基于X射線的GIS設(shè)備可視化檢測系統(tǒng)

鐘飛，黃升平，張曉春，黃炎，鐘力強

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東廣州510080）

電網(wǎng)變電設(shè)施安全、穩(wěn)定和可靠的運行具有重要的作用，電網(wǎng)安全關(guān)系公共安全和國計民生，若電力設(shè)備出現(xiàn)故障，不僅會浪費諸多維護時間，還會帶來巨大的經(jīng)濟損失[1-5]。因此，及時準確地檢測出電氣設(shè)備存在的問題具有重要意義。目前在電網(wǎng)的生產(chǎn)環(huán)境中，使用了眾多檢測方法保證電氣設(shè)備的可靠性[11]。但這些方法只是給出了簡單的估計，無法準確可靠的給出電氣設(shè)備內(nèi)部的缺陷位置和類型。因此，無法構(gòu)成對設(shè)備狀態(tài)的準確估計和輔助決策。

針對上述問題，文中提出使用X射線和數(shù)字成像（Digital Radiography，DR）技術(shù)構(gòu)建氣體絕緣組合電器（GIS）的可視化檢測系統(tǒng)。首先分析X射線對GIS設(shè)備的影響以得到不同設(shè)備的透視參數(shù)，然后使用X射線和DR技術(shù)準確定位缺陷所在的具體位置，從而更加準確地確定GIS內(nèi)部缺陷的類型和位置。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了GIS設(shè)備的可視化檢測，不僅能準確確定一些已知的缺陷，且還能發(fā)現(xiàn)人眼不易觀察的缺陷，使設(shè)備維護人員能更加準確和輕松地定位GIS設(shè)備故障，從而為GIS設(shè)備的檢修提供了技術(shù)支持。

1 GIS設(shè)備典型缺陷可視化檢測系統(tǒng)

文中使用X射線DR檢測系統(tǒng)對不同材料的GIS設(shè)備進行透視檢測[12]。系統(tǒng)簡圖，如圖1所示。該系統(tǒng)由X射線機、成像板和計算機工作站組成。

使用該系統(tǒng)檢測GIS設(shè)備時，首先將X射線機和成像板置于被檢測GIS設(shè)備的兩側(cè)，為了保證X射線能穿過被檢測設(shè)備到達成像板，需要讓X射線機的發(fā)射端口對準成像板。然后，設(shè)置X射線機的參數(shù)，包括電壓、管電流和曝光時間等。最后，點擊按鈕發(fā)射X射線，成像板將X射線光子轉(zhuǎn)換成數(shù)字電流并傳輸?shù)接嬎銠C工作站。經(jīng)圖像處理后，可以獲得設(shè)備內(nèi)部的透視圖像。

圖1 X射線DR檢測系統(tǒng)簡圖

X射線DR系統(tǒng)是最先進的X射線技術(shù)，具有比傳統(tǒng)的成像和計算機放射學(xué)[13]（CR）更加實時和數(shù)字化的優(yōu)勢。盡管X射線技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在醫(yī)藥、航空、航天等領(lǐng)域[14]，但其并不適用于GIS等電氣設(shè)備。然而，DR技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，X射線DR檢測技術(shù)不僅能提供電力設(shè)施內(nèi)部配置的可視化檢測，且在沒有斷電和分解的情況下也能準確真實的估計設(shè)備的狀況[15-16]。為了確保電氣設(shè)備的安全，本文研究了X射線對GIS設(shè)備中固體、油和SF6氣的影響，并使用X射線DR技術(shù)對GIS典型缺陷進行模擬與可視化檢測。X射線DR系統(tǒng)和實驗平臺如圖2所示，圖（a）是X射線DR檢測系統(tǒng)；圖（b）是220 kV GIS測試部分，用于影響研究和模擬實驗。

圖2 X射線DR系統(tǒng)和實驗平臺

2 X射線對GIS設(shè)備的影響

2.1 X射對固體材料的影響

為了獲得X射線對固體材料GIS設(shè)備的影響，在絕緣體凹槽中拉出小切口，并在X射線照射之前和之后進行電子顯微鏡的觀察與注釋。本文所有實驗使用的X射線均為最高能量級，X射線機的電壓和電流分別為300 kV和3 mA。如圖3所示，分別為50倍顯微鏡下，X射線照射前與照射后的固體材料缺陷圖像。從圖中可以看出，X射線對固體設(shè)備材料的尺寸并不敏感。

圖3 X射線照射前后固體材料缺陷圖像

2.2 X射對油材料的影響

為了獲得X射線照射對變壓器油的影響，本文觀察研究在壓力和X射線照射作用下，兩臺不同質(zhì)量的變壓器油的狀況。兩組實驗將不同25號油放入油杯中，檢查平臺如圖4所示。所選擇的尖端缺陷的擊穿電壓為10 kV。因此，兩組實驗在10 kV附近加壓，持續(xù)對變壓器油加壓5小時，比較加壓前后變壓器油的DGA數(shù)據(jù)。另外一組實驗用于測試X射線對變壓器油的影響，分別進行加壓和X射線照射1小時，與上組實驗結(jié)果進行對比。對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于不同的變壓器油X射線能影響H2的含量，且H2的含量由變壓器油的質(zhì)量與X射線的照射時間決定。

