引言

隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展和壯大,GIS設備以其運行穩(wěn)定、結構緊湊、受外界干擾小等優(yōu)點得到了越來越廣泛的應用。GIS設備由斷路器、隔離開關、絕緣子、母線、互感器、避雷器等組成,其中斷路器、隔離開關和絕緣子是GIS的關鍵元件,也是故障的高發(fā)部位。經(jīng)廣東電網(wǎng)公司統(tǒng)計,GIS投運后,隔離開關、絕緣子和斷路器的故障發(fā)生率分別為30%、26.6%和15%。若GIS設備采用SF6氣體絕緣、金屬封閉技術,目前在缺陷發(fā)生時缺乏有效的檢測手段。而采用X射線數(shù)字成像技術,通過對故障易發(fā)部位進行透照成像,可以有效發(fā)現(xiàn)分合閘不到位、絕緣件裂紋、螺絲松動、觸頭燒毀、異物碎屑等問題,在故障末擴大之前對其進行更換處理,防止大規(guī)模停電事故的發(fā)生。

1X射線的產(chǎn)生及成像原理

1.1X射線的產(chǎn)生機理

當高能電子流撞擊金屬靶時,電子在原子核的強電場作用下,速度的量值和方向都將發(fā)生急劇變化(大幅減速),一部分動能轉化為光子的能量輻射出去,形成軔致輻射。如果電子能量很大,比如上萬電子伏特,就可以產(chǎn)生X射線。

1.2射線照相技術原理

當X射線在傳播過程中遇到障礙物時,會穿透障礙物繼續(xù)傳播,但在穿透過程中會發(fā)生吸收和散射作用而減弱,主要表現(xiàn)形式為光電效應、康普頓效應、電子對效應和瑞利散射。其中光電效應產(chǎn)生光電子和熒光(特征)X射線,康普頓效應產(chǎn)生反沖電子和散射光子,電子對效應將入射光子轉化為一個正電子和負電子,瑞利散射產(chǎn)生與入射X射線能量相同的相干光。

在透射線的路徑上放入膠片,透射線會在膠片上感光形成潛影,經(jīng)沖洗后形成黑度與射線照射量正相關的底片。若被透照物體的局部存在缺陷,且構成缺陷的物質(zhì)的衰減系數(shù)又不同于物體的衰減系數(shù),該局部區(qū)域的透射線強度就會與周圍產(chǎn)生差異。因此,根據(jù)底片相關部位黑化程度的差異,可判斷是否有缺陷。

2X射線數(shù)字成像系統(tǒng)

傳統(tǒng)的X射線成像技術是采用感光膠片成像,隨著信息技術的不斷發(fā)展,目前形成了較為簡潔高效的X射線數(shù)字成像技術,主要分為計算機X射線成像(CR)和數(shù)字射線成像(DR)兩種類型。

CR技術用成像板(IP板)記錄影像信息,利用IP板上的熒光物質(zhì)對入射X射線進行記錄,通過掃描儀對記錄信息進行讀取,最后將讀取數(shù)據(jù)傳輸至電腦成像。DR技術是由平板探測器直接接收X射線圖像信號,經(jīng)數(shù)模轉換器將物理信號變?yōu)閿?shù)字信號,最后傳輸至電腦成像。由于DR技術沒有中間環(huán)節(jié),成像質(zhì)量高、速度快,因此成為X射線數(shù)字成像技術的發(fā)展趨勢。

3影響X射線成像的因素

X射線最大的特點是其能在感光系統(tǒng)(屏片系統(tǒng)、探測器等光電轉換系統(tǒng))產(chǎn)生有效影像。根據(jù)穿過障礙物的透射線強度的不同,其在感光系統(tǒng)上形成影像的黑度也不同。透射X射線能量越大,強度越強,影像的黑度越高:反之,黑度越低。X射線攝影感光效應與感光因素之間的關系如下:

式中:K為固定不變的感光因素常數(shù):v為管電壓:n為管電壓指數(shù):I為管電流:t為曝光時間:r為攝影距離。

3.1管電壓與穿透力

由式(1)可知,感光效應與管電壓的n次方成正比。這說明管電壓越高,到達成像系統(tǒng)的x攝像能量越大,X射線的穿透力越強,從而在感光屏上所形成的影像黑度越大。

3.2互易律

由式(1)可知,當管電壓不變時,X射線感光強度與輻射強度和時間的乘積相關。因此,想要改變底片黑度,需要配合調(diào)整管電流和曝光時間的數(shù)值,使總曝光量改變。

