季怡萍，鄧先欽，徐 鵬，高 凱

SF6氣體泄漏紅外成像檢測的技術分析和應用探討

季怡萍，鄧先欽，徐 鵬，高 凱

（國網(wǎng)上海市電力公司電力科學研究院，上海 200437）

本文闡述了SF6氣體泄漏紅外成像技術原理，總結了檢測工作相關的技術標準，結合技術原理對檢測工作中的影響因素進行了重點分析，并提出了相應對策，通過技術比較分析了SF6氣體泄漏紅外成像的技術特點，據(jù)此提出了技術應用的策略，以更好地開展SF6氣體泄漏紅外成像檢測，提高開關、互感器、套管、變壓器等SF6氣體絕緣設備缺陷巡檢質(zhì)量。

SF6；氣體泄漏；紅外成像；絕緣

0 引言

絕緣氣體泄漏將造成設備絕緣強度不足，是SF6氣體絕緣設備最主要的缺陷之一[1-2]，可通過SF6氣體泄漏檢測技術對這類缺陷進行精確定位和定性，為后續(xù)檢修方案的制定提供重要的依據(jù)。SF6氣體泄漏紅外成像是近年來使用頻繁且效果顯著的氣體泄漏檢測技術[3-5]，與真空法[6]、泡沫法[7]、定性檢漏儀法[8-10]、包扎定量法[11]、氦質(zhì)譜檢漏法[12]、聲學成像法[13]等泄漏檢測技術有較明顯的差異。SF6氣體泄漏紅外成像檢測技術于2010年起在我國開始試用，至今10余年的推廣應用期間，許多技術與管理人員總結了一些有效的經(jīng)驗，文獻[4]對10座不同電壓等級變電站氣體絕緣全封閉組合電器（gas insulated switchgear，簡稱“GIS”）設備進行大范圍SF6泄漏紅外成像檢測，發(fā)現(xiàn)泄漏缺陷52例，占比最大的為壓力表連接閥、氣路管道處缺陷。文獻[7]通過比較了11種泄漏檢測的技術，認為在使用紅外成像法進行檢測時，受成像檢漏儀靈敏度限制和外界大風等環(huán)境影響，只能確定泄漏的大概區(qū)域，無法精確找到泄漏點。文獻[14]結合紅外成像技術的應用實踐，總結了GIS設備中的砂眼、密封圈失效、絕緣盆子裂紋、密封膠處理不當、密度繼電器連接頭及連接銅管接頭問題引起的泄漏缺陷。文獻[15]提出了一種Matlab圖像處理技術使SF6氣體泄漏位置及范圍突出顯示。諸多已公開的文獻資料，都聚焦在技術的應用統(tǒng)計和效果分析方面，對技術應用的具體策略、影響因素和對策等一線作業(yè)細節(jié)關注得較少，而對于一種高精密的測試技術，如何在現(xiàn)場檢測時最大化地發(fā)揮其技術優(yōu)勢是非常重要的。

本文從成像原理、標準體系、技術比對及特點分析等方面對SF6氣體泄漏紅外成像檢測進行探討，以更加標準化、精細化、系統(tǒng)化地開展SF6氣體泄漏紅外成像檢測，提高開關、互感器、套管、變壓器等SF6氣體絕緣設備缺陷巡檢質(zhì)量。

1 氣體泄漏紅外成像原理

任何一種物質(zhì)都具有特定的紅外吸收特性，這與物質(zhì)的分子相關，SF6氣體對波長為10.6mm的紅外線具有明顯的特征吸收，該紅外線的波長介于“大氣窗口”（長波8～14mm）的范圍內(nèi)，在大氣中穿透較好。高于絕對零度的物體在不停地輻射紅外線，所輻射的紅外線帶有物體溫度的特征信息，可通過紅外輻射的強度探測物體溫度的高低和溫度場分布。

SF6氣體泄漏紅外成像就是利用了SF6氣體的紅外吸收特性和紅外輻射描述溫度的技術原理，具體見圖1。首先，紅外光學鏡頭經(jīng)特殊處理后，只利用波長為10.6mm的紅外線反映被測物體的溫度；當光線傳播至紅外光學鏡頭的路徑內(nèi)存在SF6氣體時，紅外線中10.6mm的部分將被SF6氣體大量吸收，儀器探測到的紅外輻射強度低，在紅外圖像上表現(xiàn)出溫度“低”的特征，與周邊溫度“高”的部分形成“溫差”，溫差越大則SF6氣體所覆蓋的區(qū)域在圖像上越凸顯，隨著氣體在空氣中的逸散，所成紅外圖像將呈現(xiàn)出不斷變化的“煙云”狀，即對泄漏至大氣中的SF6氣體完成圖像描述。

