吸附剂掺杂的碳纳米管检测SF6放电分解组分的气敏特性研究

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六氟化硫(SF6)是一种极不活泼的气体,化学性质稳定、不易分解,现如今,在电力系统中,SF6几乎成为气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,简称GIS)唯一的绝缘和灭弧介质被广泛使用。随着运行年限的增加,GIS内部会因缺陷而产生局部放电(partial discharge,简称PD),导致SF6气体发生分解,生成的多种低氟硫化物与GIS中的微量水分、氧气进一步反应生成SOF2、SO2F2、SO2和H2S等特征组分气体,利用这些特征组分气体含量的检测来分析放电量水平、对GIS设备进行状态评估已成为目前研究的热点问题。基于碳纳米管的气敏传感器具有灵敏度高、工作温度低及尺寸小等优点而适合用于SF6气体分解组分的在线监测。本文在本征碳纳米管传感器的基础上,研制了用于检测SF6气体分解组分的吸附剂掺杂的碳纳米管气敏传感器,利用SF6气体分解组分检测试验平台,研究了本征碳纳米管、K型分子筛掺杂和吸附剂4A分子筛掺杂的传感器对四种主要分解组分SO2、SOF2、SO2F2和H2S气体的气敏响应特性,并重点分析了不同掺杂比例对碳纳米管的气敏性能的影响,对比了两种掺杂对不同气体的气敏响应特性。与本征碳纳米管相比,经K型分子筛掺杂的碳纳米管气敏传感器对SOF2和SO2F2气体的电阻变化率均有了一定程度的提高;与本征和K型分子筛掺杂的碳纳米管相比,经4A分子筛掺杂的碳纳米管气敏传感器对SO2和H2S气体的电阻变化率均有了较大幅度的提高。同时,SO2、H2S、SOF2及SO2F2气体的浓度和检测传感器的电阻变化率之间均能满足较好的线性关系。不同的传感器对四种分解组分SO2、H2S、SOF2及SO2F2气体的响应差别较大。掺杂比为5:1、10:1和20:1的传感器吸附SOF2气体的电阻变化率提高到13%左右,约为本征传感器的10倍。掺杂比为10:1掺杂的传感器吸附SO2F2气体的电阻变化值达到17.3%,为本征传感器电阻变化值的9倍左右。掺杂比为10:1的传感器吸附SO2气体的电阻变化率提高到33.7%,为本征传感器电阻变化值的35倍。掺杂比为5:1、10:1和20:1的传感器吸附H2S气体后电阻变化率可达到50%左右,约为本征传感器的4倍。因此,根据该特性可以制作不同掺杂比例的传感器来获取对四种气体的选择性。分子筛的加入改变了碳纳米管传感器对不同气体的选择性。对于SOF2和SO2F2气体来讲,K型分子筛以20:1掺杂的传感器对二者有比较好的区分能力;而对于SO2和H2S气体而言,4A分子筛以5:1掺杂的传感器对它们的选择性最好。
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