基于紅外成像技術(shù)的SF6氣體泄漏分級(jí)檢測(cè)策略研究

徐 鉻，許艷麗，冉應(yīng)兵，關(guān)蘇敏，陳云繼

(中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443000)

近年來(lái)，設(shè)備制造技術(shù)的發(fā)展和電力工業(yè)科技進(jìn)步，GIS(GAS INSTULATED SWITCHGEAR)氣體絕緣全封閉組合電器開(kāi)關(guān)站逐漸取代原有的露天式開(kāi)關(guān)站，成為水電站重要的電能分配和輸出的重要通道。GIS開(kāi)關(guān)設(shè)備作為水電站的主接線系統(tǒng)分配電能?，F(xiàn)階段，SF6氣體是開(kāi)關(guān)設(shè)備氣室的主要絕緣介質(zhì)，該氣體具有優(yōu)良的絕緣和滅弧特性，被廣泛應(yīng)用。其密度約是空氣5倍，在均勻電場(chǎng)中的擊穿強(qiáng)度約為空氣的3倍，滅弧能力約是空氣的100倍。由于設(shè)計(jì)、制造、安裝存在的問(wèn)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(wèn)題逐漸顯現(xiàn)，此類案例不斷增多。當(dāng)SF6氣體泄漏發(fā)生在斷路器等氣室，將會(huì)使開(kāi)關(guān)設(shè)備絕緣性能降低，滅弧室滅弧能力下降，危及設(shè)備安全運(yùn)行。SF6氣體在氣室中的電弧作用下，將產(chǎn)生硫化氫和氟化氫等腐蝕性和毒性極強(qiáng)的酸性物質(zhì)，泄漏出來(lái)的分解物將會(huì)對(duì)進(jìn)入GIS巡檢和檢修人員的健康構(gòu)成嚴(yán)重?fù)p害。另外，SF6氣體還是一種溫室氣體，其溫室效應(yīng)是CO2的23 900倍，泄漏到大氣中將嚴(yán)重危害大氣環(huán)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(duì)長(zhǎng)波紅外線有更強(qiáng)的吸收能力這一特性，采用后向散光成像技術(shù)對(duì)氣體進(jìn)行成像。兩者對(duì)紅外成像不同的特性，使通?？床灰?jiàn)的氣體泄漏，在紅外探測(cè)器下可見(jiàn)(圖1)。目前常用的檢測(cè)儀器有制冷型和非制冷型焦平面熱像儀、光機(jī)掃描型紅外熱像儀、紅外熱電視、紅外測(cè)溫儀。本文采用儀器是FLIR公司生產(chǎn)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(cè)器對(duì)物體反射的紅外線進(jìn)行測(cè)量，比普通探測(cè)器顯示更清晰。當(dāng)檢測(cè)區(qū)域存在SF6氣體泄漏時(shí)，紅外光通過(guò)SF6氣體，SF6氣體分子會(huì)對(duì)特定波長(zhǎng)(975 cm-1)的紅外光有吸收作用，吸收關(guān)系服從朗伯-比爾吸收定律。

圖1 紅外探測(cè)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(cè)器針對(duì)極窄的光譜范圍進(jìn)行調(diào)整，只能檢測(cè)到可在由一個(gè)窄帶濾波器界定的紅外區(qū)域吸收的氣體。因?yàn)镾F6氣體在該光譜范圍內(nèi)的吸收特性比空氣強(qiáng)得多，于是泄漏氣體出現(xiàn)區(qū)域視頻圖像將產(chǎn)生對(duì)比變化，從而產(chǎn)生煙霧狀陰影。氣體濃度越大，吸收強(qiáng)度越大，煙霧狀陰影越明顯，將通?？梢?jiàn)光下看不到的氣體泄漏，以紅外視頻圖像的形式直觀反映出來(lái)，檢測(cè)原理見(jiàn)圖3。

圖3 紅外成像檢漏原理

2 紅外成像檢漏技術(shù)實(shí)際應(yīng)用

在使用紅外成像技術(shù)檢漏以前，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)泄漏情況，通常采用包扎法將塑料薄膜包裹懷疑區(qū)域一定時(shí)間后(通常為24 h)，用美國(guó)CPS公司LS790B檢漏儀、或優(yōu)勝公司Q200(圖4)進(jìn)行定位，儀器采用DC負(fù)電暈檢測(cè)法，可對(duì)包扎區(qū)域進(jìn)行定性分析和定量分析。再對(duì)包扎區(qū)域的密封面涂刷肥皂水進(jìn)行定位，這種方法現(xiàn)場(chǎng)使用的時(shí)候費(fèi)時(shí)費(fèi)力且無(wú)法準(zhǔn)確定位。

圖4 SF6氣體檢測(cè)儀Q200

2.1 紅外成像定位法

一般在以下情況時(shí)，應(yīng)進(jìn)行SF6氣體泄漏檢測(cè)：

1)SF6電氣設(shè)備在投運(yùn)前、解體檢修后；

2)運(yùn)行中通過(guò)巡檢或者在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)SF6電氣設(shè)備氣室壓力有明顯降低；

