检测六氟化硫分解组分的气体传感测试方法研究

摘 要：通过对气体绝缘开关设备绝缘介质SF6气体的分解产物进行组成和浓度检测，能有效评估绝缘运行状态。针对SF6分解组分SO2、SO2F2、SOF2检测，提出开展检测SF6分解组分的气体传感测试方法研究。基于镍Ni掺杂ZnO气敏材料制成了旁热式气体传感器，开展了传感器测试电路设计，在此基础上测试了其对SF6分解组分SO2、SO2F2、SOF2的气敏特性。为SF6气体的分解产物检测提供了一种有效的气体传感测试方案。

关键词：六氟化硫氧化锌气体传感测试气敏特性

中图分类号：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

气体绝缘开关设备（gasinsulatedswitchgear，GIS）在电力系统中的应用已经很普遍，具有空间占用小、故障率低、断裂能力突出等优点。SF6气体的特点是具有很好的绝缘性能和灭弧能力，因此其作为一种绝缘介质在GIS中得到了广泛应用[1，2]。SF6气体可能会由于GIS大负荷或者长时间的运行后内部发生的局部放电而分解，分解产生的低氟硫化物会与杂质气体相互作用变为SOF2、SO2F2、CF4、SO2、H2S和HF等组分[3-4]。通过测试SF6气体发生分解得到的SO2、SO2F2、SOF2等气体的组成比例以及量的多少，能够判定GIS内部局部放电发生情况进而判断GIS缺陷情况，从而保证GIS内部的安全运行[5-6]。

本文基于Ni-ZnO材料制作了旁热式气体传感器，设计了传感器信号采集和信号产生电路并搭建了气体传感器测试平台进行检测SF6分解组分的气敏实验。

1 旁热式气体传感器研制

本文中的用到的气体传感器为传统的旁热式气体传感器。具体的制作步骤如下：将一定量的所制得的Ni-ZnO粉末置于玛瑙研钵内进行充分地研磨至颗粒均匀，向其中滴加适量的去离子水与无水乙醇1∶1的液体，大致搅拌30min后样本呈糊状；用毛笔将糊状材料小心地均匀涂抹在陶瓷管表面；置于干燥箱中干燥6h后取出，置于马弗炉中300℃进行煅烧2h；煅烧完成后将加热丝串入陶瓷管中，随后将引线焊接到底座上，最后将焊接好的元件封装，将封装完成的元件放置于老化台，在其工作温度下进行7d的老化处理。

2 测试电路设计

本文制作的旁热式气体传感器是一种电阻型气敏传感器，该型气敏传感器上的敏感材料在接触被检测气体后会发生反应，其自身的电阻值会产生变化，通过测量器件电阻值的变化，从而得到被检测气体的浓度。因此，设计气敏传感器模块电路的关键在于设计能精确测量电阻的电路。本文通过信号产生电路将气敏传感器电阻值的变化转变为电压值的变化，从而间接得到被检测气体的浓度。

气敏传感器模块电路的信号处理电路如图2所示，主要包括同相比例放大电路及电压跟随器电路。电路的放大倍数由R2、R3的大小决定，电压跟随器对前级电路呈现出高阻状态，对后级电路呈现出低阻状态，起到一定的缓冲、隔离作用，提高了整个信号处理电路的带载能力。

不同气敏传感器的电阻会有不同的变化范围及变化规律，所以在信号处理电路确定的情况下，需要根据其变化范围及变化规律选择合适的信号产生电路。气敏传感器的电阻值会随着气体浓度的增大而增大，再考虑到后置电路为同相比例放大电路，因此Ni-ZnO气敏传感器模块设计的信号产生电路如图3所示。

3 测试平台搭建及气敏测试

本文采用北京艾立特科技有限公司DGL-III气液配气系统进行配气，装置如图4所示，系统可搭配湿度发生系统进行控湿，配置出不同湿度的各类气体。

气路通道包括1路背景气体、2路目标气体和1路气阀。背景气路：满量程1slm，控制范围2%～100%（20～1000sccm）；目标气路1：满量程300sccm，控制范围2%～100%（6～300sccm）；目标气路2：满量程2sccm，控制范围2%～100%（0.04～2sccm）；气阀进气口：设备内部采用的气动阀控制，要求气动阀的启动压力为0.4MPa。

