上海電力安裝第二工程有限公司 周燁斌

GIS是電網(wǎng)輸配環(huán)節(jié)中的重要設(shè)備之一，其運(yùn)行安全穩(wěn)定可靠是保障電力輸送的基礎(chǔ)，國(guó)家能源局、國(guó)家電網(wǎng)公司及各地電力公司近幾年都在不斷加大、加強(qiáng)對(duì)電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)督及檢查的力度，其中對(duì)于GIS設(shè)備的監(jiān)督檢測(cè)也是重點(diǎn)環(huán)節(jié)之一。GIS設(shè)備檢測(cè)的常用方法有超高頻（UHF）局部放電檢測(cè)、超聲波局部放電檢測(cè)和SF6氣體分解檢測(cè)等，并被廣泛用于發(fā)現(xiàn)內(nèi)部絕緣缺陷。然而這些方法都是間接檢測(cè)，在未發(fā)生局部放電時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確診斷其內(nèi)部的物理缺陷。這種情況下，X射線數(shù)字成像技術(shù)可通過(guò)非接觸的無(wú)損檢測(cè)方法，觀察帶電運(yùn)行條件下電氣設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常。射線數(shù)字成像檢測(cè)可直觀地發(fā)現(xiàn)缺陷的嚴(yán)重程度，無(wú)論是否存在局部放電，從而實(shí)現(xiàn)GIS無(wú)需斷電的可視化檢測(cè)，提高設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的診斷能力。

1 研究的前提

近年國(guó)家相關(guān)部門陸續(xù)頒布了GB/T 40385-2021《鋼管無(wú)損檢測(cè) 焊接鋼管焊縫缺欠的數(shù)字射線檢測(cè)》等一系列數(shù)字射線檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)，使得X射線數(shù)字成像技術(shù)在鋼管制造、航空領(lǐng)域、石化長(zhǎng)輸管道檢測(cè)中被慢慢應(yīng)用。

1.1 X射線數(shù)字成像的原理

數(shù)字射線檢測(cè)是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。其基本原理與常規(guī)射線檢測(cè)一樣，基本分為三個(gè)階段。

曝光。射線束透過(guò)被檢測(cè)工件時(shí)，由于被檢測(cè)工件對(duì)射線的吸收和散射等，使射線強(qiáng)度發(fā)生衰減。衰減程度與其所經(jīng)過(guò)的工件各部位的厚度、結(jié)構(gòu)及缺陷(即密度變化)等因素有關(guān)。從而形成了一幅與被檢工件相關(guān)的射線強(qiáng)度分布圖，即射線影像信息圖。而區(qū)別與常規(guī)射線檢測(cè)，數(shù)字射線檢測(cè)是將該射線影像信息記錄在由輝盡性熒光物質(zhì)制成的存儲(chǔ)熒光板上而非工業(yè)檢測(cè)膠片上，又稱影像板或成像板(即IP)上[1]。

圖像讀?。z片處理）。常規(guī)射線檢測(cè)后，需要將曝光后的膠片拿到暗室進(jìn)行顯影、定影等處理，烘干后的到了一張具有一定黑度的底片。而數(shù)字射線成像技術(shù)有所不同，IP板感光后在熒光物質(zhì)中形成潛影，然后將具有潛影的IP板置入全自動(dòng)成像板掃描儀，激光束會(huì)對(duì)已曝光的IP板進(jìn)行精細(xì)掃描讀取， 經(jīng)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，在監(jiān)視器熒光屏上顯示出圖像。

缺陷判別。常規(guī)射線檢測(cè)中，技術(shù)人員通過(guò)把底片放到強(qiáng)光燈前，通過(guò)肉眼對(duì)底片中的黑度變化進(jìn)行觀察，從而確定缺陷的位置、大小等信息。而數(shù)字射線檢測(cè)中，數(shù)字圖像可導(dǎo)入專業(yè)的計(jì)算機(jī)分析軟件，對(duì)圖片的各種參數(shù)可進(jìn)行修正，且自動(dòng)識(shí)別功能可輔助技術(shù)人員更快更準(zhǔn)確的定位并識(shí)別缺陷。

1.2 X射線數(shù)字成像優(yōu)勢(shì)

數(shù)字射線成像技術(shù)，由于其特點(diǎn)使得對(duì)比傳統(tǒng)常規(guī)射線檢測(cè)具有較大的優(yōu)勢(shì)，更加有利于發(fā)現(xiàn)并對(duì)缺陷進(jìn)行判定分析。數(shù)字射線檢測(cè)與常規(guī)射線檢測(cè)的對(duì)比如下：

表1 數(shù)字射線檢測(cè)與常規(guī)射線檢測(cè)的對(duì)比

2 檢測(cè)系統(tǒng)搭建及可行性試驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

考慮到GIS設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的應(yīng)用情況，本次搭建的X射線數(shù)字成像系統(tǒng)的主要設(shè)備如下：

