1 引言

六氟化硫(SF₆)气体具有优良的绝缘和灭弧作用,在电力系统气体绝缘设备中得到了广泛应用,但其在长期运行过程中会出现由绝缘缺陷引起的设备击穿等故障。当发生局部放电时,SF₆与气体绝缘设备内部存在的氧气、微水等发生反应,生成一些特征气体^[1-2],其中的H₂S可用于表征较严重的涉及盆式绝缘子等环氧树脂固体介质的放电^[3]。因此,对H₂S等特征分解组分的带电检测成为诊断气体绝缘设备运行状态和潜伏性故障的有效方法。

目前,对SF₆气体绝缘设备中微量特征分解组分的检测方法主要有气相色谱法^[4]、吸收光谱法^[5]和光声光谱法^[6-7]。气相色谱法可对多种气体组分的浓度进行同时测量,在微量气体检测领域得到了广泛应用,但因其存在色谱柱污染而需要定期更换以及需要载气等,增加了色谱仪的维护难度。此外,H₂S活泼的化学性质以及吸附剂对H₂S气体较强的吸附作用使分解产生的H₂S气体难以在气体绝缘设备内长期稳定存在^[3],因此,气相色谱法存在的进样时间长的缺点使其不适于对特征分解组分H₂S进行高精度测量。近、中红外光谱区是中小气体分子的特征吸收光谱波段,利用吸收光谱法和光声光谱法可以实现对大多数具有红外吸收谱的气体分子的浓度测量,该方法具有无需载气和快速响应的优势。但吸收光谱法的测量灵敏度与吸收光程的长度呈正比,需要较大体积的气体吸收池。

光声光谱以其灵敏度高、响应速度快、吸收池体积小和无需载气等显著优势,已在微量气体检测中得到了广泛应用。基于红外黑体辐射光源的光声光谱仪通过选择多种不同中心波长的滤光片,可以对多种特征气体进行同时检测,但其结构复杂,检测灵敏度不高,且存在由不同气体组分吸收光谱重叠引起的交叉干扰问题。激光光声光谱是伴随激光技术快速发展而产生的一种高灵敏度微量气体检测技术^[8-11]。激光具有线宽窄、光谱功率密度大等特点,可以消除或大幅减小气体分子光谱间交叉重叠引起的干扰误差问题,因此,在单组分或少组分气体检测中,激光光声光谱具有较大的技术优势。特别是近年来随着光纤通信技术和半导体激光器制造工艺的高速发展和日渐成熟,近红外半导体激光器和光纤放大器的价格显著降低,使得近红外激光光声光谱技术得到了快速发展,已经实现了对C₂H₂、NH₃和CH₄等多种气体的高灵敏度测量^[12-13]。然而,对于H₂S气体的光声光谱测量方面的研究工作较少,原因是H₂S气体分子在整个红外波段都具有较小的吸收系数,极大地增加了低浓度H₂S测量的难度。2008年,Mürtz等^[14]采用2.6 μm中红外量子级联激光器对N₂中的微量H₂S进行测量,检测灵敏度达到5×10^-7,但量子级联激光器价格昂贵,输出功率较低。2015年,Wu等^[15-16]分别采用离轴式和共轴式石英增强型激光光声光谱技术,实现了对N₂背景中H₂S的高灵敏度测量,检测极限分别达到1.42×10^-7和1.7×10^-8,共轴式石英增强型光声光谱具有较高的灵敏度,但存在光路准直难度大和稳定性较差等缺点。2016年,Zhang等^[17]采用悬臂梁增强型光声光谱技术,实现了对N₂和SF₆背景中H₂S气体的测量,检测极限分别为0.84×10^-6和1.75×10^-6。

本文将近红外大功率光纤激光放大技术应用于共振式光声光谱检测系统,通过大幅提高光声激发光功率,结合波长调制光谱技术和二次谐波检测技术,实现了对SF₆背景中微量H₂S气体的超高灵敏度检测。

