X射線成像技術(shù)在組合電器中的應(yīng)用研究

王 大 義， 孫 家 孝， 蔣 昊 巍 ， 李 均

(四川革什扎水電開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 丹巴 626300)

1 概 述

組合電器(GIS)設(shè)備是以SF6氣體為絕緣和滅弧介質(zhì)的結(jié)構(gòu)緊湊性電氣設(shè)備，將斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、避雷器、母線、進(jìn)出線套管或電纜終端等元件組合封閉在接地的鋁合金殼體內(nèi)，不受環(huán)境影響，噪音和無線電干擾小，占地面積小，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，但也存在諸多問題，組合電器一旦發(fā)生內(nèi)部故障，檢修時間長，難度大，嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的安全可靠性[1]。因此，做好對組合電器的狀態(tài)監(jiān)測、結(jié)構(gòu)檢測及事故預(yù)防非常重要。

2 組合電器隔離開關(guān)故障的啟示

某500 kV1號變壓器主接線見圖1，該開關(guān)設(shè)備采用組合電器，各設(shè)備運行狀態(tài)良好。2020年3月26日，500 kV 1號變壓器1號、2號T區(qū)保護(hù)裝置差動保護(hù)動作，跳開5001斷路器、5002斷路器、1號發(fā)電機出口斷路器，1號機組甩負(fù)荷36.6 MW。

停電后，檢查5001、5002開關(guān)外觀、氣壓、油壓未發(fā)現(xiàn)明顯異常，檢查500 kV 1號變壓器間隔1號、2號T區(qū)保護(hù)裝置，T區(qū)差動保護(hù)均動作，其他保護(hù)裝置無動作情況。

圖1 主接線圖

經(jīng)打開隔離開關(guān)氣室觀察孔板，發(fā)現(xiàn)隔離開關(guān)50021G B相氣室存在明顯的放電痕跡，見圖2。

圖2 隔離開關(guān)放電

經(jīng)拆解，發(fā)現(xiàn)隔離開關(guān)動觸頭行程未到位是造成該次故障的主要原因。為全面檢查其他設(shè)備情況，采取開啟隔離刀閘觀察孔的方式，對其他運行的隔離刀閘進(jìn)行專項檢查，發(fā)現(xiàn)合閘狀態(tài)下，有13組隔離開關(guān)動觸頭不同程度地存在此問題。

采用開啟隔離刀閘觀察孔檢查的方法需要停電才能完成，同時需要對SF6氣體進(jìn)行回收，檢查完成后又需要將合格的SF6氣體重新充入設(shè)備中，需要投入大量的人力物力。為此，采用X射線成像技術(shù)，將更好地解決停電問題，同時，不需對SF6氣體進(jìn)行回收。

3 X射線成像技術(shù)

3.1 X射線探傷原理

X射線(X-ray)波長短，能量大，具有超強的穿透能力。X射線穿過物質(zhì)的過程中，僅有部分會被物質(zhì)吸收并會發(fā)生散射[2]，利用這一現(xiàn)象，當(dāng)被測量的物質(zhì)中存在缺陷時，該缺陷部位就會影響到射線的吸收，進(jìn)而實現(xiàn)對缺陷的探測，這一原理與醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用是一致的。X射線能使膠片等感光材料感光，膠片感光的強弱與X射線量成正比，通過X射線感光強度的變化，經(jīng)處理后形成影像。缺陷部分和完好部分在影像上的黑度圖象是不一樣，這就是X射線探傷的基本原理。此外，X射線還有著色作用，其長期照射某些物質(zhì)(如水晶)后，使結(jié)晶體因脫水而顏色改變。X射線探傷是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中質(zhì)量檢測、質(zhì)量控制、質(zhì)量保證的重要手段，一般用于金屬、非金屬等材料制成的零部件，鑄造及焊接部件進(jìn)行無損檢測，以確定其內(nèi)部缺陷[3]，如夾渣，裂紋，氣孔，未焊透，未融合等。在機械、電力、石油、化工、航空、造船、國防軍工等部門，尤其是在鍋爐壓力容器焊縫的檢測中有極為廣泛的應(yīng)用[4]。