2 標準體系的建立和發(fā)展

開展SF6氣體泄漏成像檢測工作相關的標準體系主要包括儀器的產(chǎn)品類技術規(guī)范和實施現(xiàn)場工作的技術導則，如文獻[16]對從事工作所用的儀器設備進行了全面的技術規(guī)范，適用于制造廠的設計、生產(chǎn)及用戶的采購、驗收和定期試驗，文獻[17]、[18]和[19]均屬于方法類技術導則，雖然文獻[17]相比文獻[18]內(nèi)容涉及面更廣，但是由于制定時間晚，后者更切合實際情況。此外，隨著技術的廣泛應用，文獻[19]在2018年修訂時主要的內(nèi)容就是新增SF6氣體泄漏紅外成像的相關章節(jié)?？梢?，SF6氣體泄漏紅外成像技術的標準體系隨著技術的廣泛應用也進行相應的更新和提升。因此，更需要從業(yè)人員對這種技術有更進一步的了解和掌握，從而更好地加以利用。

圖1 SF6氣體泄漏紅外成像檢測原理圖

3 氣體泄漏紅外成像特點分析

3.1 測試影響因素

根據(jù)本文第1章中的描述，SF6氣體泄漏紅外成像在原理上屬于紅外線熱成像的一種，且需要利用溫差描述SF6氣體的存在，溫差越大，對圖像的判斷越準確，從而使得SF6氣體泄漏的檢測效果越好，根據(jù)這一技術原理，總結了以下幾項對檢測工作影響較大的因素：

1）太陽光或燈光：太陽光或燈光中含有豐富的紅外光線，當光線直射光學鏡頭時，即使光線傳播路徑內(nèi)存在一定量的SF6氣體，仍會有大量的紅外線傳播至光學鏡頭，這將導致圖像上無明顯的溫度差異，不利于泄漏氣體的成像；此外，光滑的設備表面可以反射光線，即使背對太陽光或燈光有時也不利于工作的開展，因此，有必要避免在強烈陽光或燈光條件下進行SF6氣體泄漏紅外成像檢測。這一點與文獻[17]中6.3“室外檢測宜在晴朗天氣下進行”有明顯差異，而在文獻[20]中4.3.1d）明確要求“在室外或白天檢測時，要避免陽光直射或通過被測物反射進入儀器鏡頭；在室內(nèi)或晚上檢測時，要避開燈光直射，條件允許，應閉燈檢測”。

2）測試背景：溫差與成像質(zhì)量有非常密閉的關系，在實際工作中，當確認某一區(qū)域存在泄漏時，可利用測試背景人為制造圖像溫差，放大溫差可增強圖像中的顏色對比度，具體可以分為冷背景和熱背景。一般戶外設備則最好以天空為冷背景（絕對零度，理論上為0K），如圖2所示，在0.06mL/min（0.001mL/s）泄漏量下，以天空為背景圖2(a)與以墻作背景圖2(b)差異明顯（藍圈內(nèi)的煙狀圖像），這主要是天空冷背景在圖像上表現(xiàn)為極暗色，空間內(nèi)任何帶有溫度的物質(zhì)（逸散在大氣中的SF6氣體）都與絕對零度有近300K的溫差，在圖像上將表現(xiàn)出明顯的差異；在室內(nèi)檢測時，由于空間內(nèi)各物體的溫差不大，則可使用高溫熱背景，如圖3所示，在以室溫作背景的圖3(a)中是觀察不到0.06mL/min的泄漏氣體，而在圖3(b)中，由于使用了60℃的熱背景，可清晰地成像（黃圈內(nèi)的煙狀）。

圖2 室溫背景與天空背景成像對比

圖3 高溫背景與室溫背景成像對比

3）泄漏量：微量的氣體逸散到大氣中后，快速的擴散造成SF6氣體濃度極小，使其所吸收的紅外線與周圍空氣所吸收的紅外線無明顯的差異，在圖像上體現(xiàn)不了明顯的溫差，這種情況可能會造成缺陷的漏判，此時，應協(xié)同采用其他靈敏度更高的泄漏檢測技術。

