X射線技術在高壓電氣設備帶電檢測中的應用

王 飛，茍方杰，張奮德，孫文選，宋妙環

(1.國網甘肅省電力公司蘭州供電公司，甘肅 蘭州 730000；2.國網甘肅省電力公司發展事業部 (經濟技術研究院)，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

高壓電氣設備是電力系統的重要組成部分，承擔著電能輸送、轉換和分配的作用，設備內部任何缺陷的存在，都會影響電力系統的安全穩定運行，因此對其運行狀態進行可靠的檢測與評估十分重要。目前所使用的諸多缺陷檢測方法，如局部放電檢測法、SF6分解物檢測法等，都只能大致估計出設備內部缺陷情況，而無法準確判斷設備的缺陷位置和內部構造。采用此類方法進行缺陷維修時，先要對設備進行停電檢查，尋找缺陷位置，然后再進行維修，不僅需要較長的停電時間，還將耗費大量的人力、物力、財力，而且在維修過程中，極有可能對設備產生二次傷害，給設備運行埋下安全隱患。

因此，若能在設備故障發生前，通過檢測方法提前準確得知內部缺陷的位置及程度，或在設備故障發生后準確判斷故障位置，實現設備的精準維修，將對設備的安全穩定運行產生非常積極的意義。

1 基于X射線技術的帶電檢測系統搭建

X射線是一種頻率高、波長短、能量大的電磁波，具有很強的穿透性。X射線穿過設備時，設備內部的不同構造或缺陷將對射線實現不同程度的吸收，那么通過設備后的X射線量便攜帶了設備各部位密度分布的信息，在熒光屏上或攝影膠片上將顯示出不同密度的陰影，即設備的X射線成像圖。

利用X射線檢測技術對高壓電氣設備進行缺陷檢測時，其硬件設備系統組成為：在設備一側安裝固定X射線機，然后在設備另一側安裝固定平板探測器(成像板)接收X射線，并使得X射線機的發射口與成像板器相對，確保X射線穿過測試設備后被成像板接收，最后成像板通過無線傳輸的方式將設備的成像數據傳輸給計算機，如圖1所示。

圖1 射線機、被側元件和成像板相互位置

圖1中，f為焦距，即X射線管焦點至成像板表面的距離(mm)；f1為X射線管焦點至被測元件表面的距離(mm)；f2為被測元件至成像板表面的距離(mm)。

X射線檢測系統搭建完成后，需要根據被測設備的適應性來設置X射線機的參數，通常，管電壓、電流、焦距、曝光時間都是需要調整的重要參數。

在選擇管電壓時，首要考慮給定的電壓能夠將電氣設備照透，并在此基礎上盡量選擇較低的電壓值，從而提高檢測的靈敏度和圖像質量；管電流越大，產生的X射線數量就越多，管電流與曝光時間的乘積決定X射線的量，即曝光量，調節曝光量可以調節圖像的靈敏度、對比度、顆粒度。

在參數選定后，使用X射線機對設備進行檢測，在成像板的支持下，射線光子將轉換為數字電流并傳輸給計算機，在計算機專用程序的處理下再轉換為透視圖。通過對透視圖的分析，可以發現設備的缺陷情況和內部構造。

2 實際應用分析

2.1 斷路器內部結構帶電檢測

電力系統中投切空載線路，會產生操作過電壓，為此要在斷路器上裝設合閘電阻，釋放電網的能量，從而保護電網電氣設備，合閘電阻在主斷口(滅弧室)合閘前幾毫秒投入，在主斷口合閘后若干毫秒后自動切除。

在變電站實際運行維護過程中，由于設備運行年限長，設備銘牌信息模糊不清、出廠資料不齊、資料丟失等原因，對某臺斷路器內部是否帶合閘電阻無從得知，利用X射線檢測技術可以實現設備帶電情況下的合閘電阻檢查。

某330 kV變電站3351斷路器合閘電阻檢測X射線機參數如表1所示，現場X射線檢測儀器布置如圖2所示。

表1 斷路器合閘電阻檢測X射線機參數

圖2 X射線檢測儀器布置

檢測時，當斷路器內部不帶合閘電阻時，成像圖中合閘電阻區域空白，僅能觀察到背部電纜；當斷路器內部帶合閘電阻時，成像圖中能清晰地觀察到合閘電阻的完好狀態及其內部彈簧。

2.2 GIS設備帶電檢測

2021年7月，某110 kVA變電站某間隔在運行過程中，出線側丙刀閘氣室吸附劑罩(塑料材質)掉落，造成該間隔內部放電，間隔被迫停運、解體檢查、維修。間隔主接線及故障點如圖3所示。

