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技术支持 当前位置：首页 << 技术支持 GIS室中SF6气体泄漏光学检测新技术（吴变桃 肖登明 尹毅） 1 引言     SF6气体是一种无色、无毒的惰性气体，具有很强的绝缘特性和灭弧能力，被广泛用在高压开关设备和断路器中。但是SF6气体泄漏会降低GIS 的绝缘能力，影响设备正常运行"甚至会引发故障；另一方面 ，SF6属于一种温室效应气体，泄漏必将潜在地威胁地球环境，所以检测SF6气体泄漏具有极其重要的意义。     国内外一些电力设备制造厂以及电力系统在线检测研发单位提出了许多用于在线检测GIS 中的SF6气体泄漏的先进技术，可以在不停电情况下，实时地发现电气设备中SF6的泄漏状况， 检测的结果非常准确和直观，同时节约人力资源。目前比较先进的检测GIS室 中SF6气体泄漏的有光声谱技术和光学成像技术。 光声谱技术基于光学辐射可以被转换为声波的原理，是一种非远程检测技术。     光学成像技术利用激光经过SF6泄漏气体时发生散射、折射和衍射，使返回到照相机的激光图像在视频上发生变化，来检测气体泄漏。该技术使操作者能够从远处检测SF6气体泄漏， 在视域内能够立刻识别出泄漏部位。 光学成像技术的远距离识别和瞬时检测能力使操作者能够同时扫描变电站GIS设备的多处泄漏（包括几十到几百处），泄漏能被立即识别，以便尽快修理。不再需要人亲自测量所有的泄漏站，通过测量泄漏气体的浓度来检测泄漏，并能看到泄漏气体的清晰图像， 为检测人员提供一种快速识别泄漏源的技术。     笔者将主要介绍几种可能用于GIS室中SF6气体泄漏的远程检测技术―――光学成像技术。 2 BAGI技术     2.1BAGI 原理     反向散射吸收气体成像技术（BAGI ），是一种用于定位泄漏或跟踪气体云雾为主要目的的激光远程检测技术。 不同于其它激光技术，它只需要一种波长，本身是一种定性的三维气体成像图。 在其目前的开发中，还不能提供绝对的气体浓度数据，但是它能通过成像的外观非常有效地提供浓度的分布。 该技术的目的是利用SF6对红外光谱的吸收特性，肉眼不能观察到的SF6泄漏气体"在红外视频上清晰可见，由图像快速地确认泄漏源。 该技术具有小到50gm/year（0.016scc/min）的检测跟踪气体泄漏能力，并且可以在标准的TV 监视器上对其进行实时显示。     BAGI技术的操作原理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吸收，从而使正常不可见的气体在标准TV检测器上可视化。检测SF6时采用红外线（IR）泄漏定位系统，因为SF6气体在此光谱区域内可以有效吸收。 系统使用常规的IR成像技术，产生成像的IR能量是由IR激光反向散射的结果而不是景物热辐射造成的。气体成像原理见图1。 激光摄像机瞄准被测区域，射向背景激光的一部分被反射或反向散射回到摄像机。 照相机把这种反向散射红外光转换为电子信号， 以黑白图像实时显示在视频域和视频监测器上。 在没有泄漏气体的情况下， 所产生的背景图像与使用普通TV摄像机时反向散射太阳光产生的图像相同。 而在有泄漏气体出现的摄像机拍摄区域内，返回到激光摄像机的激光强度由于经过气体烟雾的吸收将会减弱，泄漏气体出现区域的视频图像将会产生对比或变暗。气体浓度越浓，吸收就越大，对比度也会越大。这时，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。 2.2 BAGI技术的优缺点     基于反向散射吸收的激光显像系统，在查找SF6气体泄漏方面实现了重大突破. 它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。 且在相对较远距离就能发现泄漏的具体部位，准确度可以达到1cm。可以大大减少检测操作人员，经济成本更低，操作过程更安全，检测结果非常直观。     目前已开发出一种使用脉冲激光源和红外焦平面照相机的BAGI系统。 实现了非线性转换，提高了收集光圈直径，降低了噪音。微分吸收模式的提出，消除了不均匀反射率场景对图像信号造成的影响，使气体图像可以更好地显示，确保设备可以在各种环境下进行检测，显著提高了检测范围和灵敏度。但其照相系统结构复杂，装置较重、耗电多、需要价格昂贵的激光。因此，还有待进一步提高技术以更好地进行SF6气体泄漏检测。 3 IMSS 技术     3.1 IMSS 成像原理     多光谱传感技术（IMSS）基于衍射光学原理。 