浅谈应用于SF6气体泄漏在线监测装置的SF6传感方式

黄小瑶,于鸣阁

摘要：热导技术：采用了固定容积采样腔体及参考腔体双腔体双传感元件一个密封参考通道和一个扩散开放采样通道。同时采用MEMS加工技术生产，气体先进入传感器中的微型采样气腔，然后通过扩散通道进入传感器气室，也就是真正的热导率测量区域，根据被测组份SF6气体固有的物理热导特性和参考气体的热导系数不同即可响应出其浓度。传感原件采用先进的MEMS加工技术生产，使得传感器的体积小，寿命长。

关键词：SF6气体检测；气体检测方法；传感技术；传感技术应用

引言：随着SF6气体在电力系统的广泛应用，根据SF6的特性，国家《GB26860电业安全工作规程：发电厂和变电站电气部分》及电力《DL408电业安全工作规程》（发电厂和变电所电气部分）中的“在六氟化硫电气设备上的工作”章节均要求在SF6配电装置室低位区安装能报警的氧量仪和SF6气体泄漏报警仪。于是SF6气体泄漏在线监测报警报警装置在国内得到了广泛应用。关于SF6气体检测方法又有很多方式方法，经过对现有设备的调查本文将对常用的电化学传感器、负离子捕捉（电晕放电）、超声波声速、热导、红外吸收这几种方式方法进行阐述和对比。

一、现有常用的SF6气体检测方法

电化学传感器：实际应用中电化学SF6气体传感器非常少见，一般都是使用电化学二氧化碳传感器、电化学卤素传感器、臭氧传感器作为感知原件，但是这些原件暴露在含有SF6气体环境就对传感产生不可逆的腐蚀性损毁，造成传感器产生毒死想象，所以现在这种方式已经逐渐减少，这里就不做系统研究。

负离子捕捉（电晕放电）：通过一个高频升压变压器将一个3V-5V的直流电压升压一个可以获得电晕放电的电压，经过高压二极管D1整流，C1滤波就可以得到一个直流负高压，当由一个金属针状电极和环形电极组成的Tan1两端加载负高压和地时电极就会产生电晕放电，由变压器的次级同名段是通过C2与地形成交流回路所以当产生电晕放电时C2两端就产生一个对地的电流，此电流即为电晕放电产生的放电电流，这个电流通过R1、R2组成的分压采样电路得到采样电压Vo，Vo压伏随着Tan1放电的强弱变化而变化。由于SF6具备良好的绝缘性，它的浓度正好可以影响Tan1放电的强弱变化，这样就可以检测出SF6的浓度。采样端还有采样硅基材料除工艺不同其原理基本一致。

超声波声速：对射型传感结构还有反射型其原理基本一样，由超声发生器发出超声波通过一定长度的气体池到达超声波接收器。根据空气中的音速在1个标准大气压和15℃的条件下约为340m/s，那么设气体池的长度为L,发生器到接收器的时间Ts=L/340(m/s)。由于空气的组分变化会直接影响空气中的音速，当空气中存在SF6时声音的速度就会改变，这样就可以测量到环境中的SF6浓度。

热导技术：热导传感器的结构，采用了固定容积采样腔体和参考腔体双腔体双传感元件一个密封参考通道和一个扩散开放采样通道。同时采用MEMS加工技术生产，气体先进入传感器中的微型采样气腔，然后通过扩散通道进入传感器气室，也就是真正的热导率测量区域，根据被测组份SF6气体固有的物理热导特性和参考气体的热导系数不同即可响应出其浓度。传感原件采用先进的MEMS加工技术生产，使得传感器的体积小，寿命长。

红外吸收：红外吸收吸收传感器的结构，不同气体分子化学结构不同，对不同波长的红外辐射的吸收程度就不同，因此，不同波长的红外辐射依次照射到样品物质时，某些波长的辐射能被样品物质选择吸收而变弱，产生红外吸收光谱，故当知道某种物质的红外吸收光谱时，便能从中获得该物质在红外区的吸收峰。同一种物质不同浓度时，在同一吸收峰位置有不同的吸收强度，吸收强度与浓度成正比关系。因此通过检测气体对光的波长和强度的影响，便可以确定气体的浓度。

