SF6氣體泄漏在線監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)研究

范海芳

摘 要：SF6絕緣設(shè)備在應(yīng)用期間所產(chǎn)生的氣體泄漏事件會(huì)降低其絕緣性能，還會(huì)污染環(huán)境。對(duì)變電站SF6氣體絕緣設(shè)備建立實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要通過(guò)二氧化碳激光攝像儀采集SF6氣體狀態(tài)，并且通過(guò)圖像特征獲取措施精準(zhǔn)定位泄漏源，并且評(píng)估和判定泄露量。該次研究主要是探討分析了SF6氣體泄漏在線監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：SF6氣體泄漏；在線監(jiān)測(cè)；報(bào)警系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 SF6氣體泄漏在線監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)研究

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

圖1為SF6氣體泄漏在線監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。對(duì)于SF6氣體泄露監(jiān)測(cè)部分來(lái)說(shuō)，其主要應(yīng)用激光照相機(jī)，通過(guò)紅外線照射氣體泄露區(qū)域，此時(shí)SF6氣體會(huì)吸收入射激光，不可見SF6氣體會(huì)顯現(xiàn)出黑煙狀，此時(shí)紅外線探測(cè)器會(huì)在屏幕上產(chǎn)生映像。通過(guò)攝像頭采集映像能夠?qū)崿F(xiàn)處理和分析，并且獲取氣體泄露運(yùn)動(dòng)軌跡，定位泄露源，判斷泄漏量。對(duì)于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸來(lái)說(shuō)，將無(wú)線模塊裝設(shè)在攝像機(jī)上，并且通過(guò)無(wú)線遠(yuǎn)程通信技術(shù)將圖片信息傳輸?shù)綗o(wú)線模塊，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)狀傳輸信息，不僅可以確保數(shù)據(jù)信息的安全傳遞，還能夠處理監(jiān)測(cè)設(shè)備中存在的各項(xiàng)問題，象分接頭較多以及通信線纜布線復(fù)雜等，有效降低資源消耗。對(duì)于后臺(tái)監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)，后臺(tái)監(jiān)測(cè)接受傳輸?shù)膱D片信息，并且利用上位機(jī)評(píng)估和顯示SF6氣體泄露狀態(tài)，還能夠調(diào)用和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。狀態(tài)顯示欄能夠?qū)?shù)據(jù)結(jié)果實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。將設(shè)備圖片存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，這樣能夠在后期檢修期間隨時(shí)進(jìn)行調(diào)取。通過(guò)曲線圖的方式顯示出SF6氣體泄露狀態(tài)，這樣能夠?qū)z修方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，全面提升維護(hù)效率。系統(tǒng)采用可觸摸超大屏幕真彩色SVGA顯示器，熱釋紅外傳感器，風(fēng)機(jī)控制的手動(dòng)/自動(dòng)選擇開關(guān)，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是綜合運(yùn)用了激光技術(shù)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、通信技術(shù)于一體的開放系統(tǒng)平臺(tái)。

1.2 系統(tǒng)硬件/軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 硬件設(shè)計(jì)

該項(xiàng)技術(shù)主要是應(yīng)用朗伯比爾定律，當(dāng)波長(zhǎng)的光經(jīng)過(guò)被測(cè)氣體時(shí)，光強(qiáng)減弱與被測(cè)氣體含量比較滿足該定律。在紅光進(jìn)入待測(cè)氣體之后，紅光會(huì)吸收氣體分子。假設(shè)入射光為平行光，氣體介質(zhì)中的分子數(shù)吸收所導(dǎo)致的光線強(qiáng)度減弱時(shí)，按照吸收定律可知：dI/I=-KdN。在上式中，I表示強(qiáng)度，L表示氣體介質(zhì)厚度，dN表示氣體介質(zhì)中的分子數(shù)，K表示比例常數(shù)。

傳感器主要是應(yīng)用雙光束檢測(cè)原理，其中一路為參比光速，另一路為測(cè)量光束。相比于單光束來(lái)說(shuō)，雙波長(zhǎng)雙光束技術(shù)能夠防止由于光源老化、監(jiān)測(cè)器/采樣池表面污染所導(dǎo)致的飄逸。參比通道所調(diào)制的波長(zhǎng)單色光不會(huì)吸收被測(cè)氣體。其所產(chǎn)生的穩(wěn)定信號(hào)只會(huì)受到外部因素影響，不會(huì)受到測(cè)量氣體的影響。

