SF6氣體瀉流模型及其檢漏應用

劉榮海，何運華，郭新良，宋玉鋒，鄭欣，許宏偉，楊迎春

（云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217）

0 前言

六氟化硫（SF6）氣體作為絕緣介質廣泛應用于電力設備中。根據(jù)不同絕緣需要，電力設備中的SF6氣體要保持一定的壓力，通常約為0.5-0.7 MPa。因此，當SF6氣體泄漏時，壓力便會下降，影響設備的絕緣性能，需要及時進行補氣、堵漏等處理。電力設備運行中，可以通過壓力表的讀數(shù)變化來判斷設備是否漏氣，但無法判斷具體泄漏部位。目前，主要采用紅外成像儀對電力設備進行成像，泄漏的SF6氣體紅外圖像與周圍背景存在一定差異，進而可以判斷泄漏部位。對于不同程度的SF6氣體泄漏，紅外成像儀檢漏的靈敏度也不盡相同。特別是SF6氣體緩慢泄漏時，容易受環(huán)境背景影響而無法檢出。

為了提升SF6氣體泄漏檢出率，國內(nèi)外開展了大量研究，如Hisao Inami[1]等提出了一種流體動力學瞬態(tài)模型，計算了容器內(nèi)部和表面溫度關聯(lián)關系，進而快速推算氣體絕緣開關內(nèi)部的壓力和氣體泄漏。羅洋等[2]在探討了SF6氣體紅外成像技術的基礎上，研究了SF6氣體泄漏成像與泄漏速率、檢測距離和檢測背景的關系，并對運行變電站的GIS設備開展了SF6氣體泄漏現(xiàn)場檢測。楊芮[3]等針對盆式絕緣子開裂而造成的SF6氣體泄漏事故，基于FLUENT軟件，結合SF6氣體泄漏的兩相流三維非定常態(tài)湍流流動特征，搭建了三維傳遞現(xiàn)象模型，開展了真型尺寸GIS站室泄漏SF6氣體分布規(guī)律仿真研究。李軍衛(wèi)[4]等則提出一種基于紅外視頻圖像處理的SF6泄漏區(qū)域帶電檢測方法，利用直方圖均衡和自適應維納濾波算法改善原始紅外圖像，實現(xiàn)對泄漏區(qū)域的快速定位。王成江[5]等研究了基于SF6氣室壓力峰度和偏度指標的內(nèi)漏和外漏判據(jù)，在統(tǒng)計大樣本正態(tài)分布數(shù)據(jù)偏差基礎上分別得出了內(nèi)漏和外漏的判據(jù)閾值。馬朋飛[6]等提出了一種利用聲發(fā)射檢測進行SF6氣體泄漏定位的方法并進行了現(xiàn)場應用。程偉[7]等模擬了不同混合比的混合絕緣氣體在不同距離和風力等條件下的泄漏情況，利用紅外成像儀等儀器進行檢測，得出了儀器的檢出限值，提出了檢測的最佳條件。

1 SF6氣體瀉流模型

氣體分子從容器壁上的小孔逃逸時，如果小孔直徑遠小于平均自由程，則容器內(nèi)處于平衡的氣體所收到的擾動可以忽略，這種分子從容器壁上小孔溢出的現(xiàn)象稱為瀉流[8]。SF6氣體從開關泄漏的過程，特別是輕微泄漏的過程，可視為SF6氣體瀉流的過程。

根據(jù)瀉流模型，容器內(nèi)分子的速率分布函數(shù)為：

瀉流分子的速率分布函數(shù)為：

根據(jù)式（1）（2）得到容器內(nèi)分子的平均速率為：

瀉流分子的平均速率為：

其中，k值為玻爾茲曼常數(shù)，T為容器內(nèi)的氣體溫度，m為氣體分子質量。

根據(jù)式（3）和（4），得到瀉流分子的平均動能為：

瀉流分子的平均溫度T'與平均動能的關系為：

式（7）顯示，瀉流分子的平均溫度比容器內(nèi)分子高度高約18%。經(jīng)過長期的熱交換后，容器內(nèi)的分子溫度T趨于容器外壁的問題。

任意物體輻射的波長與溫度的關系滿足維恩位移定理，如式（8）所示。

式（5）中，b為常數(shù)，取0.002897 m.K。

考慮式（7）和式（8），得到容器外壁輻射的波長1λ與瀉流分子平均輻射波長2λ得關系為：

通常情況下，容器外壁溫度與環(huán)境溫度相等。環(huán)境溫度為-20℃至40℃時，T值為253K至313K，由式（8）計算得到，容器外壁輻射的波長范圍為9.26~11.45 μm。由式（10）得到SF6瀉流分子的平均波長范圍為7.84~9.7 μm，瀉流分子的平均輻射波長處于中紅外波段（2.5~25 μm）。