2 共振式激光光声光谱原理

光声光谱微量气体检测技术是利用气体光声效应进行浓度测量的一种间接吸收光谱技术^[18-19]。当被测气体分子吸收特定波长的调制光后被激发到高能态,在气体分子从高能态向低能态的无辐射跃迁过程中,释放的热能会使气室内部的气体压强形成周期性变化,进而产生光声信号。根据传声器探测的光声信号的幅度即可反演出待测气体的浓度。纵向、角向和径向固有模式的叠加在光声池中可以维持几种共振声学模式^[19]。如果调制频率等于共振管的声学本征函数,则能量将以驻波的形式累积,即光声池工作于共振模式,光声信号检测系统的输出电压^[19]为

V=αP0FRC,(1)

式中:α为气体分子在特定波长下的吸收系数;P₀为光声激发光的功率;R为传声器的灵敏度;C为待测气体浓度;F为共振光声池的池常数。增大池常数可以提高光声信号的强度,池常数表达式^[19]为

F=2(γ-1)Leff2Qπ2Vcv,(2)

式中:γ为气体的热容比;V_c为光声池的体积;v为声速;Q为品质因数;L_eff为共振管的有效长度。

一阶纵向共振光声光谱具有较大的池常数,因此是微量气体检测中最常用的技术之一。用于消除背景噪声的最有效的技术是波长调制光谱法,当激光器的波长在气体分子吸收谱线处被调制时,可以通过二次谐波检测方法消除池壁和窗片吸收产生的基频背景干扰。

3 光声系统设计

3.1 大功率可调谐光声激发光源

H₂S气体在近红外和中红外波段具有相对较小的吸收系数,如图1(a)所示。虽然在2.7 μm附近具有相对较大的吸收系数,但中红外激光器价格昂贵。这里重点研究H₂S在近红外光通信波段的吸收光谱,图1(b)所示为H₂S气体和干扰气体的近红外吸收谱线。相比于中红外的最强吸收线,1.7 μm处的泛频吸收系数小约1/7。SF₆气体绝缘设备存在因微漏气而进入的空气,使设备中存在微量的水汽和CO₂气体,同时CO气体也是SF₆气体的特征分解组分之一,因此,在选择具体吸收谱线波长时,还需要考虑气体间光谱重叠引起的干扰问题。此外,对于10^-9量级的H₂S测量,10^-9量级的干扰气体即可产生较大的测量误差,因此将干扰气体的吸收系数放大10倍和100倍进行比较。从图1(b)中可以看出,1575 nm附近有2条相对较强的吸收线,且无明显的干扰,本研究选择的测量谱线的中心波长为1576.292 nm。

图 1. (a) H2S在红外波段的吸收谱线;(b) H2S和干扰气体的近红外吸收谱线

Fig. 1. (a) Absorption lines of H2S in infrared region; (b) absorption lines of H2S and interfering gases in near-infrared region

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图 2. 激光光声光谱系统结构示意图

Fig. 2. Schematic structure of laser photoacoustic spectroscopic system

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由于掺饵光纤放大器(EDFA)的放大范围可达到1580 nm,因此能够对1576.3 nm的种子光进行有效放大。在实验中,采用近红外可调谐窄线宽分布反馈(DFB)激光器级联高饱和输出功率EDFA作为光声光谱系统的激发光源。其中的EDFA采用980 nm大功率半导体激光抽运二极管和铒镱共掺双包层有源光纤,对输入的种子激光实现高增益系数放大。设计的组合光纤激光光源在1576.3 nm附近的可调谐光谱范围约为0.5 nm,饱和输出功率为1 W。

