基于紅外吸收原理的SF6氣體泄漏檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究

馬鳳翔 袁小芳 程登峰 朱 峰 趙 躍

基于紅外吸收原理的SF6氣體泄漏檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究

馬鳳翔1,2袁小芳1,2程登峰1,2朱 峰1,2趙 躍1,2

（1. 國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，合肥 230000；2. 國(guó)家電網(wǎng)有限公司六氟化硫氣體特性分析與凈化處理技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230000）

SF6分解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中可能會(huì)發(fā)生SF6泄漏，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響一次設(shè)備的安全運(yùn)行，需要對(duì)其泄漏狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。通過比較現(xiàn)有SF6氣體泄漏檢測(cè)方法，本文提出采用非分散紅外吸收傳感器檢測(cè)SF6氣體泄漏，搭建傳感器檢測(cè)電路及泄漏模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究傳感器對(duì)不同泄漏速度、不同泄漏點(diǎn)的響應(yīng)特性，以及布置位置、進(jìn)氣口朝向?qū)鞲衅鳈z測(cè)特性的影響。結(jié)果顯示，隨著泄漏速度增大，傳感器響應(yīng)增加并最終趨于穩(wěn)定，且不同位置傳感器對(duì)三種泄漏點(diǎn)的響應(yīng)速度、響應(yīng)值不同，其中3號(hào)位置的傳感器對(duì)三種泄漏點(diǎn)都具有較好的響應(yīng)特性，是傳感器安裝的優(yōu)選位置；同時(shí)傳感器側(cè)向安裝響應(yīng)速度更快。該技術(shù)能對(duì)不同速度的SF6泄漏進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過傳感器多點(diǎn)布置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏區(qū)域的定位。

SF6氣體泄漏；在線監(jiān)測(cè)裝置；SF6傳感器；SF6泄漏檢測(cè)；泄漏模擬

0 引言

六氟化硫（SF6）氣體具有優(yōu)異的絕緣和滅弧性能，被廣泛應(yīng)用于氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（gas insulated switchgear, GIS）、互感器、套管等電氣設(shè)備中[1-3]。SF6氣體化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但在放電或過熱條件下會(huì)發(fā)生解離；在沒有其他雜質(zhì)存在時(shí)，解離的SF6會(huì)迅速?gòu)?fù)合還原為SF6氣體。但在實(shí)際使用中，SF6氣體中難免會(huì)混有少量水分和氧氣等雜質(zhì)，解離的SF6與這些雜質(zhì)組分進(jìn)一步反應(yīng)，生成多種毒性大且腐蝕性強(qiáng)的分解產(chǎn)物（SO2F2、SOF2、SO2、H2S等）[4-6]。這些分解產(chǎn)物存在于電氣設(shè)備中，會(huì)進(jìn)一步加速設(shè)備故障發(fā)展、危害檢修人員的安全。因此，分析SF6分解產(chǎn)物的組成和含量，是做好電氣設(shè)備故障診斷和運(yùn)行維護(hù)工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

近年來，SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展，檢測(cè)靈敏度逐步提高、檢測(cè)組分種類不斷拓展，檢測(cè)方法由傳統(tǒng)的檢測(cè)管法發(fā)展為傳感器法、氣相色譜法、光聲光譜法等[7-9]。檢測(cè)方式也由離線檢測(cè)發(fā)展為帶電檢測(cè)、狀態(tài)檢測(cè)。然而，SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)仍然面臨挑戰(zhàn)，部分SF6分解產(chǎn)物化學(xué)性質(zhì)活潑，與設(shè)備內(nèi)部材料和吸附劑相互作用而迅速消耗。為了及時(shí)檢測(cè)分解產(chǎn)物，研究者開發(fā)了可自動(dòng)完成氣體取樣、回充等過程的取樣裝置。但是，該裝置存在氣缸活塞等運(yùn)動(dòng)部件，且管路復(fù)雜、接口多，由于安裝不良、運(yùn)行中振動(dòng)松動(dòng)或分解氣體的強(qiáng)腐蝕性，長(zhǎng)期運(yùn)行后一些部件和密封材料劣化，進(jìn)而影響密封導(dǎo)致氣體泄漏，嚴(yán)重時(shí)將影響一次設(shè)備的安全運(yùn)行。因此亟需適用于監(jiān)測(cè)儀器的SF6泄漏檢測(cè)技術(shù)方案。

