X射线CR成像技术在开关类设备检测中应用

马飞越，亓　亮

(国网宁夏电力公司 电力科学研究院，宁夏 银川 750002)



X射线CR成像技术在开关类设备检测中应用

马飞越，亓亮

(国网宁夏电力公司 电力科学研究院，宁夏 银川 750002)

摘要：开关类设备传动部位全部位于罐体或壳体内部，当出现内部故障时，传统的带电检测方法只能大致判断故障位置和性质，无法直接对设备内部故障准确定位。宁夏电力公司引入X射线CR成像检测技术应用于开关类设备成像检测，实现在设备不解体、不影响正常运行条件下可视化检测设备内部状况，并能准确地判断出缺陷的性质、位置及尺寸。实践结果表明，X射线CR成像检测作为一种开关类设备检测新方法，能够成功实现可视化无损检测。

关键词：开关类设备；X射线；CR成像；检测；缺陷

随着电网的不断发展，电网开关类设备的种类也不断增多，目前，110 kV以上电压等级开关类设备主要有瓷柱式断路器、罐式断路器、GIS开关。设备的运行状态对电网安全稳定起着至关重要的作用。当开关类设备处于不正常运行状态，将会危及电网安全，并且造成巨大经济损失。因此，及时掌握其运行状态具有十分重要的意义。

在未应用X射线成像检测开关类设备之前，技术人员往往借助于带电测试方法确定缺陷部位和故障类型，例如SF6气体成分检测、微水检测、气体泄漏检测、超声波局放测试及超高频局放测试等。这些方法无法对设备内部缺陷情况直观的判断，导致技术人员需要耗费大量的人力、时间进行跟踪测试，甚至进行停电解体检查。采用X射线对电气设备内部结构进行成像，突破了传统电气设备内部缺陷状况只能靠常规试验数据分析，无法达到真实显示故障的局限。实践结果表明，X射线成像技术作是一种强有力手段，大幅度的提高了设备检测的准确性及可靠性。

1X射线成像系统

1.1X射线成像原理

X射线是一种波长介于紫外线与γ射线之间的电磁辐射。X射线检测技术是利用X射线对感光材料的作用，用胶卷记录、显示检测结果的方法[1,2]。

X射线在穿透物体过程中会与物质发生相互作用，因吸收和散射能力的不同，使透射后射线减弱的强度不同，该强度的衰减取决于被检物质的衰减系数和射线在物质中穿越的厚度。如果被照射物体存在局部缺陷，则试件会形成厚度差，缺陷区域的衰减强度就会与试件周围产生差异。

传统的X射线检测方法受拍片技术及底片处理方法的限制，无法满足现今电力系统检测技术的要求，其拍片速度慢、片子需要进行暗室处理、无法进行电脑分析、且胶片耗费量大等缺点已经成为制约高压设备检测的瓶颈[3]，因此开发一种更方便、快速、准确的检测方法则变得十分必要。CR系统的出现，为解决这种难题提供了方法[4]。

CR系统主要是基于“飞点扫描”法，如图1所示，X射线曝光影像板后，能量信息以潜影的形式存储在影像板内，用激光通过扫描转镜激发影像板，潜影信息以荧光的形式被激发出来，激发出的荧光由光电倍增管接收，进行光电转换及模数转换后输入电脑形成数字化图像。将图像处理后，得到被试件的差异影像。分析影像各点的黑化程度(又称曝光量)，可直观分析缺陷部位和完好部位的曝光量，影像相应部位就会出现黑度差异。这种黑度差定义为“对比度”[5]。实验人员则可以根据对比度构成的不同形状的影像，判断设备的缺陷情况[6]。

图1　飞点扫描结构示意图

图2　X射线CR成像系统

随着科技的进步，CR成像系统朝着精确、便捷的方向不断进化。2005年通用的CR系统分辨率为lOLP/mm[7]；2007年，通用生产的便携式CR机重量只有ll公斤[8]。

X射线CR成像原理不仅可利用各种图像处理技术对图像进行处理，改善图像质量，并能将各种诊断技术所获得的图像同时显示，进行互参互补，增加诊断信息同时数字化X光图像可利用大容量的磁、光盘存贮技术[9]，使带电检测可以更为高效、低耗地观察、存贮和回溯，甚至可通过网络把X光图像远距离传送，进行遥诊，为试验人员生命安全提供有力保障[10]。

