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红外成像技术在﹢GIS﹢设备检漏中的应用

文档作者：徐铬１万松１朱凤弟２杨峰３文档来源：１．长江电力技术研究中心诊断测试部２．长江电力检修厂３．三峡水力发电厂		点击数：	更新时间： 2025年11月19日
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上一篇：华山沟电站防渗墙优化设计

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２０１５ 年第６ 期
２０１５ Ｎｕｍｂｅｒ ６
水电与新能源
ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ ＡＮＤ ＮＥＷ ＥＮＥＲＧＹ
总第１３２ 期
Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．１３２
ＤＯＩ： １０．１３６２２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ４２ －１８００／ｔｖ．１６７１ －３３５４．２０１５．０６．０１０
收稿日期：２０１５ －０４ －１４ 作者简介：徐　铬，男，工程师，主要从事电气一次在线监测数据分析工作。
红外成像技术在ＧＩＳ 设备检漏中的应用
徐　铬１，万　松１，朱凤弟２，杨　峰３
（１．长江电力技术研究中心诊断测试部，湖北宜昌　４４３０００；
２．长江电力检修厂，湖北宜昌　４４３０００；３．三峡水力发电厂，湖北宜昌　４４３０００）
摘要：应用红外成像泄漏检测仪器，采用两种方法对三峡电厂、葛洲坝电厂、溪洛渡电厂、向家坝电厂的ＧＩＳ 设备分别进
行了检测。结果表明：大面积无目的普查难以发现泄漏点，而对疑有泄漏的地方进行定位检测，当泄漏量达到一定程度
时，可以直观地发现泄漏点。
关键词：六氟化硫；红外成像；水电站；ＧＩＳ
中图分类号：ＴＰ２７４ ＋．５２　　　文献标志码：Ｂ　　　文章编号：１６７１ －３３５４（２０１５）０６ －００３９ －０４
Application of the Infrared Imaging Technology
in Leak Detection of the Gas Insulated Substation Equipment
ＸＵ Ｇｅ１ ， ＷＡＮ Ｓｏｎｇ１ ， ＺＨＵ Ｆｅｎｇｄｉ２ ， ＹＡＮＧ Ｆｅｎｇ３
（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ Ｔｅｓｔｉｎｇ， Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＆ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ， Ｃｈｉｎａ Ｙａｎｇｔｚｅ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｙｉｃｈａｎｇ ４４３０００， Ｃｈｉｎａ；
２．Ｏｖｅｒｈａｕｌ ａｎｄ Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ Ｆａｃｔｏｒｙ， Ｃｈｉｎａ Ｙａｎｇｔｚｅ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｙｉｃｈａｎｇ ４４３０００， Ｃｈｉｎａ；
３．Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔ， Ｙｉｃｈａｎｇ ４４３０００， Ｃｈｉｎａ）
