六氟化硫和氮气混合气体分解产物检测系统及其检测方法技术领域
本发明属于高压电气设备绝缘技术领域，尤其涉及一种六氟化硫和氮气混合气体
分解产物检测系统及其检测方法。
背景技术
我国在20世纪70年代就开始了对六氟化硫(SF6)的混合气体作为绝缘介质的研
究，当时考虑用混合气体代替高纯SF6气体的主要原因是，SF6气体有许多不足之处，如:价格
昂贵，对电场均匀性比较敏感，以及低温下容易液化，不适用于北方严寒地区使用等。但在
均匀场中相同气压的SF6混合气体的绝缘强度没有高纯SF6气体的绝缘强度高，不易满足现
场使用要求，故我国的绝大多数高压绝缘设备仍采用高纯SF6作为气体绝缘介质。
随着经济的发展，国际社会越来越重视环保和节能减排，在此背景下，SF6气体的
温室效益逐渐被重视。1997年通过的《京都议定书》将SF6列为全球6种温室气体之一。各国
科学家和电力部门展开了大量的混合气体研究，期望以SF6/N2混合气体代替纯SF6气体，作
为开关设备的绝缘气体，以减少SF6的使用量，从源头上减少SF6排放的温室效应。
从目前的各项研究和应用来看，SF6/N2混合气体有很好的应用前景。我国现阶段进
行的各项试验研究表明，SF6/N2混合气体在放电时并没有新的毒物生成，且对电极表面缺陷
的敏感程度较小；从应用来看，采用SF6/N2混合气体作为断路器的灭弧、绝缘介质，在.ABB、
西门子等国外电气公司中已经获得应用。
随着SF6/N2混合气体逐渐替代SF6纯气作为开关设备绝缘气体，混合气体中SF6气
体的分解产物浓度分析、SF6气体纯度检测、SF6微水检测等课题的研究也提上了日程。
虽然SF6/N2混合气体在物理化学特性上与高纯SF6相似，但在分解产物气体分析算
法上存在很大差别，如果依然沿用高纯SF6气体下SF6分解产物检测设备和算法，结果会造成
比较大的测量误差，无法满足相关国标计量要求。如果这样的设备安装到SF6/N2混合气体的
高压设备上，轻者混合气体的各项参数测量不准确，严重的会出现设备误动作、误报警等情
况，严重威胁SF6开关设备的安全运行。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种六氟化硫和氮气混合气体分解
产物检测系统及其检测方法，该系统能够实现SF6/N2混合气体分解产物含量的准确测量，满
足类似应用环境下的监测、检验需求，监控开关设备的运行状态。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：六氟化硫和氮气混合气体分解
产物检测系统，包括主控单元、显示单元、进气管路、出气管路、第一检测气路和第二检测气
路，第一检测气路和第二检测气路并联设置，进气管路的进气口设有带流量调节阀的进气
管接头，第一检测气路和第二检测气路的进气口与进气管路的出气口连接，第一检测气路
和第二检测气路的出气口与出气管路的进气口连接；
第一检测气路上设置有分解产物及温度传感单元和流量传感单元，第二检测气路上设
置有纯度传感单元和压力传感单元，主控单元通过电缆分别与显示单元、分解产物及温度
传感单元、纯度传感单元、流量传感单元和压力传感单元连接。
六氟化硫和氮气混合气体分解产物检测系统的监测方法，包括以下步骤：
1）将进气管接头连接到高压开关设备上，确保密封严实；
2）分解产物及温度传感单元、纯度传感单元、流量传感单元和压力传感单元分别获得
气体温度、分解产物原始信号量、混合气体的浓度变化、混合气体的流量及气路内部压力信
号量，然后通过数字信号或者模拟信号将数据上传给主控单元，由主控单元通过该多元复
合算法计算出SF6/N2混合气体中分解产物各组分含量；
3）再由显示单元实时显示混合气体的SF6浓度、分解产物含量、温度值，并可保存SF6/N2
混合气体的SF6纯度、分解产物含量等参数，以备日后通过历史查询功能进行复查、研究，同
时还根据相应标准文件提供状态提示功能，提醒用户当前高压设备的运行状态。
步骤3）中多元复合算法的具体计算过程为：
理论上纯SF6气体和纯N2气体中分解产物各组分含量采用公式（1）进行计算，
（1）
其中：
，纯SF6背景下，一定浓度的纯度传感单元响应值
，混合气中SF6体积含量（v/v）%
，纯N2背景下，一定浓度的纯度传感单元响应值
，混合气中N2体积含量（v/v）%
，温度、流量补偿系数，其中用于区分不同的气体类型，比如：SO2、H2S、CO，p 为
温度、流量参数
从纯SF6气体和纯N2气体的状态方程出发，仔细分析了实际气体和理想气体的差别，根
据格拉罕姆定律，分析了混合气体中分解产物各组分的基本的扩散规律，并通过不同的权
重比，进行去交叉运算及动态补偿，最后得到算混合气体分解产物各组分含量；
根据格拉罕姆定律可知，同温同压下N2中分解产物气体扩散速度是SF6中分解产物气
体扩散速度的2.28倍，从而导致同等条件下N2中的分解产物传感器响应量和SF6中分解产物
