SF6气体泻流模型及其检漏应用

刘荣海，何运华，郭新良，宋玉锋，郑欣，许宏伟，杨迎春

（云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217）

0 前言

六氟化硫（SF6）气体作为绝缘介质广泛应用于电力设备中。根据不同绝缘需要，电力设备中的SF6气体要保持一定的压力，通常约为0.5-0.7 MPa。因此，当SF6气体泄漏时，压力便会下降，影响设备的绝缘性能，需要及时进行补气、堵漏等处理。电力设备运行中，可以通过压力表的读数变化来判断设备是否漏气，但无法判断具体泄漏部位。目前，主要采用红外成像仪对电力设备进行成像，泄漏的SF6气体红外图像与周围背景存在一定差异，进而可以判断泄漏部位。对于不同程度的SF6气体泄漏，红外成像仪检漏的灵敏度也不尽相同。特别是SF6气体缓慢泄漏时，容易受环境背景影响而无法检出。

为了提升SF6气体泄漏检出率，国内外开展了大量研究，如Hisao Inami[1]等提出了一种流体动力学瞬态模型，计算了容器内部和表面温度关联关系，进而快速推算气体绝缘开关内部的压力和气体泄漏。罗洋等[2]在探讨了SF6气体红外成像技术的基础上，研究了SF6气体泄漏成像与泄漏速率、检测距离和检测背景的关系，并对运行变电站的GIS设备开展了SF6气体泄漏现场检测。杨芮[3]等针对盆式绝缘子开裂而造成的SF6气体泄漏事故，基于FLUENT软件，结合SF6气体泄漏的两相流三维非定常态湍流流动特征，搭建了三维传递现象模型，开展了真型尺寸GIS站室泄漏SF6气体分布规律仿真研究。李军卫[4]等则提出一种基于红外视频图像处理的SF6泄漏区域带电检测方法，利用直方图均衡和自适应维纳滤波算法改善原始红外图像，实现对泄漏区域的快速定位。王成江[5]等研究了基于SF6气室压力峰度和偏度指标的内漏和外漏判据，在统计大样本正态分布数据偏差基础上分别得出了内漏和外漏的判据阈值。马朋飞[6]等提出了一种利用声发射检测进行SF6气体泄漏定位的方法并进行了现场应用。程伟[7]等模拟了不同混合比的混合绝缘气体在不同距离和风力等条件下的泄漏情况，利用红外成像仪等仪器进行检测，得出了仪器的检出限值，提出了检测的最佳条件。

1 SF6气体泻流模型

气体分子从容器壁上的小孔逃逸时，如果小孔直径远小于平均自由程，则容器内处于平衡的气体所收到的扰动可以忽略，这种分子从容器壁上小孔溢出的现象称为泻流[8]。SF6气体从开关泄漏的过程，特别是轻微泄漏的过程，可视为SF6气体泻流的过程。

根据泻流模型，容器内分子的速率分布函数为：

泻流分子的速率分布函数为：

根据式（1）（2）得到容器内分子的平均速率为：

泻流分子的平均速率为：

其中，k值为玻尔兹曼常数，T为容器内的气体温度，m为气体分子质量。

根据式（3）和（4），得到泻流分子的平均动能为：

泻流分子的平均温度T'与平均动能的关系为：

式（7）显示，泻流分子的平均温度比容器内分子高度高约18%。经过长期的热交换后，容器内的分子温度T趋于容器外壁的问题。

任意物体辐射的波长与温度的关系满足维恩位移定理，如式（8）所示。

式（5）中，b为常数，取0.002897 m.K。

考虑式（7）和式（8），得到容器外壁辐射的波长1λ与泻流分子平均辐射波长2λ得关系为：

通常情况下，容器外壁温度与环境温度相等。环境温度为-20℃至40℃时，T值为253K至313K，由式（8）计算得到，容器外壁辐射的波长范围为9.26~11.45 μm。由式（10）得到SF6泻流分子的平均波长范围为7.84~9.7 μm，泻流分子的平均辐射波长处于中红外波段（2.5~25 μm）。

2 原因分析

上述计算得到泻流分子的平均辐射波长处于中红外波段（2.5~25 μm）。因此，可以采用红外成像的方法对泄漏的SF6气体进行检测。在选择红外探测器时，其敏感波长应该在7-11 μm之间。用该红外成像仪对SF6气体泄漏部位检测时，容器（开关设备外壳）作为背景一起成像，背景辐射波长在9.26~11.45 μm之间，波长范围仅有部分与敏感波长范围重叠，重叠部分的波长会对泻流分子成像产生干扰，降低泄漏检出率。

由维恩位移定律可知，当温度降低时，其波长增大。如果背景温度降低，辐射波长则增大，当背景辐射温度降低至-20℃时，辐射波长增加至11.45 μm，不在红外辐射敏感波长区间内，背景辐射不会对泻流（泄漏）成像产生干扰，也即提升了SF6气体泄漏成像的分辨率，提高了泄漏检出率。

降低背景辐射温度，可以提升SF6气体缺陷检出率。在现场SF6气体泄漏检测中，在检测部位背后增加一块可调节温度的背景板，调低背景板温度，使其与环境产生一定的温度差。背景板在与泄漏部位一起进行红外成像时，可提升泄漏检出率。

3 装置研制及应用

3.1 背景增强装置研制

为了提升SF6气体泄漏检出率，采用半导体制冷原理，研制了可调节背景辐射温度的背景增强装置，半导体制冷的原理如下图1所示。

图1 半导体制冷原理

研制的装置主要包括背板、延长杆、直流电源和控制系统。

3.2 现场应用

1）某供电局220 kV 254断路器B相为SF6充气设备，额定压力为0.70 MPa，投运后发现有漏气现象，进行过5次补气。在使用SF6背景增强装置后，泄漏现象更为明显，说明该装置在提供了泄漏气体与背景的温差后，更有利于泄漏点的观察和检出，为后续的检修或治理提供了基础。

2）某供电局151断路器为SF6充气设备，额定压力为0.55 MPa，充气重量7 kg，投运发现设备存在泄漏，共计进行了3次补气。在使用六氟化硫背景增强装置后，可以观察到明显的泄漏现象，说明该装置在提供了气体流动的动力和泄漏气体与背景的温差后，有利于泄漏点的观察和检出。

4 结束语

本文采用热力学泻流理论，提出了SF6气体泄漏模型，计算得到泄漏的SF6气体分子平均温度高于设备外壳约18%，辐射的平均波长为7.8-9.7 μm，为SF6气体红外成像检漏仪敏感波段的选择提供了依据。

泄漏模型计算表明，当降低环境背景温度时，背景辐射波长将向远红外波段移动，有利于避开红外成像仪的敏感检测波段，提高红外成像的对比度，提升泄漏缺陷检出率。据此，采用半导体制冷技术，研制了可调节温度的背景增强装置，并在3个变电站现场进行了应用。应用效果表明，在检测部位后方放置一块可调温度的背景增强装置，可以提升SF6气体的红外成像对比度和泄漏检出率。