3.2 激光光声光谱微量气体检测系统

基于光纤放大激光光声光谱的SF₆特征分解组分H₂S的超高灵敏度检测系统结构如图2所示。作为种子光源的1576.3 nm DFB激光二极管经电流调制后,产生的伴生调幅波长调制激光被EDFA(AEDFA-27-B-FA型,Amonics公司)放大,然后经传导光纤和准直器后,透过石英窗入射到一阶纵向共振式光声池中。光声池中的圆柱形共振管作为声波谐振器起到声音积累放大的作用。共振管的长度和内径分别设计为120 mm和4 mm。光声池的另一端安装镀金反射镜,以提高光声激发光的有效功率。原因是光声信号的幅度与激发光的有效功率呈正比,通过光的二次反射来提高光声激发光的有效功率,进而增强光声信号。由于声波的波节在共振管的两端,因此将光声池的进气口和出气口设置在缓冲室两端,目的是不影响池内压力的分布,同时还可以避免气体流动产生的噪声。声波的波腹位于共振管的中间,将响应度为50 mV/Pa的高灵敏驻极体传声器(4189型,Brüel & Kjær公司)安装在光声池的中部,可获得最大的光声信号输出。为了稳定光声池的共振频率,在光声池上安装加热电阻,并采用比例积分微分(PID)控制器,将光声池的温度恒定控制在30 ℃。基于现场可编程门阵列的锁相放大模块^[20-21]对微弱的光声信号进行处理后,将检测到的二次谐波信号传输到计算机,二次谐波信号经LabVIEW程序反演后得到H₂S气体的浓度。

4 实验结果与分析

4.1 调制深度优化

确定最佳调制深度可有效提高基于波长调制光谱与二次谐波检测技术的激光光声光谱系统的光声信号峰值,进而提高系统的检测灵敏度。在光声池中充入体积分数为10^-4的H₂S/SF₆标准气体,对DFB激光器进行恒温控制,并调节偏置电流,将激光器的波长锁定在1576.292 nm。正弦调制电流的幅度从5 mA增加到15 mA,测量得到的不同调制电流时的光声信号如图3所示。由图3可知,当DFB激光器的正弦调制电流幅度约为10.5 mA时,光声信号最强。根据DFB激光器波长调制的电流系数6 pm/mA和HITRAN数据库中H₂S在1576.3 nm波长附近吸收光谱的半峰全宽(FWHM)54 pm,可计算出最佳调制系数为2×10.5×6/54=2.3。

图 3. 不同调制电流时的光声信号

Fig. 3. Photoacoustic signal with different modulation currents

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4.2 光声池的频率响应

通过测量光声池的频率响应可以获得共振管的实际共振频率和品质因数。在实验中,光声池内通入体积分数为10^-4的H₂S/SF₆标准气体,将激光器的波长锁定在1576.292 nm,将DFB激光器的正弦调制频率从260 Hz调节到290 Hz,测量的光声池频率响应如图4所示。通过样条插值计算可知,当光声二次谐波信号的频率为548 Hz时,探测到的信号幅度最大,即光声池的共振频率为548 Hz。频率响应的半峰全宽约为8.7 Hz,计算得到的品质因数为63。SF₆气体中的声音传播速率约为138 m/s,使得该光声池在SF₆背景下的共振频率明显低于空气背景下的工作频率(约1400 Hz)。对于共振式光声光谱,当光声信号的频率与共振管的共振频率匹配时,声波信号在共振管内叠加才能获得最大的信号输出,因此在后面的实验中,将DFB激光器的正弦调制频率设置为274 Hz。

图 4. 光声池的频率响应

Fig. 4. Frequency response of photoacoustic cell

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4.3 饱和吸收效应

根据激光吸收光谱原理,当激发光的功率过高时,处于基态的待测气体分子被大量消耗,导致激发光功率继续增大后,激发到高能级的分子数与输入光功率不再呈正比,即产生饱和吸收效应。由于EDFA的输出功率高达1 W,因此需要对系统中是否存在饱和吸收效应进行验证。将光声池中通入体积分数为10^-4的H₂S/SF₆标准气体,并将DFB激光器的波长锁定在1576.292 nm,通过调节EDFA中抽运光源的驱动电流,逐次将EDFA的饱和输出功率增大到1 W,分别测得光声二次谐波信号的幅度,结果如图5所示。线性拟合计算的相关系数的平方R²为0.999,这表明系统中的光声输出值随激发光功率线性变化,因此没有产生饱和吸收效应。为了提高光声信号幅度,在之后的微量H₂S气体检测实验中,将EDFA的饱和输出功率设置为1 W。

