專利名稱：便攜式SF₆氣體分解物光聲光譜檢測裝置及檢測方法
技術領域：
本發(fā)明屬于六氟化硫(SF6)氣體絕緣金屬封閉電氣設備狀態(tài)檢測技術領域，具體涉及便攜式SF6氣體分解物光聲光譜檢測裝置及檢測方法。
背景技術：
SF6氣體絕緣金屬封閉電氣設備(GIS)具有絕緣強度高、運行安全穩(wěn)定、利于環(huán)境保護、檢修周期長、占地面積小和維護工作量小等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)中，尤其是在大中城市城網(wǎng)建設和改造中得到廣泛應用。但是從近年的運行情況看，國內(nèi)外的GIS在運行中都出現(xiàn)了許多問題，主要是其內(nèi)部不可避免的缺陷引起的故障，一旦故障發(fā)生，GIS由于其封閉的結構使得故障的診斷和檢修工作的執(zhí)行非常困難，并且故障會隨著運行不斷擴大，因此會導致不可估量的經(jīng)濟損失。GIS的故障模式主要是絕緣故障，絕緣故障最通常的特征是 GIS中的絕緣介質(zhì)在完全擊穿前發(fā)生局部放電，在局部放電的作用下，SF6氣體發(fā)生分解，并與雜質(zhì)中的氧氣(O2)、水(H2O)以及有機物發(fā)生復雜的化學反應，生成的主要產(chǎn)物有二氧化硫(SO2)、氟化亞硫酰(SOF2)、氟化硫酰(SO2F2)、四氟化碳(CF4)及氟化氫(HF)等。局部放電產(chǎn)生的這些活性氣體會加速絕緣的老化和腐蝕金屬，進而加劇局部放電程度，最終引發(fā)GIS故障，故必須對這些氣體雜質(zhì)進行含量限制，有必要對分解氣體進行檢測。同時，可以通過定期對GIS內(nèi)部局部放電分解組分，如S02、SO2F2, SOF2, CF4, HF等進行監(jiān)測和分析，通過氣體組分的類型和含量來判斷絕緣缺陷的類型和程度，為GIS設備的絕緣水平的判斷和狀態(tài)檢修提供依據(jù)，從而避免嚴重故障和大停電事故的發(fā)生?，F(xiàn)有六氟化硫局部放電下分解組分的光聲檢測裝置和實驗方法申請?zhí)枮?01010295554. 0的專利“局放下六氟化硫分解組份的紅外光聲光譜檢測裝置及方法”，公開的裝置主要包括無電暈實驗變壓器、感應調(diào)壓器、無局部放電保護電阻、無感電阻、標準電容分壓器、GIS模擬元件、寬頻高速超大容量數(shù)字存儲示波器、紅外光聲光譜系統(tǒng)等；公開的實驗方法包括(I)檢測前的準備；(2)檢測局放下六氟化硫分解組分的濃度；(3)清洗及維護。該專利的主要缺點是其所采用的紅外光聲光譜檢測裝置只能對SF6氣體局部放電分解組分的類型和含量進行離線檢測，通過用采氣袋采集GIS模擬元件里面局部放電產(chǎn)生的SF6分解氣體，然后通入光聲光譜檢測裝置進行檢測，該裝置存在三個方面的問題1、該裝置只能通過采氣袋采氣，然后注入到光聲光譜檢測裝置中，由于采氣袋的密封性、采集過程和存放時間都會對分解組分的濃度有影響，因此不能保證檢測的精度；2、該裝置體積龐大，由多個(寬譜紅外光源、硒化鋅透鏡、斬波器、斬波器控制器、濾光片輪、濾光片、硒化鋅窗片、光聲池、光學支架、鎖相放大器及計算機等)分離的元件構成，現(xiàn)場使用不方便；3、檢測方法中，人工操作多，讀數(shù)必須通過示波器，不便于現(xiàn)場自動檢測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的六氟化硫局部放電下分解組分的光聲檢測裝置及方法只能進行離線檢測，不適合用于現(xiàn)場檢測，提供一種便攜式SF6氣體分解物光聲光譜檢測裝置及檢測方法，具有靈敏度高、自動實現(xiàn)檢測和濃度的換算、檢測速度快、檢測精度高、便于攜帶、特別適合在線監(jiān)測等優(yōu)點。