SF6氣體檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)

劉群群, 齊汝賓, 趙 赫, 鄭安平

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院, 河南 鄭州 450002; 2.河南省信息化電器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南 鄭州 450002)

引 言

六氟化硫(SF6)是在1900年由兩位法國(guó)化學(xué)家Moissan和Lebeau合成的一種無(wú)色無(wú)臭的惰性氣體,由于其優(yōu)良的電氣絕緣性和較好的滅弧性能,被廣泛應(yīng)用于氣體絕緣組合電器(GIS)、斷路器、隔離開關(guān)等高壓電力設(shè)備中[1- 2]。由于電力設(shè)備的安裝、材料質(zhì)量或長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行發(fā)生老化等諸多原因,設(shè)備內(nèi)SF6氣體可能會(huì)發(fā)生泄漏使氣體壓力降低,導(dǎo)致氣體絕緣強(qiáng)度和滅弧能力下降,給設(shè)備運(yùn)行帶來(lái)極大的安全隱患,并且還會(huì)嚴(yán)重威脅檢修人員的生命安全。在《京都議定書》中,SF6氣體被列為禁止排放的6種溫室氣體之一,其單分子的溫室效應(yīng)是二氧化碳的23 900倍,在大氣中的壽命約3 400年,SF6氣體的泄漏將會(huì)嚴(yán)重污染人類的生存環(huán)境。因此,研究SF6氣體檢測(cè)方法并使用SF6氣體檢漏儀對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行定期檢測(cè)具有重要的意義。

早期對(duì)泄露的SF6氣體的檢測(cè)主要采用皂水法、包扎法兩種檢測(cè)方法,但在檢測(cè)過(guò)程中都需停電停運(yùn),影響電廠的正常運(yùn)行。從20世紀(jì)90年代末期至今,帶電SF6氣體檢漏儀器逐漸發(fā)展起來(lái)。本文根據(jù)SF6氣體檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展,對(duì)SF6氣體泄漏檢測(cè)技術(shù)中常用的非光學(xué)和光學(xué)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了概述,分析比較了各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),并提出了SF6氣體檢漏儀的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 非光學(xué)檢測(cè)技術(shù)

SF6氣體非光學(xué)檢測(cè)技術(shù)有:氣體濃度監(jiān)測(cè)技術(shù)、真空負(fù)離子捕獲技術(shù)、紫外電離技術(shù)、負(fù)電暈放電技術(shù)。

1.1 氣體濃度監(jiān)測(cè)技術(shù)

目前,氣體濃度監(jiān)測(cè)技術(shù)是高壓設(shè)備內(nèi)SF6氣體泄漏監(jiān)控最常用的一種技術(shù),它主要是通過(guò)測(cè)量高壓設(shè)備氣室內(nèi)的氣壓和溫度實(shí)現(xiàn)對(duì)SF6氣體濃度的監(jiān)控。Graber等[3- 4]根據(jù)日光輻射對(duì)GIS開關(guān)設(shè)備中SF6氣體濃度分布的影響的研究,提出了基于模型的濾波算法,降低了傳感器測(cè)得信號(hào)的波動(dòng),從而及早檢測(cè)到了微量SF6氣體的泄漏。雖然該技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,測(cè)量范圍大等優(yōu)勢(shì),但測(cè)量精度不高。

1.2 真空負(fù)離子捕獲技術(shù)

真空負(fù)離子捕獲技術(shù),也即離子阱技術(shù),首先需把被測(cè)氣體進(jìn)行離子化,即產(chǎn)生自由電子,再把離子化的被測(cè)氣體送進(jìn)離子池,則自由電子被離子池吸附形成負(fù)離子,然后再經(jīng)過(guò)真空狀態(tài)下的均勻電場(chǎng),在電場(chǎng)作用下離子流增加,通過(guò)對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行放大和檢測(cè),即可得出被測(cè)氣體的濃度大小。2003年,英國(guó)ION SCINECE公司推出了GASCHECK P1型SF6氣體泄漏定量漏檢儀[5]。該技術(shù)雖然穩(wěn)定性好,但需配合真空泵和流量傳感器使用,結(jié)構(gòu)復(fù)雜且價(jià)格昂貴,不適合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)使用。

圖1 SF6氣體傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of SF6 gas sensor

1.3 紫外電離技術(shù)

