GIS設(shè)備導(dǎo)體缺陷X射線數(shù)字成像檢測(cè)及缺陷產(chǎn)生原因分析

胡加瑞，李文波，劉 純，陳紅冬，謝 億

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)沙 410007)

GIS設(shè)備導(dǎo)體缺陷X射線數(shù)字成像檢測(cè)及缺陷產(chǎn)生原因分析

胡加瑞，李文波，劉 純，陳紅冬，謝 億

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)沙 410007)

采用X射線數(shù)字成像系統(tǒng)對(duì)氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)變電站(GIS)設(shè)備導(dǎo)體進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)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(shí)物缺陷一致。 同時(shí)，理化試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接工藝不當(dāng)是導(dǎo)致導(dǎo)體產(chǎn)生缺陷的根本原因，并提出相應(yīng)的解決措施。

X射線數(shù)字成像；GIS設(shè)備；導(dǎo)體；缺陷檢測(cè)

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

隨著GIS設(shè)備服役年限的延長(zhǎng)，部分設(shè)備也處于缺陷故障高發(fā)期。但是，由于GIS設(shè)備的全封閉性，當(dāng)其內(nèi)部出現(xiàn)接觸不良、螺栓松動(dòng)、存在異物等缺陷時(shí)，無(wú)法直接觀測(cè)，常規(guī)檢測(cè)手段也難以觀察設(shè)備內(nèi)部機(jī)械連接情況以及各絕緣部件的健康狀況，造成無(wú)法在事故發(fā)生前進(jìn)行預(yù)防處理的問(wèn)題。X射線數(shù)字成像技術(shù)能夠穿透GIS設(shè)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(shí)現(xiàn)了 GIS 設(shè)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(duì)GIS設(shè)備導(dǎo)體進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體存在缺陷，并分析了導(dǎo)體產(chǎn)生缺陷的根本原因。

圖1 502間隔各氣室檢測(cè)部位示意

1 數(shù)字射線檢測(cè)案例

1.1數(shù)字射線檢測(cè)對(duì)象

2015年4月，某220 kV變電站110 kV GIS設(shè)備502間隔發(fā)生故障。為對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行分析和診斷，對(duì)5023母線隔離開(kāi)關(guān)與斷路器連接導(dǎo)體進(jìn)行了X射線數(shù)字成像檢測(cè)，X射線檢測(cè)電壓為270 V，曝光時(shí)間為180 s，502間隔各氣室檢測(cè)部位見(jiàn)圖1(圖1中CT為電流互感器，PT為電壓互感器，DS為隔離開(kāi)關(guān)，ES為接地開(kāi)關(guān)，CB為斷路器，LCP為匯控柜，CSE為電纜終端，M1為1號(hào)母線，M2為2號(hào)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(cè)結(jié)果分析

各部位檢測(cè)結(jié)果如圖2所示， 5023隔離開(kāi)關(guān)主觸頭、5023間隔斷路器與隔離開(kāi)關(guān)觸頭、502間隔與隔離開(kāi)關(guān)觸頭接觸良好，觸指彈簧、屏蔽罩、緊固螺栓等均無(wú)異常，同時(shí)利用距離測(cè)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(cè)影像無(wú)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(duì)導(dǎo)體進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)具體參數(shù)為：電壓220 V，曝光時(shí)間90 s。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)502氣室內(nèi)導(dǎo)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(dǎo)體編號(hào)為1#，2#，3#，其中502氣室內(nèi)有一個(gè)缺陷延伸到表面，為疑似環(huán)向裂紋，5021氣室隔離開(kāi)關(guān)X射線數(shù)字成像檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 502氣室隔離開(kāi)關(guān)X射線數(shù)字成像檢測(cè)結(jié)果

拆開(kāi)5021氣室隔離開(kāi)關(guān)后，對(duì)其3根導(dǎo)體存在內(nèi)部缺陷和疑似環(huán)向裂紋的部位進(jìn)行表面滲透檢測(cè)(PT)，其中對(duì)3#導(dǎo)體檢測(cè)出表面環(huán)向裂紋，3#導(dǎo)體PT檢測(cè)結(jié)果如圖4所示，其余兩根導(dǎo)體無(wú)表面裂紋。

