SF6气体毒性生物试验新老平台对比及评价

刘子恩， 袁小芳， 祁　炯， 苏镇西， 赵　跃

(国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，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重点实验室， 安徽　合肥　230022)

1　前言

六氟化硫气体是一种稳定性好的无毒惰性气体，具有优良的电气性能结构，其在电气设备中的应用能够有效预防和限制电晕、电火花和电弧现象的发生[1]。目前，在我国电力系统中，六氟化硫电气设备特别是六氟化硫全封闭组合电器或封闭式组合电器(GIS)的应用已相当广泛。常温常压下，六氟化硫是一种稳定的惰性气体，但在电晕、电火花和电弧作用下可以发生分解，会产生一些有毒有害的物质，危害电气设备运行，甚至对工作人员的健康安全构成一定的威胁[2-4]，因此需要开展SF6气体毒性试验的监督检测。六氟化硫气体全分析试验是目前监督和维护六氟化硫电气设备安全运行的重要手段，其中六氟化硫生物毒性试验是一项必不可缺的检测项目。GB/T 12022-2014《工业六氟化硫》及DL/T 921-2005《六氟化硫气体毒性生物试验方法》中明确了SF6气体验收要开展SF6气体生物毒性试验，并规定了试验过程。目前常用的SF6气体生物毒性1次试验仅能完成1瓶气体的检验，试验周期较长，且需要观察72h，要求工作人员连续值班记录小白鼠的状况，试验工作量巨大[5]。随着电网建设的发展，特高压、超高压等大容量的电气设备越来越多，对SF6气体的需求也是越来越大，皖电东送特高压淮南站和芜湖站建设过程中就有300多瓶SF6气体需要开展生物毒性试验，试验工作量极大，要求工作人员加班加点开展试验。随着特高压、超高压的发展，亟需对现有的SF6气体生物毒性试验进行改进和完善，形成一种快速、高效、可靠、有效减少值班工作量的试验方法，彻底解决SF6气体生物毒性存在的问题。

国网安徽省电力有限公司电力科学研究院研制了一套智能SF6气体毒性生物试验装置，该装置具有多通道高精度高稳定性配气技术、智能控制技术、视频监视与远程控制技术、自动报警技术等。该装置功能齐全，结构紧凑，高效智能，便于移动等，能够有效地提高试验效率，极大减轻人员的工作负荷。现通过对照试验将两种试验平台进行对比及评价，同时探讨有待改进之处。

2　SF6气体生物毒性试验方案及平台介绍

2.1　试验方案

依据《六氟化硫气体毒性生物试验方法》(DL/T921-2005)所规定的试验方案：

(1)搭建好试验装置。

(2)SF6与O2按照体积比为79%比21%的比例配制混合气体，每分钟通入混合器的气体总量不少于容器容积八分之一，计算SF6和O2的气体流速。

(3)将5只经观察后确认健康的小白鼠进行编号，放入染毒缸中饲养，保证充足鼠粮和饮水供应。

(4)每1h～2h观察并记录一次小白鼠的情况。

(5)染毒试验进行24h，之后将小白鼠转移至原饲养容器内继续观察72h。

2.2　试验器材

染毒缸，4L；气体混合器，4.5L；浮子流量计，600mL/min、1000mL/min；秒表，分度1/10；氧气，医用(南京上元工业气体厂)；六氟化硫气体(成都科美特特种气体有限公司)；健康雌性小白鼠，体重18～20g；鼠粮等。

标准规定如果小白鼠在24h染毒试验和72h观察中都活动正常，则气体无毒。如果偶尔有一只或几只小白鼠出现异常现象，或者死亡，则可能是毒性造成的，需重新选用10只小白鼠进行重复平行试验，以判断前次试验结果的正确性。

2.3　老装置SF6气体毒性生物试验平台

按照标准规定(图1所示)，搭建SF6气体毒性生物试验平台(将此试验平台定义为老试验平台)。实物图如图2所示。

图1　六氟化硫气体毒性试验装置示意图

图2　标准所规定SF6气体毒性生物试验装置平台(老试验平台)