4）風速：風速影響泄漏氣體在空氣中逸散速度，風速過大，擴散速度增大，圖像中尚未出現(xiàn)明顯溫差，SF6氣體就已全部逸散，成像效果不佳；然而空間內(nèi)大氣也不宜完全不流動，不流動的大氣不能加速泄漏的氣體流動以形成動態(tài)的煙霧狀圖像，不利于測試人員對圖像的判斷。

5）泄漏位置：室內(nèi)布置的設備或220kV及以下的GIS設備，由于相與相之間、間隔與間隔之間的距離較小，儀器無法探測到某些隱蔽部位，若這些隱蔽部位發(fā)生泄漏的可能性極大時，可使用鏡面將紅外光線反射[21]至紅外光學鏡頭后成像，以避開工作現(xiàn)場的遮擋物，見圖4。

3.2 圖像診斷

SF6氣體絕緣設備的漏氣缺陷大致可分為密封失效或材料砂眼，在具體的成像特征上也存在差異，如圖5(a)所示，泄漏的氣體成像后呈現(xiàn)“扇形”或“連續(xù)”的噴射狀，這種情況往往泄漏量較大、補氣間隔也較短，更可能對應的是金屬材料的砂眼或密封件嚴重失效，這類缺陷發(fā)生的次數(shù)較少，一般是由制造過程中的原因造成的；圖5(b)則呈現(xiàn)出“飄渺”或“間斷”的煙霧狀，更多對應的是輕微泄漏，這種情況的補氣間隔則一般較長，實際工作中碰到的概率較大，一般是運行時設備密封件的輕微老化或變形導致的，對這類缺陷的檢測往往需要極強的耐心和毅力。從以上分析看出，可從圖像特征上對缺陷的類型進行定性分析，有利于后期對設備開展有針對性的檢修工作。

圖4 鏡面反射成像原理圖

圖5 氣體泄漏成像的圖像特征對比

3.3 其他技術方法對比

在SF6氣體泄漏紅外成像應用之前，用戶普遍使用傳統(tǒng)的定性或定量檢漏儀（如鹵素檢漏儀、紅外吸收檢漏儀、光聲光譜檢漏儀等）對設備的泄漏缺陷進行定性、定量和定位，這些傳統(tǒng)檢測儀器大部分（以下簡稱傳統(tǒng)儀器）利用了SF6氣體的負電性和紅外吸收特性，下面從技術原理和技術指標兩方面對SF6氣體泄漏紅外成像檢漏儀與傳統(tǒng)儀器進行比較。

1）技術原理比較：在原理上有相似性，也存在一些差異，相同點主要表現(xiàn)在SF6氣體泄漏紅外成像檢漏儀也利用了紅外定量檢漏儀的紅外吸收特性；差異主要是傳統(tǒng)儀器無論是利用了負電性還是紅外吸收特性，最終都將其轉化為電信號，并在結果的表現(xiàn)形式上或輸出報警信號或輸出具體量值；而SF6氣體泄漏紅外成像利用了氣體的紅外吸收特性和紅外輻射描述溫度的技術原理，最終通過紅外圖像上的溫差描述氣體在空間中的存在狀態(tài)，這種可視化功能大大提高了現(xiàn)場漏點查找的效率和工作的成效。

2）應用場景比較：SF6氣體泄漏紅外成像檢漏儀針對漏氣量大、測試空間開闊、拍攝背景條件好（如背景為天空或空曠場地）等缺陷較易定位；傳統(tǒng)儀器針對漏氣量小、測試條件差（間隔空間狹小、濕度高，空氣不流通的電纜層等）、漏點位置不便于觀測（如在盆子內(nèi)側，視線有遮擋）等缺陷檢測效果更佳。

3）技術指標比較：對于檢漏儀在使用中需重點關注其微小泄漏檢測能力（檢測限）、結果響應時間和定位準確性，參數(shù)比較見表1，從表1可以看出，SF6氣體泄漏紅外成像儀在微小泄漏的檢測能力和響應時間上幾乎都與傳統(tǒng)檢測儀存在一定差距，而在定位準確性上優(yōu)勢明顯。

表1 SF6氣體泄漏紅外成像檢漏儀與傳統(tǒng)儀器的技術參數(shù)比較

從以上原理、場景和參數(shù)的技術比較可以發(fā)現(xiàn)，SF6氣體泄漏紅外成像檢漏儀短板在于輕微泄漏或檢測條件受限時靈敏度不足，其優(yōu)勢在于結果的可視化、定位的準確性及檢測的安全性，可視化的特點有助于直觀快速地捕捉設備漏氣情況，定位的準確性對后續(xù)的設備檢修提供了指導性意見，檢測的安全性對于非GIS設備的帶電檢測提供不受觸電和氣體中毒危險的保障。

