張慶平，高博，馬瑞，閆振華，李秀廣

(國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011)

電力設(shè)備內(nèi)部存在缺陷和故障會(huì)影響設(shè)備整體的性能，由于一些電力設(shè)備結(jié)構(gòu)和運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜[1]，進(jìn)行停電檢修時(shí)需要投入大量的人力、物力和財(cái)力，會(huì)造成較大的損失，因此，為減少或避免電力設(shè)備由于內(nèi)部故障造成的非計(jì)劃停運(yùn)，就必須采取有效的手段對(duì)其內(nèi)部部件進(jìn)行檢測(cè)或試驗(yàn)。固體絕緣類設(shè)備一般采用全封閉式結(jié)構(gòu)，利用紅外成像儀和紫外成像儀[2]，一般只能對(duì)設(shè)備發(fā)熱和周邊空氣的電離情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而對(duì)于設(shè)備內(nèi)部的故障情況無(wú)法進(jìn)行有效檢測(cè)。如何在不打開(kāi)設(shè)備本體的情況下，對(duì)斷路器、電力電纜等內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和精確診斷就顯得尤為重要。X射線數(shù)字成像技術(shù)作為一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以有效解決這個(gè)問(wèn)題，為電力設(shè)備內(nèi)部故障診斷及檢修提供技術(shù)支持。

X射線數(shù)字成像技術(shù)是工業(yè)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要技術(shù)[3]，相對(duì)于現(xiàn)今仍然普遍應(yīng)用的射線膠片照相，X射線數(shù)字成像技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)就是實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可以在線實(shí)時(shí)對(duì)設(shè)備介質(zhì)的不連續(xù)性、結(jié)構(gòu)形態(tài)以及介質(zhì)物理密度等質(zhì)量缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，因此在電力設(shè)備快速無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域里具有廣泛的應(yīng)用前景。本文利用X射線數(shù)字成像技術(shù)對(duì)相關(guān)電力設(shè)備在不解體的情況下進(jìn)行內(nèi)部可視化無(wú)損檢測(cè)，直觀地發(fā)現(xiàn)了設(shè)備內(nèi)部存在的一些缺陷，提高了電力設(shè)備缺陷檢測(cè)的可靠性和準(zhǔn)確度，為電力設(shè)備狀態(tài)檢修及輔助決策提供了直觀依據(jù)。

1 X射線數(shù)字成像原理

X射線源產(chǎn)生的X射線構(gòu)成入射場(chǎng)強(qiáng)，穿透物體時(shí)會(huì)與物質(zhì)相互作用發(fā)生衰減得到透射場(chǎng)強(qiáng)，當(dāng)入射場(chǎng)強(qiáng)的射線照射到待測(cè)設(shè)備上時(shí)，X射線光子與設(shè)備物質(zhì)原子發(fā)生相互作用，其中包括光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和相干散射等[4]。這些相互作用最終的結(jié)果是導(dǎo)致部分X射線光子被吸收或散射，即X射線光子穿過(guò)物質(zhì)時(shí)被衰減，因吸收和散射強(qiáng)度不同，透射場(chǎng)強(qiáng)作用在探測(cè)器上最終輸出圖像。實(shí)際的衰減過(guò)程是與射線能量、物質(zhì)密度和原子系數(shù)相關(guān)的，如果設(shè)備由不同物質(zhì)組成，或者設(shè)備局部存在缺陷時(shí)，感光材料會(huì)接受到透射強(qiáng)度的變化信號(hào)，后經(jīng)信號(hào)處理便形成常見(jiàn)的影像，根據(jù)影像特征就可以判斷設(shè)備是否存在缺陷。

假設(shè)對(duì)于單一入射能量的X射線束照射到一種密度、原子序數(shù)均勻的材料發(fā)生衰減[5]，則衰減公式表示為

I=I0e-(τ+σ+σr)L

(1)

式中：I—透射場(chǎng)強(qiáng)；

I0—入射場(chǎng)強(qiáng)；

L—材料厚度；

τ—當(dāng)前能量下材料的光電效應(yīng)；

σ—康普頓效應(yīng)；

σr—相干散射的衰減系數(shù)。

實(shí)際上，X射線與物質(zhì)間的作用是無(wú)法直接進(jìn)行測(cè)量的，在此進(jìn)行簡(jiǎn)化處理得到公式(2)：

I=I0e-μL

(2)