从图2可以看出，老试验平台的搭建虽然原理简单，但由于是由多个部件连接而成，平台显得比较凌乱松散且占用较大空间面积，通过橡胶管连接的各部件之间容易产生缠绕，橡胶软管的折合处将导致气体传输受阻，各部件的接口处由于多次使用而容易产生气体泄漏。试验前需通过注水法测量染毒缸和气体混合器的容积，然后再计算通入气体的流量。

2.4　新型SF6气体毒性生物试验平台

安徽电科院通过自主研制，开发出有自主知识产权的新型SF6气体毒性生物试验平台，该装置的结构示意图如图3所示。

图3　新型SF6气体毒性试验平台结构示意图

1-氧气瓶(带减压阀)；2-SF6气瓶(带减压阀)；3-电子流量计(O2)；4-电子流量计(SF6)；5-混气室；6-混气管道；7-染毒室；8-空气泵；9-三通阀；10-缓冲罐；11-饮水；12-进气管道；13-喂食装置；14-出气管；15-不锈钢网；16-控制模块；17-单向阀；18-泵；19-回收装置；20-无线终端

新型SF6气体毒性生物试验平台实物图如图4所示。

图4　新型SF6气体毒性生物试验平台实物图

从图4可以看出，新平台装置紧凑，可以同时开展三瓶气体的检测试验，三通路检测共用一个氧气源，通过智能混气系统可以保证各气路混合气体的混气比以及总供气量。装置将整个平台分割为不同模块，智能控制系统、混气系统、流量控制系统以及监控报警系统都集成在仪器内部，通过设备的触屏界面实施调控，整个仪器内部类似暗箱，试验操作过程不必考虑设备的内部情况。三个染毒缸被置于装置台面，有效地利用了平台的空间，每个染毒缸配置一个摄像头，可以整个过程实时观察试验的情况，台面顶端设有一个摄像头，可全局观察试验进展。通过引入“物联网”技术，该设备的所有调控与设置皆可由移动终端来操作，同时四个摄像头的监控画面也可以实时传输至移动终端，这样可以极大地解放实验员的生产力，提高工作效率的同时也减轻了人员的工作量。

2.5　毒性试验

2.5.1SF6抽检样品气体测试

对某单位送检的三瓶SF6抽检样气(瓶号分别为7010196、7010203和7010314)进行气体毒性生物试验。三瓶气体依次在新、旧平台进行测试并对照试验结果。按照标准规定的试验流程，新平台在一个试验流程内便完成对三瓶样气的检测，试验一共耗费96h，算上前后准备和处理时间，大约5天完成整个试验。试验结果显示三瓶送检样气皆无生物毒性。在旧平台上进行试验时，一次只能测试一瓶送检样气，每一瓶气体的测试时间为96h，加上前期准备和后期初期，每瓶气体测试需要花费5天，利用旧平台完成三瓶送检样气一共花费3周时间。旧平台的时间结果同样显示样气无生物毒性。旧试验平台采用4人轮流值夜班的形式，每2h记录一次试验现象。

2.5.2故障设备SF6气体生物毒性试验

为了进一步对照新旧平台的测试性能，试验选取了某故障设备中的SF6气体作为测试气体，来比较两个平台的响应灵敏度以及测试精度。

首先在旧平台上进行测试，按照标准的试验要求搭建装置并进行试验。染毒室饲养5只健康的雌鼠，试验过程保障小白鼠水和饮食的供应，仔细调节试验的气体流量以及混气比例。试验过程每2h一次认真记录小白鼠的形态外貌以及活动状况，仔细观察小白鼠的运动、饮食以及呼吸是否存在异样。试验结果显示，在第16h和第18h进行观察时实验组的小白鼠并没有表现出明显的异样，其行为举止与对照组的小白鼠并无太大异常。然而在第20h进行观察时，则发现5只小白鼠中有4只已经死亡，最后一只小白鼠则都表现出四肢乏力、烦躁不安、呼吸急促的症状，在后续的观察中发现，13min后最后一只小白鼠也中毒死亡。而空白对照组的5只小白鼠则活动正常，试验结果表明故障设备中的SF6气体具有生物毒性，小白鼠的死亡时间在染毒20h左右。

