六氟化硫氣體泄漏成像儀檢測方法應(yīng)用研究

羅 洋，董漢彬，王嘉易，謝 茜

(國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

六氟化硫(SF6)氣體無色、無味、無毒、不燃燒，具有優(yōu)良的絕緣和滅弧性能，被廣泛應(yīng)用于斷路器、氣體絕緣金屬封閉式組合電器(GIS)等高壓電器中[1-2]。然而，由于設(shè)計(jì)施工不合理、制造安裝不規(guī)范和自然環(huán)境惡劣等因素影響，造成高壓電器出現(xiàn)尺寸偏移、裂紋、砂眼、受潮等缺陷而發(fā)生SF6氣體泄漏。SF6氣體泄漏不僅會給大氣環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，而且當(dāng)泄漏量超過一定閾值時(shí)，高壓設(shè)備的內(nèi)部絕緣性能會下降，極易在高壓設(shè)備中出現(xiàn)閃絡(luò)或擊穿現(xiàn)象。因此，在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高壓電器中，如何正確使用泄漏檢測儀器并快速準(zhǔn)確地查找這種無色、無味氣體的泄漏部位顯得尤為重要。

下面針對SF6氣體的紅外吸收特性，采用SF6氣體泄漏成像技術(shù)，重點(diǎn)開展了SF6氣體泄漏成像情況與泄漏速率、檢測距離和測試背景的關(guān)系研究。同時(shí)，在此研究基礎(chǔ)上，對運(yùn)行變電站的GIS設(shè)備開展了SF6氣體泄漏現(xiàn)場檢測，為技術(shù)人員開展現(xiàn)場快速帶電查找SF6氣體泄漏部位提供了應(yīng)用參考。

1 SF6氣體紅外吸收理論

根據(jù)能級躍遷理論，不同的氣體分子對入射光具有不同的選擇吸收性，而SF6氣體對以波長為10.55 μm為中心的紅外光譜帶具有很強(qiáng)的吸收作用[3]。圖1為SF6氣體紅外吸收特性，明顯看出10.55 μm波長的紅外光在SF6氣體中的透過率極低。因此，可以利用SF6氣體對特定波長的紅外光強(qiáng)吸收特性，在紅外的光照射下區(qū)別是SF6氣體還是空氣，實(shí)現(xiàn)SF6氣體的快速辨識。

圖1 SF6氣體紅外吸收特性

2 SF6氣體泄漏檢測方法

2.1 SF6氣體泄漏激光成像技術(shù)

SF6氣體泄漏激光成像檢測技術(shù)是利用SF6氣體對特定波長的紅外光吸收性能較空氣強(qiáng)的特性[4]，通過激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出的紅外光入射到被檢測區(qū)域的物體上，并在物體表面上反射，其反射光沿著原來的光路重新返回到檢測設(shè)備處。一部分特定波長的入射激光遇到泄漏的SF6氣體，其能量會被吸收一部分；而另外一部分入射激光遇到的是空氣，其能量相對SF6氣體而言吸收較少。所以穿過SF6氣體和空氣的紅外光遇到物體表面再反向散射回探測器的紅外光能量存在差異，自然各自的激光成像也不同，由此可發(fā)現(xiàn)SF6氣體泄漏。SF6氣體泄漏激光成像儀可實(shí)現(xiàn)泄漏點(diǎn)的精確定位，但在使用時(shí)必須有反射背景，否則入射激光無法在物體表面反射并回到檢測設(shè)備處成像。其檢測原理如圖2所示。

圖2 SF6氣體泄漏激光成像技術(shù)

2.2 SF6氣體泄漏紅外輻射成像技術(shù)

所有溫度大于絕對零度(-273℃)的物體表面都會發(fā)射出紅外輻射，且SF6氣體的紅外吸收特性較空氣而言極強(qiáng)，致使兩者反應(yīng)的紅外影像不同[6]。因此，利用SF6氣體和空氣的紅外吸收特性不同，將通?？梢姽庀驴床坏降腟F6氣體泄漏，以紅外圖像的形式直觀地反映出來，具有無需外加激光發(fā)生源、無需檢測背景、檢測方便等優(yōu)點(diǎn)。其檢測原理如圖3所示。

圖3 SF6氣體泄漏紅外輻射成像技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)對SF6氣體泄漏成像儀中紅外焦平面探測器的性能要求十分高。根據(jù)制冷方式，紅外焦平面探測器可分為制冷型和非制冷型，制冷型探測器的探測率通常能達(dá)到1011cmHz1/2W-1，而非制冷型探測器為109cmHz1/2W-1，相差兩個(gè)數(shù)量級[7]。因此，在快速、準(zhǔn)確定位泄漏點(diǎn)中，制冷型探測器的SF6氣體泄漏成像儀較非制冷型探測器的SF6氣體泄漏成像儀具有明顯優(yōu)勢，并且制冷型探測器的響應(yīng)速度是微秒級，非制冷型探測器的響應(yīng)速度是毫秒級。但制冷型探測器的SF6氣體泄漏成像儀仍然有不足之處，就是啟動時(shí)間較長，儀器需要用較長的時(shí)間進(jìn)行自校正。