式中：μ—材料的線性衰減系數(shù)。該式也稱為朗伯比爾定理。

以上公式表明射線穿透物質(zhì)后，其強(qiáng)度是以指數(shù)方式衰減的，式中材料的線性衰減系數(shù)隨射線能量和照射物質(zhì)的原子序數(shù)以及物質(zhì)的密度變化而變化。一般情況下衰減系數(shù)μ與射線能量成反比，與原子序數(shù)、物質(zhì)密度等成正比[6],即隨著射線能量的升高穿透能力增強(qiáng)，隨著物質(zhì)密度增大射線穿透難度增大。實(shí)際上，射線的衰減能力都是基于單一頻率定義的，對(duì)于連續(xù)光譜的X射線，在實(shí)際衰減中會(huì)存在多個(gè)衰減系數(shù)，但是隨著物質(zhì)的厚度增加，射線會(huì)發(fā)生硬化以至于最后的射線近似于單色光。

2 X射線數(shù)字成像系統(tǒng)組成

X射線數(shù)字成像系統(tǒng)一般由射線源、待測(cè)物、探測(cè)器、工作站、控制箱等幾部分構(gòu)成，如圖1所示。對(duì)于X射線數(shù)字成像系統(tǒng)而言，其核心部件是探測(cè)器，目前在工程實(shí)際中應(yīng)用的探測(cè)器主要分為2種：圖像增強(qiáng)器和非晶硅平板探測(cè)器[7]。圖像增強(qiáng)器首先通過(guò)射線轉(zhuǎn)化屏將X射線光子轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，然后通過(guò)圖像控制器相機(jī)將可見(jiàn)光轉(zhuǎn)化為圖像信號(hào)，可通過(guò)A/D采集卡轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)顯示和處理。非晶硅平板探測(cè)器采用大規(guī)模集成技術(shù)，集成了1個(gè)大面積非晶硅傳感器陣列和碘化銫閃爍體，可以直接將X光子轉(zhuǎn)化為電子，并最終通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信號(hào)[8]。平板探測(cè)器具有動(dòng)態(tài)范圍大和空間分辨率高的特性，可實(shí)現(xiàn)高速的X射線數(shù)字成像檢測(cè)，已成為工業(yè)X射線數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的主流。

圖1 X射線數(shù)字成像成套裝置

X射線數(shù)字成像系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、成像時(shí)間短、方便攜帶、成像分辨率高、信噪比強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，利用X射線數(shù)字成像檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，可以直觀地顯示缺陷圖像，獲得其他檢測(cè)手段無(wú)法實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)效果。將X射線數(shù)字成像技術(shù)應(yīng)用于電力設(shè)備的故障診斷中，關(guān)鍵是選取合適的透照參數(shù)，使得設(shè)備內(nèi)部的結(jié)構(gòu)能夠清晰地顯示在成像板上，這就需要分別對(duì)透照電壓、電流、透照時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)改變，反復(fù)對(duì)成像質(zhì)量進(jìn)行分析，從而得出合適的透照參數(shù)，這就對(duì)工作人員的個(gè)人水平提出了較高要求。

目前較為常用的MRCH-250X射線數(shù)字成像系統(tǒng)的圖像動(dòng)態(tài)范圍為10000∶1，像素尺寸200 μm，射線焦點(diǎn)尺寸1.5 mm，采用自然冷卻的方式，最大穿透能力為36 mm。圖2為利用X射線數(shù)字成像裝置對(duì)電力設(shè)備開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作。

圖2 X射線數(shù)字成像裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3 檢測(cè)案例分析

3.1 案例1

某110 kV變電站GIS因地基沉降造成母線導(dǎo)體連接觸頭出現(xiàn)明顯間隙。2019年6月，某110 kV變電站地基不同地段發(fā)生不同程度的下沉。地基的下沉導(dǎo)致了變電站內(nèi)GIS筒體發(fā)生了微小的傾斜，為檢測(cè)GIS內(nèi)部是否存在設(shè)備損壞和其它故障，技術(shù)人員首先對(duì)全站GIS設(shè)備采用超聲波法進(jìn)行了局部放電檢測(cè)，但是并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)存在毛刺、懸浮、自由顆粒等現(xiàn)象，因此判斷地基下沉并沒(méi)有導(dǎo)致GIS內(nèi)部設(shè)備損壞，但是否存在母線導(dǎo)體傾斜、錯(cuò)位等，還須通過(guò)X射線數(shù)字成像檢測(cè)進(jìn)一步確定，隨即分別對(duì)1號(hào)主變101間隔母線導(dǎo)體連接觸頭A相，112線母線導(dǎo)體連接觸頭A相、C相進(jìn)行了X射線成像檢測(cè)，檢測(cè)圖譜如圖3—圖5所示。

