GIS設備導體缺陷X射線數(shù)字成像檢測及缺陷產(chǎn)生原因分析

胡加瑞，李文波，劉 純，陳紅冬，謝 億

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，長沙 410007)

GIS設備導體缺陷X射線數(shù)字成像檢測及缺陷產(chǎn)生原因分析

胡加瑞，李文波，劉 純，陳紅冬，謝 億

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，長沙 410007)

采用X射線數(shù)字成像系統(tǒng)對氣體絕緣金屬封閉開關(guān)變電站(GIS)設備導體進行檢測，發(fā)現(xiàn)導體焊接部位存在裂紋、未熔合等缺陷。經(jīng)解體檢查，X射線數(shù)字成像結(jié)果與實物缺陷一致。 同時，理化試驗結(jié)果表明，焊接工藝不當是導致導體產(chǎn)生缺陷的根本原因，并提出相應的解決措施。

X射線數(shù)字成像；GIS設備；導體；缺陷檢測

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，氣體絕緣金屬封閉開關(guān)變電站(GIS)每年都在不斷地增加，GIS設備具有可靠性高、維護方便、占地小等優(yōu)點；但其一旦發(fā)生故障，后果往往很嚴重，停電范圍較大，同時，由于其設備結(jié)構(gòu)復雜，內(nèi)部充有SF6(六氟化硫)絕緣氣體，給解體檢修工作帶來很大的困難，且檢修工作技術(shù)含量高、耗時長，停電所造成的損失較大[1-3]。

隨著GIS設備服役年限的延長，部分設備也處于缺陷故障高發(fā)期。但是，由于GIS設備的全封閉性，當其內(nèi)部出現(xiàn)接觸不良、螺栓松動、存在異物等缺陷時，無法直接觀測，常規(guī)檢測手段也難以觀察設備內(nèi)部機械連接情況以及各絕緣部件的健康狀況，造成無法在事故發(fā)生前進行預防處理的問題。X射線數(shù)字成像技術(shù)能夠穿透GIS設備外部的金屬及瓷套，并且將其內(nèi)部結(jié)構(gòu)在影像板上成像，實現(xiàn)了 GIS 設備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“可視化”診斷[4-5]。筆者采用X射線數(shù)字成像系統(tǒng)對GIS設備導體進行檢測，發(fā)現(xiàn)導體存在缺陷，并分析了導體產(chǎn)生缺陷的根本原因。

圖1 502間隔各氣室檢測部位示意

1 數(shù)字射線檢測案例

1.1數(shù)字射線檢測對象

2015年4月，某220 kV變電站110 kV GIS設備502間隔發(fā)生故障。為對設備故障進行分析和診斷，對5023母線隔離開關(guān)與斷路器連接導體進行了X射線數(shù)字成像檢測，X射線檢測電壓為270 V，曝光時間為180 s，502間隔各氣室檢測部位見圖1(圖1中CT為電流互感器，PT為電壓互感器，DS為隔離開關(guān)，ES為接地開關(guān)，CB為斷路器，LCP為匯控柜，CSE為電纜終端，M1為1號母線，M2為2號母線，1為5021氣室，2為5022氣室，3為5023氣室，4為5024氣室)。

1.2檢測結(jié)果分析

各部位檢測結(jié)果如圖2所示， 5023隔離開關(guān)主觸頭、5023間隔斷路器與隔離開關(guān)觸頭、502間隔與隔離開關(guān)觸頭接觸良好，觸指彈簧、屏蔽罩、緊固螺栓等均無異常，同時利用距離測試系統(tǒng)及焦距換算，可知其插入深度分別為28.5，29.3，29.7 mm，502間隔斷路器主觸頭數(shù)字射線檢測影像無異常，如圖2(d)所示。

圖2 各部位X射線數(shù)字成像結(jié)果

利用數(shù)字成像系統(tǒng)對導體進行檢測，檢測具體參數(shù)為：電壓220 V，曝光時間90 s。檢測發(fā)現(xiàn)502氣室內(nèi)導體靠觸頭側(cè)的近底部位置均存在明顯的內(nèi)部缺陷，將內(nèi)部導體編號為1#，2#，3#，其中502氣室內(nèi)有一個缺陷延伸到表面，為疑似環(huán)向裂紋，5021氣室隔離開關(guān)X射線數(shù)字成像檢測結(jié)果見圖3。

圖3 502氣室隔離開關(guān)X射線數(shù)字成像檢測結(jié)果

拆開5021氣室隔離開關(guān)后，對其3根導體存在內(nèi)部缺陷和疑似環(huán)向裂紋的部位進行表面滲透檢測(PT)，其中對3#導體檢測出表面環(huán)向裂紋，3#導體PT檢測結(jié)果如圖4所示，其余兩根導體無表面裂紋。

圖4 3#導體PT檢測結(jié)果

2 缺陷成因分析

拆開502隔離開關(guān)氣室的3根導體，在內(nèi)部缺陷位置縱向剖開，發(fā)現(xiàn)射線檢測中導體內(nèi)部缺陷部位為焊接位置。再對其進行金相檢驗，3根導體焊接部位均存在根部未焊透、未熔合、裂紋、氣孔等缺陷。其中1#，2#導體裂紋萌生于焊縫根部未焊透部位，并沿熔合線向外側(cè)擴展了一段距離，終止于熔合線上，導體剖切面如圖5(a)和圖5(b)所示。3#導體裂紋沿熔合線向外側(cè)擴展延伸到導體外表面，并在導體表面形成周向裂紋，如圖5(c)所示。