GOLDEN便攜式脈沖X射線機(jī)。外形尺寸：L44.5×W13.5×H21.6cm，每個(gè)脈沖劑量4～7mR，焦點(diǎn)尺寸2mm，最大電壓300kV，電流0.632mA；脈寬50ns，工作環(huán)境溫度-23～50℃；CRxVision掃描儀及成像板。掃描分辨率：標(biāo)準(zhǔn)(SR)70μm/高(HR)35μm，空間分辨率：標(biāo)準(zhǔn)(SR)80μm(625LP/mm)/高(HR)40μm(125LP/mm)，掃 描 寬 度7～35 cm、長(zhǎng)度2～150cm，速度(10×40cm)：標(biāo)準(zhǔn)(SR)90張/小時(shí)/高(HR)28張/小時(shí)，成像時(shí)間：標(biāo)準(zhǔn)(SR)40sec/高(HR)147sec，位深16Bit，工作環(huán)境溫度15～35℃；Rhythm圖像處理軟件。DICONDE國(guó)際通用的工業(yè)數(shù)字射線數(shù)據(jù)格式，滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求、兼容性和共享性。一鍵式矢量濾鏡(Flash)、ROI濾鏡、窗口濾鏡等，使圖像一鍵優(yōu)化到最佳效果。可升級(jí)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能進(jìn)行長(zhǎng)度、角度、面積、深度等多種測(cè)量，可注釋、標(biāo)記等。

2.2 可行性試驗(yàn)（SF6電離試驗(yàn)）

由于X射線的能量較高，可能使GIS內(nèi)部的SF6氣體電離進(jìn)而分解，一旦發(fā)生會(huì)嚴(yán)重降低GIS的內(nèi)部絕緣、甚至導(dǎo)致安全事故。因此在開(kāi)展本次研究前，首先要進(jìn)行X射線對(duì)SF6的電離影響，以確保該方法的可行性。

X射線照射后的耐壓試驗(yàn)：圖1顯示了填充有0.4MPaSF6的試驗(yàn)工具的設(shè)計(jì)，以及直徑為150mm、倒角為30mm的平板電極，其設(shè)計(jì)用于獲得耐壓試驗(yàn)的穩(wěn)定值。電極之間的間隙約為5mm。綜合分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，X射線輻照后，擊穿電壓波動(dòng)不大，基本維持在114kV，考慮到擊穿電壓本身的偶然性，推斷SF6的擊穿電壓，X射線照射后基本保持不變。實(shí)際上，在GIS的X射線數(shù)字成像檢測(cè)中，X射線輻照通常小于3分鐘，因此可認(rèn)為X射線輻照對(duì)SF6的耐壓沒(méi)有影響。

圖1 測(cè)試工具的圖紙和平板電極的圖片

SF6絕緣氣體經(jīng)X射線照射后的離解試驗(yàn)：為防止GIS設(shè)備中SF6氣體在X射線檢測(cè)中的分解，測(cè)試了不同管電壓水平下X射線輻照對(duì)SF6的影響。試驗(yàn)中使用SF6分解產(chǎn)物檢測(cè)器（精度為±0.1uL），使用光譜儀對(duì)每個(gè)電壓水平下的氣體成分進(jìn)行了初步測(cè)量和記錄，然后在相應(yīng)的管電壓下進(jìn)行1/3/5/7分鐘的X射線輻照，之后再次測(cè)量并記錄氣體的成分。接下來(lái)更換氣體，并在其他管電壓水平下進(jìn)行輻照[2]。通過(guò)對(duì)結(jié)果的比較，表明新型SF6氣體的固有成分CFA含量極低，且CF4的濃度不隨X射線輻照的持續(xù)時(shí)間和管電壓水平的增加而增加。由試驗(yàn)可知，在300kV管電壓下，X射線照射7min后SF6未發(fā)生離解。

3 GIS設(shè)備X射線數(shù)字成像檢測(cè)試驗(yàn)

本次模擬了四種常規(guī)檢測(cè)無(wú)法有效判定的缺陷，而這些缺陷可能是在安裝過(guò)程中產(chǎn)生的，也可能是設(shè)備制造過(guò)程中或長(zhǎng)期運(yùn)行老化造成。而這些問(wèn)題如果不能在前期有效被識(shí)別加以控制和修復(fù)，可能會(huì)造成較為嚴(yán)重的后果。

3.1 游離金屬顆粒

模擬了X射線數(shù)字成像對(duì)GIS中的金屬顆粒的檢測(cè)。設(shè)定典型的柱狀銅顆粒，直徑分別為1.3mm和0.11mm，長(zhǎng)度分為1mm、3mm和5mm。X射線數(shù)字成像結(jié)果可看出，兩種直徑的金屬顆?？汕逦上?，成像結(jié)果與顆粒的大小成正比。但直徑為0.11mm、長(zhǎng)度為1mm的金屬顆粒沒(méi)有清晰成像。通過(guò)比較3mm和5mm柱狀顆粒的長(zhǎng)度，發(fā)現(xiàn)直徑為0.11mm的金屬顆粒的長(zhǎng)度仍處于相應(yīng)的比例。實(shí)踐證明，利用X射線數(shù)字成像技術(shù)可很好地檢測(cè)到游離金屬顆粒。

