基于飛秒激光引導高壓放電的SF6分解物原位檢測

張云剛，劉黃韜，高 強，朱志峰，李 博，王永達

1.燕山大學電氣工程學院，河北 秦皇島 066004 2.天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072

引 言

SF6氣體由于良好的絕緣和滅弧性能而廣泛應用于氣體絕緣開關設備。然而，設備內的毛刺、突起等絕緣缺陷會在設備內引發放電。當發生放電時，部分SF6氣體被電離并分解生成低氟硫化物SFx(x<6)，其中絕大部分SFx在放電結束后能夠重組成SF6，小部分SFx會進一步與設備內的微量H2O和O2反應生成具有腐蝕性和毒性的副產物，這些副產物會加速設備絕緣劣化，嚴重影響設備的正常運行[1]。因此，研究SF6放電分解機理對于設備的安全運行具有重要意義。

為研究GIS內SF6分解機理，研究人員建立了諸多SF6放電分解模型以模擬設備內高壓放電。其中，最具影響力的是Van Brunt等[2]提出的“區域反應模型”，該模型將放電區域分為輝光區、離子遷移區和主氣體室三個區域，在輝光區，SF6、O2和H2O在高能電子碰撞下分解成SFx，O和OH，這些物質再反應生成SOF4和S2F10等。離子遷移區主要是帶電粒子與分子之間的反應，這些反應對最終產物的形成影響不大。主氣室區域中，輝光區產生的SFx和SOF4等產物擴散到該區域并與該區域的H2O和O2反應產生SOF2和SO2F2等穩定的分解產物。近些年，Tang等[3]建立了4種SF6局部放電模型研究SF6分解產物，并利用氣相色譜法分離得到了CF4，SOF2，SO2F2，SO2和H2S等。然而，這些檢測方法都是通過對設備內部SF6氣體分解組分的采樣分析，但是部分分解物在采樣后的短時間內可能會發生轉化[4]，通過分析分解物來反推反應機理，其結果具有不確定性[5]。因此，實現SF6分解產物原位檢測對于研究SF6分解機理具有重要意義。然而，由于自由放電在時間和空間上的隨機性，導致SF6分解演化過程很難觀測。

飛秒激光引導高壓放電通過對放電過程的時間和空間控制實現了SF6分解演化過程的原位檢測。該技術是通過飛秒激光的自聚焦作用形成具有弱導電性的絲狀弱等離子體通道，可簡稱為光絲，可以引導高壓放電[6]。利用該技術可以實現對放電空間和時間的精確控制，同時引導放電產生的一維空間分辨發射光譜可實現多組分的測量[7]?；谠摷夹g實現對SF6分解物的原位檢測為研究SF6分解機理和演化過程提供了一種有效手段。

本文首先研究了飛秒激光對SF6分解的影響并證明了飛秒激光不會引起SF6的分解；然后研究了在飛秒激光引導下的高壓放電的空間和時間特性，利用飛秒激光產生的光絲實現了高壓放電空間和時間的精確控制；并利用飛秒激光引導高壓放電獲得了SF6放電分解的一維空間分辨光譜，通過對SF6分解物光譜的分析發現其中包含有大量的S和F的原子和離子發射線，并進一步分析了S和F的原子和離子的來源。利用飛秒激光引導高壓放電實現了SF6分解物的原位檢測，為研究SF6分解機理提供了一種新的研究手段。

1 實驗部分

實驗的飛秒激光引導高壓放電的SF6氣體分解的實驗裝置如圖1所示，包括噴管、飛秒激光、電壓放電系統和檢測系統。噴管為直徑2 mm的玻璃管，SF6氣體經噴管噴出。激光源是飛秒Ti:藍寶石激光器(Spectra-Physics,Spitfire Ace)，輸出波長為800 nm，脈沖能量為6.36 mJ,激光經透鏡(f=300 mm)聚焦后在噴管上方產生光絲。高壓放電系統由直流納秒脈沖高壓電源(HVP-P20,Xi’an Smart Maple Electronic Technology Co.,Ltd.)和一對高壓電極組成。高壓電源電壓為12 kV，電極對與電源正負極相連，間距為10 mm。檢測系統中，高速光電二極管記錄光絲的散射光信號，高壓探頭和電流探頭(CT-1,Tektronix)記錄電源輸出的電壓和電流特性。光譜儀(Acton 2300i,Princeton Instrument)收集SF6分解產物等離子體光譜特征，測量時，調整光譜儀位置使光譜儀狹縫(狹縫寬度為500 μm)與等離子通道平行。光譜信號由ICCD (PI-MAX4:1024i,Princeton Instruments)在出口處捕獲。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

2 結果與討論

2.1 飛秒激光對SF6分解的影響

圖2 飛秒激光作用下的SF6光譜圖Fig.2 SF6 spectrum under femtosecond laser

實際上，實驗采用波長為800 nm的激光源，能提供1.55 eV的能量，然而SF6中S-F的鍵能約為3.5～4.0 eV[10]，因此飛秒激光難以實現SF6的解離，在后續放電實驗中，SF6氣體在11 kV電壓下仍未被擊穿，說明SF6的穩定性很強，僅飛秒激光提供的能量無法打開S-F鍵。

據文獻[9]所述，傳統的LIBS無法檢測到部分氟(光譜范圍638～691 nm)和硫(光譜范圍520～550 nm)的發射線，利用脈沖放電對激光誘導的等離子體進行再激勵，能夠檢測出常規LIBS難以測量的元素。因此，在排除飛秒激光對SF6分解的影響下，我們進一步利用飛秒激光引導高壓放電研究高壓放電對SF6分解的影響。

