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(kāi)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(kāi)關(guān)、接地開(kāi)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(wú)線電干擾小，占地面積小，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但也存在諸多問(wèn)題，組合電器一旦發(fā)生內(nèi)部故障，檢修時(shí)間長(zhǎng)，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(duì)組合電器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)檢測(cè)及事故預(yù)防非常重要。

2 組合電器隔離開(kāi)關(guān)故障的啟示

某500 kV1號(hào)變壓器主接線見(jiàn)圖1，該開(kāi)關(guān)設(shè)備采用組合電器，各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好。2020年3月26日，500 kV 1號(hào)變壓器1號(hào)、2號(hào)T區(qū)保護(hù)裝置差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)5001斷路器、5002斷路器、1號(hào)發(fā)電機(jī)出口斷路器，1號(hào)機(jī)組甩負(fù)荷36.6 MW。

停電后，檢查5001、5002開(kāi)關(guān)外觀、氣壓、油壓未發(fā)現(xiàn)明顯異常，檢查500 kV 1號(hào)變壓器間隔1號(hào)、2號(hào)T區(qū)保護(hù)裝置，T區(qū)差動(dòng)保護(hù)均動(dòng)作，其他保護(hù)裝置無(wú)動(dòng)作情況。

圖1 主接線圖

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

圖2 隔離開(kāi)關(guān)放電

經(jīng)拆解，發(fā)現(xiàn)隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)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(kāi)啟隔離刀閘觀察孔的方式，對(duì)其他運(yùn)行的隔離刀閘進(jìn)行專項(xiàng)檢查，發(fā)現(xiàn)合閘狀態(tài)下，有13組隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)觸頭不同程度地存在此問(wèn)題。

采用開(kāi)啟隔離刀閘觀察孔檢查的方法需要停電才能完成，同時(shí)需要對(duì)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(wèn)題，同時(shí)，不需對(duì)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(zhǎng)短，能量大，具有超強(qiáng)的穿透能力。X射線穿過(guò)物質(zhì)的過(guò)程中，僅有部分會(huì)被物質(zhì)吸收并會(huì)發(fā)生散射[2]，利用這一現(xiàn)象，當(dāng)被測(cè)量的物質(zhì)中存在缺陷時(shí)，該缺陷部位就會(huì)影響到射線的吸收，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的探測(cè)，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(qiáng)弱與X射線量成正比，通過(guò)X射線感光強(qiáng)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(zhǎng)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(cè)、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(wú)損檢測(cè)，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(jī)械、電力、石油、化工、航空、造船、國(guó)防軍工等部門，尤其是在鍋爐壓力容器焊縫的檢測(cè)中有極為廣泛的應(yīng)用[4]。

3.2 X射線檢測(cè)儀器

X射線探傷檢測(cè)儀器主要有三個(gè)部分組成：

(1)X射線探傷機(jī)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(jī)的作用。X射線探傷機(jī)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(gè)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(jī)發(fā)生器SF6氣體壓力低于規(guī)定值(0.4 MPa)的時(shí)候就不能再使用。

(2)X射線探傷機(jī)控制器，主要作用是對(duì)X射線探傷機(jī)發(fā)生器進(jìn)行控制，可以調(diào)節(jié)延時(shí)拍攝時(shí)間、功率等?？刂破髂軌蜃詣?dòng)穩(wěn)定X射線的管電壓和管電流。管電壓及曝光時(shí)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?jiǎng)幼鳎?jì)時(shí)器將顯示當(dāng)前時(shí)刻，不歸零。重新開(kāi)機(jī)，可繼續(xù)曝光至預(yù)置時(shí)間，因而可節(jié)省膠片。電源電壓的波動(dòng)通過(guò)控制器本身自動(dòng)調(diào)節(jié)，以保證獲得穩(wěn)定的X射線束。

(3)移動(dòng)式計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)，主要作用是對(duì)拍攝數(shù)據(jù)進(jìn)行處理影像和分析。其原理見(jiàn)圖3。

3.3 X射線檢測(cè)安全性措施

圖3 X射線探傷檢測(cè)儀器原理

X射線檢測(cè)安全性措施如下：

(1)對(duì)X射線探傷檢測(cè)儀器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，利用無(wú)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(shí)撤離現(xiàn)場(chǎng)，調(diào)節(jié)控制拍攝延時(shí)時(shí)間，控制X射線對(duì)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(yàn)，延時(shí)不小于1分鐘。

(3)確定好X射線探傷機(jī)控制器自適應(yīng)射線機(jī)和探傷檢測(cè)對(duì)象間的相對(duì)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(cè)儀，超出安全值進(jìn)行及時(shí)報(bào)警。在工作現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)法做到鉛板防護(hù)時(shí)，要以管頭焦點(diǎn)為中心，半徑20 m內(nèi)應(yīng)無(wú)人員滯留。

