X射線數字成像技術在電力設備故障診斷中的應用

張慶平，高博，馬瑞，閆振華，李秀廣

(國網寧夏電力有限公司電力科學研究院，寧夏 銀川 750011)

電力設備內部存在缺陷和故障會影響設備整體的性能，由于一些電力設備結構和運行環(huán)境較為復雜[1]，進行停電檢修時需要投入大量的人力、物力和財力，會造成較大的損失，因此，為減少或避免電力設備由于內部故障造成的非計劃停運，就必須采取有效的手段對其內部部件進行檢測或試驗。固體絕緣類設備一般采用全封閉式結構，利用紅外成像儀和紫外成像儀[2]，一般只能對設備發(fā)熱和周邊空氣的電離情況進行監(jiān)測，而對于設備內部的故障情況無法進行有效檢測。如何在不打開設備本體的情況下，對斷路器、電力電纜等內部結構缺陷進行無損檢測和精確診斷就顯得尤為重要。X射線數字成像技術作為一種無損檢測技術可以有效解決這個問題，為電力設備內部故障診斷及檢修提供技術支持。

X射線數字成像技術是工業(yè)無損檢測領域中的一項重要技術[3]，相對于現今仍然普遍應用的射線膠片照相，X射線數字成像技術最大的優(yōu)點就是實時性強，可以在線實時對設備介質的不連續(xù)性、結構形態(tài)以及介質物理密度等質量缺陷進行無損檢測，因此在電力設備快速無損檢測領域里具有廣泛的應用前景。本文利用X射線數字成像技術對相關電力設備在不解體的情況下進行內部可視化無損檢測，直觀地發(fā)現了設備內部存在的一些缺陷，提高了電力設備缺陷檢測的可靠性和準確度，為電力設備狀態(tài)檢修及輔助決策提供了直觀依據。

1 X射線數字成像原理

X射線源產生的X射線構成入射場強，穿透物體時會與物質相互作用發(fā)生衰減得到透射場強，當入射場強的射線照射到待測設備上時，X射線光子與設備物質原子發(fā)生相互作用，其中包括光電效應、康普頓效應和相干散射等[4]。這些相互作用最終的結果是導致部分X射線光子被吸收或散射，即X射線光子穿過物質時被衰減，因吸收和散射強度不同，透射場強作用在探測器上最終輸出圖像。實際的衰減過程是與射線能量、物質密度和原子系數相關的，如果設備由不同物質組成，或者設備局部存在缺陷時，感光材料會接受到透射強度的變化信號，后經信號處理便形成常見的影像，根據影像特征就可以判斷設備是否存在缺陷。

假設對于單一入射能量的X射線束照射到一種密度、原子序數均勻的材料發(fā)生衰減[5]，則衰減公式表示為

I=I0e-(τ+σ+σr)L

(1)

式中：I—透射場強；

I0—入射場強；

L—材料厚度；

τ—當前能量下材料的光電效應；

σ—康普頓效應；

σr—相干散射的衰減系數。

實際上，X射線與物質間的作用是無法直接進行測量的，在此進行簡化處理得到公式(2)：

I=I0e-μL

(2)

式中：μ—材料的線性衰減系數。該式也稱為朗伯比爾定理。

以上公式表明射線穿透物質后，其強度是以指數方式衰減的，式中材料的線性衰減系數隨射線能量和照射物質的原子序數以及物質的密度變化而變化。一般情況下衰減系數μ與射線能量成反比，與原子序數、物質密度等成正比[6],即隨著射線能量的升高穿透能力增強，隨著物質密度增大射線穿透難度增大。實際上，射線的衰減能力都是基于單一頻率定義的，對于連續(xù)光譜的X射線，在實際衰減中會存在多個衰減系數，但是隨著物質的厚度增加，射線會發(fā)生硬化以至于最后的射線近似于單色光。

2 X射線數字成像系統(tǒng)組成

X射線數字成像系統(tǒng)一般由射線源、待測物、探測器、工作站、控制箱等幾部分構成，如圖1所示。對于X射線數字成像系統(tǒng)而言，其核心部件是探測器，目前在工程實際中應用的探測器主要分為2種：圖像增強器和非晶硅平板探測器[7]。圖像增強器首先通過射線轉化屏將X射線光子轉換為可見光，然后通過圖像控制器相機將可見光轉化為圖像信號，可通過A/D采集卡轉化為數字信號輸入到計算機顯示和處理。非晶硅平板探測器采用大規(guī)模集成技術，集成了1個大面積非晶硅傳感器陣列和碘化銫閃爍體，可以直接將X光子轉化為電子，并最終通過數模轉換器轉變成為數字信號[8]。平板探測器具有動態(tài)范圍大和空間分辨率高的特性，可實現高速的X射線數字成像檢測，已成為工業(yè)X射線數字成像檢測技術發(fā)展的主流。