Abstract： Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｌｅａｋ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｇａｓ Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ （ＧＩＳ） ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
ｉｎ ｔｈｅ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ， Ｇｅｚｈｏｕｂａ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ， Ｘｉｌｕｏｄｕ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ ａｎｄ
Ｘｉａｎｇｊｉａｂａ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ａ ｂｒｏａｄ ｂｕｔ ｒａｎｄｏｍ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ｏｆ ｌｉｔｔｌｅ ｕｓｅ ｔｏ ｆｉｎｄ ｔｈｅ ｌｅａｋｉｎｇ
ｐｏｉｎｔｓ．Ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｌｅａｋｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ ｃａｎ ｂｅ ｆｏｕｎｄ ｖｉｓｕａｌｌｙ ｗｉｔｈ ａ ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｄ ｃｈｅｃｋｉｎｇ ｏｎ ｓｕｓｐｉｃｉｏｕｓ ｐｌａｃｅｓ ｗｈｅｎ ｔｈｅ
ｌｅａｋａｇｅ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｒｅａｃｈｅｓ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ａｍｏｕｎｔ． Key words： ｓｕｌｆｕｒ ｈｅｘａｆｌｕｏｒｉｄｅ； Ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｉｎｇ； ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ； Ｇａｓ Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ
　　近年来，设备制造技术的发展和电力工业科技进
步，ＧＩＳ（ＧＡＳ ＩＮＳＴＵＬＡＴＥＤ ＳＷＩＴＣＨＧＥＡＲ）气体绝缘
全封闭组合电器开关站逐渐取代原有的露天式开关
站，成为水电站重要的电能分配和输出通道。本文涉
及的４ 个大型水电站中（三峡电厂、葛洲坝电厂、溪洛
渡电厂、向家坝电厂），ＧＩＳ 均作为水电站的主接线。
ＧＩＳ 气室绝缘气体是六氟化硫，该气体由于其优良的
绝缘和灭弧特性，被广泛应用。其密度约是空气密度
的５ 倍，在均匀电场中的击穿强度约为空气的３ 倍，灭
弧能力约是空气的１００ 倍。由于在制造、安装以及元
件老化和外力损坏等因素的作用下，六氟化硫气体的
泄漏问题也开始显现。特别当此类缺陷发生在断路器
等气室时，将会使设备绝缘性能降低，灭弧室灭弧能力
降低，危及设备安全运行。六氟化硫在气室中电弧的
作用下，还将产生腐蚀性和毒性极强的酸性物质，泄漏
出来的分解物将会对进入ＧＩＳ 巡检和检修人员的健康
构成严重危害。另外，六氟化硫气体还是一种温室气
体，其温室效应是二氧化碳的２３ ９００ 倍，泄漏到大气
中将不利于环保，所以必须及时消除ＧＩＳ 六氟化硫泄
漏的缺陷。
１　ＳＦ６ 泄漏检测技术研究现状
1．1　紫外线电离型检测法
该方法是在紫外水银灯的两端头施加矩形电压
３９
水电与新能源２０１５ 年第６ 期
波，然后打开水银灯管，光电阴极发射光电子附着在空
