功率稳定型光声SF6分解气体传感系统研究

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随着我国电力科技突飞猛进的发展和高电压等级变电站的建设,做好对电气设备的质量监督管理工作变得尤为重要。对SF6分解产物的浓度、组分和生成速率等信息进行检测是判断高压开关、气体绝缘开关GIS(Gas Insulated Switchgear)等电气设备内部故障的有效方法。目前在电力系统中主要采用气相色谱法、电化学法、检测管法等离线方法检测SF6分解产物。光声光谱技术以灵敏度高、响应时间快及装置简单等优势已被广泛地用于痕量气体检测领域。在光声光谱技术中光声信号强度和激励光源功率成正比,因此,激励光源的功率稳定性会影响光声光谱技术的探测准确度。然而常见的激光器因为工作温度、电磁干扰、放电电流、激活介质增益系数等因素的影响,其输出功率会发生波动。本文针对电力系统对SF6电气设备中气体衍生物的在线高精度探测需要,对光声光谱技术相关理论进行了研究,设计并搭建了一套功率稳定型光声SF6分解气体传感系统,实现对SF6背景气体下痕量SO2气体的实时检测。采用基于声光调制器的激光功率稳定控制系统提高光源输出功率稳定度,并通过实验评估了传感器的性能。本文主要的研究内容和取得的成果如下:(1)搭建了一套基于声光调制器的功率稳定控制系统。采用声光调制的方法稳定激光功率,系统由光路模块、光电放大模块与反馈电路模块组成,通过反馈算法设计,控制声光调制器实现对输出激光功率的稳定性控制。对紫外、可见光、近红外、中红外各个波段的激光器进行测试,实验结果表明本系统对各个波段的激光器的功率波动有很好的抑制效果,对各个波段的激光器均可以得到每小时优于0.05%的稳定度。(2)搭建了一套功率稳定型光声SF6分解气体传感系统。使用266 nm被动调Q激光器为激励光源,并结合激光功率稳定控制系统稳定激光器的输出功率,设计双通道差分光声池作为光声探测模块。根据实验对传感器系统的光源调制频率、压力、气体流速进行优化。通过理论分析和实验验证,在纯SF6气体中光声池的Q值为82,传感器系统灵敏度可以达到139 ppb,对应的归一化噪声等效浓度(1σ)为3.2×10-9cm-1W/Hz1/2,通过线性拟合得到的R~2值为0.998。该传感器灵敏度高,噪声免疫能力强,具有良好线性响应度,为电力系统故障诊断提供一种在线探测技术,具有很好的应用前景。
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