传感器响应量也存在类似关系，但针对不同的组分其比例关系也不尽相同，经过大量高低
温实验、不同SF6下特定组分的分解产物气体实验、一定浓度SF6，体积含量为30%不同组分的
分解产物气体实验，并对数据整合分析，综合考虑各因素，根据公式（1）得到任意比例的
SF6/N2混合气中分解产物含量的多元复合公式：
（2）
其中：
，为传感器原始信号补偿系数
，为分解产物传感单元的不同传感器的响应量
，温度、流量补偿系数
，代表不同的分解产物气体，例如：SO2、H2S、CO
p ，为温度、流量参数。
采用上述技术方案，经过大量的试验和数据统计计算，本发明探索出一套切实可
行的SF6混合气体中分解产物浓度分析的测量方法，并依据此方法研制了SF6/N2混合气体分
解产物检测系统。本发明的目的是检测混合气体中分解产物气体各组分含量，该系统纯度
传感单元检测混合气体中SF6的体积含量，分解产物传感单元测试分解产物原始信号及环
境温度，最后各信号送入主控单元，并通过内嵌算法（包含去交叉、流量补偿、温度补偿等），
得到混合气体中分解产物气体各组分的含量。本发明从物理学意义角度，依据大量实验数
据分析及特定的多元复合补偿算法，通过单次校准某一特定SF6浓度下的分解产物测量功
能，即可用于检测任意比例SF6与N2混合气体中的分解产物含量，尤其适合3:7这一比例下的
SF6/N2混合气体分解产物的测量功能。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的六氟化硫和氮气混合气体分解产物检测系统，包括主控单元
1、显示单元2、进气管路3、出气管路4、第一检测气路5和第二检测气路6，第一检测气路5和
第二检测气路6并联设置，进气管路3的进气口设有带流量调节阀7的进气管接头8，第一检
测气路5和第二检测气路6的进气口与进气管路3的出气口连接，第一检测气路5和第二检测
气路6的出气口与出气管路4的进气口连接；
第一检测气路5上设置有分解产物及温度传感单元9和流量传感单元10，第二检测气路
6上设置有纯度传感单元11和压力传感单元12，主控单元1通过电缆分别与显示单元2、分解
产物及温度传感单元9、纯度传感单元11、流量传感单元10和压力传感单元12连接。
六氟化硫和氮气混合气体分解产物检测系统的监测方法，包括以下步骤：
1）将进气管接头8连接到高压开关设备上，确保密封严实；
2）分解产物及温度传感单元9、纯度传感单元11、流量传感单元10和压力传感单元12分
别获得气体温度、分解产物原始信号量、混合气体的浓度变化、混合气体的流量及气路内部
压力信号量，然后通过数字信号或者模拟信号将数据上传给主控单元1，由主控单元1通过
该多元复合算法计算出SF6/N2混合气体中分解产物各组分含量；
3）再由显示单元2实时显示混合气体的SF6浓度、分解产物含量、温度值，并可保存SF6/
N2混合气体的SF6纯度、分解产物含量等参数，以备日后通过历史查询功能进行复查、研究，
同时还根据相应标准文件提供状态提示功能，提醒用户当前高压设备的运行状态。
步骤3）中多元复合算法的具体计算过程为：
理论上纯SF6气体和纯N2气体中分解产物各组分含量采用公式（1）进行计算，
（1）
其中：
，纯SF6背景下，一定浓度的纯度传感单元响应值
，混合气中SF6体积含量（v/v）%
，纯N2背景下，一定浓度的纯度传感单元响应值
，混合气中N2体积含量（v/v）%
，温度、流量补偿系数，其中用于区分不同的气体类型，比如：SO2、H2S、CO，p 为
温度、流量参数
从纯SF6气体和纯N2气体的状态方程出发，仔细分析了实际气体和理想气体的差别，根
据格拉罕姆定律，分析了混合气体中分解产物各组分的基本的扩散规律，并通过不同的权
重比，进行去交叉运算及动态补偿，最后得到算混合气体分解产物各组分含量；
根据格拉罕姆定律可知，同温同压下N2中分解产物气体扩散速度是SF6中分解产物气
体扩散速度的2.28倍，从而导致同等条件下N2中的分解产物传感器响应量和SF6中分解产物
传感器响应量也存在类似关系，但针对不同的组分其比例关系也不尽相同。经过大量高低
温实验、不同SF6下特定组分的分解产物气体实验、一定浓度SF6，体积含量为30%不同组分的
分解产物气体实验，并对数据整合分析，综合考虑各因素，根据公式（1）得到任意比例的
SF6/N2混合气中分解产物含量的多元复合公式：
（2）
其中：
，为传感器原始信号补偿系数
，为分解产物传感单元的不同传感器的响应量
，温度、流量补偿系数
，代表不同的分解产物气体，例如：SO2、H2S、CO
p ，为温度、流量参数。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发
明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方
案的保护范围。