圖4 3#導(dǎo)體PT檢測(cè)結(jié)果

2 缺陷成因分析

拆開(kāi)502隔離開(kāi)關(guān)氣室的3根導(dǎo)體，在內(nèi)部缺陷位置縱向剖開(kāi)，發(fā)現(xiàn)射線檢測(cè)中導(dǎo)體內(nèi)部缺陷部位為焊接位置。再對(duì)其進(jìn)行金相檢驗(yàn)，3根導(dǎo)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(dǎo)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(kuò)展了一段距離，終止于熔合線上，導(dǎo)體剖切面如圖5(a)和圖5(b)所示。3#導(dǎo)體裂紋沿熔合線向外側(cè)擴(kuò)展延伸到導(dǎo)體外表面，并在導(dǎo)體表面形成周向裂紋，如圖5(c)所示。

圖5 3個(gè)導(dǎo)體剖切面照片

圖6 3#導(dǎo)體焊接部位金相檢驗(yàn)結(jié)果

圖7 3#導(dǎo)體斷口部位SEM形貌

同時(shí)，對(duì)3#導(dǎo)體斷口區(qū)域進(jìn)行金相檢驗(yàn)及SEM檢測(cè)，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(kuò)展到表面時(shí)已經(jīng)形成。一方面說(shuō)明裂紋由內(nèi)形成，而后向外擴(kuò)展；另一方面說(shuō)明這兩個(gè)階段的裂紋存在時(shí)間差，該裂紋在運(yùn)行過(guò)程中存在擴(kuò)展的傾向。

導(dǎo)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(guò)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(yīng)力；在熱應(yīng)力作用下，焊口缺陷處萌生裂紋并擴(kuò)展。對(duì)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(guò)程中局部變形大，因此，焊接過(guò)程中產(chǎn)生熱應(yīng)力大，易形成裂紋。在焊接應(yīng)力作用下，裂紋通常優(yōu)先在缺陷處或者強(qiáng)度較差的區(qū)域萌生并擴(kuò)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(shí)，母材和焊縫結(jié)合強(qiáng)度較高，但在焊接應(yīng)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(huì)優(yōu)先在焊縫內(nèi)缺陷處萌生并擴(kuò)展。裂紋在焊縫內(nèi)部擴(kuò)展的金相檢驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，可見(jiàn)，在熔合線處，母材和焊縫組織熔合良好，沒(méi)有缺陷存在，而裂紋在焊縫內(nèi)部萌生并在焊縫內(nèi)部擴(kuò)展。

圖8 裂紋在焊縫內(nèi)部擴(kuò)展的金相檢驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)熔合線存在未熔合區(qū)域時(shí)，母材和焊縫金屬結(jié)合強(qiáng)度明顯變差，在焊接應(yīng)力作用下，未熔合區(qū)域尖端還會(huì)形成應(yīng)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(kuò)展。裂紋沿熔合線擴(kuò)展的金相檢驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，可見(jiàn)，當(dāng)熔合線存在未熔合區(qū)域時(shí)，裂紋從一個(gè)未熔合區(qū)域擴(kuò)展到相鄰未熔合區(qū)域，由于熔合線上強(qiáng)度低，裂紋沿熔合線向外擴(kuò)展[6-7]。

圖9 裂紋沿熔合線擴(kuò)展的金相檢驗(yàn)結(jié)果

3 焊接工藝改進(jìn)

GIS導(dǎo)體的焊接需避免焊縫內(nèi)部裂紋及未熔合的出現(xiàn)，同時(shí)需解決焊接應(yīng)力問(wèn)題，筆者結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)提出如下實(shí)際建議：焊接中在坡口根部預(yù)留一定間隙，如圖10(a)所示，使焊液進(jìn)入間隙中，以保證根部焊透；同時(shí)焊接時(shí)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(dòng)焊槍?zhuān)瑴p小焊接應(yīng)力。

圖10 改進(jìn)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(shè)備不解體的情況下，有效地對(duì)導(dǎo)體焊縫進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)對(duì)其他GIS設(shè)備內(nèi)部的結(jié)構(gòu)性缺陷檢測(cè)靈敏度較高，可做為特高頻及超聲波帶電檢測(cè)的有效補(bǔ)充。

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

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

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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