檢測六氟化硫分解組分的氣體傳感測試方法研究

摘 要：通過對氣體絕緣開關(guān)設(shè)備絕緣介質(zhì)SF6氣體的分解產(chǎn)物進行組成和濃度檢測，能有效評估絕緣運行狀態(tài)。針對SF6分解組分SO2、SO2F2、SOF2檢測，提出開展檢測SF6分解組分的氣體傳感測試方法研究。基于鎳Ni摻雜ZnO氣敏材料制成了旁熱式氣體傳感器，開展了傳感器測試電路設(shè)計，在此基礎(chǔ)上測試了其對SF6分解組分SO2、SO2F2、SOF2的氣敏特性。為SF6氣體的分解產(chǎn)物檢測提供了一種有效的氣體傳感測試方案。

關(guān)鍵詞：六氟化硫氧化鋅氣體傳感測試氣敏特性

中圖分類號：TN248

ResearchonGasSensingTestingMethodforDetectingDecompositionComponentsofSulfurHexafluoride

WUBaoliangYANGJialongYANGBowenPENGWeiGUOJianfeng

JiangjinPowerSupplyBranchofStateGridChongqingElectricPowerCompany，Chongqing，402260China

Abstract：BydetectingthecompositionandconcentrationofthedecompositionproductsofSF6gasintheinsulationmediumofgasinsulatedswitchgear，theinsulationoperationstatuscanbeeffectivelyevaluated.AimingatthedetectionofSF6decompositioncomponentsSO2，SO2F2andSOF2，agassensingtestmethodwasproposedtodetectSF6decompositioncomponents.AsideheatinggassensorwasdevelopedbasedonnickelnickeldopedZnOgassensingmaterial，andthesensortestingcircuitdesignwascarriedout.BadrlpM1nyC+Gfq1n2uSm65E7JYYz+KZmeZFkJudhfEMs=sedonthis，thegassensingcharacteristicsoftheSF6decompositioncomponentsSO2，SO2F2，andSOF2weretested.ThishasprovidedaneffectivegassensingtestingschemeforthedetectionofdecompositionproductsofSF6gas.

KeyWords：Sulfurhexafluoride;Zincoxide;Gassensingtesting;Gassensitivitycharacteristics

氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（gasinsulatedswitchgear，GIS）在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)很普遍，具有空間占用小、故障率低、斷裂能力突出等優(yōu)點。SF6氣體的特點是具有很好的絕緣性能和滅弧能力，因此其作為一種絕緣介質(zhì)在GIS中得到了廣泛應(yīng)用[1，2]。SF6氣體可能會由于GIS大負荷或者長時間的運行后內(nèi)部發(fā)生的局部放電而分解，分解產(chǎn)生的低氟硫化物會與雜質(zhì)氣體相互作用變?yōu)镾OF2、SO2F2、CF4、SO2、H2S和HF等組分[3-4]。通過測試SF6氣體發(fā)生分解得到的SO2、SO2F2、SOF2等氣體的組成比例以及量的多少，能夠判定GIS內(nèi)部局部放電發(fā)生情況進而判斷GIS缺陷情況，從而保證GIS內(nèi)部的安全運行[5-6]。

本文基于Ni-ZnO材料制作了旁熱式氣體傳感器，設(shè)計了傳感器信號采集和信號產(chǎn)生電路并搭建了氣體傳感器測試平臺進行檢測SF6分解組分的氣敏實驗。

1 旁熱式氣體傳感器研制

本文中的用到的氣體傳感器為傳統(tǒng)的旁熱式氣體傳感器。具體的制作步驟如下：將一定量的所制得的Ni-ZnO粉末置于瑪瑙研缽內(nèi)進行充分地研磨至顆粒均勻，向其中滴加適量的去離子水與無水乙醇1∶1的液體，大致攪拌30min后樣本呈糊狀；用毛筆將糊狀材料小心地均勻涂抹在陶瓷管表面；置于干燥箱中干燥6h后取出，置于馬弗爐中300℃進行煅燒2h；煅燒完成后將加熱絲串入陶瓷管中，隨后將引線焊接到底座上，最后將焊接好的元件封裝，將封裝完成的元件放置于老化臺，在其工作溫度下進行7d的老化處理。

2 測試電路設(shè)計

本文制作的旁熱式氣體傳感器是一種電阻型氣敏傳感器，該型氣敏傳感器上的敏感材料在接觸被檢測氣體后會發(fā)生反應(yīng)，其自身的電阻值會產(chǎn)生變化，通過測量器件電阻值的變化，從而得到被檢測氣體的濃度。因此，設(shè)計氣敏傳感器模塊電路的關(guān)鍵在于設(shè)計能精確測量電阻的電路。本文通過信號產(chǎn)生電路將氣敏傳感器電阻值的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷褐档淖兓瑥亩g接得到被檢測氣體的濃度。

氣敏傳感器模塊電路的信號處理電路如圖2所示，主要包括同相比例放大電路及電壓跟隨器電路。電路的放大倍數(shù)由R2、R3的大小決定，電壓跟隨器對前級電路呈現(xiàn)出高阻狀態(tài)，對后級電路呈現(xiàn)出低阻狀態(tài)，起到一定的緩沖、隔離作用，提高了整個信號處理電路的帶載能力。

