SF6氣體毒性生物試驗(yàn)新老平臺對比及評價

劉子恩， 袁小芳， 祁　炯， 蘇鎮(zhèn)西， 趙　躍

(國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，國家電網(wǎng)有限公司六氟化硫氣體特性分析與凈化處理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽　合肥　230022)

1　前言

六氟化硫氣體是一種穩(wěn)定性好的無毒惰性氣體，具有優(yōu)良的電氣性能結(jié)構(gòu)，其在電氣設(shè)備中的應(yīng)用能夠有效預(yù)防和限制電暈、電火花和電弧現(xiàn)象的發(fā)生[1]。目前，在我國電力系統(tǒng)中，六氟化硫電氣設(shè)備特別是六氟化硫全封閉組合電器或封閉式組合電器(GIS)的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛。常溫常壓下，六氟化硫是一種穩(wěn)定的惰性氣體，但在電暈、電火花和電弧作用下可以發(fā)生分解，會產(chǎn)生一些有毒有害的物質(zhì)，危害電氣設(shè)備運(yùn)行，甚至對工作人員的健康安全構(gòu)成一定的威脅[2-4]，因此需要開展SF6氣體毒性試驗(yàn)的監(jiān)督檢測。六氟化硫氣體全分析試驗(yàn)是目前監(jiān)督和維護(hù)六氟化硫電氣設(shè)備安全運(yùn)行的重要手段，其中六氟化硫生物毒性試驗(yàn)是一項(xiàng)必不可缺的檢測項(xiàng)目。GB/T 12022-2014《工業(yè)六氟化硫》及DL/T 921-2005《六氟化硫氣體毒性生物試驗(yàn)方法》中明確了SF6氣體驗(yàn)收要開展SF6氣體生物毒性試驗(yàn)，并規(guī)定了試驗(yàn)過程。目前常用的SF6氣體生物毒性1次試驗(yàn)僅能完成1瓶氣體的檢驗(yàn)，試驗(yàn)周期較長，且需要觀察72h，要求工作人員連續(xù)值班記錄小白鼠的狀況，試驗(yàn)工作量巨大[5]。隨著電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，特高壓、超高壓等大容量的電氣設(shè)備越來越多，對SF6氣體的需求也是越來越大，皖電東送特高壓淮南站和蕪湖站建設(shè)過程中就有300多瓶SF6氣體需要開展生物毒性試驗(yàn)，試驗(yàn)工作量極大，要求工作人員加班加點(diǎn)開展試驗(yàn)。隨著特高壓、超高壓的發(fā)展，亟需對現(xiàn)有的SF6氣體生物毒性試驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和完善，形成一種快速、高效、可靠、有效減少值班工作量的試驗(yàn)方法，徹底解決SF6氣體生物毒性存在的問題。

國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院研制了一套智能SF6氣體毒性生物試驗(yàn)裝置，該裝置具有多通道高精度高穩(wěn)定性配氣技術(shù)、智能控制技術(shù)、視頻監(jiān)視與遠(yuǎn)程控制技術(shù)、自動報警技術(shù)等。該裝置功能齊全，結(jié)構(gòu)緊湊，高效智能，便于移動等，能夠有效地提高試驗(yàn)效率，極大減輕人員的工作負(fù)荷。現(xiàn)通過對照試驗(yàn)將兩種試驗(yàn)平臺進(jìn)行對比及評價，同時探討有待改進(jìn)之處。

2　SF6氣體生物毒性試驗(yàn)方案及平臺介紹

2.1　試驗(yàn)方案

依據(jù)《六氟化硫氣體毒性生物試驗(yàn)方法》(DL/T921-2005)所規(guī)定的試驗(yàn)方案：

(1)搭建好試驗(yàn)裝置。

(2)SF6與O2按照體積比為79%比21%的比例配制混合氣體，每分鐘通入混合器的氣體總量不少于容器容積八分之一，計算SF6和O2的氣體流速。

(3)將5只經(jīng)觀察后確認(rèn)健康的小白鼠進(jìn)行編號，放入染毒缸中飼養(yǎng)，保證充足鼠糧和飲水供應(yīng)。

(4)每1h～2h觀察并記錄一次小白鼠的情況。

(5)染毒試驗(yàn)進(jìn)行24h，之后將小白鼠轉(zhuǎn)移至原飼養(yǎng)容器內(nèi)繼續(xù)觀察72h。

2.2　試驗(yàn)器材

染毒缸，4L；氣體混合器，4.5L；浮子流量計，600mL/min、1000mL/min；秒表，分度1/10；氧氣，醫(yī)用(南京上元工業(yè)氣體廠)；六氟化硫氣體(成都科美特特種氣體有限公司)；健康雌性小白鼠，體重18～20g；鼠糧等。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定如果小白鼠在24h染毒試驗(yàn)和72h觀察中都活動正常，則氣體無毒。如果偶爾有一只或幾只小白鼠出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，或者死亡，則可能是毒性造成的，需重新選用10只小白鼠進(jìn)行重復(fù)平行試驗(yàn)，以判斷前次試驗(yàn)結(jié)果的正確性。

