基于红外光谱的GIS设备内SF6废气定量分析

气体绝缘组合电器(GIS)内的绝缘介质SF6及其衍生物的种类和体积严重地影响GIS的绝缘能力,定量分析故障GIS内SF6衍生物有助于评估设备发生故障的原因.为了从GIS设备内SF6气体的红外光谱中获取衍生物的种类和体积,本文将粒子群优化算法和支持向量机回归相结合用于绝缘介质SF6及其部分衍生物的定量分析研究.以衍生物中...     

基于多尺度加权主成分分析的SF6红外光谱分析

利用红外光谱法分析SF6气体及其衍生物是判断气体绝缘组合电器(GIS)运行状态和故障的一种重要手段。传统的诊断方法过程繁琐、效率低下,而且受主观因素的影响较大。本文指出可以采用机器学习的方法实现GIS设备的故障诊断,并提出了多尺度加权主成分分析的特征提取方法。多尺度加权主成分分析结合了主成分分析和多尺度分解的特点,保证了尺度特征信息的最大化,并且修正了特征向量在数据分类时的权重。通过对广西电力研究院提供的SF6及其衍生物的红外光谱进行分析,证明了多尺度加权主成分分析算法对训练样本的分类效果要比标准的主成分分析算法好3～4倍。     

基于密度泛函理论的SF6分解特征组分激光拉曼特征频谱研究

六氟化硫(SF6)分解特征组分检测是判断气体绝缘设备早期潜伏性故障较有效的方法之一,通过监测分解特征组分的类型和浓度能够有效评估电气设备的运行状态,从而避免绝缘突发性事故。拉曼频谱分析技术可实现单一波长激光对气体样品进行无损检测,对SF6分解特征组分检测具有优异的适用性和高效性。针对4种SF6分解典型特征组分,以密度泛函理论(DFT)中的B3LYP方法建立了气体分子模型,采用6-311G(2df,p)基组对分子模型进行优化和拉曼频移特征仿真。同时,基于搭建的拉曼光谱实验平台,对相同含量的4种特征组分实现拉曼特征频谱检测。仿真结果表明密度泛函计算值和实测值与NIST标准值间具有良好的相关性,计算值中CF_(4)、CO、H_(2)S、SO_(2)的特征峰分别为908.97、2 221.11、2 688.82、1 175.24 cm^(-1),为用拉曼光谱实现SF6分解特征组分的定性和定量分析奠定了基础。     

考虑SF_(6)透射率校正的GIS设备红外测温技术

红外测温技术是电力行业常用的设备故障检测手段,在气体绝缘组合电器设备(Gas Insulated Switchgear,GIS)故障诊断中有着重要应用。为提高GIS设备红外测温精度,建立了一个红外测温模型并提出一种SF_(6)透射率校正方法。首先,基于热辐射理论建立红外测温模型,并给出不同条件下的简化模型。然后,为提高温度测量精度,考虑SF_(6)透射率对红外模型测温模型输出结果的影响,给出不同条件下的SF_(6)透射率校正方法。最后,进行实际的温度测量实验,验证所建立的红外测温模型及所提SF_(6)透射率校正方法的有效性。实验结果表明,与未进行SF_(6)透射率校正的方法相比,使用所提SF_(6)透射率校正方法后温度测量精度得以提高,误差最高降低了66.7%。所提方法为电网故障检测及监控打下基础,在电网故障检测、电网安全作业等方面有着广阔的应用前景。     

