X射线数字成像技术在GIS设备检测中的应用

引言

随着电网的不断发展和壮大,GIS设备以其运行稳定、结构紧凑、受外界干扰小等优点得到了越来越广泛的应用。GIS设备由断路器、隔离开关、绝缘子、母线、互感器、避雷器等组成,其中断路器、隔离开关和绝缘子是GIS的关键元件,也是故障的高发部位。经广东电网公司统计,GIS投运后,隔离开关、绝缘子和断路器的故障发生率分别为30%、26.6%和15%。若GIS设备采用SF6气体绝缘、金属封闭技术,目前在缺陷发生时缺乏有效的检测手段。而采用X射线数字成像技术,通过对故障易发部位进行透照成像,可以有效发现分合闸不到位、绝缘件裂纹、螺丝松动、触头烧毁、异物碎屑等问题,在故障末扩大之前对其进行更换处理,防止大规模停电事故的发生。

1X射线的产生及成像原理

1.1X射线的产生机理

当高能电子流撞击金属靶时,电子在原子核的强电场作用下,速度的量值和方向都将发生急剧变化(大幅减速),一部分动能转化为光子的能量辐射出去,形成轫致辐射。如果电子能量很大,比如上万电子伏特,就可以产生X射线。

1.2射线照相技术原理

当X射线在传播过程中遇到障碍物时,会穿透障碍物继续传播,但在穿透过程中会发生吸收和散射作用而减弱,主要表现形式为光电效应、康普顿效应、电子对效应和瑞利散射。其中光电效应产生光电子和荧光(特征)X射线,康普顿效应产生反冲电子和散射光子,电子对效应将入射光子转化为一个正电子和负电子,瑞利散射产生与入射X射线能量相同的相干光。

在透射线的路径上放入胶片,透射线会在胶片上感光形成潜影,经冲洗后形成黑度与射线照射量正相关的底片。若被透照物体的局部存在缺陷,且构成缺陷的物质的衰减系数又不同于物体的衰减系数,该局部区域的透射线强度就会与周围产生差异。因此,根据底片相关部位黑化程度的差异,可判断是否有缺陷。

2X射线数字成像系统

传统的X射线成像技术是采用感光胶片成像,随着信息技术的不断发展,目前形成了较为简洁高效的X射线数字成像技术,主要分为计算机X射线成像(CR)和数字射线成像(DR)两种类型。

CR技术用成像板(IP板)记录影像信息,利用IP板上的荧光物质对入射X射线进行记录,通过扫描仪对记录信息进行读取,最后将读取数据传输至电脑成像。DR技术是由平板探测器直接接收X射线图像信号,经数模转换器将物理信号变为数字信号,最后传输至电脑成像。由于DR技术没有中间环节,成像质量高、速度快,因此成为X射线数字成像技术的发展趋势。

3影响X射线成像的因素

X射线最大的特点是其能在感光系统(屏片系统、探测器等光电转换系统)产生有效影像。根据穿过障碍物的透射线强度的不同,其在感光系统上形成影像的黑度也不同。透射X射线能量越大,强度越强,影像的黑度越高:反之,黑度越低。X射线摄影感光效应与感光因素之间的关系如下:

式中:K为固定不变的感光因素常数:v为管电压:n为管电压指数:I为管电流:t为曝光时间:r为摄影距离。

3.1管电压与穿透力

由式(1)可知,感光效应与管电压的n次方成正比。这说明管电压越高,到达成像系统的x摄像能量越大,X射线的穿透力越强,从而在感光屏上所形成的影像黑度越大。

3.2互易律

由式(1)可知,当管电压不变时,X射线感光强度与辐射强度和时间的乘积相关。因此,想要改变底片黑度,需要配合调整管电流和曝光时间的数值,使总曝光量改变。

3.3平方反比定律

由式(1)可知,透射X射线的强度与摄影距离r的平方成反比,因此可根据射线能量的大小选择合适的成像距离。

4透照工艺参数的选择

4.1检测技术等级的选择

射线检测技术分为三级:A级一低灵敏度技术:AB级一中灵敏度技术:B级一高灵敏度技术。承压设备焊接接头的射线检测,一般应采用AB级射线检测技术进行检测:对重要设备、结构、特殊材料和特殊焊接工艺制作的焊接接头,可采用B级技术进行检测:当检测条件不能满足AB级射线检测技术的要求时,经合同双方商定,在采取有效补偿措施(例如选用更高类别的胶片)后,可采用A级技术进行射线检测,但应同时采用其他无损检测方法进行补充检测。