2.2 引導放電的空間和時間特性分析

2.2.1 空間特性分析

圖3為自由放電與飛秒激光引導高壓放電照片。圖3(a)為兩電極間自由放電圖片，從圖中可以看出兩電極間形成一道彎曲明亮的電弧，且放電路徑具有隨機性。在相同電極間距下，利用飛秒激光引導高壓放電[圖3(b)]，從圖3(b)中可以看出，兩電極間形成一條筆直明亮的放電電弧，路徑完全沿著飛秒激光形成的等離子體通道，且其亮度相比自由放電時電弧亮度較暗。產生這種現象的原因主要是因為飛秒激光通過自聚焦效應形成光絲，光絲的電阻相對較小，使得電極兩端的充電電壓小于自由放電時電極兩端的充電電壓即可產生放電。因此，利用飛秒激光產生的等離子體通道可實現對高壓放電路徑的精確控制，使其完全沿著等離子體通道放電，從而實現對SF6分解產物的原位檢測。

圖3 自由放電與飛秒激光引導高壓放電照片Fig.3 Photos of free discharge and femtosecond laser-guided high-voltage discharge

2.2.2 時間特性分析

由于等離子體具有一定壽命，其引導放電的能力隨延遲時間的增加逐漸降低。因此，如果想要成功引導放電，需要將等離子體通道的壽命與電極兩端達到峰值電壓的時間有很好的重疊，所以控制放電的時間顯得尤為重要，本實驗系統利用DG535延遲信號發生器觸發高壓電源，實現了飛秒激光與放電的時序控制。

圖4為飛秒激光引導高壓放電時序圖，描述了光絲的形成、放電時兩電極間電壓和電流的時間順序，所有數據均為10組數據的平均值。從圖中可以看出，0.3 μs時，飛秒激光脈沖到達電極位置并形成絲狀等離子體通道，利用DG535觸發高壓電源，約0.1 μs后對電極充電，兩電極電壓迅速增大到12 kV，但并未立即引導放電，而是存在一段時間的電壓波動，當電壓穩定在12 kV，電極擊穿SF6形成放電，放電開始時電壓急劇下降，電流隨之上升。隨后，電壓出現較大抖動，電流值不斷增大隨后下降。放電脈寬(設置800 ns)結束后，電壓和電流信號出現一些震蕩。這里電壓和電流信號的波動可以解釋為電壓信號和電流信號迅速變化后在回路中產生的電子噪聲。

圖4 飛秒激光引導高壓放電時序圖Fig.4 Timing diagram of femtosecond laser-guided high-voltage discharge

2.3 引導放電下SF6分解光譜分析

圖5示出了飛秒激光引導高壓放電的純SF6(濃度為99.999%)分解光譜圖。插圖為ICCD獲得光絲區域空間分辨光譜，中間區域為SF6分解產物區域，兩側為空氣區域，相機曝光時間為200 ns，增益為20，讀寫延遲時間為680 ns。對SF6區域沿徑向積分可得到圖5所示的光譜圖。相比于圖2，從圖5中可以觀察到SF6分解產生大量的S和F的原子和離子譜線，包括前面所述的較難觀測到的氟(光譜范圍638～691 nm)和硫(光譜范圍520～550 nm)的發射線，其中Fe的三條發射線是由電極材料產生的，不同原子和離子譜線已在圖中用不同顏色標注。從圖中可以看出小于600 nm波段出現了較為強烈的原子離子發射譜線和連續譜線，這與Tuema等[11]觀測到的結果基本一致。大于600 nm波段主要觀測到部分F原子的發射線，這與Yoshida等[12]觀測到的結果基本一致。因此，基于飛秒激光引導高壓放電技術可實現SF6分解產物的原位檢測。

從圖5中，我們可以明顯觀察到490～570和600～800 nm波段分別是S和F的原子譜線，其主要來源是SF6被高能電子碰撞直接或間接產生S和F原子[1-4]，如化學反應式(1)和式(2)；300～450 nm波段主要是S離子譜線，其主要來源是反應式(1)和式(2)產生的S原子被高能電子撞擊失去電子生成S離子，如化學反應式(3)所示。

圖5 飛秒激光引導高壓放電SF6分解光譜圖Fig.5 SF6 decomposition spectrum of femtosecond laser-guided high-voltage discharge

SF6+e→SFx+(6-x)F (x=0，1，…，5)

(1)

SFx+e→S+xF (x=0，1，…，5)

(2)

S+e→Sx+(x=1，2，…，4)

(3)

3 結 論

利用飛秒激光引導高壓放電技術實現了SF6分解物的原位檢測。通過實驗發現飛秒激光對SF6的分解沒有明顯的影響。其次，利用飛秒激光產生的等離子體通道實現了對高壓放電空間和時間的精確控制。之后，利用ICCD獲得的SF6分解物的空間分辨光譜，基于對分解物的光譜分析發現SF6分解物中包含大量S和F的原子和離子，并分析了S和F原子主要由SF6被高能電子碰撞直接或間接產生，S離子是由S原子被高能電子撞擊產生的。本文研究證明了基于飛秒激光引導高壓放電技術可以實現SF6分解產物的原位測量。飛秒激光引導高壓放電技術結合SF6分解物的時間分辨光譜可以進一步研究SF6分解演化過程，為研究高壓放電下SF6分解機理提供一種有效的研究方法。