红外成像检漏技术原理与现场应用

摘要：目前，红外成像检漏技术在江苏省电力公司已得到比较广泛的应用，并取得了显著的效果，为以SF6作为绝缘气体的高压电器设备在线无损检测、快速查找故障点和诊断设备故障类型提供了依据，有效地预防了一些事故的发生，大大提高了设备运行的可靠性。本文从以SF6作为绝缘气体的高压电器设备检漏的必要性、能解决什么问题谈起，结合在我单位的实际应用情况，重点介绍了红外成像检漏的技术原理、优点及使用方法。有助于检测人员对红外成像检漏技术的进一步了解并能在今后现场工作中正确使用测量和维护该仪器。

关键词：红外成像，六氟化硫（SF6）气体，高压电器设备，气体绝缘金属封闭开关设备简称（GIS）、水解

中图分类号： TU71 文献标识码： A 文章编号：

引言

从1940年SF6气体作为绝缘介质开始，迄今已被广泛地应用在电力设备中，如高压断路器、变压器、互感器、电容器、避雷器、接触器、熔断器、管道母等。随着SF6气体使用量的增加，范围的扩大， SF6气体作为绝缘介质充入高压电器设备内有一定的压力，受制造质量、密封件的老化、安装工艺、气象条件、自然灾害等方面的影响会有所泄漏， SF6气体绝缘设备一旦发生漏气，对高压电器设备、人身、环境造成危害。随着社会的进步,人们对供电可靠率的要求不断提高,希望SF6为绝缘气体设备的长期安全运行显得日益重要。根据电网发展的形势，供电系统需要对以SF6为绝缘气体的高压电器设备中SF6气体进行不停电的有效检漏，以充分掌握设备的运行状态，做到防患于未然。鉴于以往SF6检漏技术的一些不足，研究利用新的SF6气体红外成像检漏技术是非常必要的，同时也给我们实际工作创造了巨大的经济效益及社会效益。

1、SF6气体的性质1.1 SF6气体的物理性质 纯净的SF6气体是一种无色、无嗅、基本无毒、不可燃的卤素化合物,其相对密度在气态时为6.16g/cm3（20℃,0.1MPa时）；在相同状态下约是空气相对密度的5倍。

1.2 SF6气体的化学性质 SF6气体的化学性质非常稳定，然而，在大功率电弧、火花放电和电晕放电作用下，SF6气体能分解和游离出多种产物，主要是SF4和SF2，以及少量的S2、F2、S、F等。

1．3 SF6气体的毒性来源 电器设备内的SF6气体和HO2在高温电弧发生作用时而产生的氧化硫和氟化氢等有毒产物。例如：SF6气体在电弧中的分解和与氧的反应：2SF6 + O2 2SOF2 + 8F（氟化亚硫酰）2SF6 + O2 2SOF4 + 4F（四氟化硫酰）SF6 SF4 + 2F（四氟化硫酰）SF6 S + 6F（硫）2SOF4 + O2 2SO2F2 + 4F（氟化硫酰）

SF4+ H2O SF2 + 2HF

1．4 SF6气体的危害 SF6气体绝缘设备一旦发生漏气，对高压设备会造成危害，影响设备安全运行：

1.4.1 水蒸气会从SF6气体的泄漏点进入设备内部，在局部放电或电弧的影响下发生水解而产生的氧化硫和氟化氢等有毒产物，对设备的绝缘部件和金属导体产生腐蚀。如SF6气体高压电器设备的水分达到一定程度，会在设备绝缘子表面产生凝露，造成绝缘下降，沿面闪络设备损坏。

1.4.2断路器不能分合闸。如遇电网事故将会造成越级跳闸，扩大事故范围。

1.4.3如果SF6气体泄漏，人体吸入80%六氟化硫+20%的氧气的混合气体几分种后会出现四肢麻木，甚至窒息死亡的危害。

1.4.4对环境的危害 近百年来，地球气候正经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化。 温室效应是指大气中的二氧化碳等气体能透过太阳短波辐射，使地球表面升温。同时阻挡地球表面向宇宙空间发射长波辐射，从而使大气增温。由于二氧化碳等气体的这一作用与“温室”的作用类似，故称之为“温室效应”，二氧化碳等气体被称为“温室气体”。目前，发现人类活动排放的温室气体有六种，它们是二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳合物、全氟化碳、六氟化硫，这当中氟化物就有三种。其中CO2对温室效应影响最大，占60%，而SF6气体的影响仅占0.1%，但SF6气体分子对温室效应具有潜在的危害，这是因为SF6气体一个分子对温室效应的影响为CO2分子的25000倍，同时，排放在大气中的SF6气体寿命特长，约3400年。现今，每年排放到大气中的CO2气体约210亿，而每年全球排放到大气中的SF6气体相当于1.25亿t CO2气体。 现在全球每年生产的大约8500t SF6气体中，约有一半以上用于电力工业。而在电力工业中，高压开关设备约占用气量的80%以上。其中中压开关的用气量约占1/10；主要是用在126～252kV的高压、330～800kV的超高压领域，特别是126kV～252kV～550kV的断路器（GCB）、SF6封闭组合电器（GIS）、充气柜（C-GIS）、SF6气体绝缘管道母线（GIL）中。因此，合理、正确的使用管理SF6气体，减少排放量已到了刻不容缓的地步。