圖2 自由金屬顆粒

3.2 片狀游離顆粒

現(xiàn)場(chǎng)安裝期間通常使用金屬和橡膠墊圈，GIS設(shè)備中可能會(huì)混入這些雜物。為了測(cè)量片狀自由顆粒的X射線數(shù)字成像質(zhì)量，我方模擬了金屬和非金屬片狀顆粒的X射線數(shù)字成像檢測(cè)試驗(yàn)。可顯示金屬及非金屬片狀顆粒，考慮到GIS設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中使用的墊片厚度通常超過(guò)1mm，利用X射線數(shù)字成像技術(shù)可清晰地檢測(cè)出設(shè)備內(nèi)漏掉的片狀顆粒[3]。

3.3 吸附劑和蓋子

GIS設(shè)備殼體中填充的SF6氣體中通常含有水分，當(dāng)水的體積分量超過(guò)一定限值時(shí)會(huì)影響到設(shè)備的絕緣，為了吸收SF6氣體中的水分，GIS內(nèi)部的吸附劑槽中會(huì)加入吸附劑。吸附劑槽通常由不銹鋼制成。一些制造商使用塑料槽以降低成本。然而，塑料材料的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于金屬材料的熱膨脹系數(shù)。當(dāng)溫度變化較大時(shí)，GIS金屬罐和塑料吸附劑槽的熱膨脹和收縮程度變化較大，使蓋容易老化和損壞。事實(shí)證明，如果吸附劑槽發(fā)生故障，吸附劑脫落，將導(dǎo)致GIS內(nèi)部放電故障，有必要對(duì)槽材料進(jìn)行檢測(cè)和區(qū)分，從而消除塑料槽的缺陷。

對(duì)于金屬吸附劑槽，輪廓和網(wǎng)格清晰，但吸附劑不明顯。這是因?yàn)槲絼┎圯^厚，不銹鋼密度較大，增加了X射線穿透的難度和吸附劑槽的對(duì)比度。由于采用鑄造工藝，蓋無(wú)棱角，根據(jù)上述特點(diǎn)，在利用X射線數(shù)字成像技術(shù)進(jìn)行可視化檢測(cè)時(shí)，可清晰地識(shí)別GIS中吸附劑槽的材質(zhì)，調(diào)查隱患。解決了吸附劑罩的缺陷難以有效識(shí)別和判斷的問(wèn)題，為設(shè)備狀態(tài)檢修提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。此外，還避免了設(shè)備斷電和盲目拆卸檢查[4]。

3.4 松開(kāi)的金屬螺釘

GIS殼體內(nèi)的各個(gè)部件及分部設(shè)備通過(guò)螺栓固定在殼體內(nèi)的各個(gè)結(jié)構(gòu)部位，螺栓松動(dòng)已成為GIS設(shè)備的重要缺陷之一。螺栓松動(dòng)會(huì)導(dǎo)致對(duì)準(zhǔn)和接觸不良，導(dǎo)致接觸面過(guò)熱和浮金屬放電等。在X射線數(shù)字成像下可看到螺栓松動(dòng)缺陷。輕微松動(dòng)的螺栓可在短時(shí)間內(nèi)繼續(xù)帶電運(yùn)行，但墊圈已松動(dòng)，可能導(dǎo)致浮動(dòng)放電。長(zhǎng)期運(yùn)行后，將危及設(shè)備的安全。

4 結(jié)語(yǔ)

本次的研究試驗(yàn)，通過(guò)采用X射線數(shù)字成像技術(shù)（CR）對(duì)GIS設(shè)備內(nèi)部的人工模擬缺陷進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)分析，得出的數(shù)據(jù)有助于改進(jìn)和指導(dǎo)該技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)工況下的實(shí)際應(yīng)用。

搭建了包括CR數(shù)字成像系統(tǒng)和GIS模型在內(nèi)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了可在一定壓力下填充SF6的GIS設(shè)備測(cè)試工裝。在不同管電壓下對(duì)SF6進(jìn)行X射線輻照后的耐壓試驗(yàn)和解離試驗(yàn)，表明SF氣體的分解特性和耐壓不受影響；采用X射線數(shù)字成像方法檢測(cè)常見(jiàn)缺陷，包括不同種類的游離顆粒、不同材料的吸附劑蓋和松動(dòng)的金屬螺釘，并獲得圖像結(jié)果。自由粒子的清潔度的下限參數(shù)為直徑為0.11mm，長(zhǎng)度為3mm。在X射線數(shù)字成像下，可清楚地分辨GIS中吸附劑槽的材料，并且可看到GIS中松動(dòng)的金屬螺釘；分析了大量缺陷實(shí)例，將缺陷分為三個(gè)等級(jí)，并給出了不同缺陷下的X射線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

本研究進(jìn)一步證明了X射線數(shù)字成像技術(shù)在GIS內(nèi)部缺陷檢測(cè)中的有效性。在未來(lái)，將對(duì)不同類型的缺陷進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)。