第10章 六氟化硫气体泄漏检测技术

.SF6气体泄漏检测技术目录第一节 SF6气体泄漏检测技术概述2一、发展历程2二、技术特点及应用情况3第二节 SF6气体泄漏检测技术基本原理7一、SF6气体特性7二、泄漏检测机理8三、泄漏检测仪组成及基本原理15第三节 泄漏检测及诊断方法25一、检测方法25二、判断标准28第四节 典型SF6气体泄漏案例分析30第一节 SF6气体泄漏检测技术概述一、发展历程 SF6气体泄漏作为GIS运行过程中的常见缺陷之一1，SF6的泄漏不仅会影响设备的绝缘强度，还将对大气环境产生较强的温室效应；此外，假如气体中含有电弧分解物，泄漏气体还将危害人身安全2。因此，SF6气体泄漏检测工作异常重要。SF6气体泄漏检测技术从上世纪五十年代开始应用，早期新安装和大修后的设备检漏主要依靠真空监视和压力检查，运行设备通过压力表进行泄漏监测，受检测技术的限制，泄漏点的判断主要采用皂水查漏3, 4。20世纪70年代，科研人员根据SF6气体的负电性开发了卤素仪，如美国TIF公司、德国DILO公司、美国CPS公司、英国ION公司都有相应技术产品。20世纪末期，SF6气体泄漏的定量检测成为趋势并颁布了IEC60480和GB/T 8905-1996SF6电气设备中气体管理和检测导则。20世纪80年代开始，各大设备厂家、科研单位投入到检测技术的研发当中，其中代表性检测技术为：20世纪80年代年美国USON公司开发电子捕获型检测技术；20世纪90年代初期日本三菱公司研发紫外电离型检测技术；上世纪90年代末期英国ION公司研发负离子捕捉检测技术。以上述检测技术利用的都是SF6气体的负电性，21世纪初，随着人们对SF6气体的化学、声学和光学性质的不断深入了解，新型检测技术不断发展，如红外光谱吸收技术、光声光谱技术和成像法。红外吸收技术和光声光谱技术利用SF6气体分子吸收红外线的特性， 2004年德国GAS公司推出基于红外吸收技术的IR LEAKMETER检漏仪，后续西班牙Telstar、美国BACHARACH、德国WIKA等公司也开发了相应产品；光声光谱技术作为一种纯物理的、非破坏性的检测技术，2006年被丹麦INNOVA公司首先应用于SF6气体检漏。成像技术包括激光成像和红外成像，通过影像的形式直观的判断泄漏点，近年来，成像技术已逐渐成为检漏技术的发展趋势，其中以美国FLIR公司、美国GIT公司的红外成像检漏技术和红相电力设备集团有限公司的激光成像检漏技术为主。早期对于SF6气体的检漏主要采用皂水查漏、包扎法、手持检漏仪等检测方法,但早期的方法应用时设备都需要停电进行，不属于带电检测的范畴。从上世纪九十年代末期至今，带电检漏仪器逐渐发展有以下几种：紫外线电离型、高频振荡无极电离型、电子捕获型、负电晕放电型等。但在实际使用中仍有不足，如泄漏部位定位性能差、检测误差随环境变化大、很难做到精确定位和定量检测等。近几年，利用SF6气体红外特性发展的激光成像检漏法及红外成像检漏法，在检测SF6气体泄漏方面实现了重大突破，在相对较远距离就能发现泄漏的具体部位，精度高，检测结果非常直观，极大提高了检测效率同时也保证的人员的安全。二、技术特点及应用情况 采用不同工作原理的各种泄漏检测技术都有自身的优势和不足，因此，掌握其优缺点和适用性，以便在不同的实际条件下合理使用各种检测技术是非常必要的。2.1 负电晕检测技术负电晕检测技术的设备结构简单、成本低，但是，测试干扰因素较多、抗干扰能力差、电极易老化、传感器寿命短、单电极结构灵敏度不高、精度低等缺点。目前，该技术由于精度低的缺点不适用于定量检测，多用于定性检漏仪，也有应用于室内SF6监测报警装置，该种技术原理的仪器在使用过程中需对检测器要定期清洗5。2.2 电子捕获检测技术电子捕获检测技术性能非常稳定、测量分辨率高、精度高、响应和恢复速度都很快，但是，这种技术使用放射源和高压载气瓶，测试安全与快捷的要求均无法满足，且操作复杂。这种类型的技术仪器多用于电力设备出厂试验，但是安全和便携因素制约着测试仪器的运输、存储和使用5。电子捕获检测器(ECD)是一种对痕量电负性(亲电子)有机化合物的分析很有效的检测器，典型的产品是美国USON公司Q200。它只对电负性物质有信号，样品电负性越强，给出的信号越大，但对不具电负性的物质则没有信号输出。电子捕获检测器对卤化物，含磷、硫、氧的化合物，硝基化合物，多环芳烃，共轭羰基化合物，金属有机物，金属化合物，甾族化合物等电负性物质，都有很高的灵敏度，其检出限可达10ugmL。 