關(guān)于SF6氣體檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理的綜述

SF6是由兩位法國(guó)化學(xué)家Moissan和Lebeau在1900年合成。自上世紀(jì)60年代以來(lái)，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(wú)色、無(wú)味、無(wú)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(kāi)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(huì)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(huì)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(huì)出現(xiàn)類似于感冒、皮膚過(guò)敏、惡心嘔吐、疲勞等不良反應(yīng)，吸入劑量大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)更加嚴(yán)重的后果。這些不僅對(duì)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?！峨姌I(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(bào)警的氧含量和SF6氣體濃度監(jiān)測(cè)裝置。

因此，準(zhǔn)確檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理的優(yōu)越性比較

空氣中微量SF6氣體的檢測(cè)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(cè)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(cè)方法，當(dāng)空氣中含有不同濃度的六氟化硫氣體時(shí)，高壓放電的電流就有所改變，通過(guò)測(cè)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(zhǎng)期穩(wěn)定的工作，漂移大，易產(chǎn)生誤報(bào)情況，不適合SF6定量實(shí)時(shí)、在線檢測(cè)。

2.電化學(xué)法。電化學(xué)技術(shù)的原理是被檢測(cè)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(hào)的改變，以此來(lái)發(fā)現(xiàn)被檢測(cè)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(wú)毒，但通過(guò)化學(xué)反應(yīng)后會(huì)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(guó)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(jià)格十分昂貴（90-130 萬(wàn)）。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(wú)法實(shí)現(xiàn)SF6氣體實(shí)時(shí)檢測(cè)。

4.紅外光譜法（NDIR）。近年來(lái)，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(cè)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(jià)格約為超聲波傳感器的10倍，為了解決成本問(wèn)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(chǎng)空氣抽到取樣分析儀中進(jìn)行測(cè)量，取樣分析儀中包括SF6傳感器和多通路電磁閥，通過(guò)控制電磁閥來(lái)切換通道，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量，此方案成功的降低了成本，但是真空泵使用壽命不長(zhǎng)，還需要定期清理探測(cè)點(diǎn)的灰塵，否則會(huì)影響測(cè)量精度甚至造成誤報(bào)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(gè)，若這個(gè)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(cè)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(cè)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(cè)量，運(yùn)用雙通道檢測(cè)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(cè)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(shí)測(cè)量及監(jiān)測(cè)自動(dòng)化，適合在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中使用。

通過(guò)上面的介紹和比較可見(jiàn)，運(yùn)用超聲檢測(cè)和雙通道檢測(cè)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(shí)的對(duì)SF6氣體濃度進(jìn)行高精度的檢測(cè)，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(cè)報(bào)警系統(tǒng)

該SF6氣體泄漏在線監(jiān)測(cè)報(bào)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(shì)，結(jié)合當(dāng)前智能電網(wǎng)的發(fā)展，利用超聲檢測(cè)與雙通道檢測(cè)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(jì)、開(kāi)發(fā)的智能型在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1.功能概述。檢測(cè)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(shí)進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，并且具有溫濕度檢測(cè)、語(yǔ)音提示、手機(jī)排風(fēng)、消防聯(lián)動(dòng)、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(jí)的SF6開(kāi)閉室、SF6開(kāi)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(shí)檢測(cè) 。系統(tǒng)超聲波聲速測(cè)量與時(shí)差原理相結(jié)合，可定量、實(shí)時(shí)在線測(cè)量SF6氣體濃度。

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

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

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

⑤長(zhǎng)壽型設(shè)計(jì)。為了延長(zhǎng)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(jì)。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(duì)干擾問(wèn)題作了充分的考慮，在硬件電路和軟件設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)報(bào)警系統(tǒng)主要包括氣體檢測(cè)器和監(jiān)測(cè)主機(jī)。氣體檢測(cè)器是本系統(tǒng)的核心組件，主要作用是檢測(cè)空氣絕緣開(kāi)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(chǎng)溫度、濕度、氧氣含量，并將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)值通過(guò)通信總線傳送給監(jiān)測(cè)主機(jī)。

監(jiān)測(cè)主機(jī)的功能包括準(zhǔn)確無(wú)誤地接收氣體檢測(cè)器傳送過(guò)來(lái)的測(cè)量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行集中整理、分析，判斷現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)是否超出設(shè)定限，超出則進(jìn)行報(bào)警、啟動(dòng)風(fēng)機(jī)等控制輸出動(dòng)作；彩色液晶顯示現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)、報(bào)警歷史數(shù)據(jù)、上次風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間，并可通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行時(shí)間設(shè)置、風(fēng)機(jī)工作參數(shù)設(shè)置、通信設(shè)置、報(bào)警限設(shè)置等，并且有人工啟動(dòng)風(fēng)機(jī)功能；具有語(yǔ)音播報(bào)功能，當(dāng)有人員靠近播報(bào)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)；具有消防聯(lián)動(dòng)功能，當(dāng)有火災(zāi)報(bào)警時(shí)，禁止啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)；具有數(shù)據(jù)上傳功能，把檢測(cè)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(cè)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(shì)，能廣泛應(yīng)用于各種電壓等級(jí)的變電站。