内蒙古电力技术  2016, Vol. 34 Issue (006): 85-88   PDF    
引用本文
王琼, 张慧芬, 车传强 . SO2红外传感器在SF6分解物检测中的测量特性分析[J]. 内蒙古电力技术, 2016, 34(006): 85-88.[doi:10.3969/j.issn.1008-6218.2016.06.012]  
WANG Qiong, ZHANG Huifen, CHE Chuanqiang. Measurement Characteristics Analysis of SO2 Infrared Sensor in SF6 Decomposition Detection[J]. INNER MONGOLIA ELECTRIC POWER, 2016, 34(006): 85-88.[doi:10.3969/j.issn.1008-6218.2016.06.012]  
SO2红外传感器在SF6分解物检测中的测量特性分析
王琼, 张慧芬, 车传强     
内蒙古电力科学研究院, 呼和浩特 010020
[收稿日期] 2016-11-20
[基金项目] 内蒙古电力（集团）有限责任公司2014年第一批科技项目（201401039）
[作者简介] 王琼(1986),女,内蒙古人,硕士,工程师,从事电气设备在线监测和故障诊断工作。
摘要: 利用MF-5B多组分动态配气系统将被测气体依次通入置于恒温箱的SO2红外传感器，用以分析SO2红外传感器在SF6分解物检测中的测量特性。试验结果表明：SO2红外传感器测量误差范围为±2×10-6；各试验温度下传感器零位漂移量与环境温度存在唯一对应关系，依此可绘制传感器零漂特性曲线，以修正传感器的零位漂移量；某温度下被测气体体积分数为传感器漂移量与其零位漂移量之差。在明确传感器测量特性的基础上，可免去SO2红外传感器零位标定工作。试验结果可为红外线法SF6分解物检测仪的研制提供参考。
关键词: 多组分动态配气系统     SF6分解物     SO2红外传感器     零位漂移量     红外线法     环境温度    
Measurement Characteristics Analysis of SO2 Infrared Sensor in SF6 Decomposition Detection
WANG Qiong, ZHANG Huifen, CHE Chuanqiang     
Inner Mongolia Power Research Institute, Hohhot 010020, China
Abstract: In this paper, use the dynamic gas mixing equipment to place the detected gas into the SO2 infrared sensor which is kept in incubator, as to do some research on the measurement characteristics of SO2 infrared sensor in SF6 decomposition detection.The results show that:the deviation range of SO2 infrared sensor measurement is ±2×10-6;under different experimental temperatures, the corresponding relationship between temperature and zero temperature drift exists only one to one correspondence.According to that, the sensor characteristic curve to correct working temperature sensor's zero offset could be mapped;the measured gas concentration was equal to the difference between the offset of a certain gas concentration and zero offset under the same temperature.In clear of the sensor performance, the sensor zero calibration work caused by the change of working environment could be removed in the actual use.
Key words: muti-component dynamic orchestration system     SF6 decomposition     SO2 infrared sensor     zero drift     infrared method     environment temperature    
0 引言

在气体绝缘金属封闭组合电器（GIS）和SF6断路器等电气设备的检测手段中，分解气体检测法因受现场电磁干扰小、可准确定位缺陷或故障气室等优势，得到了广泛的应用[1-10]。由于SF6气体分解产物的种类及其含量与设备故障类型、设备位置及损坏程度有直接关系，因此通过检测分解物种类和含量，便可对设备进行状态评估和故障诊断[11]。SF6分解物检测仪的传感器根据电化学法、红外线法、紫外线法、气相色谱法和气体检测管法等不同原理研发而成；各类传感器由于其工作原理不同而各有优劣，检测时需要依据检测对象及其所处环境进行选择[12-14]。其中，电化学传感器当前应用最为广泛，但存在其电解液饱和和衰减等缺陷；红外传感器可利用被检测物质的分子或各种官能团所吸收的红外线光能量大小，通过改变传感器内置电容器电容量大小来检测气体的体积分数，该类型传感器可分析多种化合物的组成及其结构，因而具有一定的研究和实用价值[15-17]。

《HJ 629—2011 固定污染源废气二氧化硫的测定非分散红外吸收法》中提到，SO2对6.82~9 μm波长的红外光谱具有选择吸收性[18]；文献[19]指出：SO2与SF6气体的红外光吸收峰较为接近，因此采用SO2红外传感器检测SF6气体中SO2的体积分数时，SF6对传感器的检测结果有一定干扰。同时，在SO2红外传感器检测应用中也发现，当环境温度变化时，SO2红外传感器的漂移量不尽相同，从而导致测量不够准确。因此，明确SO2红外传感器的测量特性是研发检测仪软件、补偿传感器测量漂移量的必要条件[20]。本文借助MF-5B多组分动态配气系统，研究了SO2传感器在SF6分解物检测中的测量特性，其结果可为基于红外线法SF6分解物检测仪的研制提供技术指导。

1 试验目标

为确定SO2红外传感器的测量特性，需明确以下3个问题：

（1） 传感器在不同温度下的零位稳定性如何；

（2） 环境温度和零位漂移量之间是否存在关联；

（3） 某一温度下，SO2气体体积分数不同时，SF6对传感器的影响程度如何以及SO2红外传感器的零位漂移量如何变化。

若SO2红外传感器的零位漂移量和环境温度之间存在唯一对应关系，便可形成零位随温度变化的漂移曲线，进而可利用传感器自身配置的温度传感器读数对其零位进行温度修正，以保证测量时的准确性；通过检测SF6气体对SO2红外传感器的影响程度，便可掌握在检测不同温度、不同体积分数SO2气体时传感器的测量特性；然后利用软件进行计算修正，可省去检测仪使用前的标准气体零位标定工作，从而提高SO2红外传感器在SF6分解物检测中的实用性。