2.3 紫外电离检测技术 紫外电离检测技术结构简单，响应快速等，但在实际使用中发现还存在不足，如泄漏部位定位性能差，检测误差随环境变化大，很难做到精确定位和定量检测，特别是对于室外布置的设备，现场检测中尤其暴露了其技术短板，检测的精确性还有待进一步深入研究6。 2.4 负离子捕获检测技术 负离子捕获检测技术与电子捕获技术原理类似，但是离子化方式不同，它摒弃了放射源和高压载气瓶，操作菜单非常简单，是目前电力设备现场检漏工作中最常用的测试仪器之一。同时，电极贵、成本高、反应慢也是高压真空负离子捕获检测技术不容忽视的缺点5. 6。 2.5 红外吸收技术红外吸收技术是基于SF6气体对红外光谱的特征吸收原理，所以采用该技术的检测仪器体积小、质量轻、无放射源危险、无需耗材、性能稳定，目前，室内SF6泄露监测报警装置普遍地采用了该技术，但是它的检测灵敏度不高，最小检出限高达10L/L，响应速度慢，制约了它在电力系统中定量检漏中的广泛应用7. 8。红外线原理检测仪的主要技术结构特点是它的灵敏性、响应时间及稳定性抵抗湿度和毒性气体,典型产品法国 IAC510 GT-01和武汉国电西高的GDWG-VSF6红外线双波SF6检测仪。基于双波无弥散红外线的技术原理，因为红外线的变化对于不同的气体有着不同波长及变化。反以能够用于测量单个的气体，对于其它的气体没有任何反应。而且能够真实的测量出SF6气体的真正含量。 2.6 光声光谱技术光声光谱技术测量灵敏度极高、检出限低，且不存在传感器老化的问题、无需耗材、性价比高，是一种新兴的泄漏检测技术。目前，在设备检漏中的应用不多见，主要是因为其响应时间过长，且仪器的测试性能和稳定性还需要时间的检验5. 6。从目前的应用情况来看，采用激光光声检测原理的典型的产品有DEVELOT生产 的LLD-100型SF6定量检漏仪，红外激光源和特殊光声传感器技术保证了SF6的高灵敏度探测因此降低误报警的次数，仪器使用红外激光源以及这个波长的光学带通波滤器，这使得这个设备专门适用于SF6，避免了其它物质在泄露探测中可能的干涉。 2.7 成像检漏技术 成像检漏技术通过成像方式方便的观测气体泄漏状况，在显示屏上以可见的动态烟云形式显现出来，从而可以直观、准确、快速的发现并定位泄漏点。与常用方法相比较，可以安全的在远距离对泄漏点进行检测，保障了运行、检修人员的不受触电和气体中毒危险，减少了停电时间，可提高使设备的供电可靠性，SF6气体泄漏激光成像技术的应用，大大提高了现场漏点查找的效率。SF6气体绝缘设备的应用大约60年，这期间人们对检漏工作的不断细化和提升，对SF6气体性质的持续深入研究，极大地推动了泄漏检测技术的发展，推广了泄漏检测仪器的现场应用。但是，各种泄漏检测技术在使用过程中也暴露出了各自缺陷。随着泄漏检测工作重要性的日益凸显，检测技术发展理念的持续创新，技术研发力量的不断加强，未来的泄漏检测技术将实现寿命长、测试安全、性能稳定、高灵敏度、高精度等特点，测试仪器将朝着体积小型化、操作简单化、数据处理智能化、测试人性化的方向发展。第二节 SF6气体泄漏检测技术基本原理一、SF6气体特性（1）负电性 SF6是负电性气体，具有吸收自由电子形成负离子的特性，检漏的各种方法多是利用这一特性进行检测的。负电性是指分子(原子)吸收自由电子形成负离子的特性。而当分子或原子与电子结合时会释放出能量称为电子亲和能，元素或物质的负电性可由电子亲和能来评价。六氟化硫气体的这一性质主要是由氟元素确定的。氟元素在周期表上是第七族卤族元素，它的最外层有七个电子，很容易吸收一个电子形成稳定的电子层(八个电子)。卤族元素均具有负电性，氟具首位。 若干元素的电子亲和能值见表1。当氟与硫结合后，仍将保留此特性。六氟化硫的电子亲和能是3.4 eV。表1 若干元素的电子亲和能值元素FClBrIOSNSF6电子亲和能/eV4.103.783.433.203.802.060.043.4周期族（2）红外吸收特性 不同气体分子由于具有不同的分子结构，其反映的分子内部运动和分子之间相互作用也各有不同。分子的内部运动包括振动和转动，且分子的振动能量大于分子的转动能量，分子发生振动能级跃迁时，伴随有分子的转动能级跃迁，所以分子的光谱是振动-转动光谱。 根据能级跃迁理论，气体分子对入射光具有很强的选择性吸收。当分子受到含有丰富频率的红外光照射时，分子会吸收某些频率的光，并转换成分子的振动能量和转动能量。多原子分子由于更多的机械自由度，将使它们比简单的分子更有效地吸收和发射能量。使分子的能级从基态跃迁到激发态，并使对应于吸收区域的红外照射光的光强减弱。 