檢測六氟化硫分解組分的氣體傳感測試方法研究

摘 要：通過對氣體絕緣開關設備絕緣介質SF6氣體的分解產物進行組成和濃度檢測，能有效評估絕緣運行狀態。針對SF6分解組分SO2、SO2F2、SOF2檢測，提出開展檢測SF6分解組分的氣體傳感測試方法研究。基于鎳Ni摻雜ZnO氣敏材料制成了旁熱式氣體傳感器，開展了傳感器測試電路設計，在此基礎上測試了其對SF6分解組分SO2、SO2F2、SOF2的氣敏特性。為SF6氣體的分解產物檢測提供了一種有效的氣體傳感測試方案。

關鍵詞：六氟化硫氧化鋅氣體傳感測試氣敏特性

中圖分類號：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

氣體絕緣開關設備（gasinsulatedswitchgear，GIS）在電力系統中的應用已經很普遍，具有空間占用小、故障率低、斷裂能力突出等優點。SF6氣體的特點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在GIS中得到了廣泛應用[1，2]。SF6氣體可能會由于GIS大負荷或者長時間的運行后內部發生的局部放電而分解，分解產生的低氟硫化物會與雜質氣體相互作用變為SOF2、SO2F2、CF4、SO2、H2S和HF等組分[3-4]。通過測試SF6氣體發生分解得到的SO2、SO2F2、SOF2等氣體的組成比例以及量的多少，能夠判定GIS內部局部放電發生情況進而判斷GIS缺陷情況，從而保證GIS內部的安全運行[5-6]。

本文基于Ni-ZnO材料制作了旁熱式氣體傳感器，設計了傳感器信號采集和信號產生電路并搭建了氣體傳感器測試平臺進行檢測SF6分解組分的氣敏實驗。

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進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，在其工作溫度下進行7d的老化處理。

2 測試電路設計

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氣體后會發生反應，其自身的電阻值會產生變化，通過測量器件電阻值的變化，從而得到被檢測氣體的濃度。因此，設計氣敏傳感器模塊電路的關鍵在于設計能精確測量電阻的電路。本文通過信號產生電路將氣敏傳感器電阻值的變化轉變為電壓值的變化，從而間接得到被檢測氣體的濃度。

氣敏傳感器模塊電路的信號處理電路如圖2所示，主要包括同相比例放大電路及電壓跟隨器電路。電路的放大倍數由R2、R3的大小決定，電壓跟隨器對前級電路呈現出高阻狀態，對后級電路呈現出低阻狀態，起到一定的緩沖、隔離作用，提高了整個信號處理電路的帶載能力。

不同氣敏傳感器的電阻會有不同的變化范圍及變化規律，所以在信號處理電路確定的情況下，需要根據其變化范圍及變化規律選擇合適的信號產生電路。氣敏傳感器的電阻值會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氣敏傳感器模塊設計的信號產生電路如圖3所示。

3 測試平臺搭建及氣敏測試

本文采用北京艾立特科技有限公司DGL-III氣液配氣系統進行配氣，裝置如圖4所示，系統可搭配濕度發生系統進行控濕，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）；目標氣路1：滿量程300sccm，控制范圍2%～100%（6～300sccm）；目標氣路2：滿量程2sccm，控制范圍2%～100%（0.04～2sccm）；氣閥進氣口：設備內部采用的氣動閥控制，要求氣動閥的啟動壓力為0.4MPa。

本文在溫度為25℃，相對濕度為30%的環境下采用北京艾立特科技有限公司的CGS-8智能分析系統與測試系統組成旁熱式氣敏傳感器氣敏性能測試平臺（如圖5所示）。WsqN/HWHFhfnusaE/pryLA==該平臺的加熱電流范圍為0～400mA，在此范圍內能夠實現加熱電流的連續調節達到對溫度的精準控制。系統能采集8通道的氣敏傳感器的測試數據，使用8寸的觸控液晶屏來替代傳統的按鍵操作方式，使得用戶在使用時更加簡易方便。通過觸摸屏可以顯示氣箱內的實時溫度和濕度信息，并可以對每一個通道的加熱電流實現單獨的控制。