本文在温度为25℃，相对湿度为30%的环境下采用北京艾立特科技有限公司的CGS-8智能分析系统与测试系统组成旁热式气敏传感器气敏性能测试平台（如图5所示）。WsqN/HWHFhfnusaE/pryLA==该平台的加热电流范围为0～400mA，在此范围内能够实现加热电流的连续调节达到对温度的精准控制。系统能采集8通道的气敏传感器的测试数据，使用8寸的触控液晶屏来替代传统的按键操作方式，使得用户在使用时更加简易方便。通过触摸屏可以显示气箱内的实时温度和湿度信息，并可以对每一个通道的加热电流实现单独的控制。

4 气敏测试流程及结果

将制作好的氧化锌基传感器插入气箱传感器插座中，确定气箱与气箱底座封闭良好，气箱底座与测试主机之间连接良好；打开主机电源开关后，设置系统的加热电流（根据氧化锌基传感器类型设置，加热电流设置为100mA），开始预热传感器。

打开电脑软件，设置好采集时间和间隔，点击开始采集。

静态配气测试基本流程叙述如下。

（1）点击CGS-8气敏分析系统采集软件中的开始采集，电阻值开始出现直到电阻信号趋于稳定时，记录此时阻值即为传感器在空气中的电阻Ra。

（2）将待测气体注入容量为20L的气室中，通过分析系统软件观察气体传感器电阻值的变化情况，即时电阻值设定为Rg，将所需量的待测气体通过注气孔用注射器注入气室中；如果此处使用液体配气法，需要打开气箱底座上的液体蒸发器开关。如果为难挥发液体或是浓度较大的气体，建议打开气箱底座的风扇开关。对于易挥发、低浓度的气体则不建议打开风扇。

观察测试软件中灵敏度曲线的变化，直至分析值再次稳定；打开气室，观察到电阻值开始变化，直到其恢复到Ra值后，点击“停止采集”。

基于研制的旁热式气敏传感器和设计的气敏传感器模块的信号处理电路和信号产生电路，测试了Ni-ZnO气体传感器在最佳工作温度下对50μL/L的SO2、100μL/L的SO2F2和100μL/L的SOF2的气敏响应和长期稳定性。如图6所示，传感器对3种SF6分解产物的初始响应值分别为51.09、38.45和21.65。同时，传感测试平台在较长的测试周期中，总体上均保持了接近恒定的值，表明该传感测试方法在检测SF6分解副产品SO2、SO2F2和SOF2时具有良好的长期稳定性。

5 结语

本文基于旁热式技术和Ni掺杂ZnO气敏材料，制作了用于SF6分解产物SO2、SOF2以及SO2F2气体检测的气体传感器，设计了气敏传感器模块的信号处理电路和信号产生电路，测试了传感器的检测SO2、SOF2以及SO2F2气体的气敏性能。研制的Ni-ZnO气体传感器对于3种气体的响应灵敏度关系均为SO2＞SO2F2＞SOF2，同时该测试方法表现出较好的长期稳定性和可靠性。研究结果为开展基于半导体技术的SF6分解产物的现场传感检测奠定了基础。

参考文献

[1] 高新.检测SF6分解组分H2S和SO2的改性石墨烯基传感器气敏特性研究[D].重庆：西南大学，2023.

[2] 陈达畅，唐炬，张晓星，等.检测SF6分解特征组分的MoS2纳米片气敏特性与机理研究[J].中国电机工程学报，2022，42（22）：8390-8405.

• 相中华，孙尚鹏，魏莹，等.SF6断路器模拟烧蚀过程中气体分解产物特性研究[J].高压电器，2024，60（04）：131-138，145.
• 张雯，贾钦相，孙嘉鸿，等.电力设备中六氟化硫气体分解产物的化学检测和处理技术进展[J/OL].化学工业与工程，1-13[2024-07-01].https：//doi.org/10.13353/j.issn.1004.9533.20230509.
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• 李昊天，曾福平，颜伊鸣，等.Ag表面对SF6初级分解产物氧化反应的影响作用研究[J].电工技术学报，2024，39（9）：2841-2850.