基于紅外吸收原理的SF6氣體泄漏檢測技術(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. 國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，合肥 230000；2. 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)實驗室，合肥 230000）

SF6分解氣體在線監(jiān)測裝置在長期運行過程中可能會發(fā)生SF6泄漏，嚴(yán)重時會影響一次設(shè)備的安全運行，需要對其泄漏狀態(tài)進(jìn)行檢測。通過比較現(xiàn)有SF6氣體泄漏檢測方法，本文提出采用非分散紅外吸收傳感器檢測SF6氣體泄漏，搭建傳感器檢測電路及泄漏模擬實驗平臺，研究傳感器對不同泄漏速度、不同泄漏點的響應(yīng)特性，以及布置位置、進(jìn)氣口朝向?qū)鞲衅鳈z測特性的影響。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三種泄漏點的響應(yīng)速度、響應(yīng)值不同，其中3號位置的傳感器對三種泄漏點都具有較好的響應(yīng)特性，是傳感器安裝的優(yōu)選位置；同時傳感器側(cè)向安裝響應(yīng)速度更快。該技術(shù)能對不同速度的SF6泄漏進(jìn)行實時檢測，通過傳感器多點布置可以實現(xiàn)對泄漏區(qū)域的定位。

SF6氣體泄漏；在線監(jiān)測裝置；SF6傳感器；SF6泄漏檢測；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發(fā)生解離；在沒有其他雜質(zhì)存在時，解離的SF6會迅速復(fù)合還原為SF6氣體。但在實際使用中，SF6氣體中難免會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)備故障診斷和運行維護(hù)工作的一項重要內(nèi)容。

近年來，SF6氣體分解產(chǎn)物檢測技術(shù)不斷發(fā)展，檢測靈敏度逐步提高、檢測組分種類不斷拓展，檢測方法由傳統(tǒng)的檢測管法發(fā)展為傳感器法、氣相色譜法、光聲光譜法等[7-9]。檢測方式也由離線檢測發(fā)展為帶電檢測、狀態(tài)檢測。然而，SF6氣體分解產(chǎn)物檢測技術(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。為了及時檢測分解產(chǎn)物，研究者開發(fā)了可自動完成氣體取樣、回充等過程的取樣裝置。但是，該裝置存在氣缸活塞等運動部件，且管路復(fù)雜、接口多，由于安裝不良、運行中振動松動或分解氣體的強腐蝕性，長期運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)重時將影響一次設(shè)備的安全運行。因此亟需適用于監(jiān)測儀器的SF6泄漏檢測技術(shù)方案。

本文針對光聲光譜在線監(jiān)測儀器氣體泄漏異常問題，提出氣體泄漏檢測方法，并研究氣體泄漏檢測傳感器對儀器內(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)測儀器的研發(fā)提供基礎(chǔ)。

1 SF6泄漏檢測技術(shù)

對于一次設(shè)備的SF6泄漏檢測，有很多傳統(tǒng)方法，如包扎法、負(fù)電暈檢漏儀、熱導(dǎo)檢測器法等。這些方法或者操作復(fù)雜，或者壽命短，不適合在線監(jiān)測應(yīng)用。隨著光學(xué)檢測技術(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波段對紅外輻射具有很強的吸收作用這一特性。具體包括以下三種方法。

1.1 激光成像泄漏檢測技術(shù)

SF6激光成像檢漏儀利用SF6氣體在10.6mm波長附近的強吸收特性及反向散射/吸收理論。工作時，激光光源向被測設(shè)備區(qū)域發(fā)出入射激光，光束經(jīng)過背景反射會形成反向散射激光并進(jìn)入攝影機成像系統(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，其能量會被吸收一部分，返回到激光攝影機成像系統(tǒng)的激光強度由于經(jīng)過氣體煙霧的吸收將會減弱，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)為主動式檢測，缺點是激光成像系統(tǒng)價格昂貴。

1.2 紅外成像泄漏檢測技術(shù)

該技術(shù)也是利用SF6氣體的紅外特性，但為被動式檢測，即被動檢測物體發(fā)出的紅外光，其紅外傳感器只檢測極窄的光譜范圍，故選擇性極強。由于SF6氣體對對應(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?，進(jìn)而確定其泄漏源及移動方向，使檢測人員能夠快速、準(zhǔn)確地找到泄漏點[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，同時因為無需激光光源，所以相應(yīng)裝置質(zhì)量輕。

1.3 紅外吸收檢測技術(shù)

當(dāng)紅外光通過SF6氣體時，SF6氣體分子對特定波長（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)的長度與透射光強滿足

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

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

工作時，被測氣體通過采集泵或自然擴散進(jìn)入測量氣室內(nèi)，紅外光源發(fā)射的紅外光束透過被測氣體，不同氣體組分吸收特定波段的紅外光，通過紅外探測器探測出對應(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技術(shù)，采用LED光源，可實現(xiàn)SF6氣體的微型化、低成本光學(xué)傳感[14-16]。

表1為四種SF6泄漏檢測技術(shù)的特點?？紤]到項目應(yīng)用場景，SF6泄漏檢測技術(shù)需要滿足壽命長、體積小、可定量檢測、易于儀器集成等要求，因此選擇基于紅外吸收的檢測傳感器。

