分析，进一步提高检测精度。

本发明的相关术语解释：

SF6：六氟化硫(sulfur hexafluoride)是一种无色、无臭、无毒、不燃的稳定气体，SF6被广泛用作高压电气设备的绝缘介质。

SO2：二氧化硫，SF6气体与电气设备内部的固体绝缘材料的分解产物之一。

H2S：硫化氢，SF6气体与电气设备内部的固体绝缘材料的分解产物之一。

CO：一氧化碳，SF6气体与电气设备内部的固体绝缘材料的分解产物之一。

CO2：二氧化碳，SF6气体与电气设备内部的固体绝缘材料的分解产物之一。

CF4：四氟化碳，SF6气体与电气设备内部的固体绝缘材料的分解产物之一。

AlF3：氟化铝，SF6气体分解产物中的H2S等与设备内部导体的金属铝氧化物成分在特定条件下生成的化合物。

CuF2：二氟化铜，SF6气体分解产物中的H2S等与设备内部导体的金属铜及氧化物成分在特定条件下生成的化合物。

吸收光谱：吸收光谱(absorption spectrum)是指物质吸收光子，从低能级跃迁到高能级而产生的光谱。吸收光谱又名吸收曲线。不同波长光对样品作用不同，吸收强度也不同。简单说，就是：同一种物质，用不同波长光线照射，所表现出的光谱曲线不同；而同一波长的光线，照射同一物质，所表现出的光谱曲线也不同。可以以此作为光谱吸收法来分辨气体混合物中不同的成分。

综上所述：本发明的多功能SF6气体中分解产物各组分的综合分析仪，本发明采用红外吸收光谱技术和紫外吸收光谱技术，结合电化学传感器技术，来检测SF6气体内微量的CF4气体组分含量和其余分解产物组分含量，同时利用高低两频段光谱技术，来进行辅助含量分析，实现对SF6气体分解产物组分精确检测的目的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多功能SF6气体中分解产物各组分的综合分析仪，其特征在于，包括进气及过滤组件(1)、气体分路计量组件(2)、光谱组件(3)、电化学组件(4)、冷镜微水组件(5)、数据处理组件(6)和总数据输出组件(7)，待测气体通过进气管路连接进气及过滤组件(1)，进气及过滤组件(1)连接气体分路计量组件(2)，气体分路计量组件(2)分别连接光谱组件(3)和冷镜微水组件(5)，所述光谱组件(3)连接电化学组件(4)，电化学组件(4)和冷镜微水组件(5)一起电连接于数据处理组件(6)，所述数据处理组件(6)电连接于总数据输出组件(7)，其中，

进气及过滤组件(1)过滤可能的大颗粒杂质，以免杂质对后续气路及检测组件产生破坏，进气及过滤组件(1)为物理过滤，对气体内各组分无任何影响，不影响组分分析数据；

气体分路计量组件(2)气路分为两路，一路为组分分析气路，一路为水分检测气路，每条气路单独计量气量；

样气在光谱组件(3)内，经双波段光线照射，检出CF4和预判其余组分含量；

光谱组件(3)之后的样气进入电化学组件(4)，如果样气含有某分解产物组分，则相应电化学传感器会输出对应的信号；

单独的一路样气经过冷镜微水组件(5)，在仪器控制下持续降温，直到由光学传感器检测到镜面结露，则当时温度为露点数据，根据不同露点对应不同含水量，得出含水量数据；

数据处理组件(6)和总数据输出组件(7)将各传感器和组件的数据进行分析处理并输出。

2.根据权利要求1所述的一种多功能SF6气体中分解产物各组分的综合分析仪，其特征在于，所述气体分路计量组件(2)包括成分计量通道和微水计量通道，成分计量通道与样气在光谱组件(3)连接，微水计量通道和冷镜微水组件(5)连接。

3.根据权利要求1所述的一种多功能SF6气体中分解产物各组分的综合分析仪，其特征在于，所述光谱组件(3)包括光源组件(31)、分光组件(32)、吸收组件(33)和检测组件A(34)，红外光源和紫外光源经过光源组件(31)的处理进入侧面的分光组件(32)，经过分光组件(32)的反射将红外光束和紫外光束投射到吸收组件(33)，吸收组件(33)的下方设置检测组件A(34)。

4.根据权利要求3所述的一种多功能SF6气体中分解产物各组分的综合分析仪，其特征在于，所述光源组件(31)包括反射镜A(311)、狭缝光栅A(312)、衍射光栅(313)和狭缝光栅B(314)；

所述分光组件(32)包括反射镜B(321)、半反射镜(322)、反射镜C(323)和反射镜D(324)；

所述吸收组件(33)内置吸收池(331)；

所述检测组件A(34)包括晶体滤镜A(341)、晶体滤镜B(342)、光电检测A(343)和光电检测B(344)。

5.根据权利要求1所述的一种多功能SF6气体中分解产物各组分的综合分析仪，其特征在于，所述电化学组件(4)包括气体分路和计量组件(41)、气体通道(42)、传感器阵列(43)和数据输出组件(44)，样气通道依次经过气体分路和计量组件(41)、气体通道(42)和传感器阵列(43)，最后经过数据输出组件(44)。

6.根据权利要求5所述的一种多功能SF6气体中分解产物各组分的综合分析仪，其特征在于，所述传感器阵列(43)现阶段预置10种，现装7种，三种传感器位置预留。

7.根据权利要求1所述的一种多功能SF6气体中分解产物各组分的综合分析仪，其特征在于，所述冷镜微水组件(5)由冷镜组件(51)和检测组件(52)组成。

8.根据权利要求7所述的一种多功能SF6气体中分解产物各组分的综合分析仪，其特征在于，所述冷镜组件(51)由组件基座(511)、半导体制冷片(512)、导热测温组件(513)和制冷镜面(514)组成，所述制冷镜面(514)粘贴在导热测温组件(513)上，导热测温组件(513)粘贴在半导体制冷片(512)上，半导体制冷片(512)设置在组件基座(511)上。

9.根据权利要求7所述的一种多功能SF6气体中分解产物各组分的综合分析仪，其特征在于，所述检测组件B(52)由照射光源(521)、均光组件(522)、光学结露检测组件(523)组成，均光组件(522)和光学结露检测组件(523)粘贴在一起，均光组件(522)的上方设置照射光源(521)。