一種偏心結構的紫外熒光檢測裝置的制造方法
【專利摘要】一種偏心結構的紫外熒光檢測裝置，裝置包括感應調壓器、無電暈實驗變壓器、無局部放電保護電阻、標準電容分壓器、無感電阻、GIS模擬元件、數字存儲示波器，設置紫外熒光系統，所述紫外熒光系統，包括熒光激發組件、熒光捕集組件、氣路組件；檢測時先進行系統性能參數測量，然后進行檢測六氟化硫氣體放電微量組分的濃度。本裝置可以長時間實時、在線、連續監測，綜合性強，可廣泛用于SF6氣體絕緣電氣設備，特別是GIS設備中局放下六氟化硫分解組分的檢測。
【專利說明】
一種偏心結構的紫外熒光檢測裝置
技術領域
[0001] 本實用新型屬于氣體絕緣電氣設備的絕緣狀態在線監測技術領域，尤其涉及一種 偏心結構的紫外熒光檢測裝置。
【背景技術】
[0002] 氣體絕緣組合電器（簡稱GIS)具有占地面積小、運行安全可靠、維護工作量少、檢 修周期長等優點，在電力系統得到了廣泛的應用。然而，GIS內部不可避免的絕緣缺陷會逐 步擴展并導致故障發生，最常見的電氣故障特征是在絕緣完全擊穿或閃絡前發生局部放電 (簡稱ro)。研究表明，ro會引起絕緣氣體SF 6發生分解，并與雜質中的O2、H2O以及有機物發生 復雜的化學反應，生成如30?2、3(^2、30?4、3〇2、0?4、0)2、冊、!123等產物，這些生成物會進一步 加劇絕緣缺陷的劣化，從而使設備的整體絕緣性能降低，危及設備的安全運行。因此，十分 有必要對SF 6氣體絕緣電氣設備的早期絕緣狀況進行有效的評估和預警。現代測試分析技 術的發展，使得通過測試SF6分解產物的類型和含量來診斷設備內部是否存在故障，并對放 電的類型進行模式識別，進而對設備運行狀態進行診斷和評估成為可能。本實用新型針對 SF6電氣設備中故障氣體的紫外熒光效應，設計了六氟化硫氣體放電微量組分的紫外熒光 檢測裝置，其檢測限度可達到PPb級別，對于保證GIS的安全可靠運行，實現對GIS絕緣缺陷 引起突發性故障的早期診斷和預測有著十分重要的意義。
[0003] 現有的GIS PD放電分解組分的檢測裝置和方法，如公開號為CN101644670A的"六 氟化硫氣體放電微量組分的紅外檢測裝置及方法"專利，公開的裝置主要包括感應調壓器、 無電暈實驗變壓器、無局放放電保護電阻、標準電容分壓器、GIS模擬元件、無感電阻、傅里 葉變換紅外光譜儀、寬頻高速超大容量數字存儲示波器等，公開的方法是利用其實用新型 裝置對ro下SF 6分解組分進行紅外光譜檢測。該專利的主要缺點是：
[0004] (1)紅外光譜檢測是通過對比入射的紅外光和經過氣體吸收后的出射紅外光的光 強變化來檢測氣體濃度的，由于ro下SF 6分解組分濃度較小，一般為0.01yL/L-10yL/L量級， 所以入射的紅外光和經過分解氣體吸收后的出射紅外光的光強變化較小，再加上目前檢測 紅外光強所用的紅外檢測器靈敏度低，從而導致紅外光譜檢測靈敏度較低，即使采用該公 開專利所述的長氣體池，靈敏度也只有yL/L級別。
[0005] (2)由于紅外光譜檢測靈敏度較低，要達到一定的檢測靈敏度，就必須選擇PD下 SF6分解組分的較強吸收峰作為特征吸收峰，由于下SF6分解組分較為復雜，各組分的紅外 吸收峰存在交叉重疊，檢測時會造成交叉干擾，致使紅外光譜檢測精度大大降低。
[0006] (3)該專利中所使用的氣體池為長光程氣體池，外形為Φ 104mm*500mm的圓柱體， 氣體池體積較大(約為4.25L)，每次測量需大量樣氣，增加了測量的成本和難度。 【實用新型內容】
