開關柜氣體泄漏檢測技術及其在安全監控中的應用研究

摘" 要：開關柜作為電力系統的重要組成部分，其內部氣體的泄漏問題直接關系到電力設備的安全運行。氣體泄漏不僅可能導致設備故障，還可能引發安全事故。因此，研究高效、準確的開關柜氣體泄漏檢測技術顯得尤為重要。開關柜氣體泄漏檢測的常用方法，包括超聲波法、紅外法、色譜法等，此類方法有其優缺點及適用范圍。探討氣體泄漏檢測技術在安全監控中的應用，重點介紹了六氟化硫（SF₆）氣體泄漏監控報警系統的設計原理與實施效果。研究表明，通過優化檢測技術和加強監控措施，可以顯著提高開關柜的安全運行水平，為電力系統的穩定運行提供有力保障。

關鍵詞：開關柜" 氣體泄漏" 六氟化硫氣體" 超聲波法" 紅外法" 色譜法

中圖分類號：TM564

Research on Gas Leakage Detection Technology of Switchgear and Its Application in Safety Monitoring

LI Junjie" FAN Gaopeng "ZHAO Nan

He’nan Senyuan Electric Co.， Ltd.， Xuchang， He’nan Province， 461000 China

Abstract： "Switchgear， Aas an important component of the power system， the leakage of gas inside the switchgear directly affectshas its internal gas leakage issues directly related to the safe operation of electrical power equipment. Gas leakage can not only lead to equipment failure， but also lead totrigger safety accidents. Therefore， it is particularly important to researching efficient and accurate switchgear gas leakage detection technology is particularly important. The commonly usedCommon methods for detecting gas leakage in switchgear include ultrasonic， infrared， and chromatographic methods， etc. These methods haveeach with its advantages， disadvantages， and applicable scope. This paper discusses the application of gas leakage detection technology in safety monitoring， with a focus on introducing the design principle and implementation effect of the sulfur hexafluoride （SF₆） gas leakage monitoring and alarm system. Studies Researches have shown that by optimizing detection technology and strengthening monitoring measures， the safety operation level of switchgear can be significantly improved， providing strong support for the stable operation of the power system.

Key Wwords： SwitchgearSwitch cabinet;， Gas leakage;， SF₆ gas;， Ultrasonic mMethod;， Infrared mMethod，; "Chromatographic mMethod.

開關柜是電力系統中的關鍵設備，起到控制、保護和分配電能的作用。在中高壓電力系統中，氣體絕緣開關柜（如SF₆充氣柜）由于其優越的絕緣性能和結構緊湊等優點被廣泛應用。然而，SF₆氣體在使用過程中存在著泄漏的風險。SF₆氣體作為一種溫室氣體，其全球變暖潛能是二氧化碳的2.39萬倍。同時，SF₆氣體的泄漏不僅影響設備的正常運行，還可能對環境和人身安全構成威脅。因此，準確、高效地檢測SF₆氣體泄漏對電力系統的安全、穩定運行至關重要。

本文將在前人研究的基礎上，進一步探討各種檢測方法的特點和適用范圍，提出優化的檢測方案。

1" 開關柜氣體泄漏檢測方法

1.1 "超聲波法

超聲波法檢測氣體泄漏基于泄漏氣體產生的超聲波信號來判斷泄漏情況。當氣體從高壓區泄漏到低壓區時，會在泄漏點產生湍流并形成超聲波信號。通過外置的超聲波傳感器捕捉這些信號，可以判斷出泄漏的位置和嚴重程度^[1]。該方法具有非侵入性、高靈敏度和快速響應的特點，適用于檢測較大泄漏量和固定泄漏點。山西某縣變電站采用超聲波檢測法對其SF₆開關柜進行例行檢查，發現設備密封圈老化導致氣體泄漏。。

1.2 "紅外法

紅外檢測法利用SF₆氣體對特定波段紅外線的吸收特性來實現泄漏檢測。紅外光源發射出的紅外線經過被測氣體后，部分紅外線會被SF₆氣體吸收，通過檢測透過氣體的紅外輻射強度變化，可以定量判斷SF₆氣體的濃度和泄漏量^[2]。這種方法適用于檢測較小泄漏量和大面積泄漏，并且不受外界光照條件的影響。某電力公司在對其GIS設備進行年度檢修時，通過紅外成像技術，成功定位到一個隱蔽的泄漏點。

