SF6氣體瀉流模型及其檢漏應(yīng)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(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217）

0 前言

六氟化硫（SF6）氣體作為絕緣介質(zhì)廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備中。根據(jù)不同絕緣需要，電力設(shè)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(dāng)SF6氣體泄漏時，壓力便會下降，影響設(shè)備的絕緣性能，需要及時進(jìn)行補氣、堵漏等處理。電力設(shè)備運行中，可以通過壓力表的讀數(shù)變化來判斷設(shè)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(shè)備進(jìn)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(jìn)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(xué)瞬態(tài)模型，計算了容器內(nèi)部和表面溫度關(guān)聯(lián)關(guān)系，進(jìn)而快速推算氣體絕緣開關(guān)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(shù)的基礎(chǔ)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(guān)系，并對運行變電站的GIS設(shè)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(jié)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(yīng)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(biāo)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(chǔ)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(jìn)行SF6氣體泄漏定位的方法并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)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(fēng)力等條件下的泄漏情況，利用紅外成像儀等儀器進(jìn)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(yuǎn)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(guān)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(zhì)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(guān)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(guān)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(guān)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(jìn)行檢測。在選擇紅外探測器時，其敏感波長應(yīng)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(guān)設(shè)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(dāng)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(dāng)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(jìn)行紅外成像時，可提升泄漏檢出率。

3 裝置研制及應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)體制冷的原理如下圖1所示。

圖1 半導(dǎo)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(yīng)用

1）某供電局220 kV 254斷路器B相為SF6充氣設(shè)備，額定壓力為0.70 MPa，投運后發(fā)現(xiàn)有漏氣現(xiàn)象，進(jìn)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(chǔ)。

2）某供電局151斷路器為SF6充氣設(shè)備，額定壓力為0.55 MPa，充氣重量7 kg，投運發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在泄漏，共計進(jìn)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(jié)束語

本文采用熱力學(xué)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(shè)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(dāng)降低環(huán)境背景溫度時，背景輻射波長將向遠(yuǎn)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(dǎo)體制冷技術(shù)，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(jìn)行了應(yīng)用。應(yīng)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。