基于红外吸收原理的SF6气体泄漏检测技术应用研究

马凤翔 袁小芳 程登峰 朱 峰 赵 跃

基于红外吸收原理的SF6气体泄漏检测技术应用研究

马凤翔1,2袁小芳1,2程登峰1,2朱 峰1,2赵 跃1,2

（1. 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，合肥 230000；2. 国家电网有限公司六氟化硫气体特性分析与净化处理技术实验室，合肥 230000）

SF6分解气体在线监测装置在长期运行过程中可能会发生SF6泄漏，严重时会影响一次设备的安全运行，需要对其泄漏状态进行检测。通过比较现有SF6气体泄漏检测方法，本文提出采用非分散红外吸收传感器检测SF6气体泄漏，搭建传感器检测电路及泄漏模拟实验平台，研究传感器对不同泄漏速度、不同泄漏点的响应特性，以及布置位置、进气口朝向对传感器检测特性的影响。结果显示，随着泄漏速度增大，传感器响应增加并最终趋于稳定，且不同位置传感器对三种泄漏点的响应速度、响应值不同，其中3号位置的传感器对三种泄漏点都具有较好的响应特性，是传感器安装的优选位置；同时传感器侧向安装响应速度更快。该技术能对不同速度的SF6泄漏进行实时检测，通过传感器多点布置可以实现对泄漏区域的定位。

SF6气体泄漏；在线监测装置；SF6传感器；SF6泄漏检测；泄漏模拟

0 引言

六氟化硫（SF6）气体具有优异的绝缘和灭弧性能，被广泛应用于气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated switchgear, GIS）、互感器、套管等电气设备中[1-3]。SF6气体化学性质稳定，但在放电或过热条件下会发生解离；在没有其他杂质存在时，解离的SF6会迅速复合还原为SF6气体。但在实际使用中，SF6气体中难免会混有少量水分和氧气等杂质，解离的SF6与这些杂质组分进一步反应，生成多种毒性大且腐蚀性强的分解产物（SO2F2、SOF2、SO2、H2S等）[4-6]。这些分解产物存在于电气设备中，会进一步加速设备故障发展、危害检修人员的安全。因此，分析SF6分解产物的组成和含量，是做好电气设备故障诊断和运行维护工作的一项重要内容。

近年来，SF6气体分解产物检测技术不断发展，检测灵敏度逐步提高、检测组分种类不断拓展，检测方法由传统的检测管法发展为传感器法、气相色谱法、光声光谱法等[7-9]。检测方式也由离线检测发展为带电检测、状态检测。然而，SF6气体分解产物检测技术仍然面临挑战，部分SF6分解产物化学性质活泼，与设备内部材料和吸附剂相互作用而迅速消耗。为了及时检测分解产物，研究者开发了可自动完成气体取样、回充等过程的取样装置。但是，该装置存在气缸活塞等运动部件，且管路复杂、接口多，由于安装不良、运行中振动松动或分解气体的强腐蚀性，长期运行后一些部件和密封材料劣化，进而影响密封导致气体泄漏，严重时将影响一次设备的安全运行。因此亟需适用于监测仪器的SF6泄漏检测技术方案。

本文针对光声光谱在线监测仪器气体泄漏异常问题，提出气体泄漏检测方法，并研究气体泄漏检测传感器对仪器内部气体泄漏的响应特性，以及传感器最佳布设方式，为光声光谱在线监测仪器的研发提供基础。

1 SF6泄漏检测技术

对于一次设备的SF6泄漏检测，有很多传统方法，如包扎法、负电晕检漏仪、热导检测器法等。这些方法或者操作复杂，或者寿命短，不适合在线监测应用。随着光学检测技术的发展，近年又出现了基于红外原理的检漏技术，主要利用SF6气体在10.6mm波段对红外辐射具有很强的吸收作用这一特性。具体包括以下三种方法。

1.1 激光成像泄漏检测技术

SF6激光成像检漏仪利用SF6气体在10.6mm波长附近的强吸收特性及反向散射/吸收理论。工作时，激光光源向被测设备区域发出入射激光，光束经过背景反射会形成反向散射激光并进入摄影机成像系统，在有泄漏气体的情况下，发出的入射激光遇到泄漏的SF6气体，其能量会被吸收一部分，返回到激光摄影机成像系统的激光强度由于经过气体烟雾的吸收将会减弱，从而导致无泄漏与有泄漏两种情况下的反向散射激光产生差异，最终形成不同的激光成像[10-11]。该技术为主动式检测，缺点是激光成像系统价格昂贵。

