X射线CR成像技术在宁夏电网开关类设备检测中的应用

X射线成像技术在宁夏开关类设备检测中的应用马飞越，王博，刘威峰（国网宁夏电力公司电力科学研究院，宁夏银川750002）摘要：由于开关类设备传动部位全部位于罐体或壳体内部，当出现内部故障时，传统的带电检测方法仅能够初步确定缺陷部位和类型，但无法对设备内部缺陷情况直观的呈现。宁夏公司积极引入X射线CR成像检测技术并应用于开关类设备成像检测，实现在设备不解体、不影响正常运行条件下可视化检测设备内部状况，并更准确地判断出缺陷的性质、位置及尺寸。实践结果表明，X射线成像检测作为一种开关类设备检测的新兴方法，能够成功实现可视化、移动性的无损检测。关键词：开关类设备；X射线；CR成像；检测；缺陷中图分类号：TM83文献标志码：B文章编号：0引言随着电网建设的不断发展，宁夏电网开关类设备的种类也不断增多，110千伏以上电压等级开关类设备主要有瓷柱式断路器、罐式断路器及GIS设备。其运行状态对电网安全稳定发挥着至关重要的作用，一旦开关类设备出现状况，不仅危及电网安全，需要较长修复时间还造成巨大经济损失。因此，及时掌握其运行状态具有十分重要的意义。国网宁夏电力公司尚未开展开关类设备X射线成像检测之前，开关类设备往往借助于SF6气体成分检测、微水检测、气体泄漏检测、超声波局放测试及超高频局放测试等带电测试方法初步确定缺陷部位和类型，但因无法对设备内部疑似缺陷情况直观的判断，需要耗费大量的人力和时间用于跟踪测试，以确定缺陷的发展趋势及缺陷的严重程度，最终才可以制定是否需要停电解体检查。另一方面，盲目对设备采用解体检查，不仅破坏了设备正常运行，而且无法观测到导体内部人眼无法观测的缺陷。因此，宁夏公司将X射线CR数字成像技术应用于开关类设备状态检测，与其他检测方法相结合，实现在不解体，不破坏运行环境情况下对设备进行无损检测，并为设备状态检修及辅助决策提供依据。实践结果表明，X射线CR成像技术作为状态检测的一种强有力手段，能够大幅提高设备检测的准确性及可靠性，应用于开关类设备状态检测是行之有效的。1X射线CR成像系统1.1X射线成像原理X射线是一种波长很短的电磁辐射，波长介于紫外线与γ射线之间。X射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底片感光以及空气电离等效应。X射线在穿透物体过程中会与物质发生相互作用，因吸收和散射而使其强度减弱。强度衰减程度取决于物质的衰减系数和射线在物质中穿越的厚度。如果被照射物体的局部存在缺陷，且构成缺陷的物质的衰减系数又不同于试件，该局部区域的透过射线强度就会与周围产生差异。把胶片放在适当位置使其在透射射线的作用下感光，经处理后得到影像。影像各点的黑化程度取决于射线照射量（又称曝光量），由于缺陷部位和完好部位的透射射线强度不同，影像相应部位就会出现黑度差异。影像相邻区域的黑度差定义为“对比度”[1]，实验人员则可以根据对比度构成的不同形状的影像，判断设备的缺陷情况。1.2X射线CR成像系统工业用X射线成像原理和我们通常在医院、机场见到的拍片、CT、安检系统工作原理一样。X射线在穿透不同的物体时与物质发生相互作用，因吸收和散射而强度变化，感光材料（IP板）接受到该强度变化信号后，经信号处理形成我们常见的影像[2][3]。用于开关类设备检测的一套完整的检测系统包括：射线源、感光板（IP板)、CR扫描仪、图像显示系统（含图像处理分析软件）、现场移动支架、移动工作站等,具体流程见原理示意图1。首先连接各部件间连接线，通过对控制箱设置试验参数，射线发生器产生X射线对被试部位进行透射，正对设备背面IP成像板感光后经CR扫描仪扫描后形成数字影像。图1X射线CR成像原理2开关类设备典型缺陷随着电网规模的不断扩大，开关类设备始终保持着快速增长。“十一五”期间126kV及以上断路器（含GIS）装用数量增加了55.8%，特别是组合电器的增幅更为迅猛，年平均增长率达到34.5%，装用比重由2006年初的11.5%增加到2010年底23.4%。据不完全统计，“十一五”期间公司126kV及以上断路器（含GIS）发生故障692台次，发生与设备原材料、关键组部件以及组装和装配质量等密切相关的重大质量原因故障183台次，五年平均故障率为0.060台次/百•台年。故障原因主要包括：绝缘故障、部件损坏故障、本体渗漏、拒分拒合等，并主要发生在传动元件部位。局部放电分析及气体成分检测在开关类设备故障检测中应用已非常普遍，但因不同开关类设备结构及故障部位的差异，现有检测方法并不能完全确定设备内部是否存在缺陷，也不能直观、可视地确定出设备内部缺陷的位置。而x射线数字成像技术却能够实现对开关类设备的可疑气室或部位进行设备非解体内部结构的可视化成像。3X射线CR成像检测应用效果利用X射线CR成像检测能够在开关类设备不解体、不影响其正常运行条件下对其进行可视化检测，获取设备内部直观、准确的数字化图像成像，并与其他检测方法相结合实现设备有效、可靠的状态检测。具体实践案例如下。