2.3　老裝置SF6氣體毒性生物試驗(yàn)平臺

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(圖1所示)，搭建SF6氣體毒性生物試驗(yàn)平臺(將此試驗(yàn)平臺定義為老試驗(yàn)平臺)。實(shí)物圖如圖2所示。

圖1　六氟化硫氣體毒性試驗(yàn)裝置示意圖

圖2　標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定SF6氣體毒性生物試驗(yàn)裝置平臺(老試驗(yàn)平臺)

從圖2可以看出，老試驗(yàn)平臺的搭建雖然原理簡單，但由于是由多個部件連接而成，平臺顯得比較凌亂松散且占用較大空間面積，通過橡膠管連接的各部件之間容易產(chǎn)生纏繞，橡膠軟管的折合處將導(dǎo)致氣體傳輸受阻，各部件的接口處由于多次使用而容易產(chǎn)生氣體泄漏。試驗(yàn)前需通過注水法測量染毒缸和氣體混合器的容積，然后再計算通入氣體的流量。

2.4　新型SF6氣體毒性生物試驗(yàn)平臺

安徽電科院通過自主研制，開發(fā)出有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型SF6氣體毒性生物試驗(yàn)平臺，該裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3　新型SF6氣體毒性試驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)示意圖

1-氧氣瓶(帶減壓閥)；2-SF6氣瓶(帶減壓閥)；3-電子流量計(O2)；4-電子流量計(SF6)；5-混氣室；6-混氣管道；7-染毒室；8-空氣泵；9-三通閥；10-緩沖罐；11-飲水；12-進(jìn)氣管道；13-喂食裝置；14-出氣管；15-不銹鋼網(wǎng)；16-控制模塊；17-單向閥；18-泵；19-回收裝置；20-無線終端

新型SF6氣體毒性生物試驗(yàn)平臺實(shí)物圖如圖4所示。

圖4　新型SF6氣體毒性生物試驗(yàn)平臺實(shí)物圖

從圖4可以看出，新平臺裝置緊湊，可以同時開展三瓶氣體的檢測試驗(yàn)，三通路檢測共用一個氧氣源，通過智能混氣系統(tǒng)可以保證各氣路混合氣體的混氣比以及總供氣量。裝置將整個平臺分割為不同模塊，智能控制系統(tǒng)、混氣系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)以及監(jiān)控報警系統(tǒng)都集成在儀器內(nèi)部，通過設(shè)備的觸屏界面實(shí)施調(diào)控，整個儀器內(nèi)部類似暗箱，試驗(yàn)操作過程不必考慮設(shè)備的內(nèi)部情況。三個染毒缸被置于裝置臺面，有效地利用了平臺的空間，每個染毒缸配置一個攝像頭，可以整個過程實(shí)時觀察試驗(yàn)的情況，臺面頂端設(shè)有一個攝像頭，可全局觀察試驗(yàn)進(jìn)展。通過引入“物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)，該設(shè)備的所有調(diào)控與設(shè)置皆可由移動終端來操作，同時四個攝像頭的監(jiān)控畫面也可以實(shí)時傳輸至移動終端，這樣可以極大地解放實(shí)驗(yàn)員的生產(chǎn)力，提高工作效率的同時也減輕了人員的工作量。

2.5　毒性試驗(yàn)

2.5.1SF6抽檢樣品氣體測試

對某單位送檢的三瓶SF6抽檢樣氣(瓶號分別為7010196、7010203和7010314)進(jìn)行氣體毒性生物試驗(yàn)。三瓶氣體依次在新、舊平臺進(jìn)行測試并對照試驗(yàn)結(jié)果。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)流程，新平臺在一個試驗(yàn)流程內(nèi)便完成對三瓶樣氣的檢測，試驗(yàn)一共耗費(fèi)96h，算上前后準(zhǔn)備和處理時間，大約5天完成整個試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示三瓶送檢樣氣皆無生物毒性。在舊平臺上進(jìn)行試驗(yàn)時，一次只能測試一瓶送檢樣氣，每一瓶氣體的測試時間為96h，加上前期準(zhǔn)備和后期初期，每瓶氣體測試需要花費(fèi)5天，利用舊平臺完成三瓶送檢樣氣一共花費(fèi)3周時間。舊平臺的時間結(jié)果同樣顯示樣氣無生物毒性。舊試驗(yàn)平臺采用4人輪流值夜班的形式，每2h記錄一次試驗(yàn)現(xiàn)象。

