紅外成像技術在電力設備氣體泄漏中的應用

王 航，陳立宇馨

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

1 引言

SF6是一種無色、無味的氣體，常溫下無腐蝕性，具備良好的絕緣、滅弧性能，廣泛應用于斷路器、變壓器、互感器、電容器等高壓電力設備中。

高壓電力設備中的SF6氣體泄漏，會造成開關閉鎖、絕緣擊穿等事故，還會對空氣造成污染，且頻繁補氣，會導致設備維護成本上升。因此，及時檢測電力設備的SF6氣體泄漏點并進行處理極為必要。

近年來，紅外成像檢漏技術因其非接觸、遠距離的優點，在電力設備氣體泄漏帶電檢測中應用較多，能以動態煙霧的形式直觀呈現出來泄漏中的SF6氣體。與常規氣體檢漏方法相比，紅外成像檢漏技術更具有效性。

2 SF6氣體泄漏檢測

2.1 SF6氣體泄漏的原因

在SF6氣體絕緣的電力設備中，氣體泄漏的原因主要有以下幾點：密封件質量問題、絕緣子出現裂紋導致泄漏、設備安裝施工質量問題、密封槽和密封圈不匹配、設備本身質量問題、設備運輸過程中引起的密封損壞等。

2.2 SF6氣體泄漏的部位

據統計，每年SF6泄漏設備比例占設備量的2%～4%左右。同時，隨著設備的老化，泄漏的情況會不斷增加。在進行泄漏點定位工作前，應主要對以下泄漏部位進行預判斷。

（1）絕緣盆子等法蘭密封面。法蘭密封面是發生泄漏較高的部位，一般是由密封圈的老化造成的，也有少量剛投運設備是由于安裝工藝問題導致的泄漏。查找這類泄漏部位時應該圍繞法蘭一圈，從各個方位進行檢測。

（2）壓力表座密封處。由于工藝或密封老化引起的，應檢查表座密封部位。

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

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

（5）SF6氣體小管道。應重點排查管道的焊接處、密封處、管道與開關本體的連接部位。有些三通連接的開關SF6管道可能會有蓋板遮擋，這些部位需要打開蓋板進行檢測。機構箱內的SF6管道需要打開柜門對其內部進行檢測。

（6）設備本體焊縫。設備焊縫焊接質量不良形成的砂眼，也容易導致氣體泄漏。

2.3 SF6氣體檢漏的方法

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

近幾年，利用SF6氣體的紅外特性發展的激光成像檢漏法及紅外成像檢漏法,在檢測SF6氣體泄漏方面實現了重大突破，在相對較遠距離就能發現泄漏的具體部位，且檢測精度較高，檢測結果直觀，在保證作業人員安全的同時也提高了檢測效率。

其中，紅外熱成像檢漏法利用SF6氣體和空氣對特定波長的光吸收特性差異，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，以定位泄漏點。

3 紅外成像檢漏技術

3.1 紅外成像檢漏技術的原理

紅外成像檢漏技術主要是利用SF6氣體對紅外線較為敏感的特性進行成像，是基于紅外光譜成像分析技術發展而成的新興技術。紅外光譜成像分析技術是指以分子光譜學作為理論基礎，以紅外熱成像技術作為工具，分析、鑒別及檢測特定的(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。它是紅外光譜分析理論與紅外成像技術結合的產物。紅外成像檢漏儀主要由光學系統、焦平面探測器、信號處理及顯示器部分組成。

對于SF6氣體而言，在10.56 μm頻率帶的紅外光中，具有較強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的亮度有所不同。SF6紅外檢漏成像儀就是根據這一原理，通過高靈敏度的量子阱探測器、圖像處理技術和電子技術，進行10～11 μm波段紅外線的被動感應，實時形成直觀且具有層次感的紅外圖像，使技術人員可以直觀地看到SF6氣體的泄漏位置。

3.2 紅外成像檢漏技術的優點

紅外成像檢漏技術在電力設備氣體檢漏中應用，主要有下列優點。

（1）檢測的非接觸性。技術檢漏儀可在距離運行設備約30 m以內準確成像，不用接觸被檢設備。

（2）檢測的靈敏度高。熱靈敏度高可達到0.035℃，使采集圖像更清晰細膩；探測靈敏度可達到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。可檢測以天空為背景的高空設備，也可檢測開關柜、GIS等空間較小的設備。

（4）支持設備帶電檢測。可在不影響設備運行的情況下作業。

（5）檢測作業便捷。檢測方便，排查工作量小，非常適用于大氣室的檢漏。

4 SF6氣體檢漏技術的應用實踐

湖南五強溪水電廠500 kV開關站SF6絕緣全封閉組合電器（GIS）由西安高壓開關廠和日本三菱公司聯合生產制造，于1994年正式投運，采用雙母線設計，共8個間隔、73個氣室（SF6氣體額定壓力為0.40 MPa（20℃））。該GIS設備氣室數量多、單個氣室體積大、設備停電機會少，需采用帶電檢測方式檢查設備健康水平。

