基于紅外成像技術的SF6氣體泄漏分級檢測策略研究

徐 鉻，許艷麗，冉應兵，關蘇敏，陳云繼

(中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443000)

近年來，設備制造技術的發展和電力工業科技進步，GIS(GAS INSTULATED SWITCHGEAR)氣體絕緣全封閉組合電器開關站逐漸取代原有的露天式開關站，成為水電站重要的電能分配和輸出的重要通道。GIS開關設備作為水電站的主接線系統分配電能?，F階段，SF6氣體是開關設備氣室的主要絕緣介質，該氣體具有優良的絕緣和滅弧特性，被廣泛應用。其密度約是空氣5倍，在均勻電場中的擊穿強度約為空氣的3倍，滅弧能力約是空氣的100倍。由于設計、制造、安裝存在的問題，以及密封元件老化和外力損壞等因素的作用下，SF6氣體的泄漏問題逐漸顯現，此類案例不斷增多。當SF6氣體泄漏發生在斷路器等氣室，將會使開關設備絕緣性能降低，滅弧室滅弧能力下降，危及設備安全運行。SF6氣體在氣室中的電弧作用下，將產生硫化氫和氟化氫等腐蝕性和毒性極強的酸性物質，泄漏出來的分解物將會對進入GIS巡檢和檢修人員的健康構成嚴重損害。另外，SF6氣體還是一種溫室氣體，其溫室效應是CO2的23 900倍，泄漏到大氣中將嚴重危害大氣環境。

1 紅外成像檢漏法

紅外成像檢漏法是利用SF6氣體比空氣對長波紅外線有更強的吸收能力這一特性，采用后向散光成像技術對氣體進行成像。兩者對紅外成像不同的特性，使通常看不見的氣體泄漏，在紅外探測器下可見(圖1)。目前常用的檢測儀器有制冷型和非制冷型焦平面熱像儀、光機掃描型紅外熱像儀、紅外熱電視、紅外測溫儀。本文采用儀器是FLIR公司生產的制冷型焦平面熱像儀GF306(圖2)，該儀器采用制冷量子阱探測器對物體反射的紅外線進行測量，比普通探測器顯示更清晰。當檢測區域存在SF6氣體泄漏時，紅外光通過SF6氣體，SF6氣體分子會對特定波長(975 cm-1)的紅外光有吸收作用，吸收關系服從朗伯-比爾吸收定律。

圖1 紅外探測器工作原理

圖2 紅外檢漏儀GF306

利用SF6氣體的紅外吸收特性，紅外探測器針對極窄的光譜范圍進行調整，只能檢測到可在由一個窄帶濾波器界定的紅外區域吸收的氣體。因為SF6氣體在該光譜范圍內的吸收特性比空氣強得多，于是泄漏氣體出現區域視頻圖像將產生對比變化，從而產生煙霧狀陰影。氣體濃度越大，吸收強度越大，煙霧狀陰影越明顯，將通?？梢姽庀驴床坏降臍怏w泄漏，以紅外視頻圖像的形式直觀反映出來，檢測原理見圖3。

圖3 紅外成像檢漏原理

2 紅外成像檢漏技術實際應用

在使用紅外成像技術檢漏以前，現場技術人員發現泄漏情況，通常采用包扎法將塑料薄膜包裹懷疑區域一定時間后(通常為24 h)，用美國CPS公司LS790B檢漏儀、或優勝公司Q200(圖4)進行定位，儀器采用DC負電暈檢測法，可對包扎區域進行定性分析和定量分析。再對包扎區域的密封面涂刷肥皂水進行定位，這種方法現場使用的時候費時費力且無法準確定位。

