GIS盆式絕緣子模擬缺陷的X-DR成像檢測

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(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,廣州 510080； 2. 湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,長沙 410082)

在電網(wǎng)建設(shè)中，變電站將逐漸向小型化、大容量方向發(fā)展，其中GIS(氣體絕緣全封閉組合電器)由于具有大容量、占地面積小的特點而被廣泛采用。目前，我國110 kV及以上電壓等級的變電站大都使用GIS設(shè)備，GIS設(shè)備的多種優(yōu)點使得其在高電壓等級的變電站建設(shè)中成為首選。近年來，在造成GIS故障的因素中，由于盆式絕緣子故障造成的停電事故的比例不斷升高，并且往往造成嚴(yán)重的事故。因此，加強(qiáng)盆式絕緣子廠家的出廠檢測和定期線上檢測就顯得尤為重要[1-4]。

盆式絕緣子是以改性環(huán)氧樹脂為主，滲入氧化鋁顆粒，通過真空澆筑工藝形成的一種復(fù)合材料。質(zhì)量符合要求的盆式絕緣子，其內(nèi)部應(yīng)不含氣孔和裂紋。盆式絕緣子在裝配前必須通過尺寸檢查、工頻耐壓、局部放電、射線檢測、氣密試驗、水壓試驗、表面質(zhì)量檢查等工序，測試合格后才能裝配到設(shè)備上。

由于盆式絕緣子的材料和安裝位置的特殊性，目前尚沒有一種有效的方法對線上的盆式絕緣子進(jìn)行快速檢測。筆者針對盆式絕緣子常見的裂紋和氣孔缺陷進(jìn)行模擬，利用X射線DR成像技術(shù)對其進(jìn)行可視化無損檢測，試驗結(jié)果表明，這兩類缺陷均可識別。該技術(shù)可在不需要拆解和破壞GIS設(shè)備的情況下實施檢測，極大地降低了檢測的人工和時間成本，提高了檢測結(jié)果的可靠性及準(zhǔn)確性，由于不需要打開GIS設(shè)備，因此也減少了SF6氣體泄漏的風(fēng)險，保證了維修人員的安全[5]。

1 盆式絕緣子射線檢測工藝試驗方案

近年來，研究人員在GIS設(shè)備無損檢測方面進(jìn)行了深入的研究，例如在斷路器、開關(guān)以及母線等方面的檢測都取得了豐碩的成果，但是在盆式絕緣子無損檢測方面的成果比較少。這一方面是因為盆式絕緣子特殊的材料導(dǎo)致了其缺陷不易被發(fā)現(xiàn)；另一方面是由于其安裝位置比較特殊，也導(dǎo)致其缺陷難以被發(fā)現(xiàn)[6-7]。GIS設(shè)備中通常用到的盆式絕緣子主要有三相盆式絕緣子和單相盆式絕緣子兩種(見圖1)。

圖1 單相盆式絕緣子和三相盆式絕緣子結(jié)構(gòu)示意

在GIS中母線需要貫穿整個GIS設(shè)備，在母線穿過每個SF6氣室時，需要用盆式絕緣子將母線支撐以及隔離每個氣室，因此盆式絕緣子會受到拉力以及超高壓的作用，如果盆式絕緣子出廠時有氣泡或者裂紋，在這種作用下就會造成盆式絕緣子被擊穿，以及發(fā)生停電的嚴(yán)重事故[8]。盆式絕緣子材料為環(huán)氧樹脂和氧化鋁組成的復(fù)合材料，在生產(chǎn)過程中受溫度和工藝固化的影響，兩種組成材料的分布不均勻，會形成密度差異，絕緣子受到高壓之后，內(nèi)部應(yīng)力差異明顯，應(yīng)力過大將使絕緣子開裂，易在盆壁以及導(dǎo)體與盆壁連接處(圖1中三角形所示的位置)形成裂紋或氣孔。在母線安裝過程中，由于人為因素，可能有金屬環(huán)或金屬絲等掉落，也就是會產(chǎn)生異物?？傮w而言，因為生產(chǎn)工藝的不完善以及裝配不到位，盆式絕緣子常會出現(xiàn)裂紋、氣孔和異物等缺陷。