3.3平方反比定律

由式(1)可知,透射X射線的強度與攝影距離r的平方成反比,因此可根據(jù)射線能量的大小選擇合適的成像距離。

4透照工藝參數(shù)的選擇

4.1檢測技術等級的選擇

射線檢測技術分為三級:A級一低靈敏度技術:AB級一中靈敏度技術:B級一高靈敏度技術。承壓設備焊接接頭的射線檢測,一般應采用AB級射線檢測技術進行檢測:對重要設備、結構、特殊材料和特殊焊接工藝制作的焊接接頭,可采用B級技術進行檢測:當檢測條件不能滿足AB級射線檢測技術的要求時,經(jīng)合同雙方商定,在采取有效補償措施(例如選用更高類別的膠片)后,可采用A級技術進行射線檢測,但應同時采用其他無損檢測方法進行補充檢測。

4.2焦距的選擇

為保證射線照相的清晰度,標準對透照距離的最小值有限制。在我國現(xiàn)行NB/T47013標準中,規(guī)定透照距離f與焦點尺寸df和工件至膠片距離(透照厚度)b應滿足以下關系:

A級:

AB級:

B級:

確定透照距離后,焦距F由公式F=f＋b計算得出。在實際工作中,焦距的最小值通常由諾模圖查出。實際透照時一般并不采用最小焦距值,所用的焦距比最小焦距要大得多。這是因為透照場的大小與焦距相關,焦距增大后,透照場范圍增大,這樣可以得到較大的有效透照長度,同時影像清晰度也進一步提高。

4.3射線能量的選擇

在保證穿透力的前提下,X射線照相應選用較低的管電壓。在采用較高管電壓時,應保證適當?shù)钠毓饬?。不同材料、不同透照厚度下允許采用的最高X射線管電壓可通過查找《承壓設備無損檢測第2部分:射線檢測》(NB/T47013.2一2015)導則的第5.6.4條獲得。

5X射線數(shù)字成像檢測案例

5.1220kV斷路器X射線數(shù)字成像檢測

5.1.1缺陷檢測過程

2021年6月,某220kV變電站變高開關A相發(fā)現(xiàn)分閘異常,隨后對該開關進行X射線檢測,圖像如圖1所示。

X射線成像結果顯示,A相開關弧觸頭位置異常,分閘狀態(tài)下仍伸出靜觸座。同時,發(fā)現(xiàn)靜觸座內(nèi)上部靠近齒條處有螺絲缺失。

5.1.2X射線成像對缺陷原因的初步判斷

X射線成像結果顯示,斷路器在分閘狀態(tài)下弧觸頭仍伸出靜觸座,表示內(nèi)部傳動機構已發(fā)生異常。同時,靜觸座上部螺絲缺失,此處為限位螺絲所在部位,表明限位螺絲缺失后撥叉與推拉桿或齒條的配合已失靈。

5.1.3設備解體情況

2021年8月,對故障開關進行解體,發(fā)現(xiàn)大噴口已斷裂。同時,靜觸座內(nèi)限位螺絲缺失,撥叉轉過位,推拉桿銷子無法進入撥叉叉槽,形成卡阻。經(jīng)過綜合分析,此次缺陷的原因為限位螺絲缺失導致?lián)懿婧祥l轉過位,當再次分閘時推拉桿銷子無法進入撥叉叉槽,形成卡阻。此時,動觸頭同時受到分閘操作力和卡阻力的作用,在薄弱的大噴口處斷裂。最終造成斷路器傳動裝置失靈,分閘時弧觸頭停留在靜觸座端面以下60mm的位置。

綜上,X射線成像對缺陷原因的判斷與實際情況相近。

5.2220kV隔離開關數(shù)字成像

5.2.1檢測過程

2019年11月,某220kV變電站對隔離刀閘進行X射線成像檢測,部分典型成像圖如圖2、圖3所示,各刀閘合閘深度如表1所示。

由圖2、圖3及表1可知,兩臺隔離開關都存在三相合閘深度不一致的問題,部分相合閘深度偏差較大。

5.2.2開蓋檢修情況

2020年3月,我局對X射線成像不合格刀閘進行了開蓋檢修處理,發(fā)現(xiàn)部分刀閘電動機齒輪松動,部分刀閘連結螺栓脫落,導致傳動連桿未能完全抬升。由此可見,X射線成像結果與實際故障相符。

6結語

X射線數(shù)字成像技術為GIS設備的故障檢測提供了可視化、無損化的診斷方法,解決了GIS設備內(nèi)部隱患難以有效識別的問題。同時,因其能在不停電的情況下對GIS設備進行成像,從而提高了設備運行的可靠性和電網(wǎng)的穩(wěn)定性,成為繼帶電測試、在線監(jiān)測技術后又一可靠手段。目前,X射線成像技術仍存在著受透射方向影響大、難以檢測橫向裂紋以及輻射量大對人體有害的問題,因此,開發(fā)立體化、自動化、集約化的X射線檢測系統(tǒng)將成為今后的發(fā)展方向。