基于氣體傳感器的SF6氣體環境監測系統的設計

張亞軍

（常州市第二人民醫院，江蘇常州213000）

0 引言

SF6是一種具有良好絕緣和滅弧性能的氣體介質，被廣泛應用于電力行業的高壓斷路器和變電設備中，并且隨著科學技術的不斷發展，SF6當前已經成為高壓斷路器中唯一的絕緣和滅弧介質。

在SF6的使用過程中，存在一定的泄漏風險，如果發生泄漏，就會導致其絕緣和滅弧性能大打折扣，進而給用電設備的安全平穩運行帶來不小的隱患，而且泄漏出來的SF6氣體在環境中高壓電弧的作用下，會轉變成具有毒性的物質，進而對工作人員的身體健康帶來嚴重損害[1]。

SF6的檢測技術經歷了四代：半導體方式、電暈法、超聲波檢測技術、紅外檢測技術。目前國內主要采用的是分布式SF6監測裝置，即在現場布置多個采集單元[2-3]，每個采集單元都獨立具備SF6氣體的測試功能，測量后的信號通過電纜傳送到后臺的集中控制臺；同時，其他有關測試元件也是獨立測試的，例如氧氣、溫度、濕度及泄漏量監測等；集中控制臺負責報警、控制風機等。此方法的優點是價格低，布置靈活，測點量可以任意增加；缺點是測試原理簡單，定量測量不準，誤報率高、壽命短、維護量大，現場需要多根電纜，測點增加將直接增加費用等。

1 氣體傳感器測試原理

氣體傳感器能夠對不同氣體進行有效的檢測，并將檢測結果轉換成相應的信號輸出，其主要的工作原理是物理效應和化學反應等[4]。氣體傳感器是整個氣體檢測系統的核心部件，對檢測結果的精確性具有決定性影響，其能夠將氣體的體積分數轉化為對應的電信號并進行有效的輸出。因此，為了確保氣體檢測結果具有足夠的參考性，對氣體傳感器的精度、性能、穩定性、功耗等方面的要求很高，尤其是對SF6傳感器的要求更高。

1.1 SF6紅外檢漏變送器

某些屬性與分子振動和旋轉方式相關，并且對于一個特定分子是唯一的，可用于識別目的[5]。分子通過吸收一個光子或釋放一個光子達到激活，其吸收過程通常發生在紅外區域。分子的振蕩頻率是單一的，一些分子在基態，一些分子處于激發態，連續兩個激發態間的能量間隔為hw/2π。此特征在紅外光譜表現為一個單次吸收光譜，紅外光譜技術利用不同物質對紅外輻射的選擇吸收特性對物質進行定性或定量分析。圖1所示為SF6的吸收光譜，可以看到SF6氣體在紅外波段有一個中心吸收帶，波數為947。

圖1 SF6的吸收光譜

實驗證明，當特定波段的紅外光通過SF6氣體時，這些氣體分子對特定波長的紅外光有吸收，其吸收關系服從朗伯-比爾吸收定律，即吸收與SF6氣體濃度呈現自然指數關系。運用此原理設計光學裝置，采用主動吸氣方式，當采樣氣體中含有SF6氣體時，紅外光的強度將相應減弱，通過檢測減弱的幅度，運用朗伯-比爾吸收定律可以計算出SF6氣體的濃度。

SF6傳感器采用紅外光譜原理，準確快速檢測空氣中SF6的微小泄漏，測量范圍為0～3000 μL/L，靈敏度為1 μL/L，遠遠低于安全規程規定的SF6報警濃度1 000 μL/L，并通過RS485總線將氣體濃度數據上傳到主機系統供工作人員查詢。利用紅外光譜吸收技術檢測SF6氣體，與其他檢測技術相比，檢測精度高，穩定可靠。SF6紅外檢漏變送器采用雙波長非色散紅外線光譜儀的原理（NDIR），相較于單波長單光束而言，其能對漂移現象進行科學合理的控制，進而有效避免光源老化、采樣池污染等因素所造成的不利影響。雙波長雙光束在工作過程中能夠形成一個穩定性非常高的信號，該信號對于測量氣體的敏感性非常低，幾乎不會受到影響，而對外部變化的敏感性較高。

