1 引言
SF6气体作为新一代的绝缘介质,具有稳定的化学热能性质和优良的绝缘、灭弧能力,无毒,不可燃,在超高压电气设备中得到广泛的应用,电力系统将大量的SF6设备应用在变电站、断路器、隔离开关、气体绝缘组合电器(GIS)中。但是,由于SF6充气设备的制造质量、使用不当或密封圈老化等原因,SF6气体泄漏问题始终困扰着人们。
泄漏带来的问题主要表现在两个方面:
(1)尽管SF6气体具有良好的灭弧和绝缘性能,但是这两种性能均与其充入设备的压力关系密切,当气体的压力达到约0.3 MPa时,绝缘性能与绝缘油的相当,只有超过此压力才能真正体现SF6优良的灭弧和绝缘性能,因此需要频繁地给泄漏的SF6系统充气或及时将泄漏的设备退出运行进行处理。
这样做的后果就要增加设备的维护成本,同时增加了人为操作出错的危险和解体设备时灰尘及潮气侵入的概率。
(2) SF6气体已被美国环境保护机构认定为温室气体,在中国国内的环保条例中,也将SF6作为一种很重要的温室效应气体。SF6气体的泄漏不仅会潜在地威胁我们的生活,而且还会影响周围的环境。
针对SF6绝缘电力设备的气体泄漏问题,必然引出了一个课题,即SF6泄漏的检测,尤其是在线检测。
2 电力系统SF6泄漏检测的现状2·1 相关标准目前国内电力系统中对于SF6充气设备的气体管理一般都是参照GB 8905《SF6电器设备中气体管理和检测导则》、GB 50150-91《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》和电力部部颁标准DL/T 596-1996《电力设备预防性试验规程》中的相关规定实施。
2·2 检漏方法对于SF6充气设备发生气体泄漏采用的试验方法归纳起来主要有:
(1)定性检漏:包括抽真空检漏和检漏仪定性检漏。
(2)定量检漏:包括局部包扎法、挂瓶法和扣罩法等。
但是,上述方法几乎很难发展为在线检测。
同时,由于是采用非在线型的检测方法,检测SF6气体时设备必须停电,而且检测方法需要较多的人力和依靠个人积累的经验。因此,所需经济成本和人力成本较大,检测结果的主观性较大,并且不够精确。
3 国内外SF6气体泄漏在线检测的现状
目前常用的检漏仪器有以下几种:紫外线电离型;高频振荡无极电离型;电子捕获型和铂丝热电子发射型及负电晕放电型。通过这些设备可以实现在线检测。
在这个方面,日本三菱公司制造的MC-SF6DB型紫外线电离型检漏仪是一个很典型的产品,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。
最近美国佛罗里达州某公司协作研究组织Punta Gorda在美国电力研究院EPRI的支持下开发了一种激光显像系统,在检测SF6气体的泄漏方面实现了重大突破。该技术的特点是只需花费原先使用传统的卤素探测器和肥皂水检测时间的几分之一即可完成,同时可以实现在线检测;在相对较远距离就能发现泄漏的具体部位,精度可达到1 cm,检测人员可大大减少,成本更低,操作过程更安全,检测结果非常直观。该泄漏检测器已经成功地在美国阿拉巴马州电力公司、卡罗莱纳光电所、纽约CONEDISON和公共电气服务公司等美国电力部门得到使用,获得较高的评价。
有些科研单位正在研究超声波检漏技术。由于压力容器泄漏的漏孔实际上都很小,在有内外压力差的情况下,泄漏的气体的雷诺数一般较高,不会形成层流,而是形成湍流射流,从靠近泄漏的狭缝处的初始段至主段以后的很长区域内,将会不断产生漩涡,漩涡转变为声波,这就是泄漏产生超声波的原理。通过双探头等方法,可以克服在实际使用过程中的噪声干扰影响检测效果的问题,该方法具有检漏设备简单、轻便、灵敏度高、易于定位的特点。
4 SF6激光成像检漏仪的应用现状
4·1 测量方法的确定通过各种测量SF6泄漏气体的方法的原理研究,比较各种测量方法的精确性、简便性、定位准确性、在线检测可行性以及成本的合理性,并综合国内外的研究成果,我们认为采用激光照相系统,结合现代成像技术以及现代远程计算机通信技术,可以实现SF6泄漏的在线检测和定位要求。