4 氣敏測試流程及結果

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，氣箱底座與測試主機之間連接良好；打開主機電源開關后，設置系統的加熱電流（根據氧化鋅基傳感器類型設置，加熱電流設置為100mA），開始預熱傳感器。

打開電腦軟件，設置好采集時間和間隔，點擊開始采集。

靜態配氣測試基本流程敘述如下。

（1）點擊CGS-8氣敏分析系統采集軟件中的開始采集，電阻值開始出現直到電阻信號趨于穩定時，記錄此時阻值即為傳感器在空氣中的電阻Ra。

（2）將待測氣體注入容量為20L的氣室中，通過分析系統軟件觀察氣體傳感器電阻值的變化情況，即時電阻值設定為Rg，將所需量的待測氣體通過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器開關。如果為難揮發液體或是濃度較大的氣體，建議打開氣箱底座的風扇開關。對于易揮發、低濃度的氣體則不建議打開風扇。

觀察測試軟件中靈敏度曲線的變化，直至分析值再次穩定；打開氣室，觀察到電阻值開始變化，直到其恢復到Ra值后，點擊“停止采集”。

基于研制的旁熱式氣敏傳感器和設計的氣敏傳感器模塊的信號處理電路和信號產生電路，測試了Ni-ZnO氣體傳感器在最佳工作溫度下對50μL/L的SO2、100μL/L的SO2F2和100μL/L的SOF2的氣敏響應和長期穩定性。如圖6所示，傳感器對3種SF6分解產物的初始響應值分別為51.09、38.45和21.65。同時，傳感測試平臺在較長的測試周期中，總體上均保持了接近恒定的值，表明該傳感測試方法在檢測SF6分解副產品SO2、SO2F2和SOF2時具有良好的長期穩定性。

5 結語

本文基于旁熱式技術和Ni摻雜ZnO氣敏材料，制作了用于SF6分解產物SO2、SOF2以及SO2F2氣體檢測的氣體傳感器，設計了氣敏傳感器模塊的信號處理電路和信號產生電路，測試了傳感器的檢測SO2、SOF2以及SO2F2氣體的氣敏性能。研制的Ni-ZnO氣體傳感器對于3種氣體的響應靈敏度關系均為SO2＞SO2F2＞SOF2，同時該測試方法表現出較好的長期穩定性和可靠性。研究結果為開展基于半導體技術的SF6分解產物的現場傳感檢測奠定了基礎。

參考文獻

[1] 高新.檢測SF6分解組分H2S和SO2的改性石墨烯基傳感器氣敏特性研究[D].重慶：西南大學，2023.

[2] 陳達暢，唐炬，張曉星，等.檢測SF6分解特征組分的MoS2納米片氣敏特性與機理研究[J].中國電機工程學報，2022，42（22）：8390-8405.

• 相中華，孫尚鵬，魏瑩，等.SF6斷路器模擬燒蝕過程中氣體分解產物特性研究[J].高壓電器，2024，60（04）：131-138，145.
• 張雯，賈欽相，孫嘉鴻，等.電力設備中六氟化硫氣體分解產物的化學檢測和處理技術進展[J/OL].化學工業與工程，1-13[2024-07-01].https：//doi.org/10.13353/j.issn.1004.9533.20230509.
• 吳俊杰，周舟，錢暉，等.SF6氣體分解產物帶電檢測發現GIS設備缺陷及其分析與處理[J].高壓電器，2019，55（1）：243-247，252.
• 李昊天，曾福平，顏伊鳴，等.Ag表面對SF6初級分解產物氧化反應的影響作用研究[J].電工技術學報，2024，39（9）：2841-2850.