基于轮循泵吸式双气体检测技术的应用

高黎明（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063）



基于轮循泵吸式双气体检测技术的应用

高黎明（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063）

随着高速铁路的迅速发展和技术装备水平的提高，确保供电系统安全运行更是重中之重。六氟化硫（SF6）气体因其优异的绝缘性和灭弧性在气体绝缘全封闭组合电器（GIS）开关柜中得以广泛运用；但SF6气体在高压电弧的作用下会产生剧毒物质，一旦泄漏就危及到作业人员安全及设备稳定运行。因此本文结合一种轮循泵吸式双气体检测系统进行较为深入的探讨，通过加强对SF6设备的管理，提高高铁供电维修人员作业安全可靠性。

《高速铁路设计规范》（TB10621-2014）在牵引变电章节中11.3.9条规定GIS配电装置室内低位区应配有SF6报警仪及事故排风装置。【关键词】SF6；健康；安全；环境保护；双气体检测技术

1　背景技术

SF6气体在常温下是一种无色、无臭、不燃和无毒的惰性气体，具有优良的绝缘性能和灭弧性能，但是在开关分合过程中电弧和电晕的作用下，SF6气体会分解产生剧毒低氟（SF4、S2F2、SOF2、HF）化合物。由于SF6气体密度高，泄漏后常常沉积在室内下部，造成它所覆盖的处所与空气隔绝，表征为缺氧。同时夹杂着剧毒低氟化合物对人体健康构成严重的威胁。

目前国内外使用的SF6气体泄漏检测技术和原理主要有以下几类：红外光谱法、电化学法、高压电击穿法、示踪法、红外成像法、声波法。

（1）非分红外光谱吸收技术（NDIR）：SF6气体对特定波段的红外光有很强烈的吸收特性，灵敏度高，不受环境的影响和干扰，同时对环境的温度和湿度的变化所带来的检测误差很小，不会产生误报警，寿命可长达10年。

（2）电化学技术：通过被检测的SF6气体接触到200℃左右高温的催化剂，并与之发生化学反应而产生电信号，以此来发现被检测的SF6气体。电化学技术缺点是精度低，寿命短，成本高。

（3）高压电击穿技术：根据SF6气体绝缘的特性，从置于被检测空气中的高压电极间电压的变化判断空气中是否含有SF6气体。由于电极的金属材料随着温度的变化造成的膨胀引起电极间距的改变，从而对检测SF6的结果带来了不确定性。同时电极在检测过程中处于高压状态，导致其工作寿命只有几十小时。

（4）示踪法：利用SF6气体吸附特性，在SF6气体加入某种物质，该物质能够被SF6分子吸附，再通过检测该物质，间接测量SF6浓度。这种方法检测精度非常高，但需要辅助气体，造价成本高。

（5）红外成像法：利用SF6气体具有强烈吸收作用的特性，红外激光成像SF6气体定位系统，检漏设备结构复杂，价格昂贵。

（6）声波法：利用声波在SF6气体中传播的速度比在大气中传播的速度慢的特点，进行检测。但其主要缺点是检测下限太低，2%的SF6气体浓度已远远超过了理论上SF6气体对人体的安全上限1000ppm。

通过试验证明采用NDIR红外光谱技术的轮循泵吸式SF6气体泄漏监测系统能够精准及时检测到SF6气体泄漏点及掌握泄漏情况，该技术采用主动抽取测试点气体的原理，效果是发现泄漏早，反应迅速。

2　系统简介

轮循泵吸式SF6气体泄漏监测系统包括管路轮循切换单元、气泵控制单元、双红外双光束 SF6传感器检测变换单元、氧气检测变换单元和通信单元，系统通过预置参数切换到设定管路，启动气泵抽取对应管路气体进入检测端公用的双红外双光束SF6传感器和氧气传感器；系统通过数字接口读取SF6浓度值，通过模拟端口读取氧气浓度值，并根据温湿度模块读取的温湿度参数修正读取值。本系统具有精度高、重复性好、性价比高等特点。可实时、在线监测环境中SF6气体、氧气含量以及温度的变化，将检测的数据显示出来并通过CAN总线上传到其他系统。

轮循泵吸式SF6气体泄漏监测系统主要应用在变电站35kV SF6开关室及500kV、220kV、110kV GIS室，对GIS设备室环境中SF6气体泄漏情况和空气中含氧量进行实时监测。主要检测环境空气中SF6气体和氧气含量，当环境中SF6气体含量超标或缺氧，能实时报警，同时自动开启通风设备通风。且具有微量SF6气体检测技术，能检测到浓度低至10ppm。

