紅外成像技術(shù)在電力設(shè)備氣體泄漏中的應(yīng)用

王 航，陳立宇馨

（1.湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

1 引言

SF6是一種無(wú)色、無(wú)味的氣體，常溫下無(wú)腐蝕性，具備良好的絕緣、滅弧性能，廣泛應(yīng)用于斷路器、變壓器、互感器、電容器等高壓電力設(shè)備中。

高壓電力設(shè)備中的SF6氣體泄漏，會(huì)造成開(kāi)關(guān)閉鎖、絕緣擊穿等事故，還會(huì)對(duì)空氣造成污染，且頻繁補(bǔ)氣，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備維護(hù)成本上升。因此，及時(shí)檢測(cè)電力設(shè)備的SF6氣體泄漏點(diǎn)并進(jìn)行處理極為必要。

近年來(lái)，紅外成像檢漏技術(shù)因其非接觸、遠(yuǎn)距離的優(yōu)點(diǎn)，在電力設(shè)備氣體泄漏帶電檢測(cè)中應(yīng)用較多，能以動(dòng)態(tài)煙霧的形式直觀呈現(xiàn)出來(lái)泄漏中的SF6氣體。與常規(guī)氣體檢漏方法相比，紅外成像檢漏技術(shù)更具有效性。

2 SF6氣體泄漏檢測(cè)

2.1 SF6氣體泄漏的原因

在SF6氣體絕緣的電力設(shè)備中，氣體泄漏的原因主要有以下幾點(diǎn)：密封件質(zhì)量問(wèn)題、絕緣子出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致泄漏、設(shè)備安裝施工質(zhì)量問(wèn)題、密封槽和密封圈不匹配、設(shè)備本身質(zhì)量問(wèn)題、設(shè)備運(yùn)輸過(guò)程中引起的密封損壞等。

2.2 SF6氣體泄漏的部位

據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年SF6泄漏設(shè)備比例占設(shè)備量的2%～4%左右。同時(shí)，隨著設(shè)備的老化，泄漏的情況會(huì)不斷增加。在進(jìn)行泄漏點(diǎn)定位工作前，應(yīng)主要對(duì)以下泄漏部位進(jìn)行預(yù)判斷。

（1）絕緣盆子等法蘭密封面。法蘭密封面是發(fā)生泄漏較高的部位，一般是由密封圈的老化造成的，也有少量剛投運(yùn)設(shè)備是由于安裝工藝問(wèn)題導(dǎo)致的泄漏。查找這類(lèi)泄漏部位時(shí)應(yīng)該圍繞法蘭一圈，從各個(gè)方位進(jìn)行檢測(cè)。

（2）壓力表座密封處。由于工藝或密封老化引起的，應(yīng)檢查表座密封部位。

（3）罐體預(yù)留孔封堵部位。預(yù)留孔的封堵也是SF6泄漏率較高的部位，一般由于安裝工藝導(dǎo)致。

（4）氣室的充氣口處。由于多次充氣造成的密封損壞，發(fā)生氣體泄漏的情況也經(jīng)常發(fā)生。

（5）SF6氣體小管道。應(yīng)重點(diǎn)排查管道的焊接處、密封處、管道與開(kāi)關(guān)本體的連接部位。有些三通連接的開(kāi)關(guān)SF6管道可能會(huì)有蓋板遮擋，這些部位需要打開(kāi)蓋板進(jìn)行檢測(cè)。機(jī)構(gòu)箱內(nèi)的SF6管道需要打開(kāi)柜門(mén)對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)。

（6）設(shè)備本體焊縫。設(shè)備焊縫焊接質(zhì)量不良形成的砂眼，也容易導(dǎo)致氣體泄漏。

2.3 SF6氣體檢漏的方法

目前使用較多的技術(shù)成熟檢漏方法主要包括：泡沫法、定性檢漏儀報(bào)警檢漏法、包扎加定量檢漏儀檢漏法等。這些傳統(tǒng)檢漏法雖然使用方便，但在實(shí)際使用中仍存在較多的局限性，如對(duì)安全距離不滿足要求的設(shè)備需停電檢測(cè)、誤差受環(huán)境因素影響較大、精確定位泄漏點(diǎn)困難等。