对泄漏的检测和定位采用激光照相机红外成像系统。通过现有的一种二氧化碳激光照相机产生的红外线照射气体泄漏现场,处于特定波段的红外线被泄漏出来的SF6气体强烈吸收,这样红外探测器在检测屏幕上形成图像,这个图像可以通过录像机记录下来,经远程通信系统传回监控中心进行处理和判别。在技术层面上这些是完全可以实现的,主要问题是检测系统需要满足我国电力设备的运行规范以及相关标准的要求。
4·2 激光成像检测仪的工作原理
SF6泄漏实时检测仪器为美国EPRI开发、LIS公司生产的GasVue TG-30激光摄像仪。该激光摄像仪采用的是专门针对SF6气体的单波长可视化技术。
对于利用光波成像原理进行气体检测的设备而言,必须具备以下两个条件:
(1)摄像机中发射激光的波长与被检测气体的吸收波长要有很好的匹配,波长匹配的相对强度也就决定了SF6泄漏检测仪的检测灵敏度。
由于SF6气体对CO2激光器产生的红外线波长范围内的光波有很强的吸收作用,并且到目前为止还没有发现其他的气体具有接近的吸收能力,因此可以排除大气中其他气体对检测的干扰,提高了检测的灵敏度,对SF6气体的泄漏检测具有很强的针对性。
(2)气体烟雾后面必须要有固定的背景以便激光波反射到取景器进行成像。也就是说,气体必须在激光摄像机和一个平面之间通过,该平面将激光反射回到摄像机中才能显示图像。
该技术是SF6气体泄漏定位领域中的一个全新概念,采用了反向散射和吸收气体程序技术,该技术用于以定位泄露或跟踪气体云雾为主要目的的激光远程检测,是一种定性的三维气体成像技术。虽然目前的功能尚不能提供泄漏气体绝对浓度数据,但通过其成像外观图可以非常有效地提供浓度的分布图。这种技术的目标就是使正常状态下不可见气体泄漏在关心区域的标准视频显示中可视化。泄漏气体的图像可以让操作者快速跟踪气体泄漏能力并且可以在标准的TV监视器上对其进行实时显示。其基本操作原理就是通过反向散射激光产生视频图像。激光的波长可以被目标气体所吸收,这样就使正常状态下不可见的气体在标准TV监视器上变成可视化图像。
激光摄像机瞄准被测区域并且摄像背景的一部分被激光反射或反向散射回到摄像机。在没有泄漏气体的情况下,所产生的背景面图像与使用普通TV摄像机时反向散射阳光产生的图像相同,然而在有泄漏气体出现时,区域的试品图像将产生对比或变暗,气体浓度越浓,吸收就越大,对比度也会越强。
在这种方式下,一般的非可视气体将在视频中可见,其来源和移动方向都可以方便地确定。
气体不需要与背景接触,只要在背景和激光摄像机之间即可。泄漏气体的试品图像可以在任何普通的TV监视器上显示以便进行实时泄漏检测,也可以通过标准的VCR纪录,以便今后的分析使用。
激光摄像机的主要部件为:CO2激光器、扫描防护板组件、同步扫描模块、控制器和数字视频记录仪。
激光摄像机的激光器是由IV级连续波CO2激光器组成,其输出光是不可见的红外线激光。
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,因此整个激光摄像机摄像区域的激光等级基本上是均衡的。扫描防护板电路检测两个扫描镜片的偏转幅度,如果任一个变慢,就会阻挡激光束并关闭激光电源。当激光摄像机拍摄到SF6气体泄漏的图像时,可以及时地利用数字视频记录仪将它记录下来,以便准确定位时进一步处理。
4·3 现场应用上海市电力公司超高压输变电公司引进该激光摄像检漏仪后,针对一些平时在运行中发生SF6气体压力下降较多、补气比较频繁的断路器及GIS设备进行了测试,成功地检测出了大部分SF6泄漏点。
(1)案例1:某变电站有一台500 kV断路器,在运行中每2个月需要补气一次,但由于该断路器所处的回路非常重要,一直没有停电检查的机会,只能靠频繁补气维持运行。由于该断路器为ELFSL7-4型,断路器为2台Y型灭弧室断路器串联而成,并且3相断路器的SF6管道都是连通的,要判断漏点必须将断路器停电进行包扎检漏,需要将断路器停电2天,并且需要1辆高架车配合、2名检修工人和2名电试人员进行工作。另外,由于每个灭弧室两端还装有均压电容及断口并联电阻,外形结构比较复杂,在断路器停电之后,现场使用包扎法检漏,包扎范围较大,对于准确判断漏点也有很大的困难。