1.2.2 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件主要包括數(shù)字信號(hào)處理的氣體濃度監(jiān)測(cè)分析功能和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列采樣和計(jì)算；其中前者主要是利用C語(yǔ)言/匯編語(yǔ)言開發(fā)設(shè)計(jì)，軟件功能包括氣體濃度檢測(cè)、無(wú)線通信、控制回路和觸摸屏人機(jī)界面；后者主要是利用QuartusI1環(huán)境開發(fā)系統(tǒng)語(yǔ)言功能，并且在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，之后將其傳輸?shù)紸RM軟核中，獲取數(shù)據(jù)有效值。

2 系統(tǒng)圖像處理算法

形成和傳遞SF6氣體泄漏圖時(shí)，由于光學(xué)元件系統(tǒng)存在曝光和失真問題，所以為了確保SF6氣體泄漏圖的質(zhì)量，初步判斷泄露程度，需要對(duì)采集圖像進(jìn)行特征提取處理，可以利用幀間差分，灰度處理以及去噪處理等措施。如圖2所示能夠?qū)⑷斯ぷR(shí)別方式逐漸轉(zhuǎn)化為自動(dòng)識(shí)別，全面提升診斷準(zhǔn)確性。

2.1 幀間差分算法

該算法主要是在鄰近幀差分算法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。選取視頻圖像中的連續(xù)幀圖像進(jìn)行邏輯運(yùn)算，有效累計(jì)運(yùn)動(dòng)軌跡。由于圖像中運(yùn)動(dòng)緩慢的物體變化量比較小，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生孤立點(diǎn)，此種算法方式能夠有效彌補(bǔ)空洞和雙影情況，防止目標(biāo)丟失，全面提升檢測(cè)目標(biāo)的魯棒性。

2.2 灰度處理技術(shù)

如果上傳的視頻屬于彩色模型，由于人眼觀察彩色圖像的分辨率明顯低于黑白圖像，因此需要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，將彩色圖像進(jìn)行灰度處理，這樣能夠加快目標(biāo)跟蹤檢測(cè)速度。對(duì)彩色圖像進(jìn)行灰度處理時(shí)，像素值轉(zhuǎn)化如下：

Y=0.299R+0.589G+0.114B

2.3 形態(tài)學(xué)處理

圖像形態(tài)學(xué)中所應(yīng)用的算法主要是將邊界點(diǎn)消除，確保邊界點(diǎn)向內(nèi)收縮。膨脹算法主要是將物體接觸背景點(diǎn)與該物體進(jìn)行合并，確保邊界向外部擴(kuò)展。該形態(tài)學(xué)方法可以將細(xì)小空洞填補(bǔ)完整，消除孤立區(qū)域。

因存在噪聲影響，圖像在進(jìn)行二值化處理之后會(huì)存在小區(qū)域和小間隙，因此必須對(duì)圖像進(jìn)行腐蝕和膨脹運(yùn)算及去噪處理。通過(guò)腐蝕運(yùn)算能夠?qū)⒐铝^(qū)域消除掉，之后通過(guò)膨脹算法能夠填補(bǔ)圖像窄縫和空洞，避免遭受噪聲影響，全面檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

2.4 圖像閾值分割

對(duì)差分圖像大于閾值情況進(jìn)行判斷，能夠獲取圖像序列中的物體運(yùn)行情況。通過(guò)設(shè)置閾值能夠利用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)閾值方法，該方法主要是將圖像像素細(xì)化為背景和目標(biāo)，這樣能夠獲取最大類間方差，進(jìn)一步明確最適宜的分割閾值。圖像閾值分割方法屬于經(jīng)典閾值選取方法，所以被廣泛應(yīng)用到圖像分隔中。

2.5 視頻輸出

通過(guò)計(jì)算和分析SF6氣體泄漏視頻理論閾值計(jì)算，將閾值設(shè)置在10/255，將滿足閾值分割原理的像素點(diǎn)顯示出來(lái)。確保原圖像背景保持不變，能夠區(qū)分閾值分割原理的紅色像素點(diǎn)。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 判定泄漏源和軌跡及泄露量