每一种物质都有自己的特征吸收谱，在气体吸收谱与光源发射谱重叠的部分会产生吸收，吸收后光强将会减弱，在一定条件下，其特征吸收峰值的强度与样品物质的浓度成正比关系。因此可以把红外辐射通过气体的分子吸收光谱作为一种工具，达到测定样品浓度的目的。SF6气体在10.6m的红外辐射具有很强的吸收作用，如下图1所示。 图1 SF6光谱透过率曲线图二、泄漏检测机理 通过不断的深入研究，人们对SF6气体的特性，尤其是化学、声学、光学性质已经形成了系统的认识。SF6气体的泄漏检测机理都是基于气体存在的这些性质，其中，负电晕检测技术、电子捕获检测技术、负离子捕获检测技术、紫外电离检测技术利用的是SF6气体的负电性；而红外吸收技术、光声光谱技术、成像技术是采用了SF6气体红外光谱的特征吸收的性质，下面分别针对各种检测技术对其工作原理进行详细阐述。2.1负电晕检测技术 电晕放电是指带电体表面在气体或液体介质中出现的局部的自持放电现象,常发生在不均匀电场中电场强度很高的区域内,如高压导线的周围,带电体的尖端附近等。因为在尖端电极附近,电荷密度很大,局部电场强度很强,超过了气体的电离场强,使气体发生电离和激励,出现电晕放电,发生电晕放电时在电极周围可以看到发光的电晕层,并伴有咝咝声。电晕放电的极性由曲率半径小的电极的极性决定。如果曲率半经小的电极带正电,发生的电晕为正电晕，反之则称为负电晕。负电晕放电检测技术中，采用了具有高频脉冲负电晕连续放电效应的检测器，当检测器中存在SF6气体时，SF6气体的负电性对负电晕放电有一定的抑制作用，致使电晕电流减小。这些随负电性气体浓度而变化的电晕电流通过信号放大电路转换成浓度指示值9。2.2电子捕获检测技术 电子捕获检测技术常采用放射性同位素Ni63作为检测器的离子发射体，且配有载气（Ar）。当载气通过放射源时，放射源产生射线的高能电子使载气电离形成正离子与慢速电子，向极性相反的电极定向迁移形成基流。SF6气体的负电性决定了它能捕获载气电离形成的慢速电子，从而形成负离子。待检SF6气体负离子与载气正离子复合成为中性化合物，而使原有的基流减少，基流的减少量与被测气体的浓度成一定数量的比例关系，将变化了的基流转为浓度指示信号输出，从而达到检测气体浓度的要求5。2.3负离子捕获检测技术该方法利用的是空气、SF6气体或各种卤素气体在高频电磁场的作用下电离程度的差异而形成的一种检测技术。假设电离腔内通过的是纯的空气，腔体吸收高频电场和磁场所给于的能量，致使谐振回路内的功率因数显著下降，同时引起高频振荡器的振荡幅值大大下降。然而当空气中含有SF6或卤素等负电性气体时，负电性气体具有很强的俘获电子的能力，致使电离腔中的电离度减弱，振荡器的振荡幅值上升，上升的幅值与被测气体的负电性气体浓度成比例变化，从而通过信号放大器将信号转为浓度输出值10。2.4紫外电离检测技术紫外电离检测是利用紫外线将检测气体中的氧气和SF6气体离子化，根据它们的离子迁移速度和对电子吸收的能力的差异，迅速简便地测定出在检测的气体中所包含的微量SF6的浓度11。在光电面与加速电极之间通过被测气体，使被测气体中的氧气和SF6气体吸附在这些光电子上。这些光电子在光电面和加速电极之间施加的电压作用下，被电离为离子状态，以各自的迁移速度向光电面移动。由于氧气和SF6气体的负电性不相同，对光电子俘获能力不相同，则形成不同的迁移速度。利用这种速度差别形成的离子流的相位差，将相位改变的离子流检测出来，就可检出SF6气体的存在及浓度。下式表示与上述迁移速度有关的离子电流： （1）式中e离子的电荷，Vk离子迁移速度，d光电面和加速电极间的距离，n离子数，i离子电流由于d是固定的，离子电流i由离子电荷和离子迁移速度所决定，对SF6气体来说则主要由离子数来决定，离子数则指示气体中的SF6浓度。这样检测器就可以定量地检测出SF6的浓度。2.5红外吸收技术6当红外光通过待测气体时，这些SF6气体分子对特定波长（975cm-1）的红外光有吸收，其吸收关系服从朗伯-比尔（Lambert-Beer）吸收定律。由朗伯-比尔定律可知,光的吸收系数与物质的浓度有关。通过吸收介质的长度与透射光强满足以下关系：I(,I)=I0e-Cl （2）式中：I和I0分别是透射和入射光强；是一定波长下的单位浓度、单位长度介质的吸收系数。l是待测气体与光相互作用的长度。C 是待测气体的浓度。上式可转化为： （3）由此可知,在波长下,若气体的吸收系数可以测量,则SF6气体浓度C可以从光的输入光强I和输出光强I0的变化量求出。