六氟化硫(SF6)是在1900年由两位法国化学家Moissan和Lebeau合成的一种无色无臭的惰性气体, 由于其优良的电气绝缘性和较好的灭弧性能, 被广泛应用于气体绝缘组合电器(GIS)、断路器、隔离开关等高压电力设备中[1-2]。由于电力设备的安装、材料质量或长时间运行发生老化等诸多原因, 设备内SF6气体可能会发生泄漏使气体压力降低, 导致气体绝缘强度和灭弧能力下降, 给设备运行带来极大的安全隐患, 并且还会严重威胁检修人员的生命安全。在《京都议定书》中, SF6气体被列为禁止排放的6种温室气体之一, 其单分子的温室效应是二氧化碳的23 900倍, 在大气中的寿命约3 400年, SF6气体的泄漏将会严重污染人类的生存环境。因此, 研究SF6气体检测方法并使用SF6气体检漏仪对电力设备进行定期检测具有重要的意义。

早期对泄露的SF6气体的检测主要采用皂水法、包扎法两种检测方法, 但在检测过程中都需停电停运, 影响电厂的正常运行。从20世纪90年代末期至今, 带电SF6气体检漏仪器逐渐发展起来。本文根据SF6气体检测技术的研究进展, 对SF6气体泄漏检测技术中常用的非光学和光学检测技术进行了概述, 分析比较了各种技术的优缺点, 并提出了SF6气体检漏仪的未来发展趋势。

SF6气体非光学检测技术有:气体浓度监测技术、真空负离子捕获技术、紫外电离技术、负电晕放电技术。

目前, 气体浓度监测技术是高压设备内SF6气体泄漏监控最常用的一种技术, 它主要是通过测量高压设备气室内的气压和温度实现对SF6气体浓度的监控。Graber等[3-4]根据日光辐射对GIS开关设备中SF6气体浓度分布的影响的研究, 提出了基于模型的滤波算法, 降低了传感器测得信号的波动, 从而及早检测到了微量SF6气体的泄漏。虽然该技术具有结构简单, 测量范围大等优势, 但测量精度不高。

真空负离子捕获技术, 也即离子阱技术, 首先需把被测气体进行离子化, 即产生自由电子, 再把离子化的被测气体送进离子池, 则自由电子被离子池吸附形成负离子, 然后再经过真空状态下的均匀电场, 在电场作用下离子流增加, 通过对电流信号进行放大和检测, 即可得出被测气体的浓度大小。2003年, 英国ION SCINECE公司推出了GASCHECK P1型SF6气体泄漏定量漏检仪[5]。该技术虽然稳定性好, 但需配合真空泵和流量传感器使用, 结构复杂且价格昂贵, 不适合现场监测使用。

紫外电离技术是通过点燃水银灯发射184.9 nm的紫外线, 使光电阴极电离出电子。电子与O2以及SF6结合后形成负离子, 并在加速电极的加速下移动到加速电极上。因SF6气体离子速度较氧气离子运动速度慢, 则含有不同浓度的SF6气体到达加速电极时存在时差, 在检测电阻上生成的持续电流大小不同, 据此可根据时差的不同推算出SF6气体的浓度。姜宝林等[6]基于紫外电离技术开发了SF6气体漏检仪, 其中传感器结构图如图 1所示。但紫外电离技术主要还存在零点漂移、精度不高和不能准确判断泄漏部位等不足。

负电晕放电技术是基于电晕放电原理, 指在电场强度很高的不均匀电场区域内, 带电体表面在气体或液体介质中出现的局部的自持放电现象, 而SF6气体具有负电性对负电晕放电有一定的抑制作用, 使电晕电流减小, 将电流改变值经放大电路转换为浓度指示值, 从而来检测泄漏的SF6气体。检测原理可表示为

式中:C 为待测SF6气体浓度; ΔI为电流改变量; K为比例系数。

基于负电晕放电技术的SF6检测技术具有稳定性好、结构简单和灵敏度高等优点, 已在我国电力系统得到应用。但是负电晕传感器因易损坏、寿命短、成本高等原因限制了其应用和发展, 陈硕等[7]提出了基于负电晕放电原理的微机电系统(MEMS)方法, 减少了尖端电极曲率半径, 较传统电晕放电传感器具有体积小、寿命长、稳定性好等优势, 有望代替传统的电晕放电传感器。

由于非光学SF6检测技术存在定位性能差、检测精度易受环境影响等不足, 近年来以激光成像技术、红外吸收光谱技术以及光声光谱技术等为代表的光学检测技术已逐渐成为SF6气体检测技术的发展趋势。

