關(guān)于SF6氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計原理的綜述

SF6是由兩位法國化學(xué)家Moissan和Lebeau在1900年合成。自上世紀(jì)60年代以來，SF6氣體以其優(yōu)異的絕緣和滅弧性能，在電力系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用，幾乎成了中壓、高壓和超高壓斷路器和GIS中唯一的絕緣和滅弧介質(zhì)。正因?yàn)镾F6氣體的大量使用，其安全性也受到了人們的廣泛關(guān)注。

一、SF6氣體的特點(diǎn)及應(yīng)用

從物理性質(zhì)上看，SF6常態(tài)下是一種無色、無味、無毒的不易燃?xì)怏w，比重約為空氣的5倍。從化學(xué)性質(zhì)上看，其化學(xué)成分穩(wěn)定，具有極好的熱穩(wěn)定性。

在電力工業(yè)中，SF6廣泛應(yīng)用于電導(dǎo)設(shè)備系列，如電源開關(guān)、封閉式電容器組、變壓器等。運(yùn)行中，SF6氣體的泄漏不可避免，當(dāng)裝有SF6設(shè)備的配電裝置室如GIS發(fā)生泄漏后，SF6氣體在低層空間積聚到一定濃度后，如果工作人員進(jìn)入室內(nèi)，會發(fā)生大腦缺氧，甚至快速窒息等嚴(yán)重人身安全事故。另外，在電弧以及局部放電、高溫等因素影響下，SF6氣體會產(chǎn)生如SF4、S2F2、SOF2等高毒分解物，某些分解物遇水產(chǎn)生腐蝕性電解質(zhì)，這些有毒氣體主要損害人體的呼吸系統(tǒng)，中毒后會出現(xiàn)類似于感冒、皮膚過敏、惡心嘔吐、疲勞等不良反應(yīng)，吸入劑量大時，會出現(xiàn)更加嚴(yán)重的后果。這些不僅對人身安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，而且危害電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。《電業(yè)安全工作規(guī)程》（發(fā)電廠和變電站部分）特別規(guī)定，裝有SF6設(shè)備的配電裝置室必須保證SF6濃度小于1000ppm，除須裝設(shè)強(qiáng)力通風(fēng)裝置外，還必須安裝能報警的氧含量和SF6氣體濃度監(jiān)測裝置。

因此，準(zhǔn)確檢測空氣中SF6氣體濃度是設(shè)備安全可靠運(yùn)行的保障，并且其安全性也受到全球性的關(guān)注。

二、SF6氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計原理的優(yōu)越性比較

空氣中微量SF6氣體的檢測是比較困難的，目前，廣為應(yīng)用的原理多基于：高壓放電電離法、電化學(xué)法、紅外成像法、紅外光譜法（NDIR）、超聲檢測技術(shù)。

1.高壓放電電離法。高壓放電電離法是目前手持式檢漏儀中常采用的檢測方法，當(dāng)空氣中含有不同濃度的六氟化硫氣體時，高壓放電的電流就有所改變，通過測量此放電電流的大小而確定空氣中泄漏的六氟化硫的濃度大小。此類設(shè)備體積小，成本低，但其高壓電暈放電傳感器壽命較短，不能長期穩(wěn)定的工作，漂移大，易產(chǎn)生誤報情況，不適合SF6定量實(shí)時、在線檢測。

2.電化學(xué)法。電化學(xué)技術(shù)的原理是被檢測氣體接觸到 200℃左右高溫的催化劑表面，并與之發(fā)生相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生電信號的改變，以此來發(fā)現(xiàn)被檢測氣體。但由于其傳感器參與反應(yīng)，可能產(chǎn)生二次污染（SF6氣體自身是無毒，但通過化學(xué)反應(yīng)后會產(chǎn)生有毒分解物），另外傳感器壽命較短，要定期更換傳感器，增加了后期投入。

3.紅外成像法。紅外成像技術(shù)是利用SF6氣體具有強(qiáng)烈吸收作用的特性，如美國某公司的紅外激光成像SF6氣體定位系統(tǒng)，它主要用于設(shè)備的檢漏，除結(jié)構(gòu)復(fù)雜外，價格十分昂貴（90-130 萬）。此原理常用在手持式儀器中，成本高、不適合構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，無法實(shí)現(xiàn)SF6氣體實(shí)時檢測。

4.紅外光譜法（NDIR）。近年來，紅外光譜法NDIR技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，利用SF6氣體具有強(qiáng)烈吸收作用的特性，能定量檢測SF6氣體濃度，但是目前此種原理所采用的傳感器多采用進(jìn)口傳感器，價格約為超聲波傳感器的10倍，為了解決成本問題，目前生產(chǎn)廠家多采用集中式（抽氣式）架構(gòu)，即用真空泵將現(xiàn)場空氣抽到取樣分析儀中進(jìn)行測量，取樣分析儀中包括SF6傳感器和多通路電磁閥，通過控制電磁閥來切換通道，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量，此方案成功的降低了成本，但是真空泵使用壽命不長，還需要定期清理探測點(diǎn)的灰塵，否則會影響測量精度甚至造成誤報警，定期的清理工作就增加了后期的投入，另外一套系統(tǒng)中SF6傳感器只有一個，若這個SF6傳感器損壞整套系統(tǒng)也就癱瘓。此種方案雖然可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測SF6氣體濃度，但成本高、維護(hù)復(fù)雜，不適合大量推廣、應(yīng)用。

