章學(xué)兵，駱國(guó)防

(1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司，上海 201799；2.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437)

絕緣拉桿作為GIS(氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備)斷路器中的關(guān)鍵部件，其作用是將運(yùn)動(dòng)從接地部分傳送到高電位部分，同時(shí)傳遞拉伸和扭轉(zhuǎn)載荷，實(shí)現(xiàn)電氣上的通斷。由于斷路器分、合操作頻繁，故要求絕緣拉桿有較高的絕緣性能、機(jī)械性能及良好的疲勞性能[1]。

GIS用絕緣拉桿幾乎全部采用纖維增強(qiáng)的環(huán)氧材料，該材料具有機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性能好、耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)，可以與環(huán)氧樹脂良好結(jié)合，再結(jié)合真空浸膠工藝，使得絕緣拉桿內(nèi)部含氣量小，均勻性好，成品呈現(xiàn)較高的擊穿電壓[2-3]；采用芳綸纖維和聚酯纖維增強(qiáng)材料制作的絕緣拉桿，成型后呈空心管狀，具有質(zhì)量輕、機(jī)械操作功小等優(yōu)點(diǎn)，已成為絕緣拉桿的主要型式[4-5]。由于生產(chǎn)工藝控制過程中存在不確定因素，絕緣拉桿成品中可能會(huì)存在氣孔、分層、空隙、裂紋等缺陷。這類缺陷會(huì)引發(fā)絕緣拉桿放電擊穿事故，給電力系統(tǒng)造成一定損失，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[6-13]。

通過查閱GIS斷路器用絕緣拉桿應(yīng)用現(xiàn)狀、生產(chǎn)工藝、出廠試驗(yàn)以及運(yùn)行缺陷檢測(cè)的相關(guān)文獻(xiàn)，筆者對(duì)GIS用絕緣拉桿的質(zhì)量檢測(cè)方法進(jìn)行梳理，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前絕緣拉桿產(chǎn)品尚無統(tǒng)一的檢測(cè)規(guī)范，且各廠家對(duì)于絕緣拉桿產(chǎn)品的出廠檢測(cè)都不夠全面，對(duì)材料及工藝方面的檢測(cè)尤為欠缺，這導(dǎo)致絕緣拉桿在實(shí)際使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)不同程度的質(zhì)量問題，對(duì)其可靠性造成一定影響[14-19]；而電氣試驗(yàn)及機(jī)械試驗(yàn)并不能保證絕緣拉桿的質(zhì)量，因此，提出用工業(yè)CT來檢測(cè)絕緣拉桿中的缺陷，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證該方法的可行性和有效性。

1 絕緣拉桿結(jié)構(gòu)

選用的絕緣拉桿試件為上海某110 kV變電站126 kV GIS設(shè)備中絕緣拉桿的同批次產(chǎn)品，產(chǎn)品型號(hào)為ZF21A-126,其采用空心管狀結(jié)構(gòu)，試件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中金屬嵌件材料為鋁合金，直徑為45 mm；真空浸膠圓管由芳綸纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制成(由環(huán)氧樹脂加液體酸酐組成的膠黏劑和無堿無捻的玻璃布復(fù)合而成)，厚度為4 mm。真空浸膠圓管中間部位有一個(gè)直徑為5 mm的孔，以連通真空浸膠管內(nèi)部及GIS閘刀氣室；端部金屬嵌件間距為68 mm。

圖1 絕緣拉桿試件結(jié)構(gòu)示意

受芳綸纖維分層布置造成的材料各向異性的影響，絕緣拉桿材料性能方面的檢測(cè)比較困難。目前各廠家對(duì)絕緣拉桿的大多數(shù)試驗(yàn)項(xiàng)目都只是關(guān)注其電氣和機(jī)械性能，常規(guī)的試驗(yàn)項(xiàng)目有外觀檢查、工頻耐壓和局放試驗(yàn)、熱試驗(yàn)、力學(xué)性能試驗(yàn)、機(jī)械壽命試驗(yàn)、雷電沖擊試驗(yàn)等。通過對(duì)絕緣拉桿現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行事故進(jìn)行分析可知，常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目并不能保證絕緣拉桿的質(zhì)量[14]，更難以檢出材料及工藝方面的缺陷。

