基于激光成像技術(shù)對(duì)GIS設(shè)備外泄檢測(cè)

袁曉峰

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌443002)

基于激光成像技術(shù)對(duì)GIS設(shè)備外泄檢測(cè)

袁曉峰

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌443002)

GIS是一種新型的電氣設(shè)備，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其的復(fù)雜、并且在制造的過(guò)程中對(duì)質(zhì)量要求也非常高、由于其全封閉性導(dǎo)致其在運(yùn)用中的檢修工藝也很繁瑣。雖然GIS故障少，但萬(wàn)一發(fā)生故障后果相當(dāng)嚴(yán)重。因此，開(kāi)展對(duì)GIS設(shè)備狀態(tài)的檢測(cè)變得格外重要。本文將從檢測(cè)的狀態(tài)量、原理及方法三方面進(jìn)行GIS設(shè)備的泄露進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)對(duì)GIS的一些狀態(tài)量的不同變化，如氣壓，微水值等來(lái)判斷其發(fā)生外泄，本文用到的檢測(cè)方法主要是激光成像技術(shù)檢測(cè)法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，精確定位，以及高精度，非接觸等。

GIS;氣壓;微水值;激光成像技術(shù)

1 引言

GIS是通過(guò)在絕緣金屬內(nèi)部封閉一定氣體起到絕緣開(kāi)關(guān)的一種設(shè)備。它的組成主要是由母線(xiàn)、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、母線(xiàn)、避雷器、互感器、連接件和出線(xiàn)終端等。這些組成部分或部件全部封閉在金屬接地的外殼中，并且在其外殼內(nèi)部充有一定的SF6絕緣氣體，起到壓力作用，通常我們也稱(chēng)之為SF6全封閉組合電器。CIS設(shè)備由于其封閉性，所以跟傳統(tǒng)的敞開(kāi)式電氣設(shè)備相比它具顯著優(yōu)點(diǎn):體積小、安全性高、安裝周期短、維護(hù)方便等。另外金屬外殼內(nèi)部的SF6氣體由于具有優(yōu)越的滅弧、絕緣性能以及穩(wěn)定的化學(xué)熱能性質(zhì)，因此在超高壓電氣設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，與此同時(shí)，在SF6氣體設(shè)備的制造、安裝過(guò)程中可能會(huì)存在一些質(zhì)量、外力損失和元件老化等因素，SF6氣體泄漏問(wèn)題也開(kāi)始顯露。當(dāng)發(fā)生SF6氣體泄漏時(shí)，一方面它不僅降低了SF6開(kāi)關(guān)滅弧室的滅弧能力和絕緣性能，這樣設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中將存在嚴(yán)重的安全隱患，另一方面泄漏的SF6氣體在電弧的作用下經(jīng)過(guò)電壓放電、溫度等因素的作用，能形成一些毒性很大的分解物，這都有可能給運(yùn)行、檢修人員的安全帶來(lái)嚴(yán)重影響，且SF6氣體如果排放或泄漏到空氣中，由于其極強(qiáng)的腐蝕性，這樣可能會(huì)加劇我們生存環(huán)境的溫室效應(yīng);當(dāng)發(fā)生GIS設(shè)備泄漏時(shí)，大量補(bǔ)氣會(huì)使得維修成本大大增加，因此加強(qiáng)對(duì)SF6設(shè)備的檢漏時(shí)非常有意義的。

2 對(duì)GIS設(shè)備外泄進(jìn)行研究的意義

由于SF6氣體電氣性能極其的優(yōu)異，在常溫常壓下它的滅弧能力約為空氣滅弧的102倍，其運(yùn)用范圍非常廣泛，目前在高電壓和超高電壓乃至特高壓中都得到了廣泛的應(yīng)用。常溫常壓下SF6氣體的化學(xué)性能穩(wěn)定不易泄露。但是在特殊情況下SF6氣體泄露所造成的危害時(shí)不可估量的，就目前來(lái)看，主要有以下幾個(gè)方面。

(1)GIS設(shè)備在開(kāi)斷的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生電弧，SF6氣體在電弧作用下被電加熱后會(huì)分解出一些有毒物質(zhì)如SF4、SOF2、SF2、HF等，這些有毒物質(zhì)不僅污染大氣，更有甚者將會(huì)對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害。

(2)GIS設(shè)備的耐壓強(qiáng)度與SF6氣體的密度相關(guān)，當(dāng)SF6氣體泄露時(shí)，它會(huì)引起GIS設(shè)備中氣體密度降低，這樣進(jìn)一步造成GIS設(shè)備的絕緣耐壓強(qiáng)度降低，嚴(yán)重時(shí)可能引起斷路器的閉鎖進(jìn)一步導(dǎo)致GIS設(shè)備的絕緣擊穿，引發(fā)重大事故。

