檢測(cè)六氟化硫分解組分的氣體傳感測(cè)試方法研究

摘 要：通過(guò)對(duì)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(jìn)行組成和濃度檢測(cè)，能有效評(píng)估絕緣運(yùn)行狀態(tài)。針對(duì)SF6分解組分SO2、SO2F2、SOF2檢測(cè)，提出開展檢測(cè)SF6分解組分的氣體傳感測(cè)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(cè)試電路設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上測(cè)試了其對(duì)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(cè)提供了一種有效的氣體傳感測(cè)試方案。

關(guān)鍵詞：六氟化硫氧化鋅氣體傳感測(cè)試氣敏特性

中圖分類號(hào)：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(diǎn)。SF6氣體的特點(diǎn)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(huì)由于GIS大負(fù)荷或者長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)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(huì)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(guò)測(cè)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(jìn)而判斷GIS缺陷情況，從而保證GIS內(nèi)部的安全運(yùn)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(jì)了傳感器信號(hào)采集和信號(hào)產(chǎn)生電路并搭建了氣體傳感器測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行檢測(cè)SF6分解組分的氣敏實(shí)驗(yàn)。

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(jìn)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(wú)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(jìn)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(tái)，在其工作溫度下進(jìn)行7d的老化處理。

2 測(cè)試電路設(shè)計(jì)

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(cè)氣體后會(huì)發(fā)生反應(yīng)，其自身的電阻值會(huì)產(chǎn)生變化，通過(guò)測(cè)量器件電阻值的變化，從而得到被檢測(cè)氣體的濃度。因此，設(shè)計(jì)氣敏傳感器模塊電路的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)能精確測(cè)量電阻的電路。本文通過(guò)信號(hào)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(cè)氣體的濃度。

氣敏傳感器模塊電路的信號(hào)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(duì)前級(jí)電路呈現(xiàn)出高阻狀態(tài)，對(duì)后級(jí)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(gè)信號(hào)處理電路的帶載能力。

不同氣敏傳感器的電阻會(huì)有不同的變化范圍及變化規(guī)律，所以在信號(hào)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(hào)產(chǎn)生電路。氣敏傳感器的電阻值會(huì)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(jì)的信號(hào)產(chǎn)生電路如圖3所示。

3 測(cè)試平臺(tái)搭建及氣敏測(cè)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(jìn)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(jìn)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(biāo)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(biāo)氣路1：滿量程300sccm，控制范圍2%～100%（6～300sccm）；目標(biāo)氣路2：滿量程2sccm，控制范圍2%～100%（0.04～2sccm）；氣閥進(jìn)氣口：設(shè)備內(nèi)部采用的氣動(dòng)閥控制，要求氣動(dòng)閥的啟動(dòng)壓力為0.4MPa。

本文在溫度為25℃，相對(duì)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(cè)試系統(tǒng)組成旁熱式氣敏傳感器氣敏性能測(cè)試平臺(tái)（如圖5所示）。WsqN/HWHFhfnusaE/pryLA==該平臺(tái)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(dá)到對(duì)溫度的精準(zhǔn)控制。系統(tǒng)能采集8通道的氣敏傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)，使用8寸的觸控液晶屏來(lái)替代傳統(tǒng)的按鍵操作方式，使得用戶在使用時(shí)更加簡(jiǎn)易方便。通過(guò)觸摸屏可以顯示氣箱內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度和濕度信息，并可以對(duì)每一個(gè)通道的加熱電流實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的控制。

4 氣敏測(cè)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(cè)試主機(jī)之間連接良好；打開主機(jī)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(yù)熱傳感器。

打開電腦軟件，設(shè)置好采集時(shí)間和間隔，點(diǎn)擊開始采集。

靜態(tài)配氣測(cè)試基本流程敘述如下。

（1）點(diǎn)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(hào)趨于穩(wěn)定時(shí)，記錄此時(shí)阻值即為傳感器在空氣中的電阻Ra。

（2）將待測(cè)氣體注入容量為20L的氣室中，通過(guò)分析系統(tǒng)軟件觀察氣體傳感器電阻值的變化情況，即時(shí)電阻值設(shè)定為Rg，將所需量的待測(cè)氣體通過(guò)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(fēng)扇開關(guān)。對(duì)于易揮發(fā)、低濃度的氣體則不建議打開風(fēng)扇。

觀察測(cè)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(fù)到Ra值后，點(diǎn)擊“停止采集”。

基于研制的旁熱式氣敏傳感器和設(shè)計(jì)的氣敏傳感器模塊的信號(hào)處理電路和信號(hào)產(chǎn)生電路，測(cè)試了Ni-ZnO氣體傳感器在最佳工作溫度下對(duì)50μL/L的SO2、100μL/L的SO2F2和100μL/L的SOF2的氣敏響應(yīng)和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。如圖6所示，傳感器對(duì)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(shí)，傳感測(cè)試平臺(tái)在較長(zhǎng)的測(cè)試周期中，總體上均保持了接近恒定的值，表明該傳感測(cè)試方法在檢測(cè)SF6分解副產(chǎn)品SO2、SO2F2和SOF2時(shí)具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

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(cè)的氣體傳感器，設(shè)計(jì)了氣敏傳感器模塊的信號(hào)處理電路和信號(hào)產(chǎn)生電路，測(cè)試了傳感器的檢測(cè)SO2、SOF2以及SO2F2氣體的氣敏性能。研制的Ni-ZnO氣體傳感器對(duì)于3種氣體的響應(yīng)靈敏度關(guān)系均為SO2＞SO2F2＞SOF2，同時(shí)該測(cè)試方法表現(xiàn)出較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性。研究結(jié)果為開展基于半導(dǎo)體技術(shù)的SF6分解產(chǎn)物的現(xiàn)場(chǎng)傳感檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

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