基于紅外光譜檢測的工業電氣設備泄露試驗分析

陳喆 李超

摘要：SF6、N2混合電氣設備在電網系統中應用廣泛，SF6、N2在氣體密度方面差異性大，會對工業電氣設備運行安全性產生影響，因此加強電氣設備泄漏檢測尤為重要。研究應用紅外光譜檢測技術，通過紅外光源合理選擇及分光系統設置，對SF6氣體濃度進行檢測，實踐證實該檢測技術能夠實現對SF6分解氣體成分及含量的實時檢測，評估電氣設備帶電運行狀態情況，為電氣設備性能分析提供可靠的依據，保障電氣設備運行安全性。

關鍵詞：紅外光譜? 工業電氣設備? 泄漏試驗? 安全性

Analysis of Leakage Test of Industrial Electrical Equipment Based on Infrared Spectroscopy Detection

CHEN Zhe? LI Chao

（Hainan Nuclear Power Co.， Ltd? Changjiang， Hainan Province， 572700 China）

Abstract： SF6/N2 hybrid electrical equipment is widely used in power grid systems. SF6 and N2 have a large difference in gas density， which will affect the operational safety of industrial electrical equipment. Therefore， it is particularly important to strengthen electrical equipment leakage detection. Research and application of infrared spectroscopy detection technology， through reasonable selection of infrared light source and spectroscopic system settings， to detect the concentration of SF6 gas， practice has proved that the detection technology can realize real-time detection of the composition and content of SF6 decomposition gas， and evaluate the electric operation status of electrical equipment. Provide a reliable basis for the performance analysis of electrical equipment and ensure the safety of electrical equipment operation.

KeyWords： Infrared spectroscopy;Industrial electrical equipment; Leak test; Safety

作為一種化學氣體，SF6具有良好的穩定性與絕緣性，被廣泛應用于電力設備中，且隨著輸變電系統電壓等級的提升，SF6氣體的應用更為廣泛。通常情況下，SF6化學性能趨于穩定，但在具體的電力系統運行過程中會受到電弧、火花放電等因素的影響，發生電離與分解，出現電氣設備氣體泄漏事件[1]，若未能及時發現、檢測，當氣體達到一定的濃度將會損害到人體健康。目前，電力行業針對工業電氣設備的運行問題制定了明確的標準與說明，要求在電氣設備室應配合SF6氣體含量檢測報警儀器，以便及時發現泄漏，采取干預措施防止意外事件的發生。在電氣設備SF6泄漏檢測中常見技術包括電化學法、色譜質譜法及化學法等，有些價格昂貴、敏感性低，有些對檢測條件有著較高的要求，難以對室內氣體成分、變化予以準確的反映[2]。近年來，紅外光譜檢測被應用于工業電氣設備泄漏檢測中，其經過幾十年實踐發展已經趨于成熟，可通過對氣體吸收特性的分析，獲得被測氣體成分及濃度，及時發現電氣設備泄漏情況，掌握設備運行狀態，防患于未然。

1紅外光譜檢測工業電氣設備泄漏原理

作為目前最為先進的氣體檢測技術，紅外光譜是利用不同含量物質對近紅外光吸收的差異，結合化學計量學對特定物質進行含量檢測的一種方法，具有檢測快、一測多評的優勢。紅外光譜儀主要包括色散型與非色散型兩種，前者主要利用分光元件實現分光，并測量分出的單色光，工作穩定性、可靠性好;后者無色散元件，主要是通過對調頻的干涉實現分光的，具有較高的光譜分辨率與測量精度，但對工作條件有著較高的要求，在具體測量過程中需要充分考慮現場工作環境及氣候條件，排除外界因素的影響，保障測量結果準確性[3]。分光型光譜儀所用核心技術為光柵分光技術，其能夠將遠紅外光源所形成的寬譜光轉化為單色光，透過被測氣體后對吸收峰值波長及強度予以測定，獲得氣體成分及濃度情況。該系統含有較少的動檢，有利于全固態化的實現，系統結構穩定性好，有利于實現對SF6在線帶電檢測，掌握電氣設備運行過程中氣體成分變化情況，并發出故障報警。

2紅外光譜檢測工業電氣設備泄漏試驗

2.1紅外光譜系統設計

研究所構建的紅外光譜檢測系統的主要部分包括紅外光源、分光系統、氣池及光電探測器，紅外光源發出的光受到球面反射鏡的作用，會在分光系統入射狹縫上聚集，經過分光系統會以單色光呈現，出射狹縫后進入氣池，不同氣體吸收度也會呈現出一定的差異性。利用光電探測器采集光信號，獲得吸收曲線。在測定氣體成分及濃度時主要依據的是曲線吸收峰位置及峰值大小等。

2.2紅外光源選擇

紅外光譜儀對紅外光源輻射性、輻射強度有著較高的要求，強調小體積、長使用壽命紅外光源，目前較為常見的包括硅碳棒、PE-光源及氮化硅陶瓷等。硅碳棒主要成分包括Al、SiO2、MgO等，其具有較好的機械強度，但由于質地脆硬，容易發生損壞、折斷，會受到溫度變化影響呈現電阻率非線性變化，具有耐高溫特性，但要求具備較大功率，配備制冷裝置應用。P-E光源則具有較長的使用壽命，功率穩定，通常在800～1200℃環境下工作，但價格高，發光區域與國產儀器不相適應[4]。氮化硅陶瓷則利用反應燒結法與熱壓燒結法，具有較高的強度，體積穩定，尺寸精確，具有穩定的化學性質，無需進行預熱處理，安全溫度達到1600℃，在0.76～50um波段使用，有著較快的啟動速度，不僅可減少耗能，而且有利于延長使用壽命。研究所用氮化硅光源尺寸為5mm×20mm，電流為2A～3A，溫度為800℃。

