SF6气体泄漏在线监测报警系统研究

摘 要：SF6绝缘设备在应用期间所产生的气体泄漏事件会降低其绝缘性能，还会污染环境。对变电站SF6气体绝缘设备建立实时监测系统，主要通过二氧化碳激光摄像仪采集SF6气体状态，并且通过图像特征获取措施精准定位泄漏源，并且评估和判定泄露量。该次研究主要是探讨分析了SF6气体泄漏在线监测报警系统，希望能够为相关人员提供参考。

关键词：SF6气体泄漏；在线监测；报警系统

中图分类号：TP277 文献标志码：A

1 SF6气体泄漏在线监测报警系统研究

1.1 系统结构分析

图1为SF6气体泄漏在线监测报警系统结构图。对于SF6气体泄露监测部分来说，其主要应用激光照相机，通过红外线照射气体泄露区域，此时SF6气体会吸收入射激光，不可见SF6气体会显现出黑烟状，此时红外线探测器会在屏幕上产生映像。通过摄像头采集映像能够实现处理和分析，并且获取气体泄露运动轨迹，定位泄露源，判断泄漏量。对于监测数据传输来说，将无线模块装設在摄像机上，并且通过无线远程通信技术将图片信息传输到无线模块，通过无线网状传输信息，不仅可以确保数据信息的安全传递，还能够处理监测设备中存在的各项问题，象分接头较多以及通信线缆布线复杂等，有效降低资源消耗。对于后台监测来说，后台监测接受传输的图片信息，并且利用上位机评估和显示SF6气体泄露状态，还能够调用和存储数据。状态显示栏能够将数据结果实时显示出来。将设备图片存储到数据库中，这样能够在后期检修期间随时进行调取。通过曲线图的方式显示出SF6气体泄露状态，这样能够对检修方案进行优化调整，全面提升维护效率。系统采用可触摸超大屏幕真彩色SVGA显示器，热释红外传感器，风机控制的手动/自动选择开关，该监测系统是综合运用了激光技术、数据采集、数据处理、通信技术于一体的开放系统平台。

1.2 系统硬件/软件设计

1.2.1 硬件设计

该项技术主要是应用朗伯比尔定律，当波长的光经过被测气体时，光强减弱与被测气体含量比较满足该定律。在红光进入待测气体之后，红光会吸收气体分子。假设入射光为平行光，气体介质中的分子数吸收所导致的光线强度减弱时，按照吸收定律可知：dI/I=-KdN。在上式中，I表示强度，L表示气体介质厚度，dN表示气体介质中的分子数，K表示比例常数。

传感器主要是应用双光束检测原理，其中一路为参比光速，另一路为测量光束。相比于单光束来说，双波长双光束技术能够防止由于光源老化、监测器/采样池表面污染所导致的飘逸。参比通道所调制的波长单色光不会吸收被测气体。其所产生的稳定信号只会受到外部因素影响，不会受到测量气体的影响。

1.2.2 软件设计

该系统软件主要包括数字信号处理的气体浓度监测分析功能和现场可编程门阵列采样和计算；其中前者主要是利用C语言/汇编语言开发设计，软件功能包括气体浓度检测、无线通信、控制回路和触摸屏人机界面；后者主要是利用QuartusI1环境开发系统语言功能，并且在现场可编程门阵列中对数据进行测量计算，之后将其传输到ARM软核中，获取数据有效值。

2 系统图像处理算法

形成和传递SF6气体泄漏图时，由于光学元件系统存在曝光和失真问题，所以为了确保SF6气体泄漏图的质量，初步判断泄露程度，需要对采集图像进行特征提取处理，可以利用帧间差分，灰度处理以及去噪处理等措施。如图2所示能够将人工识别方式逐渐转化为自动识别，全面提升诊断准确性。

2.1 帧间差分算法

该算法主要是在邻近帧差分算法的基础上发展起来的。选取视频图像中的连续帧图像进行逻辑运算，有效累计运动轨迹。由于图像中运动缓慢的物体变化量比较小，此时就会产生孤立点，此种算法方式能够有效弥补空洞和双影情况，防止目标丢失，全面提升检测目标的鲁棒性。

2.2 灰度处理技术

如果上传的视频属于彩色模型，由于人眼观察彩色图像的分辨率明显低于黑白图像，因此需要对图像进行预处理，将彩色图像进行灰度处理，这样能够加快目标跟踪检测速度。对彩色图像进行灰度处理时，像素值转化如下：