3)SF6電氣設(shè)備補(bǔ)氣間隔小于1年時(shí)。

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(jìn)行定位檢測(cè)：首先檢查成像儀是否正常工作，確認(rèn)電源正常；根據(jù)SF6電氣設(shè)備情況，確定檢測(cè)部位；根據(jù)檢測(cè)部位調(diào)整檢測(cè)儀器；至少選擇三個(gè)不同方位對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，以保證對(duì)設(shè)備的全面檢測(cè)；記錄泄漏部位的視頻和圖片；出具檢測(cè)報(bào)告。

紅外成像定位法的優(yōu)點(diǎn)是：能發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)；可以以空間的方式進(jìn)行直觀掃描；不用靠近泄漏設(shè)備保障人身安全；不用等待即時(shí)出結(jié)果。相應(yīng)的缺點(diǎn)是：檢測(cè)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(zhǔn)確定位需要結(jié)合其他檢漏法按照分級(jí)分層定位的策略來(lái)進(jìn)行。

2.2 紅外成像分級(jí)檢測(cè)定位策略

基于單獨(dú)使用紅外成像檢漏技術(shù)進(jìn)行定位存在的缺點(diǎn)，本文提出一種基于分級(jí)策略的定位處理方法(見(jiàn)圖5)。該方法綜合多種檢測(cè)和定位方法，結(jié)合GIS管道氣室泄漏的特點(diǎn)，優(yōu)化定位流程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)SF6氣體泄漏點(diǎn)的快速定位。分級(jí)檢測(cè)定位策略分為發(fā)現(xiàn)級(jí)、定位級(jí)、處理級(jí)和跟蹤級(jí)，以紅外成像技術(shù)為核心，其他技術(shù)和方法為輔助，將檢漏方案流程化。

圖5 分級(jí)檢測(cè)定位策略流程圖

3 應(yīng)用案例

某大型水電廠，GIS開(kāi)關(guān)站位于地下廠房，電廠維護(hù)人員在巡檢過(guò)程中，用望遠(yuǎn)鏡巡檢密度繼電器發(fā)現(xiàn)某段母線U型段的壓力持續(xù)下降。現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員根據(jù)分級(jí)定位策略用塑料薄膜將泄漏氣室所有密封面進(jìn)行了全面包扎(見(jiàn)圖6)，24 h后用SF6氣體檢漏儀Q200對(duì)包扎區(qū)域內(nèi)的氣體進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)包扎區(qū)濃度超標(biāo)。于是繼續(xù)包扎24 h后，用GF306對(duì)該氣室進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)方法是先將GF306對(duì)準(zhǔn)薄膜的一個(gè)位置開(kāi)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(fā)現(xiàn)黑色煙云從破洞口噴出。由此判斷該包扎區(qū)域存在可探測(cè)泄漏點(diǎn)。

圖6 包扎法排查

維護(hù)人員將包扎的薄膜拆開(kāi)后，利用GF306距離包扎區(qū)域約3 m，進(jìn)行詳細(xì)掃描。重點(diǎn)掃描密封面和接頭等位置，幾分鐘后在該區(qū)域管壁上發(fā)現(xiàn)一個(gè)沙眼(見(jiàn)圖7)。根據(jù)分級(jí)策略用起泡劑進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該漏點(diǎn)不斷冒泡，進(jìn)而驗(yàn)證了漏點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，用記號(hào)筆記錄準(zhǔn)確位置(見(jiàn)圖8)。

圖7 紅外成像定位

圖8 起泡劑驗(yàn)證漏點(diǎn)

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(jìn)行封堵(見(jiàn)圖9)，封堵后的固化過(guò)程需用專用模具施加壓力，防止帶壓封堵不嚴(yán)。24 h固化后,用GF306、Q200或起泡劑進(jìn)行復(fù)測(cè)，無(wú)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(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)包扎法定位不準(zhǔn)和紅外成像定位精度不夠等問(wèn)題，將兩種方法和其他手段相結(jié)合，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，總結(jié)提煉出一套基于紅外成像技術(shù)的SF6氣體泄漏分級(jí)檢測(cè)策略。通過(guò)多次實(shí)踐驗(yàn)證，該四級(jí)定位策略在實(shí)際工作中能有效提高定位準(zhǔn)確度和定位速度。

在上述研究基礎(chǔ)上，為了提高檢漏定位效率和準(zhǔn)確度，紅外成像泄漏檢測(cè)領(lǐng)域在以下方面還需進(jìn)一步探索：

1)在紅外成像技術(shù)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)探測(cè)跟蹤指示泄漏氣體的功能，避免人眼識(shí)別誤差；

2)紅外成像技術(shù)需要較強(qiáng)反射背景提高氣體識(shí)別度的問(wèn)題；

3)紅外成像鏡頭無(wú)法進(jìn)行光學(xué)變焦的問(wèn)題；

提高負(fù)電暈法檢測(cè)量程，填補(bǔ)現(xiàn)階段超量程泄漏率到紅外可視泄漏率之間的空白。