圖4 變壓器油的尖端缺陷對X射線的影響實驗?zāi)Ｐ?/p>

2.3 X射對SF6氣體的影響

為了獲得GIS設(shè)備中SF6氣體的影響，本文在GIS測試區(qū)空腔中設(shè)置了一些絕緣缺陷，外部施加了交流電壓，用于模擬GIS設(shè)備的運行狀態(tài)。同時，使用X射線照射內(nèi)部GIS的缺陷，每隔一段時間檢測GIS的內(nèi)部局部放電狀態(tài)，用于觀察局部放電條件是否發(fā)生變化。使用X射線照射后，通過質(zhì)譜儀提取GIS中的SF6氣體進行分析，用于說明X射線照射是否對電力設(shè)施中SF6氣體有影響。本文測試實驗設(shè)置了兩個GIS設(shè)備缺陷，一個是高壓導(dǎo)體極尖端的缺陷；另一個是有金屬顆粒固定在圓盤絕緣體中。GIS測試部分有3個氣室，分別是套管、開關(guān)和總線氣室?？偩€空氣室是試驗空氣室，GIS的缺陷全部置于總線空氣室中。

基于設(shè)置的兩個缺陷，首先監(jiān)測局部放電的初始電壓和擊穿電壓，然后稍高于初始放電電壓，使用脈沖電流局部放電檢測設(shè)備監(jiān)測局部放電圖。再利用X光機瞄準GIS設(shè)備中設(shè)置了金屬顆粒缺陷的位置照射，同時在GIS中對使用交流電壓加壓。在X射線照射一段時間后，再次檢測局部放電的初始電壓。

在金屬顆粒缺陷位置測試試驗中，GIS中心與X光機之間的距離為500 mm。在X射線照射前使用13 kV交流電壓施加在金屬顆粒缺陷位置，脈沖電流局部放電檢測結(jié)果如圖5（a）所示。在1小時X射線照射后，如圖5（b）所示為13 kV交流電壓下的脈沖電流局部放電檢測圖。可以看出，X射線沒有導(dǎo)致SF6氣體的分解

圖5 X射線照射前（上）后（下）脈沖電流檢測圖

3 可視化檢測結(jié)果與分析

GIS因其占用空間小、固定方便、可靠性更高等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)中。但制造安裝過程中易產(chǎn)生各種問題，如金屬顆粒、懸浮和金屬尖端等。若未能及時發(fā)現(xiàn)和檢測出來，一旦發(fā)生設(shè)備故障，則需要更長的維護時間，產(chǎn)生更大的損失。本文使用X射線檢測方法來檢測電氣設(shè)備，為了獲得X射線DR技術(shù)的檢測范圍，文中模擬和可視化檢測了5種缺陷情況。模擬實驗在220 kV GIS測試部分完成。

3.1 金屬懸浮缺陷

斷面金屬被絕緣棉線阻塞，不與GIS罐體底部接觸。金屬懸浮缺陷，如圖6（a）所示。X射線透視圖像，如圖6（b）所示。

圖6 金屬懸浮缺陷和X射線透視圖像

3.2 裝載配件等異物缺陷

將金屬墊片、螺栓、螺母和彈片等放置在GIS罐體底部來模擬裝載配件異物缺陷，如圖7（a）所示。X射線透射圖像，如圖7（b）所示。

圖7 裝載配件異物缺陷和X射線透視圖像

3.3 屏蔽蓋松動缺陷

本文模擬了屏蔽蓋松動缺陷，如圖8所示為未出現(xiàn)松動（a）和出現(xiàn)松動（b）的X射線透射圖像。

圖8 未出現(xiàn)松動圖像和出現(xiàn)松動圖像

3.4 隔離開關(guān)閉合不到位缺陷

GIS設(shè)備隔離開關(guān)閉合不到位缺陷模擬，如圖9所示。圖（a）為閉合不到位圖像，圖（b）為閉合到位圖像。

圖9 隔離開關(guān)閉合不到位缺陷和隔離開關(guān)閉合到位圖像

3.5 金屬顆粒缺陷

將金屬顆粒放置在GIS罐體內(nèi)模擬產(chǎn)生GIS運行缺陷，金屬顆粒全部為0.1～0.3 mm大小，如圖10（a）所示。X射線透射圖像，如圖10（b）所示。