采用的盆式絕緣子為220 kV單相盆式絕緣子和110 kV三相盆式絕緣子。盆高在20～40 cm之間，厚度在5～9 cm之間，且圖1(a)中單相盆式絕緣子的直徑在46 cm左右，圖1(b)中三相盆式絕緣子的直徑在66 cm左右，遠(yuǎn)大于射線成像板的直徑，故無法實現(xiàn)在一張射線圖像上呈現(xiàn)整個絕緣子的圖像，必須經(jīng)過多次旋轉(zhuǎn)透照才能遍歷整個絕緣子，這也增加了故障檢測的難度。采用實時成像以及工作臺的360°旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)故障的查找定位，既可實現(xiàn)整個絕緣子的透照，也能實時觀察故障位置[9-10]。

X射線圖像質(zhì)量直接影響著對被檢物體缺陷類別、大小的識別[11]。在對GIS設(shè)備進(jìn)行檢測時，最重要的目的是拍出故障設(shè)備清晰的照片，并且能夠通過照片準(zhǔn)確地判別出故障出現(xiàn)的部位以及故障對用電安全的破壞程度，這也為檢測人員分析故障發(fā)生的原因，排除故障隱患，保障用電安全提供了強(qiáng)有力的支撐。因此如何調(diào)整X射線機(jī)參數(shù)，從而拍攝出高質(zhì)量的圖像成為檢測人員需要解決的首要問題[12]。X射線技術(shù)最成功的應(yīng)用就是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，同時其在工業(yè)檢測方面的應(yīng)用也越來越成熟，將其應(yīng)用于電氣設(shè)備的無損檢測中也成為熱點方向。

在進(jìn)行盆式絕緣子射線檢測時，X射線機(jī)的焦距F、曝光時間T、管電流I、管電壓U、檢測時的角度和方向等參數(shù)對X射線數(shù)字圖像質(zhì)量有重要影響。如先將方向固定，選取每個因素3個水平(3個不同值)時，則需要做多達(dá)243次試驗；選取每個因素4個水平時，則需要做多達(dá)4 096次試驗。為了提高試驗效率，快速而準(zhǔn)確地分析各個因素對X射線圖像的影響程度，得到最優(yōu)的成像條件，采用正交試驗法對其進(jìn)行了多組試驗以達(dá)到得出最優(yōu)參數(shù)的目的。

對盆式絕緣子進(jìn)行射線無損檢測時，在透照方向上擬分為兩個區(qū)域,即中心導(dǎo)體區(qū)域和盆壁區(qū)域。原則上射線束應(yīng)垂直于透照區(qū)域表面，盆式絕緣子不同照射方向如圖2所示。同時，在每個照射方向變化角度，通過試驗可獲得各照射方向下照射角度的推薦參數(shù)。

圖2 盆式絕緣子不同照射方向示意

射線檢測是利用不同物體對射線的吸收率不同的特性來實現(xiàn)檢測的。不同物體之間密度差距越大，相鄰位置的明暗區(qū)別就越明顯，影像對比度越大。對盆式絕緣子進(jìn)行射線檢測時，射線所經(jīng)過的路線如圖3所示。盆式絕緣子是一種復(fù)合材料，密度大小和對射線的吸收率都介于空氣與金屬之間，從而缺陷與盆式絕緣子本身對射線的衰減程度不一樣，在射線影像上就會形成對比，故而可以通過X射線圖像識別故障。盆式絕緣子的射線檢測流程圖如圖4所示。