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案一種便攜式SF6氣體分解物光聲光譜檢測裝置，它包括外殼，在外殼內(nèi)設有拋物面柱鏡，在拋物面柱鏡上設有紅外光源，在拋物面柱鏡前方依次設有斬波器、濾光片輪以及光聲池，在濾光片輪上設有若干沿圓周方向均勻分布的若干濾光片，紅外光線穿過濾光片進入光聲池的光窗；光聲池設有微音器、氣壓傳感器、溫度傳感器，光聲池與輸氣管和真空管路連接，真空管路與真空泵連接；斬波器與斬波器控制器連接，濾光片輪與單片機連接，微音器與鎖相放大模塊，氣壓傳感器與單片機連接，溫度傳感器與A/D轉換器連接，A/D轉換器與鎖相放大模塊連接，單片機與液晶驅動及顯示屏和工作電源連接。所述外殼分為上下兩層，用隔板隔開，拋物面柱鏡、紅外光源、斬波器、濾光片輪以及光聲池固裝在外殼上層；斬波器控制器、鎖相放大模塊、A/D轉換器、單片機、穩(wěn)壓器、液·晶驅動及顯示屏固裝在下層。所述光聲池與輸氣管和真空管路的連接處分別設有進氣閥和出氣閥。所述光聲池為一階縱向共振光聲池，在光聲池的圓柱體內(nèi)的軸向中心處設置諧振腔，諧振腔的內(nèi)壁經(jīng)拋光處理，用以產(chǎn)生光聲信號，在諧振腔的兩端還分別設有緩沖氣室，用以減小所述光窗吸收紅外光產(chǎn)生的噪聲對光聲信號造成的干擾，同時在所述的光聲池的上端設有一通孔；所述的微音器固接在此通孔處，并通過所述的信號電纜與所述的鎖相放大模塊的輸入端連接，所述的微音器將諧振腔產(chǎn)生的光聲信號轉換成電信號后通過信號電纜傳輸給所述的鎖相放大模塊進行檢測，然后又通過信號電纜與所述的A/D轉換器連接，再將出來的數(shù)字信號輸入單片機進行處理。所述工作電源主要由變壓器、整流模塊和鋰電池構成，變壓器的原邊與市電連接，變壓器的副邊與整流模塊的輸入端相連接，整流模塊的輸出端與鋰電池并聯(lián)后，再與電源開關串聯(lián)，然后通過電源線分別與所述的紅外光源、斬波器、濾光片輪、微音器、溫度傳感器、氣壓傳感器、斬波控制器、鎖相放大單元、A/D轉換器、單片機、液晶驅動及顯示屏、真空泵、進氣閥和出氣閥線圈的電源端相接，用以供給上述各元件的工作電源；鋰電池與變壓器和整流模塊采用浮充運行方式。一種采用便攜式SF6氣體分解物的光聲光譜檢測裝置的檢測方法，具體步驟為(I)現(xiàn)場測量前準備，對裝置進行調(diào)試和氣密性檢測，并清洗光聲池；(2)確定光聲信號和組分濃度之間的函數(shù)關系①數(shù)據(jù)采樣用配氣裝置將所要測量的六種單一氣體C02、CF4, SO2F2, SOF2, SO2, HF配比成不同體積分數(shù)的標準單一氣體，同時用配氣裝置將所要測量的六種單一氣體C02、CF4, SO2F2,SOF2, SO2, HF配比成不同體積分數(shù)的混合氣體；通過所述的單片機控制所述的進氣閥自動開啟，分別向所述的光聲池內(nèi)部充入配好的氣體，再通過所述的單片機程序控制濾光片輪旋轉，依次將中心波長分別為4260nmC02吸收峰中心波長、7780nmCF4吸收峰中心波長、18550nmS02F2吸收峰中心波長、18860nmS0F2吸收峰中心波長、7350nmS02吸收峰中心波長、2740nmHF吸收峰中心波長)的濾光片旋轉至光路中，并依次記下每個濾光片所對應的所述液晶驅動及顯示屏上光聲信號區(qū)顯示的光聲信號值S= (SijS2,…，S6),記錄六種氣體各種體積分數(shù)Ci= (C1, C2,…，C6),所述液晶驅動及顯示屏上光聲信號區(qū)顯示的測得的光聲信號值Si，其中i表示不同中心波長的濾光片，1-6分別代表CO2、CF4、SO2F2、SOF2、SO2和HF氣體對應的濾光片；Si(i=l，2，3，4，5，6)與 CiQ=I, 2，3，4，5，6)分別表示 CO2、CF4、SO2F2、SOF2、SO2和HF氣體所對應的光聲信號值和氣體體積分數(shù)。