1.2X射线成像系统

工业用X射线成像原理[11]与医院拍片、CT和机场安检系统工作原理相同。X射线在穿透不同的物体时与物质发生相互作用，因吸收和散射而强度变化[12-13]，感光材料(IP板)接受到该强度变化信号后，经信号处理形成我们常见的影像。其检测系统包括：射线源、感光板 (IP板)、CR扫描仪、图像显示系统(含图像处理分析软件)、现场移动支架、移动工作站等。具体系统构成如图2所示。

操作步骤如下：首先连接各部件间连接线，然后通过对控制箱设置试验参数，使射线发生器产生X射线对被试部位进行透射，最后对设备背面IP成像板感光后经CR扫描仪扫描后形成数字影像。

2X射线CR成像检测实例

X射线成像技术由于具有对开关类设备传动部位进行可视化成像的优点，可直观判断设备的运行状况。在电力系统中设备检测中得到广泛应用，具体典型检测实例如下。

2.1枣园变电站330 kV瓷柱式断路器传动杆状态检测

枣园330 kV变电站3322间隔断路器(LW25-363型)在例行试验时，发现断路器无法正常分合闸，主传动杆销挡圈脱落。

为确保电网运行可靠性，需对相邻3340、3341间隔断路器进行状态检测。由于被试品处于高空位置，普通检测手段需对其进行解体检测。为防止设备解体、停电造成的重大经济损失，采用X射线CR成像检测对被试品进行无损检测。

为准确判断枣园变电站LW25型断路器主传动杆销及挡圈状态，在设备停电时，检测人员对3340、3341间隔断路器进行X射线CR成像分析。使用X射线机断路器躯壳及平行于断路器灭弧室位置，分别检测断路器分闸、合闸状态时内部挡圈状态。X射线机平行于断路器灭弧室位置检测情况如图3，使用橡皮筋固定IP成像板，X射线机离主传动杆销水平距离为1 000 mm，射线机电压设定150 kV，透照时间180 s。X射线成像结果如图4所示。

图3 X射线成像检测瓷柱式断路器示意图4 瓷柱式断路器X射线成像结果

从图4可以看出：传动杆销挡圈影像与环境存在明显黑度差异，确定3340、3341间隔共6相断路器主传动杆销挡圈未发生脱落。后对被测设备进行例行试验，没有发现3322间隔断路器类似故障。本次试验证明了X射线成像检测技术在电气设备检测中的可行性，X射线无损检测不仅能节约大量检修时间，更能适应因现今电力系统大体积，结构复杂的设备检测效率相对较低的现状，为电力系统高压设备检测提供了新的思路。

3.2高桥220 kV变电站220 kV GIS缺陷检测

2013年8月，国网银川供电公司高桥220 kV变电站220 kV GIS检修后准备投入运行，Ⅰ号母电压互感器周围出现异响。

检测过程如下：采用超声局放检测，其余气室未发现异常；由于超声波局部放电检测技术存在内部缺陷不敏感，受外部环境影响较大，检测范围小等缺点，无法准确对缺陷类型，缺陷范围进行判定。需采用X射线成像法进行精确判定。

采用X射线成像在Ⅰ号母停电状态下对电压互感器侧在合闸状态下三相隔离开关气室进行X射线成像检测，检测结果发现隔离开关动触头未完全插入梅花触头内，电压互感器A相、B相隔离开关合闸不到位，隔离开关合闸后动触头插入深度仅触及第一个抱箍弹簧的下沿，隔离开关A相成像结果见图5。对隔离开关进行检修后，隔离开关机构恢复调整不到位造成隔离开关动静触头未充分接触。此次缺陷分析，综合超声局放检测及X射线成像两种测试手段，为诊断设备缺陷提供了可靠的依据。

本次试验证明X射线成像可以与目前主流局部放电检测技术相结合，补充传统检测手段无法精确剖析被试设备的不足，为GIS、变压器的内部缺陷提供有力判据。

图5　母线PT侧隔离开关A相成像结果

3.3新梁220 kV变电站110 kV GIS缺陷检测

2013年11月，国网吴忠供电公司新梁220 kV变电站110 kV GIS梁广Ⅱ线快速接地开关在操作过程中出现异常现象，分合闸指示不到位，现场无法确定快速接地开关内部正常分断情况。

