陳喆 李超

摘要：SF6、N2混合電氣設(shè)備在電網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，SF6、N2在氣體密度方面差異性大，會(huì)對(duì)工業(yè)電氣設(shè)備運(yùn)行安全性產(chǎn)生影響，因此加強(qiáng)電氣設(shè)備泄漏檢測(cè)尤為重要。研究應(yīng)用紅外光譜檢測(cè)技術(shù)，通過紅外光源合理選擇及分光系統(tǒng)設(shè)置，對(duì)SF6氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)踐證實(shí)該檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)SF6分解氣體成分及含量的實(shí)時(shí)檢測(cè)，評(píng)估電氣設(shè)備帶電運(yùn)行狀態(tài)情況，為電氣設(shè)備性能分析提供可靠的依據(jù)，保障電氣設(shè)備運(yùn)行安全性。

關(guān)鍵詞：紅外光譜? 工業(yè)電氣設(shè)備? 泄漏試驗(yàn)? 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

作為一種化學(xué)氣體，SF6具有良好的穩(wěn)定性與絕緣性，被廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備中，且隨著輸變電系統(tǒng)電壓等級(jí)的提升，SF6氣體的應(yīng)用更為廣泛。通常情況下，SF6化學(xué)性能趨于穩(wěn)定，但在具體的電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中會(huì)受到電弧、火花放電等因素的影響，發(fā)生電離與分解，出現(xiàn)電氣設(shè)備氣體泄漏事件[1]，若未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、檢測(cè)，當(dāng)氣體達(dá)到一定的濃度將會(huì)損害到人體健康。目前，電力行業(yè)針對(duì)工業(yè)電氣設(shè)備的運(yùn)行問題制定了明確的標(biāo)準(zhǔn)與說明，要求在電氣設(shè)備室應(yīng)配合SF6氣體含量檢測(cè)報(bào)警儀器，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏，采取干預(yù)措施防止意外事件的發(fā)生。在電氣設(shè)備SF6泄漏檢測(cè)中常見技術(shù)包括電化學(xué)法、色譜質(zhì)譜法及化學(xué)法等，有些價(jià)格昂貴、敏感性低，有些對(duì)檢測(cè)條件有著較高的要求，難以對(duì)室內(nèi)氣體成分、變化予以準(zhǔn)確的反映[2]。近年來，紅外光譜檢測(cè)被應(yīng)用于工業(yè)電氣設(shè)備泄漏檢測(cè)中，其經(jīng)過幾十年實(shí)踐發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，可通過對(duì)氣體吸收特性的分析，獲得被測(cè)氣體成分及濃度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備泄漏情況，掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，防患于未然。

1紅外光譜檢測(cè)工業(yè)電氣設(shè)備泄漏原理

作為目前最為先進(jìn)的氣體檢測(cè)技術(shù)，紅外光譜是利用不同含量物質(zhì)對(duì)近紅外光吸收的差異，結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)對(duì)特定物質(zhì)進(jìn)行含量檢測(cè)的一種方法，具有檢測(cè)快、一測(cè)多評(píng)的優(yōu)勢(shì)。紅外光譜儀主要包括色散型與非色散型兩種，前者主要利用分光元件實(shí)現(xiàn)分光，并測(cè)量分出的單色光，工作穩(wěn)定性、可靠性好;后者無色散元件，主要是通過對(duì)調(diào)頻的干涉實(shí)現(xiàn)分光的，具有較高的光譜分辨率與測(cè)量精度，但對(duì)工作條件有著較高的要求，在具體測(cè)量過程中需要充分考慮現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境及氣候條件，排除外界因素的影響，保障測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性[3]。分光型光譜儀所用核心技術(shù)為光柵分光技術(shù)，其能夠?qū)⑦h(yuǎn)紅外光源所形成的寬譜光轉(zhuǎn)化為單色光，透過被測(cè)氣體后對(duì)吸收峰值波長(zhǎng)及強(qiáng)度予以測(cè)定，獲得氣體成分及濃度情況。該系統(tǒng)含有較少的動(dòng)檢，有利于全固態(tài)化的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)SF6在線帶電檢測(cè)，掌握電氣設(shè)備運(yùn)行過程中氣體成分變化情況，并發(fā)出故障報(bào)警。

2紅外光譜檢測(cè)工業(yè)電氣設(shè)備泄漏試驗(yàn)

2.1紅外光譜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

研究所構(gòu)建的紅外光譜檢測(cè)系統(tǒng)的主要部分包括紅外光源、分光系統(tǒng)、氣池及光電探測(cè)器，紅外光源發(fā)出的光受到球面反射鏡的作用，會(huì)在分光系統(tǒng)入射狹縫上聚集，經(jīng)過分光系統(tǒng)會(huì)以單色光呈現(xiàn)，出射狹縫后進(jìn)入氣池，不同氣體吸收度也會(huì)呈現(xiàn)出一定的差異性。利用光電探測(cè)器采集光信號(hào)，獲得吸收曲線。在測(cè)定氣體成分及濃度時(shí)主要依據(jù)的是曲線吸收峰位置及峰值大小等。