近幾年，利用SF6氣體的紅外特性發(fā)展的激光成像檢漏法及紅外成像檢漏法,在檢測(cè)SF6氣體泄漏方面實(shí)現(xiàn)了重大突破，在相對(duì)較遠(yuǎn)距離就能發(fā)現(xiàn)泄漏的具體部位，且檢測(cè)精度較高，檢測(cè)結(jié)果直觀，在保證作業(yè)人員安全的同時(shí)也提高了檢測(cè)效率。

其中，紅外熱成像檢漏法利用SF6氣體和空氣對(duì)特定波長(zhǎng)的光吸收特性差異，致使兩者反映的紅外影像不同，將人眼在可見(jiàn)光下看不到的泄漏中的SF6氣體，以紅外圖像的形式直觀反映出來(lái)，以定位泄漏點(diǎn)。

3 紅外成像檢漏技術(shù)

3.1 紅外成像檢漏技術(shù)的原理

紅外成像檢漏技術(shù)主要是利用SF6氣體對(duì)紅外線較為敏感的特性進(jìn)行成像，是基于紅外光譜成像分析技術(shù)發(fā)展而成的新興技術(shù)。紅外光譜成像分析技術(shù)是指以分子光譜學(xué)作為理論基礎(chǔ)，以紅外熱成像技術(shù)作為工具，分析、鑒別及檢測(cè)特定的(如有害、特殊)氣體，并能以直接觀察可視圖像的方式，確定其位置的技術(shù)。它是紅外光譜分析理論與紅外成像技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。紅外成像檢漏儀主要由光學(xué)系統(tǒng)、焦平面探測(cè)器、信號(hào)處理及顯示器部分組成。

對(duì)于SF6氣體而言，在10.56 μm頻率帶的紅外光中，具有較強(qiáng)的吸收能力與輻射能力。在這一頻率下，SF6氣體和其他氣體在紅外圖像中呈現(xiàn)的亮度有所不同。SF6紅外檢漏成像儀就是根據(jù)這一原理，通過(guò)高靈敏度的量子阱探測(cè)器、圖像處理技術(shù)和電子技術(shù)，進(jìn)行10～11 μm波段紅外線的被動(dòng)感應(yīng)，實(shí)時(shí)形成直觀且具有層次感的紅外圖像，使技術(shù)人員可以直觀地看到SF6氣體的泄漏位置。

3.2 紅外成像檢漏技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

紅外成像檢漏技術(shù)在電力設(shè)備氣體檢漏中應(yīng)用，主要有下列優(yōu)點(diǎn)。

（1）檢測(cè)的非接觸性。技術(shù)檢漏儀可在距離運(yùn)行設(shè)備約30 m以內(nèi)準(zhǔn)確成像，不用接觸被檢設(shè)備。

（2）檢測(cè)的靈敏度高。熱靈敏度高可達(dá)到0.035℃，使采集圖像更清晰細(xì)膩；探測(cè)靈敏度可達(dá)到1 μL/s，更容易分辨微小溫差的SF6氣體氣流。

（3）反射背景要求低。可檢測(cè)以天空為背景的高空設(shè)備，也可檢測(cè)開(kāi)關(guān)柜、GIS等空間較小的設(shè)備。

（4）支持設(shè)備帶電檢測(cè)。可在不影響設(shè)備運(yùn)行的情況下作業(yè)。

（5）檢測(cè)作業(yè)便捷。檢測(cè)方便，排查工作量小，非常適用于大氣室的檢漏。

4 SF6氣體檢漏技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐

湖南五強(qiáng)溪水電廠500 kV開(kāi)關(guān)站SF6絕緣全封閉組合電器（GIS）由西安高壓開(kāi)關(guān)廠和日本三菱公司聯(lián)合生產(chǎn)制造，于1994年正式投運(yùn)，采用雙母線設(shè)計(jì)，共8個(gè)間隔、73個(gè)氣室（SF6氣體額定壓力為0.40 MPa（20℃））。該GIS設(shè)備氣室數(shù)量多、單個(gè)氣室體積大、設(shè)備停電機(jī)會(huì)少，需采用帶電檢測(cè)方式檢查設(shè)備健康水平。

五強(qiáng)溪電廠500 kV GIS設(shè)備在運(yùn)行中，存在SF6氣體壓力非正常下降現(xiàn)象。因氣體年泄漏量較小，電廠多次組織設(shè)備檢漏，均未能檢測(cè)出泄漏點(diǎn)。本次采用以紅外成像檢漏技術(shù)為主的帶電檢測(cè)方式開(kāi)展泄漏點(diǎn)定位工作。