4 應用策略

SF6氣體泄漏紅外成像檢漏儀的價格昂貴，目前市場報價約80～100萬左右，屬高端檢測儀器，不具備大規(guī)模配置的條件。考慮到各地供電生產(chǎn)部門的配置情況與SF6氣體泄漏紅外成像檢測的技術特點，應結合設備運行時的安全距離等具體情況，分類應用成像法和傳統(tǒng)方法[22]，應用策略詳見圖6。從圖6中總結出，密度表的讀數(shù)變化是SF6氣體泄漏檢測工作的發(fā)起點，其可靠性是后續(xù)所有檢漏手段的基礎，可采取時間跨度上的縱向比較，輔助相間的橫向比較，以全面掌握密度表讀數(shù)變化情況，成像法作為泄漏定位和可視化結果呈現(xiàn)的最終手段。此外，密度表讀數(shù)的“微小降低”和“大幅降低”需要運行人員結合設備氣室大小綜合判斷，建議以補氣周期為基礎，輔助氣室大小綜合來判斷氣體的泄漏量。在現(xiàn)場實際工作中，應掌握SF6氣體泄漏紅外成像檢漏儀和傳統(tǒng)儀器的特點，根據(jù)設備缺陷的實際情況，靈活采用有效的檢漏技術。對于非安全區(qū)域或檢測條件不佳的區(qū)域，宜選用SF6氣體泄漏紅外成像檢漏儀開展檢測，但由于紅外成像檢漏儀對輕微泄漏并不敏感，若未檢出漏氣也不可排除漏氣的可能性，建議在條件允許的情況下結合傳統(tǒng)儀器的手段加以驗證。

5 結論

SF6氣體泄漏紅外成像利用了SF6氣體的紅外吸收特性和紅外輻射描述溫度的技術原理，在特定的場景下具有明顯的技術優(yōu)勢，但是技術人員也應該了解到其檢測靈敏度和適用場景。

在開展SF6氣體泄漏紅外成像檢測時，建議對以下幾項工作加以重視：

1）加強密度表巡視和管理

密度表是設備泄漏監(jiān)測的第一道防線，運行人員應密切注意密度表的讀數(shù)變化，此外，還應注意密度表的定期校驗，確保密度表能正確動作，防止由于密度表性能不佳影響設備安全運行。

2）實施分類應用策略

設備各級管理和運檢人員應掌握各種檢漏技術的特點，根據(jù)實際情況，以先定性后定量定位的原則，將紅外成像檢漏技術與傳統(tǒng)檢漏手段相結合，提高泄漏缺陷的定位效率。

圖6 SF6氣體絕緣設備檢漏技術分類應用策略

3）完善檢漏實測技術

根據(jù)測試過程中碰到的問題，采取可能的應對措施，提高泄漏成像檢測效率和工作質(zhì)量。完善泄漏案例的匯總和宣貫，熟悉成像的分析方法和檢修方案的制定。

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Analysis of SF6Leakage Detection Using Infrared Imaging

JI Yiping，DENG Xianqin，XU Peng，GAO Kai

(,200437,)

This paper discusses the principles of SF6infrared imaging leakage detection technology, and summarizes the standards related to detection technology. According to the technical principles, the influencing factors in the testing practice are analyzed, and corresponding countermeasures are proposed. Further, the characteristics of infrared imaging leakage detection technology are compared and analyzed. The technology application strategy is formulated according to its characteristics. Based on analyses and discussions, this paper shows the potential for improvements to SF6infrared imaging leakage detection technology, and the inspection quality of SF6gas insulation equipment, such as switches, mutual inductors, bushing, and transformers, can be improved

SF6, leakage, infrared, imaging, insulation

TM711

A

1001-8891(2022)02-0198-07

2020-05-12；

2020-05-13.

季怡萍（1993-），女，江蘇常熟人，本科生，工程師，主要從事開關設備帶電檢測及新技術應用工作。E-mail：miro4755@163.com。

鄧先欽（1988-），男，江西泰和人，碩士研究生，高級工程師，主要從事絕緣介質(zhì)的現(xiàn)場試驗及新技術應用工作。E-mail：dxq051@163.com。

上海市學術/技術帶頭人項目（20XD1430200）。