[0007] 本實用新型的目的在于解決目前國內現有技術和設計原理在該領域的缺陷和不 足，根據現代分析化學和儀器分析的最新發展成果提出一種偏心結構的紫外熒光檢測裝 置，具有靈敏度高、精度高、穩定性好、消耗樣氣少、無需任何化學試劑，可以長時間連續實 時在線監測等特點。
[0008] 本實用新型的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的：
[0009] -種偏心結構的紫外熒光檢測裝置，包括感應調壓器、無電暈實驗變壓器、無局部 放電保護電阻、標準電容分壓器、無感電阻、GIS模擬元件、數字存儲示波器，設置紫外熒光 系統，所述紫外熒光系統，包括熒光激發組件、熒光捕集組件、氣路組件；
[0010]所述的熒光激發組件包括紫外光源9、激發光濾光片10、石英透鏡11、熒光氣室12、 消光錐13、光電管14和溫度控制器15,紫外光源9發出的激發光依次經過激發光濾光片10和 石英透鏡11的聚焦后，進入熒光氣室12,所述的熒光氣室12尾部設有消光錐13、光電管14， 頂部設有溫度控制器15;所述的熒光氣室12為單光程氣室，進入熒光氣室12的激發光束采 用偏心結構，使紫外光源9、激發光濾光片10和石英透鏡11的中心在同一條水平線上，而這 條水平線偏離氣室的軸線更靠近熒光捕集室16;光電管14與入射光線的中心在同一直線 上。
[0011]而且，所述的熒光捕集組件包括熒光捕集室16、聚焦鏡17、熒光濾光片18、光電倍 增管19和單光子計數系統20,在熒光氣室12的前側設有圓柱形的熒光捕集室16,所述的熒 光捕集室16內部依次安裝有聚焦鏡17、熒光濾光片18、光電倍增管19,光電倍增管19與外部 的單光子計數系統20相連。
[0012] 而且，所述的單光子計數系統20包括依次連接的放大器27、甄別器28和計數器29。 [0013] 而且，所述的氣路組件包括進氣口 21、進氣閥22、流量計23、出氣口 24、出氣閥25、 抽氣栗26構成，在熒光氣室12的頂部設有進氣口 21和出氣口 24，所述進氣口 21通過進氣閥 22，一側連接被測氣體，另一側連接流量計23，所述出氣口 24通過出氣閥25連接抽氣栗26。
[0014] 而且，水平線偏離氣室的軸線的角度為5至15度。
[0015] 本實用新型的特點與有益效果是：
[0016] (1)本實用新型裝置的靈敏度高，能有效檢測出低至PPb級別的S02、N0等氣體組 分，能夠對局放下六氟化硫特征分解組分進行定性和定量分析。
[0017] (2)現有的局放下六氟化硫分解組分紅外光譜檢測方法，因靈敏度低，必須選用較 強的紅外吸收峰作為檢測用的吸收峰，存在吸收峰交叉干擾的問題，而本實用新型裝置采 用紫外熒光法，選擇性強，有效的避免了吸收峰的交叉干擾問題，提高了裝置的檢測精度。
[0018] (3)本實用新型裝置每次檢測僅需樣氣0.36L(熒光氣室的內腔體積），遠小于現有 的局放下六氟化硫分解組分紅外光譜檢測方法的4.25L，節約了用氣，減小了采氣和檢測難 度，節省大量人力物力成本。
[0019] 本實用新型可以長時間實時、在線、連續監測，綜合性強，可廣泛用于SF6氣體絕緣 電氣設備，特別是GIS設備中局放下六氟化硫分解組分的檢測，為科研、教學、研究院，設備 制造廠家及電力系統中對GIS設備SF 6狀態檢測的理論分析和應用研究提供了一種簡便可 靠的方法。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本實用新型實施例裝置的原理接線圖；