2.6光声光谱技术光声光谱技术12, 13与红外吸收技术的原理类似，都是利用气体对红外光的特征吸收。然而，二者在定量SF6气体浓度时存在差异。在光声光谱技术中，当样品吸收光能，并立即以释放热能的方式退激。释放的热能使样品和周围介质按光的调制频率产生周期性加热，从而导致介质产生周期性压力波动，这种压力波动可用高灵敏的微音拾音器和压电陶瓷传声器检测，并通过放大得到光声信号。压力波动的大小与光的吸收作用强弱存在一定的定量关系，再利用朗伯-比尔（Lambert-Beer）吸收定律对气体浓度进行换算，相当于间接检测气体对光的吸收作用，从而可以利用这个原理检测出SF6气体的泄漏及其浓度。2.7 SF6气体泄漏激光成像SF6气体由于其具有极强的红外吸收特性，当激光遇到SF6气体时，会被SF6气体吸收，激光强度将明显减弱。SF6激光成像检漏仪主要就是利用SF6气体该特性以及反向散射/吸收理论。其工作原理为:由激光发射器瞄准被测设备区域发出入射激光，经过背景反射会形成反向散射激光进入激光摄影机成像系统；在没有泄漏气体的情况下,所产生的反向散射激光与反向散射阳光产生的图像相同。在有泄漏气体的情况下,发出的入射激光遇到泄漏的SF6气体，则其能量会被吸收一部分，返回到激光摄影机成像系统的激光强度由于经过气体烟雾的吸收将会减弱，从而导致无泄漏与有泄漏两种情况下的反向散射激光产生差异，最终造成各自的激光成像不同。SF6气体浓度越浓,吸收就越大, 激光成像对比度也越大。在这种方式下,一般的非可视气体将在视频中可见,其泄漏源和移动方向都可以方便确定。气体烟雾后面必须要有固定的背景，以便将激光反射到取景器进行成像。也就是说气体必须在激光检漏仪和一个背景平面之间通过，该平面将激光反射回检漏仪以便显示图像。在没有泄露气体的情况下，所产生的背景画图像与使用普通摄像机时反射阳光产生的图像相同。然而在有泄漏气体出现时，发出的入射激光遇到泄漏的SF6气体，则其能量会被吸收一部分，返回到激光检漏仪成像系统的激光强度由于经过气体烟雾的吸收将会减弱，区域的试品图像将产生对比或变暗，气体浓度越浓，吸收越大，对比度也会越明显。如下图2所示。该技术使正常不可见的SF6气体泄漏在标准视频显示中可视化,检测人员在监视器上就可实时检测SF6气体由此可以发现有无SF6气体泄漏。(a) 无漏气（b）有漏气图2 检漏原理图2.8 SF6气体泄漏红外成像SF6气体泄漏红外成像检测也是利用SF6气体的红外特性。红外探测器专门针对极窄的光谱范围进行调整，因此选择性极强，只能检测到可在由一个窄带滤波器界定的红外区域吸收的气体。泄漏气体出现区域的视频图像将产生对比变化，从而产生烟雾状阴影。气体浓度越大，吸收强度就越大，烟雾状阴影就越明显，从而使不可见的SF6气体泄漏变为可见，进而确定其泄漏源及移动方向，使检测人员能够快速、准确的找到泄漏点。与激光检漏仪相比，无需反射背景，所以适用范围更广，同时因为无需激光发射器，所以重量也更轻。下面的成像原理图可以使我们更清晰的理解SF6气体检漏仪的工作原理。如下图所示，当物体发出的红外辐射通过空气与SF6气体组成的混合气体时，由于SF6气体对红外辐射的吸收能力更强，上方通过六氟化硫气体的红外辐射与下方通过空气的红外辐射相比，明显变弱了。图3 成像原理图三、泄漏检测仪组成及基本原理根据上述各种技术原理的检漏仪，在仪器结构组成上会有一些差异，但是围绕检漏仪性能上的指标基本都包括：测量范围、灵敏度、响应时间、恢复时间、工作环境及仪器重量等。3.1负电晕原理检漏仪图4是负电晕放电检漏仪的原理图。仪器由检测器3，高频脉冲发生器10，信号放大器5，自动跟踪电路9，报警电路7以及采样系统(包括采样探头1，净化层2和抽气泵4)组成。图4 负电晕放电检测器原理图1探头 2净化层 3检测器 4抽气泵 5信号放大器 6指示仪表7报警电路 8电源 9自动跟踪电路 l0高压脉冲发生器抽气泵4使气体经过净化层2，(清除水分及灰尘)进入检测器3中，检测器在脉冲高压作用下产生电晕连续放电效应，当气体中带有负电性气体(如SF6、卤素、氟卤烃等)时，这些负电性气体对检测器中的电晕电场起到抑制作用。其气体中的负电性越强，物质浓度越高，则电晕效应越受到抑制，电晕放电电流则会减少，这些随负电性气体浓度而变化的电晕电流通过信号放大电路转换成浓度指示值。同时，由已设定的报警电路7根据信号大小而发出浓度超限警告信号。3.2电子捕获原理检漏仪采用该技术的仪器由探头和控制器组成。探头包括有电子捕获检测器、检测管、信号放大器和指示器、浓度报警器。