基于輪循泵吸式雙氣體檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

高黎明（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430063）

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基于輪循泵吸式雙氣體檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

高黎明（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430063）

隨著高速鐵路的迅速發(fā)展和技術(shù)裝備水平的提高，確保供電系統(tǒng)安全運(yùn)行更是重中之重。六氟化硫（SF6）氣體因其優(yōu)異的絕緣性和滅弧性在氣體絕緣全封閉組合電器（GIS）開(kāi)關(guān)柜中得以廣泛運(yùn)用；但SF6氣體在高壓電弧的作用下會(huì)產(chǎn)生劇毒物質(zhì)，一旦泄漏就危及到作業(yè)人員安全及設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。因此本文結(jié)合一種輪循泵吸式雙氣體檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行較為深入的探討，通過(guò)加強(qiáng)對(duì)SF6設(shè)備的管理，提高高鐵供電維修人員作業(yè)安全可靠性。

《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10621-2014）在牽引變電章節(jié)中11.3.9條規(guī)定GIS配電裝置室內(nèi)低位區(qū)應(yīng)配有SF6報(bào)警儀及事故排風(fēng)裝置。【關(guān)鍵詞】SF6；健康；安全；環(huán)境保護(hù)；雙氣體檢測(cè)技術(shù)

1　背景技術(shù)

SF6氣體在常溫下是一種無(wú)色、無(wú)臭、不燃和無(wú)毒的惰性氣體，具有優(yōu)良的絕緣性能和滅弧性能，但是在開(kāi)關(guān)分合過(guò)程中電弧和電暈的作用下，SF6氣體會(huì)分解產(chǎn)生劇毒低氟（SF4、S2F2、SOF2、HF）化合物。由于SF6氣體密度高，泄漏后常常沉積在室內(nèi)下部，造成它所覆蓋的處所與空氣隔絕，表征為缺氧。同時(shí)夾雜著劇毒低氟化合物對(duì)人體健康構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。

目前國(guó)內(nèi)外使用的SF6氣體泄漏檢測(cè)技術(shù)和原理主要有以下幾類(lèi)：紅外光譜法、電化學(xué)法、高壓電擊穿法、示蹤法、紅外成像法、聲波法。

（1）非分紅外光譜吸收技術(shù)（NDIR）：SF6氣體對(duì)特定波段的紅外光有很強(qiáng)烈的吸收特性，靈敏度高，不受環(huán)境的影響和干擾，同時(shí)對(duì)環(huán)境的溫度和濕度的變化所帶來(lái)的檢測(cè)誤差很小，不會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)警，壽命可長(zhǎng)達(dá)10年。

（2）電化學(xué)技術(shù)：通過(guò)被檢測(cè)的SF6氣體接觸到200℃左右高溫的催化劑，并與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電信號(hào)，以此來(lái)發(fā)現(xiàn)被檢測(cè)的SF6氣體。電化學(xué)技術(shù)缺點(diǎn)是精度低，壽命短，成本高。

（3）高壓電擊穿技術(shù)：根據(jù)SF6氣體絕緣的特性，從置于被檢測(cè)空氣中的高壓電極間電壓的變化判斷空氣中是否含有SF6氣體。由于電極的金屬材料隨著溫度的變化造成的膨脹引起電極間距的改變，從而對(duì)檢測(cè)SF6的結(jié)果帶來(lái)了不確定性。同時(shí)電極在檢測(cè)過(guò)程中處于高壓狀態(tài)，導(dǎo)致其工作壽命只有幾十小時(shí)。

（4）示蹤法：利用SF6氣體吸附特性，在SF6氣體加入某種物質(zhì)，該物質(zhì)能夠被SF6分子吸附，再通過(guò)檢測(cè)該物質(zhì)，間接測(cè)量SF6濃度。這種方法檢測(cè)精度非常高，但需要輔助氣體，造價(jià)成本高。

（5）紅外成像法：利用SF6氣體具有強(qiáng)烈吸收作用的特性，紅外激光成像SF6氣體定位系統(tǒng)，檢漏設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。

（6）聲波法：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)，進(jìn)行檢測(cè)。但其主要缺點(diǎn)是檢測(cè)下限太低，2%的SF6氣體濃度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了理論上SF6氣體對(duì)人體的安全上限1000ppm。