②交叉響應處理對光聲信號值Si進行交叉響應處理，結合支持向量回歸機方法依次計算支持向量回歸機決策函數(shù)以及計算克服交叉響應后的混合氣體中某種單一氣體的體積分數(shù)& ;將每個濾光片所對應的所述液晶驅動及顯示屏上光聲信號區(qū)顯示鎖相放大模塊測得的交叉響應光聲信號值Si作為輸入特征量，將 混合氣體中某種氣體的體積分數(shù)作為輸出Cp采用支持向量回歸機方法消除交叉響應，實現(xiàn)對混合氣體中某種氣體體積分數(shù)的精確檢測；(3)測SF6局部放電分解氣檢體的濃度將所述的便攜式SF6分解組分光聲光譜檢測裝置放置在現(xiàn)場的合適位置，進氣管與GIS的出氣接口連接，開機；單片機自動控制所述進氣閥的自動關閉，所述出氣閥自動開啟，所述真空泵也自動開啟，對所述光聲池抽真空，當所述液晶驅動及顯示屏上對應的氣壓模塊顯示的氣壓值小于0. 005MPa時，所述的單片機自動控制所述出氣閥和真空泵自動關閉，靜置所述光聲池一段時間后，又自動控制所述進氣閥的開啟，向所述的光聲池內(nèi)充入一個氣壓的SF6分解氣體，所述的進氣閥又自動關閉；再通過所述單片機控制所述濾光片輪旋轉，依次將中心波長分別為4260nmC02吸收峰中心波長、7780nmCF4吸收峰中心波長、18550nmS02F2吸收峰中心波長、18860nmS0F2吸收峰中心波長、7350nmS02吸收峰中心波長、2740nmHF吸收峰中心波長的濾光片旋轉至光路中，通過所述微音器檢測到的光聲信號通過所述的A/D轉換器將模擬信號轉換成數(shù)字信號，再通過信號電纜與所述的單片機連接，通過上述基于支持向量機所編的計算程序將測得的光聲信號轉換成相對應的組分濃度，并將所得到的濃度值在所述的液晶驅動及顯示屏的分解組分濃度區(qū)上顯示。(4)設備維護。所述步驟(2)中，交叉響應處理的具體過程為I)初始化設置用于高斯核函數(shù)K(S，Si)=eXp(-|S-Si|2/2o2)的參數(shù)O和支持向量回歸機的預設誤差限e ;利用網(wǎng)格搜索法，尋找這兩個參數(shù)的最優(yōu)組合，尋優(yōu)區(qū)間分別為(0，10)和(0，1)，尋優(yōu)過程選格點數(shù)為1*10，搜索步長為0. 1，當均方差最小時獲得最優(yōu)參數(shù)組合(O , e )；2 )構建支持向量回歸機第I)步完成后,將建立生成降低混合氣體光聲信號交叉響應的支持向量回歸機；首先建立降低混合氣體中CO2光聲信號交叉響應支持向量回歸機,輸入為每個濾光片所對應的鎖相放大器測得的交叉響應光聲信號值Si,輸出為混合氣體中SF6氣體的體積分數(shù)C1 ；支持向量回歸機的預設誤差限e通過第I步初始化為0.01 ;當生成降低混合氣體中CO2光聲信號交叉響應的支持向量回歸機構建完畢之后，利用高斯核函數(shù)分布函數(shù)來訓練該支持向量回歸機,獲得標準輸入輸出模型,建立支持向量回歸機學習樣本庫；將輸出改變?yōu)榛旌蠚怏w中CF4氣體的體積分數(shù)C2，輸入不變則可以生成降低混合氣體中CF4光聲信號交叉響應的支持向量回歸機；同理，分別改變輸出為S02F2、SOF2, SO2和HF氣體的體積分數(shù)C3、C4、C5以及c6，則可以分別生成降低混合氣體中SO2F2、SOF2、SO2和HF氣體光聲信號交叉響應的支持向量回歸機；3)訓練樣本庫，S卩訓練在第2)步中所建立的支持向量回歸機，訓練完畢之后，在實際應用時直接使用。