控制器包括载气钢瓶、气体控制部件、信号控制系统及电源。当载气通过放射源时，射线的高能电子使载气电离形成正离子与慢速电子，向极性相反的电极定向迁移形成基流。当电负性气体(如SF6)从探头进入检测器时，捕获了检测器中的慢速电子生成负离子，其负离子在电场中的运行速度比自由电子的低。待检气体负离子与载气正离子复合成为中性化合物，被载气带出检测室外，而使原有的基流减少。该基流的减少量与被测气体的浓度成一定数量的比例关系。这样，通过信号放大器，将变化了的基流转为浓度指示信号输出，从而达到检测气体浓度的要求。该类检测器对载气(通常为氩、氮气)的纯度有特殊要求。3.3高频电离原理检漏仪图5是高频电离检漏仪原理图。仪器由探头和泵体两部分组成。探头部分包括针阀2，气体电离腔3，振荡电路13，指示仪表6，报警信号器7。泵体部分包括抽气泵 4，控制电源10，以及直流电源8组成。图5 高频电离检测法原理图1探嘴 2针阀 3电离腔 4抽气泵 5信号放大器 6指示仪表 7报警信号器8直流电源 9交流电源 10控制电源 11泵体 12探头 13振荡电路仪器气体电离腔3两侧的高频电场电极与高频振荡线圈组成高频振荡器的谐振回路和能量输出回路。探头的针阀2可以调节进气量，使其与抽气泵4的抽气速率相配合，以便在气体电离腔3内保持一定的真空度，使被测气体在较低能量的高频电磁场作用下，具有足够的电离度。由高频线圈产生的高频电场和磁场共同作用于电离腔内的稀薄气体，使之产生高频无极电离现象。当电离腔内通过的空气不含SF6或卤素气体时，腔体吸收高频电场和磁场所给于的能量，致使谐振回路内的功率因数值显著下降，同时引起高频振荡器的振荡幅值大大下降。然而当空气中含有SF6或卤素等负电性气体时，因为SF6及卤素气体是俘获电子的气体，可大量地俘获在电离腔内的自由电子，这样电离腔中的电离度减弱，振荡器的振荡幅值上升，上升的幅值与被测气体的负电性气体浓度成比例变化，从而通过信号放大器5将信号转为浓度指示。3.4紫外电离检漏仪图6是紫外电离检漏仪的原理图。仪器是由检测器(包括紫外灯2、光电面5、加速电极4等)、气路系统(包括探头、气体净化管6、抽气泵7等)以及电子线路组成。图6 紫外电离检测器原理图1气体净化管 2紫外灯 3石英窗 4加速电极 5光电面 6气体净化管 7抽气泵8波形处理 9指示仪表 10直流增幅 11相位检波 12振荡线路 13电源 14紫外电源 15加速电压 16信号放大器 17检测器紫外检测器中的紫外灯2以2 kHz振荡频率脉动，发射出184910-10m的紫外线。紫外线通过网状的加速电极4，直接照射在光电面5上，使光电面发放出自由光电子。在光电面与加速电极之间通过被测气体，使被测气体中的氧气和SF6气体吸附在这些光电子上。这些光电子在光电面和加速电极之间施加的电压作用下，被电离为离子状态，以各自的迁移速度向光电面移动。由于氧气和SF6气体的负电性不相同，对光电子俘获能力不相同，则形成不同的迁移速度。利用这种速度差别形成的离子流的相位差，将相位改变的离子流检测出来，就可检出SF6气体的存在及浓度。3.5 红外吸收检漏仪红外吸收检漏仪的主要组成部分包括：光源系统、气体采样泵、测试气室、反射镜、滤光片、探测器、放大器以及数据处理系统，如下图7所示。图7 红外光谱吸收检漏仪的结构组成仪器的工作原理为通过气体采集泵将采集到的气体引入到双反射镜气室内,经过红外光源所放射出的红外线透过气体,针对SF6气体的特定红外波段经过SF6气体时会被吸引一部分,通过红外探测器探测出红外波段的变化，并将该变化值通过放大器后，输入数据处理系统，进而显示出SF6气体的含量。3.6 光声光谱检漏仪整个检测系统包括光声检测模块、信号调理电路、数据采集卡、DSP 控制器、液晶显示面板及其他外围电路组成。其中，光声检测模块包括红外光源、滤光片、光声腔、微音器、微型气泵及激光功率计和调频电源等。总体结构见图8。本检测系统，既可当作便携式设备用于现场，也可作为在线式使用，实时对SF6电力设备周围环境中的SF6气体浓度进行监测， 并将数据通过远程接口，实时传输到后台服务器。基本操作是：开启微型气泵抽气，当混有SF6的空气进入光声腔后，开启调频电源，发射经过电源直接调制的红外光，通过中心波长为10.6 m 的滤光片进行过滤，然后射入到光声腔中激发气体产生声波。不同浓度的SF6气体所激发的声波强度是不同的， 且二者之间具有很好的线性对应关系。然后， 对微音器输出的电信号进行差分放大和锁相放大， 将数据输入到数据采集卡，进而输入DSP 控制器，并把对应的浓度值换算后显示到液晶显示屏。