通過(guò)試驗(yàn)證明采用NDIR紅外光譜技術(shù)的輪循泵吸式SF6氣體泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)及時(shí)檢測(cè)到SF6氣體泄漏點(diǎn)及掌握泄漏情況，該技術(shù)采用主動(dòng)抽取測(cè)試點(diǎn)氣體的原理，效果是發(fā)現(xiàn)泄漏早，反應(yīng)迅速。

2　系統(tǒng)簡(jiǎn)介

輪循泵吸式SF6氣體泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括管路輪循切換單元、氣泵控制單元、雙紅外雙光束 SF6傳感器檢測(cè)變換單元、氧氣檢測(cè)變換單元和通信單元，系統(tǒng)通過(guò)預(yù)置參數(shù)切換到設(shè)定管路，啟動(dòng)氣泵抽取對(duì)應(yīng)管路氣體進(jìn)入檢測(cè)端公用的雙紅外雙光束SF6傳感器和氧氣傳感器；系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字接口讀取SF6濃度值，通過(guò)模擬端口讀取氧氣濃度值，并根據(jù)溫濕度模塊讀取的溫濕度參數(shù)修正讀取值。本系統(tǒng)具有精度高、重復(fù)性好、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)。可實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測(cè)環(huán)境中SF6氣體、氧氣含量以及溫度的變化，將檢測(cè)的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)并通過(guò)CAN總線上傳到其他系統(tǒng)。

輪循泵吸式SF6氣體泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要應(yīng)用在變電站35kV SF6開(kāi)關(guān)室及500kV、220kV、110kV GIS室，對(duì)GIS設(shè)備室環(huán)境中SF6氣體泄漏情況和空氣中含氧量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。主要檢測(cè)環(huán)境空氣中SF6氣體和氧氣含量，當(dāng)環(huán)境中SF6氣體含量超標(biāo)或缺氧，能實(shí)時(shí)報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟通風(fēng)設(shè)備通風(fēng)。且具有微量SF6氣體檢測(cè)技術(shù)，能檢測(cè)到濃度低至10ppm。

3　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

輪循泵吸式SF6氣體泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為3層：氣泵驅(qū)動(dòng)層、數(shù)據(jù)采集層、控制層。

（1）氣泵驅(qū)動(dòng)控制層由放大電路、驅(qū)動(dòng)電路組成。主要控制氣泵的啟停和變頻控制以及氣路前端的切換。

（2）數(shù)據(jù)采集層由SF6/氧氣雙氣采集接口、總線接口等組成。實(shí)時(shí)檢測(cè)SF6氣體濃度、氧氣含量等。并通過(guò)擴(kuò)展現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接。

（3）控制層由主控處理單元組成。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、發(fā)出報(bào)警信號(hào)、啟動(dòng)通風(fēng)設(shè)備。

圖1　輪循泵吸式SF6氣體泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

系統(tǒng)中，氣泵驅(qū)動(dòng)層包括氣泵2、氣泵驅(qū)動(dòng)單元8和多條管路12，多條管路12均與氣泵2連接，每條管路12上設(shè)有氣路閥門(mén)1，多條氣路閥門(mén)1均與一閥門(mén)控制單元9連接，氣泵驅(qū)動(dòng)單元8與氣泵2連接，氣泵驅(qū)動(dòng)單元8和閥門(mén)控制單元9均與主機(jī)單元7連接；數(shù)據(jù)采集層包括雙紅外SF6檢測(cè)單元3和氧氣檢測(cè)單元4，雙紅外SF6檢測(cè)單元3通過(guò)一數(shù)據(jù)接口5與主機(jī)單元7連接，氧氣檢測(cè)單元4通過(guò)一放大電路6與主機(jī)單元7連接。本系統(tǒng)還包括設(shè)于主機(jī)單元7上的顯示接口10和通訊接口11。

系統(tǒng)采用的雙紅外雙光束SF6檢測(cè)方法，首先通過(guò)預(yù)置參數(shù)切換到設(shè)定的管路12，啟動(dòng)氣泵2抽取遠(yuǎn)端對(duì)應(yīng)管路氣體進(jìn)入檢測(cè)端，即雙紅外SF6檢測(cè)單元3和氧氣檢測(cè)單元4；系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字接口5讀取SF6濃度值，通過(guò)模擬端口讀取氧氣濃度值，也可以根據(jù)溫濕度模塊讀取的溫濕度參數(shù)修正讀取值，使測(cè)量有效值穩(wěn)定正確。