CuO掺杂C3N对C5F10O分解组分吸附性能的第一性原理研究

全氟五碳酮（C5F10O）作为可替代SF6的新型环保绝缘气体已被投入到实际应用中. 在绝缘设备内部不可避免的会发生局部放电等故障，造成C5F10O绝缘气体分解产生弱绝缘性能甚至剧毒的分解组分，为保证绝缘设备的安全运行，在不影响气敏传感器正常检测绝缘设备内部故障的情况下，需对这些分解组分进行有选择地吸附去除. 新型类石墨烯C3N材料在气体吸附领域具有良好的应用前景，文中基于第一性原理计算了CuO分子掺杂C3N对主要分解组分CF4、C2F6及剧毒产物CF2O、HF的吸附过程，计算并分析了各分解组分吸附时的吸附能、态密度、电荷转移量、差分电荷密度以及不同环境温度下的恢复时间. 结果表明，CuO-C3N对HF表现出良好的吸附性，CF2O次之，但其无法吸附CF4与C2F6，因此CuO-C3N可以作为一种高性能的气体吸附剂对C5F10O绝缘设备内的剧毒分解组分HF进行吸附去除.     

基于紫外光谱的GIS局部放电快速检测方法研究

SF₆气体作为绝缘介质大量应用于气体绝缘组合电器(GIS)中。GIS绝缘缺陷引起的局部放电会导致SF₆气体发生分解。分析SF₆气体及其主要衍生物是检测GIS设备局部放电的一种重要方法。研究表明,SO₂是一种典型且稳定的局部放电衍生物,其变化规律可以用于表征GIS的绝缘状况。此外,紫外光谱检测系统具有价格低廉、不受现场电磁及振动干扰等优点。本文通过紫外光谱定性、定量分析SF₆气体稳定的衍生物SO₂,达到对GIS局部放电的快速检测。一阶导数和S-G滤波被用于光谱信息的去噪和平滑;以模拟放电实验验证特征选取合理性;主成分回归对SO₂浓度做定量分析;用SO₂浓度对放电时间做模糊判断。通过选择合适的波段(295～305 nm),紫外光谱能够很好的从SF₆气体复杂的衍生物中识别出SO₂。首先回顾了SF₆气体局部放电下的分解机理,然后通过模拟局部放电实验验证了紫外光谱用于GIS局部放电快速检测的合理性,最终做到了对GIS局部放电的快速检测和放电时间的模糊判断。     

基于微型光声传感器的油中溶解气体检测技术

为满足油浸式变压器在线监测的需求,根据非共振光声光谱和无孔膜油气分离理论,将直径为40 mm的聚全氟乙丙烯(FEP)高分子膜与体积仅为0.3 mL的光声气室结合,设计了集成光声气体传感器和油气分离膜的微型传感模块,该模块具有体积小、油气分离时间短及可实时在线检测的优点。油中溶解的故障特征气体扩散进入气室中,利用近红外激光光声光谱技术、波长调制和二次谐波检测技术对气室中的气体进行高灵敏度检测。对特征气体C_2H_2检测的实验结果表明,在油温为60℃时,油中溶解气体传感系统可在3 h内实现油气分离平衡,其中对于体积分数为10~(-6)的油中溶解C_2H_2气体的体积分数测量误差在±30%之内。     

渐变折射率传感气室中干涉噪声的数值模拟与分析

在直接红外吸收式光纤气体传感器中，由渐变折射率（Graduated Refractive Index，GRIN）棒透镜构成的微型传感气室有着广泛的应用。分析了GRIN气室中的干涉噪声信号和甲烷信号，并利用MATLAB对干涉噪声信号的幅值与分布反馈式半导体激光器（DFBLD）的频率调制幅度之间的关系以及干涉噪声对气体检测灵敏度的影响进行了数值模拟与分析。当前谐波检测技术是气体检测的一种非常重要的技术，这种技术需要检测气体吸收信号的一次、二次或更高次谐波。而GRIN气室的二次干涉噪声对浓度信号有很大的影响，研究发现当频率调制幅度达到某些特定频率值时，二次干涉噪声信号的幅值变为零，通过调整气室参数和DFBLD的调制频率可以削减干涉噪声的影响从而提高谐波检测技术的检测灵敏度。     