它由一个衍射成像分光仪和一个灵活可调的滤波器组合而成。 用一个衍射光学元件完成成像和色散。 基本原理见图2 图中用IMSS 方法和一台普通的单色仪进行比较。 一台普通的单色仪中，基本元件是入射狭缝、出射狭缝和一块如棱镜或光栅的色散介质。从入射狭缝进入的光被色散进入出射狭缝平面$出射狭缝被色散光扫描成像。为了得到高分辨率图像，入射和出射狭缝都必须很窄，这样可以减小系统的光学通量。     IMSS 方法中，衍射光学元件沿光轴色散入射光线。 透镜的光聚集能力使一台非常高光学通量的设备成为可能。 IMSS具有其它光学成像方法没有的特殊优势，即用一个元素成像和散射的多元优势。从而使高光学通量、低成本、小尺寸和极其优良的设备成为可能，并具有非常低的光学队列。 IMSS 的显眼工作模式意味着它不需要空间扫描， 因此对于需要小型、轻量和性能优良设备来说是非常理想的。     IMSS 摄像机在一个波段以连续模式收集光谱图像见图3! 摄像机的每个桢为一个光谱颜色。 如果IMSS 透镜被沿光轴扫描的话，后面的桢可能为不同颜色，或者是如图4 后面的桢颜色相同。     该模式下的IMSS 成像分光仪非常灵活， 能够只收集感兴趣的光谱波段， 也能调节到任意一个光谱波段。相对于其它需要收集所有光谱波段的技术，如传统的分散设备和FTIR分光仪， 是一种理想的气体泄露检测技术。 因为气体泄露检测只需特定的光谱范围，无需收集多余的光谱波段，节约了时间和所需处理过程。 该优点使IMSS非常适合应用于大量需要实时光学处理的场合。     3.2 IMSS 技术的优缺点     IMSS 摄像机同样不能量化测量泄漏，然而逆着天空和远处的背景即可成像。 IMSS 方法具有一个衍射单元沿着光轴分散光，完成光的成像和散射功能。扫描检测器排列透镜焦距可产生不同波长（颜色）的图像。该方法的优点是整个孔都能收集光线，这与常规光谱仪的输入狭缝很小正好相反。 探测器元件作为出射狭缝，应与衍射透镜的模糊直径匹配。缺点是为了使图形和光谱变得比较尖锐， 图像必须进行处理。然而，这一很小的代价换来的却是光学上的高通量，且方法简单。 4 SCHILEREN 技术     4.1 SCHILEREN技术的成像原理     纹影成像技术本身是很形象的，以各种形式存在已经许多年。最近已发展为全范围观察。它是光学的、非侵入式的，可以远距离观测泄漏失量为1ml/min 的轻微泄漏。 纹影成像原理见图5。 由于摄像机和照明条件下光栅之间的泄漏气体比周围空气的折射率高，因此，泄漏气体使光线折射，引起这些光线到达摄像机时产生位移。 一个与光栅准确匹配的截止线检测到该位置后变化，产生纹影图像，使肉眼看不到的泄漏气体变成可视的纹影图像，并可拍摄下来。     一个用于泄漏检测的纹影设备草图见图6。 它的光源（形成背景，对着它泄漏可以观察到）是一个电池驱动的线型荧光管， 灯管在两根杆之间进行扫描，约1s/次，形成图像背景。 摄像机放在三脚架上，对着监测区和背景光源，镜头将扫描的光源图像聚焦于与光源同步驱动的截止线上，最后时延集成，摄像机把图像显示在笔记本电脑屏幕上。 屏幕上呈现固体目标轮廓，而泄漏到空气中的气体则清晰可见。     4.2 纹影技术检测泄漏的优缺点     几乎任何泄漏气体均可以用纹影技术检测并可视化。 纹影技术是高度敏感的、非插入的、光学的和远程的。它仅需要普通白光， 无需价格昂贵的激光源。纹影图像不仅能发现气体泄漏，而且能估计泄漏量。实际上，纹影技术可被用来显示泄漏分散模式和泄漏源位置。 这些信息能被很好的利用在定位潜在泄漏源附近的固定传感器。     纹影设备的自动调节功能避免了在启动过程中繁琐的排列过程，减少了操作训练。该方法和激光吸收的不同之处为：为了观察气体泄漏，激光吸收要求固定背景散射辐射以观测泄漏，纹影仪器自成背景，但需要通畅的光路， 而且被测可疑点两端要有一定空间。 由于无需激光源，避免了激光的高成本，方便携带。 5 结语     在检测SF6气体泄漏方面， 基于BAGI技术的激光照相机已经比较成熟， 可以在相对较远距离就可准确定位泄漏的具体部位。但该摄像机结构复杂，装置较重，耗电多。基于折射和衍射原理的光学成像技术， 目前还没有开发出专用于检测SF6气体泄漏的设备，但可以考虑应用于SF6气体泄漏方面。 基于衍射原理的IMSS技术可以实现用一个元件成像和散射，允许高光学通量#低成本和小尺寸的设备。 基于折射原理的纹影技术无需价格昂贵的激光源，仅需普通白光， 从而使一种简单便捷的气体检漏检测设备成为可能。如果能够综合3种光学成像技术的优势，开发出一种新型设备，对于SF6气体泄漏检测来说，将是一个比较大的突破。