4　技術(shù)研究

輪循泵吸式SF6氣體泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所述氣泵驅(qū)動(dòng)層包括氣泵、氣泵驅(qū)動(dòng)單元和多個(gè)管路。多個(gè)管路均與氣泵連接，每個(gè)管路上設(shè)有氣路閥門(mén)，多個(gè)氣路閥門(mén)均與一個(gè)閥門(mén)控制單元連接；所述氣泵驅(qū)動(dòng)單元與氣泵和閥門(mén)控制單元連接，并均與主機(jī)單元連接；所述數(shù)據(jù)采集層包括雙紅外雙光束SF6檢測(cè)單元和氧氣檢測(cè)單元，所述雙紅外雙光束SF6檢測(cè)單元通過(guò)一數(shù)據(jù)接口與主機(jī)單元連接，所述氧氣檢測(cè)單元通過(guò)一放大電路與主機(jī)單元連接。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本系統(tǒng)由于采用非分紅外光譜技術(shù)的雙紅外雙光束SF6檢測(cè)單元，使其能夠更精確的檢測(cè)到SF6氣體泄漏的情況，且能夠準(zhǔn)確及時(shí)的查找到GIS組合電器中泄漏位置，提前告警，保證檢修人員的人身不受到意外傷害。同時(shí)本裝置又能通過(guò)預(yù)置參數(shù)切換到設(shè)定管路，啟動(dòng)氣泵抽取遠(yuǎn)端對(duì)應(yīng)管路氣體進(jìn)入檢測(cè)端達(dá)到檢測(cè)單元的公用，具有性?xún)r(jià)比高和檢測(cè)準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

5　系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）實(shí)現(xiàn)基于非分光紅外，雙光束、雙波長(zhǎng)SF6檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)可以有效避免因?yàn)楣庠吹睦匣⒉蓸映睾蜋z測(cè)器表面污染而引起的漂移，從而使得壽命更長(zhǎng)精度更高。同時(shí)分光紅外，雙光束、雙波長(zhǎng)SF6檢測(cè)技術(shù)中參比通道的被調(diào)制的特定波長(zhǎng)的單色光不會(huì)對(duì)被測(cè)量氣體產(chǎn)生吸收。它產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的信號(hào)，此信號(hào)只受外部影響而變化，不受被測(cè)量氣體影響，從而保證穩(wěn)定性更高抗干擾更強(qiáng)。

（2）0～3000ppm寬范圍內(nèi)定量測(cè)量顯示，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)修正功能，能有效克服溫度、濕度等環(huán)境因素的影響，保證系統(tǒng)檢測(cè)的有效精度。

（3）能可選有毒氣體（如CO、CH4、H2S）的含量監(jiān)測(cè)，可根據(jù)需求模塊式搭建，并入系統(tǒng)。

（4）氣泵PWM控制技術(shù)，通過(guò)該技術(shù)可以根據(jù)采集量動(dòng)態(tài)控制采集氣體的濃度，達(dá)到正確實(shí)時(shí)檢測(cè)。

（5）氣路模塊化搭建，適應(yīng)不同區(qū)域不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

（6）擴(kuò)展數(shù)字式輸入接口模塊、模擬式輸入接口模塊和輸出信號(hào)接口模塊。輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)來(lái)自煙霧探頭、門(mén)磁開(kāi)關(guān)等數(shù)字信號(hào)的接入，也可以接入諸如其他模擬信號(hào)的接入，輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟/停除濕機(jī)、電控門(mén)等眾多智能化控制功能。

6　結(jié)論

本系統(tǒng)能夠在最為惡劣或危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境中準(zhǔn)確可靠地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)SF6和O2濃度，做到及時(shí)提示并啟動(dòng)預(yù)警機(jī)制。具有精度高、重復(fù)性好、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)，可實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測(cè)環(huán)境中SF6氣體濃度、O2含量以及溫度等的變化擁有穩(wěn)定性好、抗干擾能力高、使用安裝方便、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用電力、鐵路供電系統(tǒng)中，實(shí)用性好、推廣價(jià)值高。

［1］《高壓組合電器配電室六氟化硫環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)》（JBT_10893-2008）.

［2］《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10621-2014）.

［3］楊殿成，邱朝陽(yáng).紅外檢測(cè)技術(shù)原理及應(yīng)用.

高黎明（1981-），工程師，大學(xué)本科，主要從事勘察設(shè)計(jì)工作。

TM621.4

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2095-2066（2016）10-0060-02

2016-3-8