基于紫外光谱检测的GIS内多类故障早期预警

气体绝缘开关(GIS)故障预警强调异常识别的实效性和现场适用性,是精确诊断的基础。研究GIS内局部放电(PD)及过热故障的统一预警方法具有重要意义。提出将SO₂作为GIS内部两类故障公共的特征分解物,并应用紫外光谱(UV)测量SO₂实现多故障早期预警。一阶导数法和Savitzky-Golay滤波被用于快速基线校正和光谱平滑,290～310 nm被选为特征区进行SO₂检测及定量。UV检测可避免诸如SF₆及SOF₂、SO₂F₂等分解物的干扰,便于从复杂的SF₆分解物组分中识别微量SO₂特征,测量系统结构简单、维护成本低、适于现场检测。通过模拟SF₆气体在两类PD缺陷及200～400 ℃过热条件下的分解实验,证实所提UV预警方法的有效性：两类GIS故障条件下都会稳定的生成SO₂。对UV预警后的故障诊断,借助傅里叶变换红外光谱仪及气相色谱仪,确认PD及过热故障下的分解物组分存在差异,并据此简要分析了故障类型辨识方法。PD分解物以SOF₂和SO₂F₂为主,SO₂含量远小于SOF₂,放电涉及环氧树脂时含碳分解物含量上升。过热材质为不锈钢时,SF₆约在300 ℃发生分解,300～400 ℃内的过热分解物主要为SO₂和SOF₂,350 ℃以上SO₂生成速率明显快于PD时。随着GIS内故障持续恶化,SO₂含量均呈现稳定上升趋势。在UV预警后,可利用获得的SO₂生成特性初步辨识故障类型。     

多通道光路在气体分析中的应用

本文在不分光红外分析法的基础上,应用一种多通道的光路,研究在一个气室中分析多种气体成分的方法。即研究在一个气室中周期地透射多种特定的带通很狭的红外波时,其光电响应值与相对应气体成分浓度的关系。结果表明,多通道光路系统的检测精度和稳定性方面均达到了较好水平。     

激光诱导击穿光谱技术定量分析SF_6中的痕量O

六氟化硫(SF_6)气体因其优良的绝缘和灭弧性能,被广泛应用于高压绝缘设备中。然而,当存在H_2O和O_2等杂质时,SF_6气体在局部放电等作用下分解成的低氟化物会进一步与杂质发生反应生成稳定的氟硫氧化物和氢化物,使得设备绝缘性能下降,危害电网安全,因此检测和分析SF_6中微水、微氧及其分解产物具有重要意义。采用激光诱导击穿光谱技术测量了SF_6中的痕量O含量。利用CaF2作为窗口材料,解决了窗口材料在不断腐蚀作用下引起的激发能量逐渐衰减以及窗口材料与SF_6气体击穿产物反应引入的污染影响测量结果的问题,消除了由激发条件改变引起的等离子体状态的变化;通过测量不同O含量的SF_6气体激光诱导击穿光谱,结合迭代小波分析对实测光谱进行基线校正和降噪处理,通过定标曲线获得了O元素检测限为38ppm。利用偏最小二乘法建立了稳定的定量分析模型,改善了定量分析模型的稳定性和精度。     

Comparison of magnetic resonance imaging of inhaled SF6 with respiratory gas analysis

Magnetic resonance imaging of inhaled fluorinated inert gases ((19)F-MRI) such as sulfur hexafluoride (SF(6)) allows for analysis of ventilated air spaces. In this study, the possibility of using this technique to image lung function was assessed. For this, (19)F-MRI of inhaled SF(6) was compared with respiratory gas analysis, which is a global but reliable measure of alveolar gas fraction. Five anesthetized pigs underwent multiple-breath wash-in procedures with a gas mixture of 70% SF(6) and 30% oxygen. Two-dimensional (19)F-MRI and end-expiratory gas fraction analysis were performed after 4 to 24 inhaled breaths. Signal intensity of (19)F-MRI and end-expiratory SF(6) fraction were evaluated with respect to linear correlation and reproducibility. Time constants were estimated by both MRI and respiratory gas analysis data and compared for agreement. A good linear correlation between signal intensity and end-expiratory gas fraction was found (correlation coefficient 0.99+/-0.01). The data were reproducible (standard error of signal intensity 8% vs. that of gas fraction 5%) and the comparison of time constants yielded a sufficient agreement. According to the good linear correlation and the acceptable reproducibility, we suggest the (19)F-MRI to be a valuable tool for quantification of intrapulmonary SF(6) and hence lung function.     