因此,在激光摄像检漏仪的应用中,首先对这台断路器进行了扫描摄像。经过约0·5 h对三相断路器的摄像,就发现了该SF6断路器的泄漏点(如图2所示)。其检测的快速性、有效性和定位的精确性显而易见。
(2)案例2:某变电站220 kV GIS自安装投运后一直发生SF6气体压力低的报警,检修人员频繁地对该GIS进行补气。220 kV GIS气室较大,每次补气都要耗费大量的SF6气体,大大增加了该GIS设备的运行成本。检修人员也对该GIS也进行过多次包扎检漏,但由于该GIS为母联开关,设备两端与220kV正副母线相连,设备的部分密封面碍于不能下线的母线而无法检测。因此,每次检漏均无法正确找到渗漏点。
应用了激光成像检漏仪后,对该GIS进行摄像扫描,通过激光拍摄图像很容易就发现了SF6气体渗漏点,原来是位于GIS通管的连接波纹管焊接处(见图3),由于制造厂外购的不锈钢波纹管焊接质量不良引起的渗漏。因为在一般情况下,对于SF6充气设备的渗漏点检查都是着重针对设备的密封面,如法兰、套管浇注处、充气管道接头等处,对于设备本身的焊接点及焊缝均不是特别重视,故一直无法正确找到渗漏点。结果通过激光摄像机的拍摄轻易找到了过去一直无法解决的漏点。
(3)案例3:某电厂发生220 kV GIS电缆头气室SF6气体频繁泄漏,经包扎检漏确定SF6气体泄漏点为电缆插头与220 kV GIS出线电缆头气室之间密封处。但检修人员对电缆头气室的法兰面进行处理后,该气室仍然存在SF6压力下降的情况,令该厂检修人员非常困惑。通过激光摄像机拍摄后发现,SF6的渗漏点并非在电缆头气室的法兰面,而是在电缆与电缆的热缩头胶装处(见图4),经处理后解决了渗漏问题。
5 激光成像技术的经济效益及社会效益
(1)减少停电时间高压SF6设备发生气体泄漏的情况下,采用常规的方法处理,至少需要停电两次,一次检漏,一次处理渗漏。要判断设备漏点必须停电进行包扎检漏,至少停电2天、1辆高架车配合、检修工人和电试人员各2名进行大量工作。而能否正确判断出漏点还要视检修人员的经验而定,若没有检出漏点还必须延长停电时间或再次停电进行检漏。采用激光成像技术,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1 h左右就可直观、迅速地发现渗漏点。这对于当前各省市尚存缺电的情况,实是非常重要也是非常经济的。
(2)节约成本随着电网的发展,电力系统大量采用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气体数以百t计算,而SF6气体的价格非常昂贵,约为20万元/t,全国电力系统每年由此而造成的生产成本是极其巨大的。采用激光成像技术寻找漏点,可以及时地对漏点进行处理,减少SF6气体的泄漏量。同时,每年可以减少因检查SF6气体泄漏而发生的大量人力和机具成本。
(3)保护环境由于SF6气体是一种很严重的温室效应气体,每年由电力设备泄漏的SF6气体将对地球的大气层产生很严重的破坏,因此,及时有效地发现SF6气体泄漏并予以消除,可以减轻对大气层的破坏,对环保极为有利。
6 结语
激光成像检测SF6气体泄漏的技术为电力系统发展设备在线检测提供了有利的工具,激光摄像仪具备一个视频输出端子,可以通过数字存储器对所拍摄的图像进行记录。在此基础上,可以发展出新一代的在线检测装置,通过远距离传输所拍摄到的图像,进行远程监控,达到远距离在线检测的目的。
但目前该激光摄像机还存在一些不足,由于激光发生器的限制,体积较大且重,在现场长时间拍摄及移动,操作人员的体力消耗较大。另外由于检漏仪体积较大,且其成像范围必须大于3 m才能达到较高的图像分辨率,对于一些空间较小的设备,如35 kV开关柜、GIS等结构比较复杂的设备,存在一些死角而无法拍摄到。另外,由于该激光摄像机采用的是反向散射/吸收成像技术,因此,对于一些没有背景的设备,某些SF6泄漏点是无法检测出来的,这也是该技术存在的一个缺憾。
对于国内企业来说,如何吸收和发展国外的激光成像技术,在满足现场检测精度的前提下实现设备小型化,这是今后发展在线检测手段的一个重要研究方向。同时对于检测出的SF6渗漏点使用一种便捷、有效的封堵材料消除SF6气体泄漏,是我们需要研究的另一个重要课题。