本文針對(duì)光聲光譜在線監(jiān)測(cè)儀器氣體泄漏異常問題，提出氣體泄漏檢測(cè)方法，并研究氣體泄漏檢測(cè)傳感器對(duì)儀器內(nèi)部氣體泄漏的響應(yīng)特性，以及傳感器最佳布設(shè)方式，為光聲光譜在線監(jiān)測(cè)儀器的研發(fā)提供基礎(chǔ)。

1 SF6泄漏檢測(cè)技術(shù)

對(duì)于一次設(shè)備的SF6泄漏檢測(cè)，有很多傳統(tǒng)方法，如包扎法、負(fù)電暈檢漏儀、熱導(dǎo)檢測(cè)器法等。這些方法或者操作復(fù)雜，或者壽命短，不適合在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用。隨著光學(xué)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，近年又出現(xiàn)了基于紅外原理的檢漏技術(shù)，主要利用SF6氣體在10.6mm波段對(duì)紅外輻射具有很強(qiáng)的吸收作用這一特性。具體包括以下三種方法。

1.1 激光成像泄漏檢測(cè)技術(shù)

SF6激光成像檢漏儀利用SF6氣體在10.6mm波長(zhǎng)附近的強(qiáng)吸收特性及反向散射/吸收理論。工作時(shí)，激光光源向被測(cè)設(shè)備區(qū)域發(fā)出入射激光，光束經(jīng)過背景反射會(huì)形成反向散射激光并進(jìn)入攝影機(jī)成像系統(tǒng)，在有泄漏氣體的情況下，發(fā)出的入射激光遇到泄漏的SF6氣體，其能量會(huì)被吸收一部分，返回到激光攝影機(jī)成像系統(tǒng)的激光強(qiáng)度由于經(jīng)過氣體煙霧的吸收將會(huì)減弱，從而導(dǎo)致無泄漏與有泄漏兩種情況下的反向散射激光產(chǎn)生差異，最終形成不同的激光成像[10-11]。該技術(shù)為主動(dòng)式檢測(cè)，缺點(diǎn)是激光成像系統(tǒng)價(jià)格昂貴。

1.2 紅外成像泄漏檢測(cè)技術(shù)

該技術(shù)也是利用SF6氣體的紅外特性，但為被動(dòng)式檢測(cè)，即被動(dòng)檢測(cè)物體發(fā)出的紅外光，其紅外傳感器只檢測(cè)極窄的光譜范圍，故選擇性極強(qiáng)。由于SF6氣體對(duì)對(duì)應(yīng)譜段的吸收，在有泄漏氣體出現(xiàn)的區(qū)域，視頻圖像將產(chǎn)生對(duì)比變化，并產(chǎn)生煙霧狀陰影。氣體濃度越大，吸收光能越多，煙霧狀陰影就越明顯，從而使不可見的SF6氣體泄漏變?yōu)榭梢姡M(jìn)而確定其泄漏源及移動(dòng)方向，使檢測(cè)人員能夠快速、準(zhǔn)確地找到泄漏點(diǎn)[12-13]。與激光檢漏技術(shù)相比，該技術(shù)無需反射背景，適用范圍更廣，同時(shí)因?yàn)闊o需激光光源，所以相應(yīng)裝置質(zhì)量輕。

1.3 紅外吸收檢測(cè)技術(shù)

當(dāng)紅外光通過SF6氣體時(shí)，SF6氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)（10.6mm）的紅外光有吸收，其吸收關(guān)系服從朗伯-比爾（Lambert-Beer）吸收定律[14-15]。由朗伯-比爾定律可知，光的吸收系數(shù)與物質(zhì)的濃度有關(guān)。通過吸收介質(zhì)的長(zhǎng)度與透射光強(qiáng)滿足

