一种基于拉曼光谱的SF6分解气体检测增强系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于拉曼光谱的SF6分解气体检测增强系统，属于电力设备故障诊断检测领域。该系统包括：拉曼光谱发射和接受模块、光信号采集模块、光信号处理模块、数据处理模块和上位机；拉曼光谱发射和接受模块包括探头阵列、电磁波发射驱动电路和光信号回波处理电路；光信号采集模块包括、信号放大电路和滤波电路；光信号处理模块包括光信号去噪通道、光信号腔增强通道和频率锁相回路；数据处理模块包括数模转换电路、运算放大电路和基本存储电路。本发明专利技术采用的拉曼光谱技术检测SF6分解气体系统具有利用同一波长的激光同时检测多种分解气体，无需特殊处理待测气体样品，分析过程快速，抗干扰能力强，检测重复性好。检测重复性好。检测重复性好。

【技术实现步骤摘要】
一种基于拉曼光谱的SF6分解气体检测增强系统
[0001]本专利技术属于电力设备故障诊断检测领域，涉及一种基于拉曼光谱的SF6分解气体检测增强系统。

技术介绍

[0002]随着我国经济和国民生活质量的稳步提升，智能化电网的规模也在逐步扩大，因此，对电网的供电质量和安全可靠运行的要求也越来越高。以SF6气体作为绝缘和灭弧介质的气体绝缘装备(气体绝缘组合电气、气体绝缘变压器、气体绝缘线路等)是电力系统中重要的高压电气设备，在电力系统输、变电过程中起着举足轻重的作用，其安全、可靠运行对电力系统的安全稳定尤为重要。随着国民经济的持续发展，电网规模不断扩大，SF6气体绝缘电气设备的数量日益增加，一旦发生故障，不但造成设备资产损失，还可能引起大范围停电，对人民生活和国民经济等造成巨大损失。因此，提高SF6气体绝缘电气设备的运行水平，增强电气设备早期潜伏性故障诊断能力，及早发现潜伏性故障类型，对确保电网的安全运行具有重要意义。由于制造、安装、运输和运行时的缺陷，SF6气体绝缘组合电器内部不可避免产生放电和过热故障，导致SF6气体发生分解并产生SO2F2、SOF2、CF4、SO2、H2S、CO和CO2等反映设备内部绝缘缺陷类型、放电水平和绝缘材料老化程度的特征气体组分。对SF6气体及其分解特征组分进行有效检测，进而准确诊断设备内部绝缘材料老化程度及GIS内部压力情况，可以为SF6气体绝缘组合电器的全寿命周期管理提供依据，是提高设备利用率、降低设备检修费用、提升设备运维智能化以及保证电网安全生产的关键问题之一。
[0003]目前电力行业对SF6分解气体的检测方法还是以红外光谱和气相色谱法居多，中国专利CN102445433A公开了一种基于红外光声光谱的SF6分解气体的在线气体浓度测量装置。CN110132891A公开了一种基于多维气相色谱的检测SF6分解产物全组分装置。
[0004]现有的技术方案能够通过一定的方法对变压器油的分解产物进行初步检测，但是气相色谱法易受到温度等环境因素的干扰，对检测的结果会产生一定的影响，而红外光谱法的光源强度较弱，测量精度较低。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于拉曼光谱的SF6分解气体检测增强系统。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种基于拉曼光谱的SF6分解气体检测增强系统，该系统是在光反馈频率锁定腔增强的基础上对SF6分解气体进行检测；
[0008]该系统包括：拉曼光谱发射和接收模块、光信号采集模块、光信号处理模块、数据处理模块和上位机；
[0009]该拉曼光谱发射和接收模块包括探头阵列、电磁波发射驱动电路和光信号回波处理电路；
[0010]该光信号采集模块包括信号放大电路和滤波电路；
[0011]该光信号处理模块包括光信号去噪通道、光信号腔增强通道和频率锁相回路；
[0012]该数据处理模块包括数模转换电路、运算放大电路和基本存储电路；
[0013]该拉曼光谱发射和接收模块与光信号采集模块信号连接；该光信号采集模块与光信号处理模块信号连接；该光信号处理模块与数据处理模块信号连接；该数据处理模块与上位机信号连接；
[0014]该探头阵列分别与电磁波发射驱动电路和光信号回波处理电路信号连接；
[0015]该信号放大电路分别与滤波电路、电磁波发射驱动电路和光信号回波处理电路信号连接；
[0016]该滤波电路与光信号去噪通道信号连接；
[0017]该光信号去噪通道与光信号腔增强通道信号连接；
[0018]该光信号腔增强通道与频率锁相回路信号连接；
[0019]该频率锁相回路与数模转换电路信号连接；
[0020]该数模转换电路与运算放大电路信号连接；
[0021]该运算放大电路与基本存储电路信号连接。
[0022]可选地，拉曼光谱发射接受模块实现对拉曼光谱电压信号的发射与回收，具体为：
[0023]发射驱动电路产生不同频率的方波脉冲信号并驱动探头阵列发射出电磁波信号，探头阵列相互转换电磁波和光谱信号，回波处理电路将光谱信号进行初步的过滤、放大处理后再传入光信号采集模块。
[0024]可选地，光信号采集模块实现对光回波信号的采集及处理，具体为：
[0025]信号放大电路对探头阵列传输回来的信号进行放大，滤波电路对回波中各种其他频率的干扰信号进行滤除，获得准确的光信号模拟量后传输至光信号处理模块。
[0026]可选地，光信号处理模块首先通过光谱信号去噪通道实现对经过光信号采集模块处理过的光谱信号进行噪声消除，然后通过光信号腔增强通道提高拉曼散射光信号的强度之后进入频率锁相回路，根据频率锁相回路设置对增强后的光谱信号进行距离与相位偏差判断并输出光谱控制模拟信号至数据处理模块。