表1 四種SF6泄漏檢測技術(shù)特點

2 泄漏模擬實驗

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）吸收檢測技術(shù)，檢測量程0～2 000mL/L，靈敏度15mL/L，檢測精度2%，工作壓力75～120kPa，響應(yīng)時間10s，適合不同泄漏速度的檢測，同時具有溫度補償，壽命大于6年，且可以通過RS 485、RS 232等與上位機通信。

2.1 SF6傳感模塊設(shè)計

上述傳感器需要配置外部電路，才能實現(xiàn)檢測功能，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，最多可以識別32個SF6傳感器，可用于組網(wǎng)檢測。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，上位機按通信協(xié)議向傳感器發(fā)送命令，傳感器返回SF6氣體濃度。檢測中每10s發(fā)一次檢測命令，采集SF6濃度數(shù)據(jù)。

2.2 儀器內(nèi)部泄漏模擬方法

被測儀器內(nèi)部各模塊布置方式、傳感器及模擬泄漏點設(shè)置如圖2所示，可能會發(fā)生泄漏的模塊包括取樣與回充單元、分解氣體檢測模塊，具體位置包括氣路連接口、氣缸等，4個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、檢測層、柜體底部。氣體泄漏速度采用質(zhì)量流量計控制。

3 實驗結(jié)果及討論

3.1 傳感器對泄漏的響應(yīng)特性

研究中氣體泄漏位置為泄漏點2，泄漏速度通過質(zhì)量流量計設(shè)置為10mL/min、20mL/min、30mL/min和40mL/min。四種泄漏速度下SF6濃度隨泄漏時間變化曲線如圖3所示?？梢钥吹?，四種泄漏速度下，四個SF6氣體傳感器檢測濃度變化趨勢一致，泄漏速度越快，氣體濃度越大，濃度上升速度越快，其中2號和3號傳感器響應(yīng)速度快，遠(yuǎn)高于1號和4號傳感器；同時可以看到，在泄漏早期，氣體體積分?jǐn)?shù)上升很快，后期由于氣體擴散，濃度變化變慢。圖3中SF6氣體含量波動是由于氣流不穩(wěn)定和傳感器誤差造成的。

圖2 SF6傳感器及模擬泄漏點

3.2 傳感器位置的影響

在現(xiàn)場應(yīng)用中，發(fā)生泄漏的位置是不確定的，為及時發(fā)現(xiàn)氣體泄漏故障，傳感器應(yīng)布置在對泄漏響應(yīng)最靈敏的位置，研究中針對3個不同SF6泄漏點（氣缸泄漏、取樣回充單元管路泄漏、氣體池接口管路泄漏），分別測量4個位置傳感器的SF6氣體濃度。實驗中泄漏速度設(shè)置為20mL/min，1～4號傳感器進(jìn)氣口垂直朝上安裝。圖4（a）～圖4（d）分別對應(yīng)4個傳感器在3個泄漏點發(fā)生泄漏時SF6含量隨泄漏時間變化曲線?？梢钥吹?，1號傳感器對三個泄漏點響應(yīng)都較慢，且氣體濃度檢測值較低；2、3號傳感器對泄漏點1、2響應(yīng)快且氣體濃度檢測值大；4號傳感器對泄漏點3響應(yīng)相對較快且氣體含量檢測值大，但對泄漏點1、2響應(yīng)慢。綜合來看，3號傳感器對三種泄漏點的響應(yīng)都較好，能夠及時響應(yīng)泄漏。

3.3 傳感器朝向的影響

由于氣體擴散及流動方向不同，不同朝向的傳感器對同一泄漏的響應(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3，泄漏速度20mL/min，兩種放置方式SF6濃度隨泄漏時間變化曲線如圖5所示?？梢钥吹?個傳感器在側(cè)放時響應(yīng)速度均比正放快，且氣體體積分?jǐn)?shù)檢測值更大。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)放時高度較低，氣體更易從傳感器過濾網(wǎng)進(jìn)入檢測腔體內(nèi)部；正放時檢測點距離泄漏點更遠(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濃度隨泄漏時間變化曲線

4 結(jié)論

如何檢測監(jiān)測儀器內(nèi)部SF6氣體泄漏異常是監(jiān)測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)測儀器為應(yīng)用對象，開展內(nèi)部SF6泄漏檢測技術(shù)研究，得出如下結(jié)果：

1）SF6氣體泄漏檢測方法中，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、價格昂貴，通常用于一次設(shè)備氣體泄漏檢測；紅外吸收法可實現(xiàn)小型化、價格低、與控制電路接口簡單、易于監(jiān)測儀器集成、壽命可達(dá)6年，適合用于檢測設(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檢測傳感器，可以檢測監(jiān)測儀器內(nèi)部的氣體泄漏，且響應(yīng)較快。傳感器對不同泄漏點、不同泄漏速度的泄漏故障都有響應(yīng)；泄漏速度增大，傳感器檢測結(jié)果增大；同一傳感器隨著泄漏時間增加，響應(yīng)值變大，泄漏初期氣體濃度急速上升，后期會趨于穩(wěn)定；傳感器進(jìn)氣口朝向?qū)鞲衅黜憫?yīng)值影響很大，側(cè)向放置時傳感器響應(yīng)更靈敏。

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

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

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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

國家電網(wǎng)有限公司總部科技項目（521205190014）

2021-02-23

2021-04-25

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