除此之外，無論是制冷型還是非制冷型紅外焦平面探測器，其半導(dǎo)體材料的選取和探測元陣列數(shù)都是影響探測效果的關(guān)鍵因素。例如，即便同屬于制冷型的量子阱紅外探測器，也可分為光導(dǎo)型量子阱材料(GaAs/AlGaAs)和光伏型量子阱材料(InAs/InGaSb、InAs/InAsSb)等類型，其探測波長范圍、探測率和溫度靈敏度等參數(shù)各自也會不同。

2.3 SF6氣體泄漏檢測方法比對

傳統(tǒng)的高壓電氣設(shè)備SF6氣體泄漏檢測方法主要有：皂水法、包扎法及使用手持式普通檢漏儀等[8]，通常需要接觸設(shè)備或靠近漏點(diǎn)，對于敞開式斷路器或GIS的出線套管這些部位仍需要設(shè)備停電進(jìn)行，并且技術(shù)人員需要根據(jù)氣室壓力是否有明顯下降，對泄漏點(diǎn)所在范圍有初步的判斷后才便于實(shí)施。各檢測方法特性對比見表1。

表1 檢測方法特性對比

SF6氣體泄漏激光、紅外輻射成像儀相比傳統(tǒng)方法雖有較為突出的優(yōu)點(diǎn)，但在全站普測應(yīng)用中，其工作量仍然較大。因此，仍然建議首先觀察氣室壓力，且發(fā)現(xiàn)壓力有明顯下降后，在該氣室范圍內(nèi)開展SF6氣體泄漏激光或紅外輻射成像檢測。

3 SF6氣體泄漏成像檢測分析

3.1 實(shí)驗(yàn)室檢測分析

目前，SF6氣體泄漏成像儀已在高壓電器泄漏點(diǎn)的查找工作中逐步應(yīng)用，但SF6氣體泄漏速率、檢測距離和檢測背景對泄漏成像效果的影響情況并不是十分清楚。為此，在實(shí)驗(yàn)室模擬出不同泄漏速率的SF6氣體泄漏，使用SF6氣體泄漏激光成像儀和SF6氣體泄漏紅外輻射成像儀(選用制冷型探測器)，開展檢測距離分別為1 m和5 m、檢測背景分別為白色墻體和金屬面板的泄漏檢測試驗(yàn)。

1)白色墻體為檢測背景

以白色墻體為檢測背景，分別在檢測距離為1 m和5 m的情況下，調(diào)節(jié)模擬泄漏源的泄漏速率，其成像效果見表2。

表2 白色墻體為檢測背景下的成像效果

由表2可知，以白色墻體為背景，在檢測距離1 m的檢出情況優(yōu)于5 m，并且氣體泄漏速率越大越易檢出。無論1 m還是5 m距離，當(dāng)泄漏速率較小，低于2 μL/s 時(shí)，SF6氣體泄漏紅外輻射成像儀(制冷型探測器)檢出效果比SF6氣體泄漏激光成像儀好。

2)金屬面板為檢測背景

以金屬面板為檢測背景，分別在檢測距離為1 m和5 m的情況下，調(diào)節(jié)模擬泄漏源的泄漏速率，其成像效果見表3。

表3 金屬面板為檢測背景下的成像效果

由表3可知，以金屬面板為背景，在檢測距離1 m的檢出情況優(yōu)于5 m，并且氣體泄漏速率越大越易檢出。在5 m距離情況下，當(dāng)泄漏速率較小，低于3 μL/s 時(shí)，SF6氣體泄漏紅外輻射成像儀(制冷型探測器)檢出效果比SF6氣體泄漏激光成像儀好。

3.2 變電站檢測應(yīng)用情況

某220 kV變電站220 kV GIS設(shè)備A相穿墻氣室，補(bǔ)氣周期為半年一次，分別使用SF6氣體泄漏激光成像儀和SF6氣體泄漏紅外輻射成像儀(制冷型探測器)在距離泄漏點(diǎn)2 m處檢測，其成像效果如圖4所示。

圖4 變電站SF6氣體泄漏檢測情況

由圖4可知，在距離泄漏點(diǎn)2 m處檢測，SF6氣體泄漏激光成像儀和SF6氣體泄漏紅外輻射成像儀(制冷型探測器)檢出清晰度差異不大，但呈現(xiàn)效果仍然是SF6氣體泄漏紅外輻射成像儀(制冷型探測器)較優(yōu)。

4 結(jié) 語

前面利用激光成像儀和紅外輻射成像儀開展了SF6氣體泄漏速率、檢測距離和檢測背景對泄漏成像效果的影響分析，發(fā)現(xiàn)檢測儀器距離泄漏源的距離越近越容易檢出泄漏；在相同距離、相同背景的情況下，泄漏速率越大越容易檢出泄漏；白色墻體為背景的檢出效果好于金屬面板。

對于變電站GIS母線、開關(guān)等靠近地面安裝的氣室，較容易找到GIS殼體為背景的檢測角度且可實(shí)現(xiàn)1 m左右的近距離檢測，則SF6氣體泄漏紅外輻射成像儀(制冷型探測器)與SF6氣體泄漏激光成像儀均可較好使用；對于變電站GIS出線套管、換流站GIL及其他遠(yuǎn)離地面安裝的氣室，較難通過調(diào)整檢測角度找到反射物體且需要遠(yuǎn)距離(一般大于2 m)檢測，則SF6氣體泄漏紅外輻射成像儀(制冷型探測器)成像效果比SF6氣體泄漏激光成像儀好。