紫外電離技術(shù)是通過(guò)點(diǎn)燃水銀燈發(fā)射184.9 nm的紫外線,使光電陰極電離出電子。電子與O2以及SF6結(jié)合后形成負(fù)離子,并在加速電極的加速下移動(dòng)到加速電極上。因SF6氣體離子速度較氧氣離子運(yùn)動(dòng)速度慢,則含有不同濃度的SF6氣體到達(dá)加速電極時(shí)存在時(shí)差,在檢測(cè)電阻上生成的持續(xù)電流大小不同,據(jù)此可根據(jù)時(shí)差的不同推算出SF6氣體的濃度。姜寶林等[6]基于紫外電離技術(shù)開發(fā)了SF6氣體漏檢儀,其中傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。但紫外電離技術(shù)主要還存在零點(diǎn)漂移、精度不高和不能準(zhǔn)確判斷泄漏部位等不足。1.4 負(fù)電暈放電技術(shù)

C=KΔI

(1)

式中:C為待測(cè)SF6氣體濃度;ΔI為電流改變量;K為比例系數(shù)。

基于負(fù)電暈放電技術(shù)的SF6檢測(cè)技術(shù)具有穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),已在我國(guó)電力系統(tǒng)得到應(yīng)用。但是負(fù)電暈傳感器因易損壞、壽命短、成本高等原因限制了其應(yīng)用和發(fā)展,陳碩等[7]提出了基于負(fù)電暈放電原理的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)方法,減少了尖端電極曲率半徑,較傳統(tǒng)電暈放電傳感器具有體積小、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì),有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電暈放電傳感器。

2 光學(xué)檢測(cè)技術(shù)

由于非光學(xué)SF6檢測(cè)技術(shù)存在定位性能差、檢測(cè)精度易受環(huán)境影響等不足,近年來(lái)以激光成像技術(shù)、紅外吸收光譜技術(shù)以及光聲光譜技術(shù)等為代表的光學(xué)檢測(cè)技術(shù)已逐漸成為SF6氣體檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

2.1 激光成像技術(shù)

激光出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代,由于其高亮度、單色性和很好的相干性被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。如今,激光成像檢漏儀因其非接觸式、靈敏度高、遠(yuǎn)距離和儀器便攜等優(yōu)點(diǎn),已被大量應(yīng)用于高壓設(shè)備中SF6氣體泄漏檢測(cè)中。激光成像技術(shù)的基本原理是向需檢測(cè)的設(shè)備發(fā)射激光,將反射或反向散射的一部分激光在探測(cè)設(shè)備上進(jìn)行成像處理,最后生成視頻影像。當(dāng)激光成像技術(shù)應(yīng)用于SF6氣體檢漏系統(tǒng)中時(shí),若被測(cè)設(shè)備沒有SF6氣體泄漏,則在檢測(cè)影像中所產(chǎn)生的背景圖像與攝像機(jī)拍攝的圖像相同;當(dāng)發(fā)生SF6氣體泄漏時(shí),SF6吸收特定波長(zhǎng)(10.6 μm)的紅外激光,從而反射回來(lái)的激光強(qiáng)度減弱,因此在影像中會(huì)形成陰影區(qū)域,由此判定SF6氣體泄漏分布情況并對(duì)泄漏量進(jìn)行檢測(cè)[8]。檢測(cè)SF6泄漏的激光成像原理如圖2所示。

圖2 激光成像原理圖Fig.2 Laser imaging

在國(guó)外,美國(guó)LIS公司較早研發(fā)了以Gas-VueTG-30產(chǎn)品為代表的SF6氣體激光成像泄露探測(cè)儀,1996年后廣泛應(yīng)用于美國(guó)電力行業(yè),并在2000年對(duì)SF6氣體激光成像泄露探測(cè)儀進(jìn)行更新,研發(fā)出體積更小,更輕便,更適合現(xiàn)場(chǎng)使用的探測(cè)儀[9]。在國(guó)內(nèi),也有企業(yè)相繼研發(fā)SF6激光成像檢漏系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化,并已投入電力行業(yè)使用。李明等[10]研發(fā)了TG80型的SF6氣體泄漏激光成像儀,并在一些變電站內(nèi)投入使用,與傳統(tǒng)方法相比,該儀器在不停電停運(yùn)的情況下就能實(shí)時(shí)檢測(cè)SF6泄漏位置。高樹國(guó)等[11]應(yīng)用激光成像技術(shù)對(duì)充有SF6高壓電氣設(shè)備進(jìn)行泄漏檢測(cè),找到了泄漏點(diǎn),驗(yàn)證了SF6激光成像檢漏儀的精確定位、遠(yuǎn)距離、無(wú)需停電等優(yōu)點(diǎn)。激光成像技術(shù)能夠檢測(cè)SF6泄漏點(diǎn)的位置并以圖像形式顯示泄漏點(diǎn)的信息,但是不能檢測(cè)SF6泄漏氣體濃度大小。