圖4 SF6氣體檢測儀Q200

2.1 紅外成像定位法

一般在以下情況時，應進行SF6氣體泄漏檢測：

1)SF6電氣設備在投運前、解體檢修后；

2)運行中通過巡檢或者在線監測系統發現SF6電氣設備氣室壓力有明顯降低；

3)SF6電氣設備補氣間隔小于1年時。

紅外成像定位法基于SF6氣體的紅外吸收特性通常按以下方法進行定位檢測：首先檢查成像儀是否正常工作，確認電源正常；根據SF6電氣設備情況，確定檢測部位；根據檢測部位調整檢測儀器；至少選擇三個不同方位對設備進行檢測，以保證對設備的全面檢測；記錄泄漏部位的視頻和圖片；出具檢測報告。

紅外成像定位法的優點是：能發現泄漏點；可以以空間的方式進行直觀掃描；不用靠近泄漏設備保障人身安全；不用等待即時出結果。相應的缺點是：檢測靈敏度偏低；大面積巡檢效率低；依賴人眼判斷。因此要快速準確定位需要結合其他檢漏法按照分級分層定位的策略來進行。

2.2 紅外成像分級檢測定位策略

基于單獨使用紅外成像檢漏技術進行定位存在的缺點，本文提出一種基于分級策略的定位處理方法(見圖5)。該方法綜合多種檢測和定位方法，結合GIS管道氣室泄漏的特點，優化定位流程，從而實現對SF6氣體泄漏點的快速定位。分級檢測定位策略分為發現級、定位級、處理級和跟蹤級，以紅外成像技術為核心，其他技術和方法為輔助，將檢漏方案流程化。

圖5 分級檢測定位策略流程圖

3 應用案例

某大型水電廠，GIS開關站位于地下廠房，電廠維護人員在巡檢過程中，用望遠鏡巡檢密度繼電器發現某段母線U型段的壓力持續下降。現場維護人員根據分級定位策略用塑料薄膜將泄漏氣室所有密封面進行了全面包扎(見圖6)，24 h后用SF6氣體檢漏儀Q200對包扎區域內的氣體進行檢測，發現其中一個包扎區濃度超標。于是繼續包扎24 h后，用GF306對該氣室進行了檢測，檢測方法是先將GF306對準薄膜的一個位置開啟灰度模式，再用螺絲刀將該位置的薄膜戳破。在戳破瞬間，發現黑色煙云從破洞口噴出。由此判斷該包扎區域存在可探測泄漏點。

圖6 包扎法排查

維護人員將包扎的薄膜拆開后，利用GF306距離包扎區域約3 m，進行詳細掃描。重點掃描密封面和接頭等位置，幾分鐘后在該區域管壁上發現一個沙眼(見圖7)。根據分級策略用起泡劑進行驗證，發現該漏點不斷冒泡，進而驗證了漏點的準確位置，用記號筆記錄準確位置(見圖8)。

圖7 紅外成像定位

圖8 起泡劑驗證漏點

該位置位于管壁的豎立面，利用封堵法能有效處理，首先用銼刀將表面油漆打磨，露出金屬。再用堵漏劑進行封堵(見圖9)，封堵后的固化過程需用專用模具施加壓力，防止帶壓封堵不嚴。24 h固化后,用GF306、Q200或起泡劑進行復測，無泄漏后用AB膠再封堵一遍。待AB膠固化后，涂刷GIS管壁油漆。

圖9 堵漏劑處理后

4 結 語

本文針對包扎法定位不準和紅外成像定位精度不夠等問題，將兩種方法和其他手段相結合，形成優勢互補，總結提煉出一套基于紅外成像技術的SF6氣體泄漏分級檢測策略。通過多次實踐驗證，該四級定位策略在實際工作中能有效提高定位準確度和定位速度。

在上述研究基礎上，為了提高檢漏定位效率和準確度，紅外成像泄漏檢測領域在以下方面還需進一步探索：

1)在紅外成像技術中實現自動探測跟蹤指示泄漏氣體的功能，避免人眼識別誤差；

2)紅外成像技術需要較強反射背景提高氣體識別度的問題；

3)紅外成像鏡頭無法進行光學變焦的問題；

提高負電暈法檢測量程，填補現階段超量程泄漏率到紅外可視泄漏率之間的空白。