式中：和0分別為輸入光強(qiáng)和輸出光強(qiáng)；為光的波長(zhǎng)；為波長(zhǎng)下的單位濃度、單位長(zhǎng)度介質(zhì)的吸收系數(shù)；為待測(cè)氣體與光相互作用的長(zhǎng)度；為待測(cè)氣體的濃度。式（1）可轉(zhuǎn)化為

由式（2）可知，在波長(zhǎng)下，若氣體的吸收系數(shù)可以測(cè)量，則SF6氣體濃度可由波長(zhǎng)為的紅外光的輸入光強(qiáng)和輸出光強(qiáng)0的變化量求出。

工作時(shí)，被測(cè)氣體通過采集泵或自然擴(kuò)散進(jìn)入測(cè)量氣室內(nèi)，紅外光源發(fā)射的紅外光束透過被測(cè)氣體，不同氣體組分吸收特定波段的紅外光，通過紅外探測(cè)器探測(cè)出對(duì)應(yīng)紅外波段的變化，并將該變化值通過放大器后，輸入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，進(jìn)而顯示出被測(cè)氣體的含量。

目前研究者已開發(fā)出基于非分光差分紅外吸收檢測(cè)技術(shù)，采用LED光源，可實(shí)現(xiàn)SF6氣體的微型化、低成本光學(xué)傳感[14-16]。

表1為四種SF6泄漏檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)。考慮到項(xiàng)目應(yīng)用場(chǎng)景，SF6泄漏檢測(cè)技術(shù)需要滿足壽命長(zhǎng)、體積小、可定量檢測(cè)、易于儀器集成等要求，因此選擇基于紅外吸收的檢測(cè)傳感器。

表1 四種SF6泄漏檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)

2 泄漏模擬實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述分析，采用紅外吸收技術(shù)作為儀器內(nèi)部泄漏異常的檢測(cè)手段。紅外吸收SF6傳感器如圖1所示。圖1（a）為基于紅外吸收技術(shù)的SF6傳感器SC75E-SF6，采用雙通道非分散紅外（non-dispersive infrared, NDIR）吸收檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)量程0～2 000mL/L，靈敏度15mL/L，檢測(cè)精度2%，工作壓力75～120kPa，響應(yīng)時(shí)間10s，適合不同泄漏速度的檢測(cè)，同時(shí)具有溫度補(bǔ)償，壽命大于6年，且可以通過RS 485、RS 232等與上位機(jī)通信。

2.1 SF6傳感模塊設(shè)計(jì)

上述傳感器需要配置外部電路，才能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能，圖1（b）為開發(fā)的SF6傳感模塊，該模塊體積小，可分散布置在監(jiān)測(cè)儀器內(nèi)部不同位置。研究中傳感器通過Max232/Max485芯片與上位機(jī)串口連接，通過控制開關(guān)設(shè)置傳感器地址，地址位有5位，最多可以識(shí)別32個(gè)SF6傳感器，可用于組網(wǎng)檢測(cè)。研究中為確定傳感器最佳安裝位置，分別在不同位置裝設(shè)4個(gè)SF6傳感器，傳感器地址分別設(shè)置為0x1C、0x1D、0x1E、0x1F。而儀器應(yīng)用中，為降低成本可只使用1個(gè)，上位機(jī)按通信協(xié)議向傳感器發(fā)送命令，傳感器返回SF6氣體濃度。檢測(cè)中每10s發(fā)一次檢測(cè)命令，采集SF6濃度數(shù)據(jù)。

2.2 儀器內(nèi)部泄漏模擬方法

被測(cè)儀器內(nèi)部各模塊布置方式、傳感器及模擬泄漏點(diǎn)設(shè)置如圖2所示，可能會(huì)發(fā)生泄漏的模塊包括取樣與回充單元、分解氣體檢測(cè)模塊，具體位置包括氣路連接口、氣缸等，4個(gè)傳感器布置在包含氣體管路的部位：取樣模塊的上部和下部、檢測(cè)層、柜體底部。氣體泄漏速度采用質(zhì)量流量計(jì)控制。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 傳感器對(duì)泄漏的響應(yīng)特性