2.2 紅外吸收光譜技術(shù)

紅外吸收光譜技術(shù)是以朗伯-比爾定律(Lambert-Beer law)為理論基礎(chǔ),通過(guò)測(cè)量穿過(guò)氣體的入射光與出射光強(qiáng)度的變化來(lái)檢測(cè)氣體的濃度,如圖3所示。當(dāng)一束單色光通過(guò)均勻氣體介質(zhì)時(shí),若不改變介質(zhì)環(huán)境,氣體對(duì)光的吸收強(qiáng)度與自身的濃度成正比,還與氣體的吸收長(zhǎng)度成正比。Lambert-Beer定律表達(dá)式為

I(ν)=I0(ν)exp[-α(ν)CL]

(2)

式中:I(ν)為被氣體吸收后的激光強(qiáng)度;I0(ν)為光穿過(guò)氣體之前的初始激光強(qiáng)度;α(ν)為在頻率ν處氣體分子的吸收系數(shù);C為被測(cè)氣體的濃度,L為光程吸收長(zhǎng)度。

圖3 紅外吸收光譜原理圖Fig.3 Infrared absorption spectrum

隨著半導(dǎo)體、光纖技術(shù)及電力事業(yè)的迅速發(fā)展,紅外吸收光譜技術(shù)在SF6氣體檢測(cè)方面得到廣泛的應(yīng)用和研究。紅外吸收光譜技術(shù)根據(jù)檢測(cè)原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同又可分為傅里葉變換紅外吸收光譜技術(shù)、非色散紅外吸收光譜技術(shù)和可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)。

2.2.1 傅里葉變換紅外吸收光譜技術(shù)

總體來(lái)說(shuō)，鄂爾多斯市鄉(xiāng)村旅游的類型較為豐富，目前已初步形成了以中、低檔發(fā)展為主的層次結(jié)構(gòu)，基本能夠滿足游客食住行游購(gòu)?qiáng)实确矫娴男枨蟆?/p>

傅里葉變換紅外吸收光譜技術(shù)是將邁克爾遜干涉儀、調(diào)制技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的一種新型技術(shù)。其基本原理:光源發(fā)出的光被分束器分為兩束,一束經(jīng)透射到達(dá)動(dòng)鏡,另一束經(jīng)反射到達(dá)定鏡,兩束光分別經(jīng)定鏡和動(dòng)鏡反射再回到分束器,動(dòng)鏡以一恒定速度作直線運(yùn)動(dòng),因而經(jīng)分束器分束后的兩束光形成光程差,產(chǎn)生干涉;干涉光在分束器會(huì)合后通過(guò)樣品池,然后含有樣品信息的干涉光到達(dá)檢測(cè)器,再通過(guò)傅里葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,最終得到吸光度-波數(shù)(或波長(zhǎng))的紅外吸收光譜圖。

相比于傳統(tǒng)的色散光譜學(xué)方法,傅里葉變換紅外吸收光譜技術(shù)在信噪比、分辨率、探測(cè)速度和可檢測(cè)組分種類等方面更有優(yōu)勢(shì),在SF6泄漏氣體檢測(cè)和SF6分解產(chǎn)物的組分分析中得到較好的應(yīng)用。在國(guó)外,瑞士高壓實(shí)驗(yàn)室的Piemontesi等[12]使用光程長(zhǎng)度為0.175 m的氣體池研究H2O和O2對(duì)SF6分解組分的影響,通過(guò)針-板電極放電后,利用傅里葉變換紅外吸收光譜技術(shù)檢測(cè)到了S2F10等10種分解組分,實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)H2O 和 O2的存在會(huì)減少S2F10的含量。在國(guó)內(nèi),重慶大學(xué)任江波[13]通過(guò)在光學(xué)系統(tǒng)中增加了邁克爾遜干涉儀即傅里葉變換紅外光譜分析法,較好地實(shí)現(xiàn)了SF6分解組分的定性定量分析。但基于傅里葉變換紅外吸收光譜技術(shù)的SF6檢漏儀結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,不適合在線測(cè)量。