2红外成像技术检漏的必要性：

2．1 减少停电次数、提高工作效率

以往，当SF6为绝缘气体的电气设备压力有明显下降或SF6密度继电器发压力低报警时，运捡人员才赶去现场。检漏手段有肥皂气泡法、局部包扎法、定性检漏仪检测法等，但以上方法仅局限于必须与带电设备保持安全距离或需将运行设备转为停电检修状态，且难以快速、简单、准确的查找泄漏位置，如为室外SF6电气设备渗漏还需1 辆高架车配合、 运行、检修工人和电试人员都需进行大量工作。而能否快速正确查找出漏点还要视检修人员的经验而定。采用红外成像检漏技术 ,就可以在设备不停电的情况下,由地面直接观察摄像机采集的图像 ,由一名工作人员花费 很少时间就可直观、 迅速地发现渗漏点、泄漏量大小。这对于减少非计划停电提高电网可靠运行是非常重要也是非常经济的事。

2．2 节约了时间、节约成本

随着电网的发展,江苏电网大量采用 SF6 气体作为绝缘介质的电气设备,每年由于设备气体泄漏而消耗的 SF6 气体数以吨 计算,而 SF6 气体的价格非常昂贵,约为20万元/ 吨 ,每年由此而造成的生产成本是极其巨大的。采用红外成像检漏技术寻找漏点,可以及时准确地找到渗漏点和泄漏量大小，给技术人员诊断是否应立刻停电处理提供了技术依据，同时为准备备品件节约了时间，减少 SF6 气体的象大气排放时间。每年可以减少用常规的方法查找检查SF6 气体泄漏而发生的大量人力和机具成本。

2．3 协助公司提高环保质量。

采用红外成像检漏技术进行常规检漏项目，能在SF6密度继电器未发压力低报警前及时有效地发现SF6 气体作为绝缘介质的电气设备泄漏并为后续快速消除泄漏节约了时间 ,可以减轻对大气层的破坏 ,对环保极为有利。

3．红外成像检漏技术原理、优点及使用方法

SF6气体的红外吸收特性极强，红外成像检漏技术充分利用此特性，使通常看不见的气体泄漏，在红外成像检漏仪取景器上变得可见。其最小探测量可达到0.001毫升/秒的泄漏率。在非接触、远距离检测的情况下将不可见的气体泄漏成像，并直观的显示，十分适合用于变电站中查找SF6气体的泄漏点。同时该仪器能产生实时图像，视频输出，可以在任何标准的显示器上显示或记录在录像带上。也能接与运行设备监测系统上，方便高效快速地发现泄漏问题。

3.1 SF6气体红外成像检漏技术

从机械观点看，气体分子从一个状态跃迁至另一个状态需要吸收与其对应频率的光子，吸收光子最强的频率就称作该气体的特征吸收频率。光穿过气体时特征频率谱线光能就会被气体吸收，从而使该频率的光的能量减弱。SF6气体在红外区域有一个以波长10.56μm为中心的吸收带[3]，说明SF6气体在此频率带内吸收和辐射能力都很强，如图1所示。

图1. SF6气体的吸收光谱

气体成像检漏仪充分利用SF6气体吸收和辐射红外能力都很强的特性。使通常看不见的气体泄漏，在红外探测器及先进的红外探测技术的帮助下变得可见。

红外成像检漏仪采用高灵敏度的量子阱红外焦平面探测器（QWIP-FPA），在60K的工作环境下，配合先进的电子及图像处理技术，被动感应10-11μm波段的红外线，充分利用SF6气体在10-11μm波段辐射强的特点成像，实时准确地显示SF6气体的泄漏位置。该检测技术被动地感应红外光谱，因此不需要特定的检测背景。SF6气体红外成像检漏仪的成像原理如图2所示。