此外，还可以根据预先设定好的报警限值，当SF6浓度超过一定值时，发出电声联合报警，同时该系统还预留出控制接口，用于后续处理装置（如通风机的启动等）的控制。图8 光声光谱检漏仪组成结构3.7 SF6气体泄漏激光成像检漏仪激光检漏仪的主要部件包括：激光发射系统、激光接收系统、放大成像及数据处理系统、视频显示记录系统、蓄电池、三脚架等。具体如下图9所示。图9 激光检漏仪结构图其中激光器是由IV级连续波CO2激光器组成，其输出光是不可见的红外激光线。光束通过一对高频运转的镜片扫描，然后以IV级不可见激光射出窗口。激光束扫描速度非常快。因此，整个激光检漏仪摄像区域的激光等级基本均衡。当激光检漏仪检测到SF6气体的泄漏图像时，通过放大成像及数据处理系统，不可见的SF6气体泄漏就可通过显示及记录系统呈现出来，并将它记录下来，方便进一步的处理分析。3.8 SF6气体泄漏红外成像检漏仪SF6气体泄漏红外成像检漏仪主要由以下几部分组成：光学系统: 接收目标物体发出的红外辐射并将其聚焦到红外探测器上；红外探测器：是SF6气体泄漏红外成像检漏仪的核心部分。它感应透过光学系统的红外辐射，并将其转变成电信号发送给信号处理器。由于红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到。要察觉这种辐射的存在并测量其强弱，必须把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。信号处理器：根据红外探测器传来信号的强弱，按照颜色或灰度等级，将其转化成红外热图像；显示器： 显示红外热图像。信号处理器显示器红外探测器光学系统图10结构图与普通热像仪相比，SF6气体泄漏红外成像检漏仪专为SF6气体检测设计，其探测器工作波段更窄，通常在1011m之间，这样在检测的时候更具有针对性，以FLIR的GF306为例，如下图所示。同时探测器多为制冷型探测器，热灵敏度更高，能够呈现更小的温差，这样更有利于SF6气体的发现及成像。第一代的SF6气体泄漏红外成像检漏仪，通常只能成像，随着科技的发展，现在的SF6气体泄漏红外成像检漏仪不仅能够对SF6气体的泄漏进行检测，还由于其集成了测温功能，这样我们在进行气体泄漏检测的同时，还可对电力设备的热故障进行定性定量分析。图11 红外热像仪检测波段针对以上8种技术分别各选取有代表性的常用仪器，并将其主要的技术参数列于表4。表4 8种代表性检漏仪的技术参数仪器型号技术类型测量范围（ppmv）灵敏度（ppmv）响应时间（s）恢复时间（s）工作温度（）仪器重量（kg）TIF-1A负电晕/3瞬间1-10-520.56Q200电子捕捉0-18000.0112/13LDD2008负离子捕获0-10000.10.50.50-5011.5LM2000-III紫外电离0.5-1000.5430-407.6HNP5000红外吸收0.10.50.5-10-60/HNP5600光声光谱0-15000.115/-40-803.5TG60激光成像0.040.0015毫升/秒/-30-605.6GasFind IR-LW红外成像0.03C0.001毫升/秒/-15-402.1从表4中可以看出，每种仪器都有其各自的特点，如前所述，在实际应用中应该综合考虑各方面的测试条件，以选用最合适的泄漏检测仪器。第三节 泄漏检测及诊断方法 一、检测方法一般气体泄漏检测仪器应用较为简单，此处不做阐述，仅对红外检漏及成像仪的检测作介绍。 (1)红外检漏仪1.首先将手持探枪上的接线端子接入主机上的接线端口，同时确保连接正确无误。2.打开主机电源开关，系统初始化后进入预热倒计时状态。预热完成后，系统进入待机状态，等待启动气泵进行测量。3.按下手持探枪上的开关键，气泵开始工作（当气泵处于工作状态时按下开关键，气泵将停止工作），此时，主机和手持探枪显示的数值为测量值。4.待测量值稳定后，按下主机界面上的“存储”按钮进行保存。5.按下开关键，关闭气泵，关闭主机电源开关，结束测量。注意事项：1.仪器在运输过程或测试过程中防止碰撞挤压及剧烈震动。2.仪表进行测量前需预热，预热完毕后方能启动气泵进入正常测量状态，气泵未启动时，显示数据为0，无法进行测量。3.在室外测量时，要在确保天气无风且干燥。4.在进行单点校准和高点校准前，一定要先进行低点校准（即零点校准）。在检漏时要防止手持探枪的进气孔接触到水分或溶剂等物质，否则将引起测量结果不正确甚至损坏传感器。5.仪表要进行半年一次的定期校准，以保证仪表的性能。