2 试验平台与方法 2.1 试验平台

根据国家电网公司文件生变电（2011）50号《关于开展SF6气体分解物检测仪检验工作的通知》规定，气体配气仪选用中国计量科学研究院校验合格的四通道MF-5B 多组分动态配气系统（如图 1 所示），标准气为纯度为99.995%的SF6气体及以SF6为底气、体积分数为99.5×10-6的SO2标准气体[21]。试验时将SO2红外传感器、传感器变送板及气路置于恒温箱内。

图 1 MF-5B多组分动态配气系统
2.2 试验方法及步骤

（1） 试验前，利用纯SF6气体冲洗SO2红外传感器30 min，保证试验气路无残留空气的干扰。

（2） 调节恒温箱至指定试验温度，待温度稳定（需约0.5 h）后，通入纯SF6气体，通气时长3 min（分解物检测仪检测时长一般为1~3 min），然后读取该温度下传感器零位漂移量；在该温度下依次通入不同体积分数的SO2气体，通气3 min后读取传感器的漂移量。

（3） 改变试验温度，重复（2）中所述过程，直至所有试验温度下的测量全部结束。

为了防止由于温度差异产生的偏差，进行多次重复测量，以获得各试验温度下传感器漂移量的准确值。

3 试验过程及数据分析 3.1 传感器的零位温度漂移特性 3.1.1 零位稳定性

因SO2和SF6气体的红外光吸收峰较为接近，因此选择没有红外光吸收特性的N2作为比对气体，用以分析不同温度下SF6气体对SO2红外传感器零位稳定性的影响程度。

试验时调节恒温箱到指定温度，依次将SF6和N2气体分别通入SO2红外传感器。通气3 min后，读取传感器的零位漂移量。表 1列出了10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃和30 ℃下传感器通入SF6或N2时其零位漂移量。

表 1 传感器通入SF6或N2时的零位漂移量测量值

由表 1可知：

（1） 各试验温度下，无论通入N2还是SF6气体，SO2红外传感器的零位均存在一定程度的波动，其波动范围为±2×10-6；

（2） 各试验温度下传感器通入N2时，其零位漂移量几乎不随温度变化；而通入SF6时，传感器零位明显偏移，且零位漂移量随温度升高呈负增长趋势；

（3） 不同温度下，SF6气体对SO2红外传感器的影响程度不尽相同。但同一温度下传感器的零位漂移量几乎保持稳定。

3.1.2 零位漂移量与温度的关系

为确定SO2红外传感器的零位漂移量和环境温度是否存在唯一对应关系，对10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃和30 ℃ 5个温度下的零位漂移量又进行了多次测量。测量结果见表 2，每次试验间隔时间大于48 h，即每次测量结果独立且互不干扰。

表 2 5个环境温度下传感器的零位漂移量测量值

分析表 2中数据可知，各温度下的测量结果与表 1所示结果相吻合；同时，多次试验证明，传感器零位漂移量与环境温度之间存在唯一确定关系。

根据试验结果，增加试验温度点，对表 2的零位漂移量进行逐一测试，测量数据见表 3。试验结果表明，各试验温度下SO2 红外传感器通入SF6 气体时，其零位漂移量为一个确定值。

表 3 多个试验温度下传感器的零位漂移量的测量值

根据表 3绘制零位漂移量随温度变化的曲线（简称零漂特性曲线），如图 4所示。查阅表 3或图 4的零漂特性曲线便可进行零位漂移修正。

图 4 SO2红外传感器零漂特性曲线
3.2 传感器的测量特性

3.1试验结果表明，不同温度下SO2红外传感器的零位漂移量受SF6气体的影响程度不尽相同，以下分析当传感器检测不同温度下SF6气体中的SO2气体体积分数时，其漂移量是否不同。

表 4为检测各试验温度下SF6气体中SO2体积分数时传感器的漂移量及测量偏差。

表 4 各试验温度下检测不同SO2体积分数时的漂移量及其偏差

由表 4数据可知：

（1） SO2各体积分数下的漂移量测量值与标准气体的体积分数之间的误差不超过±2×10-6，而传感器的零位漂移量波动为±2×10-6。因此认为此测量误差源于传感器自身零位的稳定程度，与被测SO2气体的体积分数无关；

（2） 同一温度下SO2红外传感器的漂移量等于该温度下传感器的零位漂移量与被测SO2气体体积分数之和；

（3） SO2气体体积分数对传感器无干扰影响，因此当环境温度变化时，仅需利用零漂特性曲线对传感器进行零位漂移量修正后便可得到被测气体体积分数。

4 结束语

SF6分解物检测仪测量结果的准确程度，直接关系着SF6断路器和GIS等开关设备故障诊断和状态评价等工作的有效性。本文通过试验分析了SO2红外传感器的零位稳定性、温度与零位漂移量的关系及传感器的测量特性，试验结果为红外线法SF6分解物检测仪的研制提供参考。同时，该结果还可为开展SO2红外传感器检测SF6分解物的相关试验研究提供指导。

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