1.3 "色譜法

色譜法是一種實驗室分析方法，通過氣相色譜儀分離并測量混合氣體中各成分的濃度。SF₆氣體具有獨特的色譜特征峰，通過對比標準樣品和待測氣體的色譜圖，可以準確定量SF₆的濃度變化。色譜法具有高精度、高可靠性的特點，但需要取樣并耗費較長的分析時間。

在一個離線檢測案例中，一批SF₆氣體絕緣設備需要進行全面檢測。工作人員通過取樣閥獲取氣體樣本，并將其送入氣相色譜儀進行分析。結果顯示，大部分設備的SF₆氣體含量在合格范圍內，但有兩個設備出現了顯著的氣體泄漏現象。后續的檢查和修復驗證了色譜法的檢測結果準確、可靠。

1.4 "其他方法

1.4.1 "聲波法

聲波法利用聲音在不同介質中的傳播速度差異來檢測SF₆氣體泄漏。當SF₆氣體泄漏時，會在泄漏點形成特有的聲波信號，通過聲波傳感器捕捉這些信號并進行分析，可以判斷泄漏情況。這種方法操作簡單、成本低廉，但易受環境噪聲干擾，檢測精度相對較低。

1.4.2 "電化學法

電化學傳感器通過檢測氣體中的電流變化來判斷SF₆氣體濃度^[3]。當目標氣體與傳感器材料發生反應時，會引起可測量的電信號變化。電化學法具有高靈敏度和快速響應的特點，但在高濕度環境下傳感器性能可能受影響，需要定期校準和維護。

1.4.3 "示蹤法

示蹤法通過向SF₆氣體中加入微量示蹤氣體，利用專用檢測儀器跟蹤示蹤氣體的分布和濃度變化，從而間接測量SF₆氣體的泄漏情況。這種方法具有高度靈敏性和準確性，但需要額外添加示蹤氣體，操作復雜且成本較高。

2 "SF₆氣體泄漏監控報警系統設計

2.1 "系統總體設計

SF₆氣體泄漏監控報警系統由傳感器單元、數據采集單元、數據處理與顯示單元、報警單元和電源管理單元組成。系統通過傳感器實時監測空氣中SF₆氣體濃度，并將數據傳送至數據處理單元進行分析。一旦檢測到SF₆氣體濃度超過預設閾值，報警單元將立即發出警報，以便及時采取應對措施^[4]。

2.2 "硬件設計

2.2.1 "傳感器選擇

選擇合適的傳感器是SF₆氣體泄漏監控系統設計的關鍵。常見的SF₆氣體傳感器有紅外傳感器和電化學傳感器。紅外傳感器基于SF₆氣體對特定波段紅外線的吸收特性，具有測量準確、穩定性高、不易中毒等特點，適用于檢測微量SF₆氣體泄漏。而電化學傳感器則基于化學反應進行檢測，具有靈敏度高、響應快等優點，但在高濕度環境中性能可能受影響。

2.2.2 "主控制電路設計

主控制電路的核心任務是處理來自傳感器的模擬信號，將其轉換為數字信號并進行初步分析處理。通常采用高性能微處理器如STM32系列作為控制核心，結合模數轉換器（ADC）模塊實現信號采集和轉換。此外，還需要設計通信接口（如RS485、TCP/IP等），用于數據的遠程傳輸和監控。為確保系統的長期穩定運行，應考慮加入看門狗定時器和電源監測電路。

2.3 "軟件設計

2.3.1 "數據采集與處理

數據采集與處理單元負責接收傳感器輸出的電信號，并將其轉換成可以用于分析的數字信號。通過模數轉換器，將模擬信號量化為數字信號，再通過微處理器進行濾波、去噪等預處理操作，提取有效的數據信息。這一步驟至關重要，因為它直接影響到后續階段的數據準確性和可靠性。