(3)SF6氣體跟CO2氣體一樣都是溫室效應(yīng)氣體，它一旦泄露，大氣環(huán)境將會(huì)被嚴(yán)重污染。SF6氣體對(duì)大氣的污染程度是CO2氣體的23900倍，它被列為全球需要管制使用的氣體之一。雖然現(xiàn)在在制作生產(chǎn)GIS設(shè)備的過(guò)程中，對(duì)設(shè)備內(nèi)部封閉性要求很高，也能夠盡最大可能的減少氣體泄漏事情發(fā)生。但是，由于各方面的原因，全球范圍內(nèi)仍有大量GIS設(shè)備發(fā)生絕緣強(qiáng)度降低的問(wèn)題，追其原因就是設(shè)備發(fā)生了SF6氣體泄漏。因此我們有必要對(duì)GIS設(shè)備SF6氣體密度進(jìn)行定期的檢測(cè)，控制SF6氣體泄露以提高電氣設(shè)備運(yùn)行可靠性，進(jìn)而保證電力工業(yè)生產(chǎn)安全。

在工業(yè)運(yùn)用中為了滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，GIS設(shè)備中由于SF6氣體大都密封且各密封室排列緊湊，且數(shù)量多，這樣給準(zhǔn)備定位SF6泄露點(diǎn)的檢測(cè)增加了不小的難度。而本文將介紹一種新的檢測(cè)技術(shù)即激光成像技術(shù)。它是一種專(zhuān)門(mén)為準(zhǔn)備查找SF6氣體泄露點(diǎn)而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出來(lái)的，它的優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程非接觸式的檢測(cè)，對(duì)運(yùn)行中的GIS設(shè)備的SF6氣體泄露檢測(cè)非常實(shí)用，而且還可以準(zhǔn)確地定位出裝置中SF6氣體的泄露位置。

3 對(duì)GIS設(shè)備外泄?fàn)顟B(tài)量的檢測(cè)及原理

3.1 對(duì)GIS設(shè)備外泄氣壓的檢測(cè)

我們知道，在GIS設(shè)備正常投入運(yùn)行時(shí)，在同一溫度環(huán)境下其每個(gè)氣室或者氣隔的氣壓是在一個(gè)范圍內(nèi)的，當(dāng)SF6氣體漏氣時(shí)會(huì)造成設(shè)備內(nèi)的氣體壓力下降，此時(shí)我們可以用密度繼電器隨時(shí)檢查各個(gè)氣室或者氣隔的氣壓變化，當(dāng)密度繼電器顯示氣壓明顯下降時(shí)，我們就可以判斷GIS設(shè)備發(fā)生外部泄漏。

3.2 對(duì)GIS設(shè)備外泄微水值的檢測(cè)

此外，衡量GIS設(shè)備外泄檢測(cè)的另一個(gè)狀態(tài)量是SF6氣體中水含量。而用到的檢測(cè)設(shè)備是微水儀，原理是根據(jù)露點(diǎn)法等原理。我們知道，設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中內(nèi)部氣壓是比大氣壓高的，但是就水分來(lái)說(shuō)，內(nèi)部的水壓要比外部水壓要小很多，而且隨著外界氣溫升高，會(huì)加大外部濕度更大，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致外水分壓更大，這樣外部的水分就更容易進(jìn)入到設(shè)備內(nèi)部。因此當(dāng)設(shè)備發(fā)生漏氣時(shí)，外部水分就會(huì)很容易進(jìn)入到設(shè)備內(nèi)部來(lái)導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)的水分增大，此時(shí)我們就可以用微水儀來(lái)檢測(cè)設(shè)備內(nèi)部的水分變化，在做微水值的測(cè)定分析中，若發(fā)現(xiàn)微水值超標(biāo)就可以判斷此氣隔或者氣室有外泄現(xiàn)象發(fā)生。

4 對(duì)GIS設(shè)備外泄的檢測(cè)的方法

就目前來(lái)說(shuō)，GIS中傳統(tǒng)的SF6氣體泄漏檢查方法有“鹵素效應(yīng)”檢漏法、肥皂氣泡法、抽真空檢漏法、熱導(dǎo)檢測(cè)器法等。

(1)肥皂泡法檢漏，當(dāng)設(shè)備發(fā)生較大泄露或者正在運(yùn)行中時(shí)可以運(yùn)用此方法。用刷子將肥皂水刷在可能發(fā)生泄漏的密封環(huán)節(jié)上，當(dāng)此處出現(xiàn)向外鼓泡的時(shí)候就證明該處是漏點(diǎn)。據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，用洗發(fā)香波效果會(huì)更好，用此法可檢出泄漏速率高達(dá)106mL大氣壓/秒的漏點(diǎn)。

(2)填充SF6氣體檢漏法，新裝設(shè)備或者檢修后重新裝置的設(shè)備適用于此法，或運(yùn)用肥皂泡沫法檢測(cè)不到的微小漏點(diǎn)。這種檢測(cè)方法使用的檢漏儀最高靈敏度為1×10}，它可定量地確定漏點(diǎn)，漏氣速率，以及漏氣量。SF6檢漏儀的具體工作原理是將被檢氣隔或者氣室一個(gè)個(gè)用塑料布包起來(lái)起到密封作用，放置一段時(shí)間，檢測(cè)出被圍部分的SF6氣體濃度，依此可以計(jì)算年泄漏量。