所述訓練樣本庫過程為用實驗獲得的用光聲信號值Si樣本分為訓練樣本S-Train和測試樣本S-Test,選取S-Train并結合先驗知識來訓練上述模型,根據(jù)式(I)計算出混合氣體中各種單一氣體對應的支持向量集合{ a I co2B, a i co2B* ； a 2 CF4、a 2 CF4*, a 3
S02F2、Q 3 S02F2，Q 4 S0F2、Q 4 S0F2，Q 5 S02 ^ Q 5 S02 Q 6 HF'' Q 6 HF ，分別構造出對應的六種決策函
數(shù)h (S);從而得到混合氣體中某種單一氣體的體積分數(shù)Ci=F^ (S)，并將此關系所述的單片機中以程序反應；
權利要求
1.一種便攜式SF6氣體分解物的光聲光譜檢測裝置，其特征是，它包括外殼，在外殼內(nèi)設有拋物面柱鏡，在拋物面柱鏡上設有紅外光源，在拋物面柱鏡前方依次設有斬波器、濾光片輪以及光聲池，在濾光片輪上設有若干沿圓周方向均勻分布的若干濾光片，紅外光線穿過濾光片進入光聲池的光窗；光聲池設有微音器、氣壓傳感器、溫度傳感器，光聲池與輸氣管和真空管路連接，真空管路與真空泵連接；斬波器與斬波器控制器連接，濾光片輪與單片機連接，微音器與鎖相放大模塊，氣壓傳感器與單片機連接，溫度傳感器與A/D轉換器連接，A/D轉換器與鎖相放大模塊連接，單片機與液晶驅動及顯示屏和工作電源連接。
2.如權利要求I所述的便攜式SF6氣體分解物的光聲光譜檢測裝置，其特征是，所述外殼分為上下兩層，用隔板隔開，拋物面柱鏡、紅外光源、斬波器、濾光片輪以及光聲池固裝在外殼上層；斬波器控制器、鎖相放大模塊、A/D轉換器、單片機、穩(wěn)壓器、液晶驅動及顯示屏固裝在下層。
3.如權利要求I所述的便攜式SF6氣體分解物的光聲光譜檢測裝置，其特征是，所述光聲池與輸氣管和真空管路的連接處分別設有進氣閥和出氣閥。
4.如權利要求I所述的便攜式SF6氣體分解物的光聲光譜檢測裝置，其特征是，所述光聲池為一階縱向共振光聲池，在光聲池的圓柱體內(nèi)的軸向中心處設置諧振腔，諧振腔的內(nèi)壁經(jīng)拋光處理，用以產(chǎn)生光聲信號，在諧振腔的兩端還分別設有緩沖氣室，用以減小所述光窗吸收紅外光產(chǎn)生的噪聲對光聲信號造成的干擾，同時在所述的光聲池的上端設有一通孔；所述的微音器固接在此通孔處，并通過所述的信號電纜與所述的鎖相放大模塊的輸入端連接，所述的微音器將諧振腔產(chǎn)生的光聲信號轉換成電信號后通過信號電纜傳輸給所述的鎖相放大模塊進行檢測，然后又通過信號電纜與所述的A/D轉換器連接，再將出來的數(shù)字信號輸入單片機進行處理。
5.如權利要求I所述的便攜式SF6氣體分解物的光聲光譜檢測裝置，其特征是，所述工作電源主要由變壓器、整流模塊和鋰電池構成，變壓器的原邊與市電連接，變壓器的副邊與整流模塊的輸入端相連接，整流模塊的輸出端與鋰電池并聯(lián)后，再與電源開關串聯(lián)，然后通過電源線分別與所述的紅外光源、斬波器、濾光片輪、微音器、溫度傳感器、氣壓傳感器、斬波控制器、鎖相放大單元、A/D轉換器、單片機、液晶驅動及顯示屏、真空泵、進氣閥和出氣閥線圈的電源端相接，用以供給上述各元件的工作電源；鋰電池與變壓器和整流模塊采用浮充運行方式。