4.2焦距的选择

为保证射线照相的清晰度,标准对透照距离的最小值有限制。在我国现行NB/T47013标准中,规定透照距离f与焦点尺寸df和工件至胶片距离(透照厚度)b应满足以下关系:

A级:

AB级:

B级:

确定透照距离后,焦距F由公式F=f＋b计算得出。在实际工作中,焦距的最小值通常由诺模图查出。实际透照时一般并不采用最小焦距值,所用的焦距比最小焦距要大得多。这是因为透照场的大小与焦距相关,焦距增大后,透照场范围增大,这样可以得到较大的有效透照长度,同时影像清晰度也进一步提高。

4.3射线能量的选择

在保证穿透力的前提下,X射线照相应选用较低的管电压。在采用较高管电压时,应保证适当的曝光量。不同材料、不同透照厚度下允许采用的最高X射线管电压可通过查找《承压设备无损检测第2部分:射线检测》(NB/T47013.2一2015)导则的第5.6.4条获得。

5X射线数字成像检测案例

5.1220kV断路器X射线数字成像检测

5.1.1缺陷检测过程

2021年6月,某220kV变电站变高开关A相发现分闸异常,随后对该开关进行X射线检测,图像如图1所示。

X射线成像结果显示,A相开关弧触头位置异常,分闸状态下仍伸出静触座。同时,发现静触座内上部靠近齿条处有螺丝缺失。

5.1.2X射线成像对缺陷原因的初步判断

X射线成像结果显示,断路器在分闸状态下弧触头仍伸出静触座,表示内部传动机构已发生异常。同时,静触座上部螺丝缺失,此处为限位螺丝所在部位,表明限位螺丝缺失后拨叉与推拉杆或齿条的配合已失灵。

5.1.3设备解体情况

2021年8月,对故障开关进行解体,发现大喷口已断裂。同时,静触座内限位螺丝缺失,拨叉转过位,推拉杆销子无法进入拨叉叉槽,形成卡阻。经过综合分析,此次缺陷的原因为限位螺丝缺失导致拨叉合闸转过位,当再次分闸时推拉杆销子无法进入拨叉叉槽,形成卡阻。此时,动触头同时受到分闸操作力和卡阻力的作用,在薄弱的大喷口处断裂。最终造成断路器传动装置失灵,分闸时弧触头停留在静触座端面以下60mm的位置。

综上,X射线成像对缺陷原因的判断与实际情况相近。

5.2220kV隔离开关数字成像

5.2.1检测过程

2019年11月,某220kV变电站对隔离刀闸进行X射线成像检测,部分典型成像图如图2、图3所示,各刀闸合闸深度如表1所示。

由图2、图3及表1可知,两台隔离开关都存在三相合闸深度不一致的问题,部分相合闸深度偏差较大。

5.2.2开盖检修情况

2020年3月,我局对X射线成像不合格刀闸进行了开盖检修处理,发现部分刀闸电动机齿轮松动,部分刀闸连结螺栓脱落,导致传动连杆未能完全抬升。由此可见,X射线成像结果与实际故障相符。

6结语

X射线数字成像技术为GIS设备的故障检测提供了可视化、无损化的诊断方法,解决了GIS设备内部隐患难以有效识别的问题。同时,因其能在不停电的情况下对GIS设备进行成像,从而提高了设备运行的可靠性和电网的稳定性,成为继带电测试、在线监测技术后又一可靠手段。目前,X射线成像技术仍存在着受透射方向影响大、难以检测横向裂纹以及辐射量大对人体有害的问题,因此,开发立体化、自动化、集约化的X射线检测系统将成为今后的发展方向。