随后在新平台上重新检测该故障设备中的SF6气体的生物毒性，试验过程按照标准规定进行，新平台只开通一条气路。试验全过程采用监控拍摄录，同时记录实验组与空白对照组小白鼠的活动状况，试验人员在白天及晚间22点前每2h、晚间则在晚间22点及早间6点通过手机观察一次小白鼠的活动状况。试验结果发现小白鼠在18h ～ 20h的时间段全部死亡。通过回看视屏录像发现，在19h12min的时候，发现实验组的小白鼠明显比空白对照组要躁动不安，试验组的小白鼠没有表现出太强的食欲，但在染毒缸内来回走动，有个别小白鼠上蹿下跳。随后，小白鼠表现处呼吸困难，四肢乏力，5只小白鼠中有4只聚集在一起趴在地上。在19h36min左右第一只小白鼠翻身死亡。在接下来的10min内，另外四只小白鼠相继中毒死亡。试验结果表明该故障设备中的SF6气体具有生物毒性。

图5　试验对照组

2.6　空白对照试验

另外选取5只健康雌鼠，在敞开环境不通入混合气体的情况下，提供充足的鼠粮和饮水(如图5所示)，以此作为试验对照组同步进行观察比较。

3　试验结果及平台分析对比

3.1　试验结果分析

通过上述抽检样品气体及故障设备中SF6气体的两组试验，分别展示了气体无毒与气体有毒两种情况下的试验过程与试验现象。在抽检样品气体的试验过程中，经过24h的染毒试验和72h的观察，两个试验平台以及对照组的小白鼠全部正常存活，依据标准规定的评判依据，说明所抽取的SF6气体样品没有毒性。在故障设备中SF6气体生物毒性检测实验中，两个试验平台的小白鼠皆表现处中毒症状且都在20h左右死亡，而空白对照组小白鼠活动正常，生命体征良好。这说明该故障设备中SF6气体存在生物毒性，需要对其进行必要的净化处理，人员在操作时需要做好相应的防护工作。对于中毒死亡的小白鼠可以进行解剖作进一步分析[5]。

3.2　试验平台对比

标准规定的试验方案是经过专业设计并试验论证可行的，通过本次试验及对标准所规定的试验进行分析探讨，认为其存在缺陷，这种缺陷的根本原因在于该试验平台是基于化学试验的仪器设备而搭建的，且不具有智能化调控技术，所有的分析判断都是以实验员的观察为基础，主观性太大。试验平台并非专一定制，各配件之间的不固定性导致连接处容易破损漏气。浮子流量计对气体流量的控制精度有限，两种气体的被动混合难以均匀，这都将导致最终进入染毒缸中的混合气体难以严格满足标准的规定要求。此外，试验要求人工长期进行观测记录，这要耗费巨大的人力，难以连续开展同一个试验。此试验装置要求配件较多且难以改造成并行试验装置(一个平台的一套系统中具有两个甚至更多的染毒缸)，但是如果要同时开展多组试验则会占据很大空间，如果试验场地受限，那也难以通过增加试验平台来加快总的试验进度。基于以上因素，标准规定的试验方案已经难以满足电力高速发展带来的对SF6气体分析检测的需求。

相对于老试验平台，新试验平台引入的自动化系统和智能化系统能够有效地依靠传感器的信号来进行判断与操作，这有效地避免了由于人为操作导致的试验数据偏差或是试验失败。新试验平台是对标准规定的试验装置进行优化改造而来，遵循老试验原理。新平台具有以下几个特点：

(1)采用SF6气体和氧气的流量控制技术和快速平衡技术，实现两种气体流量的稳定控制和快速平衡，为实验过程提供稳定可靠的气源。混气模块采用了螺旋缠绕管，管内插入一条形状不规则的四氟带，这能够有效地使两种气体进行混合。