2 絕緣拉桿檢測(cè)方法

絕緣拉桿的材料質(zhì)量及工藝控制是決定其質(zhì)量的重要因素。目前，絕緣拉桿材料及工藝方面的質(zhì)量檢測(cè)主要依靠無損檢測(cè)。由于絕緣拉桿黏接部位存在兩種壁厚相差非常懸殊的材料(環(huán)氧樹脂/鐵或鋁合金)，生產(chǎn)廠家最常用的方法是常規(guī)射線檢測(cè)(RT)和數(shù)字X射線成像檢測(cè)(DR)，由于RT和DR的檢測(cè)結(jié)果都是二維圖像，微小缺陷和層間面積型缺陷容易漏檢，絕緣拉桿的質(zhì)量控制效果并不理想；而工業(yè)CT能發(fā)現(xiàn)平面內(nèi)任何方向分布的缺陷，檢測(cè)圖像層次分明、不重疊，適用于絕緣拉桿黏接部位的層間缺陷檢測(cè)。

工業(yè)CT通過多角度透照，對(duì)獲得的圖像進(jìn)行逆向重構(gòu)，得到帶幾何坐標(biāo)(平面或三維)的點(diǎn)灰度集合，以此實(shí)現(xiàn)工件空間連續(xù)性(缺陷檢測(cè))、密度連續(xù)性(密度測(cè)量)、幾何尺寸、孔隙率等參數(shù)的檢測(cè)。工業(yè)CT透照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 工業(yè)CT透照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

相比RT和DR檢測(cè)，工業(yè)CT能得到被檢工件的密度分布圖，且檢測(cè)圖像呈三維立體狀，可以對(duì)檢測(cè)圖像進(jìn)行增強(qiáng)、分析、壓縮、存檔等處理，也可作為數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，還可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸觀測(cè)。通過適當(dāng)?shù)男?zhǔn)方法，工業(yè)CT能準(zhǔn)確地測(cè)出被檢試件的幾何尺寸和密度，還能幫助識(shí)別材料成分，提供精確的電子密度和原子序數(shù)圖像。

工業(yè)CT掃描方式如圖3所示，檢測(cè)時(shí)在一個(gè)視角下掃描試件整個(gè)斷面，一次采樣該視角下的完整投影；投影數(shù)據(jù)通過雷當(dāng)反變換，并經(jīng)過迭代重建算法或解析重建算法的處理可實(shí)現(xiàn)圖像重建。這些優(yōu)點(diǎn)，使得工業(yè)CT能對(duì)絕緣拉桿進(jìn)行全方位、立體的掃描，尤其是能掃描到處于薄弱環(huán)節(jié)的環(huán)氧樹脂與金屬黏接部位。

圖3 工業(yè)CT掃描方式示意

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證工業(yè)CT在檢測(cè)絕緣拉桿缺陷方面的可行性和有效性，選取編號(hào)為1#的126 kV GIS開關(guān)設(shè)備絕緣拉桿為試驗(yàn)對(duì)象(見圖4)，分別采用RT、DR和工業(yè)CT方法對(duì)其進(jìn)行缺陷檢測(cè)。

圖4 1#絕緣拉桿試件實(shí)物

3.1 RT檢測(cè)結(jié)果

RT檢測(cè)參數(shù)設(shè)置如表1所示，1#試件的RT檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，1#絕緣拉桿試件的環(huán)氧樹脂層、鋁合金嵌件以及黏接部位未顯示出氣孔、空隙、分層、裂紋等缺陷；圖5中管體處陰影為連通真空浸膠管內(nèi)部及GIS閘刀氣室的直徑為5 mm的孔。

表1 RT檢測(cè)參數(shù)設(shè)置

圖5 1#試件的RT檢測(cè)結(jié)果

3.2 DR檢測(cè)結(jié)果

DR檢測(cè)參數(shù)設(shè)置如表2所示，1#號(hào)試件的DR檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。由圖6的結(jié)果可見，1#絕緣拉桿試件的環(huán)氧樹脂層、鋁合金嵌件以及黏接部位未顯示出氣孔、空隙、分層、裂紋等缺陷；管壁中間陰影及管體中間白影為連通真空浸膠管內(nèi)部及GIS閘刀氣室的直徑5 mm的孔。

