SF6氣體泄漏紅外成像檢測(cè)的技術(shù)分析和應(yīng)用探討

季怡萍，鄧先欽，徐 鵬，高 凱

SF6氣體泄漏紅外成像檢測(cè)的技術(shù)分析和應(yīng)用探討

季怡萍，鄧先欽，徐 鵬，高 凱

（國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437）

本文闡述了SF6氣體泄漏紅外成像技術(shù)原理，總結(jié)了檢測(cè)工作相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合技術(shù)原理對(duì)檢測(cè)工作中的影響因素進(jìn)行了重點(diǎn)分析，并提出了相應(yīng)對(duì)策，通過(guò)技術(shù)比較分析了SF6氣體泄漏紅外成像的技術(shù)特點(diǎn)，據(jù)此提出了技術(shù)應(yīng)用的策略，以更好地開(kāi)展SF6氣體泄漏紅外成像檢測(cè)，提高開(kāi)關(guān)、互感器、套管、變壓器等SF6氣體絕緣設(shè)備缺陷巡檢質(zhì)量。

SF6；氣體泄漏；紅外成像；絕緣

0 引言

絕緣氣體泄漏將造成設(shè)備絕緣強(qiáng)度不足，是SF6氣體絕緣設(shè)備最主要的缺陷之一[1-2]，可通過(guò)SF6氣體泄漏檢測(cè)技術(shù)對(duì)這類缺陷進(jìn)行精確定位和定性，為后續(xù)檢修方案的制定提供重要的依據(jù)。SF6氣體泄漏紅外成像是近年來(lái)使用頻繁且效果顯著的氣體泄漏檢測(cè)技術(shù)[3-5]，與真空法[6]、泡沫法[7]、定性檢漏儀法[8-10]、包扎定量法[11]、氦質(zhì)譜檢漏法[12]、聲學(xué)成像法[13]等泄漏檢測(cè)技術(shù)有較明顯的差異。SF6氣體泄漏紅外成像檢測(cè)技術(shù)于2010年起在我國(guó)開(kāi)始試用，至今10余年的推廣應(yīng)用期間，許多技術(shù)與管理人員總結(jié)了一些有效的經(jīng)驗(yàn)，文獻(xiàn)[4]對(duì)10座不同電壓等級(jí)變電站氣體絕緣全封閉組合電器（gas insulated switchgear，簡(jiǎn)稱“GIS”）設(shè)備進(jìn)行大范圍SF6泄漏紅外成像檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)泄漏缺陷52例，占比最大的為壓力表連接閥、氣路管道處缺陷。文獻(xiàn)[7]通過(guò)比較了11種泄漏檢測(cè)的技術(shù)，認(rèn)為在使用紅外成像法進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，受成像檢漏儀靈敏度限制和外界大風(fēng)等環(huán)境影響，只能確定泄漏的大概區(qū)域，無(wú)法精確找到泄漏點(diǎn)。文獻(xiàn)[14]結(jié)合紅外成像技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐，總結(jié)了GIS設(shè)備中的砂眼、密封圈失效、絕緣盆子裂紋、密封膠處理不當(dāng)、密度繼電器連接頭及連接銅管接頭問(wèn)題引起的泄漏缺陷。文獻(xiàn)[15]提出了一種Matlab圖像處理技術(shù)使SF6氣體泄漏位置及范圍突出顯示。諸多已公開(kāi)的文獻(xiàn)資料，都聚焦在技術(shù)的應(yīng)用統(tǒng)計(jì)和效果分析方面，對(duì)技術(shù)應(yīng)用的具體策略、影響因素和對(duì)策等一線作業(yè)細(xì)節(jié)關(guān)注得較少，而對(duì)于一種高精密的測(cè)試技術(shù)，如何在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)最大化地發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)是非常重要的。

本文從成像原理、標(biāo)準(zhǔn)體系、技術(shù)比對(duì)及特點(diǎn)分析等方面對(duì)SF6氣體泄漏紅外成像檢測(cè)進(jìn)行探討，以更加標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化、系統(tǒng)化地開(kāi)展SF6氣體泄漏紅外成像檢測(cè)，提高開(kāi)關(guān)、互感器、套管、變壓器等SF6氣體絕緣設(shè)備缺陷巡檢質(zhì)量。