2.3.2 "報警機制與實現

報警機制是SF₆氣體泄漏監控系統的核心功能之一。當檢測到SF₆氣體濃度超過預設閾值時，系統必須立即觸發報警裝置，通常包括聲音報警器和光閃爍燈。此外，還可以配置短信通知或郵件發送功能，確保相關人員能夠及時獲得報警信息并做出相應處理。為了提高系統的靈活性和可維護性，報警閾值應可通過軟件界面進行調整。

2.4 系統集成與調試

系統集成過程中需要將所有硬件模塊和軟件組件有機結合起來，確保它們之間能夠順暢通信和協同工作。這包括傳感器數據的穩定上傳、控制指令的有效下發以及報警信息的準確傳達。調試階段則需要通過模擬不同濃度下的SF₆泄漏場景來驗證系統的響應速度、準確性和穩定性。

3 "氣體泄漏檢測在安全監控中的應用

3.1 "實時監測與預警

3.1.1 "連續在線監測

連續在線監測是氣體泄漏檢測系統的核心功能之一。通過安裝在開關柜和充氣柜上的傳感器，系統能夠實時采集SF₆氣體或其他絕緣氣體的濃度數據^[5]。這些傳感器不斷將檢測數據傳輸至監控中心，確保現場狀況隨時處于監控之下。連續監測不僅可以及時發現瞬時出現的泄漏，還可以通過趨勢分析預判潛在的風險區域。

3.1.2 "自動預警機制

自動預警機制是確保系統有效性的關鍵。當傳感器檢測到氣體濃度超過預設的安全閾值時，系統會自動觸發預警信號，包括聲音報警、光閃警示以及短信或郵件通知相關人員。這種機制確保即使在無人值守的情況下也能夠及時處理緊急情況。

3.2 "數據記錄與分析

3.2.1 "歷史數據存儲

歷史數據存儲功能幫助記錄和保存所有監測到的氣體濃度數據及其變化趨勢。這些數據通常存儲在本地服務器或云端數據庫中，便于日后查詢和分析。

3.2.2 "數據分析與預測模型

基于大數據技術建立起來的數據分析與預測模型可以深入挖掘歷史數據背后的規律。通過對溫度、壓力、濕度等多種因素綜合考量，模型能夠預測未來一段時間內可能出現的問題點。

3.3 "應急響應與維護策略

3.3.1 "應急預案制訂

完善的應急預案對于處理突發事故至關重要。根據不同類型的泄漏情況制定詳細的應急處置流程，包括但不限于人員疏散路線、緊急停機操作指南、應急物資清單等內容。此外，還應定期組織演練以確保每位員工熟悉各自職責并能夠迅速行動起來。

3.3.2 "定期維護與檢修計劃

定期開展設備巡檢和維護是保證長期穩定運行的基礎。除了日常清潔外，還包括對關鍵部件如密封圈、閥門等進行檢查更換；同時，也要關注軟件部分如固件更新升級以防止因程序漏洞造成誤報等問題發生。

4 "結語與展望

4.1 "主要研究成果總結

本文研究了開關柜氣體泄漏檢測技術及其在安全監控中的應用。通過對多種檢測方法的分析比較，發現每種方法都有其獨特優勢，適用于特定應用場景下的需求，滿足不同環境下對安全性的要求。

4.2 "未來研究方向建議

未來，可能會有更多創新性成果涌現、推動行業進步發展。此外，跨學科融合也是未來發展的一個重要方向。將計算機科學物聯網技術與傳統電氣工程相結合，開發出更加智能化的監測平臺，為用戶提供全方位的服務體驗將是大勢所趨。

參考文獻

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[2]黃亭玉.基于現有配網自動化建設體系的配電網站房六氟化硫氣體在線監測的研究[J].電氣技術與經濟，2023（10）：49-51.

[3]林秋凱，陳晟，鄧紹劍.六氟化硫溫室氣體在線檢測方法及設備[J].武夷學院學報，2024，43 （12）：41-44，50.

[4]李中鑫，張立佳，趙浩印，等.使用環保氣體氮氣的六氟化硫密度繼電器檢測方法[J].電工電氣， 2024（1）：46-49.

[5]高克利，楊圓，顏湘蓮，等.基于雙波段紅外成像的六氟化硫氣體泄漏定量檢測技術研究[J].電網技術，2025，49（1）：167-176.