3　系统结构

轮循泵吸式SF6气体泄漏监测系统分为3层：气泵驱动层、数据采集层、控制层。

（1）气泵驱动控制层由放大电路、驱动电路组成。主要控制气泵的启停和变频控制以及气路前端的切换。

（2）数据采集层由SF6/氧气双气采集接口、总线接口等组成。实时检测SF6气体浓度、氧气含量等。并通过扩展现场总线实现系统网络连接。

（3）控制层由主控处理单元组成。实现数据显示、发出报警信号、启动通风设备。

图1　轮循泵吸式SF6气体泄漏监测系统图

系统中，气泵驱动层包括气泵2、气泵驱动单元8和多条管路12，多条管路12均与气泵2连接，每条管路12上设有气路阀门1，多条气路阀门1均与一阀门控制单元9连接，气泵驱动单元8与气泵2连接，气泵驱动单元8和阀门控制单元9均与主机单元7连接；数据采集层包括双红外SF6检测单元3和氧气检测单元4，双红外SF6检测单元3通过一数据接口5与主机单元7连接，氧气检测单元4通过一放大电路6与主机单元7连接。本系统还包括设于主机单元7上的显示接口10和通讯接口11。

系统采用的双红外双光束SF6检测方法，首先通过预置参数切换到设定的管路12，启动气泵2抽取远端对应管路气体进入检测端，即双红外SF6检测单元3和氧气检测单元4；系统通过数字接口5读取SF6浓度值，通过模拟端口读取氧气浓度值，也可以根据温湿度模块读取的温湿度参数修正读取值，使测量有效值稳定正确。

4　技术研究

轮循泵吸式SF6气体泄漏监测系统所述气泵驱动层包括气泵、气泵驱动单元和多个管路。多个管路均与气泵连接，每个管路上设有气路阀门，多个气路阀门均与一个阀门控制单元连接；所述气泵驱动单元与气泵和阀门控制单元连接，并均与主机单元连接；所述数据采集层包括双红外双光束SF6检测单元和氧气检测单元，所述双红外双光束SF6检测单元通过一数据接口与主机单元连接，所述氧气检测单元通过一放大电路与主机单元连接。

与现有技术相比，本系统由于采用非分红外光谱技术的双红外双光束SF6检测单元，使其能够更精确的检测到SF6气体泄漏的情况，且能够准确及时的查找到GIS组合电器中泄漏位置，提前告警，保证检修人员的人身不受到意外伤害。同时本装置又能通过预置参数切换到设定管路，启动气泵抽取远端对应管路气体进入检测端达到检测单元的公用，具有性价比高和检测准确的优点。

5　系统特点

（1）实现基于非分光红外，双光束、双波长SF6检测技术。该技术可以有效避免因为光源的老化、采样池和检测器表面污染而引起的漂移，从而使得寿命更长精度更高。同时分光红外，双光束、双波长SF6检测技术中参比通道的被调制的特定波长的单色光不会对被测量气体产生吸收。它产生一个稳定的信号，此信号只受外部影响而变化，不受被测量气体影响，从而保证稳定性更高抗干扰更强。

（2）0～3000ppm宽范围内定量测量显示，实现自动修正功能，能有效克服温度、湿度等环境因素的影响，保证系统检测的有效精度。

（3）能可选有毒气体（如CO、CH4、H2S）的含量监测，可根据需求模块式搭建，并入系统。

（4）气泵PWM控制技术，通过该技术可以根据采集量动态控制采集气体的浓度，达到正确实时检测。

（5）气路模块化搭建，适应不同区域不同的应用场合。

（6）扩展数字式输入接口模块、模拟式输入接口模块和输出信号接口模块。输入信号实现来自烟雾探头、门磁开关等数字信号的接入，也可以接入诸如其他模拟信号的接入，输出信号实现自动启/停除湿机、电控门等众多智能化控制功能。

6　结论

本系统能够在最为恶劣或危险的工业环境中准确可靠地实时监测SF6和O2浓度，做到及时提示并启动预警机制。具有精度高、重复性好、性价比高等特点，可实时、在线监测环境中SF6气体浓度、O2含量以及温度等的变化拥有稳定性好、抗干扰能力高、使用安装方便、现场维护简单等优点，可以广泛应用电力、铁路供电系统中，实用性好、推广价值高。

［1］《高压组合电器配电室六氟化硫环境监测系统》（JBT_10893-2008）.

［2］《高速铁路设计规范》（TB10621-2014）.

［3］杨殿成，邱朝阳.红外检测技术原理及应用.

高黎明（1981-），工程师，大学本科，主要从事勘察设计工作。

TM621.4

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2095-2066（2016）10-0060-02

2016-3-8