圖3 射線檢測盆式絕緣子時經(jīng)過路徑示意

圖4 盆式絕緣子的射線檢測流程圖

2 盆式絕緣子模擬缺陷X射線檢測工藝參數(shù)確定

試驗采用奧龍公司的X射線檢測平臺。該檢測系統(tǒng)機(jī)械部分由鉛防護(hù)房、架子、C型臂、檢測平臺等部件組成。其工作參數(shù)為：管電壓225 kV，大焦點時管電流為8.0 mA，小焦點時管電流為3.5 mA，頻率為40 kHz，且實時成像狀態(tài)下最大穿透厚度(A3鋼)為30 mm。試驗采用小焦點。

由于盆式絕緣子面積過大，遠(yuǎn)大于設(shè)備成像板的面積，故一次只能透射出成像板面積大小的絕緣子部分圖像，但是由于工作臺可以旋轉(zhuǎn)，故依然能夠分別獲取絕緣子各個部位的圖像。

2.1 裂紋的X-DR檢測

圖5為帶模擬裂紋缺陷的220 kV三相盆式絕緣子外觀，該絕緣子上有寬度為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 mm的模擬裂紋，裂紋由激光蝕刻方法制成，深度僅為0.1 mm。GIS設(shè)備的故障絕緣子裂紋可能有各種形狀，試驗暫且只做了直線的模擬，裂紋寬度及深度均比較小，對于射線的入射方向要求極高，且三相盆式絕緣子的直徑相對過大，而實驗臺面積有限，故對其進(jìn)行了單獨照射。裂紋檢測試驗現(xiàn)場如圖6所示。

圖5 帶模擬裂紋缺陷的220 kV三相盆式絕緣子外觀

圖6 裂紋檢測試驗現(xiàn)場

圖7 正交試驗法得到的最優(yōu)裂紋X-DR射線透照結(jié)果

對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，根據(jù)試驗圖像中裂紋的清晰程度和射線機(jī)的最大功率得出了各曝光參數(shù)對試驗的影響程度(見表1)。通過正交試驗法進(jìn)行了多組試驗，得到的最優(yōu)裂紋X-DR射線檢測結(jié)果如圖7所示。

表1 X-DR射線檢測參數(shù)對220 kV三相盆式絕緣子檢測結(jié)果影響程度

2.2 氣孔的X-DR檢測

圖8為帶模擬氣孔缺陷的110 kV單相盆式絕緣子外觀，圖上的氣孔由機(jī)械方法成孔。氣孔直徑為2 mm，深度為1 mm，相對絕緣子本身的直徑和厚度，這個尺寸是非常小的，故在影像上的區(qū)別非常小。氣孔檢測試驗現(xiàn)場如圖9所示，進(jìn)行了GIS套筒模擬試驗。

圖9 氣孔檢測試驗現(xiàn)場

對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，根據(jù)試驗圖像中氣孔的數(shù)量和射線機(jī)的最大功率得出了各曝光參數(shù)對試驗的影響程度(見表2)。通過正交試驗得到的最優(yōu)氣孔X射線透照結(jié)果如圖10所示。

圖10 正交試驗法得到的最優(yōu)氣孔X射線透照結(jié)果

影響程度管電壓/kV管電流/mA曝光時間/s角度/(°)11902．05022002．510532103．0151042203．52015

從圖7和圖10可以清晰地看到裂紋和氣孔類的缺陷。通過像質(zhì)計數(shù)據(jù)對比可識別裂紋等級最小為0.162 mm級別，而由于氣孔是斜射透照檢測的，可看到的氣孔形狀有些許偏斜。通過以上X-DR射線檢測技術(shù)試驗驗證了用X-DR射線成像技術(shù)檢測盆式絕緣子裂紋和氣孔類缺陷的可行性。