[0021] 圖2為本實用新型實施例裝置中紫外熒光系統的結構示意圖；
[0022] 圖3為本實用新型實施例裝置中單光子技術系統的結構圖；
[0023] 圖中：1感應調壓器;2無電暈實驗變壓器;3無局部放電保護電阻;4標準電容分壓 器;5無感電阻;6GIS模擬元件;7紫外熒光系統;8寬頻高速超大容量數字存儲示波器;9紫外 光源；10激發濾光片；11石英透鏡；12熒光氣室；13消光錐;14溫度控制器;16熒光捕集室；17 聚焦鏡；18熒光濾光片；19光電倍增管;20單光子計數系統;21進氣口； 22進氣閥；23流量計； 24出氣口； 25出氣閥；26抽氣栗;27放大器;28甄別器;29計數器。
【具體實施方式】
[0024] 下面通過實施例，并結合附圖，對本實用新型的技術方案作進一步具體的說明。
[0025] 本實用新型首創提出在氣體絕緣電氣設備的絕緣狀態檢測領域使用紫外熒光的 方式，機理為:在紫外光照射下，特征氣體分子會吸收紫外光跳躍至激發態，處于激發態的 分子很不穩定，又會回到基態，并放射出熒光，激發出的熒光強度與特征氣體的濃度成正 比，使用光電倍增管測量出熒光強度即可確定SF 6分解組分的濃度。由于不同種類的氣體其 紫外吸收峰的波長不同，激發產生的熒光波長也不同，通過吸收峰波長和熒光波長便可判 斷氣體的種類。
[0026] 實現本實用新型目的的技術方案是:一種偏心結構的紫外熒光檢測裝置，主要包 括感應調壓器1、無電暈實驗變壓器2、無局部放電保護電阻3、標準電容分壓器4、無感電阻 5、GIS模擬元件6、寬頻高速超大容量數字存儲示波器8、紫外熒光系統7等。所述紫外熒光系 統7,主要由熒光激發組件、熒光捕集組件、氣路組件和相互連接構成。感應調壓器1的副邊 與無電暈實驗變壓器2的原邊相連，無電暈實驗變壓器2的副邊與無局部放電保護電阻3的 一端連接，標準電容分壓器4的一端和GIS模擬元件的一端均與無局部放電保護電阻3的另 一端連接，標準電容分壓器4的另一端接地，GIS模擬元件6的另一端連接無感電阻5的一端， 無感電阻5的另一端接地，GIS模擬元件6的另一端還與寬頻高速超大容量數字存儲示波器8 連接。
[0027] 如圖1所示，實施例提供的一種偏心結構的紫外熒光檢測裝置，是在現有的絕緣氣 體局部放電分解組分檢測方法的基礎上，引進紫外熒光法，設計熒光激發組件和熒光捕集 組件，可對電氣設備實現在線監測的高精度裝置。
[0028]所述的熒光激發組件是由紫外光源9、激發光濾光片10、石英透鏡11、熒光氣室12、 消光錐13、光電管14、溫度控制器15構成。紫外光源9、激發光濾光片10、石英透鏡11、熒光氣 室12依次連接，紫外光源9發出的激發光依次經過激發光濾光片10和石英透鏡11的聚焦后， 進入熒光氣室12。所述的熒光氣室為不銹鋼長方體，尾部設有消光錐13、光電管14,頂部設 有溫度控制器15。
[0029]所述的紫外光源9為市購產品，選用波長范圍為190_400nm的氘燈光源，激發光通 過SMA905光纖輸出，其峰-峰穩定性小于0.005%，漂移僅為+/-0.5%每小時，強度大、穩定 性高。實施例中，所述的紫外光源9采用美國海洋光學公司生產的D-2000-DUV氘燈光源。 [0030] 所述的激發光濾光片10為市購產品，研究表明，超過230nm時，SO2、N0等分解組分 對紫外線的吸收極弱，因此本裝置選用190_230nm的激發光濾光片，濾掉超出波長范圍的紫 外光，減少對熒光檢測的干擾。實施例中，所述的激發光濾光片10選用美國Andover 214?32175濾光片，濾鏡的直徑為25111111，其透過率在213.7511111處可達到24.2829%，超過 240nm時透過率降到0.7 %以下，濾光效果良好。