圖1 X射線數字成像成套裝置

X射線數字成像系統(tǒng)具有操作簡單、成像時間短、方便攜帶、成像分辨率高、信噪比強等優(yōu)點，利用X射線數字成像檢測系統(tǒng)對電力設備進行檢測，可以直觀地顯示缺陷圖像，獲得其他檢測手段無法實現的檢測效果。將X射線數字成像技術應用于電力設備的故障診斷中，關鍵是選取合適的透照參數，使得設備內部的結構能夠清晰地顯示在成像板上，這就需要分別對透照電壓、電流、透照時間進行相應改變，反復對成像質量進行分析，從而得出合適的透照參數，這就對工作人員的個人水平提出了較高要求。

目前較為常用的MRCH-250X射線數字成像系統(tǒng)的圖像動態(tài)范圍為10000∶1，像素尺寸200 μm，射線焦點尺寸1.5 mm，采用自然冷卻的方式，最大穿透能力為36 mm。圖2為利用X射線數字成像裝置對電力設備開展現場檢測工作。

圖2 X射線數字成像裝置現場應用

3 檢測案例分析

3.1 案例1

某110 kV變電站GIS因地基沉降造成母線導體連接觸頭出現明顯間隙。2019年6月，某110 kV變電站地基不同地段發(fā)生不同程度的下沉。地基的下沉導致了變電站內GIS筒體發(fā)生了微小的傾斜，為檢測GIS內部是否存在設備損壞和其它故障，技術人員首先對全站GIS設備采用超聲波法進行了局部放電檢測，但是并沒有發(fā)現存在毛刺、懸浮、自由顆粒等現象，因此判斷地基下沉并沒有導致GIS內部設備損壞，但是否存在母線導體傾斜、錯位等，還須通過X射線數字成像檢測進一步確定，隨即分別對1號主變101間隔母線導體連接觸頭A相，112線母線導體連接觸頭A相、C相進行了X射線成像檢測，檢測圖譜如圖3—圖5所示。

圖3 1號主變101間隔A相插接正常

圖4 112線母線導體連接觸頭A相間隙過大

圖5 112線母線導體連接觸頭C相間隙過大

母線導體連接觸頭在出廠時處于緊貼狀態(tài)，而通過對比檢測圖譜，發(fā)現1號主變101間隔A相插接正常，如圖3所示，112線母線導體連接觸頭 A相、C相間隙明顯，如圖4、圖5所示。經查詢此型號導桿外徑為60 mm，經測量后，按比例計算112線母線導體連接觸頭 A相、C相間隙分別達12.5 mm及10 mm，遠超允許值4 mm。結果表明X射線數字成像技術可以快速準確生成GIS內部的結構圖像，可以直接用來計算間隙大小，分析設備內部結構之間的位置關系，為處理故障提供準確依據。

3.2 案例2

2018年，對某330 kV變電站330 kV GIS筒體焊縫進行超聲波探傷檢測，發(fā)現某斷路器焊縫存在嚴重缺陷，位置如圖6所示。隨后利用X射線數字成像技術進行復檢，經檢測發(fā)現，焊縫內存在明顯的連續(xù)氣孔，如圖7所示，成像結果與超聲波探傷分析結果基本一致。超聲波探傷分析結果見表1。

圖6 斷路器間焊縫位置

圖7 斷路器間隔焊縫存在氣孔

表1 超聲波探傷結果

超聲波探傷利用超聲波在不同質介里會產生反射、折射導致波形變化來分析缺陷類型，對檢測者專業(yè)水平要求較高，而X射線數字成像技術可以準確直觀地發(fā)現設備殼體焊縫內存在缺陷，結果更加直觀。

3.3 案例3

2019年5月，對某地市公司相關線路塔基進行X射線數字成像檢測，經檢測發(fā)現存在危急缺陷耐張線夾1件，存在嚴重缺陷耐張線夾1件。正常情況下線夾凹槽部位鋁管壓接如圖8所示，存在缺陷的耐張線夾X射線檢測結果分別如圖9、圖10所示。

圖8 正常線夾X射線檢測

圖9 A線夾X射線檢測

圖10 B線夾X射線檢測

通過對比發(fā)現：A線夾凹槽部位鋁管漏壓2個凹槽，屬于危急缺陷；B線夾凹槽部位鋁管漏壓1個凹槽，屬于嚴重缺陷。

一般對電力設備故障診斷都是從電氣性能、機械性能，結合光譜分析、化學分析等手段的角度進行分析，然而這些方法有一定的局限性，結合X射線數字成像技術，可有效解決設備內部的一些缺陷。通過對以上3個不同的案例進行分析，發(fā)現X射線數字成像技術具有檢測結果直觀、實時性好，缺陷容易定位、定性，檢測結果易于保存等優(yōu)點，其對設備入網前的質量檢測、運行過程中的抽檢及事故分析等均具有良好效果。

4 結束語

X射線數字成像技術被應用于電力設備的無損檢測，不僅能夠發(fā)現常規(guī)檢測手段無法檢測到的缺陷，還能夠在設備不解體的前提下對電力設備的內部情況進行觀察，而使檢測結果更加直觀，清晰，同時配合一些常規(guī)檢測方法，可以更加準確、快速地診斷出設備的缺陷類型，從而為電力設備的入網檢測及運行評估提供直接依據。