气中的氧气和六氟化硫上形成负离子，当空气中有六
氟化硫气体时，与空气相比较，接收到的电压波形就会
存在时间差Δt，若六氟化硫分子越多，也就是六氟化
硫气体浓度越大，时间差就越长。但在实际运用中发
现，该方法有局限性，如设备在不停电时有的法兰密封
处受到现场条件或安全距离限制不能包扎检漏。另
外，该方法定位不太准确，只能确定那个密封面泄漏，
不能准确地找到漏点。
1．2　超声波检漏法
该方法的原理是假设压力气室的泄漏孔很小，在
有内外压力差的情况下，泄漏气体的雷诺数一般较高，
不会形成层流，而是形成湍急的喷射流。从靠近泄漏
狭缝处的初始段到主段之后的很长区域不断产生漩
涡，漩涡将转变为声波。该方法的缺点是无法近距离
检测带电设备的漏点，造成检测定位不精确。
1．3　激光成像检漏法
该方法的原理是由激光发射器瞄准被测的设备区
域发射入射激光，经过背景反射后形成反向散射激光
进入激光摄影机成像系统，在没有泄漏气体的情况下，
产生的反向散射激光与反向散射激光产生的图像相
同，当激光散射到六氟化硫气体时，反向散射激光强度
会因为气体烟雾的吸收而减弱，泄漏气体出现区域的
视频图像将会产生对比变化［１］ （图１）。气体越浓，吸
收就越大，对比度也越大。该方法的缺点是设备体积
较大，需三脚架等辅助工具，还需外接工作电源，移动
灵活性差。另外，需要激光反射的背景，在室外不方便
测量。
图1　激光成像检漏原理
1．4　红外成像检漏法
该方法利用ＳＦ６ 气体比空气对长波红外线有更强
的吸收能力这一特性，采用后向散光成像技术对气体
进行成像［２ －４］ 。两者对红外成像不同的特性，使通常
看不见的气体泄漏，在红外探测器下可见（图２）。本
文所用仪器是傅里叶公司生产的ＧＦ３０６，该仪器采用
制冷量子阱探测器对物体反射的红外线进行测量，比
普通探测器显示更清晰。当检测区域存在ＳＦ６ 气体泄
漏时，由于ＳＦ６ 气体对红外光线具有强烈吸收作用，所
以此时反射到检测设备的红外能量会急剧地减弱，
ＳＦ６ 气体在显示设备上表现为黑烟，并且随着气体浓
度变化，黑色程度也不同。此种方式可以快速准确地
定位泄漏点。
图2　红外成像检漏原理
２　红外成像检漏技术实际应用
在使用红外成像检漏仪以前，三峡电厂发现泄漏
情况时，用美国ＣＰＳ 公司ＬＳ７９０Ｂ 检漏仪对其进行定
位，该仪器采用ＤＣ 负电晕检测法，可大概定位区域。
再用塑料薄膜包裹怀疑区域一定时间后，再用该仪器
测定泄漏量。但是无法做到精确定位，从而无法准确
安排检修。笔者用红外成像检漏仪对三峡电厂ＧＩＳ 的
１ ０９５ 个气室和葛洲坝电厂５００ ｋＶ ＧＩＳ 的２７６ 个气
室、６０ 台断路器支柱、１６ 台出口断路器进行泄漏普查，
对葛洲坝电厂、向家坝电厂和溪洛渡电厂怀疑的几个
气室进行了特定位置检查，发现红外成像检漏仪可以
远距离比较直观地发现泄漏点，检漏时工作人员可站
在３ ～５ ｍ 外对设备进行检测，避免工作人员接近气体
泄漏源造成危险。
2．1　水电站ＧＩＳ 气室泄漏普查
葛洲坝电厂５００ ｋＶ ＧＩＳ 气室共计２７６ 个，检漏密
封部位共有２ ７８８ 处，检测位置有设备外壳连接法兰
（包括外壳直接连接法兰和盆子连接法兰）、各类膨胀
补偿单元密封法兰；断路器、隔离开关、检修接地开关
和快速接地开关的操纵轴密封法兰；设备端盖板和吸
附剂盖板；金属软管密封接头和ＳＦ６ 密度继电器密封
接头。２２０ ｋＶ 开关站共有断路器２０ 台，６０ 相断路器
支柱断路器，检测位置有支柱各法兰面，瓷套及根部，
ＳＦ６ 密度继电器密封接头及补气气嘴。发电机出口１６
台ＳＦ６ 断路器检测位置有断路器瓷套及根部、ＳＦ６ 密
度继电器密封接头及补气气嘴。普查时手持检漏仪检
测区域用高敏度模式和自动模式扫描，通常一个位置
扫描时间３ ｍｉｎ，２ 个工作人员用时约２０ 个工作日，并
未发现可视的漏点。
三峡电厂对５００ ｋＶ ＧＩＳ 气室，包含主变压器高压
４０