Investigations of Nozzle Materials in SF6 Circuit Breakers

With a puffer and a self-blast type SF6 circuit breaker (CB), various nozzle materials have been investigated. In addition, a small-scaled model SF6 breaker has been attached to a time-of-flight mass spectrometer (TOFMS) in order to study the exhausted gas contaminated with ablated material. The experimental results clearly show an influence of the nozzle material on the interrupting capability of the SF6 CB. The observed nozzle ablation is mainly determined by the geometry of the arcing device. The erosion of the nozzle and the chemical composition of arced SF6 gas depend slightly on the quality of the PTFE nozzles only.     

SF6-N2混合气激光触发延迟抖动特性研究

 研究了SF₆-N₂混合气在四倍频Nd:YAG激光脉冲作用下的触发特性。实验结果表明：充SF₆-N₂混合气的火花隙的触发延迟和抖动、最低可触发阈值随充气压力及混合气中SF₆含量上升而上升，随激光波长减小而减小，火花隙的触发延迟和抖动随焦距的减小而减小。由于SF₆-N₂混合气的介电强度、触发延迟和抖动与混合气中SF₆含量之间均存在非线性关系，作为开关工作介质，SF₆-N₂混合气的综合性能较好的SF₆含量范围是5%～45%。     

Spectroscopic Approach to the Analysis of High Current Arcs in SF6

Spectroscopic observations were carried out on transient free-burning arcs drawn by separating copper/tungsten electrodes in SF6 gas. The peak value of the arc current was varied up to 60 kA. A new optical method was developed to measure temperature and pressure profiles of the arc taking the magnetic pinch force into account. The arc voltage calculated from the obtained temperature and pressure profiles agreed well with electrical measurements. The results made it clear that the composition of the arc changes significantly at the critical instantaneous current of 10 kA. Above 10 kA the arc is composed of the electrode vapor, while it contains SF6 gas below 10 kA.     

Axially blown SF6-arcs around current zero

The increase of the interrupting capability of modern SF6 puffer breakers demands a better knowledge of the interaction of the arc with the gas flow. During the current interruption in an SF6 breaker the arc temperature in the stagnation zone is of decisive importance. The temporal evolution of the arc temperature and the diameter is studied by means of interferometry and emission spectroscopy. Experimental results are presented which show the influence of the current slope and the gas pressure on the arc decay. These results are compared with a theoretical model describing the temperature decay after current interruption.     

Theoretical Analysis of Dielectric Recovery in SF6 Gas-Blast Arcs

The dielectric recovery experiments of Schade and Ragaller [1] in SF6 gas-blast arcs are re-examined in light of the recent temperature calculations of Mitchell et al. [2]. The streamer criterion is used to compute theoretical characteristics for both the reference and enlarged geometries of [1]. It is shown that the theoretical recovery characteristic is relatively insensitive to the computed steady-state arc temperature. The streamer theory predictions agree well with experiment for the first two stages ("fast-slow") of dielectric recovery. However, they do not indicate the final "fast" stage, nor do they account for the large experimental scatter in the smaller geometry. It is suggested that both of these phenomena may be understood in terms of a postulated critical volume of about 1 mm3. If the volume of residual hot gas in which breakdown can originate becomes smaller than this critical volume, the hot-gas volume may not contain the free electron(s) required to initiate the breakdown process. Consequently, breakdown may be delayed until later during the voltage pulse, leading to scatter in the experimental results, or it may be suppressed altogether, leading to the final fast stage of recovery.