为确保梁广Ⅱ线顺利投入运行，国网宁夏电力公司电科院分别对梁广Ⅱ线及梁广Ⅰ线GIS快速接地开关进行X射线成像试验，试验结果显示梁广Ⅱ线GIS快速接地开关FES分合闸状态下成像结果与正常间隔梁广Ⅰ线GIS快速接地开关FES成像结果对比显示无异常，且快速接地开关分合闸状态下触头开合状态明显，X射线成像检测梁广Ⅱ线GIS快速接地开关状态正常，检测结果见图6、图7。

据以往工作经验，对设备进行现场解体确认，或通过耐压试验判断其分闸状态是否正常。我方利用X射线成像技术进行检测，不仅直观呈现了设备内部的状态，更节约了成本，缩短检修工期，为设备投运节省了宝贵的时间。

图6 梁广Ⅱ线GIS快速接地开关合闸状态图7 梁广Ⅱ线GIS快速接地开关分闸状态

3X射线成像辅助设备的开发应用

X射线成像检测技术由于其快速性、可视化等特点，已在宁夏电网及电力行业中得到了广泛应用。但由于瓷柱式断路器及部分GIS设备垂直高度较高，内部结构比较复杂，为该技术在现场应用带来了诸多的困难。目前X射线CR成像检测技术在现场的应用所面临的较大的问题是X射线发射装置自带的支架在高度和角度上不能满足现场拍摄的需求导致所拍摄的照片效果不理想，甚至是利用自带的辅助装置无法对某些设备进行拍摄。为最大限度发挥X射线成像检测作用，宁夏公司积极开发现场用方便、快捷的移动式高度、角度可调的X射线发射装置的支架等成像辅助设备，为X射线成像探伤技术在宁夏电网输变电设备状态检修工作中的推广应用提供帮助。X射线辅助设备通过垂直液压升降机构满足不同开关类设备成像高度的需求，并利用电动水平旋转结构调节设备角度，其结构原理见图8。辅助设备使X射线成像检测更便捷和高效。

图8　X射线辅助设备结构图

4结论

(1)X射线成像检测不仅能够通过拍摄设备内部结构图片，实现设备缺陷部位的直观呈现，为设备诊断提供可靠的依据，为变电设备带电检测新增一种强有力的检测手段，更避免了设备盲目解体带来的损失，节省了人力和时间。

(2)将X射线成像检测与SF6分解产物检测、超声波局放、超高频局放等各种测试手段统筹结合，实现各专业之间的联动，有利于提高查找故障、分析缺陷的效率。

(3)宁夏公司将X射线成像检测应用于瓷柱式断路器，是X射线成像技术勇敢的尝试，为设备诊断提供了可靠的依据。

(4)X射线辅助设备的开发应用，实现瓷柱式断路器等具有较高垂直高度设备X射线成像的便捷性及安全性。

参考文献

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X-ray CR Imaging Applications in the Switch testing Such Equipment

MA Fei-yue，QI Liang

(Ningxia Electric Power Research Institute,Ningxia Yinchuan 750002)

Abstract：Switch transmission parts all such equipment is located inside or shell of tank，when the internal fault，the traditional electric detection method can only judge fault location and nature of general can’t directly to internal fault accurate positioning equipment.Ningxia electric power company to X-ray CR imaging detection technology applied in switch imaging detection of such equipment，realize the equipment without dis-assembly，does not affect the normal operation of the visual detection equipment under the condition of the internal condition，and can accurately tell the nature，location and size of defects.Practice results show that the X-ray CR imaging detection as a kind of switch is a new method for the detection devices，can successfully realize visualization of nondestructive testing.

Key words：Switch devices；X-rays；CR imaging；Detection；Defects

中图分类号：TM83

文献标识码：A

文章编号：1005-2992(2016)01-0008-05

作者简介：马飞越 (1986-)，男，宁夏银川市人，国网宁夏电力科学研究院工程师，硕士，主要研究方向：高压电气设备故障诊断.

收稿日期：2015-12-10