SF6氣體泄漏在線監(jiān)測報警系統(tǒng)研究

范海芳

摘 要：SF6絕緣設備在應用期間所產(chǎn)生的氣體泄漏事件會降低其絕緣性能，還會污染環(huán)境。對變電站SF6氣體絕緣設備建立實時監(jiān)測系統(tǒng)，主要通過二氧化碳激光攝像儀采集SF6氣體狀態(tài)，并且通過圖像特征獲取措施精準定位泄漏源，并且評估和判定泄露量。該次研究主要是探討分析了SF6氣體泄漏在線監(jiān)測報警系統(tǒng)，希望能夠為相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：SF6氣體泄漏；在線監(jiān)測；報警系統(tǒng)

中圖分類號：TP277 文獻標志碼：A

1 SF6氣體泄漏在線監(jiān)測報警系統(tǒng)研究

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

圖1為SF6氣體泄漏在線監(jiān)測報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。對于SF6氣體泄露監(jiān)測部分來說，其主要應用激光照相機，通過紅外線照射氣體泄露區(qū)域，此時SF6氣體會吸收入射激光，不可見SF6氣體會顯現(xiàn)出黑煙狀，此時紅外線探測器會在屏幕上產(chǎn)生映像。通過攝像頭采集映像能夠?qū)崿F(xiàn)處理和分析，并且獲取氣體泄露運動軌跡，定位泄露源，判斷泄漏量。對于監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸來說，將無線模塊裝設在攝像機上，并且通過無線遠程通信技術(shù)將圖片信息傳輸?shù)綗o線模塊，通過無線網(wǎng)狀傳輸信息，不僅可以確保數(shù)據(jù)信息的安全傳遞，還能夠處理監(jiān)測設備中存在的各項問題，象分接頭較多以及通信線纜布線復雜等，有效降低資源消耗。對于后臺監(jiān)測來說，后臺監(jiān)測接受傳輸?shù)膱D片信息，并且利用上位機評估和顯示SF6氣體泄露狀態(tài)，還能夠調(diào)用和存儲數(shù)據(jù)。狀態(tài)顯示欄能夠?qū)?shù)據(jù)結(jié)果實時顯示出來。將設備圖片存儲到數(shù)據(jù)庫中，這樣能夠在后期檢修期間隨時進行調(diào)取。通過曲線圖的方式顯示出SF6氣體泄露狀態(tài)，這樣能夠?qū)z修方案進行優(yōu)化調(diào)整，全面提升維護效率。系統(tǒng)采用可觸摸超大屏幕真彩色SVGA顯示器，熱釋紅外傳感器，風機控制的手動/自動選擇開關(guān)，該監(jiān)測系統(tǒng)是綜合運用了激光技術(shù)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、通信技術(shù)于一體的開放系統(tǒng)平臺。

1.2 系統(tǒng)硬件/軟件設計

1.2.1 硬件設計

該項技術(shù)主要是應用朗伯比爾定律，當波長的光經(jīng)過被測氣體時，光強減弱與被測氣體含量比較滿足該定律。在紅光進入待測氣體之后，紅光會吸收氣體分子。假設入射光為平行光，氣體介質(zhì)中的分子數(shù)吸收所導致的光線強度減弱時，按照吸收定律可知：dI/I=-KdN。在上式中，I表示強度，L表示氣體介質(zhì)厚度，dN表示氣體介質(zhì)中的分子數(shù)，K表示比例常數(shù)。

傳感器主要是應用雙光束檢測原理，其中一路為參比光速，另一路為測量光束。相比于單光束來說，雙波長雙光束技術(shù)能夠防止由于光源老化、監(jiān)測器/采樣池表面污染所導致的飄逸。參比通道所調(diào)制的波長單色光不會吸收被測氣體。其所產(chǎn)生的穩(wěn)定信號只會受到外部因素影響，不會受到測量氣體的影響。

1.2.2 軟件設計

該系統(tǒng)軟件主要包括數(shù)字信號處理的氣體濃度監(jiān)測分析功能和現(xiàn)場可編程門陣列采樣和計算；其中前者主要是利用C語言/匯編語言開發(fā)設計，軟件功能包括氣體濃度檢測、無線通信、控制回路和觸摸屏人機界面；后者主要是利用QuartusI1環(huán)境開發(fā)系統(tǒng)語言功能，并且在現(xiàn)場可編程門陣列中對數(shù)據(jù)進行測量計算，之后將其傳輸?shù)紸RM軟核中，獲取數(shù)據(jù)有效值。

2 系統(tǒng)圖像處理算法

形成和傳遞SF6氣體泄漏圖時，由于光學元件系統(tǒng)存在曝光和失真問題，所以為了確保SF6氣體泄漏圖的質(zhì)量，初步判斷泄露程度，需要對采集圖像進行特征提取處理，可以利用幀間差分，灰度處理以及去噪處理等措施。如圖2所示能夠?qū)⑷斯ぷR別方式逐漸轉(zhuǎn)化為自動識別，全面提升診斷準確性。

2.1 幀間差分算法

該算法主要是在鄰近幀差分算法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。選取視頻圖像中的連續(xù)幀圖像進行邏輯運算，有效累計運動軌跡。由于圖像中運動緩慢的物體變化量比較小，此時就會產(chǎn)生孤立點，此種算法方式能夠有效彌補空洞和雙影情況，防止目標丟失，全面提升檢測目標的魯棒性。

2.2 灰度處理技術(shù)

如果上傳的視頻屬于彩色模型，由于人眼觀察彩色圖像的分辨率明顯低于黑白圖像，因此需要對圖像進行預處理，將彩色圖像進行灰度處理，這樣能夠加快目標跟蹤檢測速度。對彩色圖像進行灰度處理時，像素值轉(zhuǎn)化如下：