五強溪電廠500 kV GIS設備在運行中，存在SF6氣體壓力非正常下降現象。因氣體年泄漏量較小，電廠多次組織設備檢漏，均未能檢測出泄漏點。本次采用以紅外成像檢漏技術為主的帶電檢測方式開展泄漏點定位工作。

4.1 泄漏點定位實施理念

4.1.1 氣體檢漏整體思路

（1）因五強溪GIS設備氣體泄漏量較小，要精確定位泄漏點，需采用高精度的檢測技術。

（2）因GIS設備是發電廠電能輸出核心設備，泄漏檢測工作必須帶電進行。

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

4.1.2 泄漏點定位實施方案

（1）調取每個GIS氣室的歷年巡視記錄，根據溫度、壓力情況繪制壓力/溫度-時間曲線圖，分析、計算每個氣室的年漏氣量，找到漏氣量大的氣室重點檢查。

（2）分析可能漏氣的部位。根據經驗，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）針對可能漏氣的部位用紅外成像檢漏儀逐個排查，找到漏氣點。

（4）由于背景環境溫度對紅外成像干擾較大，盡量選擇環境溫度較低的時間段實施檢漏工作，使檢測更精準。

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月開始，Ⅱ母GMB3氣室出現氣體壓力非正常降低的現象。氣室壓力趨勢詳見圖1。

圖1 Ⅱ母GMB3氣室壓力趨勢

根據GB 11023《高壓開關設備六氟化硫氣體密封試驗方法》中泄漏率測定方法，采用壓力降法（式1）對該氣室進行年泄漏率測定。選取時間段Δt（2016年3月至2019年5月）計算Ⅱ母GMB3氣室年的泄漏率Fy≈1.8%，超過標準要求（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（標準大氣壓），MPa；

p——壓降后的壓力（標準大氣壓），MPa；

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

圖2 GIS室環境溫度趨勢

4.2.2 50532氣隔GM42氣室氣體泄漏情況分析

50532氣隔GM42氣室長期存在氣體泄漏情況，需經常對氣室進行補氣以保證氣室的正常壓力，且補氣間隔存在逐次縮短的跡象。氣室壓力趨勢詳見圖3。

圖3 改進的大軸中心調整方法示意圖

圖3 50532氣隔GM42氣室壓力趨勢

針對50532氣隔GM42氣室氣體泄漏情況，分別選取時間段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）計算氣室年泄漏率。該氣室年泄漏率分別為Fy1≈3.3%、Fy2≈4.8%，設備劣化趨勢較明顯。

4.3 氣體泄漏點定位

4.3.1 Ⅱ母GMB3氣室泄漏點定位

鑒于該氣室容量大、泄漏率較低、間歇性漏氣的特點，泄漏點定位工作選在環境溫度大于30℃的時間段。分別采用扣罩法、檢漏儀檢漏法定位漏氣點大概位置。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。

4.3.2 50532氣隔GM42氣室泄漏點定位

該氣室容量較小，雖然泄漏率不高但相對泄漏量較大，泄漏點定位工作選在環境溫度20℃左右的時間段，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。

其實，也只有從馬克思歷史哲學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世紀末每一個人都在談論的時髦詞語，但150年前馬克思就預見到它的許多后果”⑨。因為，正是在馬克思歷史哲學關于社會形態發展更迭、尤其是現代社會運動特殊規律的闡發語境中，馬克思的“世界歷史”概念才能被賦予時下“全球化”概念所具有的豐富內涵，進而推出以下結論:馬克思沒有使用過“全球化”概念，但卻以獨特的“世界歷史”理論形式闡發了有關全球化的豐富思想;馬克思有關“世界歷史”的本質、特征、發展規律等一般性的理解和說明，實際上就是關于全球化的基本闡釋⑩。

4.3.3 泄漏點定位情況

通過應用紅外成像檢漏技術等SF6氣體檢漏技術，在五強溪電廠500 kV GIS設備中共定位了4處泄漏點。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個氣隔盆子及1個手孔蓋板。

4.4 泄漏點處理方式

4.4.1 Ⅱ母GMB3氣室泄漏點處理

處理前應對Ⅱ母進行回路電阻測量。其數據作為檢修后的試驗參考。

（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：GM12、GM11、GM21、GM22、GM24、GM32、GM31、GM42、GM41、GMB4）。

（2）從Ⅱ母B相端頭開始拆解，母線筒及導體，直至漏氣盆子處，拆掉舊盆子，安裝新的盆子，測量拆解區間主回路電阻，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，充入檢測合格的SF6氣體。

（5）檢漏試驗，微水測量，耐壓試驗，試驗合格后投入使用。

4.4.2 50532氣隔GM42氣室泄漏點處理

（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：GMB3、GM21）。

（2）拆解漏氣位置螺栓，更換新密封圈。

（3）抽真空，充入檢測合格的SF6氣體。

（4）檢漏試驗，微水測量，耐壓試驗，試驗合格后投入使用。

5 結論

應用表明，紅外成像檢漏技術能夠在設備安全距離以外，快速、準確地定位泄漏點，為設備健康水平提供了有力的支撐。該項技術可廣泛應用于多種SF6電力設備氣體泄漏帶電檢測中，具有較高的推廣意義和參考價值。