圖3 1號(hào)主變101間隔A相插接正常

圖4 112線母線導(dǎo)體連接觸頭A相間隙過(guò)大

圖5 112線母線導(dǎo)體連接觸頭C相間隙過(guò)大

母線導(dǎo)體連接觸頭在出廠時(shí)處于緊貼狀態(tài)，而通過(guò)對(duì)比檢測(cè)圖譜，發(fā)現(xiàn)1號(hào)主變101間隔A相插接正常，如圖3所示，112線母線導(dǎo)體連接觸頭 A相、C相間隙明顯，如圖4、圖5所示。經(jīng)查詢此型號(hào)導(dǎo)桿外徑為60 mm，經(jīng)測(cè)量后，按比例計(jì)算112線母線導(dǎo)體連接觸頭 A相、C相間隙分別達(dá)12.5 mm及10 mm，遠(yuǎn)超允許值4 mm。結(jié)果表明X射線數(shù)字成像技術(shù)可以快速準(zhǔn)確生成GIS內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像，可以直接用來(lái)計(jì)算間隙大小，分析設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的位置關(guān)系，為處理故障提供準(zhǔn)確依據(jù)。

3.2 案例2

2018年，對(duì)某330 kV變電站330 kV GIS筒體焊縫進(jìn)行超聲波探傷檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)某斷路器焊縫存在嚴(yán)重缺陷，位置如圖6所示。隨后利用X射線數(shù)字成像技術(shù)進(jìn)行復(fù)檢，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，焊縫內(nèi)存在明顯的連續(xù)氣孔，如圖7所示，成像結(jié)果與超聲波探傷分析結(jié)果基本一致。超聲波探傷分析結(jié)果見(jiàn)表1。

圖6 斷路器間焊縫位置

圖7 斷路器間隔焊縫存在氣孔

表1 超聲波探傷結(jié)果

超聲波探傷利用超聲波在不同質(zhì)介里會(huì)產(chǎn)生反射、折射導(dǎo)致波形變化來(lái)分析缺陷類型，對(duì)檢測(cè)者專業(yè)水平要求較高，而X射線數(shù)字成像技術(shù)可以準(zhǔn)確直觀地發(fā)現(xiàn)設(shè)備殼體焊縫內(nèi)存在缺陷，結(jié)果更加直觀。

3.3 案例3

2019年5月，對(duì)某地市公司相關(guān)線路塔基進(jìn)行X射線數(shù)字成像檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存在危急缺陷耐張線夾1件，存在嚴(yán)重缺陷耐張線夾1件。正常情況下線夾凹槽部位鋁管壓接如圖8所示，存在缺陷的耐張線夾X射線檢測(cè)結(jié)果分別如圖9、圖10所示。

圖8 正常線夾X射線檢測(cè)

圖9 A線夾X射線檢測(cè)

圖10 B線夾X射線檢測(cè)

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：A線夾凹槽部位鋁管漏壓2個(gè)凹槽，屬于危急缺陷；B線夾凹槽部位鋁管漏壓1個(gè)凹槽，屬于嚴(yán)重缺陷。

一般對(duì)電力設(shè)備故障診斷都是從電氣性能、機(jī)械性能，結(jié)合光譜分析、化學(xué)分析等手段的角度進(jìn)行分析，然而這些方法有一定的局限性，結(jié)合X射線數(shù)字成像技術(shù)，可有效解決設(shè)備內(nèi)部的一些缺陷。通過(guò)對(duì)以上3個(gè)不同的案例進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)X射線數(shù)字成像技術(shù)具有檢測(cè)結(jié)果直觀、實(shí)時(shí)性好，缺陷容易定位、定性，檢測(cè)結(jié)果易于保存等優(yōu)點(diǎn)，其對(duì)設(shè)備入網(wǎng)前的質(zhì)量檢測(cè)、運(yùn)行過(guò)程中的抽檢及事故分析等均具有良好效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

X射線數(shù)字成像技術(shù)被應(yīng)用于電力設(shè)備的無(wú)損檢測(cè)，不僅能夠發(fā)現(xiàn)常規(guī)檢測(cè)手段無(wú)法檢測(cè)到的缺陷，還能夠在設(shè)備不解體的前提下對(duì)電力設(shè)備的內(nèi)部情況進(jìn)行觀察，而使檢測(cè)結(jié)果更加直觀，清晰，同時(shí)配合一些常規(guī)檢測(cè)方法，可以更加準(zhǔn)確、快速地診斷出設(shè)備的缺陷類型，從而為電力設(shè)備的入網(wǎng)檢測(cè)及運(yùn)行評(píng)估提供直接依據(jù)。