5.超聲檢測技術(shù)。利用聲波在SF6氣體中傳播的速度比在大氣中傳播的速度慢的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高精度的測量，運(yùn)用雙通道檢測技術(shù)解決環(huán)境因素的干擾，不受溫濕度變化影響，這種檢測方法具有精度高、成本低、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，因其成本低可以實(shí)現(xiàn)分散式架構(gòu)，容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線實(shí)時測量及監(jiān)測自動化，適合在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中使用。

通過上面的介紹和比較可見，運(yùn)用超聲檢測和雙通道檢測技術(shù)，克服了使用壽命短、體積龐大、穩(wěn)定性差、成本高等缺點(diǎn)，可定量、實(shí)時的對SF6氣體濃度進(jìn)行高精度的檢測，另外因其成本低，可實(shí)現(xiàn)大面積的推廣、應(yīng)用。

三、基于超聲原理分散式架構(gòu)的SF6氣體泄漏在線監(jiān)測報警系統(tǒng)

該SF6氣體泄漏在線監(jiān)測報警系統(tǒng)是根據(jù)當(dāng)前電力系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)安全生產(chǎn)的形勢，結(jié)合當(dāng)前智能電網(wǎng)的發(fā)展，利用超聲檢測與雙通道檢測相結(jié)合的先進(jìn)技術(shù)，融合軟硬件可裁減技術(shù)，為在安裝有SF6設(shè)備的配電裝置室的工作人員提供人身健康安全保護(hù)而量身設(shè)計、開發(fā)的智能型在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1.功能概述。檢測環(huán)境空氣中SF6氣體濃度和氧氣濃度，當(dāng)環(huán)境中SF6氣體濃度超標(biāo)或缺氧，能實(shí)時進(jìn)行報警，同時自動啟動風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，并且具有溫濕度檢測、語音提示、手機(jī)排風(fēng)、消防聯(lián)動、上傳數(shù)據(jù)到PC機(jī)、歷史數(shù)據(jù)查詢等完善的功能，可廣泛應(yīng)用于各種電壓等級的SF6開閉室、SF6開關(guān)室、SF6主變室、組合電器室（GIS室）等。

2.主要特點(diǎn)。①高精度實(shí)時檢測 。系統(tǒng)超聲波聲速測量與時差原理相結(jié)合，可定量、實(shí)時在線測量SF6氣體濃度。

②多重檢測功能。主要針對SF6氣體泄漏和缺氧狀況進(jìn)行檢測，并兼有溫度、濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)的輔助檢測功能，完全符合《電業(yè)安全工作規(guī)程》要求。

③超低誤報率。針對傳統(tǒng)產(chǎn)品誤報率高的缺點(diǎn)，采用雙通道測量原理，杜絕了空氣擾動、溫濕度變化等帶來的影響，從根本上解決了系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題

④合理的系統(tǒng)架構(gòu)。采用分散式架構(gòu)，可通過方便的外部設(shè)置對氣體檢測器功能進(jìn)行靈活的軟硬件裁減，以適應(yīng)不同場合的需求，盡最大努力為客戶節(jié)省成本。

⑤長壽型設(shè)計。為了延長壽命，SF6傳感器采用間歇式工作，大大提高了傳感器的工作穩(wěn)定性和使用壽命。

⑥低成本設(shè)計。選用性能穩(wěn)定成本低的超聲波傳感器，適應(yīng)大面積推廣、應(yīng)用。

⑦抗干擾能力強(qiáng)。對干擾問題作了充分的考慮，在硬件電路和軟件設(shè)計上分別采用了多種有效的抗干擾處理方法，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，以及測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.工作原理。該SF6氣體泄漏在線監(jiān)測報警系統(tǒng)主要包括氣體檢測器和監(jiān)測主機(jī)。氣體檢測器是本系統(tǒng)的核心組件，主要作用是檢測空氣絕緣開關(guān)（GIS）配電室內(nèi)各隔離氣室泄漏的SF6氣體濃度、室內(nèi)現(xiàn)場溫度、濕度、氧氣含量，并將檢測到的數(shù)據(jù)值通過通信總線傳送給監(jiān)測主機(jī)。

監(jiān)測主機(jī)的功能包括準(zhǔn)確無誤地接收氣體檢測器傳送過來的測量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行集中整理、分析，判斷現(xiàn)場數(shù)據(jù)是否超出設(shè)定限，超出則進(jìn)行報警、啟動風(fēng)機(jī)等控制輸出動作；彩色液晶顯示現(xiàn)場參數(shù)、報警歷史數(shù)據(jù)、上次風(fēng)機(jī)啟動時間，并可通過鍵盤進(jìn)行時間設(shè)置、風(fēng)機(jī)工作參數(shù)設(shè)置、通信設(shè)置、報警限設(shè)置等，并且有人工啟動風(fēng)機(jī)功能；具有語音播報功能，當(dāng)有人員靠近播報現(xiàn)場參數(shù)；具有消防聯(lián)動功能，當(dāng)有火災(zāi)報警時，禁止啟動現(xiàn)場風(fēng)機(jī)；具有數(shù)據(jù)上傳功能，把檢測數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)，以方便遠(yuǎn)程查詢。

論述結(jié)果表明基于超聲原理分散式架構(gòu)的SF6氣體泄漏在線監(jiān)測警系統(tǒng)優(yōu)于其它幾種原理，克服了使用壽命短、體積龐大成本高、不便于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，符合電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)的形勢，能廣泛應(yīng)用于各種電壓等級的變電站。