(2)采用多通道SF6气体生物毒性试验系统，可同时对3瓶SF6气体和氧气进行混气，配合3瓶试验容器，同时实现3瓶SF6气体的试验。

(3)采用稳定的分流控制和预报警技术，能分别控制多气路气体流量，当气体流量异常时，可预报警，为试验人员调整气体流量提供充裕时间。

(4)实现了试验过程可视图像的实时传输，可在办公室或特定区域实时可视观察试验小白鼠的活动情况，解决SF6气体生物毒性试验需要晚上连续值班的问题。

(5)研究试验容器的功能区域分布，合理布置小白鼠的活动区域，提供一个实验周期小白鼠生活所需的饮水和食物。

总而言之该平台可实现智能化控制，能同时实现至少3瓶样气的同时试验，大大提高了试验速度，提升了工作效率；从现场观察变为远程可视观测，避免大量试验过程中试验人员长期值夜班，有效节约了人工成本，具有较强的实用价值和经济效益。

相对于老试验平台，新平台主要的优点体现在以下三个方面：

(1)新平台一个试验周期可以对三瓶SF6气体进行检测，工作效率是老试验平台的三倍，能够有效解决当前试验效率跟不上电力设施建设速度的尴尬处境。

(2)新平台具有智能控制与视屏监控系统，可以通过多种传感器来监控整个试验过程，试验人员可以通过手机等远程终端来观察和控制试验。平台所具有的视屏系统可以全程记录试验过程，这就不再需要试验人员每2h一次观察记录小白鼠的生理活动情况，极大地降低了人工成本，减轻试验员的试验强度。

(3)从上述故障设备中SF6气体组的试验可以看出，新试验平台比老试验平台具有的一个重要特点是，新平台的视屏监控系统对整个试验过程都有详细的视屏记录，在试验出现状况，即小白鼠中毒时，在试验结果分析时可以反复回看视屏录像，详细观看小白鼠的中毒反应，为后续进一步气体、毒理分析提供有力依据，甚至通过大量试验数据的积累可以建立气体毒性强弱与小白鼠死亡时间之间的关联。

3.3　拓展新试验平台

虽然新装置可以一次做三瓶气体的分析，但由于试验原理的限制，每个试验周期都需要24h加72h一共96h的时间。但分析可以看出，整个试验只有在染毒的24h对平台有需求，后续的72h观察时间可以在其它地方进行。据此可以将新平台的染毒和观察两个阶段分开，为新平台配置一个只带监控系统的简易观察平台，将染毒24h后的小白鼠转移到观察平台进行饲养观察，而新平台则可以继续进行下一轮试验。通过计算认为，每一个新试验平台有三个染毒缸，只需要为其配备一个具有9个染毒缸的观察平台，则这个试验可以以24h为周期进行流水线式操作，有效地提高了大量气体样品分析时的工作效率(如图6示意图所示)。

图6　新平台染毒阶段与观察阶段分离，流水线检测示意图

4　总结

本文基于SF6气体毒性生物试验的新老平台对有毒、无毒两种气体进行了试验，通过试验过程及结果对两个平台进行对比与讨论。标准所规定的试验装置虽然结构简单易于搭建，但没有智能控制系统，气体的混合以及试验记录等都需要人工调节或记录，这容易降低试验的精度而且要耗费大量人力，同时由于装置比较松散，整个平台需要占据较大空间。新试验平台具有配气功能，可以一次性做三瓶SF6的检测，平台所搭建的智能控制模块能够有效控制气体混合和传输流量。平台的监控和报警系统能够对试验进行实施监控和异常报警，极大地减轻了实验员的工作强度，有效地提高了工作效率。新平台具有的视屏回看功能可以详细地观察试验的每一个细节，在小白鼠发生中毒现行时，能够为后续气体分析及生物生理分析提供重要信息。通过试验发现新平台依然存在不足之处，本文提出的将染毒过程和观察过程分成两个平台分别进行，可以实现类似流水线连续检测，这将大大提高新平台的使用效率，有效缓解检测压力。

参考文献：

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