1 氣體泄漏紅外成像原理

任何一種物質(zhì)都具有特定的紅外吸收特性，這與物質(zhì)的分子相關(guān)，SF6氣體對(duì)波長(zhǎng)為10.6mm的紅外線具有明顯的特征吸收，該紅外線的波長(zhǎng)介于“大氣窗口”（長(zhǎng)波8～14mm）的范圍內(nèi)，在大氣中穿透較好。高于絕對(duì)零度的物體在不停地輻射紅外線，所輻射的紅外線帶有物體溫度的特征信息，可通過(guò)紅外輻射的強(qiáng)度探測(cè)物體溫度的高低和溫度場(chǎng)分布。

SF6氣體泄漏紅外成像就是利用了SF6氣體的紅外吸收特性和紅外輻射描述溫度的技術(shù)原理，具體見(jiàn)圖1。首先，紅外光學(xué)鏡頭經(jīng)特殊處理后，只利用波長(zhǎng)為10.6mm的紅外線反映被測(cè)物體的溫度；當(dāng)光線傳播至紅外光學(xué)鏡頭的路徑內(nèi)存在SF6氣體時(shí)，紅外線中10.6mm的部分將被SF6氣體大量吸收，儀器探測(cè)到的紅外輻射強(qiáng)度低，在紅外圖像上表現(xiàn)出溫度“低”的特征，與周邊溫度“高”的部分形成“溫差”，溫差越大則SF6氣體所覆蓋的區(qū)域在圖像上越凸顯，隨著氣體在空氣中的逸散，所成紅外圖像將呈現(xiàn)出不斷變化的“煙云”狀，即對(duì)泄漏至大氣中的SF6氣體完成圖像描述。

2 標(biāo)準(zhǔn)體系的建立和發(fā)展

開(kāi)展SF6氣體泄漏成像檢測(cè)工作相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系主要包括儀器的產(chǎn)品類技術(shù)規(guī)范和實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)工作的技術(shù)導(dǎo)則，如文獻(xiàn)[16]對(duì)從事工作所用的儀器設(shè)備進(jìn)行了全面的技術(shù)規(guī)范，適用于制造廠的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及用戶的采購(gòu)、驗(yàn)收和定期試驗(yàn)，文獻(xiàn)[17]、[18]和[19]均屬于方法類技術(shù)導(dǎo)則，雖然文獻(xiàn)[17]相比文獻(xiàn)[18]內(nèi)容涉及面更廣，但是由于制定時(shí)間晚，后者更切合實(shí)際情況。此外，隨著技術(shù)的廣泛應(yīng)用，文獻(xiàn)[19]在2018年修訂時(shí)主要的內(nèi)容就是新增SF6氣體泄漏紅外成像的相關(guān)章節(jié)。可見(jiàn)，SF6氣體泄漏紅外成像技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)體系隨著技術(shù)的廣泛應(yīng)用也進(jìn)行相應(yīng)的更新和提升。因此，更需要從業(yè)人員對(duì)這種技術(shù)有更進(jìn)一步的了解和掌握，從而更好地加以利用。

圖1 SF6氣體泄漏紅外成像檢測(cè)原理圖

3 氣體泄漏紅外成像特點(diǎn)分析

3.1 測(cè)試影響因素

根據(jù)本文第1章中的描述，SF6氣體泄漏紅外成像在原理上屬于紅外線熱成像的一種，且需要利用溫差描述SF6氣體的存在，溫差越大，對(duì)圖像的判斷越準(zhǔn)確，從而使得SF6氣體泄漏的檢測(cè)效果越好，根據(jù)這一技術(shù)原理，總結(jié)了以下幾項(xiàng)對(duì)檢測(cè)工作影響較大的因素：

1）太陽(yáng)光或燈光：太陽(yáng)光或燈光中含有豐富的紅外光線，當(dāng)光線直射光學(xué)鏡頭時(shí)，即使光線傳播路徑內(nèi)存在一定量的SF6氣體，仍會(huì)有大量的紅外線傳播至光學(xué)鏡頭，這將導(dǎo)致圖像上無(wú)明顯的溫度差異，不利于泄漏氣體的成像；此外，光滑的設(shè)備表面可以反射光線，即使背對(duì)太陽(yáng)光或燈光有時(shí)也不利于工作的開(kāi)展，因此，有必要避免在強(qiáng)烈陽(yáng)光或燈光條件下進(jìn)行SF6氣體泄漏紅外成像檢測(cè)。這一點(diǎn)與文獻(xiàn)[17]中6.3“室外檢測(cè)宜在晴朗天氣下進(jìn)行”有明顯差異，而在文獻(xiàn)[20]中4.3.1d）明確要求“在室外或白天檢測(cè)時(shí)，要避免陽(yáng)光直射或通過(guò)被測(cè)物反射進(jìn)入儀器鏡頭；在室內(nèi)或晚上檢測(cè)時(shí)，要避開(kāi)燈光直射，條件允許，應(yīng)閉燈檢測(cè)”。