（2）激光成像检漏1.确定检测位置 观察需检测的设备，寻找易漏点,根据现场环境和初步估计的泄漏位置选择合适的检测点（泄漏点与成像仪之间无障碍物）固定三脚架和成像仪（成像仪的底部有一个三角架安装孔。利用三角架安装孔将成像仪固定在三角架上），或使用肩带随身携带（将肩带卡到成像仪底座两头预留的卡座内，将成像仪挎到肩部）。2.启动成像仪检查电源连接线是否正常，旋下镜头盖，插上显示屏，按下总电源按键，风扇启动，红色指示激光启动。显示屏进入类似以下初始界面。通过操作键进入视频录制界面。3.调整成像效果正确的聚焦对成像仪成像应用至关重要。正确的聚焦可确保激光能量能被恰当地导向探测器的像元上。没有正确的聚焦，图像就会模糊不清，测量数据也将不准确。要准确地捕获泄漏图像就需要准确的焦距。打开激光电源，通过旋转镜头上的焦距旋钮，您会看到显示屏上的图像不断发生实时变化。当目标到达焦点时，它就会显得更清晰。每次移动焦点都会发生变化，要确认焦距是否合适，可反复调节焦距旋钮，直到显示屏上的图象清晰为止。通过增减激光的强度，调整激光发射角度，达到最佳的成像效果。4.检测与成像录制红色激光为指示激光，仅用于辅助瞄准，通过红色激光引导成像仪正确定位，并可以准确的找到漏点。当找到漏点，并调到最佳录制效果后，对检测结果进行录制。 5.关闭成像仪检测完成后，先关闭激光电源，然后再关闭总电源和显示屏。安全注意事项：1、为了避免损伤眼睛，请勿将激光直接对准眼睛或间接反射的表面上。2、未按照规定的方式使用控制、调节、性能或程序可能会导致受到有害的激光照射。3、为了避免灼伤危险，请勿将成像仪正对镜面或抛光金属使用。4、不要将设备直接对准很高强度的光，例如太阳、激光器、电焊机等。5、不要在超出设备许可的工作温度或储存温度环境中使用或存放仪器。7、不要将设备暴露在灰尘或潮湿的环境中。在有水的环境中使用时，应避免水溅到仪器上。8、 在不使用仪器时应盖上镜头盖，以防止污染。9、 当不使用设备时，请将仪器和所有配件放置在专用包装箱内。（3）红外成像检漏1.开机将开机键调止相应档位，一般仪器档位标志不同的温度测量范围，仪器开机时间约为4-5分钟；2.均匀化校准校准时，仪器镜头盖必须盖好,均匀化校准后可实现背景噪声的抑制，提高灵敏度。3.打开镜头盖，调节图像焦距，调节明亮度和对比度，达到红外图像画面清晰的状态。4.如果泄漏量很微小，就需要用高灵敏度模式检漏5.改变图像色板颜色调节红外视频颜色：白热/黑热/铁红，通过换不同的色板模式更有利于发现气体泄漏。注意事项如下：1.使用时，注意不要刮伤镜头；不使用仪器时应盖上镜头盖，保护好镜头；2.没有使用的时候，尽量避免在强烈太阳光下长时间暴晒；3.仪器使用的时候，尽量避免在强烈太阳光或者高温热源下直接入射镜头，以免损坏探测器；4.电池充电完毕，应该停止充电，如要延长充电时间，最好不要超过30 分钟，不能对电池进行长时间充电；5.仪器使用完毕，要记住关闭电源，取出电池，盖好镜头盖，把仪器放在便携箱保存；6.如果镜头脏了，可用镜头纸轻轻擦拭。不要用水等清洗，也不要用手或纸巾直接擦。7.仪器长时间放置时，最好隔一段时间拿出来开机运行一段时间，以保持仪器性能稳定。二、判断标准对于泄漏检测的判断，需要区别交接试验和运行试验。在交接试验中，GB/T 50150-2006电气装置安装工程 电气设备交接试验标准对密封性试验有如下规定：SF6电气设备定性检漏时无泄漏点，有怀疑时再进行定量检漏，年泄漏率应小于1%（质量分数）。而对于运行设备而言，GB/T 8905-2012六氟化硫电气设备中气体管理与检测导则以及Q/GDW471-2010运行电气设备中六氟化硫气体质量监督与管理规定对日常监控、诊断检测以及大修后设备的密封性能要求其SF6气体年泄漏率小于0.5%（质量分数）。对于成像等定性检漏技术，如检测中发现漏点就应及时安排停电进行漏点的处理。第四节 典型SF6气体泄漏案例分析案例1：激光成像检漏案例1.案例经过2014年2月8日，巡视中发现沧州供电分公司某220kV变电站备用220kV间隔II母线刀闸及220kV II母线气室压力偏低，当日采用手持式SF6检漏仪几次检测，始终未找到准确的漏气点，2月11日采用激光检漏仪进行检漏，准确发现备用220kV间隔II母线刀闸C相气室与II母线气室连接的盆式绝缘子螺栓部位漏气。2月20日，对220kV备用间隔II母线刀闸C相气室进行解体，发现该部位密封式盆式绝缘子存在长120mm的贯穿性裂纹，现场进行了更换，缺陷消除。2.