1.2 红外成像泄漏检测技术

该技术也是利用SF6气体的红外特性，但为被动式检测，即被动检测物体发出的红外光，其红外传感器只检测极窄的光谱范围，故选择性极强。由于SF6气体对对应谱段的吸收，在有泄漏气体出现的区域，视频图像将产生对比变化，并产生烟雾状阴影。气体浓度越大，吸收光能越多，烟雾状阴影就越明显，从而使不可见的SF6气体泄漏变为可见，进而确定其泄漏源及移动方向，使检测人员能够快速、准确地找到泄漏点[12-13]。与激光检漏技术相比，该技术无需反射背景，适用范围更广，同时因为无需激光光源，所以相应装置质量轻。

1.3 红外吸收检测技术

当红外光通过SF6气体时，SF6气体分子对特定波长（10.6mm）的红外光有吸收，其吸收关系服从朗伯-比尔（Lambert-Beer）吸收定律[14-15]。由朗伯-比尔定律可知，光的吸收系数与物质的浓度有关。通过吸收介质的长度与透射光强满足

式中：和0分别为输入光强和输出光强；为光的波长；为波长下的单位浓度、单位长度介质的吸收系数；为待测气体与光相互作用的长度；为待测气体的浓度。式（1）可转化为

由式（2）可知，在波长下，若气体的吸收系数可以测量，则SF6气体浓度可由波长为的红外光的输入光强和输出光强0的变化量求出。

工作时，被测气体通过采集泵或自然扩散进入测量气室内，红外光源发射的红外光束透过被测气体，不同气体组分吸收特定波段的红外光，通过红外探测器探测出对应红外波段的变化，并将该变化值通过放大器后，输入数据处理系统，进而显示出被测气体的含量。

目前研究者已开发出基于非分光差分红外吸收检测技术，采用LED光源，可实现SF6气体的微型化、低成本光学传感[14-16]。

表1为四种SF6泄漏检测技术的特点。考虑到项目应用场景，SF6泄漏检测技术需要满足寿命长、体积小、可定量检测、易于仪器集成等要求，因此选择基于红外吸收的检测传感器。

表1 四种SF6泄漏检测技术特点

2 泄漏模拟实验

根据上述分析，采用红外吸收技术作为仪器内部泄漏异常的检测手段。红外吸收SF6传感器如图1所示。图1（a）为基于红外吸收技术的SF6传感器SC75E-SF6，采用双通道非分散红外（non-dispersive infrared, NDIR）吸收检测技术，检测量程0～2 000mL/L，灵敏度15mL/L，检测精度2%，工作压力75～120kPa，响应时间10s，适合不同泄漏速度的检测，同时具有温度补偿，寿命大于6年，且可以通过RS 485、RS 232等与上位机通信。

2.1 SF6传感模块设计

上述传感器需要配置外部电路，才能实现检测功能，图1（b）为开发的SF6传感模块，该模块体积小，可分散布置在监测仪器内部不同位置。研究中传感器通过Max232/Max485芯片与上位机串口连接，通过控制开关设置传感器地址，地址位有5位，最多可以识别32个SF6传感器，可用于组网检测。研究中为确定传感器最佳安装位置，分别在不同位置装设4个SF6传感器，传感器地址分别设置为0x1C、0x1D、0x1E、0x1F。而仪器应用中，为降低成本可只使用1个，上位机按通信协议向传感器发送命令，传感器返回SF6气体浓度。检测中每10s发一次检测命令，采集SF6浓度数据。

2.2 仪器内部泄漏模拟方法

被测仪器内部各模块布置方式、传感器及模拟泄漏点设置如图2所示，可能会发生泄漏的模块包括取样与回充单元、分解气体检测模块，具体位置包括气路连接口、气缸等，4个传感器布置在包含气体管路的部位：取样模块的上部和下部、检测层、柜体底部。气体泄漏速度采用质量流量计控制。

3 实验结果及讨论

3.1 传感器对泄漏的响应特性

研究中气体泄漏位置为泄漏点2，泄漏速度通过质量流量计设置为10mL/min、20mL/min、30mL/min和40mL/min。四种泄漏速度下SF6浓度随泄漏时间变化曲线如图3所示。可以看到，四种泄漏速度下，四个SF6气体传感器检测浓度变化趋势一致，泄漏速度越快，气体浓度越大，浓度上升速度越快，其中2号和3号传感器响应速度快，远高于1号和4号传感器；同时可以看到，在泄漏早期，气体体积分数上升很快，后期由于气体扩散，浓度变化变慢。图3中SF6气体含量波动是由于气流不稳定和传感器误差造成的。