[0031]所述的石英透鏡11為市購產品，其光斑直徑為43mm，大光斑有利于被測氣體與激 發光充分接觸，從而提高裝置的檢測精度。
[0032] 所述的熒光氣室12為單光程氣室，光程為20CM，主腔體尺寸為200*65*65mm，內徑 為Φ48πιπι，容積為360mL。底部平面安裝，4個Φ6長圓孔呈四角分布;腔體采用特種鋁合金， 內部鍍黑色特氟綸處理，以減少內壁對氣體分子的吸收。氣室的耐壓為1.5個大氣壓，耐溫 為50°C。進入熒光氣室的激發光束采用偏心結構，即紫外光源、激發光濾光片和石英透鏡的 中心在同一條水平線(水平軸線)上，而這條水平線偏離氣室的軸線，更靠近熒光捕集室16， 相對于傳統熒光氣室的對稱結構，這一設計更有利于降低光電倍增管19的本底計數率，從 而提高檢測的精度。建議水平線偏離氣室的軸線的角度為5至15度。實施例中石英透鏡的水 平軸線偏離氣室的軸線5mm。
[0033] 熒光氣室尾部設有消光錐13,對激發光具有強吸收作用，減少反射，從而減小激發 光對熒光檢測的干擾。光電管14嵌入消光錐13中，光電管14與入射光線的中心在同一直線 上，可接收紫外光源9的激發光強，用于補償由于光源起伏對測量的影響。通過氣室頂部設 有溫度控制器15，氣室內的溫度得到檢測。
[0034] 所述的熒光捕集組件是由熒光捕集室16、聚焦鏡17、熒光濾光片18、光電倍增管 19、單光子計數系統20構成。在熒光氣室12的前側設有圓柱形的熒光捕集室16,所述的熒光 捕集室的收光孔徑大小為Φ40,內部依次安裝有聚焦鏡17、熒光濾光片18和光電倍增管19， 光電倍增管19與外部的單光子計數系統20相連。光電倍增管19將熒光信號轉換為脈沖電信 號，通過單光子計數系統20,實現對電脈沖的計數。
[0035] 所述的熒光濾光片18的波段由被測氣體分子的熒光范圍決定，以SO2氣體為例，其 氣體分子的熒光范圍為240nm~420nm，在320nm處達到最大值，針對SO 2氣體，本裝置選用美 國THORLABS FGUVl 1濾光片，濾鏡的直徑為25mm，其透過率在320nm處可達到81.55398 %。
[0036] 所述的光電倍增管19為市購產品，將SF6氣體放電分解組分受激發后產生的微弱 熒光信號轉化為電信號，其工作電壓為±15V，控制電壓調節范圍為+0.25V-+0.9V。實施例 中，本裝置選用H9656-02型光電倍增管轉換光電信號，采用22HP-10多圈電位器，由SAKAE公 司生產，其阻值為IOk Ω，阻值公差為± 5 % (標準級）。
[0037] 所述的單光子計數系統20包括依次連接的放大器27、甄別器28和計數器29,所述 的放大器27為市購產品，本裝置選用MAX4414放大器，其小信號時的3dB帶寬為400MHz。所述 甄別器28為市購產品，本裝置選用MAX9012作為鑒別器，該芯片含有兩片高速比較器，延時 為5ns。所述計數器29為單片機計數，本裝置選用的單片機型號為MSP430F149。