不同氣敏傳感器的電阻會有不同的變化范圍及變化規(guī)律，所以在信號處理電路確定的情況下，需要根據(jù)其變化范圍及變化規(guī)律選擇合適的信號產(chǎn)生電路。氣敏傳感器的電阻值會隨著氣體濃度的增大而增大，再考慮到后置電路為同相比例放大電路，因此Ni-ZnO氣敏傳感器模塊設(shè)計的信號產(chǎn)生電路如圖3所示。

3 測試平臺搭建及氣敏測試

本文采用北京艾立特科技有限公司DGL-III氣液配氣系統(tǒng)進行配氣，裝置如圖4所示，系統(tǒng)可搭配濕度發(fā)生系統(tǒng)進行控濕，配置出不同濕度的各類氣體。

氣路通道包括1路背景氣體、2路目標氣體和1路氣閥。背景氣路：滿量程1slm，控制范圍2%～100%（20～1000sccm）；目標氣路1：滿量程300sccm，控制范圍2%～100%（6～300sccm）；目標氣路2：滿量程2sccm，控制范圍2%～100%（0.04～2sccm）；氣閥進氣口：設(shè)備內(nèi)部采用的氣動閥控制，要求氣動閥的啟動壓力為0.4MPa。

本文在溫度為25℃，相對濕度為30%的環(huán)境下采用北京艾立特科技有限公司的CGS-8智能分析系統(tǒng)與測試系統(tǒng)組成旁熱式氣敏傳感器氣敏性能測試平臺（如圖5所示）。WsqN/HWHFhfnusaE/pryLA==該平臺的加熱電流范圍為0～400mA，在此范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)加熱電流的連續(xù)調(diào)節(jié)達到對溫度的精準控制。系統(tǒng)能采集8通道的氣敏傳感器的測試數(shù)據(jù)，使用8寸的觸控液晶屏來替代傳統(tǒng)的按鍵操作方式，使得用戶在使用時更加簡易方便。通過觸摸屏可以顯示氣箱內(nèi)的實時溫度和濕度信息，并可以對每一個通道的加熱電流實現(xiàn)單獨的控制。

4 氣敏測試流程及結(jié)果

將制作好的氧化鋅基傳感器插入氣箱傳感器插座中，確定氣箱與氣箱底座封閉良好，氣箱底座與測試主機之間連接良好；打開主機電源開關(guān)后，設(shè)置系統(tǒng)的加熱電流（根據(jù)氧化鋅基傳感器類型設(shè)置，加熱電流設(shè)置為100mA），開始預熱傳感器。

打開電腦軟件，設(shè)置好采集時間和間隔，點擊開始采集。

靜態(tài)配氣測試基本流程敘述如下。

（1）點擊CGS-8氣敏分析系統(tǒng)采集軟件中的開始采集，電阻值開始出現(xiàn)直到電阻信號趨于穩(wěn)定時，記錄此時阻值即為傳感器在空氣中的電阻Ra。

（2）將待測氣體注入容量為20L的氣室中，通過分析系統(tǒng)軟件觀察氣體傳感器電阻值的變化情況，即時電阻值設(shè)定為Rg，將所需量的待測氣體通過注氣孔用注射器注入氣室中；如果此處使用液體配氣法，需要打開氣箱底座上的液體蒸發(fā)器開關(guān)。如果為難揮發(fā)液體或是濃度較大的氣體，建議打開氣箱底座的風扇開關(guān)。對于易揮發(fā)、低濃度的氣體則不建議打開風扇。

觀察測試軟件中靈敏度曲線的變化，直至分析值再次穩(wěn)定；打開氣室，觀察到電阻值開始變化，直到其恢復到Ra值后，點擊“停止采集”。

基于研制的旁熱式氣敏傳感器和設(shè)計的氣敏傳感器模塊的信號處理電路和信號產(chǎn)生電路，測試了Ni-ZnO氣體傳感器在最佳工作溫度下對50μL/L的SO2、100μL/L的SO2F2和100μL/L的SOF2的氣敏響應(yīng)和長期穩(wěn)定性。如圖6所示，傳感器對3種SF6分解產(chǎn)物的初始響應(yīng)值分別為51.09、38.45和21.65。同時，傳感測試平臺在較長的測試周期中，總體上均保持了接近恒定的值，表明該傳感測試方法在檢測SF6分解副產(chǎn)品SO2、SO2F2和SOF2時具有良好的長期穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

本文基于旁熱式技術(shù)和Ni摻雜ZnO氣敏材料，制作了用于SF6分解產(chǎn)物SO2、SOF2以及SO2F2氣體檢測的氣體傳感器，設(shè)計了氣敏傳感器模塊的信號處理電路和信號產(chǎn)生電路，測試了傳感器的檢測SO2、SOF2以及SO2F2氣體的氣敏性能。研制的Ni-ZnO氣體傳感器對于3種氣體的響應(yīng)靈敏度關(guān)系均為SO2＞SO2F2＞SOF2，同時該測試方法表現(xiàn)出較好的長期穩(wěn)定性和可靠性。研究結(jié)果為開展基于半導體技術(shù)的SF6分解產(chǎn)物的現(xiàn)場傳感檢測奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻

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