2）測(cè)試背景：溫差與成像質(zhì)量有非常密閉的關(guān)系，在實(shí)際工作中，當(dāng)確認(rèn)某一區(qū)域存在泄漏時(shí)，可利用測(cè)試背景人為制造圖像溫差，放大溫差可增強(qiáng)圖像中的顏色對(duì)比度，具體可以分為冷背景和熱背景。一般戶外設(shè)備則最好以天空為冷背景（絕對(duì)零度，理論上為0K），如圖2所示，在0.06mL/min（0.001mL/s）泄漏量下，以天空為背景圖2(a)與以墻作背景圖2(b)差異明顯（藍(lán)圈內(nèi)的煙狀圖像），這主要是天空冷背景在圖像上表現(xiàn)為極暗色，空間內(nèi)任何帶有溫度的物質(zhì)（逸散在大氣中的SF6氣體）都與絕對(duì)零度有近300K的溫差，在圖像上將表現(xiàn)出明顯的差異；在室內(nèi)檢測(cè)時(shí)，由于空間內(nèi)各物體的溫差不大，則可使用高溫?zé)岜尘?，如圖3所示，在以室溫作背景的圖3(a)中是觀察不到0.06mL/min的泄漏氣體，而在圖3(b)中，由于使用了60℃的熱背景，可清晰地成像（黃圈內(nèi)的煙狀）。

圖2 室溫背景與天空背景成像對(duì)比

圖3 高溫背景與室溫背景成像對(duì)比

3）泄漏量：微量的氣體逸散到大氣中后，快速的擴(kuò)散造成SF6氣體濃度極小，使其所吸收的紅外線與周圍空氣所吸收的紅外線無(wú)明顯的差異，在圖像上體現(xiàn)不了明顯的溫差，這種情況可能會(huì)造成缺陷的漏判，此時(shí)，應(yīng)協(xié)同采用其他靈敏度更高的泄漏檢測(cè)技術(shù)。

4）風(fēng)速：風(fēng)速影響泄漏氣體在空氣中逸散速度，風(fēng)速過(guò)大，擴(kuò)散速度增大，圖像中尚未出現(xiàn)明顯溫差，SF6氣體就已全部逸散，成像效果不佳；然而空間內(nèi)大氣也不宜完全不流動(dòng)，不流動(dòng)的大氣不能加速泄漏的氣體流動(dòng)以形成動(dòng)態(tài)的煙霧狀圖像，不利于測(cè)試人員對(duì)圖像的判斷。

5）泄漏位置：室內(nèi)布置的設(shè)備或220kV及以下的GIS設(shè)備，由于相與相之間、間隔與間隔之間的距離較小，儀器無(wú)法探測(cè)到某些隱蔽部位，若這些隱蔽部位發(fā)生泄漏的可能性極大時(shí)，可使用鏡面將紅外光線反射[21]至紅外光學(xué)鏡頭后成像，以避開(kāi)工作現(xiàn)場(chǎng)的遮擋物，見(jiàn)圖4。

3.2 圖像診斷

SF6氣體絕緣設(shè)備的漏氣缺陷大致可分為密封失效或材料砂眼，在具體的成像特征上也存在差異，如圖5(a)所示，泄漏的氣體成像后呈現(xiàn)“扇形”或“連續(xù)”的噴射狀，這種情況往往泄漏量較大、補(bǔ)氣間隔也較短，更可能對(duì)應(yīng)的是金屬材料的砂眼或密封件嚴(yán)重失效，這類缺陷發(fā)生的次數(shù)較少，一般是由制造過(guò)程中的原因造成的；圖5(b)則呈現(xiàn)出“飄渺”或“間斷”的煙霧狀，更多對(duì)應(yīng)的是輕微泄漏，這種情況的補(bǔ)氣間隔則一般較長(zhǎng)，實(shí)際工作中碰到的概率較大，一般是運(yùn)行時(shí)設(shè)備密封件的輕微老化或變形導(dǎo)致的，對(duì)這類缺陷的檢測(cè)往往需要極強(qiáng)的耐心和毅力。從以上分析看出，可從圖像特征上對(duì)缺陷的類型進(jìn)行定性分析，有利于后期對(duì)設(shè)備開(kāi)展有針對(duì)性的檢修工作。