2 原因分析

上述計算得到瀉流分子的平均輻射波長處于中紅外波段（2.5~25 μm）。因此，可以采用紅外成像的方法對泄漏的SF6氣體進行檢測。在選擇紅外探測器時，其敏感波長應該在7-11 μm之間。用該紅外成像儀對SF6氣體泄漏部位檢測時，容器（開關設備外殼）作為背景一起成像，背景輻射波長在9.26~11.45 μm之間，波長范圍僅有部分與敏感波長范圍重疊，重疊部分的波長會對瀉流分子成像產(chǎn)生干擾，降低泄漏檢出率。

由維恩位移定律可知，當溫度降低時，其波長增大。如果背景溫度降低，輻射波長則增大，當背景輻射溫度降低至-20℃時，輻射波長增加至11.45 μm，不在紅外輻射敏感波長區(qū)間內(nèi)，背景輻射不會對瀉流（泄漏）成像產(chǎn)生干擾，也即提升了SF6氣體泄漏成像的分辨率，提高了泄漏檢出率。

降低背景輻射溫度，可以提升SF6氣體缺陷檢出率。在現(xiàn)場SF6氣體泄漏檢測中，在檢測部位背后增加一塊可調(diào)節(jié)溫度的背景板，調(diào)低背景板溫度，使其與環(huán)境產(chǎn)生一定的溫度差。背景板在與泄漏部位一起進行紅外成像時，可提升泄漏檢出率。

3 裝置研制及應用

3.1 背景增強裝置研制

為了提升SF6氣體泄漏檢出率，采用半導體制冷原理，研制了可調(diào)節(jié)背景輻射溫度的背景增強裝置，半導體制冷的原理如下圖1所示。

圖1 半導體制冷原理

研制的裝置主要包括背板、延長桿、直流電源和控制系統(tǒng)。

3.2 現(xiàn)場應用

1）某供電局220 kV 254斷路器B相為SF6充氣設備，額定壓力為0.70 MPa，投運后發(fā)現(xiàn)有漏氣現(xiàn)象，進行過5次補氣。在使用SF6背景增強裝置后，泄漏現(xiàn)象更為明顯，說明該裝置在提供了泄漏氣體與背景的溫差后，更有利于泄漏點的觀察和檢出，為后續(xù)的檢修或治理提供了基礎。

2）某供電局151斷路器為SF6充氣設備，額定壓力為0.55 MPa，充氣重量7 kg，投運發(fā)現(xiàn)設備存在泄漏，共計進行了3次補氣。在使用六氟化硫背景增強裝置后，可以觀察到明顯的泄漏現(xiàn)象，說明該裝置在提供了氣體流動的動力和泄漏氣體與背景的溫差后，有利于泄漏點的觀察和檢出。

4 結束語

本文采用熱力學瀉流理論，提出了SF6氣體泄漏模型，計算得到泄漏的SF6氣體分子平均溫度高于設備外殼約18%，輻射的平均波長為7.8-9.7 μm，為SF6氣體紅外成像檢漏儀敏感波段的選擇提供了依據(jù)。

泄漏模型計算表明，當降低環(huán)境背景溫度時，背景輻射波長將向遠紅外波段移動，有利于避開紅外成像儀的敏感檢測波段，提高紅外成像的對比度，提升泄漏缺陷檢出率。據(jù)此，采用半導體制冷技術，研制了可調(diào)節(jié)溫度的背景增強裝置，并在3個變電站現(xiàn)場進行了應用。應用效果表明，在檢測部位后方放置一塊可調(diào)溫度的背景增強裝置，可以提升SF6氣體的紅外成像對比度和泄漏檢出率。