利用正交試驗軟件對表1和表2分析得到各參數(shù)對試驗結(jié)果的影響程度的主次順序為：曝光時間、管電流、管電壓、角度。從中心照射220 kV盆式絕緣子的X射線機(jī)的最優(yōu)參數(shù)為管電壓120 kV,管電流3 mA,曝光時間15 s,角度15°;從盆壁方向照射110 kV盆式絕緣子的X射線機(jī)的最優(yōu)參數(shù)為管電壓220 kV，管電流2 mA，曝光時間20 s，角度0°。

2.3 實際產(chǎn)品檢測效果分析

在上述試驗得到的110 kV和220 kV盆式絕緣子X射線機(jī)檢測最優(yōu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了室內(nèi)實際GIS產(chǎn)品的檢測。以模擬工藝參數(shù)為中心上下調(diào)節(jié)，盆式絕緣子透照結(jié)果如圖11所示。從圖11中可以清晰地看到精細(xì)螺紋以及一些導(dǎo)體，由于未進(jìn)行裂紋和氣孔等的刻劃，故可以看到絕緣子表面影像均勻一致。由于GIS成套設(shè)備的拆卸成本太高、風(fēng)險較大，故沒有進(jìn)行故障模擬，只進(jìn)行了設(shè)備的透照檢查，但這足以說明X-DR射線檢測用于盆式絕緣子的定期檢測以及故障識別是可行的。

圖11 盆式絕緣子X-DR射線透照結(jié)果

3 結(jié)語

在不拆解、不破壞GIS設(shè)備的前提下，通過試驗驗證了利用X射線DR無損檢測技術(shù)識別盆式絕緣子裂紋和氣孔缺陷的可行性。同時，通過正交試驗法論證了X射線機(jī)各參數(shù)對試驗結(jié)果的影響程度，曝光時間和管電流對檢測靈敏度影響較大。X射線透照圖像對于寬度較窄，深度較淺的裂紋和氣孔不是很明顯，這也說明了X-DR射線檢測技術(shù)對盆式絕緣子的檢測還不夠完善，目前尚無法全部適用，仍需尋求一些輔助方法。但該技術(shù)極大地降低了檢測成本，提高了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，且減少了SF6氣體泄漏的風(fēng)險，保證了維修人員的安全。

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“超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展”專題征稿啟事

超聲導(dǎo)波技術(shù)是一項近年來廣受關(guān)注的無損檢測技術(shù)，相比傳統(tǒng)超聲檢測，其優(yōu)點在于傳播距離遠(yuǎn)、檢測效率高且范圍廣，因而有著良好的應(yīng)用前景?！稛o損檢測》期刊擬于2018年第9期組織“超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展”專題。專題在介紹超聲導(dǎo)波理論及特點的基礎(chǔ)上，綜述超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展、研究現(xiàn)狀及其未來發(fā)展趨勢；并以工程應(yīng)用為例，重點報道超聲導(dǎo)波技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展及其面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

現(xiàn)特向行業(yè)內(nèi)相關(guān)專家、學(xué)者及工程檢測人員征稿，征稿內(nèi)容包括但不限于以下內(nèi)容，歡迎大家踴躍投稿！

征稿內(nèi)容

(1) 超聲導(dǎo)波理論、檢測原理與特點；

(2) 超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其未來發(fā)展趨勢；

(3) 超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)的工程應(yīng)用；

(4) 超聲導(dǎo)波檢測儀器與設(shè)備的研制與應(yīng)用；

(5) 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的制定及人員培訓(xùn)進(jìn)展；

(6) 其他相關(guān)內(nèi)容。

征稿要求

論文要求：綜述性文章要求能總結(jié)上述領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、評價研究進(jìn)展、提出前瞻性的發(fā)展方向；研究性文章要求能反映上述領(lǐng)域的最新研究成果；應(yīng)用性文章要求能注重技術(shù)手段、方法新穎、內(nèi)容清晰，具有實際推廣價值。

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截稿日期2018年6月30日。

《無損檢測》編輯部

2017年12月