激光出现在20世纪60年代, 由于其高亮度、单色性和很好的相干性被广泛应用于各个领域。如今, 激光成像检漏仪因其非接触式、灵敏度高、远距离和仪器便携等优点, 已被大量应用于高压设备中SF6气体泄漏检测中。激光成像技术的基本原理是向需检测的设备发射激光, 将反射或反向散射的一部分激光在探测设备上进行成像处理, 最后生成视频影像。当激光成像技术应用于SF6气体检漏系统中时, 若被测设备没有SF6气体泄漏, 则在检测影像中所产生的背景图像与摄像机拍摄的图像相同; 当发生SF6气体泄漏时, SF6吸收特定波长(10.6 μm)的红外激光, 从而反射回来的激光强度减弱, 因此在影像中会形成阴影区域, 由此判定SF6气体泄漏分布情况并对泄漏量进行检测[8]。检测SF6泄漏的激光成像原理如图 2所示。

在国外, 美国LIS公司较早研发了以Gas-VueTG-30产品为代表的SF6气体激光成像泄露探测仪, 1996年后广泛应用于美国电力行业, 并在2000年对SF6气体激光成像泄露探测仪进行更新, 研发出体积更小, 更轻便, 更适合现场使用的探测仪[9]。在国内, 也有企业相继研发SF6激光成像检漏系统, 实现国产化, 并已投入电力行业使用。李明等[10]研发了TG80型的SF6气体泄漏激光成像仪, 并在一些变电站内投入使用, 与传统方法相比, 该仪器在不停电停运的情况下就能实时检测SF6泄漏位置。高树国等[11]应用激光成像技术对充有SF6高压电气设备进行泄漏检测, 找到了泄漏点, 验证了SF6激光成像检漏仪的精确定位、远距离、无需停电等优点。激光成像技术能够检测SF6泄漏点的位置并以图像形式显示泄漏点的信息, 但是不能检测SF6泄漏气体浓度大小。

红外吸收光谱技术是以朗伯-比尔定律(Lambert-Beer law)为理论基础, 通过测量穿过气体的入射光与出射光强度的变化来检测气体的浓度, 如图 3所示。当一束单色光通过均匀气体介质时, 若不改变介质环境, 气体对光的吸收强度与自身的浓度成正比, 还与气体的吸收长度成正比。Lambert-Beer定律表达式为

式中:I(ν)为被气体吸收后的激光强度; I0(ν)为光穿过气体之前的初始激光强度; α(ν)为在频率ν处气体分子的吸收系数; C为被测气体的浓度, L为光程吸收长度。

随着半导体、光纤技术及电力事业的迅速发展, 红外吸收光谱技术在SF6气体检测方面得到广泛的应用和研究。红外吸收光谱技术根据检测原理和系统结构不同又可分为傅里叶变换红外吸收光谱技术、非色散红外吸收光谱技术和可调谐二极管激光吸收光谱技术。

傅里叶变换红外吸收光谱技术是将迈克尔逊干涉仪、调制技术与计算机技术相结合的一种新型技术。其基本原理:光源发出的光被分束器分为两束, 一束经透射到达动镜, 另一束经反射到达定镜, 两束光分别经定镜和动镜反射再回到分束器, 动镜以一恒定速度作直线运动, 因而经分束器分束后的两束光形成光程差, 产生干涉; 干涉光在分束器会合后通过样品池, 然后含有样品信息的干涉光到达检测器, 再通过傅里叶变换对信号进行处理, 最终得到吸光度-波数(或波长)的红外吸收光谱图。

相比于传统的色散光谱学方法, 傅里叶变换红外吸收光谱技术在信噪比、分辨率、探测速度和可检测组分种类等方面更有优势, 在SF6泄漏气体检测和SF6分解产物的组分分析中得到较好的应用。在国外, 瑞士高压实验室的Piemontesi等[12]使用光程长度为0.175 m的气体池研究H2O和O2对SF6分解组分的影响, 通过针-板电极放电后, 利用傅里叶变换红外吸收光谱技术检测到了S2F10等10种分解组分, 实验结果发现H2O和O2的存在会减少S2F10的含量。在国内, 重庆大学任江波[13]通过在光学系统中增加了迈克尔逊干涉仪即傅里叶变换红外光谱分析法, 较好地实现了SF6分解组分的定性定量分析。但基于傅里叶变换红外吸收光谱技术的SF6检漏仪结构较复杂, 不适合在线测量。

非色散红外吸收光谱技术(NDIR)的基本原理:采用两个窄带滤光片进行滤光, 一个作为测量, 一个作为参比, 然后经探测器对比两个检测信号, 可得被测气体吸收红外光的大小从而得出浓度[14]。Yuan等[15]设计了一种基于NDIR的高灵敏度的SF6气体浓度检测仪, 测量范围可达0~50 ppm(1 ppm=10-6), 精度为0.1 ppm, 对于设备的密封性检测有着实际的意义。基于非色散红外的SF6传感器利用气体分子对红外光选择性吸收的性质, 实现了SF6气体浓度的定量检测。但经过长期使用后, 非色散红外SF6传感器会存在光源老化、光路干扰和探测器噪声等问题, 使得系统不稳定并使测量误差增大。常建华等[16]基于非色散红外吸收原理, 以电调制红外光源、采样气室和双元红外探测器组成的红外传感模块为核心, 利用差分吸收检测技术设计了一种小型化高性能的SF6气体传感器。实现结果表明此传感器具有良好的重复性和稳定性。其中NDIR光路结构如图 4所示。