4.1 泄漏點(diǎn)定位實(shí)施理念

4.1.1 氣體檢漏整體思路

（1）因五強(qiáng)溪GIS設(shè)備氣體泄漏量較小，要精確定位泄漏點(diǎn)，需采用高精度的檢測(cè)技術(shù)。

（2）因GIS設(shè)備是發(fā)電廠電能輸出核心設(shè)備，泄漏檢測(cè)工作必須帶電進(jìn)行。

（3）采用紅外成像檢漏技術(shù)，可以將SF6氣體泄漏情況轉(zhuǎn)換成圖像呈現(xiàn)，直觀易識(shí)別，可精確判定漏氣量及漏氣點(diǎn)。

4.1.2 泄漏點(diǎn)定位實(shí)施方案

（1）調(diào)取每個(gè)GIS氣室的歷年巡視記錄，根據(jù)溫度、壓力情況繪制壓力/溫度-時(shí)間曲線圖，分析、計(jì)算每個(gè)氣室的年漏氣量，找到漏氣量大的氣室重點(diǎn)檢查。

（2）分析可能漏氣的部位。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，漏氣的位置主要在焊縫砂眼、螺栓連接處、絕緣盆子、壓力表及連接部分等部位。

（3）針對(duì)可能漏氣的部位用紅外成像檢漏儀逐個(gè)排查，找到漏氣點(diǎn)。

（4）由于背景環(huán)境溫度對(duì)紅外成像干擾較大，盡量選擇環(huán)境溫度較低的時(shí)間段實(shí)施檢漏工作，使檢測(cè)更精準(zhǔn)。

4.2 氣體泄漏情況分析

4.2.1 Ⅱ母GMB3氣室氣體泄漏情況分析

自2016年3月開(kāi)始，Ⅱ母GMB3氣室出現(xiàn)氣體壓力非正常降低的現(xiàn)象。氣室壓力趨勢(shì)詳見(jiàn)圖1。

圖1 Ⅱ母GMB3氣室壓力趨勢(shì)

根據(jù)GB 11023《高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備六氟化硫氣體密封試驗(yàn)方法》中泄漏率測(cè)定方法，采用壓力降法（式1）對(duì)該氣室進(jìn)行年泄漏率測(cè)定。選取時(shí)間段Δt（2016年3月至2019年5月）計(jì)算Ⅱ母GMB3氣室年的泄漏率Fy≈1.8%，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求（年泄漏率不大于1.0%）。

式中：Δp=p1-p；Fy——年泄漏率；p1——壓降前的壓力（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓），MPa；

p——壓降后的壓力（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓），MPa；

根據(jù)Ⅱ母GMB3氣室壓力趨勢(shì)分析，該氣室氣體壓力存在間歇性降低的情況。與GIS室環(huán)境溫度趨勢(shì)（圖2）對(duì)比分析可以看出，該氣室在環(huán)境溫度超過(guò)20℃時(shí)氣體壓力下降較快，在氣室溫度低于15℃時(shí)氣體泄漏則不明顯。

圖2 GIS室環(huán)境溫度趨勢(shì)

4.2.2 50532氣隔GM42氣室氣體泄漏情況分析

50532氣隔GM42氣室長(zhǎng)期存在氣體泄漏情況，需經(jīng)常對(duì)氣室進(jìn)行補(bǔ)氣以保證氣室的正常壓力，且補(bǔ)氣間隔存在逐次縮短的跡象。氣室壓力趨勢(shì)詳見(jiàn)圖3。

圖3 改進(jìn)的大軸中心調(diào)整方法示意圖

圖3 50532氣隔GM42氣室壓力趨勢(shì)

針對(duì)50532氣隔GM42氣室氣體泄漏情況，分別選取時(shí)間段Δt1（2015年3月至2017年7月）與Δt2（2017年9月 至2019年7），采 用 壓 力 降 法（式1）計(jì)算氣室年泄漏率。該氣室年泄漏率分別為Fy1≈3.3%、Fy2≈4.8%，設(shè)備劣化趨勢(shì)較明顯。

4.3 氣體泄漏點(diǎn)定位

4.3.1 Ⅱ母GMB3氣室泄漏點(diǎn)定位

鑒于該氣室容量大、泄漏率較低、間歇性漏氣的特點(diǎn)，泄漏點(diǎn)定位工作選在環(huán)境溫度大于30℃的時(shí)間段。分別采用扣罩法、檢漏儀檢漏法定位漏氣點(diǎn)大概位置。采用紅外成像法（FLIR GF306型紅外氣體檢漏成像儀）精確定位泄漏點(diǎn)。