2.3分光系統

作為光譜儀重要組成部分，光柵分光系統包括多個結構，其中切爾尼-特納系統具有多次反射的特點，結構緊湊，在小型及便攜式光譜儀系統中有著較高的適用性，其將兩塊小凹面反射鏡作為準直鏡、成像鏡，由于曲率中心可發生重合，防止了二次衍射的發生，簡化了反射鏡的裝調。閃耀波長8000nm，1mm刻線數75l，尺寸規格為68mm×68mm，工作波長范圍為4～17um[5]。光柵衍射方程為 ，其中光柵常數用d表示，入射角、衍射角分別用 表示。波長分辨率計算方法為 ，n、N分別表示的是衍射級、光柵條數，最低分辨率經計算為8nm。

2.4光電探測器

本研究所選擇的光電探測器為Micro-Hybrid熱釋電探測器（江陰韻翔光電技術有限公司），其具有較高的響應靈敏度，工作波長寬度大，適宜于常溫狀態下工作，波長范圍為2～16um，響應速度可達到105V/M。需要注意的是熱釋電探測器的應用應在動態光照條件下完成，通過調制光源光斬波器，將其頻率設置為22Hz。

2.5報警功能設計

研究應用無線接收儀，在具體使用過程中先按下開關鍵將儀器打開，該報警系統設置有背光系統，可根據實際情況將背光打開或關閉，報警點設置，需要按住3s后可進入設置界面，然后通過上下鍵對相應數值作出調整，完成設置后方可退出[6]。當電氣設備中的SF6含量測量值較報警值高，系統可自動發出聲光報警，氣體類型可在畫面上顯示。通常啟動系統后，需要進行120s預熱才能夠進入正常測量狀態。開機狀態下儀器能夠對SF6作出自動調節，一般歸為0。若SF6濃度>1000×10-6后，雙氣體探測儀會發出報警，直至恢復到正常狀態，報警聲可撤銷[7]。

3試驗結果及分析

研究采用在線紅外光譜檢測系統，測定了SF6氣體，將測試溫度設置為21℃，濕度控制在30%，將大氣壓調整為99kPa，壓力設置為0.1MPa。在進行測試時，首先將氣池與樣氣瓶連接，將檢測系統的氣池閥門、樣氣氣瓶閥門打開，調整氣體壓力為0.1MPa，預處理5min，將測試軟件啟動，15min后采集圖像。

研究分析了紅外光譜檢測系統對SF6氣體泄漏檢測精度，結果如表1所示。經過多次比對試驗，可以發現其對SF6檢測范圍為0～1500×10-6，精度為±50×106。

另外，研究在試驗平臺上對不同壓強下SF6/N2混合氣體泄漏情況進行了試驗，將兩種氣體混合均勻，并將真空氣室中的真空抽空，直至氣室壓強為30Pa，對流量計流量作出適當的調整，在真空氣室中注入混合氣體，對泄漏予以模擬，真空氣勢達到常壓后，應用紅外光譜檢測儀對SF6進行測量，獲得的相關數據如表2所示。

4結語

研究設計的紅外光譜檢測系統操作簡單、結構緊密，在工業電氣設備SF6泄漏檢測中有著較高的適用性，具有光程短、精度高等優勢，實現對SF6的吸收，便于對混合氣體成分的判定，設備中氣室壓力大，通過減壓機構能夠控制其氣體壓力，該檢測系統具有較高的準確度與重復性，有利于實現對不同壓強下SF6的檢出，便于及時發現電氣泄漏情況，確保設備的安全、穩定運行，推廣價值高。

參考文獻

[1] 史俊，劉興濤，劉樂，等.基于紅外光譜檢測的SF6/N2混合電氣設備泄漏特性試驗研究[J].工業安全與環保，2019，45（5）：59-62.

[2] 楊芮，趙建勇，石磊，等.全封閉組合電器室SF6氣體泄漏分布規律與氣體檢測布置策略[J].科學技術與工程，2019，19（9）：99-107.

[3] 周松霖，楊芮，趙建勇，等.基于泄漏擴散數值模擬的GIS室內SF6檢測與回收策略[J].高壓電器，2019，55（6）：70-78.

[4] 蔣友列，祝詩平，唐超，等.絕緣油熱老化時間及糠醛含量的近紅外光譜快速預測方法[J].光譜學與光譜分析，2020，40（11）：3515-3521.

[5] 劉歡，王雅倩，王曉明，等.基于近紅外高光譜成像技術的小麥不完善粒檢測方法研究[J].光譜學與光譜分析，2019，39（1）：223-229.

[6] 董龑.變電站組合電器（GIS）局部放電檢測技術及應用研究[D].鎮江：江蘇大學，2020.

[7] 尹旭坤.光聲光譜技術應用于環境監測和電力系統的研究[D].太原：山西大學，2020.