图2. SF6气体红外成像检漏仪的成像原理图

4．SF6气体红外成像检漏技术较传统的检漏方法主要有以下优点：

4．1 非接触式检测。

SF6气体红外成像检漏与电气设备红外测温工作类似，均可在远距离条件下通过红外成像达到观测被检设备的目的。SF6气体红外成像检漏可以对SF6气体绝缘设备在0-40米的距离范围内准确定位漏气点，可应用于带电检测或状态检测，保障检测人员的安全。

4．2 检测灵敏度高。

SF6气体红外成像检漏技术采用陷阱的高灵敏度量子阱红外焦平面探测器（QWIP-FPA），热灵敏度可达25mK，探测灵敏度可达1μL/s，能够探测微量SF6气体泄漏的位置，提高了检测准确度和检测效率。

4．3不需要特定检测背景。

SF6气体红外成像检漏仪被动感应10-11μm波段的红外线，利用SF6气体和空气的红外辐射不同的特性直接成像，不需要特定的检测背景。

5．SF6气体红外成像检漏仪使用操作步骤：

5．1、开机（制冷约8分钟）

5．2、设置模式（自动模式和手动模式）

5．3、调节图像焦距

5．4、高灵敏度模式（HSM)使用

（共7个档位，一般在2档即可）如泄露较大，宜采用手动模式。（会获得更佳的图像效果）

5.5保存图像/录制视频

6.红外成像检漏技术现场测试案例分析

扬州分部在2011年首次引入SF6气体红外成像检漏仪进行SF6气体绝缘设备漏气点检测，该检测仪器在使用之初就展现出了极大的检测便利性和较高的检测效率。至2013年上半年，扬州分部共开展了118次SF6气体红外成像检漏工作，共检测出6处漏气点。SF6气体红外成像检漏仪具备普通灵敏度和高灵敏度两种检测模式。普通灵敏度能够发现较为严重的漏气点，而高灵敏度模式能够发现较细微的漏气现象，但高灵敏度模式消耗的电量较多，不适合长时间检测。高灵敏度检测模式有7个检测档位，档位越高，检测灵敏度越高，但检测器引入的外部干扰也就越严重，因此在使用高灵敏度检测模式时，灵敏度档位选择尤为重要。

6．1 GIS金属外壳存在砂眼导致漏气

2012年，扬州地区110kV某变电站110kV GIS副母线气室发SF6气体低压力报警。由于该母线气室较长，GIS设备间隔内结构紧凑，在发低压力报警后，先采用定性检漏仪检测法、局部包扎法进行了SF6气体泄漏检测，均未检测到漏气点。后采用SF6气体红外成像检漏采用普通灵敏度检测模式，检测到母线气室与第三间隔C相连接处外壳存在砂眼，导致SF6气体泄漏，如图3所示。该气室在普通检测模式下即可清晰地观察到漏气点。

图3. 扬州地区某变电站110kV GIS母线砂眼漏气，普通灵敏度模式下的红外热像图

6．2因地震等外力破坏，导致瓷柱式SF6断路器漏气

2012年7月20日20:11分，扬州地区发生4.9级地震，一小时后，该地区500kV某变电站5012断路器B相发SF6气体低压力报警，约一小时后，该断路器发生SF6气体低压力闭锁。采用SF6气体红外成像检漏仪对该相断路器进行检测，在普通灵敏度检测模式下，发现主变侧极柱与共用外壳连接法兰处存在严重的漏气现象，如图4所示。

图4. 500kV某变电站5012断路器B相漏气位置

由于瓷柱式断路器抗震性能差于罐式断路器或GIS，在经受了低于设计抗震强度的地震之后，设备本身存在的潜伏性缺陷可能会随之显现，因此，建议在经受地震或其他外力破坏等不良工况后，对SF6气体绝缘设备（特别是瓷柱式断路器）进行一次红外成像检漏普测，来确定设备的密封性是否完好。

结语

红外成像检漏技术以其非接触性、检测高灵敏度、不需要特定检测背景、可视化等优点，在江苏电网SF6气体检漏运维检修工作中应用越来越广泛。应用表明，红外成像检漏技术能够在安全距离以外非常直观地对SF6泄漏源进行检测和定位，非常适合高压电气设备的检测与维护。

参考文献：

［1］徐国政，张节容，钱家骊，等．高压断路器原理及 应用［ M］．北京：清华大学出版社，2000．

［2］杨彦，李健，王蔓，等．六氟化硫特种气体及其发 展前景［ J］．

［3］张辉，张淑仪，列剑平，等．增强型六氟化硫激光 检漏成像仪的研制与应用［J］．无损检测，2009，31（12）：943-949．

［4］GF306型SF6气体红外成像检漏仪原理及操作手册

作者简介：

束旭东（1967年出身 ），男，扬州，工程师，变电检修高级技师，1985年至今在电力系统从事变电检修方面工作。