6.一種采用權利要求I所述的便攜式SF6氣體分解物的光聲光譜檢測裝置的檢測方法，其特征是，具體步驟為 (1)現(xiàn)場測量前準備，對裝置進行調(diào)試和氣密性檢測，并清洗光聲池； (2)確定光聲信號和組分濃度之間的函數(shù)關系 ①數(shù)據(jù)采樣 用配氣裝置將所要測量的六種單一氣體co2、cf4、so2f2、sof2、so2、hf配比成不同體積分數(shù)的標準單一氣體，同時用配氣裝置將所要測量的六種單一氣體C02、CF4, SO2F2, SOF2, SO2,HF配比成不同體積分數(shù)的混合氣體；通過所述的單片機控制所述的進氣閥自動開啟，分別向所述的光聲池內(nèi)部充入配好的氣體，再通過所述的單片機程序控制濾光片輪旋轉，依次將中心波長分別為4260nmC02吸收峰中心波長、7780nmCF4吸收峰中心波長、18550nmS02F2吸收峰中心波長、18860nmS0F2吸收峰中心波長、7350nmS02吸收峰中心波長、2740nmHF吸收峰中心波長)的濾光片旋轉至光路中，并依次記下每個濾光片所對應的所述液晶驅動及顯示屏上光聲信號區(qū)顯示的光聲信號值S= (S1, S2,…，S6),記錄六種氣體各種體積分數(shù)Ci=(C1, C2,…，C6),所述液晶驅動及顯示屏上光聲信號區(qū)顯示的測得的光聲信號值Si，其中i表示不同中心波長的濾光片，1-6分別代表C02、CF4, SO2F2, SOF2, SO2和HF氣體對應的濾光片 A (i=l, 2，3，4，5，6)與 Ci (i=l, 2，3，4，5，6)分別表示 CO2、CF4、SO2F2、SOF2、SO2 和 HF 氣體所對應的光聲信號值和氣體體積分數(shù)； ②交叉響應處理 對光聲信號值Si進行交叉響應處理，結合支持向量回歸機方法依次計算支持向量回歸機決策函數(shù)以及計算克服交叉響應后的混合氣體中某種單一氣體的體積分數(shù)& ;將每個濾光片所對應的所述液晶驅動及顯示屏上光聲信號區(qū)顯示鎖相放大模塊測得的交叉響應光聲信號值Si作為輸入特征量，將混合氣體中某種氣體的體積分數(shù)作為輸出Cp采用支持向量回歸機方法消除交叉響應，實現(xiàn)對混合氣體中某種氣體體積分數(shù)的精確檢測； (3)測SF6局部放電分解氣檢體的濃度 將所述的便攜式SF6分解組分的光聲光譜檢測裝置放置在現(xiàn)場的合適位置，進氣管與GIS的出氣接口連接，開機；單片機自動控制所述進氣閥的自動關閉，所述出氣閥自動開啟，所述真空泵也自動開啟，對所述光聲池抽真空，當所述液晶驅動及顯示屏上對應的氣壓模塊顯示的氣壓值小于0. 005MPa時，所述的單片機自動控制所述出氣閥和真空泵自動關閉，靜置所述光聲池一段時間后，又自動控制所述進氣閥的開啟，向所述的光聲池內(nèi)充入一個氣壓的SF6分解氣體，所述的進氣閥又自動關閉；再通過所述單片機控制所述濾光片輪旋轉，依次將中心波長分別為4260nmC02吸收峰中心波長、7780nmCF4吸收峰中心波長、18550nmS02F2吸收峰中心波長、18860nmS0F2吸收峰中心波長、7350nmS02吸收峰中心波長、2740nmHF吸收峰中心波長的濾光片旋轉至光路中，通過所述微音器檢測到的光聲信號通過所述的A/D轉換器將模擬信號轉換成數(shù)字信號，再通過信號電纜與所述的單片機連接，通過上述基于支持向量機所編的計算程序將測得的光聲信號轉換成相對應的組分濃度，并將所得到的濃度值在所述的液晶驅動及顯示屏的分解組分濃度區(qū)上顯示； (4)設備維護。