图 5. 光声信号随激发光功率的变化

Fig. 5. Photoacoustic signal as function of excitation light power

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4.4 微量H2S气体浓度的测量

对SF₆气体绝缘设备中产生特征分解组分H₂S后的混合气体进行模拟,采用2个气体质量流量控制器,分别控制体积分数为10^-4的H₂S/SF₆标准气体和高纯SF₆气体的流量,得到不同浓度的混合气体。在实验中,将H₂S/SF₆混合气体的体积分数分别调整为0、5×10^-6、10^-5、2×10^-5、5×10^-5和10^-4。为了减小环境噪声的干扰,波长扫描

过程中关闭进气口和出气口的电磁阀。

采用锯齿波叠加正弦波信号驱动DFB激光器的方式,结合锁相放大技术可实现波长扫描和二次谐波探测。DFB激光输出波长从1576.22 nm扫描到1576.36 nm,单次扫描时间为5 s。由于小波分析同时具有时域和频域的局部化特性,因此小波去噪可以滤除高频噪声,同时信号本身的波形无明显失真,适合对光谱信号进行降噪处理。经小波去噪后不同浓度的光声二次谐波信号如图6(a)所示。区别于传统的基于激光二极管的可调谐激光光谱气体检测系统中存在的剩余幅度调制引起的光谱畸变,图6(a)中的二次谐波信号对称分布,原因是当DFB激光器的电流调制频率较低时,经EDFA放大的饱和输出激光的功率几乎保持不变。通过寻峰算法对测量的二次谐波信号取最大值,不同H₂S/SF₆混合气体浓度时的光声测量值如图6(b)所示。实验结果表明,光声测量值随浓度线性变化,通过线性拟合得到激光光声光谱系统对H₂S气体浓度测量的单位体积的响应度为6.72 V。

图 6. (a)不同浓度H2S/SF6混合气体的二次谐波信号;(b)不同浓度H2S/SF6混合气体的响应

Fig. 6. (a) Second harmonic signals of H2S/SF6 gas mixture with different concentrations; (b) responses of H2S/SF6 gas mixture with different concentrations

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为了得到该光声光谱系统对SF₆背景中H₂S气体的检测极限值,将光声池中充入高纯SF₆气体,DFB激光器和EDFA均处于正常工作状态,单次波长扫描时间设置为5 s,对500 s时间内的多次测量噪声进行阿伦方差分析,结果如图7所示。由图7可知:系统噪声以白噪声为主,当平均时间为100 s时,阿伦方差约为0.1 μV。根据响应度6.72 V可计算出检测极限约为1.5×10^-8。

图 7. 阿伦方差分析结果(内插图为光声池中通入高纯SF6气体后的光声系统输出电压)

Fig. 7. Analysis of Allan variance (inset figure: output voltage of photoacoustic system after photoacoustic cell filled with pure SF6)

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5 结论

将光纤放大激光光声光谱技术用于SF₆特征分解组分H₂S的高灵敏度检测。采用近红外可调谐窄线宽DFB激光器级联高饱和输出功率EDFA作为光声光谱系统的激发光源。设计的组合光纤激光光源在1576.3 nm附近的可调谐光谱范围约为0.5 nm,饱和输出功率为1 W。通过实验得到SF₆背景中光声池的共振频率和品质因数分别为548 Hz和63,优化的波长调制系数为2.3。搭建了基于光纤放大激光光声光谱的SF₆特征分解组分H₂S的超高灵敏度检测系统,采用波长调制光谱、二次谐波检测和小波去噪等光声信号探测与识别技术,实现了对SF₆背景中H₂S气体的超高灵敏度检测,响应度为6.72 V,100 s平均时间下的检测极限达到1.5×10^-8。本系统为超低浓度H₂S/SF₆气体的检测提供了新的解决方案,在SF₆气体绝缘设备的放电性故障诊断中具有重要的应用价值。