基于红外光谱检测的工业电气设备泄露试验分析

陈喆 李超

摘要：SF6、N2混合电气设备在电网系统中应用广泛，SF6、N2在气体密度方面差异性大，会对工业电气设备运行安全性产生影响，因此加强电气设备泄漏检测尤为重要。研究应用红外光谱检测技术，通过红外光源合理选择及分光系统设置，对SF6气体浓度进行检测，实践证实该检测技术能够实现对SF6分解气体成分及含量的实时检测，评估电气设备带电运行状态情况，为电气设备性能分析提供可靠的依据，保障电气设备运行安全性。

关键词：红外光谱  工业电气设备  泄漏试验  安全性

Analysis of Leakage Test of Industrial Electrical Equipment Based on Infrared Spectroscopy Detection

CHEN Zhe  LI Chao

（Hainan Nuclear Power Co.， Ltd  Changjiang， Hainan Province， 572700 China）

Abstract： SF6/N2 hybrid electrical equipment is widely used in power grid systems. SF6 and N2 have a large difference in gas density， which will affect the operational safety of industrial electrical equipment. Therefore， it is particularly important to strengthen electrical equipment leakage detection. Research and application of infrared spectroscopy detection technology， through reasonable selection of infrared light source and spectroscopic system settings， to detect the concentration of SF6 gas， practice has proved that the detection technology can realize real-time detection of the composition and content of SF6 decomposition gas， and evaluate the electric operation status of electrical equipment. Provide a reliable basis for the performance analysis of electrical equipment and ensure the safety of electrical equipment operation.

KeyWords： Infrared spectroscopy;Industrial electrical equipment; Leak test; Safety

作为一种化学气体，SF6具有良好的稳定性与绝缘性，被广泛应用于电力设备中，且随着输变电系统电压等级的提升，SF6气体的应用更为广泛。通常情况下，SF6化学性能趋于稳定，但在具体的电力系统运行过程中会受到电弧、火花放电等因素的影响，发生电离与分解，出现电气设备气体泄漏事件[1]，若未能及时发现、检测，当气体达到一定的浓度将会损害到人体健康。目前，电力行业针对工业电气设备的运行问题制定了明确的标准与说明，要求在电气设备室应配合SF6气体含量检测报警仪器，以便及时发现泄漏，采取干预措施防止意外事件的发生。在电气设备SF6泄漏检测中常见技术包括电化学法、色谱质谱法及化学法等，有些价格昂贵、敏感性低，有些对检测条件有着较高的要求，难以对室内气体成分、变化予以准确的反映[2]。近年来，红外光谱检测被应用于工业电气设备泄漏检测中，其经过几十年实践发展已经趋于成熟，可通过对气体吸收特性的分析，获得被测气体成分及浓度，及时发现电气设备泄漏情况，掌握设备运行状态，防患于未然。

1红外光谱检测工业电气设备泄漏原理

作为目前最为先进的气体检测技术，红外光谱是利用不同含量物质对近红外光吸收的差异，结合化学计量学对特定物质进行含量检测的一种方法，具有检测快、一测多评的优势。红外光谱仪主要包括色散型与非色散型两种，前者主要利用分光元件实现分光，并测量分出的单色光，工作稳定性、可靠性好;后者无色散元件，主要是通过对调频的干涉实现分光的，具有较高的光谱分辨率与测量精度，但对工作条件有着较高的要求，在具体测量过程中需要充分考虑现场工作环境及气候条件，排除外界因素的影响，保障测量结果準确性[3]。分光型光谱仪所用核心技术为光栅分光技术，其能够将远红外光源所形成的宽谱光转化为单色光，透过被测气体后对吸收峰值波长及强度予以测定，获得气体成分及浓度情况。该系统含有较少的动检，有利于全固态化的实现，系统结构稳定性好，有利于实现对SF6在线带电检测，掌握电气设备运行过程中气体成分变化情况，并发出故障报警。

2红外光谱检测工业电气设备泄漏试验

2.1红外光谱系统设计

研究所构建的红外光谱检测系统的主要部分包括红外光源、分光系统、气池及光电探测器，红外光源发出的光受到球面反射镜的作用，会在分光系统入射狭缝上聚集，经过分光系统会以单色光呈现，出射狭缝后进入气池，不同气体吸收度也会呈现出一定的差异性。利用光电探测器采集光信号，获得吸收曲线。在测定气体成分及浓度时主要依据的是曲线吸收峰位置及峰值大小等。

2.2红外光源选择

红外光谱仪对红外光源辐射性、辐射强度有着较高的要求，强调小体积、长使用寿命红外光源，目前较为常见的包括硅碳棒、PE-光源及氮化硅陶瓷等。硅碳棒主要成分包括Al、SiO2、MgO等，其具有较好的机械强度，但由于质地脆硬，容易发生损坏、折断，会受到温度变化影响呈现电阻率非线性变化，具有耐高温特性，但要求具备较大功率，配备制冷装置应用。P-E光源则具有较长的使用寿命，功率稳定，通常在800～1200℃环境下工作，但价格高，发光区域与国产仪器不相适应[4]。氮化硅陶瓷则利用反应烧结法与热压烧结法，具有较高的强度，体积稳定，尺寸精确，具有稳定的化学性质，无需进行预热处理，安全温度达到1600℃，在0.76～50um波段使用，有着较快的启动速度，不仅可减少耗能，而且有利于延长使用寿命。研究所用氮化硅光源尺寸为5mm×20mm，电流为2A～3A，温度为800℃。