3.2 X射線檢測儀器

X射線探傷檢測儀器主要有三個部分組成：

(1)X射線探傷機發(fā)生器，主要作用是提供X射線源，激發(fā)X光，起到類似于攝像機的作用。X射線探傷機發(fā)生器一般由X射線管、高壓變壓器與絕緣氣體(SF6)組成，通常將其封裝在一個固定鋁殼內(nèi)。此外，還有作冷卻用的風(fēng)扇和散熱器。高壓變壓器利用具有良好絕緣性能的SF6氣體進(jìn)行絕緣，但當(dāng)X射線探傷機發(fā)生器SF6氣體壓力低于規(guī)定值(0.4 MPa)的時候就不能再使用。

(2)X射線探傷機控制器，主要作用是對X射線探傷機發(fā)生器進(jìn)行控制，可以調(diào)節(jié)延時拍攝時間、功率等。控制器能夠自動穩(wěn)定X射線的管電壓和管電流。管電壓及曝光時間均可預(yù)置，按相應(yīng)的按鈕即可重復(fù)曝光。如果在曝光期間保護(hù)單元動作，計時器將顯示當(dāng)前時刻，不歸零。重新開機，可繼續(xù)曝光至預(yù)置時間，因而可節(jié)省膠片。電源電壓的波動通過控制器本身自動調(diào)節(jié)，以保證獲得穩(wěn)定的X射線束。

(3)移動式計算機及操作系統(tǒng)，主要作用是對拍攝數(shù)據(jù)進(jìn)行處理影像和分析。其原理見圖3。

3.3 X射線檢測安全性措施

圖3 X射線探傷檢測儀器原理

X射線檢測安全性措施如下：

(1)對X射線探傷檢測儀器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，利用無線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

(2)為了便于作業(yè)人員及時撤離現(xiàn)場，調(diào)節(jié)控制拍攝延時時間，控制X射線對作業(yè)人員的照射影響，避免受到X射線的輻射。根據(jù)經(jīng)驗，延時不小于1分鐘。

(3)確定好X射線探傷機控制器自適應(yīng)射線機和探傷檢測對象間的相對位置，調(diào)節(jié)合適的射線功率，最大限度的減少輻射能量。

(4)在作業(yè)人員與輻射源之間加一層足夠厚的鉛板，采用厚度不小于2 mm鉛板做好防護(hù)。

(5)控制輻射源與業(yè)人員之間的距離，劃定射線控制區(qū)與隔離區(qū)，并配置射線泄漏監(jiān)測儀，超出安全值進(jìn)行及時報警。在工作現(xiàn)場，無法做到鉛板防護(hù)時，要以管頭焦點為中心，半徑20 m內(nèi)應(yīng)無人員滯留。

(6)在工作區(qū)域開始作業(yè)前，應(yīng)用接地線將控制器接于地端接專用接地線上。用連接電纜將控制器和發(fā)生器連接起來，并確保接觸良好。

4 X射線成像技術(shù)的應(yīng)用

4.1 X射線檢測儀器操作

正確使用X射線探傷檢測儀器很重要，未經(jīng)培訓(xùn)合格的人員不能使用X射線探傷檢測儀器。正常的操作流程見圖4。

在裝置放置好后，正確連接電源線，打開電源控制開關(guān)，進(jìn)一步檢查風(fēng)扇和散熱器等是否能夠正常工作，然后開機自檢，該過程大約需要10幾秒鐘，只有自檢正常后才能開始工作。根據(jù)X射線探傷檢測儀器停機時長確定是否進(jìn)行訓(xùn)機，一般停機時長低于48小時不用訓(xùn)機，不重視訓(xùn)機將造成X射線管損壞或壽命縮短。曝光參數(shù)的設(shè)定主要包括KV值和曝光時間，可記憶最近一次設(shè)定的曝光參數(shù)，在關(guān)機后不會丟失。為了便于作業(yè)人員及時撤離現(xiàn)場，避免受到X射線的輻射，可以設(shè)置延時啟動曝光。延時啟動后，開始倒計時，指示燈閃亮，同時發(fā)出警示聲，延時完畢，自動開啟高壓曝光。需要注意的是：在延時過程中按啟高壓按鈕可直接啟動曝光，按停高壓按鈕可停止曝光操作。