图2 SF6传感器及模拟泄漏点

3.2 传感器位置的影响

在现场应用中，发生泄漏的位置是不确定的，为及时发现气体泄漏故障，传感器应布置在对泄漏响应最灵敏的位置，研究中针对3个不同SF6泄漏点（气缸泄漏、取样回充单元管路泄漏、气体池接口管路泄漏），分别测量4个位置传感器的SF6气体浓度。实验中泄漏速度设置为20mL/min，1～4号传感器进气口垂直朝上安装。图4（a）～图4（d）分别对应4个传感器在3个泄漏点发生泄漏时SF6含量随泄漏时间变化曲线。可以看到，1号传感器对三个泄漏点响应都较慢，且气体浓度检测值较低；2、3号传感器对泄漏点1、2响应快且气体浓度检测值大；4号传感器对泄漏点3响应相对较快且气体含量检测值大，但对泄漏点1、2响应慢。综合来看，3号传感器对三种泄漏点的响应都较好，能够及时响应泄漏。

3.3 传感器朝向的影响

由于气体扩散及流动方向不同，不同朝向的传感器对同一泄漏的响应不同，分别模拟传感器进气口朝上（正放）及与水平面垂直（侧放）两种情况。泄漏条件：泄漏点3，泄漏速度20mL/min，两种放置方式SF6浓度随泄漏时间变化曲线如图5所示。可以看到4个传感器在侧放时响应速度均比正放快，且气体体积分数检测值更大。这主要是由于SF6密度比空气大，气体泄漏后向下沉积，而气体传感器有一定的高度，侧放时高度较低，气体更易从传感器过滤网进入检测腔体内部；正放时检测点距离泄漏点更远，因此稳定后，气体体积分数也更低。

图5 两种放置方式SF6浓度随泄漏时间变化曲线

4 结论

如何检测监测仪器内部SF6气体泄漏异常是监测仪器研制的重要方面。本文以研制的SF6分解气体光声光谱监测仪器为应用对象，开展内部SF6泄漏检测技术研究，得出如下结果：

1）SF6气体泄漏检测方法中，传统的负电晕法存在传感器寿命短的问题；新型的激光红外成像法设备体积较大、价格昂贵，通常用于一次设备气体泄漏检测；红外吸收法可实现小型化、价格低、与控制电路接口简单、易于监测仪器集成、寿命可达6年，适合用于检测设备内部气体泄漏。

2）采用基于非分光差分红外吸收的SF6检测传感器，可以检测监测仪器内部的气体泄漏，且响应较快。传感器对不同泄漏点、不同泄漏速度的泄漏故障都有响应；泄漏速度增大，传感器检测结果增大；同一传感器随着泄漏时间增加，响应值变大，泄漏初期气体浓度急速上升，后期会趋于稳定；传感器进气口朝向对传感器响应值影响很大，侧向放置时传感器响应更灵敏。

3）综合考虑各方面因素，为实现监测仪器内部气体泄漏故障检测，布置两个SF6传感器是最佳选择，一个布置在检测仪器底部，另一个布置在检测模块安装层，传感器进气口侧放；若只能装设一个传感器，则应装设在检测仪器底部。

4）目前泄漏检测传感器响应速度、灵敏度仍相对较差，在分解气体在线监测仪器的开发中应尽量减少管路接头和运动部件，以减少泄漏。监测仪器与主设备的连接部分不应有运动部件，且接头和运动部件应集中布置在监测仪器内部以便于检测。

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Study on application of SF6gas leakage detection technology based on infrared absorption principle

MA Fengxiang1,2YUAN Xiaofang1,2CHENG Dengfeng1,2ZHU Feng1,2ZHAO Yue1,2

(1. Electric Power Research Institute, State Grid Anhui Electric Power Co., Ltd, Hefei 230000; 2. SF6Gas Characteristic Analysis and Purification Technology Laboratory of State Grid Corporation of China,Hefei 230000)

During the long-term operation of SF6decomposition gas on-line monitoring device, SF6leakage may occur, which will seriously affect the safe operation of primary equipment, so it is necessary to monitor its leakage status. The existing SF6gas leakage detection methods are compared, and a SF6gas leakage monitoring method based on nondispersive infrared absorption sensor is proposed. Then the sensor detection circuit and the leakage simulation experimental platform are built. The response characteristics of the sensor to different leakage rates and leakage points, as well as the influence of layout and inlet orientation on the detection characteristics of the sensor are studied. The results show that with the increase of the leakage rate, the response of the sensor increases, the responses of sensors at different positions to three leakage points are different, and the sensor at position 3 has better response characteristics to the three leakage points, which is the preferred location for sensor installation. Besides, the response characteristic of the side layout is better than that of the forward layout. The technology can monitor SF6leakage at different speeds on-line, and the leakage area can be located by multi-point sensor arrangement.

SF6gas leakage; on-line monitoring device; SF6sensor; SF6gas leakage detection; leakage simulation

国家电网有限公司总部科技项目（521205190014）

2021-02-23

2021-04-25

马凤翔（1987—），男，安徽蚌埠人，硕士，高级工程师，主要从事GIS设备检测相关研究和运维工作。