[0038] 所述的氣路組件是由進氣口 21、進氣閥22、流量計23、出氣口 24、出氣閥25、抽氣栗 26構成。在熒光氣室12的頂部設有進氣口 21和出氣口 24,直徑為Φ6_，不銹鋼材質，耐腐蝕 性好。所述進氣口 21通過進氣閥22，一側連接被測氣體，另一側連接流量計23。所述出氣口 通過出氣閥25連接抽氣栗26。氣路各組件由耐壓和耐腐蝕性能較好的聚四氟乙烯軟管連 接。即轉接口為聚四氟乙烯材質，耐壓和耐腐蝕性能好。
[0039] 所述的進氣口 21和出氣口 24，直徑均為Φ 6mm，不銹鋼材質，耐腐蝕性好。
[0040]所述的進氣閥22和出氣閥25為市購產品，聚四氟乙烯材質，耐壓和耐腐蝕性能好。 [0041 ] 所述的真空栗為市購產品，功率為150W，抽氣速率為3.6m3/h，極限真空5Pa。
[0042] 所述的熒光氣室的外形，除前述的長方體外，還可為圓柱體、正方體等。
[0043] 為便于本領域技術人員使用參考期間，利用本實用新型裝置，對其GIS模擬元件中 的SF6分解組分進行紫外熒光檢測的具體步驟如下：
[0044] (1)檢測前的準備
[0045]①清洗和調試
[0046]首先用無水酒精清洗熒光氣室12的內壁，除去氣室內雜質，待熒光氣室12風干后， 再安裝激發光濾光片10、石英透鏡11、光電管14、聚焦鏡17、熒光濾光片18、光電倍增管19等 部件，安裝各工裝組件時，各螺紋連接處需加生料帶及密封膠，保證熒光氣室12有良好的氣 密性。最后通過進、出氣口 21/24和進、出氣閥22/25以及抽氣栗26,先利用氮氣對熒光氣室 12進行2-3次清洗，清洗后通過抽氣栗26將熒光氣室12抽真空。
[0047]②系統性能參數測量
[0048] 首先是光電倍增管19的暗計數測量。建議保證開機時間為1小時，在室溫和光電倍 增管的溫度恒定、室內濕度恒定的情況下，不開燈、不通氣，測得光電倍增管19的本底計數， 即為暗計數。
[0049] 在光電倍增管19的暗計數趨于穩定之后，打開氘燈，待氘燈穩定之后，才能進行下 一步操作。一般測試前，氘燈開燈時間都要維持在20分鐘。
[0050] 接著是裝置的本底測量。在激發光源穩定的情況下，通入零氣，測得本底計數率。 零氣選用高純氮，通過鼓風機其流量控制在lL/min左右，建議為0.8-1.2L/min。裝置的本底 測量對后續實驗影響很大，直接反應在凈信號的準確度上。
[0051] 然后測量響應因子λ。包括用配氣裝置將所要測量的氣體配成不同濃度的標準氣 體，分別通過進氣口 21和進氣閥門22充入熒光氣室12;采用光子計數系統20進行單光子計 數，例如計數門時間ls，60點取平均，得到不同濃度標準氣體下光電倍增管19測得的平均總 信號，扣除本底計數之后，得到凈信號N ph，凈信號值與對應的氣體濃度的比值，即為響應因 子λ O
[0052] 最后計算裝置最低檢測限，由現有的信噪比公 獲 取累計時間T內系統的探測極限。
[0053] (2)檢測六氟化硫氣體放電微量組分的濃度
[0054]第（1)步完成后，先打開紫外光源9進行預熱，接著通過出氣口 24、出氣閥25以及抽 氣栗26將熒光氣室12抽成真空，后通過進氣口 21、進氣閥22充入待測的GIS模擬元件中的 SF6分解組分，記下所對應的單光子計數系統20所對應的熒光脈沖計數，最后可利用計算機 程序將單光子計數系統20測得的熒光脈沖計數i = 1，2，…）讀入計算機，在計算機上通 過公式Ci = Si + A，（i = l，2，···）進行計算(式中，λ為響應因子，Si為熒光信號值，標記i表示 第i次），得出準確的SO2濃度值C i (i = 1，2，…）。
[0055]具體實施時，本領域技術人員可根據現有技術自行設置軟件實現計算機程序。 [0056] (3)清洗及維護