圖4 X射線探傷檢測儀器操作流程

4.2 組合電器隔離開關(guān)斷口檢測

運用X射線探傷檢測儀器對組合電器隔離開關(guān)進(jìn)行X射線檢測工作，考慮組合電器鋁合金殼體內(nèi)最大穿透功率，調(diào)節(jié)合適的射線功率，根據(jù)組合電器隔離開關(guān)斷口最大成像面積，選擇合適的成像面板[5]。在用X射線探傷檢測儀器對組合電器隔離開關(guān)斷口檢測進(jìn)行檢測時，將射線探傷機發(fā)生器正對組合電器隔離開關(guān)斷口處，成像板放置于射線探傷機發(fā)生器正對面，按要求進(jìn)行操作，即可拍攝所需要的成像照片。

在此后的過程中，多次對不同間隔的隔離開關(guān)分閘、合閘兩個位置進(jìn)行拍攝檢測其內(nèi)部零部件情況。經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，有一組隔離開關(guān)C相的罐體內(nèi)部有螺栓遺落(圖5)。

圖5 罐體內(nèi)螺栓遺落

針對X射線探傷檢測儀器發(fā)現(xiàn)的問題，立即對該隔離開關(guān)進(jìn)行開蓋檢查，進(jìn)一步證實X射線探傷檢測的準(zhǔn)確性。

4.3 組合電器斷路器斷口檢測

運用X射線探傷檢測儀器對組合電器斷路器進(jìn)行X射線檢測工作，將射線探傷機發(fā)生器正對組合電器斷路器斷口處，考慮到斷路器氣室體積較大，選擇2張成像面板并排放置于射線探傷機發(fā)生器正對面，按要求進(jìn)行操作，即可拍攝所需要的成像照片(圖6)。

圖6 雙成像面板斷路器斷口檢測

4.4 X射線成像對SF6氣體成分的影響

由于X射線能量大，具有超強的穿透力，為此，通過試驗進(jìn)一步驗證X射線成像對SF6氣體成分的影響。

試驗前，測得現(xiàn)場環(huán)境溫度為25℃，濕度為60%。采用SF6設(shè)備氣體綜合檢測儀，根據(jù)被測氣體中的不同組分改變電化學(xué)傳感器輸出電信號，從而確定被測氣體中的組分及其含量，對SO2和H2S氣體的檢測量程應(yīng)大于100 μL/L，CO氣體的檢測量程應(yīng)大于500 μL/L。按照正確的操作流程，反復(fù)測量3次，取平均值作為最終測量結(jié)果。在X射線探傷檢測儀器對組合電器成像前，特意選擇了SF6氣體中已含有有少量分解物的氣室進(jìn)行檢測(表1)。

為了較為準(zhǔn)確地獲取X射線成像對SF6氣體成分的影響，防止因設(shè)備內(nèi)部吸附劑的存在造成對測量結(jié)果的影響，在X射線成像完成后，迅速采用同一臺SF6設(shè)備氣體綜合檢測儀，按照正確的操作流程，反復(fù)測量3次，取平均值作為最終測量結(jié)果(表1)。

表1 X射線成像對SF6氣體成分的影響

從表1可以看出，除因測量誤差引起數(shù)據(jù)上的微小差異外，X射線成像對SF6氣體成分即分解物沒有任何影響。

5 結(jié) 語

X射線成像技術(shù)在電力系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，與傳統(tǒng)的技術(shù)手段相比，彌補了停電檢測的缺點，節(jié)約了大量的人力物力。

組合電器設(shè)備是以SF6氣體為絕緣和滅弧介質(zhì)，通過多次對使用X射線成像前后SF6氣體成分的檢測，試驗結(jié)果表面X射線成像不會對SF6氣體成分造成的影響，也不會對設(shè)備材質(zhì)造成危害，是一種應(yīng)用前景廣闊的“無損”檢測技術(shù)。

X射線成像技術(shù)不僅適用于組合電器設(shè)備，也可應(yīng)用于敞開式電氣設(shè)備、絕緣子和金具探傷、電纜接頭檢測等。

X射線成像技術(shù)實現(xiàn)了設(shè)備隱蔽缺陷的“ 可視化”，切實解決了傳統(tǒng)工作中的一些難題，具有非常高的推廣應(yīng)用價值。

應(yīng)用X射線進(jìn)行電氣設(shè)備檢測，應(yīng)注意采取安全性措施，劃定射線控制區(qū)與隔離區(qū)，在作業(yè)人員與輻射源之間加一層足夠厚的鉛板或混凝土板，做好防護(hù)。