圖3 間隔主接線及故障點

查閱歷史設備資料，該站I期工程110 kV GIS設備7個間隔于2008年投入運行，II期工程2個間隔于2011投入運行；I期工程所采用的吸附劑罩均為塑料材質，II期工程所采用的吸附器罩為金屬材質。

該故障檢修結束后，對全站110 kV GIS設備所有吸附器罩采用X射線檢測技術進行帶電檢測，判斷其完好情況，排查設備隱患。設備吸附罩檢測X射線機參數如表2所示。

表2 設備吸附劑罩檢測X射線機參數

對吸附器罩進行X射線檢測時，重點檢查吸附劑罩是否齊全，是否存在開裂現象，吸附劑罩面與蓋板是否平行以及判斷吸附劑罩的材質。

檢測中，由于金屬吸附劑罩對X射線的衰減強，因此成像中能清晰地觀察出吸附劑罩的外形輪廓和吸附劑罩表面的細小孔洞，但無法觀察到其內部的吸附劑顆粒；塑料吸附劑罩對X射線的衰減弱，因此成像中僅能夠大致觀察出吸附劑罩的外部輪廓，無法觀察到其外部的細小孔洞，且其內部的吸附劑顆粒清晰可見；當漏裝吸附劑罩時，X射線成像區域處于空白狀態，僅能觀察到緊固蓋板的螺栓。因此，通過對吸附劑罩X射線影像結構的觀察，可有效判斷其完好程度，并能準確區分其材質是金屬還是塑料。

2021年7月，對某110 kV B變電站進行吸附器罩X射線帶電檢測，該站與A站為同廠同時期產品，采用的吸附劑罩均為塑料材質。在對該站110 kV Ⅱ段母線電壓互感器丁刀閘氣室吸附器罩X射線探傷檢查時，發現該吸附劑罩頂部有疑似開裂、翹起現象，與底部蓋板不平行。在對該站1號主變1101間隔電纜終端氣室吸附劑罩X射線檢測時，發現該吸附劑罩存在嚴重開裂破損現象，內部分子篩包已脫落沉積，此缺陷對設備運行存在嚴重危害，隨后，該站緊急安排設備停電檢修。

將該站110 kV Ⅱ段母線電壓互感器丁刀閘氣室打開后，發現吸附器罩頂部已開裂、翹起，且吸附劑罩老化嚴重，使用很小的力便可將其撕裂。將該站1號主變1101間隔電纜終端氣室打開后，發現吸附劑罩破損程度更為嚴重，吸附劑已完全脫出，被下部的弧形外殼托住，尚未掉入設備罐體內。

在此案例中，正因為采用X射線技術對設備內部缺陷進行了精準識別，才有效避免了該站因吸附劑掉落引起的三相短路放電事故，保障了設備的安全穩定運行。隨后，考慮到該站已運行數十年，塑料材質的吸附劑罩已老化嚴重，決定在不影響供電的情況下對全站所有吸附劑罩進行輪流更換。

3 X射線檢測的不足之處

X射線對人有害，其照射量可以在人體內累積，如果長時間暴露在X射線下，會導致人體細胞、組織、器官的損傷。因此應對輻射源采取屏蔽防護、距離防護和時間防護措施。屏蔽防護是指使用原子序數較高的物質作為屏障，通常采用鉛或含鉛的物質，鉛的厚度應根據相應國家標準設定。距離防護是指利用X射線曝射量與距離平方成反比這一原理，通過增加X射線源與人體間距離以減少曝射量。時間防護是指要盡量減少檢測人員與放射線的接觸時間。此外，X射線會對生態環境造成一定的輻射污染，還會對其他敏感物體產生一定損害。

與其他無損檢測方法相比，X射線檢測速度慢、效率低。該方法對設備的每個檢測點進行檢測時都需要重新固定、調節射線機和成像板，并對計算機專業軟件進行參數調節和成像查看。一般情況下，具有豐富經驗的檢測人員每個檢測點需耗時15～20 min。

檢測時的X射線方向與被測物的角度十分重要，檢測中由于設備內部缺陷情況無從得知，因此需要反復調試X射線機以調節射線方向，若射線與被測物的角度不合適，缺陷便無法被有效識別。

X射線檢測對射線衰減弱的材質(如塑料)的細小或極小裂痕難以識別，如在對110 kV B變電站檢測中，雖然X射線方向與吸附劑罩面的成像角度合適，但對其中的吸附劑罩細小缺陷仍未能有效識別，此缺陷為后期檢修時人為發現。

4 結論

通過對X射線技術在高壓電氣設備帶電檢測中的實際應用分析，說明了該方法可在設備不停電、不影響其運行的情況下準確判斷其內部結構、缺陷情況和內部部件材質，有效杜絕盲目檢修并為檢修工作節約大量時間，防止重大經濟損失。最后，對該技術的不足之處進行了分析闡述。