2.5.2故障設(shè)備SF6氣體生物毒性試驗(yàn)

為了進(jìn)一步對照新舊平臺的測試性能，試驗(yàn)選取了某故障設(shè)備中的SF6氣體作為測試氣體，來比較兩個平臺的響應(yīng)靈敏度以及測試精度。

首先在舊平臺上進(jìn)行測試，按照標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)要求搭建裝置并進(jìn)行試驗(yàn)。染毒室飼養(yǎng)5只健康的雌鼠，試驗(yàn)過程保障小白鼠水和飲食的供應(yīng)，仔細(xì)調(diào)節(jié)試驗(yàn)的氣體流量以及混氣比例。試驗(yàn)過程每2h一次認(rèn)真記錄小白鼠的形態(tài)外貌以及活動狀況，仔細(xì)觀察小白鼠的運(yùn)動、飲食以及呼吸是否存在異樣。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在第16h和第18h進(jìn)行觀察時實(shí)驗(yàn)組的小白鼠并沒有表現(xiàn)出明顯的異樣，其行為舉止與對照組的小白鼠并無太大異常。然而在第20h進(jìn)行觀察時，則發(fā)現(xiàn)5只小白鼠中有4只已經(jīng)死亡，最后一只小白鼠則都表現(xiàn)出四肢乏力、煩躁不安、呼吸急促的癥狀，在后續(xù)的觀察中發(fā)現(xiàn)，13min后最后一只小白鼠也中毒死亡。而空白對照組的5只小白鼠則活動正常，試驗(yàn)結(jié)果表明故障設(shè)備中的SF6氣體具有生物毒性，小白鼠的死亡時間在染毒20h左右。

隨后在新平臺上重新檢測該故障設(shè)備中的SF6氣體的生物毒性，試驗(yàn)過程按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行，新平臺只開通一條氣路。試驗(yàn)全過程采用監(jiān)控拍攝錄，同時記錄實(shí)驗(yàn)組與空白對照組小白鼠的活動狀況，試驗(yàn)人員在白天及晚間22點(diǎn)前每2h、晚間則在晚間22點(diǎn)及早間6點(diǎn)通過手機(jī)觀察一次小白鼠的活動狀況。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)小白鼠在18h ～ 20h的時間段全部死亡。通過回看視屏錄像發(fā)現(xiàn)，在19h12min的時候，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組的小白鼠明顯比空白對照組要躁動不安，試驗(yàn)組的小白鼠沒有表現(xiàn)出太強(qiáng)的食欲，但在染毒缸內(nèi)來回走動，有個別小白鼠上躥下跳。隨后，小白鼠表現(xiàn)處呼吸困難，四肢乏力，5只小白鼠中有4只聚集在一起趴在地上。在19h36min左右第一只小白鼠翻身死亡。在接下來的10min內(nèi)，另外四只小白鼠相繼中毒死亡。試驗(yàn)結(jié)果表明該故障設(shè)備中的SF6氣體具有生物毒性。

圖5　試驗(yàn)對照組

2.6　空白對照試驗(yàn)

另外選取5只健康雌鼠，在敞開環(huán)境不通入混合氣體的情況下，提供充足的鼠糧和飲水(如圖5所示)，以此作為試驗(yàn)對照組同步進(jìn)行觀察比較。

3　試驗(yàn)結(jié)果及平臺分析對比

3.1　試驗(yàn)結(jié)果分析

通過上述抽檢樣品氣體及故障設(shè)備中SF6氣體的兩組試驗(yàn)，分別展示了氣體無毒與氣體有毒兩種情況下的試驗(yàn)過程與試驗(yàn)現(xiàn)象。在抽檢樣品氣體的試驗(yàn)過程中，經(jīng)過24h的染毒試驗(yàn)和72h的觀察，兩個試驗(yàn)平臺以及對照組的小白鼠全部正常存活，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的評判依據(jù)，說明所抽取的SF6氣體樣品沒有毒性。在故障設(shè)備中SF6氣體生物毒性檢測實(shí)驗(yàn)中，兩個試驗(yàn)平臺的小白鼠皆表現(xiàn)處中毒癥狀且都在20h左右死亡，而空白對照組小白鼠活動正常，生命體征良好。這說明該故障設(shè)備中SF6氣體存在生物毒性，需要對其進(jìn)行必要的凈化處理，人員在操作時需要做好相應(yīng)的防護(hù)工作。對于中毒死亡的小白鼠可以進(jìn)行解剖作進(jìn)一步分析[5]。