研究中氣體泄漏位置為泄漏點(diǎn)2，泄漏速度通過質(zhì)量流量計(jì)設(shè)置為10mL/min、20mL/min、30mL/min和40mL/min。四種泄漏速度下SF6濃度隨泄漏時(shí)間變化曲線如圖3所示。可以看到，四種泄漏速度下，四個(gè)SF6氣體傳感器檢測(cè)濃度變化趨勢(shì)一致，泄漏速度越快，氣體濃度越大，濃度上升速度越快，其中2號(hào)和3號(hào)傳感器響應(yīng)速度快，遠(yuǎn)高于1號(hào)和4號(hào)傳感器；同時(shí)可以看到，在泄漏早期，氣體體積分?jǐn)?shù)上升很快，后期由于氣體擴(kuò)散，濃度變化變慢。圖3中SF6氣體含量波動(dòng)是由于氣流不穩(wěn)定和傳感器誤差造成的。

圖2 SF6傳感器及模擬泄漏點(diǎn)

3.2 傳感器位置的影響

在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，發(fā)生泄漏的位置是不確定的，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)氣體泄漏故障，傳感器應(yīng)布置在對(duì)泄漏響應(yīng)最靈敏的位置，研究中針對(duì)3個(gè)不同SF6泄漏點(diǎn)（氣缸泄漏、取樣回充單元管路泄漏、氣體池接口管路泄漏），分別測(cè)量4個(gè)位置傳感器的SF6氣體濃度。實(shí)驗(yàn)中泄漏速度設(shè)置為20mL/min，1～4號(hào)傳感器進(jìn)氣口垂直朝上安裝。圖4（a）～圖4（d）分別對(duì)應(yīng)4個(gè)傳感器在3個(gè)泄漏點(diǎn)發(fā)生泄漏時(shí)SF6含量隨泄漏時(shí)間變化曲線。可以看到，1號(hào)傳感器對(duì)三個(gè)泄漏點(diǎn)響應(yīng)都較慢，且氣體濃度檢測(cè)值較低；2、3號(hào)傳感器對(duì)泄漏點(diǎn)1、2響應(yīng)快且氣體濃度檢測(cè)值大；4號(hào)傳感器對(duì)泄漏點(diǎn)3響應(yīng)相對(duì)較快且氣體含量檢測(cè)值大，但對(duì)泄漏點(diǎn)1、2響應(yīng)慢。綜合來看，3號(hào)傳感器對(duì)三種泄漏點(diǎn)的響應(yīng)都較好，能夠及時(shí)響應(yīng)泄漏。

3.3 傳感器朝向的影響

由于氣體擴(kuò)散及流動(dòng)方向不同，不同朝向的傳感器對(duì)同一泄漏的響應(yīng)不同，分別模擬傳感器進(jìn)氣口朝上（正放）及與水平面垂直（側(cè)放）兩種情況。泄漏條件：泄漏點(diǎn)3，泄漏速度20mL/min，兩種放置方式SF6濃度隨泄漏時(shí)間變化曲線如圖5所示。可以看到4個(gè)傳感器在側(cè)放時(shí)響應(yīng)速度均比正放快，且氣體體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)值更大。這主要是由于SF6密度比空氣大，氣體泄漏后向下沉積，而氣體傳感器有一定的高度，側(cè)放時(shí)高度較低，氣體更易從傳感器過濾網(wǎng)進(jìn)入檢測(cè)腔體內(nèi)部；正放時(shí)檢測(cè)點(diǎn)距離泄漏點(diǎn)更遠(yuǎn)，因此穩(wěn)定后，氣體體積分?jǐn)?shù)也更低。

圖5 兩種放置方式SF6濃度隨泄漏時(shí)間變化曲線

4 結(jié)論

如何檢測(cè)監(jiān)測(cè)儀器內(nèi)部SF6氣體泄漏異常是監(jiān)測(cè)儀器研制的重要方面。本文以研制的SF6分解氣體光聲光譜監(jiān)測(cè)儀器為應(yīng)用對(duì)象，開展內(nèi)部SF6泄漏檢測(cè)技術(shù)研究，得出如下結(jié)果：