圖5 3個導體剖切面照片

圖6 3#導體焊接部位金相檢驗結(jié)果

圖7 3#導體斷口部位SEM形貌

同時，對3#導體斷口區(qū)域進行金相檢驗及SEM檢測，如圖6和圖7所示。結(jié)果表明：斷口表面約 2/3 區(qū)域呈深黑色，為陳舊斷裂面；其余部位呈淺白色，為后續(xù)斷裂面，具有明顯的脆斷特征。陳舊斷裂面在裂紋未擴展到表面時已經(jīng)形成。一方面說明裂紋由內(nèi)形成，而后向外擴展；另一方面說明這兩個階段的裂紋存在時間差，該裂紋在運行過程中存在擴展的傾向。

導體兩側(cè)材料均為6063鋁合金，再經(jīng)氬弧焊接而成。焊接裂紋產(chǎn)生的根本原因是：焊接過程中溫度分布不均勻以及各部分組織局部變形，從而在焊縫以及附近母材區(qū)域內(nèi)形成熱應力；在熱應力作用下，焊口缺陷處萌生裂紋并擴展。對于鋁合金焊接而言，其結(jié)晶收縮率以及熱膨脹系數(shù)比鋼大一倍，焊接過程中局部變形大，因此，焊接過程中產(chǎn)生熱應力大，易形成裂紋。在焊接應力作用下，裂紋通常優(yōu)先在缺陷處或者強度較差的區(qū)域萌生并擴展。

在焊接工藝良好的工況下，母材與焊縫金屬結(jié)合良好，不存在未熔合等缺陷時，母材和焊縫結(jié)合強度較高，但在焊接應力的作用下焊縫內(nèi)部最后凝固區(qū)域仍易形成缺陷，若萌生裂紋，裂紋會優(yōu)先在焊縫內(nèi)缺陷處萌生并擴展。裂紋在焊縫內(nèi)部擴展的金相檢驗結(jié)果如圖8所示，可見，在熔合線處，母材和焊縫組織熔合良好，沒有缺陷存在，而裂紋在焊縫內(nèi)部萌生并在焊縫內(nèi)部擴展。

圖8 裂紋在焊縫內(nèi)部擴展的金相檢驗結(jié)果

當熔合線存在未熔合區(qū)域時，母材和焊縫金屬結(jié)合強度明顯變差，在焊接應力作用下，未熔合區(qū)域尖端還會形成應力集中，裂紋優(yōu)先在未熔合區(qū)域尖端萌生并沿熔合線擴展。裂紋沿熔合線擴展的金相檢驗結(jié)果如圖9所示，可見，當熔合線存在未熔合區(qū)域時，裂紋從一個未熔合區(qū)域擴展到相鄰未熔合區(qū)域，由于熔合線上強度低，裂紋沿熔合線向外擴展[6-7]。

圖9 裂紋沿熔合線擴展的金相檢驗結(jié)果

3 焊接工藝改進

GIS導體的焊接需避免焊縫內(nèi)部裂紋及未熔合的出現(xiàn)，同時需解決焊接應力問題，筆者結(jié)合現(xiàn)場提出如下實際建議：焊接中在坡口根部預留一定間隙，如圖10(a)所示，使焊液進入間隙中，以保證根部焊透；同時焊接時焊槍偏置水平位置一定角度，如圖10(b)所示，保證焊槍上坡施焊并擺動焊槍，減小焊接應力。

圖10 改進后焊接工藝示意

4 結(jié)論

(1) X射線數(shù)字成像技術(shù)可以在GIS設備不解體的情況下，有效地對導體焊縫進行檢測，同時對其他GIS設備內(nèi)部的結(jié)構(gòu)性缺陷檢測靈敏度較高，可做為特高頻及超聲波帶電檢測的有效補充。

(2) 焊接工藝不當是導致導體產(chǎn)生缺陷的根本原因，建議導體焊接時坡口根部預留一定間隙，并將焊槍偏置一定角度，加強焊縫的表面滲透檢測。

[1] 李繼勝，趙學風，楊景剛，等.GIS典型缺陷局部放電測量與分析[J].高電壓技術(shù)，2009，35(10): 2440-2445.

[2] 羅俊華，趙中原，邱毓昌，等.局部放電信號三維圖譜的分形特征研究 [J].高電壓技術(shù)，2001， 27(6):24-25.

[3] 李大勇.GIS設備故障原因分析及對策[J].中國科技信息，2011(6):98-99.

[4] 李強，孫朝明.數(shù)字射線檢測中圖像評定尺的設計與應用[J].無損檢測，2011，33(4)：33-35.

[5] 楊再華，李玉和，李慶祥,等.基于邊緣特征提取的圖像清晰度評價函數(shù)[J].計算機工程與應用， 2005，41(10)：35-36.

[6] 楊衛(wèi).宏微觀斷裂力學[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995.

[7] 譚立軍，姚澤坤，周偉，等.熱力作用對電子束焊件顯微組織與力學性能的影響[J].塑性工程學報，2010，17(2)：130-134.

DetectionofGISEquipmentConductorDefectsbyX-rayDigitalImagingandAnalysisofDefectCauses

HU Jiarui, LI Wenbo, LIU Chun, CHEN Hongdong, XIE Yi

(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute, Changsha 410007, China)

By using X-ray digital imaging system, the test on GIS equipment conductor found some defects on welded parts of the conductor, such as cracks and incomplete fusion .After disintegrating, the X-ray digital imaging result is consistent with the physical defects. Meanwhile, the results of the physical and chemical test show that the improper welding process is the root cause of defects of the conductor, and following that appropriate solutions are proposed.

X-ray digital imaging; GIS equipment; conductor; defect detection

TG115.28

： B

：1000-6656(2017)09-0076-04

2016-12-29

胡加瑞(1984-),男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)金屬部件失效分析工作

胡加瑞，564802374@qq.com

10.11973/wsjc201709019