3.2　試驗(yàn)平臺對比

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方案是經(jīng)過專業(yè)設(shè)計并試驗(yàn)論證可行的，通過本次試驗(yàn)及對標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的試驗(yàn)進(jìn)行分析探討，認(rèn)為其存在缺陷，這種缺陷的根本原因在于該試驗(yàn)平臺是基于化學(xué)試驗(yàn)的儀器設(shè)備而搭建的，且不具有智能化調(diào)控技術(shù)，所有的分析判斷都是以實(shí)驗(yàn)員的觀察為基礎(chǔ)，主觀性太大。試驗(yàn)平臺并非專一定制，各配件之間的不固定性導(dǎo)致連接處容易破損漏氣。浮子流量計對氣體流量的控制精度有限，兩種氣體的被動混合難以均勻，這都將導(dǎo)致最終進(jìn)入染毒缸中的混合氣體難以嚴(yán)格滿足標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求。此外，試驗(yàn)要求人工長期進(jìn)行觀測記錄，這要耗費(fèi)巨大的人力，難以連續(xù)開展同一個試驗(yàn)。此試驗(yàn)裝置要求配件較多且難以改造成并行試驗(yàn)裝置(一個平臺的一套系統(tǒng)中具有兩個甚至更多的染毒缸)，但是如果要同時開展多組試驗(yàn)則會占據(jù)很大空間，如果試驗(yàn)場地受限，那也難以通過增加試驗(yàn)平臺來加快總的試驗(yàn)進(jìn)度?；谝陨弦蛩?，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方案已經(jīng)難以滿足電力高速發(fā)展帶來的對SF6氣體分析檢測的需求。

相對于老試驗(yàn)平臺，新試驗(yàn)平臺引入的自動化系統(tǒng)和智能化系統(tǒng)能夠有效地依靠傳感器的信號來進(jìn)行判斷與操作，這有效地避免了由于人為操作導(dǎo)致的試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差或是試驗(yàn)失敗。新試驗(yàn)平臺是對標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)裝置進(jìn)行優(yōu)化改造而來，遵循老試驗(yàn)原理。新平臺具有以下幾個特點(diǎn)：

(1)采用SF6氣體和氧氣的流量控制技術(shù)和快速平衡技術(shù)，實(shí)現(xiàn)兩種氣體流量的穩(wěn)定控制和快速平衡，為實(shí)驗(yàn)過程提供穩(wěn)定可靠的氣源?；鞖饽K采用了螺旋纏繞管，管內(nèi)插入一條形狀不規(guī)則的四氟帶，這能夠有效地使兩種氣體進(jìn)行混合。

(2)采用多通道SF6氣體生物毒性試驗(yàn)系統(tǒng)，可同時對3瓶SF6氣體和氧氣進(jìn)行混氣，配合3瓶試驗(yàn)容器，同時實(shí)現(xiàn)3瓶SF6氣體的試驗(yàn)。

(3)采用穩(wěn)定的分流控制和預(yù)報警技術(shù)，能分別控制多氣路氣體流量，當(dāng)氣體流量異常時，可預(yù)報警，為試驗(yàn)人員調(diào)整氣體流量提供充裕時間。

(4)實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)過程可視圖像的實(shí)時傳輸，可在辦公室或特定區(qū)域?qū)崟r可視觀察試驗(yàn)小白鼠的活動情況，解決SF6氣體生物毒性試驗(yàn)需要晚上連續(xù)值班的問題。

(5)研究試驗(yàn)容器的功能區(qū)域分布，合理布置小白鼠的活動區(qū)域，提供一個實(shí)驗(yàn)周期小白鼠生活所需的飲水和食物。

總而言之該平臺可實(shí)現(xiàn)智能化控制，能同時實(shí)現(xiàn)至少3瓶樣氣的同時試驗(yàn)，大大提高了試驗(yàn)速度，提升了工作效率；從現(xiàn)場觀察變?yōu)檫h(yuǎn)程可視觀測，避免大量試驗(yàn)過程中試驗(yàn)人員長期值夜班，有效節(jié)約了人工成本，具有較強(qiáng)的實(shí)用價值和經(jīng)濟(jì)效益。