2.3分光系统

作为光谱仪重要组成部分，光栅分光系统包括多个结构，其中切尔尼-特纳系统具有多次反射的特点，结构紧凑，在小型及便携式光谱仪系统中有着较高的适用性，其将两块小凹面反射镜作为准直镜、成像镜，由于曲率中心可发生重合，防止了二次衍射的发生，简化了反射镜的装调。闪耀波长8000nm，1mm刻线数75l，尺寸规格为68mm×68mm，工作波长范围为4～17um[5]。光栅衍射方程为 ，其中光栅常数用d表示，入射角、衍射角分别用 表示。波长分辨率计算方法为 ，n、N分别表示的是衍射级、光栅条数，最低分辨率经计算为8nm。

2.4光电探测器

本研究所选择的光电探测器为Micro-Hybrid热释电探测器（江阴韵翔光电技术有限公司），其具有较高的响应灵敏度，工作波长宽度大，适宜于常温状态下工作，波长范围为2～16um，响应速度可达到105V/M。需要注意的是热释电探测器的应用应在动态光照条件下完成，通过调制光源光斩波器，将其频率设置为22Hz。

2.5报警功能设计

研究应用无线接收仪，在具体使用过程中先按下开关键将仪器打开，该报警系统设置有背光系统，可根据实际情况将背光打开或关闭，报警点设置，需要按住3s后可进入设置界面，然后通过上下键对相应数值作出调整，完成设置后方可退出[6]。当电气设备中的SF6含量测量值较报警值高，系统可自动发出声光报警，气体类型可在画面上显示。通常启动系统后，需要进行120s预热才能够进入正常测量状态。开机状态下仪器能够对SF6作出自动调节，一般归为0。若SF6浓度>1000×10-6后，双气体探测仪会发出报警，直至恢复到正常状态，报警声可撤销[7]。

3试验结果及分析

研究采用在线红外光谱检测系统，测定了SF6气体，将测试温度设置为21℃，湿度控制在30%，将大气压调整为99kPa，压力设置为0.1MPa。在进行测试时，首先将气池与样气瓶连接，将检测系统的气池阀门、样气气瓶阀门打开，调整气体压力为0.1MPa，预处理5min，将测试软件启动，15min后采集图像。

研究分析了红外光谱检测系统对SF6气体泄漏检测精度，结果如表1所示。经过多次比对试验，可以发现其对SF6检测范围为0～1500×10-6，精度为±50×106。

另外，研究在试验平台上对不同压强下SF6/N2混合气体泄漏情况进行了试验，将两种气体混合均匀，并将真空气室中的真空抽空，直至气室压强为30Pa，对流量计流量作出适当的调整，在真空气室中注入混合气体，对泄漏予以模拟，真空气势达到常压后，应用红外光谱检测仪对SF6进行测量，获得的相关数据如表2所示。

4结语

研究设计的红外光谱检测系统操作简单、结构紧密，在工业电气设备SF6泄漏检测中有着较高的适用性，具有光程短、精度高等优势，实现对SF6的吸收，便于对混合气体成分的判定，设备中气室压力大，通过减压机构能够控制其气体压力，该检测系统具有较高的准确度与重复性，有利于实现对不同压强下SF6的检出，便于及时发现电气泄漏情况，确保设备的安全、稳定运行，推广价值高。

参考文献

[1] 史俊，刘兴涛，刘乐，等.基于红外光谱检测的SF6/N2混合电气设备泄漏特性试验研究[J].工业安全与环保，2019，45（5）：59-62.

[2] 杨芮，赵建勇，石磊，等.全封闭组合电器室SF6气体泄漏分布规律与气体检测布置策略[J].科学技术与工程，2019，19（9）：99-107.

[3] 周松霖，楊芮，赵建勇，等.基于泄漏扩散数值模拟的GIS室内SF6检测与回收策略[J].高压电器，2019，55（6）：70-78.

[4] 蒋友列，祝诗平，唐超，等.绝缘油热老化时间及糠醛含量的近红外光谱快速预测方法[J].光谱学与光谱分析，2020，40（11）：3515-3521.

[5] 刘欢，王雅倩，王晓明，等.基于近红外高光谱成像技术的小麦不完善粒检测方法研究[J].光谱学与光谱分析，2019，39（1）：223-229.

[6] 董龑.变电站组合电器（GIS）局部放电检测技术及应用研究[D].镇江：江苏大学，2020.

[7] 尹旭坤.光声光谱技术应用于环境监测和电力系统的研究[D].太原：山西大学，2020.