1）SF6氣體泄漏檢測(cè)方法中，傳統(tǒng)的負(fù)電暈法存在傳感器壽命短的問題；新型的激光紅外成像法設(shè)備體積較大、價(jià)格昂貴，通常用于一次設(shè)備氣體泄漏檢測(cè)；紅外吸收法可實(shí)現(xiàn)小型化、價(jià)格低、與控制電路接口簡(jiǎn)單、易于監(jiān)測(cè)儀器集成、壽命可達(dá)6年，適合用于檢測(cè)設(shè)備內(nèi)部氣體泄漏。

2）采用基于非分光差分紅外吸收的SF6檢測(cè)傳感器，可以檢測(cè)監(jiān)測(cè)儀器內(nèi)部的氣體泄漏，且響應(yīng)較快。傳感器對(duì)不同泄漏點(diǎn)、不同泄漏速度的泄漏故障都有響應(yīng)；泄漏速度增大，傳感器檢測(cè)結(jié)果增大；同一傳感器隨著泄漏時(shí)間增加，響應(yīng)值變大，泄漏初期氣體濃度急速上升，后期會(huì)趨于穩(wěn)定；傳感器進(jìn)氣口朝向?qū)鞲衅黜憫?yīng)值影響很大，側(cè)向放置時(shí)傳感器響應(yīng)更靈敏。

3）綜合考慮各方面因素，為實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器內(nèi)部氣體泄漏故障檢測(cè)，布置兩個(gè)SF6傳感器是最佳選擇，一個(gè)布置在檢測(cè)儀器底部，另一個(gè)布置在檢測(cè)模塊安裝層，傳感器進(jìn)氣口側(cè)放；若只能裝設(shè)一個(gè)傳感器，則應(yīng)裝設(shè)在檢測(cè)儀器底部。

4）目前泄漏檢測(cè)傳感器響應(yīng)速度、靈敏度仍相對(duì)較差，在分解氣體在線監(jiān)測(cè)儀器的開發(fā)中應(yīng)盡量減少管路接頭和運(yùn)動(dòng)部件，以減少泄漏。監(jiān)測(cè)儀器與主設(shè)備的連接部分不應(yīng)有運(yùn)動(dòng)部件，且接頭和運(yùn)動(dòng)部件應(yīng)集中布置在監(jiān)測(cè)儀器內(nèi)部以便于檢測(cè)。

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Study on application of SF6gas leakage detection technology based on infrared absorption principle

MA Fengxiang1,2YUAN Xiaofang1,2CHENG Dengfeng1,2ZHU Feng1,2ZHAO Yue1,2

(1. Electric Power Research Institute, State Grid Anhui Electric Power Co., Ltd, Hefei 230000; 2. SF6Gas Characteristic Analysis and Purification Technology Laboratory of State Grid Corporation of China,Hefei 230000)

During the long-term operation of SF6decomposition gas on-line monitoring device, SF6leakage may occur, which will seriously affect the safe operation of primary equipment, so it is necessary to monitor its leakage status. The existing SF6gas leakage detection methods are compared, and a SF6gas leakage monitoring method based on nondispersive infrared absorption sensor is proposed. Then the sensor detection circuit and the leakage simulation experimental platform are built. The response characteristics of the sensor to different leakage rates and leakage points, as well as the influence of layout and inlet orientation on the detection characteristics of the sensor are studied. The results show that with the increase of the leakage rate, the response of the sensor increases, the responses of sensors at different positions to three leakage points are different, and the sensor at position 3 has better response characteristics to the three leakage points, which is the preferred location for sensor installation. Besides, the response characteristic of the side layout is better than that of the forward layout. The technology can monitor SF6leakage at different speeds on-line, and the leakage area can be located by multi-point sensor arrangement.

SF6gas leakage; on-line monitoring device; SF6sensor; SF6gas leakage detection; leakage simulation

國(guó)家電網(wǎng)有限公司總部科技項(xiàng)目（521205190014）

2021-02-23

2021-04-25

馬鳳翔（1987—），男，安徽蚌埠人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事GIS設(shè)備檢測(cè)相關(guān)研究和運(yùn)維工作。