通過(guò)SF6氣體泄漏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)SF6斷路器。若SF6氣體密度大于空氣，SF6氣體在微風(fēng)作用下會(huì)向左下方飄逸沉降。確保泄漏源SF6氣體泄漏速率在額定時(shí)間內(nèi)不變，通過(guò)氣體泄露疊加效果能夠看出，SF6氣體泄漏會(huì)在運(yùn)動(dòng)通道內(nèi)形成標(biāo)記短缺位置，此位置屬于SF6氣體泄漏源位置。

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范能夠看出，工作環(huán)境中的SF6氣體分?jǐn)?shù)應(yīng)當(dāng)在1000 ?l/L，該次研究主要是通過(guò)SF6氣體泄漏差分像素點(diǎn)法對(duì)氣體泄露程度進(jìn)行判斷。差分像素點(diǎn)方法主要是在處理圖像之后，其滿足閾值判斷規(guī)則的像素點(diǎn)累加。因此差分像素點(diǎn)越大，則說(shuō)明SF6氣體泄漏程度越高。

3.2 系統(tǒng)通信和上位機(jī)軟件測(cè)試

在接收到系統(tǒng)無(wú)線信號(hào)之后需要對(duì)數(shù)據(jù)接收靈敏度性能進(jìn)行分析，測(cè)試系統(tǒng)無(wú)線通信靈敏度。變電站中強(qiáng)磁會(huì)影響系統(tǒng)無(wú)線通信，監(jiān)控系統(tǒng)不僅需要應(yīng)用看門狗技術(shù)，軟/硬件濾波，元器件合理選型等方法，還能夠應(yīng)用到動(dòng)態(tài)信道選擇技術(shù)、空閑信道評(píng)估技術(shù)的抗電磁干擾方法。

SF6氣體泄漏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)軟件界面主要是通過(guò)圖像化編程實(shí)現(xiàn)，當(dāng)SF6斷路器開始泄露，但是泄漏量不足1000 ?L/L，此時(shí)指示燈為黃色預(yù)警狀態(tài)。當(dāng)前所應(yīng)用的SF6激光成像儀，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖像具有較高的解析度，能夠突顯出泄露軌跡，并且將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于檢測(cè)人員調(diào)取應(yīng)用，之后利用狀態(tài)曲線方式對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，并且能夠?qū)z修方案進(jìn)行優(yōu)化。

3.3 報(bào)警系統(tǒng)檢測(cè)

設(shè)置2個(gè)報(bào)警值，一個(gè)為高報(bào)警值，一個(gè)為低報(bào)警值，若上位機(jī)SF6檢測(cè)數(shù)據(jù)沒有超過(guò)報(bào)警值，聲光報(bào)警器和風(fēng)機(jī)均為初始化狀態(tài)，無(wú)法報(bào)警。在上位機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)超出報(bào)警范圍值時(shí)，上位機(jī)會(huì)自動(dòng)將指令發(fā)送給繼電器控制板，這樣能夠?qū)β暪鈭?bào)警器和風(fēng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，此時(shí)就會(huì)進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)。

在測(cè)試期間，將低報(bào)警值設(shè)置在115 ppm，高報(bào)警設(shè)置值在595 ppm，SF6氣體檢測(cè)濃度在90 ppm，濃度處于報(bào)警范圍內(nèi)。將高報(bào)警值設(shè)置則為595 ppm，SF6測(cè)量值在985 ppm，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)中。當(dāng)檢測(cè)濃度大于最高報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，這樣就會(huì)降低SF6氣體濃度。在SF6氣體濃度控制在合理范圍時(shí)，聲光報(bào)警器和風(fēng)機(jī)會(huì)自動(dòng)停止工作。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，該次主要是應(yīng)用SF6氣體泄漏濃度在線監(jiān)測(cè)和報(bào)警襲用，這樣能夠處理檢測(cè)SF6氣體濃度時(shí)所存在的困擾問題，全面提升穩(wěn)定性和誤報(bào)率，避免由于外部環(huán)境因素對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行所造成的干擾。通過(guò)紅外線傳感器技術(shù)能夠加快數(shù)據(jù)處理速度，提升數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

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