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)的基本原理:在激光器发出激光波长稳定后, 通过改变注入电流和工作温度, 实现电流调谐频率使激光波长过气体吸收谱线, 然后将激光打进充满待测气体的长光程吸收池内, 待测气体受激吸收使得激光光强发生衰减, 对吸收后的光谱信号进行采集和处理, 得到含有气体浓度信息的数据, 该方法避免了其他背景气体对检测结果造成的干扰。TDLAS检测原理如图 5所示。徐元哲等[17]利用红外吸收光谱法和谐波检测方法, 设计出了全光纤光学式SF6红外气体传感器及SF6气体浓度检测系统, 具有较好的实验结果。余志祥等[18]应用TDLAS技术研制了一台检测SF6气体中H2S气体浓度的检测样机, 实验结果表明该样机达到了较高的精度。基于TDLAS的SF6气体检测技术实现了实时在线监测功能, 但由于仪器价格昂贵限制了很多应用领域。

光声光谱技术(PAS)是基于光声效应的一种吸收光谱技术, 最早是由A.G.贝尔发现的[19]。其基本原理是将调制光源发射到含有被测气体的光声池内, 气体分子吸收特定波长的光后, 因其本身固有的分子结构从基态跃迁到激发态, 而部分处于激发态的分子在光声池内通过无辐射跃迁到基态并释放热量, 从而使气体分子发生周期性的热膨胀产生微弱的声波信号, 通过微音器产生电压信号, 实现对气体浓度的检测, 其检测原理如图 6所示。

近年来, 随着新型光源、光声池、微音器及微弱信号检测技术的迅猛发展, 光声光谱技术已成为一种新型的气体检测技术, 其具有灵敏度高、选择性好、检测范围大等优点, 在医学、物理、化学、材料学、生物学以及大型高压设备等实时在线监测方面得到广泛应用[20]。同时, 国内外的研究所和高校对基于光声光谱技术检测泄漏的SF6气体也开展了大量的研究和应用。

在国外, Gondal等[20]以CO2激光器为光源, 对比了用不同的光声池搭建光声光谱系统时SF6气体检测的灵敏度, 发现检测灵敏度均在ppt(1 ppt=10-12)级。Rocha等[21]分别采用量子级联激光器和CO2激光器构建光声光谱检测系统对SF6气体进行检测, 采用量子级联激光器时检测灵敏度达到50 ppb(1 ppb=10-9), 而采用CO2激光器时达到了20 ppb。随着半导体激光器性能的迅速提高, 尤其是在1994年美国贝尔实验室的研究人员研制出了量子级联激光器, QC-DFB(quantum-cascade distributed-feedback laser)也在光声光谱技术中得到了广泛应用[22-23]。Spagnolo等[24]采用发射波长为10.54 μm的光纤耦合量子级联激光器(QCL)和石英增强光声光谱(QEPAS)技术的敏感光谱传感器, 对SF6进行检测, 达到了50次/Mbit的最小检测灵敏度。在国内, 郭小凯等[25]采用波长范围为1~20 μm的中远红外光源, 且结合自行设计的光声腔搭建了光声光谱实验系统, 对SF6和空气的混合气体进行检测, 实验结果表明该系统具有较好的线性度和稳定性。李勇等[26]采用宽带红外热辐射光源, 并自主设计具有结构简单和高耦合效率的圆柱形光声池, 结合STM32嵌入式处理器进行光声信号采集, 较好地实现了SF6气体浓度检测。

根据上述七种SF6气体检测技术的检测技术、检测范围、检测灵敏度和应用领域等方面的不同, 对比分析了各技术的优缺点, 如表 1所示。

为了满足复杂高压电力系统中快速准确检测SF6泄漏气体的需求, 以及保障检修人员的生命安全和减少环境污染, 研究高效的SF6气体检漏技术至关重要。本文分别介绍了非光学和光学两方面SF6气体检测技术的基本原理, 重点阐述了光学检测技术和国内外研究现状, 研究资料显示, 光声光谱技术因其灵敏度高、选择性强、测量范围大等优点已成为近几年研究的重点。

目前, 常用的SF6气体检漏技术都有各自的不足, 且技术不够成熟, 很难满足高压设备SF6泄漏气体的实时在线监测的需求。通过对现有技术的比较, 我们认为未来发展趋势如下:

(1) 随着光学技术的发展, 红外吸收光谱技术和光声光谱技术以其各自的优势将会成为SF6气体检测的主要技术, 同时, 还需优化检测系统整体结构并研究更有效的信号处理算法, 达到精确的定位和定量检测。

(2) 在使用检漏仪时, 为使检修人员操作便携并与泄漏口保持安全距离, 需研制小型化和智能化的检漏仪。

(3) 为了更有效地进行实时监控, 可以研制监控软件, 并根据用户的需求开发用户界面, 实现人机交互。