2.2.2 非色散紅外吸收光譜技術(shù)

非色散紅外吸收光譜技術(shù)(NDIR)的基本原理:采用兩個(gè)窄帶濾光片進(jìn)行濾光,一個(gè)作為測(cè)量,一個(gè)作為參比,然后經(jīng)探測(cè)器對(duì)比兩個(gè)檢測(cè)信號(hào),可得被測(cè)氣體吸收紅外光的大小從而得出濃度[14]。Yuan等[15]設(shè)計(jì)了一種基于NDIR的高靈敏度的SF6氣體濃度檢測(cè)儀,測(cè)量范圍可達(dá)0～50 ppm(1 ppm=10-6),精度為0.1 ppm,對(duì)于設(shè)備的密封性檢測(cè)有著實(shí)際的意義。基于非色散紅外的SF6傳感器利用氣體分子對(duì)紅外光選擇性吸收的性質(zhì),實(shí)現(xiàn)了SF6氣體濃度的定量檢測(cè)。但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用后,非色散紅外SF6傳感器會(huì)存在光源老化、光路干擾和探測(cè)器噪聲等問題,使得系統(tǒng)不穩(wěn)定并使測(cè)量誤差增大。常建華等[16]基于非色散紅外吸收原理,以電調(diào)制紅外光源、采樣氣室和雙元紅外探測(cè)器組成的紅外傳感模塊為核心,利用差分吸收檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種小型化高性能的SF6氣體傳感器。實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明此傳感器具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。其中NDIR光路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 NDIR光路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 NDIR optical path structure

2.2.3 可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)

可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)的基本原理:在激光器發(fā)出激光波長(zhǎng)穩(wěn)定后,通過(guò)改變注入電流和工作溫度,實(shí)現(xiàn)電流調(diào)諧頻率使激光波長(zhǎng)過(guò)氣體吸收譜線,然后將激光打進(jìn)充滿待測(cè)氣體的長(zhǎng)光程吸收池內(nèi),待測(cè)氣體受激吸收使得激光光強(qiáng)發(fā)生衰減,對(duì)吸收后的光譜信號(hào)進(jìn)行采集和處理,得到含有氣體濃度信息的數(shù)據(jù),該方法避免了其他背景氣體對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成的干擾。TDLAS檢測(cè)原理如圖5所示。徐元哲等[17]利用紅外吸收光譜法和諧波檢測(cè)方法,設(shè)計(jì)出了全光纖光學(xué)式SF6紅外氣體傳感器及SF6氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng),具有較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。余志祥等[18]應(yīng)用TDLAS技術(shù)研制了一臺(tái)檢測(cè)SF6氣體中H2S氣體濃度的檢測(cè)樣機(jī),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該樣機(jī)達(dá)到了較高的精度。基于TDLAS的SF6氣體檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)功能,但由于儀器價(jià)格昂貴限制了很多應(yīng)用領(lǐng)域。

圖5 TDLAS檢測(cè)系統(tǒng)Fig.5 TDLAS detection system

2.3 光聲光譜技術(shù)

光聲光譜技術(shù)(PAS)是基于光聲效應(yīng)的一種吸收光譜技術(shù),最早是由A.G.貝爾發(fā)現(xiàn)的[19]。其基本原理是將調(diào)制光源發(fā)射到含有被測(cè)氣體的光聲池內(nèi),氣體分子吸收特定波長(zhǎng)的光后,因其本身固有的分子結(jié)構(gòu)從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài),而部分處于激發(fā)態(tài)的分子在光聲池內(nèi)通過(guò)無(wú)輻射躍遷到基態(tài)并釋放熱量,從而使氣體分子發(fā)生周期性的熱膨脹產(chǎn)生微弱的聲波信號(hào),通過(guò)微音器產(chǎn)生電壓信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的檢測(cè),其檢測(cè)原理如圖6所示。