2.2紅外光源選擇

紅外光譜儀對(duì)紅外光源輻射性、輻射強(qiáng)度有著較高的要求，強(qiáng)調(diào)小體積、長(zhǎng)使用壽命紅外光源，目前較為常見的包括硅碳棒、PE-光源及氮化硅陶瓷等。硅碳棒主要成分包括Al、SiO2、MgO等，其具有較好的機(jī)械強(qiáng)度，但由于質(zhì)地脆硬，容易發(fā)生損壞、折斷，會(huì)受到溫度變化影響呈現(xiàn)電阻率非線性變化，具有耐高溫特性，但要求具備較大功率，配備制冷裝置應(yīng)用。P-E光源則具有較長(zhǎng)的使用壽命，功率穩(wěn)定，通常在800～1200℃環(huán)境下工作，但價(jià)格高，發(fā)光區(qū)域與國(guó)產(chǎn)儀器不相適應(yīng)[4]。氮化硅陶瓷則利用反應(yīng)燒結(jié)法與熱壓燒結(jié)法，具有較高的強(qiáng)度，體積穩(wěn)定，尺寸精確，具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，無需進(jìn)行預(yù)熱處理，安全溫度達(dá)到1600℃，在0.76～50um波段使用，有著較快的啟動(dòng)速度，不僅可減少耗能，而且有利于延長(zhǎng)使用壽命。研究所用氮化硅光源尺寸為5mm×20mm，電流為2A～3A，溫度為800℃。

2.3分光系統(tǒng)

作為光譜儀重要組成部分，光柵分光系統(tǒng)包括多個(gè)結(jié)構(gòu)，其中切爾尼-特納系統(tǒng)具有多次反射的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)緊湊，在小型及便攜式光譜儀系統(tǒng)中有著較高的適用性，其將兩塊小凹面反射鏡作為準(zhǔn)直鏡、成像鏡，由于曲率中心可發(fā)生重合，防止了二次衍射的發(fā)生，簡(jiǎn)化了反射鏡的裝調(diào)。閃耀波長(zhǎng)8000nm，1mm刻線數(shù)75l，尺寸規(guī)格為68mm×68mm，工作波長(zhǎng)范圍為4～17um[5]。光柵衍射方程為 ，其中光柵常數(shù)用d表示，入射角、衍射角分別用 表示。波長(zhǎng)分辨率計(jì)算方法為 ，n、N分別表示的是衍射級(jí)、光柵條數(shù)，最低分辨率經(jīng)計(jì)算為8nm。

2.4光電探測(cè)器

本研究所選擇的光電探測(cè)器為Micro-Hybrid熱釋電探測(cè)器（江陰韻翔光電技術(shù)有限公司），其具有較高的響應(yīng)靈敏度，工作波長(zhǎng)寬度大，適宜于常溫狀態(tài)下工作，波長(zhǎng)范圍為2～16um，響應(yīng)速度可達(dá)到105V/M。需要注意的是熱釋電探測(cè)器的應(yīng)用應(yīng)在動(dòng)態(tài)光照條件下完成，通過調(diào)制光源光斬波器，將其頻率設(shè)置為22Hz。

2.5報(bào)警功能設(shè)計(jì)

研究應(yīng)用無線接收儀，在具體使用過程中先按下開關(guān)鍵將儀器打開，該報(bào)警系統(tǒng)設(shè)置有背光系統(tǒng)，可根據(jù)實(shí)際情況將背光打開或關(guān)閉，報(bào)警點(diǎn)設(shè)置，需要按住3s后可進(jìn)入設(shè)置界面，然后通過上下鍵對(duì)相應(yīng)數(shù)值作出調(diào)整，完成設(shè)置后方可退出[6]。當(dāng)電氣設(shè)備中的SF6含量測(cè)量值較報(bào)警值高，系統(tǒng)可自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警，氣體類型可在畫面上顯示。通常啟動(dòng)系統(tǒng)后，需要進(jìn)行120s預(yù)熱才能夠進(jìn)入正常測(cè)量狀態(tài)。開機(jī)狀態(tài)下儀器能夠?qū)F6作出自動(dòng)調(diào)節(jié)，一般歸為0。若SF6濃度>1000×10-6后，雙氣體探測(cè)儀會(huì)發(fā)出報(bào)警，直至恢復(fù)到正常狀態(tài)，報(bào)警聲可撤銷[7]。

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

研究采用在線紅外光譜檢測(cè)系統(tǒng)，測(cè)定了SF6氣體，將測(cè)試溫度設(shè)置為21℃，濕度控制在30%，將大氣壓調(diào)整為99kPa，壓力設(shè)置為0.1MPa。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，首先將氣池與樣氣瓶連接，將檢測(cè)系統(tǒng)的氣池閥門、樣氣氣瓶閥門打開，調(diào)整氣體壓力為0.1MPa，預(yù)處理5min，將測(cè)試軟件啟動(dòng)，15min后采集圖像。

研究分析了紅外光譜檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)SF6氣體泄漏檢測(cè)精度，結(jié)果如表1所示。經(jīng)過多次比對(duì)試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)其對(duì)SF6檢測(cè)范圍為0～1500×10-6，精度為±50×106。

另外，研究在試驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)不同壓強(qiáng)下SF6/N2混合氣體泄漏情況進(jìn)行了試驗(yàn)，將兩種氣體混合均勻，并將真空氣室中的真空抽空，直至氣室壓強(qiáng)為30Pa，對(duì)流量計(jì)流量作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，在真空氣室中注入混合氣體，對(duì)泄漏予以模擬，真空氣勢(shì)達(dá)到常壓后，應(yīng)用紅外光譜檢測(cè)儀對(duì)SF6進(jìn)行測(cè)量，獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

4結(jié)語

研究設(shè)計(jì)的紅外光譜檢測(cè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊密，在工業(yè)電氣設(shè)備SF6泄漏檢測(cè)中有著較高的適用性，具有光程短、精度高等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)SF6的吸收，便于對(duì)混合氣體成分的判定，設(shè)備中氣室壓力大，通過減壓機(jī)構(gòu)能夠控制其氣體壓力，該檢測(cè)系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確度與重復(fù)性，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)不同壓強(qiáng)下SF6的檢出，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)電氣泄漏情況，確保設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，推廣價(jià)值高。

參考文獻(xiàn)

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