圖10 金屬顆粒缺陷和X射線透視圖像

從上述實驗結(jié)果可以看出，X射線DR檢測系統(tǒng)能用于GIS設(shè)備的透視檢。因此，本文使用該系統(tǒng)檢測實際的電力設(shè)備，系統(tǒng)設(shè)置如圖11所示。檢測結(jié)果，如圖12所示。

圖11 檢測系統(tǒng)布置圖

圖12 X射線檢測結(jié)果

GIS設(shè)備罐箱，如圖13所示。X射線圖像，由圖14所示。

圖13 GIS設(shè)備罐箱圖

從圖12和圖13可以看出GIS設(shè)備異常的原因是連接體出現(xiàn)了傾斜，它被引導(dǎo)到支撐絕緣體部分。

圖14 GIS設(shè)備罐箱X射線圖

4 結(jié)束語

GIS設(shè)備通常會出現(xiàn)觸指變形、上壓環(huán)脫落、靜觸頭觸指燒損和絕緣拉桿爆裂等內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞問題。傳統(tǒng)方法僅能給出簡單的估計，無法準確可靠的給出電氣設(shè)備內(nèi)部的缺陷。本文提出使用X射線和DR技術(shù)構(gòu)建GIS設(shè)備的可視化檢測系統(tǒng)，首先，分析X射線對GIS設(shè)備的影響以得到不同設(shè)備的透視參數(shù)。然后，使用X射線和DR技術(shù)準確定位缺陷所在的具體位置，從而更加準確地確定GIS內(nèi)部缺陷的類型和位置。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了GIS設(shè)備的可視化檢測，不僅能準確確定一些已知的缺陷，且還能發(fā)現(xiàn)人眼不易觀察的缺陷，使設(shè)備維護人員能更加準確和輕松地定位GIS設(shè)備故障，從而為GIS設(shè)備的檢修提供了技術(shù)支持。

參考文獻：

[1]巴文祥.基于GIS的局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].蘭州:蘭州理工大學(xué)，2015.

[2]楊濤，王社良，劉偉，等.GIS高壓電氣設(shè)備抗震性能試驗研究[J].世界地震工程，2016（1）:146-155.

[3]孫國霞，關(guān)向雨，舒乃秋，等.基于光纖光柵的GIS導(dǎo)體溫度巡檢方法與裝置[J].電工技術(shù)學(xué)報，2015，30（8）:316-321.

[4]易慧，黃小彬，陳錦祥.220kVGIS刀閘異常缺陷分析及應(yīng)對措施[J].電力安全技術(shù)，2016，18（1）:51-54.

[5]Wang W，Zhang Y T，Yu S U，et al.Fault treat?ment of busbar protection device operation on GIS[J].Power System&Clean Energy，2008.

[6]Ya-Feng L I，Wang C.Application of GIS device in shaanxipowersystem[J].ShaanxiElectric Power，2009.

[7] évaLehoczky，JánosBusznyák，GellértGólya.Study on the spread，biomass production，and nu?trient content of ragweed with high-precision GNSS and GIS device system[J].Communications in Soil Science and Plant Analysis，2013，44（1-4）:535-545.

[8]Da-Jian L I，Liang J Z，Ke-Wei B U，et al.Ultra?sonic detection of partial discharge on typical de?fects in GIS[J].Gaoya Dianqi/high Voltage Appara?tus，2009，45（1）:72-75.

[9]Li J S，Zhao X F，Yang J G，et al.Measurement and analysis of partial discharge on typical defects in GIS[J].High Voltage Engineering，2009，35（10）:2440-2445.

[10]Groeger J H，Allen A，Braun J M.Applications of ultrasonic NDE techniques for location and charac?terization of defects in epoxy composite GIS spacers[C]//Conference Record of the 1990 IEEE Interna?tional Symposium on Electrical Insulation.IEEE Xplore，1990:443-448.

[11]鄭書生，舒勝文，陳金祥，等.基于傳遞函數(shù)的GIS特高頻傳感器性能對比評價方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2017（2）:651-655.

[12]季洪鑫，李成榕，龐志開，等.電壓波形對GIS自由金屬顆粒放電特性的影響[J].電工技術(shù)學(xué)報，2016，31（13）:218-226.

[13]劉云鵬，李巖松，黃世龍，等.基于光纖傳輸?shù)臍怏w絕緣開關(guān)設(shè)備局部放電超聲波檢測系統(tǒng)[J].高電壓技術(shù)，2016，42（1）:186-191.

[14]律方成，金虎，王子建，等.基于主成分分析和多分類相關(guān)向量機的GIS局部放電模式識別[J].電工技術(shù)學(xué)報，2015，30（6）:225-231.

[15]陳迅，秦海亭，劉利，等.GIS局部放電小波閾值去噪算法的改進[J].電子設(shè)計工程，2015（16）:171-174.

[16]王景輝.GIS技術(shù)在縣域電網(wǎng)規(guī)劃中的應(yīng)用[J].電子科技，2013，26（8）:124-125.