二、对现有SF6气体检测方法调查分析对比

根据各传感方式的结构和原理和对实际应该产品的调查，包括现场测试及故障传感器的拆解分析，得到如下表对比结果：

序号	对比项	负离子捕捉式（分布式）	超声波（分布式）	双通道热导式（分布式）	红外式（管道式）
1	检测原理	将一个负高压作用于一个金属针状电极上，对一个环形电极进行放电产生电晕，产生大量的负电离子，由于SF6气体对负电离子具有吸附作用，而负电离子又直接反应了放电电流，所以通过这个电流就可以间接的反应出SF6的浓度	在固定长度的声音通道中使用超声波对射，当空气中存在SF6时声音的速度就会改变，这样就可以测量到环境中的SF6浓度。	采用先进的热导式传感技术，根据SF6特定物理热导系数，设置一个参考通道和采样通道，同时保持在一个合适的温度环境，时实连续感知环境中的SF6气体及其浓度，传感单元具有超低功耗、长寿命、自身不消耗、环境影响小。	利用SF6对特定波长红外光的吸附作用，根据比尔朗伯定律对SF6的浓度进行检测
2	响应时间	传感器检测启动时响应速度快，一般5秒内即可检测出SF6浓度。但是为了延长传感器的寿命采用了周期巡检的方式，所以其实际响应时间是不确定的。按照30分钟的巡检周期最长反应时间为30分零5秒。	由于低浓度的SF6对超声波声速的影响很微小,所以SF6的浓度需要到达一定的值，试验证明需要达到500PPM时传感器开始响应，在这个浓度以上检测响应时间小于5秒	由于热导式传感工作需要一个恒定的传感器温度环境，所以运行初期会需要一个较长的预热过程一般3到5分钟进行传感器温度调整。预热后传感单元保持在连续运行状态，当环境中出现SF6时通过复检，防误报处理系统的检测响应时间小于3秒	因要将气体采样到分析室内检测，必然响应时间慢，（检测周期按气室容积气泵及管道长度和数量来决定，10个采样点巡检周期一般50分钟）
3	可靠性	传感器受环境及自身消耗的影响，传感器运行一段时间后有可能会出现无法监测或误报	由于传感器采用的的空气组分对声速的影响来判断SF6气体的浓度，但是空气中像VOC类、SO2、湿度等都会影响空气的组分，同时环境温度和大气压对声速的影响也是非常大，所以报警可靠性减低	采用分布式监测，即使有个别变送器出现故障，网内其他变送器不受影响仍正常工作。每个变送器具备独立报警机制即使主机、通讯网络出现故障仍然备报警功能，传感单元采用恒温加主动空气虹吸结构，有效对抗高温高湿有尘环境	系统多采用单传感器，单气体采样单元（或双泵设计），只要任何一个部分出现故障，系统就处于瘫痪状态
4	误报率	由于传感器会受湿度及灰尘的影响，加上放电过程自身的消耗都会干扰长期在线运行的精度，因此存在误报	同可靠性描述原因，存在误报	采用自学习趋势算法，加上传感感器受外界环境影响极小，误报率为0	因采用管道式，切换管路过程中存在管路交叉污染，存在误报的可能
5	精度排名	（在及时维护及效验的基础上）3	（长期运行）4	（长期运行）2	（长期运行）1

结束语：对几种SF6气体检测方式方法的对比分析，双通道热导式（分布式）更适合SF6气体泄漏在线监测报警报警装置上的长期运行。如果在资金和费用充裕的情况下，只要防尘工艺设计的足够合理，光学红外吸收传感方式则是最好的选择。希望通过都对几种SF6气体检测方式方法的对比和分析能为SF6气体泄漏在线监测报警报警装置SF6气体的检测方式的选择上提供较好参考，使SF6气体泄漏在线监测报警报警装置更好的发挥相关规程中提及到的检测报警功能。

参考文献：

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