基于光频梳的地理信息系统（GIS）气体成分检测与校准技术

《IEEE Instrumentation & Measurement Magazine》：Gas Component Detection and Calibration Technology for GIS Based on Optical Frequency Comb

　　

摘要：

在气体绝缘开关设备（GIS）中检测六氟化硫（SF6）的分解成分对故障诊断具有重要意义。虽然红外光谱是一种常用的气体检测方法，具有较好的稳定性和快速响应性，但仍面临一些挑战，如光源不稳定、分辨率低以及气体与光路之间的相互作用不足。本研究采用了中心波长约为1550纳米的光纤频率梳（OFC）光源。利用其均匀的频率间隔和高分辨率特性，该光源有效提高了气体吸收光谱的检测精度。设计了一种增强型长路径气体吸收池，使光束在腔室内发生五十次往返反射，从而形成50米的有效光程长度，这一点通过蒙特卡洛光线追踪模拟得到了进一步验证。这一设计显著改善了气体与光的相互作用效果，从而提高了气体吸收率。通过制备不同浓度的CO和H2S气体混合物，对这两种气体在不同浓度下进行了吸收光谱测量。通过将数据拟合到Voigt线形函数上，计算了每个浓度下的吸光度值，以更准确地考虑多普勒效应和碰撞展宽效应。基于朗伯-比尔定律对实验数据进行分析，发现气体吸光度与浓度之间存在正相关关系。通过不确定性传播分析量化了测量误差。这种方法能够精确校准GIS中与SF6分解相关的成分（CO和H2S），为电力设备故障类型的检测和诊断提供了有力支持。

引言

六氟化硫（SF6）是一种优良的绝缘介质，广泛用于高压电气设备（如GIS）中，以防止放电和电弧现象。在电气设备正常运行过程中，SF6很少发生分解，或者其分解产物非常少。然而，电力设备中不可避免地存在微量水分和氧气，这些杂质会阻止SF6分解产物完全重新转化为SF6。在这种情况下，一些低氟化物会与水和氧气反应，生成SO2、HF、CO、SOF2、SO2F2、SOF4、H2S和SiF4等气体。这些副产物无法再转化为SF6。因此，分解产物的逐渐积累会降低设备的绝缘性能，最终影响整体的绝缘效果。此外，某些具有腐蚀性的分解产物（如SO2和CO）会侵蚀绝缘设备内的金属部件，导致设备故障。