1.2 氧含量傳感器

電化學氧傳感器由于選擇性好、靈敏度高、輸出線性好等特點在環境保護領域應用廣泛，其工作原理是被測氣體的氧分子通過隔膜發生氧化-還原反應，當氧到達陰極時表面被還原，同時在鉛陽極發生氧化反應。其化學反應過程為：

陰極：

陽極：

當電化學氧傳感器的外電路上具有一定的負荷時，其電流大小與氧氣濃度之間具有一定的正比關系，通過檢測電路中的電流大小，就能進一步算出氧氣的濃度。本系統采用日本FIGRAO電化學氧傳感器KE-25，分辨率1%，測量范圍0～30%，可通過RS485實現信號傳輸。

2 SF6泄漏在線監測及控制設計

2.1 SF6氣體泄漏量及氧含量監測

當環境中SF6氣體含量超標或缺氧，能實時進行報警，變送器模塊通過RS485總線傳遞SF6和O2數據，通信距離可達1 km；可以擴充1～32個變送器，提高了系統的擴展性和穩定性。本系統可廣泛應用于各種電壓等級的SF6開關室、組合電器室（GIS室）、SF6主變室等。

2.2 溫度和濕度一體式傳感器

溫度和濕度一體式傳感器能夠對環境中的溫度和濕度變化進行有效監測，并將監測數據通過RS485信號傳輸至后臺做進一步處理。該傳感器監測范圍廣，對于一個普通的小開關室而言，安裝一個溫度和濕度一體式傳感器就能對整個室內進行有效的監測，為了確保檢測的精度符合要求，其離地距離保持在1.5 m左右為宜。

2.3 風機的控制

為了確保工作人員的人身安全，當空氣中的SF6濃度達到1 000 μL/L或氧氣含量＜18%時，風機就能自動啟動，通過排風，降低空氣中的SF6含量，也可進行強制排風，保證在各種情況下的使用。當該設備與SF6泄漏預警回收系統聯動時，可通過探頭數量設置具體報警信號，例如開關室有5個SF6傳感器，當4個以上報警時，啟動SF6氣體泄漏預警回收系統，4個以下時僅啟動風機排風。

系統采用紅外光譜檢測原理，可定量、實時在線測量SF6泄漏氣體含量，克服了傳統測量方法如負電暈放電法和鹵素傳感器法只能定性判別是否越限的缺陷，能夠準確得到空氣中SF6含量。系統自動記錄各種報警數據，通風設備啟動數據，可以設定自動啟動通風設備時間，SF6泄漏超標以及氧氣含量＜18%時，自動啟動通風設備，根據用戶需要提供與遠程通信裝置的接口，實現遙控、遙測、遙信等功能。

3 SF6監測控制系統

整個SF6監測控制系統是按照模塊化的組合方式設計的，能夠大大降低安裝過程的難度以及后期的維護工作量。在傳輸條件良好的前提下，該系統能夠與網絡有機結合，建立網絡監控中心，讓監控人員通過網絡對開關室內的溫度、濕度、氧氣含量以及SF6濃度進行隨時隨地的遠程監測，進而大大提高監控人員的工作效率，并為開關室的安全平穩運行提供可靠保障。監控中心的關鍵技術是數據庫，其中存儲了豐富的數據資料，不僅能對開關室的工作情況進行實時的監測，還能為管理者的有效決策提供資料上的支持，進而在一定程度上提高人員和設備的工作效率。

圖2為SF6監測控制系統原理圖。

通過組態遠程監測系統具有數據分析，歷史數據、歷史曲線查詢、打印，監測點位置顯示，短信發送等功能。

（1）可實時監測GIS室或主變室中各個監測點的信息，并清晰展現環境監測點位置，如圖3所示。

（2）可實時記錄SF6含量變化曲線，查詢歷史數據及歷史曲線，并自動生成歷史數據表格及實時數據表格。

圖2 SF6監測控制系統原理圖

圖3 SF6環境監測圖

4 結語

隨著更加先進的控制技術的應用，SF6氣體泄漏環境在線監測裝置更多地和變電站安全系統融合，逐步與消防等系統結為一體，在集中控制方面更加地模塊化；同時不僅局限于對SF6氣體的監測，其更多的數據分析、記錄以及短信報警等功能，解決了運維人員不能及時發現泄漏狀況的問題，人機互動也更加豐富。