圖6 光聲光譜法檢測(cè)原理圖Fig.6 Photoacoustic spectroscopy detection

近年來(lái),隨著新型光源、光聲池、微音器及微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的迅猛發(fā)展,光聲光譜技術(shù)已成為一種新型的氣體檢測(cè)技術(shù),其具有靈敏度高、選擇性好、檢測(cè)范圍大等優(yōu)點(diǎn),在醫(yī)學(xué)、物理、化學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)以及大型高壓設(shè)備等實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)方面得到廣泛應(yīng)用[20]。同時(shí),國(guó)內(nèi)外的研究所和高校對(duì)基于光聲光譜技術(shù)檢測(cè)泄漏的SF6氣體也開展了大量的研究和應(yīng)用。

在國(guó)外,Gondal等[20]以CO2激光器為光源,對(duì)比了用不同的光聲池搭建光聲光譜系統(tǒng)時(shí)SF6氣體檢測(cè)的靈敏度,發(fā)現(xiàn)檢測(cè)靈敏度均在ppt(1 ppt=10-12)級(jí)。Rocha等[21]分別采用量子級(jí)聯(lián)激光器和CO2激光器構(gòu)建光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)SF6氣體進(jìn)行檢測(cè),采用量子級(jí)聯(lián)激光器時(shí)檢測(cè)靈敏度達(dá)到50 ppb(1 ppb=10-9),而采用CO2激光器時(shí)達(dá)到了20 ppb。隨著半導(dǎo)體激光器性能的迅速提高,尤其是在1994年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員研制出了量子級(jí)聯(lián)激光器,QC-DFB(quantum- cascade distributed- feedback laser)也在光聲光譜技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用[22- 23]。 Spagnolo等[24]采用發(fā)射波長(zhǎng)為10.54 μm的光纖耦合量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)和石英增強(qiáng)光聲光譜(QEPAS)技術(shù)的敏感光譜傳感器,對(duì)SF6進(jìn)行檢測(cè),達(dá)到了50次/Mbit的最小檢測(cè)靈敏度。在國(guó)內(nèi),郭小凱等[25]采用波長(zhǎng)范圍為1～20 μm的中遠(yuǎn)紅外光源,且結(jié)合自行設(shè)計(jì)的光聲腔搭建了光聲光譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)SF6和空氣的混合氣體進(jìn)行檢測(cè),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較好的線性度和穩(wěn)定性。李勇等[26]采用寬帶紅外熱輻射光源,并自主設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和高耦合效率的圓柱形光聲池,結(jié)合STM32嵌入式處理器進(jìn)行光聲信號(hào)采集,較好地實(shí)現(xiàn)了SF6氣體濃度檢測(cè)。

3 檢測(cè)技術(shù)比較

根據(jù)上述七種SF6氣體檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)范圍、檢測(cè)靈敏度和應(yīng)用領(lǐng)域等方面的不同,對(duì)比分析了各技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),如表1所示。

表1 七種SF6氣體檢測(cè)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab.1 Advantages and disadvantages of seven SF6 gas detection techniques

4 結(jié) 論

為了滿足復(fù)雜高壓電力系統(tǒng)中快速準(zhǔn)確檢測(cè)SF6泄漏氣體的需求,以及保障檢修人員的生命安全和減少環(huán)境污染,研究高效的SF6氣體檢漏技術(shù)至關(guān)重要。本文分別介紹了非光學(xué)和光學(xué)兩方面SF6氣體檢測(cè)技術(shù)的基本原理,重點(diǎn)闡述了光學(xué)檢測(cè)技術(shù)和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,研究資料顯示,光聲光譜技術(shù)因其靈敏度高、選擇性強(qiáng)、測(cè)量范圍大等優(yōu)點(diǎn)已成為近幾年研究的重點(diǎn)。

目前,常用的SF6氣體檢漏技術(shù)都有各自的不足,且技術(shù)不夠成熟,很難滿足高壓設(shè)備SF6泄漏氣體的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的需求。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的比較,我們認(rèn)為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)如下:

(1) 隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展,紅外吸收光譜技術(shù)和光聲光譜技術(shù)以其各自的優(yōu)勢(shì)將會(huì)成為SF6氣體檢測(cè)的主要技術(shù),同時(shí),還需優(yōu)化檢測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)并研究更有效的信號(hào)處理算法,達(dá)到精確的定位和定量檢測(cè)。

(2) 在使用檢漏儀時(shí),為使檢修人員操作便攜并與泄漏口保持安全距離,需研制小型化和智能化的檢漏儀。

(3) 為了更有效地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,可以研制監(jiān)控軟件,并根據(jù)用戶的需求開發(fā)用戶界面,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

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