(6)在工作區(qū)域開(kāi)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(lái)，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(cè)儀器操作

正確使用X射線探傷檢測(cè)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(cè)儀器。正常的操作流程見(jiàn)圖4。

在裝置放置好后，正確連接電源線，打開(kāi)電源控制開(kāi)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(kāi)機(jī)自檢，該過(guò)程大約需要10幾秒鐘，只有自檢正常后才能開(kāi)始工作。根據(jù)X射線探傷檢測(cè)儀器停機(jī)時(shí)長(zhǎng)確定是否進(jìn)行訓(xùn)機(jī)，一般停機(jī)時(shí)長(zhǎng)低于48小時(shí)不用訓(xùn)機(jī)，不重視訓(xùn)機(jī)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(shí)間，可記憶最近一次設(shè)定的曝光參數(shù)，在關(guān)機(jī)后不會(huì)丟失。為了便于作業(yè)人員及時(shí)撤離現(xiàn)場(chǎng)，避免受到X射線的輻射，可以設(shè)置延時(shí)啟動(dòng)曝光。延時(shí)啟動(dòng)后，開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，指示燈閃亮，同時(shí)發(fā)出警示聲，延時(shí)完畢，自動(dòng)開(kāi)啟高壓曝光。需要注意的是：在延時(shí)過(guò)程中按啟高壓按鈕可直接啟動(dòng)曝光，按停高壓按鈕可停止曝光操作。

圖4 X射線探傷檢測(cè)儀器操作流程

4.2 組合電器隔離開(kāi)關(guān)斷口檢測(cè)

運(yùn)用X射線探傷檢測(cè)儀器對(duì)組合電器隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行X射線檢測(cè)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(kāi)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(cè)儀器對(duì)組合電器隔離開(kāi)關(guān)斷口檢測(cè)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，將射線探傷機(jī)發(fā)生器正對(duì)組合電器隔離開(kāi)關(guān)斷口處，成像板放置于射線探傷機(jī)發(fā)生器正對(duì)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(guò)程中，多次對(duì)不同間隔的隔離開(kāi)關(guān)分閘、合閘兩個(gè)位置進(jìn)行拍攝檢測(cè)其內(nèi)部零部件情況。經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，有一組隔離開(kāi)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(duì)X射線探傷檢測(cè)儀器發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，立即對(duì)該隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行開(kāi)蓋檢查，進(jìn)一步證實(shí)X射線探傷檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

4.3 組合電器斷路器斷口檢測(cè)

運(yùn)用X射線探傷檢測(cè)儀器對(duì)組合電器斷路器進(jìn)行X射線檢測(cè)工作，將射線探傷機(jī)發(fā)生器正對(duì)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(jī)發(fā)生器正對(duì)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(cè)

4.4 X射線成像對(duì)SF6氣體成分的影響

由于X射線能量大，具有超強(qiáng)的穿透力，為此，通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證X射線成像對(duì)SF6氣體成分的影響。

試驗(yàn)前，測(cè)得現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度為25℃，濕度為60%。采用SF6設(shè)備氣體綜合檢測(cè)儀，根據(jù)被測(cè)氣體中的不同組分改變電化學(xué)傳感器輸出電信號(hào)，從而確定被測(cè)氣體中的組分及其含量，對(duì)SO2和H2S氣體的檢測(cè)量程應(yīng)大于100 μL/L，CO氣體的檢測(cè)量程應(yīng)大于500 μL/L。按照正確的操作流程，反復(fù)測(cè)量3次，取平均值作為最終測(cè)量結(jié)果。在X射線探傷檢測(cè)儀器對(duì)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(cè)(表1)。

為了較為準(zhǔn)確地獲取X射線成像對(duì)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(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，在X射線成像完成后，迅速采用同一臺(tái)SF6設(shè)備氣體綜合檢測(cè)儀，按照正確的操作流程，反復(fù)測(cè)量3次，取平均值作為最終測(cè)量結(jié)果(表1)。

表1 X射線成像對(duì)SF6氣體成分的影響

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

5 結(jié) 語(yǔ)

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(bǔ)了停電檢測(cè)的缺點(diǎn)，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(guò)多次對(duì)使用X射線成像前后SF6氣體成分的檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表面X射線成像不會(huì)對(duì)SF6氣體成分造成的影響，也不會(huì)對(duì)設(shè)備材質(zhì)造成危害，是一種應(yīng)用前景廣闊的“無(wú)損”檢測(cè)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(kāi)式電氣設(shè)備、絕緣子和金具探傷、電纜接頭檢測(cè)等。

X射線成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備隱蔽缺陷的“ 可視化”，切實(shí)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(jià)值。

應(yīng)用X射線進(jìn)行電氣設(shè)備檢測(cè)，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)。