圖4 鏡面反射成像原理圖

圖5 氣體泄漏成像的圖像特征對(duì)比

3.3 其他技術(shù)方法對(duì)比

在SF6氣體泄漏紅外成像應(yīng)用之前，用戶普遍使用傳統(tǒng)的定性或定量檢漏儀（如鹵素檢漏儀、紅外吸收檢漏儀、光聲光譜檢漏儀等）對(duì)設(shè)備的泄漏缺陷進(jìn)行定性、定量和定位，這些傳統(tǒng)檢測(cè)儀器大部分（以下簡(jiǎn)稱傳統(tǒng)儀器）利用了SF6氣體的負(fù)電性和紅外吸收特性，下面從技術(shù)原理和技術(shù)指標(biāo)兩方面對(duì)SF6氣體泄漏紅外成像檢漏儀與傳統(tǒng)儀器進(jìn)行比較。

1）技術(shù)原理比較：在原理上有相似性，也存在一些差異，相同點(diǎn)主要表現(xiàn)在SF6氣體泄漏紅外成像檢漏儀也利用了紅外定量檢漏儀的紅外吸收特性；差異主要是傳統(tǒng)儀器無(wú)論是利用了負(fù)電性還是紅外吸收特性，最終都將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并在結(jié)果的表現(xiàn)形式上或輸出報(bào)警信號(hào)或輸出具體量值；而SF6氣體泄漏紅外成像利用了氣體的紅外吸收特性和紅外輻射描述溫度的技術(shù)原理，最終通過(guò)紅外圖像上的溫差描述氣體在空間中的存在狀態(tài)，這種可視化功能大大提高了現(xiàn)場(chǎng)漏點(diǎn)查找的效率和工作的成效。

2）應(yīng)用場(chǎng)景比較：SF6氣體泄漏紅外成像檢漏儀針對(duì)漏氣量大、測(cè)試空間開(kāi)闊、拍攝背景條件好（如背景為天空或空曠場(chǎng)地）等缺陷較易定位；傳統(tǒng)儀器針對(duì)漏氣量小、測(cè)試條件差（間隔空間狹小、濕度高，空氣不流通的電纜層等）、漏點(diǎn)位置不便于觀測(cè)（如在盆子內(nèi)側(cè)，視線有遮擋）等缺陷檢測(cè)效果更佳。

3）技術(shù)指標(biāo)比較：對(duì)于檢漏儀在使用中需重點(diǎn)關(guān)注其微小泄漏檢測(cè)能力（檢測(cè)限）、結(jié)果響應(yīng)時(shí)間和定位準(zhǔn)確性，參數(shù)比較見(jiàn)表1，從表1可以看出，SF6氣體泄漏紅外成像儀在微小泄漏的檢測(cè)能力和響應(yīng)時(shí)間上幾乎都與傳統(tǒng)檢測(cè)儀存在一定差距，而在定位準(zhǔn)確性上優(yōu)勢(shì)明顯。

表1 SF6氣體泄漏紅外成像檢漏儀與傳統(tǒng)儀器的技術(shù)參數(shù)比較

從以上原理、場(chǎng)景和參數(shù)的技術(shù)比較可以發(fā)現(xiàn)，SF6氣體泄漏紅外成像檢漏儀短板在于輕微泄漏或檢測(cè)條件受限時(shí)靈敏度不足，其優(yōu)勢(shì)在于結(jié)果的可視化、定位的準(zhǔn)確性及檢測(cè)的安全性，可視化的特點(diǎn)有助于直觀快速地捕捉設(shè)備漏氣情況，定位的準(zhǔn)確性對(duì)后續(xù)的設(shè)備檢修提供了指導(dǎo)性意見(jiàn)，檢測(cè)的安全性對(duì)于非GIS設(shè)備的帶電檢測(cè)提供不受觸電和氣體中毒危險(xiǎn)的保障。