Y=0.299R+0.589G+0.114B

2.3 形態(tài)學處理

圖像形態(tài)學中所應用的算法主要是將邊界點消除，確保邊界點向內(nèi)收縮。膨脹算法主要是將物體接觸背景點與該物體進行合并，確保邊界向外部擴展。該形態(tài)學方法可以將細小空洞填補完整，消除孤立區(qū)域。

因存在噪聲影響，圖像在進行二值化處理之后會存在小區(qū)域和小間隙，因此必須對圖像進行腐蝕和膨脹運算及去噪處理。通過腐蝕運算能夠?qū)⒐铝^(qū)域消除掉，之后通過膨脹算法能夠填補圖像窄縫和空洞，避免遭受噪聲影響，全面檢測運動目標。

2.4 圖像閾值分割

對差分圖像大于閾值情況進行判斷，能夠獲取圖像序列中的物體運行情況。通過設置閾值能夠利用經(jīng)典統(tǒng)計閾值方法，該方法主要是將圖像像素細化為背景和目標，這樣能夠獲取最大類間方差，進一步明確最適宜的分割閾值。圖像閾值分割方法屬于經(jīng)典閾值選取方法，所以被廣泛應用到圖像分隔中。

2.5 視頻輸出

通過計算和分析SF6氣體泄漏視頻理論閾值計算，將閾值設置在10/255，將滿足閾值分割原理的像素點顯示出來。確保原圖像背景保持不變，能夠區(qū)分閾值分割原理的紅色像素點。

3 系統(tǒng)測試

3.1 判定泄漏源和軌跡及泄露量

通過SF6氣體泄漏在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠監(jiān)測SF6斷路器。若SF6氣體密度大于空氣，SF6氣體在微風作用下會向左下方飄逸沉降。確保泄漏源SF6氣體泄漏速率在額定時間內(nèi)不變，通過氣體泄露疊加效果能夠看出，SF6氣體泄漏會在運動通道內(nèi)形成標記短缺位置，此位置屬于SF6氣體泄漏源位置。

按照相關(guān)標準規(guī)范能夠看出，工作環(huán)境中的SF6氣體分數(shù)應當在1000 ?l/L，該次研究主要是通過SF6氣體泄漏差分像素點法對氣體泄露程度進行判斷。差分像素點方法主要是在處理圖像之后，其滿足閾值判斷規(guī)則的像素點累加。因此差分像素點越大，則說明SF6氣體泄漏程度越高。

3.2 系統(tǒng)通信和上位機軟件測試

在接收到系統(tǒng)無線信號之后需要對數(shù)據(jù)接收靈敏度性能進行分析，測試系統(tǒng)無線通信靈敏度。變電站中強磁會影響系統(tǒng)無線通信，監(jiān)控系統(tǒng)不僅需要應用看門狗技術(shù)，軟/硬件濾波，元器件合理選型等方法，還能夠應用到動態(tài)信道選擇技術(shù)、空閑信道評估技術(shù)的抗電磁干擾方法。

SF6氣體泄漏在線監(jiān)測系統(tǒng)的上位機軟件界面主要是通過圖像化編程實現(xiàn)，當SF6斷路器開始泄露，但是泄漏量不足1000 ?L/L，此時指示燈為黃色預警狀態(tài)。當前所應用的SF6激光成像儀，在線監(jiān)測系統(tǒng)圖像具有較高的解析度，能夠突顯出泄露軌跡，并且將監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，便于檢測人員調(diào)取應用，之后利用狀態(tài)曲線方式對設備運行狀態(tài)進行評估，并且能夠?qū)z修方案進行優(yōu)化。

3.3 報警系統(tǒng)檢測

設置2個報警值，一個為高報警值，一個為低報警值，若上位機SF6檢測數(shù)據(jù)沒有超過報警值，聲光報警器和風機均為初始化狀態(tài)，無法報警。在上位機檢測數(shù)據(jù)超出報警范圍值時，上位機會自動將指令發(fā)送給繼電器控制板，這樣能夠?qū)β暪鈭缶骱惋L機進行驅(qū)動，此時就會進入報警狀態(tài)。

在測試期間，將低報警值設置在115 ppm，高報警設置值在595 ppm，SF6氣體檢測濃度在90 ppm，濃度處于報警范圍內(nèi)。將高報警值設置則為595 ppm，SF6測量值在985 ppm，系統(tǒng)會進入報警狀態(tài)中。當檢測濃度大于最高報警值時，系統(tǒng)會自動啟動風機，這樣就會降低SF6氣體濃度。在SF6氣體濃度控制在合理范圍時，聲光報警器和風機會自動停止工作。

4 結(jié)語

綜上所述，該次主要是應用SF6氣體泄漏濃度在線監(jiān)測和報警襲用，這樣能夠處理檢測SF6氣體濃度時所存在的困擾問題，全面提升穩(wěn)定性和誤報率，避免由于外部環(huán)境因素對系統(tǒng)運行所造成的干擾。通過紅外線傳感器技術(shù)能夠加快數(shù)據(jù)處理速度，提升數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和準確性。

參考文獻

[1]王松亭，徐海寧，張海軍，等.高壓開關(guān)配電室SF_6氣體濃度變送器標定系統(tǒng)的設計[J].電子世界，2018，11（23）：133-134.

[2]李超，趙志剛，王亮，等.基于LabVIEW的SF_6氣體泄漏檢測與報警系統(tǒng)的設計[J].東北電力技術(shù)，2018，39（7）：56-58，62.