7.如權利要求6所述的便攜式SF6氣體分解物的光聲光譜檢測裝置的檢測方法，其特征是，所述步驟(2)中，交叉響應處理的具體過程為 1)初始化 設置用于高斯核函數(shù)K(S，Si)=eXp(-|S-Si|2/2。2)的參數(shù)。和支持向量回歸機的預設誤差限e ;利用網(wǎng)格搜索法，尋找這兩個參數(shù)的最優(yōu)組合，尋優(yōu)區(qū)間分別為(0，10)和(0，I),尋優(yōu)過程選格點數(shù)為1*10，搜索步長為0. 1，當均方差最小時獲得最優(yōu)參數(shù)組合(O , e )； 2)構建支持向量回歸機 第I)步完成后，將建立生成降低混合氣體光聲信號交叉響應的支持向量回歸機；首先建立降低混合氣體中CO2光聲信號交叉響應支持向量回歸機,輸入為每個濾光片所對應的鎖相放大器測得的交叉響應光聲信號值Si，輸出為混合氣體中SF6氣體的體積分數(shù)C1 ;支持向量回歸機的預設誤差限e通過第I步初始化為0.01 ;當生成降低混合氣體中CO2光聲信號交叉響應的支持向量回歸機構建完畢之后，利用高斯核函數(shù)分布函數(shù)來訓練該支持向量回歸機，獲得標準輸入輸出模型，建立支持向量回歸機學習樣本庫；將輸出改變?yōu)榛旌蠚怏w中CF4氣體的體積分數(shù)C2，輸入不變則可以生成降低混合氣體中CF4光聲信號交叉響應的支持向量回歸機；同理，分別改變輸出為S02F2、SOF2, SO2和HF氣體的體積分數(shù)C3、C4、C5以及C6,則可以分別生成降低混合氣體中S02F2、SOF2, SO2和HF氣體光聲信號交叉響應的支持向量回歸機； 3)訓練樣本庫，即訓練在第2)步中所建立的支持向量回歸機，訓練完畢之后，在實際應用時直接使用。
8.如權利要求7所述的便攜式SF6氣體分解物的光聲光譜檢測裝置的檢測方法，其特征是，所述訓練樣本庫過程為用實驗獲得的用光聲信號值Si樣本分為訓練樣本S-Train和測試樣本S-Test，選取S-Train并結合先驗知識來訓練上述模型，根據(jù)式(I)計算出混合氣體中各種單一氣體對應的支持向量集合I C02B、Q I C02B ; a 2 CF4、Q 2 CF4 Q 3 S02F2、Q 3S02F2 Q 4 S0F2、Q 4 S0F2 a5S()2、a5S二 a 6HF、CI6 H/}，分別構造出對應的六種決策函數(shù)Fj (s)；從而得到混合氣體中某種單一氣體的體積分數(shù)Cfh (S)，并將此關系所述的單片機中以程序反應；
全文摘要
本發(fā)明涉及一種便攜式SF6氣體分解物光聲光譜檢測裝置及檢測方法，具有靈敏度高、自動實現(xiàn)檢測和濃度換算、檢測速度快、精度高、易攜帶、適合在線監(jiān)測。在外殼內(nèi)設有拋物面柱鏡，拋物面柱鏡上設有紅外光源，拋物面柱鏡前方設有斬波器、濾光片輪、光聲池，濾光片輪上設有若干沿圓周方向均勻分布的若干濾光片；光聲池設有微音器、氣壓傳感器、溫度傳感器，光聲池與輸氣管和真空管路連接，真空管路與真空泵連接；斬波器與斬波器控制器連接，濾光片輪與單片機連接，微音器與鎖相放大模塊，氣壓傳感器與單片機連接，溫度傳感器與A/D轉換器連接，A/D轉換器與鎖相放大模塊連接，單片機與液晶驅動及顯示屏和工作電源連接。
文檔編號G01N21/35GK102721645SQ20121021610
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月27日 優(yōu)先權日2012年6月27日
發(fā)明者云玉新, 姚金霞, 李秀衛(wèi), 王輝, 趙笑笑, 鄭建 申請人:山東電力集團公司電力科學研究院