[0027]可选地，数据处理模块通过数模转换电路将光谱模拟量转化为数字信号，将数字信号传输到运算放大电路进行放大运算处理并存储到基本存储电路。
[0028]可选地，上位机模块用于实现指令操作、参数设置、实时监控数据变化、光谱图显示以及与嵌入式系统的数据交互功能。
[0029]可选地，光反馈的定义为注入光学谐振腔的激光在延迟时间后返回到激光器；
[0030]光反馈频率锁定是指主激光器发出的激光注入到激光器中，主激光器的频率和相位会复制到从激光器；
[0031]该锁定具体步骤为：
[0032]S1、首先将激光源提供的激光辐射注入到高精细度的Fabry
‑
Perot腔，筛选出频率与谐振腔频率完全相同的激光辐射，腔输出激光束将会反馈到激光源；
[0033]S2、根据光注入锁定，将频率与谐振频率完全相同的主激光器输出的激光复制到从激光器；
[0034]S3、最后，在构造性干涉的作用下，腔内产生激光功率；
[0035]在光反馈频率锁定条件下，激光器耦合输出激光频率表示为：
[0036][0037]其中，ω
free
＝πcN/ηL
d
为激光器自由运转功率，c为光速，η为介质损耗，L
d
为激光器腔长，，k＝P
OF
/P
Las
为反馈光注入锁定，P
OF
为反馈光功率，P
Las
为入射光激光功率，F
P
＝πr0/(1
‑
r
02
)为激光器品质因数，F
d
＝πr2/(1
‑
r4)为V型谐振腔品质因数，r0为激光器端面反射率，r为V型谐振腔镜面反射率，L0为激光器与V型谐振腔光学距离，L1、L2为V型谐振腔臂长，θ＝arctan(α)，α为线宽增益因子。
[0038]可选地，光反馈频率锁定腔增强的步骤具体为：
[0039]设构成F
‑
P腔的平行镜片M1和M2之间的距离为L，M1的反射系数为电场透射系数为R1和T1分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于拉曼光谱的SF6分解气体检测增强系统，其特征在于：所述系统是在光反馈频率锁定腔增强的基础上对SF6分解气体进行检测；该系统包括：拉曼光谱发射和接收模块、光信号采集模块、光信号处理模块、数据处理模块和上位机；该拉曼光谱发射和接收模块包括探头阵列、电磁波发射驱动电路和光信号回波处理电路；该光信号采集模块包括信号放大电路和滤波电路；该光信号处理模块包括光信号去噪通道、光信号腔增强通道和频率锁相回路；该数据处理模块包括数模转换电路、运算放大电路和基本存储电路；该拉曼光谱发射和接收模块与光信号采集模块信号连接；该光信号采集模块与光信号处理模块信号连接；该光信号处理模块与数据处理模块信号连接；该数据处理模块与上位机信号连接；该探头阵列分别与电磁波发射驱动电路和光信号回波处理电路信号连接；该信号放大电路分别与滤波电路、电磁波发射驱动电路和光信号回波处理电路信号连接；该滤波电路与光信号去噪通道信号连接；该光信号去噪通道与光信号腔增强通道信号连接；该光信号腔增强通道与频率锁相回路信号连接；该频率锁相回路与数模转换电路信号连接；该数模转换电路与运算放大电路信号连接；该运算放大电路与基本存储电路信号连接。2.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的SF6分解气体检测增强系统，其特征在于：所述拉曼光谱发射接受模块实现对拉曼光谱电压信号的发射与回收，具体为：发射驱动电路产生不同频率的方波脉冲信号并驱动探头阵列发射出电磁波信号，探头阵列相互转换电磁波和光谱信号，回波处理电路将光谱信号进行初步的过滤、放大处理后再传入光信号采集模块。3.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的SF6分解气体检测增强系统，其特征在于：所述光信号采集模块实现对光回波信号的采集及处理，具体为：信号放大电路对探头阵列传输回来的信号进行放大，滤波电路对回波中各种其他频率的干扰信号进行滤除，获得准确的光信号模拟量后传输至光信号处理模块。4.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的SF6分解气体检测增强系统，其特征在于：所述光信号处理模块首先通过光谱信号去噪通道实现对经过光信号采集模块处理过的光谱信号进行噪声消除，然后通过光信号腔增强通道提高拉曼散射光信号的强度之后进入频率锁相回路，根据频率锁相回路设置对增强后的光谱信号进行距离与相位偏差判断并输出光谱控制模拟信号至数据处理模块。5.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的SF6分解气体检测增强系统，其特征在于：所述数据处理模块通过数模转换电路将光谱模拟量转化为数字信号，将数字信号传输到运算放大电路进行放大运算处理并存储到基本存储电路。6.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的SF6分解气体检测增强系统，其特征在于：
所述上位机模块用于实现指令操作、参数设置、实时监控数据变化、光谱图显示以及与嵌入式系统的数据交互功能。7.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张振宇，张学东，李永祥，周渠，陈青松，刘志翔，廖一铭，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：