3.1枣园变电站330千伏瓷柱式断路器传动杆状态检测枣园330kV变电站3322间隔断路器（LW25-363型）例行试验时发现断路器无法正常分合闸，主传动杆销挡圈脱落。为准确判断枣园变电站LW25型断路器主传动杆销及挡圈状态，结合设备停电，宁夏公司对3340、3341间隔断路器进行X射线成像分析。使用X射线机在正对断路器躯壳及平行于断路器灭弧室位置，分别检测断路器分闸、合闸状态时内部挡圈状态。X射线机平行于断路器灭弧室位置检测情况如图2，使用橡皮筋固定IP成像板，X射线机离主传动杆销水平距离为1000mm，射线机电压设定150kV,透照时间180秒[4]。测试示意图如图2，测试结果如图3所示。成像结果可以看出传动杆销挡圈影像与环境存在明显黑度差异，确定3340、3341间隔共6相断路器主传动杆销挡圈未发生脱落。图2X射线成像检测瓷柱式断路器示意图图3瓷柱式断路器X射线成像结果3.2高桥220kV变电站220kVGIS缺陷检测2013年8月，国网银川供电公司高桥220kV变电站220kVGIS检修后准备投入运行，Ⅰ母电压互感器周围出现异响，分开Ⅰ母电压互感器侧隔离开关，采用超声局放检测其余气室未发现异常，随即采用X射线成像在Ⅰ母停电状态下对电压互感器侧三相隔离开关气室进行X射线成像检测，重点检测隔离开关在合闸状态下内部结构情况，检测发现隔离开关动触头未完全插入梅花触头内，电压互感器A相、B相隔离开关合闸不到位，隔离开关合闸后动触头插入深度仅触及第一个抱箍弹簧的下沿，隔离开关A相成像结果见图4。通过成像检测确定异响是由于对隔离开关进行检修后，隔离开关机构恢复调整不到位造成隔离开关动静触头未充分接触。此次缺陷分析，综合超声局放检测及X射线成像两种测试手段，为诊断设备缺陷提供了可靠的依据。图4母线PT侧隔离开关A相成像结果3.3新梁220kV变电站110kVGIS缺陷检测2013年11月，国网吴忠供电公司新梁220kV变电站110kVGIS梁广Ⅱ线快速接地开关在操作过程中出现异常现象，分合闸指示不到位，现场无法确定快速接地开关内部正常分断情况。为确保梁广Ⅱ线顺利投入运行，国网宁夏电力公司电科院分别对梁广Ⅱ线及梁广Ⅰ线GIS快速接地开关进行X射线成像试验，试验结果显示梁广Ⅱ线GIS快速接地开关FES分合闸状态下成像结果与正常间隔梁广Ⅰ线GIS快速接地开关FES成像结果对比显示无异常，且快速接地开关分合闸状态下触头开合状态明显，X射线成像检测梁广Ⅱ线GIS快速接地开关状态正常，检测结果见图5、图6。以往出现此类情况，需要一直等待设备生产厂家到现场解体确认，或通过耐压试验判断其分闸状态是否正常。利用X射线成像不仅直观呈现了设备内部的状态，更为设备投运节省了宝贵的时间。图5梁广Ⅱ线GIS快速接地开关合闸状态图6梁广Ⅱ线GIS快速接地开关分闸状态4X射线成像辅助设备的开发应用X射线成像检测技术由于其快速性、可视化等特点，已在宁夏电网及电力行业中得到了广泛应用。但由于瓷柱式断路器及部分GIS设备垂直高度较高，内部结构比较复杂，为该技术的在现场的应用带来了诸多的困难。目前X射线CR成像检测技术在现场的应用所面临的较大的问题是X射线发射装置自带的支架在高度和角度上不能满足现场拍摄的需求导致所拍摄的照片效果不理想，甚至是利用自带的辅助装置无法对某些设备进行拍摄。为最大限度发挥X射线成像检测作用，宁夏公司积极开发现场用方便、快捷的移动式高度、角度可调的X射线发射装置的支架等成像辅助设备，为X射线成像探伤技术在宁夏电网输变电设备状态检修工作中的推广应用提供帮助。X射线辅助设备结构原理见图7，通过垂直液压升降机构满足不同开关类设备成像高度的需求，并利用电动水平旋转结构调节设备角度，使X射线成像检测更便捷、更高效。电机液压机构底座旋转平台X射线机图7X射线辅助设备结构图5结论1.X射线成像检测不仅能够通过拍摄设备内部结构图片，实现设备缺陷部位的直观呈现，为设备诊断提供可靠的依据，为变电设备带电检测新增一种强有力的检测手段，更避免了设备盲目解体带来的损失，节省了人力和时间。2.将X射线成像检测与SF6分解产物检测、超声波局放、超高频局放及等各种测试手段统筹结合，实现各专业之间的联动，有利于提高查找故障、分析缺陷的效率。3.宁夏公司将X射线成像检测应用于瓷柱式断路器，是X射线成像技术勇敢的尝试，为设备诊断提供了可靠的依据。4.X射线辅助设备的开发应用，更能够实现瓷柱式断路器等具有较高垂直高度设备X射线成像的便捷性及安全性。参考文献[1]强天鹏．射线检测[Ｍ]．北京：中国劳动社会保障出版社，2007．[2]王达达,魏杰，于虹等．X射线数字成像对GIS设备的无损检测[J]．云南电力技术，2002，40(2)：8—10．[3]刘阳，赵建平，闫斌等．X射线数字成像在GIS设备检测中的应用[J]．新疆电力技术，2013，117(2)：21—23．[4]郭涛，王达达，于虹等．GIS设备X射线可视化检测中焦距的选择[J]．南方电网技术，2012，6(3)：110—114．作者简介马飞越1986—，男，硕士，高电压绝缘技术。电话：[phone]；E-mail:[e-mail]