基于气体传感器的SF6气体环境监测系统的设计

2018-10-24张亚军

机电信息 2018年30期

张亚军

（常州市第二人民医院，江苏常州213000）

0 引言

SF6是一种具有良好绝缘和灭弧性能的气体介质，被广泛应用于电力行业的高压断路器和变电设备中，并且随着科学技术的不断发展，SF6当前已经成为高压断路器中唯一的绝缘和灭弧介质。

在SF6的使用过程中，存在一定的泄漏风险，如果发生泄漏，就会导致其绝缘和灭弧性能大打折扣，进而给用电设备的安全平稳运行带来不小的隐患，而且泄漏出来的SF6气体在环境中高压电弧的作用下，会转变成具有毒性的物质，进而对工作人员的身体健康带来严重损害[1]。

SF6的检测技术经历了四代：半导体方式、电晕法、超声波检测技术、红外检测技术。目前国内主要采用的是分布式SF6监测装置，即在现场布置多个采集单元[2-3]，每个采集单元都独立具备SF6气体的测试功能，测量后的信号通过电缆传送到后台的集中控制台；同时，其他有关测试元件也是独立测试的，例如氧气、温度、湿度及泄漏量监测等；集中控制台负责报警、控制风机等。此方法的优点是价格低，布置灵活，测点量可以任意增加；缺点是测试原理简单，定量测量不准，误报率高、寿命短、维护量大，现场需要多根电缆，测点增加将直接增加费用等。

1 气体传感器测试原理

气体传感器能够对不同气体进行有效的检测，并将检测结果转换成相应的信号输出，其主要的工作原理是物理效应和化学反应等[4]。气体传感器是整个气体检测系统的核心部件，对检测结果的精确性具有决定性影响，其能够将气体的体积分数转化为对应的电信号并进行有效的输出。因此，为了确保气体检测结果具有足够的参考性，对气体传感器的精度、性能、稳定性、功耗等方面的要求很高，尤其是对SF6传感器的要求更高。

1.1 SF6红外检漏变送器

某些属性与分子振动和旋转方式相关，并且对于一个特定分子是唯一的，可用于识别目的[5]。分子通过吸收一个光子或释放一个光子达到激活，其吸收过程通常发生在红外区域。分子的振荡频率是单一的，一些分子在基态，一些分子处于激发态，连续两个激发态间的能量间隔为hw/2π。此特征在红外光谱表现为一个单次吸收光谱，红外光谱技术利用不同物质对红外辐射的选择吸收特性对物质进行定性或定量分析。图1所示为SF6的吸收光谱，可以看到SF6气体在红外波段有一个中心吸收带，波数为947。

图1 SF6的吸收光谱

实验证明，当特定波段的红外光通过SF6气体时，这些气体分子对特定波长的红外光有吸收，其吸收关系服从朗伯-比尔吸收定律，即吸收与SF6气体浓度呈现自然指数关系。运用此原理设计光学装置，采用主动吸气方式，当采样气体中含有SF6气体时，红外光的强度将相应减弱，通过检测减弱的幅度，运用朗伯-比尔吸收定律可以计算出SF6气体的浓度。

SF6传感器采用红外光谱原理，准确快速检测空气中SF6的微小泄漏，测量范围为0～3000 μL/L，灵敏度为1 μL/L，远远低于安全规程规定的SF6报警浓度1 000 μL/L，并通过RS485总线将气体浓度数据上传到主机系统供工作人员查询。利用红外光谱吸收技术检测SF6气体，与其他检测技术相比，检测精度高，稳定可靠。SF6红外检漏变送器采用双波长非色散红外线光谱仪的原理（NDIR），相较于单波长单光束而言，其能对漂移现象进行科学合理的控制，进而有效避免光源老化、采样池污染等因素所造成的不利影响。双波长双光束在工作过程中能够形成一个稳定性非常高的信号，该信号对于测量气体的敏感性非常低，几乎不会受到影响，而对外部变化的敏感性较高。

1.2 氧含量传感器

电化学氧传感器由于选择性好、灵敏度高、输出线性好等特点在环境保护领域应用广泛，其工作原理是被测气体的氧分子通过隔膜发生氧化-还原反应，当氧到达阴极时表面被还原，同时在铅阳极发生氧化反应。其化学反应过程为：

阴极：

阳极：

当电化学氧传感器的外电路上具有一定的负荷时，其电流大小与氧气浓度之间具有一定的正比关系，通过检测电路中的电流大小，就能进一步算出氧气的浓度。本系统采用日本FIGRAO电化学氧传感器KE-25，分辨率1%，测量范围0～30%，可通过RS485实现信号传输。

2 SF6泄漏在线监测及控制设计

2.1 SF6气体泄漏量及氧含量监测

当环境中SF6气体含量超标或缺氧，能实时进行报警，变送器模块通过RS485总线传递SF6和O2数据，通信距离可达1 km；可以扩充1～32个变送器，提高了系统的扩展性和稳定性。本系统可广泛应用于各种电压等级的SF6开关室、组合电器室（GIS室）、SF6主变室等。

2.2 温度和湿度一体式传感器

温度和湿度一体式传感器能够对环境中的温度和湿度变化进行有效监测，并将监测数据通过RS485信号传输至后台做进一步处理。该传感器监测范围广，对于一个普通的小开关室而言，安装一个温度和湿度一体式传感器就能对整个室内进行有效的监测，为了确保检测的精度符合要求，其离地距离保持在1.5 m左右为宜。

2.3 风机的控制

为了确保工作人员的人身安全，当空气中的SF6浓度达到1 000 μL/L或氧气含量＜18%时，风机就能自动启动，通过排风，降低空气中的SF6含量，也可进行强制排风，保证在各种情况下的使用。当该设备与SF6泄漏预警回收系统联动时，可通过探头数量设置具体报警信号，例如开关室有5个SF6传感器，当4个以上报警时，启动SF6气体泄漏预警回收系统，4个以下时仅启动风机排风。

系统采用红外光谱检测原理，可定量、实时在线测量SF6泄漏气体含量，克服了传统测量方法如负电晕放电法和卤素传感器法只能定性判别是否越限的缺陷，能够准确得到空气中SF6含量。系统自动记录各种报警数据，通风设备启动数据，可以设定自动启动通风设备时间，SF6泄漏超标以及氧气含量＜18%时，自动启动通风设备，根据用户需要提供与远程通信装置的接口，实现遥控、遥测、遥信等功能。

3 SF6监测控制系统

整个SF6监测控制系统是按照模块化的组合方式设计的，能够大大降低安装过程的难度以及后期的维护工作量。在传输条件良好的前提下，该系统能够与网络有机结合，建立网络监控中心，让监控人员通过网络对开关室内的温度、湿度、氧气含量以及SF6浓度进行随时随地的远程监测，进而大大提高监控人员的工作效率，并为开关室的安全平稳运行提供可靠保障。监控中心的关键技术是数据库，其中存储了丰富的数据资料，不仅能对开关室的工作情况进行实时的监测，还能为管理者的有效决策提供资料上的支持，进而在一定程度上提高人员和设备的工作效率。

图2为SF6监测控制系统原理图。

通过组态远程监测系统具有数据分析，历史数据、历史曲线查询、打印，监测点位置显示，短信发送等功能。

（1）可实时监测GIS室或主变室中各个监测点的信息，并清晰展现环境监测点位置，如图3所示。

（2）可实时记录SF6含量变化曲线，查询历史数据及历史曲线，并自动生成历史数据表格及实时数据表格。