检测分析方法2014年2月11日上午，技术人员在220kV徐庄站使用HX-1型SF6泄漏激光成像仪进行检测，发现220kV间隔II母线刀闸C相气室与II母线气室连接的盆式绝缘子螺栓部位漏气，气体泄露伴随着风力断断续续的飘出，呈现烟状飘散影像。试验人员选择合适的位置、成像角度和背景进行了拍摄，如图1-1所示。红色圈所示有烟状物，视频中为动态显示，更为明显。 图1-1 气体泄露图像图1-2 现场测试照片漏气部位图1-3 漏气部位漏气点 图1-4 漏气点2014年2月20日，对220kV备用间隔II母线刀闸C相气室进行解体，发现该部位密封式盆式绝缘子存在长120mm的贯穿性裂纹，图5所示，裂纹已穿越密封垫。现场对该密封式盆式绝缘子进行了更换。裂纹终点裂纹起点图1-5 缺陷部位为准确判断盆式绝缘子开裂的原因，将该缺陷盆式绝缘子返厂进行X光照射、冰冻等试验。检验发现，本次漏气位置盆式绝缘子安装孔为光孔（非螺纹孔），防雨帽拆解图见图1-6。由于厂家设计原因，该位置加装有刀闸操作机构安装板，机构安装板与壳体法兰配合不紧（安装板与壳体法兰表面粗糙度要求较低），法兰及盆式绝缘子安装孔内易渗水，如图1-7所示。法兰下部螺栓同步配有防雨帽，安装孔内进水后无法排出，冬季孔内积水结冰膨胀，造成绝缘子运行过程中裂纹漏气。现场对相同结构的其他间隔进行了检查，发现有两个螺栓处进水（见图1-8），随即对该站GIS所有底部光孔螺栓防雨帽内防水垫进行去除。 防雨帽内有防水胶圈 图1-6 防雨帽拆解图 机构安装板和法兰之间有缝隙 图1-7 盆式绝缘子安装结构图 图1-8 螺孔存水 2月23日完成微水测试、包扎检漏以及耐压试验，并恢复送电。消缺后国网河北省电力公司认真总结缺陷发生原因，对河北南网在运西开公司252kV户外GIS进行排查，去除盆式绝缘子光孔下部防雨帽，并对该螺栓按工艺83.5NM力矩进行紧固。沿机构安装板或壳体跨接连片与壳体结合面涂覆防水胶。对盆式绝缘子螺纹孔进行抽查，每站不少于5条，若发现有进水现象或痕迹，对所有螺栓进行检查处理，目前已经完成整改。同时制定反事故措施，今后对于户外安装GIS，若盆式绝缘子采用防雨帽结构，必须对机构连板、接地跨接线等部位采取厂内打胶等防水措施。3.经验体会（1）设备SF6气体泄漏往往存在突发性和间歇性，设备缺陷检测过程中，宜多角度仔细观测，重点观测法兰、管道接口等密封处。如排除相关位置，重点做好GIS表面的测试，有效发现因砂眼造成的设备漏气。（2）进行SF6气体激光成像法检测应在天气晴好、无风或微风的情况下进行，阴天、强风情况下，气体扩散迅速，气体温度容易变成背景温度，观测结果会受到较大影响，不利于发现设备缺陷部位。案例2：SF6气体泄漏红外成像检漏典型故障图谱1）GIS类设备室内GIS设备，由于室内温度较稳定，各设备温差较小，但是借助于SF6气体红外检漏仪高灵敏的探测器也能够清晰成像，准确定位。图2-1 室内GIS设备故障检漏成像如上图所示，泄漏位置为该GIS设备顶部安装盘，设备补气周期为3个月。图2-2 室内GIS设备故障检漏成像 如上图所示，泄漏位置为GIS连接管路有沙眼，设备补气周期为2个月。图2-3 室外GIS设备故障检漏成像如上图所示，该设备前期连接法兰处已经发现泄漏，并用卡箍进行包扎处理。处理完毕后再次SF6气体红外成像检漏仪进行复查，任然发现有泄漏。该设备补气周期为1个月。2）互感器类设备室外设备多以天空为背景，对于需要反射背景的SF6气体激光检漏仪来说无法进行检测，但对于SF6气体红外成像检漏仪来说则不存在以上问题，能够轻松找到故障点，并准确定位。图2-4 互感器设备故障检漏成像如上图所示，泄漏位置为互感器顶部安装盘螺栓，设备补气周期为6个月。3）断路器设备图2-5断路器设备故障检漏成像无论是顶部的安装盘还是本体上的泄漏都能一一测出。如上图所示，泄漏位置为断路器顶部安装盘，设备补气周期为6个月。图2-6 断路器设备故障检漏成像如上图所示，泄漏位置为断路器底部密封圈，设备补气周期为3个月。4）连接管道图2-7 连接管道故障检漏成像上图为在某换流站拍摄时检测图片，此处泄漏点在管道上部，距地面4米左右，而且压力表也未有气压下降的提示，此故障点为普测时发现的泄漏点。由于泄漏量比较小，所以在检测过程中利用SF6气体红外成像检漏仪的高灵敏度模式（HSM），先在地面检测时发现有微小的漏气现象，再通过楼梯到管道上方准确定位泄漏点为安装盘螺栓。参考文献：1) 张江涛, 宋晓芳. 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