表2 DR檢測(cè)參數(shù)設(shè)置

圖6 1#試件的DR檢測(cè)結(jié)果

3.3 工業(yè)CT檢測(cè)結(jié)果

3.3.1 1#絕緣拉桿的檢測(cè)

工業(yè)CT檢測(cè)參數(shù)設(shè)置如表3所示，1#絕緣拉桿試件缺陷的CT三維檢測(cè)結(jié)果如圖7所示，試件缺陷的長(zhǎng)度、高度、寬度的檢測(cè)結(jié)果如圖8～10所示。

表3 工業(yè)CT檢測(cè)參數(shù)設(shè)置

圖7 1#試件缺陷的CT三維檢測(cè)結(jié)果

圖8 1#試件缺陷長(zhǎng)度檢測(cè)結(jié)果

圖9 1#試件缺陷高度檢測(cè)結(jié)果

圖10 1#試件缺陷寬度檢測(cè)結(jié)果

由圖7～10可以看出，1#絕緣拉桿試件中環(huán)氧樹脂與鋁合金嵌件黏接部位存在一條空隙，具體尺寸為12.524 mm× 0.357 mm ×3.733 mm(長(zhǎng)×寬×高)。

對(duì)比1#試件的RT、DR與工業(yè)CT檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，RT和DR方法均未檢測(cè)出絕緣拉桿中環(huán)氧樹脂與鋁合金嵌件黏接部位的空隙缺陷，而工業(yè)CT檢測(cè)發(fā)現(xiàn)了該處缺陷，并給出了缺陷位置及具體尺寸。初步分析得出工業(yè)CT檢測(cè)比RT、DR檢測(cè)更有效、更精準(zhǔn)的結(jié)論。

3.3.2 2#絕緣拉桿的檢測(cè)

為驗(yàn)證工業(yè)CT對(duì)GIS用絕緣拉桿缺陷的檢出效果，對(duì)如圖11所示編號(hào)為2#的絕緣拉桿試件進(jìn)行工業(yè)CT檢測(cè)。工業(yè)CT系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與表3相同，2#絕緣拉桿試件缺陷的CT三維檢測(cè)結(jié)果如圖12所示，其缺陷的長(zhǎng)度、高度、寬度的檢測(cè)結(jié)果如圖13～15所示。

圖11 2#絕緣拉桿試件實(shí)物

圖12 2#試件缺陷的CT三維檢測(cè)結(jié)果

圖13 2#試件缺陷長(zhǎng)度檢測(cè)結(jié)果

圖14 2#試件缺陷高度檢測(cè)結(jié)果

圖15 2#試件缺陷寬度檢測(cè)結(jié)果

由圖1215可以看出，2#絕緣拉桿試件中環(huán)氧樹脂與鋁合金嵌件粘接部位也存在一條空隙，具體尺寸為39.598 mm×0.337 mm×4.177 mm(長(zhǎng)×寬×高)。

1#和2#絕緣拉桿試件的工業(yè)CT檢測(cè)結(jié)果表明，工業(yè)CT能準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)絕緣拉桿黏接部位的空隙缺陷，精準(zhǔn)判定缺陷性質(zhì)，并給出缺陷的位置及幾何尺寸。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了工業(yè)CT檢測(cè)絕緣拉桿缺陷的可行性和有效性。

4 結(jié)語

文章結(jié)合絕緣拉桿的構(gòu)造特點(diǎn)提出采用工業(yè)CT的方法檢測(cè)絕緣拉桿中的缺陷，并通過對(duì)比絕緣拉桿試件的RT檢測(cè)、DR檢測(cè)和工業(yè)CT檢測(cè)結(jié)果，得出以下結(jié)論。

(1) 工業(yè)CT可以準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)絕緣拉桿中環(huán)氧樹脂與金屬嵌件黏接部位不同方向的缺陷，檢測(cè)圖像層次分明、不重疊。

(2) 工業(yè)CT可以判定絕緣拉桿中的缺陷性質(zhì)，精準(zhǔn)給出缺陷的位置和幾何尺寸。

(3) 該研究為絕緣拉桿缺陷檢測(cè)提供了新的思路，對(duì)提升GIS開關(guān)設(shè)備質(zhì)量及保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。