Y=0.299R+0.589G+0.114B

2.3 形态学处理

图像形态学中所应用的算法主要是将边界点消除，确保边界点向内收缩。膨胀算法主要是将物体接触背景点与该物体进行合并，确保边界向外部扩展。该形态学方法可以将细小空洞填补完整，消除孤立区域。

因存在噪声影响，图像在进行二值化处理之后会存在小区域和小间隙，因此必须对图像进行腐蚀和膨胀运算及去噪处理。通过腐蚀运算能够将孤立区域消除掉，之后通过膨胀算法能够填补图像窄缝和空洞，避免遭受噪声影响，全面检测运动目标。

2.4 图像阈值分割

对差分图像大于阈值情况进行判断，能够获取图像序列中的物体运行情况。通过设置阈值能够利用经典统计阈值方法，该方法主要是将图像像素细化为背景和目标，这样能够获取最大类间方差，进一步明确最适宜的分割阈值。图像阈值分割方法属于经典阈值选取方法，所以被广泛应用到图像分隔中。

2.5 视频输出

通过计算和分析SF6气体泄漏视频理论阈值计算，将阈值设置在10/255，将满足阈值分割原理的像素点显示出来。确保原图像背景保持不变，能够区分阈值分割原理的红色像素点。

3 系统测试

3.1 判定泄漏源和轨迹及泄露量

通过SF6气体泄漏在线监测系统能够监测SF6断路器。若SF6气体密度大于空气，SF6气体在微风作用下会向左下方飘逸沉降。确保泄漏源SF6气体泄漏速率在额定时间内不变，通过气体泄露叠加效果能够看出，SF6气体泄漏会在运动通道内形成标记短缺位置，此位置属于SF6气体泄漏源位置。

按照相关标准规范能够看出，工作环境中的SF6气体分数应当在1000 µl/L，该次研究主要是通过SF6气体泄漏差分像素点法对气体泄露程度进行判断。差分像素点方法主要是在处理图像之后，其满足阈值判断规则的像素点累加。因此差分像素点越大，则说明SF6气体泄漏程度越高。

3.2 系统通信和上位机软件测试

在接收到系统无线信号之后需要对数据接收灵敏度性能进行分析，测试系统无线通信灵敏度。变电站中强磁会影响系统无线通信，监控系统不仅需要应用看门狗技术，软/硬件滤波，元器件合理选型等方法，还能够应用到动态信道选择技术、空闲信道评估技术的抗电磁干扰方法。

SF6气体泄漏在线监测系统的上位机软件界面主要是通过图像化编程实现，当SF6断路器开始泄露，但是泄漏量不足1000 µL/L，此时指示灯为黄色预警状态。当前所应用的SF6激光成像仪，在线监测系统图像具有较高的解析度，能够突显出泄露轨迹，并且将监测数据存储到数据库中，便于检测人员调取应用，之后利用状态曲线方式对设备运行状态进行评估，并且能够对检修方案进行优化。

3.3 报警系统检测

设置2个报警值，一个为高报警值，一个为低报警值，若上位机SF6检测数据没有超过报警值，声光报警器和风机均为初始化状态，无法报警。在上位机检测数据超出报警范围值时，上位机会自动将指令发送给继电器控制板，这样能够对声光报警器和風机进行驱动，此时就会进入报警状态。

在测试期间，将低报警值设置在115 ppm，高报警设置值在595 ppm，SF6气体检测浓度在90 ppm，浓度处于报警范围内。将高报警值设置则为595 ppm，SF6测量值在985 ppm，系统会进入报警状态中。当检测浓度大于最高报警值时，系统会自动启动风机，这样就会降低SF6气体浓度。在SF6气体浓度控制在合理范围时，声光报警器和风机会自动停止工作。

4 结语

综上所述，该次主要是应用SF6气体泄漏浓度在线监测和报警袭用，这样能够处理检测SF6气体浓度时所存在的困扰问题，全面提升稳定性和误报率，避免由于外部环境因素对系统运行所造成的干扰。通过红外线传感器技术能够加快数据处理速度，提升数据稳定性和准确性。

参考文献

[1]王松亭，徐海宁，张海军，等.高压开关配电室SF_6气体浓度变送器标定系统的设计[J].电子世界，2018，11（23）：133-134.

[2]李超，赵志刚，王亮，等.基于LabVIEW的SF_6气体泄漏检测与报警系统的设计[J].东北电力技术，2018，39（7）：56-58，62.

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