4 應(yīng)用策略

SF6氣體泄漏紅外成像檢漏儀的價(jià)格昂貴，目前市場(chǎng)報(bào)價(jià)約80～100萬(wàn)左右，屬高端檢測(cè)儀器，不具備大規(guī)模配置的條件?？紤]到各地供電生產(chǎn)部門的配置情況與SF6氣體泄漏紅外成像檢測(cè)的技術(shù)特點(diǎn)，應(yīng)結(jié)合設(shè)備運(yùn)行時(shí)的安全距離等具體情況，分類應(yīng)用成像法和傳統(tǒng)方法[22]，應(yīng)用策略詳見(jiàn)圖6。從圖6中總結(jié)出，密度表的讀數(shù)變化是SF6氣體泄漏檢測(cè)工作的發(fā)起點(diǎn)，其可靠性是后續(xù)所有檢漏手段的基礎(chǔ)，可采取時(shí)間跨度上的縱向比較，輔助相間的橫向比較，以全面掌握密度表讀數(shù)變化情況，成像法作為泄漏定位和可視化結(jié)果呈現(xiàn)的最終手段。此外，密度表讀數(shù)的“微小降低”和“大幅降低”需要運(yùn)行人員結(jié)合設(shè)備氣室大小綜合判斷，建議以補(bǔ)氣周期為基礎(chǔ)，輔助氣室大小綜合來(lái)判斷氣體的泄漏量。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作中，應(yīng)掌握SF6氣體泄漏紅外成像檢漏儀和傳統(tǒng)儀器的特點(diǎn)，根據(jù)設(shè)備缺陷的實(shí)際情況，靈活采用有效的檢漏技術(shù)。對(duì)于非安全區(qū)域或檢測(cè)條件不佳的區(qū)域，宜選用SF6氣體泄漏紅外成像檢漏儀開(kāi)展檢測(cè)，但由于紅外成像檢漏儀對(duì)輕微泄漏并不敏感，若未檢出漏氣也不可排除漏氣的可能性，建議在條件允許的情況下結(jié)合傳統(tǒng)儀器的手段加以驗(yàn)證。

5 結(jié)論

SF6氣體泄漏紅外成像利用了SF6氣體的紅外吸收特性和紅外輻射描述溫度的技術(shù)原理，在特定的場(chǎng)景下具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但是技術(shù)人員也應(yīng)該了解到其檢測(cè)靈敏度和適用場(chǎng)景。

在開(kāi)展SF6氣體泄漏紅外成像檢測(cè)時(shí)，建議對(duì)以下幾項(xiàng)工作加以重視：

1）加強(qiáng)密度表巡視和管理

密度表是設(shè)備泄漏監(jiān)測(cè)的第一道防線，運(yùn)行人員應(yīng)密切注意密度表的讀數(shù)變化，此外，還應(yīng)注意密度表的定期校驗(yàn)，確保密度表能正確動(dòng)作，防止由于密度表性能不佳影響設(shè)備安全運(yùn)行。

2）實(shí)施分類應(yīng)用策略

設(shè)備各級(jí)管理和運(yùn)檢人員應(yīng)掌握各種檢漏技術(shù)的特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況，以先定性后定量定位的原則，將紅外成像檢漏技術(shù)與傳統(tǒng)檢漏手段相結(jié)合，提高泄漏缺陷的定位效率。

圖6 SF6氣體絕緣設(shè)備檢漏技術(shù)分類應(yīng)用策略

3）完善檢漏實(shí)測(cè)技術(shù)

根據(jù)測(cè)試過(guò)程中碰到的問(wèn)題，采取可能的應(yīng)對(duì)措施，提高泄漏成像檢測(cè)效率和工作質(zhì)量。完善泄漏案例的匯總和宣貫，熟悉成像的分析方法和檢修方案的制定。

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Analysis of SF6Leakage Detection Using Infrared Imaging

JI Yiping，DENG Xianqin，XU Peng，GAO Kai

(,200437,)

This paper discusses the principles of SF6infrared imaging leakage detection technology, and summarizes the standards related to detection technology. According to the technical principles, the influencing factors in the testing practice are analyzed, and corresponding countermeasures are proposed. Further, the characteristics of infrared imaging leakage detection technology are compared and analyzed. The technology application strategy is formulated according to its characteristics. Based on analyses and discussions, this paper shows the potential for improvements to SF6infrared imaging leakage detection technology, and the inspection quality of SF6gas insulation equipment, such as switches, mutual inductors, bushing, and transformers, can be improved

SF6, leakage, infrared, imaging, insulation

TM711

A

1001-8891(2022)02-0198-07

2020-05-12；

2020-05-13.

季怡萍（1993-），女，江蘇常熟人，本科生，工程師，主要從事開(kāi)關(guān)設(shè)備帶電檢測(cè)及新技術(shù)應(yīng)用工作。E-mail：miro4755@163.com。

鄧先欽（1988-），男，江西泰和人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事絕緣介質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及新技術(shù)應(yīng)用工作。E-mail：dxq051@163.com。

上海市學(xué)術(shù)/技術(shù)帶頭人項(xiàng)目（20XD1430200）。