徐　铬，等：红外成像技术在ＧＩＳ 设备检漏中的应用２０１５ 年６ 月
侧进线和厂房顶出线的气室，共计１ ０９５ 个气室进行
了检漏，重点检测部位是设备外壳法兰盘和伸缩节。２
个工作人员检测约２０ 个工作日，均未发现有可见漏气
点。此外，对三峡右岸电站某气室有可能的漏气点进
行检测，最近两次补气日期分别是２００９ －０８ －２６ 和
２０１２ －０２ －１４，此期间气室压力在９０２ ｄ 内从４６０ ｋＰａ
下降到４２０ ｋＰａ。由计算可得年泄漏率约为３．５％，但
通过红外泄漏仪未能检测出漏点。根据波义耳定律计
算４６０ ｋＰａ 时换算到标准大气压下的体积：
V１ ＝（４６０ ｋＰａ ×Vｒ） ／P０ ≈６ ９７５．１５ Ｌ
式中：Vｒ 为气室体积；P０ 为标准大气压；V１ 为标准大
气压下气室内ＳＦ６ 体积。
当压力下降到４２０ ｋＰａ 时，用波义耳定律计算此
时标准大气压力下的ＳＦ６ 气体体积：V２ ＝（４２０ ｋＰａ ×
Vｒ） ／P０ ≈６ ３６８．６１ Ｌ。泄漏的ＳＦ６ 气体体积V３ ＝V１ －
V２≈６０６．５４ Ｌ，９０２ ｄ 约为７．８ ×１０７ ｓ，泄漏率L ＝V３ ／t
＝６０６．５４ ×１０３ ｍＬ／７．８ ×１０７ ｓ≈０．００７ ８ ｍＬ／ｓ。该泄
漏率已大于红外成像检漏仪说明书提供的可探测泄漏
率０．００１ ｍＬ／ｓ，未能检测出来的原因可能是因为室内
空气流动缓慢、手持仪器有晃动影响和泄漏过于微小
等原因而使肉眼观察比较困难。
2．2　水电站ＧＩＳ 气室特定气室检漏
２０１３ －１２，技术研究中心对向家坝电厂怀疑泄漏
的气室进行了检测，发现左岸某Ａ 相气室和右岸某Ｂ
相气室有泄漏。左岸泄漏气室由伸缩节和斜拉母线构
成，经检测发现漏气点位于伸缩节和管母线连接法兰
面底部，进一步检查发现该法兰面底部４ 颗连接螺栓
松动，通过红外成像检测仪可见黑色飘动泄漏气体。
右岸泄漏气室也是由伸缩节和斜拉母线构成的，
漏气点位于气室密度继电器表头位置，因表头未紧固，
导致有ＳＦ６ 缓慢泄漏。由于泄漏量小，高敏模式下的
录像功能可以看到气体飘动。发现问题后，维护人员
及时紧固漏气点螺栓和表头，再次用红外成像仪检测
未发生泄漏。
２０１４ －０１，技术研究中心对溪洛渡电厂ＧＩＳ 和
ＧＩＬ 的疑似漏点用红外成像仪进行检测，发现甘溪甲
线Ｃ 相某气室存在气体泄漏，泄漏点位于该气室密度
继电器表头位置。另外两处疑似泄漏点未发现气体泄
漏，其中一处位于气室的金属连管位置，该处气压由
２０１３ －０９ 的额定４００ ｋＰａ 下降至２０１３ －１１ 的
３８０ ｋＰａ，之后再未下降，可能是因为某种原因导致泄
漏点堵塞。还有一处位于溪复Ⅱ线出线母线连通管自
封闭阀门底座位置，该疑似泄漏点在检测前溪洛渡电
厂维护人员曾用密封胶进行处理，本次检测未发现气
体泄漏。
２０１３ －０６，葛洲坝电厂５００ ｋＶ ＧＩＳ 设备巡检时发
现Ｇ６７Ａ 气室压力从４２０ ｋＰａ 降低为３８０ ｋＰａ，并于
２０１３ －０７ 进行补气，补气后压力恢复到４２０ ｋＰａ。
２０１３ －０９ 巡检时发现ＧＭ１４Ｂ 气室压力显示为
３５０ ｋＰａ，当天补气至４２０ ｋＰａ。２０１３ －１２ 技术研究中
心协同检修厂输电分部用ＧＦ３０６ 红外成像检漏仪对
上述两个气室及其他相同接头进行检测。检测发现漏
气点位于连管与自封接头的铜密封接头处，且除了上
述两个气室，还有Ｇ６７Ｂ 和ＧＭ１４Ｃ 也有漏气。发现
后，维护人员立即对自封接头进行了紧固处理和更换
连管，处理后原漏点仍然漏气。母线停电后，对Ｇ６７Ａ
和Ｇ６７Ｂ 加装“Ｏ”形密封圈处理，再次检测未见渗漏，
该泄漏出现的原因是由于接头和连管非同一厂家生
产，存在不匹配的情况。将ＧＭ１４Ｂ 和ＧＭ１４Ｃ 自封接
头拆卸，检查密封面时发现存在细微划痕，经分析此微
小划痕就是泄漏的主要原因，该划痕很有可能是运输
或安装期间碰撞造成的。
对４ 个水电厂采用２ 种不同方法所进行的５ 次泄