[0057]第(2)步完成后，先打開出氣閥24和抽氣栗26,將熒光氣室12中的氣體抽至廢棄池 中排放，后關閉出氣閥24和抽氣栗26,再打開進氣閥22充入氮氣，然后依次打開出氣閥25和 抽氣栗26,將熒光氣室12中的氣體抽至廢棄池中排放。重復以上操作2-3次，將熒光氣室用 氮氣清洗干凈。最后將裝置放入干燥的環境中妥善保存。
[0058] 本實用新型要求保護硬件設計，不涉及軟件方面的改進。
[0059] 本文中所描述的具體實施例僅僅是對本實用新型精神作舉例說明。本實用新型所 屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似 的方式替代，但并不會偏離本實用新型的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。
【主權項】
1. 一種偏心結構的紫外熒光檢測裝置，包括感應調壓器、無電暈實驗變壓器、無局部放 電保護電阻、標準電容分壓器、無感電阻、GIS模擬元件、數字存儲示波器，其特征在于:設置 紫外熒光系統，所述紫外熒光系統，包括熒光激發組件、熒光捕集組件、氣路組件； 所述的熒光激發組件包括紫外光源(9)、激發光濾光片（10)、石英透鏡（11)、熒光氣室 (12)、消光錐（13)、光電管（14)和溫度控制器（15)，紫外光源(9)發出的激發光依次經過激 發光濾光片（10)和石英透鏡（11)的聚焦后，進入熒光氣室（12)，所述的熒光氣室（12)尾部 設有消光錐(13)、光電管（14)，頂部設有溫度控制器（15);所述的熒光氣室（12)為單光程氣 室，進入熒光氣室（12)的激發光束采用偏心結構，使紫外光源(9)、激發光濾光片（10)和石 英透鏡（11)的中心在同一條水平線上，而這條水平線偏離氣室的軸線更靠近熒光捕集室 (16);光電管（14)與入射光線的中心在同一直線上。2. 根據權利要求1所述偏心結構的紫外熒光檢測裝置，其特征在于:所述的熒光捕集組 件包括熒光捕集室（16)、聚焦鏡（17)、熒光濾光片（18)、光電倍增管（19)和單光子計數系統 (20)，在熒光氣室（12)的前側設有圓柱形的熒光捕集室（16)，所述的熒光捕集室（16)內部 依次安裝有聚焦鏡（17)、熒光濾光片（18)、光電倍增管（19)，光電倍增管（19)與外部的單光 子計數系統(20)相連。3. 根據權利要求2所述偏心結構的紫外熒光檢測裝置，其特征在于:所述的單光子計數 系統(20)包括依次連接的放大器(27)、甄別器(28)和計數器(29)。4. 根據權利要求1所述偏心結構的紫外熒光檢測裝置，其特征在于:所述的氣路組件包 括進氣口（21)、進氣閥（22)、流量計（23)、出氣口（24)、出氣閥（25)、抽氣栗（26)構成，在熒 光氣室（12)的頂部設有進氣口（21)和出氣口（24)，所述進氣口（21)通過進氣閥（22)，一側 連接被測氣體，另一側連接流量計(23 )，所述出氣口（ 24)通過出氣閥（25)連接抽氣栗(26)。5. 根據權利要求1或2或3或4所述偏心結構的紫外熒光檢測裝置，其特征在于：水平線 偏離氣室的軸線的角度為5至15度。
【文檔編號】G01N21/64GK205539338SQ201620289903
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月8日
【發明人】張曉星, 周紅, 唐炬, 曾福平, 崔兆侖
【申請人】武漢大學