(3)抽真空監(jiān)視法，用于全新裝置或者檢修后重新裝配的設(shè)備。抽真空監(jiān)視法的工作原理是，先將GIS設(shè)備的回裝裝置及其連接管抽真空直到1.4乇，觀察30分鐘確認(rèn)無(wú)泄漏后才能使用。然后打開(kāi)設(shè)備側(cè)面閥門(mén)，對(duì)設(shè)備抽真空至1.1乇。保持真空度4.1小時(shí)。如果真空度下降值不超過(guò)1乇則認(rèn)為設(shè)備無(wú)泄漏。

而本文用到的激光成像技術(shù)能夠遠(yuǎn)距離，精確的判斷出泄露點(diǎn)。

SF6氣體是一種穩(wěn)定的溫室氣體，在SF6的分子結(jié)構(gòu)中，6個(gè)F原子緊密地圍繞在SF6分子的表面，由于F分子具有很強(qiáng)的吸附電子的能力這樣就使得SF6分子表現(xiàn)出極強(qiáng)的電負(fù)性，這樣SF6分子就很容易吸附自由電子，因此可以吸收激光波長(zhǎng)。本文介紹的激光成像技術(shù)就是依據(jù)此研發(fā)出來(lái)的，其工作原理為:首先由激光發(fā)射器發(fā)出入射激光，入射激光經(jīng)過(guò)背景反射會(huì)形成反向散射激光進(jìn)入激光攝影機(jī)成像系統(tǒng)，入射激光在進(jìn)入系統(tǒng)過(guò)程中如果遭遇到設(shè)備泄露的SF6氣體，由于SF6氣體極強(qiáng)的吸附電子能力，則其能量可能會(huì)被泄露的的SF6氣體吸收一部分，從而導(dǎo)致設(shè)備有泄漏情況下與無(wú)泄露兩種情況下的反向激光產(chǎn)生差異，最終造成各自的激光成像不同，由此可以得出設(shè)備F6氣體是否發(fā)生泄漏。激光成像技術(shù)在SF6氣體泄漏檢測(cè)工作中引入了一個(gè)全新的概念—“入射吸收－反向散射技術(shù)”，這樣就可以通過(guò)氣體成像圖分析GIS設(shè)備各部件的SF6氣體濃度，在工程應(yīng)用中，利用激光成像取景器顯示圖像，使SF6氣體以云的形式變得可見(jiàn)，從而可以通過(guò)圖像來(lái)定位泄露源。

圖1 SF6激光成像原理圖

5 結(jié)束語(yǔ)

GIS設(shè)備在運(yùn)行、維修過(guò)程中難免會(huì)發(fā)生泄漏問(wèn)題，因此有必要對(duì)GIS設(shè)備進(jìn)行定期的檢測(cè)，在檢查的過(guò)程中，我們可以通過(guò)對(duì)氣壓，微水值等一些狀態(tài)量的監(jiān)測(cè)來(lái)知道設(shè)備是否發(fā)生泄漏。本文用到的基于激光成像技術(shù)的SF6設(shè)備帶電檢測(cè)，它的主要優(yōu)點(diǎn)在于能夠遠(yuǎn)距離地帶電檢測(cè)是否發(fā)生設(shè)備SF6氣體泄漏，可使泄露的SF6氣體以可見(jiàn)的動(dòng)態(tài)煙云形式在顯示屏上顯現(xiàn)出來(lái)，從而可以直觀、準(zhǔn)確、快速的發(fā)現(xiàn)并定位泄漏點(diǎn)。與常用方法相比較，利用激光成像技術(shù)進(jìn)行SF6氣體泄漏檢測(cè)方法，其優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯，它不需要設(shè)備停電，可以邊運(yùn)行邊檢測(cè)，達(dá)到安全的在遠(yuǎn)距離對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)的目的，充分保障了運(yùn)行、檢修人員的身體不觸電和氣體中毒危險(xiǎn)，為實(shí)現(xiàn)SF6電氣設(shè)備的狀態(tài)檢修創(chuàng)造了良好條件。

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Laser Imaging Technology to GIS Equipment Leakage Detection

YUAN Xiao-feng
(China Three Gorges University，Electrical Engineering and New Energy School，Yichang 443002，China)

GIS is a new kind of electrical equipment，Its internal structure is very complex and higher quality is required in manufacturing.Although less GIS fault，but very serious consequences in case of failure.Therefore，to carry out testing of GIS equipment status becomes particularly important.This paper will state the amount of testing，principles and methods of the three aspects of GIS equipment to detect leaks.Changes in some of the state by different amount of GIS，such as pressure，moisture，etc.to determine the value of its leakage occurs，the detection method is mainly used in laser imaging technology detection.This approach enables remote pinpoint leak points，and advantages of high precision，noncontact.

GIS;pressure;slug value;laser imaging technology

TM73

B

1004－289X(2016)04－0010－03

2016－03－03