4.3.2 50532氣隔GM42氣室泄漏點(diǎn)定位

該氣室容量較小，雖然泄漏率不高但相對(duì)泄漏量較大，泄漏點(diǎn)定位工作選在環(huán)境溫度20℃左右的時(shí)間段，直接采用紅外成像法（FLIR GF306型紅外氣體檢漏成像儀）精確定位泄漏點(diǎn)。

其實(shí)，也只有從馬克思?xì)v史哲學(xué)變革高度去理解和把握馬克思的“世界歷史”理論，才可作出如下斷言，“‘全球化’是20世紀(jì)末每一個(gè)人都在談?wù)摰臅r(shí)髦詞語(yǔ)，但150年前馬克思就預(yù)見(jiàn)到它的許多后果”⑨。因?yàn)?，正是在馬克思?xì)v史哲學(xué)關(guān)于社會(huì)形態(tài)發(fā)展更迭、尤其是現(xiàn)代社會(huì)運(yùn)動(dòng)特殊規(guī)律的闡發(fā)語(yǔ)境中，馬克思的“世界歷史”概念才能被賦予時(shí)下“全球化”概念所具有的豐富內(nèi)涵，進(jìn)而推出以下結(jié)論:馬克思沒(méi)有使用過(guò)“全球化”概念，但卻以獨(dú)特的“世界歷史”理論形式闡發(fā)了有關(guān)全球化的豐富思想;馬克思有關(guān)“世界歷史”的本質(zhì)、特征、發(fā)展規(guī)律等一般性的理解和說(shuō)明，實(shí)際上就是關(guān)于全球化的基本闡釋⑩。

4.3.3 泄漏點(diǎn)定位情況

通過(guò)應(yīng)用紅外成像檢漏技術(shù)等SF6氣體檢漏技術(shù)，在五強(qiáng)溪電廠500 kV GIS設(shè)備中共定位了4處泄漏點(diǎn)。其中2處位于50532氣隔GM42氣室，2處配管法蘭處；另2處位于Ⅱ母GMB3氣室B相，1個(gè)氣隔盆子及1個(gè)手孔蓋板。

4.4 泄漏點(diǎn)處理方式

4.4.1 Ⅱ母GMB3氣室泄漏點(diǎn)處理

處理前應(yīng)對(duì)Ⅱ母進(jìn)行回路電阻測(cè)量。其數(shù)據(jù)作為檢修后的試驗(yàn)參考。

（1）Ⅱ母B相氣室壓力降為0 MPa，相鄰氣室降至額定壓力的一半（需抽真空氣室：GMB3，需降半壓氣室共10個(gè)：GM12、GM11、GM21、GM22、GM24、GM32、GM31、GM42、GM41、GMB4）。

（2）從Ⅱ母B相端頭開(kāi)始拆解，母線筒及導(dǎo)體，直至漏氣盆子處，拆掉舊盆子，安裝新的盆子，測(cè)量拆解區(qū)間主回路電阻，并與拆解之前電阻值做比較。

（3）漏氣手孔蓋板和開(kāi)蓋氣室的吸附劑蓋板更換新密封圈及吸附劑，封蓋板。

（4）抽真空，充入檢測(cè)合格的SF6氣體。

（5）檢漏試驗(yàn)，微水測(cè)量，耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后投入使用。

4.4.2 50532氣隔GM42氣室泄漏點(diǎn)處理

（1）50532氣隔GM42氣室壓力降為0 MPa，相鄰氣室降至額定壓力的一半（需抽真空氣室：GM22，需降半壓氣室共2個(gè)：GMB3、GM21）。

（2）拆解漏氣位置螺栓，更換新密封圈。

（3）抽真空，充入檢測(cè)合格的SF6氣體。

（4）檢漏試驗(yàn)，微水測(cè)量，耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后投入使用。

5 結(jié)論

應(yīng)用表明，紅外成像檢漏技術(shù)能夠在設(shè)備安全距離以外，快速、準(zhǔn)確地定位泄漏點(diǎn)，為設(shè)備健康水平提供了有力的支撐。該項(xiàng)技術(shù)可廣泛應(yīng)用于多種SF6電力設(shè)備氣體泄漏帶電檢測(cè)中，具有較高的推廣意義和參考價(jià)值。