漏检测情况的统计列于表１。
表1　泄漏检测统计表
电站检测方式测量设备范围所需人数所需时间
三峡电厂普查（手持） １ ０９５ 个气室２ 约１６０ ｈ
（约２０ 个工作日）
葛洲坝电厂普查（手持） ２７６ 个气室、６０ 台断路器支柱、
１６ 台出口断路器２ 约２４０ ｈ
（约３０ 个工作日）
葛洲坝电厂 定点检漏（手持＋三脚架） ４ 个气室 １ １ ｈ 左右 向家坝电厂 定点检漏（手持） ２ 个气室 １ １ ｈ 左右 溪洛渡电厂 定点检漏（手持） ３ 个气室 １ １ ｈ 左右 ４１
水电与新能源２０１５ 年第６ 期
３　结　论
本文对不同六氟化硫泄漏检测技术进行了介绍，
并用红外成像检测仪ＧＦ３０６ 在４ 个水电站，采用两种
不同的方法对ＧＩＳ 设备进行检漏。发现由于精度限制
和识别泄漏需要人眼判断，红外成像检漏仪对大面积
无目的的普查并不适用，且比较浪费人力。比较可行
的方法是，当密度继电器下降，或者用精度更高的检漏
仪发现疑似泄漏区间后，再用红外成像检漏仪进行定
位检测。对于比较微小的泄漏，建议使用三脚架固定
仪器，并让空气有所流动，选择合适的检测背景进行检
测，这样更容易发现泄漏点。
参考文献：
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泄漏［Ｊ］．科技传播， ２０１３（１１）： １４９ －１５０
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体检漏方法研究［Ｊ］．电气应用， ２０１１， ３０（１７）： ５６ －５８
［３］朱建国， 林捷， 徐敏骅， 等．红外成像检漏技术在ＳＦ６ 设备
状态检修中的应用［Ｊ］．电气应用， ２０１３（增刊）： ４６４ －４６６
［４］陈晟．ＳＦ６ 气体泄漏红外检测技术探讨［Ｊ］．中国电业，
２０１３（９）： ２５ －２７
（上接第３８ 页）
３　同一流量下不同汽蚀程度的振动
对比
　　为了进一步研究离心泵振动与汽蚀程度的关系，
通过比较表１、表２ 和图３，选择３０ ｍ３ ／ｈ 流量下的３
个工况进行频谱分析。因为这３ 个工况在相同流量下
扬程相差最大，说明这３ 个工况下汽蚀程度差距最为
明显，具有典型性。这３ 个工况的线性谱图叠加图，如
图１４ 所示。
图14　3 个工况的线性谱图叠加图
比较图１４ 中３ 个不同工况的频谱图，可以明显发
现随着汽蚀程度的加深，其噪声增大，振动频谱图频率
带底部抬高幅度增大，中低频带的变化特别明显。共
振频率带随着汽蚀的发展，由高频向低频方向发生
“平移”［６ －７］ 。
４　结　论
本文通过试验和频谱分析方法对离心泵的汽蚀振
动特性进行了研究，取得了一定的成果，现对上文所述
的结论进行总结，离心泵汽蚀振动特征主要有以下
几点。
１）在同一流量下，随着汽蚀程度的加深，振动幅
值呈上升趋势。
２）汽蚀振动没有明显的周期分量，主要以随机分
量为主。
３）汽蚀振动是一个连续的宽频带振动，存在无限
多个振动频率分量，振动频率范围在几十赫兹到近万
赫兹，在频谱图上表现为频谱线底部不同程度抬升。
４）离心泵转到系统在带水运行时的共振频率随
着汽蚀程度的加深，逐渐由高频向低频过渡。
５）离心泵转动系统发生共振后，其共振频率范围
扩大。
目前在工程上对离心泵汽蚀的监测和诊断还十分
困难，运用本文的研究成果可大大简化汽蚀故障诊断
的工作量，并有效提高离心泵汽蚀故障诊断的准确性。
参考文献：
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［２］ＪＢ／Ｔ ８０９７ －１９９９， 泵的振动测量与评价方法［Ｓ］
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应用［Ｍ］．北京： 科学出版社， １９９６
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