相對于老試驗(yàn)平臺，新平臺主要的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下三個方面：

(1)新平臺一個試驗(yàn)周期可以對三瓶SF6氣體進(jìn)行檢測，工作效率是老試驗(yàn)平臺的三倍，能夠有效解決當(dāng)前試驗(yàn)效率跟不上電力設(shè)施建設(shè)速度的尷尬處境。

(2)新平臺具有智能控制與視屏監(jiān)控系統(tǒng)，可以通過多種傳感器來監(jiān)控整個試驗(yàn)過程，試驗(yàn)人員可以通過手機(jī)等遠(yuǎn)程終端來觀察和控制試驗(yàn)。平臺所具有的視屏系統(tǒng)可以全程記錄試驗(yàn)過程，這就不再需要試驗(yàn)人員每2h一次觀察記錄小白鼠的生理活動情況，極大地降低了人工成本，減輕試驗(yàn)員的試驗(yàn)強(qiáng)度。

(3)從上述故障設(shè)備中SF6氣體組的試驗(yàn)可以看出，新試驗(yàn)平臺比老試驗(yàn)平臺具有的一個重要特點(diǎn)是，新平臺的視屏監(jiān)控系統(tǒng)對整個試驗(yàn)過程都有詳細(xì)的視屏記錄，在試驗(yàn)出現(xiàn)狀況，即小白鼠中毒時，在試驗(yàn)結(jié)果分析時可以反復(fù)回看視屏錄像，詳細(xì)觀看小白鼠的中毒反應(yīng)，為后續(xù)進(jìn)一步氣體、毒理分析提供有力依據(jù)，甚至通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累可以建立氣體毒性強(qiáng)弱與小白鼠死亡時間之間的關(guān)聯(lián)。

3.3　拓展新試驗(yàn)平臺

雖然新裝置可以一次做三瓶氣體的分析，但由于試驗(yàn)原理的限制，每個試驗(yàn)周期都需要24h加72h一共96h的時間。但分析可以看出，整個試驗(yàn)只有在染毒的24h對平臺有需求，后續(xù)的72h觀察時間可以在其它地方進(jìn)行。據(jù)此可以將新平臺的染毒和觀察兩個階段分開，為新平臺配置一個只帶監(jiān)控系統(tǒng)的簡易觀察平臺，將染毒24h后的小白鼠轉(zhuǎn)移到觀察平臺進(jìn)行飼養(yǎng)觀察，而新平臺則可以繼續(xù)進(jìn)行下一輪試驗(yàn)。通過計算認(rèn)為，每一個新試驗(yàn)平臺有三個染毒缸，只需要為其配備一個具有9個染毒缸的觀察平臺，則這個試驗(yàn)可以以24h為周期進(jìn)行流水線式操作，有效地提高了大量氣體樣品分析時的工作效率(如圖6示意圖所示)。

圖6　新平臺染毒階段與觀察階段分離，流水線檢測示意圖

4　總結(jié)

本文基于SF6氣體毒性生物試驗(yàn)的新老平臺對有毒、無毒兩種氣體進(jìn)行了試驗(yàn)，通過試驗(yàn)過程及結(jié)果對兩個平臺進(jìn)行對比與討論。標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的試驗(yàn)裝置雖然結(jié)構(gòu)簡單易于搭建，但沒有智能控制系統(tǒng)，氣體的混合以及試驗(yàn)記錄等都需要人工調(diào)節(jié)或記錄，這容易降低試驗(yàn)的精度而且要耗費(fèi)大量人力，同時由于裝置比較松散，整個平臺需要占據(jù)較大空間。新試驗(yàn)平臺具有配氣功能，可以一次性做三瓶SF6的檢測，平臺所搭建的智能控制模塊能夠有效控制氣體混合和傳輸流量。平臺的監(jiān)控和報警系統(tǒng)能夠?qū)υ囼?yàn)進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控和異常報警，極大地減輕了實(shí)驗(yàn)員的工作強(qiáng)度，有效地提高了工作效率。新平臺具有的視屏回看功能可以詳細(xì)地觀察試驗(yàn)的每一個細(xì)節(jié)，在小白鼠發(fā)生中毒現(xiàn)行時，能夠?yàn)楹罄m(xù)氣體分析及生物生理分析提供重要信息。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)新平臺依然存在不足之處，本文提出的將染毒過程和觀察過程分成兩個平臺分別進(jìn)行，可以實(shí)現(xiàn)類似流水線連續(xù)檢測，這將大大提高新平臺的使用效率，有效緩解檢測壓力。

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